بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به گسترش روزافزون روش میخکوبی در پایدارسازی موقت دیواره گودبرداریها، ارائه طرحی اقتصادی منجر به صرفهجویی در مصالح مصرفی میشود. پارامترهای دخیل در طراحی گودبرداریها به روش میخکوبی عبارتنداز: مشخصات مکانیکی خاک، مقاومت سطح تماس دوغاب تزریق و چال حفاری، فواصل افقی و قائم میخها، ضخامت و مقاومت پوشش شاتکریت و توری فلزی، همچنین تغییر مکان مجاز دیواره، ضرایب اطمینان پایداری کلی و پایداری داخلی میخ بر اساس آییننامه انتخابی. با توجه به تعدد پارامترهای مؤثر در طرح، وجود یک ابزار سیستماتیک برای انتخاب طرح بهینه به لحاظ اقتصادی بسیار ارزشمند است.
در این تحقیق بهینهسازی طراحی سیستم میخکوبی با استفاده از روش تاگوچی انجام گرفتهاست. بر اساس متغیرهای موجود، آرایه ارتوگونال مناسب در روش تاگوچی انتخاب و تحلیلها با استفاده از نرمافزار المان محدود انجام شد. نتایج نشان داد که طرح بهینه حاصل از روش تاگوچی میتواند تا حدود پانزده درصد نسبت به طرحهای معمول اقتصادیتر باشد.
1. مقدمه
در روشهای سنتی برای تثبیت شیبها و دیوارها به روش میخکوبی، آرایش میخها به نحوی بود که در آن طول و فواصل افقی و قائم میخها یکنواخت بود. چنانچه هزینه های ساخت و ملاحظات اقتصادی وارد عمل گردد، چنین آرایشی برای میخها ممکن است طرح بهینهای نباشد. علاوه بر هندسه دیواره و پارامترهای خاک، فاکتورهای اصلی که در پایداری دیواره میخکوبی را تحت تاثیر قرار میدهند، عبارتند از: جهتگیری میخها، ویژگی میخها، طول و فواصل میخها. [1] پروژه تحقیقاتی ملی فرانسه - CLOUTERRE - در خلال دهه 1980 میلادی یک مطالعه مفهومی را بر روی دیوارهای میخکوبی شده انجام داد.
نصب میخهای بلندتر در ترازهای بالایی برای کارکرد بهتر در دیوارهای خیلی بلند، بهتر است. این آرایش منجر به کمتر شدن جابجایی رویه دیوار میشود. اما میخهای نصب شده در ترازهای پایینی در کنترل گسیختگی لغزشی در کف دیوار بسیار مهم است. به این دلیل که میخهای ردیفهای پایینی طول بیشتری را در خارج از گوه گسیختگی دارند. میخهای نصب شده به صورت افقی در کنترل جابجایی جانبی بهترند و مقاومت برشی بیشتری را در پایداری توده خاک ایجاد میکنند.
Jewell در سال 1980 مجموعهای از آزمایشات برش مستقیم را برای بررسی تاثیر جهتگیری میخهای انعطاف-پذیر بر روی افزایش مقاومت برشی در هنگام گسیختگی در توده خاک انجام داد. زاویه بهینه میخها برای بسیج شدن حداکثر مقاومت برشی در توده خاک، در حدود 30 درجه است. Marchal در سال 1984 نشان داد جهتگیری میخها نسبت به سطح گسیختگی، در توده خاک در بسیج شدن کشش و مقاومت برشی نقش مهمی را ایفا میکند. علاوه بر آنکه در مقاومت برشی کلی خاکهای میخکوبی شده بر مبنای مطالعات آزمایشگاهی نیز تاثیر دارد.
شفیعی در سال 1986 تحقیقی را بر روی تاثیر جهتگیری میخها روی تغییرشکل دیوارهای میخکوبی شده ارائه داد. دیوارها با میخهای با زوایای 0 تا 30 درجه نسبت به افق تحلیل شدند. تغییر شکلهای وجه دیوار در حالتی که زاویه میخها 30 درجه بود، بیشتر بود. Jones در سال 1990پیشنهاد کرد برای رسیدن به وضعیت بهین، میخهای ردیفهای بالا با شیب کمی به سمت بالا قرار گرفته و در ردیفهای پایینی به سمت پایین متمایل گردند.
Sabhahit در سال 1995 نشان داد که مقدار کلی طول مورد نیاز برای میخها، چنانچه میخها در بخشهای پایین شیب باشند، کاهش مییابد. پیشنهاد وی این است که طول میخ در بخشهای میانی شیب افزایش یابد تا از طول کلی مورد نیاز میخها کاسته شود. وی و همکارانش تنها پایداری کلی را در نظر گرفته، سپس میزان فولاد مورد نیاز را برای رسیدن به مقدار مطلوب ضریب اطمینان، تخمین زدند. نقص این روش این است که چنانچه پایداری داخلی میخها در نظر گرفته نشود، ممکن است گسیختگیهای موضعی ناشی از برون کشی، منجر به بازتوزیع تنش و در نتیجه گسیختگی کلی گردد.
علاوه بر این توزیع نیروها به شیوه فوق ممکن است منجر به وضعیتی شود که در آن نیروهای بسیج شده میخها بسیار کمتر از مقاومت آنها باششد و طرح را غیر اقتصادی کند. Basudhar و Patra در سال 2005 تحقیقی را برای یافتن محل و طول و زاویه بهینه میخها در شیبها و دیوارهای میخکوبی شده انجام دادند. Chia-Cheng Fan [2] و دیگران در سال 2008 نشان دادند زاویه بهینه میخ نسبت به افق در گود قائم برای پایداری کلی، صفر درجه میباشد و نیز تاثیر تغییرات طول میخ در 1/3 ارتفاع بالای گود بر پایداری کلی ناچیز است، در صورتی که اثر طول میخ در 1/3 پایینی ارتفاع گود مهم میباشد. همچنین اثر تغییرات فواصل قائم میخ ها روی پایداری کلی، در صورت یکسان ماندن تعداد میخ، ناچیز است.در تحقیق حاضر برای بهینه سازی سیستم میخکوبی شده از روش تاگوچی استفاده شده است.
هدف اصلی در این روش، بهبود کیفیت از طریق بهینه سازی فاکتورهای مؤثر در طراحی محصول یا فرآیند می باشد. متغیرهای موثر در نظر گرفته شده برای طراحی عبارتند از: اندازه - طول و قطر - میخها، قطر چال حفاری، فواصل افقی میخها و ضخامت شاتکریت. در روش تاگوچی با دادن متغیرها و تعداد سطوح آنها به عنوان ورودی، آرایشی سیستماتیک از متغیرها برای هر تحلیل ارائه میشود. سپس هر تحلیل بر اساس ترکیب داده شده از این روش انجام شده و با انتخاب یک تابع هدف تحلیل تاگوچی انجام شده سپس بر اساس معیار کیفیت انتخابی طرح بهینه به دست میآید. در این تحقیق تحلیل تاگوچی بر روی خاک اعمال میشود و طرح بهینه آن با طرحی که طراح معمولی تنها بر اساس قضاوت مهندسی خود ارائه میدهد مقایسه میگردد.
2. روش تاگوچی
روش تاگوچی، روش طراحی آزمایش با فاکتوریل جزئی به صورت سیستماتیک است که بر اساس متغیرهای موجود در مسأله و تعداد سطوح تغییر آنها، آرایشی از ترکیب آنها را برای هر آزمایش نشان میدهد. در این روش از جداول استانداردی که به نام آرایههای ارتوگونال شهرت دارند، استفاده میگردد. این آرایهها، فرآیند طراحی آزمایشها را سهولت میبخشند. طراحی یک آزمایش شامل انتخاب مناسبترین آرایه ارتوگونال، تعیین فاکتورها با ستون های مناسب و ایتاًنه توضیح ترکیباتی از آزمایشهای مجزا موسوم به شرایط آزمایش می باشد. در روش تاگوچی نتایج آزمایشها، به منظور رسیدن به اهداف زیر مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرند:
- ایجاد شرایط بهینه با بهترین شرایط ممکن در تولید یک محصول یا یک فرآیند.
- ارزیابی سهم هر فاکتور به صورت مجزا
- ارزیابی پاسخ به دست آمده تحت شرایط بهینه
تاگوچی دو روش برای انجام و کامل کردن تحلیل ها پیشنهاد میکند. اولی - روش استاندارد - که در آن نتیجه یک موقعیت آزمایش و یا مقدار میانگین نتیجه به دست آمده از تکرار یک موقعیت آزمایش به واسطه اثر عمده و ANOVA پردازش می شود. روش دوم که برای آزمایشها همراه با تکرار توصیه میشود، استفاده از نسبت سیگنال به نویز - S/N - برای مراحل یکسان در تحلیل است. تحلیل S/N با استفاده از تغییرات نتایج، بهترین و قویترین شرایط کاری را تعیین میکند. وقتی آزمایشهاشامل تکرار در هر موقعیت آزمایشی بوده و نتایج به صورت کمّی اندازهگیری شود، تاگوچی تحلیل نسبت S/N را توصیه میکند. [4,3]
3. مطالعه پارامتریک
در این تحقیق، رفتار خاک بر اساس مدل کرنشهای کوچک سختشونده در نظر گرفته شد. مدل کرنشهای کوچک سختشونده در واقع گسترش یافتهی مدل خاک سختشونده است. با این تفاوت که در این مدل، دو پارامتر اضافی مدول برشی اولیه، ، و کرنش برشی، ، وارد تحلیلها میشود. کرنشی است که در آن مدول برشی سکانت به %70 میزان میرسد. برای کرنشهای کمتر از ، افت ناگهانی در سختی کرنش کوچک اندازهگیری میشود. این رفتار با افزودن دو پارامتر اضافی و توصیف میشود. [5]
پارامترهای دخیل در طراحی یک سیستم میخکوبی شده شامل مشخصات مکانیکی خاک، همچنین متغیرهای سازهای میباشند. در تحلیلهای انجام شده مشخصات مکانیکی خاک به صورت ثابت در نظر گرفته شد. متغیرهای سازهای موثر در نظر گرفته شده شامل اندازه میخ - قطر و طول - ، قطر چال حفاری، ضخامت شاتکریت و فواصل افقی میخهاست.
به منظور مدلسازی بهتر و هدفمند بودن ترتیب مدلسازی ها، با توجه به اینکه در مطالعات قبلی انجام شده در سطح ملی و بین المللی، مبنای تغییر طرح مدلسازی ها برای تعیین بهترین شرایط از طریق روش سعی و خطا بوده است، در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از روشی سیستماتیک، طراحی مناسبی برای نحوه ی تغییر تمامی پارامترهای تأثیرگذار بر مدل عددی ارائه شود. روش مورد استفاده در تحقیق حاضر، روش پیشنهادی تاگوچی میباشد.
در جدول1 مشخصات خاک فرضی درج شده است. از آنجایی که خاک غالب مناطق به صورت چسبنده، دانهای و یا ترکیبی از این دو میباشد، تحلیلهای انجام شده در خاک چسبنده و خاک دانهای همگن انجام شد. نکته قابل ذکر آن است که در تحلیلهای انجام شده از فشار تزریق صرفنظر و تنها مقاومت پیوستگی خاک منظور شد. همچنین پارامترهای خاک چسبنده در حالت کوتاهمدت در نظر گرفته شده است.
