بخشی از مقاله
کاربرد ژئوفوم بعنوان مصالح نوین در دیوارهای حائل طرهای
چکیده
این مقاله کاربرد ژئوفوم را در کاهش فشار جانبی زمین بر روی دیوار های دانه ای حایل طره ای و خاکریزهای خشک بررسی می کند. نتایج آزمایش های مدل فیزیکی با عنوان رفتار دیوارهای حایل طره ای ساخته شده با پلی استایرن منبسط شونده و اثر انعطاف پذیری نسبی دیوار و مشخصات خاکریز دانه ای و ژئوفوم روی رانش محرک خاک در این مقاله بررسی شده است. نتایج آزمایش نشان می دهد که شکل دیاگرام توزیع فشار فعال پشت یک دیوار حایل طره ای غیرخطی است و تغییرات به انعطاف پذیری دیوار و خصوصیات لایه قابل تغییر بستگی دارد. ژئوفوم باعث کاهش فشار جانبی خاک می شود به این طریق
که به همان اندازه که سهم مثبت بافر قابل تراکم کاهش می یابد به همان اندازه انعطاف پذیری نسبی دیوار افزایش می یابد. کاهش بارهای جانبی خاک به شکل ناحیه گسیختگی بستگی دارد که می تواند پهن، غیرخطی و پایدار باشد. آنالیزهای عددی پارامتری به منظور بسط محاسبه ضریب فشار جانبی خاک برای ترکیبات مختلف خاکریز، ظرفیت شکل پذیری و خواص ساختاری اجرا می شود. براساس نتایج بدست آمده از آنالیزهای عددی نمودارها و مدل های رگرسیون طراحی شده که ضریب فشارجانبی خاک و بارجانبی روی دیوارهای حایل طره ای قابل انعطاف خاک با و بدون لایه های ژئوفوم شکل
پذیر را نشان می دهد.
کلمات کلیدی: ژئوفوم، دیوار حائل، فشار جانبی، تحلیل عددی، مدل فیزیکی
1. مقدمه
سال ها تجربه عملی با ژئوفوم پلیمری ثابت کرده است که ژئوفوم پلیمری وقتی در عملیات خاکی استفاده می شود می تواند در مقابل فشارهای جانبی وعمودی مقاومت کند. ثبات، دوام و مقاومت در برابر رطوبت و تخریب از خصوصیات برتر شناخته شده ژئوفوم است. از آنجایی که جرم حجمی و واکنش تنش کششی ژئوفوم در مرحله تولید براساس کاربردهای مختلف قابل تنظیم است، ژئوفوم پلیمری می تواند یک جایگزین موثر برای مواد متداول باشد. استفاده چند منظوره از ژئوفوم در پروژه های مهندسی زمین شناسی شامل روسازی و خاکریزی سبک، کاهش فشار جانبی استاتیکی خاک روی ساختارهای حایل صلب و تسلیم ناپذیر، کاهش صدا و لرزه،
تعادل شیروانی، کاهش نیروهای لرزه خیزی روی دیوارهای حایل و جبران فشارهای عمودی و جانبی در اثر تورم خاک می باشد. ژئوفوم با سختی کمتر بر خلاف ساختار حایل صلب این توانایی را دارد که تحت فشار جانبی خاک اعمال شده توسط جرم خاک و ساختار حایل تغییر شکل دهد. فرایند کنترل تسلیم اجازه تغییر شکل جانبی جرم خاک را میدهد و خاک را به مرحله گسیختگی فعال نزدیک می کند. مطالعات عددی برپایه آنالیزهای اجزای محدود کاهش بار استاتیکی روی دیوارهای صلب را که در این مقاله گزارش شده عنوان می کند. ترندافیر آنالیزهای اجزای محدود را برای بررسی عملکرد ژئوفوم برای کاهش بارجانبی در مقابل دیوارهای صلب اجرا کرد. این نتایج در یک نمودار گردآوری شده است که توزیع فشارهای جانبی و ضریب جداکننده ژئوفوم را نشان میدهد. در مطالعه اخیر ارتوگول و ترندافیر نشان دادند نتایج عددی حاصل، از نتایج آنالیز اجزای محدود جامع تر است. نتایج آنالیزهای عددی نشان می دهد که در حضور صفحه ای از ژئوفوم با سختی کمتر در داخل دیوار حایل فوقانی با ارتفاع متوسط پیشرفت در اجرای جداکننده با بارگذاری تراکم پذیر را فراهم می کند به خاطر اینکه تغییر شکل های وابسته به فشارجانبی نرم تر در این ناحیه سبب اضافه مقا ومت در جرم خاک حایل شده می شود.
این موضوع قابل توجه است که بیشتر مطالعات به استفاده از ظرفیت تراکم پذیری پشت ساختار حایل خاک می پردازن دکه به انعطاف پذیری مواد خاکریز در برابر دیوارهای غیرقابل انعطاف صلب بستگی دارد. ازآنجایی که انعطاف پذیری دیوار حایل نگهدارنده نقش مثبتی در کاهش فشار خاک ایفا می کند، جابجایی خاکریز به حرکات خمشی دیوار که ممکن است فشارهای جانبی را کاهش دهد بستگی دارد. ظرفیت تغییرناپذیر ممکن است به کاهش اضافی در رانش جانبی که به خاطر مکانیسم طاق زنی ویژه است منجر شود که این عمل توسط تغییر شکل ناهمگن مواد تراکم پذیر ایجاد می شود. آنالیز اجزای محدود ممکن است تخمین خوبی برای نیروهای جانبی فراهم نیاورد، به خاطر اینکه اثر حرکات دیوار و اثرقوسی در خاکریز وارد می شود که سبب ایجاد حالت
غیرخطی در پروفیل های جانبی می شود.
2. فرآیند تحقیق
در این مقاله از نتایج تست فیزیکی در ارتفاع 0,7 متری دیوار حایل طره ای، ظرفیت ژئوفوم شکل پذیر و سیستم خاکریز دانه ای خشک که توسط ارگولار و ترندافیر انجام شده، استفاده شده است. ظرفیت ژئوفوم شکل پذیر از فوم EPS وXPS روزنه دار صلب پلی استایر ن که بین دیوار و خاکریز خشک روزنه دار نصب شده تشکیل شده است. در طول آزمایش توسط آن دو، جابجایی دیوارهای مدل شده و فشار های جانبی خاک در ارتفاع های متفاوت در سرتاسر تنه دیوار مورد بازبینی قرار گرفته اند. براساس داده های آزمایش، شکل پروفیل های فشار جانبی زمین و ضریب فشار زمین برای دیوارهای حایل که دارای انعطاف پذیری و خصوصیات گنجایشی ژئوفوم متفاوت هستند، تخمین زده شده است. در ادامه این مقاله نیز آنالیزهای عددی توسی FLAC صریح 2 بعدی اجرا می شود. اطلاعات برای تایید کد متغیر محدود شامل توزیع فشار جانبی و جابجایی های دیوار مشاهده شده در آزمایش های مدل فیزیکی ارگولار و ترندافیر به کار می روند. استفاده از کد عددی معتبر و
آنالیزهای پارامتری برای بررسی اثرارتفاع دیوار، خصوصیات مقاومت خاکریز، ویژگی های ژئوفوم شکل پذیر و صلبیت ساختار دیوار حایل انعطاف پذیر در فشارهای جانبی و کاربرد رانش خاک به کار می رود.
شکل : (1) یک نما از سطح مقطع مورد آزمایش توسط ارگولار و ترندافیر.
3. ژئوفوم XPS و EPS
ژئوفوم EPS و XPS توسط دانسیته 15kg/m3 و 22kg/m3 توصی ف شده است که در آزمایش های مدل فیزیکی مورد استفاده قرار گرفته اند. رفتارهای تنش- کرنش تک محوری مواد در طی آزمایش های به هم فشرده تک محوری تعیین می شوند. آزمایش بارگذاری مونوتونیک تک محوری در یک نسبت کرنش محوری % 0.01/min اجرا می شود که سازگار با نسبت بارگذاری صفحات ژئوفوم در طول فرایند خاکریزی مدل دیوار حایل به ارتفاع 700mm است.در شکل 2 تنش انحرافی نشان داده شده است. نیرو تسلیم ژئوفوم EPS طبق روش مگنان و سراتیک 39kp است. EPS یک رفتار تنش-کرنش دو خطی را نشان می دهد که مربوط به یک کاهش در مدول یانگ با کرنش محوری بیش تر از %1 می باشد.
شکل : (2) تنش انحرافی
مدول های یانگ توصیف شده در بخش اول الاستیک خطی با خم تنش-کرنش حدود 1500kp تعیین شده است. منطقه الاستیک خطی تقریبا % 2 کرنش فشرده دارد و مدول های یانگ بخش الاستیک را توصیف می کنند که 5580kp به دست آمده اند. آزمایش 3 محوری زهکش شده تحکیم یافته روی ژئومتریال تحت تنش های فشارزای متفاوت و رنجهای بارگذاری متفاوت اجرا شده است. رفتار تنش-کرنش مواد با r=20kp و کرنش 0.01%/min در شکل 3 نشان داده شده است. مشاهده شده که نیروی تسلیم و مدول الاستیک ژئوفوم XPS و EPS کمتر از آنهایی هستند که مواد خاکریز دانه ای دارند در صورتیکه محدوده کرنش الاستیک ژئوفوم در مقایسه با مواد خاکریز بیشتر است.
شکل : (3) مقایسه رفتار تنش-کرنش مواد خاکریز دانه ای با r=20kp (میزان کرنش(0.01%/min=
4. مدل عددی
در آنالیز عددی دیوار حایل طره ای انعطاف پذیر غیرقابل انتقال که روی یک لایه خاک سخت ساکن است مدل شده است. برای آنالیز عددی کرنش صفحه دوبعدی دیوار طره ای با ظرفیت شکل پذیر از نرم افزار FLAC 2D ورژن 6 استفاده شده است. فشارهای جانبی زمین و جابجایی ها در طول آزمایش های فیزیکی برای درجه بندی و معتبرسازی مدل متغیر محدود به کار می رود.
روش مدلسازی عددی و فرایند درجه بندی که هدفشان نظیرکردن تنش های محاسبه شده و اطلاعات آزمایش است شبیه به همان هایی هستند که ارگولار و ترندافیر توصیف کرده اند. شرایط مرزی برای آنالیز متغیر محدود شامل جابجایی های عمود ی و افقی گیردار در طول مرز افقی پایین و جابجایی افقی گیردار در طول مرز عمودی روی خاکریز و اطراف خاک زیرین می باشد. خاک حایل و لایه فنداسیون همانگونه که مواد پلاستیک الاستوایزوتروپیک همگن توسط عامل تسلیم موهر-کلمبو توصیف شده مدل شده اند. زاویه اصطکاک داخلی و زاویه انبساط پذیری برپایه اطلاعات آزمایش 3 محوری انتخاب شده اند. برای تمام مراحل ژئومتری یک مقدار چسبندگی اسمی برای افزایش مقاومت حل عددی اتخاذ می شود. تنه دیوار و پایه آن در آزمایش فیزیکی استفاده می شوند که برای المان های تیرالاستیک مدل شده اند. یک اتصال صلب بین تنه دیوار و صفحه پایه به منظور شبیه
سازی رفتار طره ای در نظر گرفته شده است. خصوصیات المان های سطح مشترک موهر-کلمبو ، الاستوپلاستیک در اتصالات دیوار و ژئوفوم، دیوار و فنداسیون، خاکریز و دیوار، خاکریز و فنداسیون و ژئوفوم و خاکریز نشان داده شده اند. برای المان های سطح مشترک بین تنه دیوار و خاکریز دانه ای زاویه اصطکاک 35 درجه اتخاذ شده است، در حالیکه سطح مشترک خاک فنداسیون و پایه دیوار مدل شده، زاویه اصطکاک 42 درجه برای آن استفاده شده است. زاویه اصطکاک سطح مشترک بین تنه دیوار-ژئوفوم و خاکریز-ژئوفوم 15 و 24 درجه طبق نتایج آزمایش بدست آمده اند. برای تشخیص توانایی مدل عددی برای برگرداندن اطلاعات آزمایش، فشار دیوار توسط متد متغیر محدود پیش بینی می شود که با پرفیل های تنش به دست آمده در آزمایش های فیزیکی مقایسه می شود. براساس مقایسه های نشان داده شده در شکل 4 مدل عددی فشارهای داخل دیوار را براساس قرارداد مناسب پیش بینی می کند.
شکل : (4) مدل عددی فشارهای داخل دیوار
پروفیل های تنش جانبی درآزمایش های فیزیکی به طور رضایت بخش با مدل عددی ثبت شده اند به جزدر نزدیکی های پایه دیوار. محاسبات در بهترین حالت در اطلاعات آزمایش فیزیکی بیشتر از %80 ارتفاع دیوار است در صورتیکه برای %20 باقی مانده ارتفاع دیوار مدل عددی اطلاعات آزمایش را ناچیز می شمارد. در نتیجه بحث ارگولار و ترندافیر پارامترهای سطح مشترک در پایه دیوار توسط قربانی کردن نتایج در بخش کوچک قرار داده شده در نزدیکی پایه دیوار تنظیم شده اند. درصد کاهش پیش بینی شده کمی بیشتر از مقدار واقعی است. در شکل 5، a و b خطوط همبار جابجایی جانبی برای یک دیوار تقریبا صلب با ظرفیت ژئوفوم نسبتا ضخیم t1/H=0.14 با دیوار حایل بدون ظرفیت ژئوفوم مقایسه شده است. همانگونه که در شکل 10 مشاهده می شود اثرکمانش مثبت در خاک حایل القا میشود که این کار توسط تراکم جانبی ظرفیت ژئوفوم صورت می گیرد و در یک منطقه پهن تر، عمیق تر و مقاوم تر به اوج خود می رسد که با یک سطح برشی خمیده ترسیم شده است.
