بخشی از مقاله
خلاصه
پرسیومتري یکی از مهمترین آزمایشهاي صحرایی در حوزه ژئوتکنیک است که براي شناسایی ویژگیهاي مکانیکی خاك کاربرد دارد. مزیت اصلی این دستگاه، اندازهگیري پیوسته منحنی تنش-کرنش خاك است و این منحنی، جهت تعیین پارامترهاي خاك بر مبناي تحلیلهاي تئوري(تئوري انبساط حفره) قابل تفسیر است. در این پژوهش، ابتدا آزمایش پرسیومتر به صورت کرنش-کنترل در نرم افزار FLAC مدل شده است. سپس جهت صحت سنجی، نتایج مدلسازيهاي عددي با تئوري انبساط حفره در محیط الاستوپلاستیک و نتایج صحرایی مقایسه شده است. سپس آنالیز حساسیت بر روي تاثیر پارامترهایی از قبیل مدول الاستیسیته، زاویه اصطکاك داخلی و ضریب پواسون بر روي منحنی تنش-کرنش انجام شده است. نهایتا از تفسیر نتایج منحنی پرسیومترحاصل از آنالیز عددي، زاویه اصطکاك داخلی و اتساع از روشهاي مختلف تعیین شده وکارایی هر یک از این روشها ارزیابی شده است.
کلمات کلیدي: مدلسازي عددي، آزمایش پرسیومتري، پارامترهاي خاك ماسهاي، زاویه اصطکاك، زاویه اتساع
1. مقدمه
آزمایش پرسیومتري ابتدا توسط منارد در سال 1954 ابداع شد. در این آزمایش، یک بالن استوانهاي تحت فشار سیال درون گمانه انبساط مییابد و تغییرات حجم و فشار به طور پیوسته اندازهگیري می شود. یکی از مزیتهاي این آزمایش، وجود روابط تحلیلی متعدد براي تفسیر نتایج آن است.[1]
(1852) Lame اولین راه حل بسته براي مسئله انبساط حفره در محیط الاستیک خطی و با فرض تغییر شکلهاي کوچک ارائه داد.[2] با استفاده از این راه حل، فقط میتوان مدول برشی الاستیک را با استفاده از تفسیر شیب اولیه نمودار تنش-کرنش و یا سیکل بارگذاري-باربرداري به دست آورد.
آزمایش پرسیومتري را میتوان در حالت ایدهآل به صورت انبساط یک حفره استوانهاي در محیط الاستوپلاستیک مدل نمود. بر این اساس، Gibson و (1961) Anderson روشی را جهت تعیین زاویه اصطکاك داخلی خاك در حالت کرنش مسطح توسط پرسیومتر ارائه نمودند .[3] فرض اساسی این روش این است که برش در حجم ثابت رخ میدهد. (1972) Vesic روشی را ارائه کرد تا اثر تغییر حجم خاك را در تحلیل در نظر بگیرد(1977) Hughes .[4] روش دیگري را پیشنهاد داد که به وسیله آن میتوان از آزمایش پرسیومتر، زاویه اصطکاك داخلی و زاویه اتساع خاك ماسهاي را تعیین کرد.[5] سپس Carter و همکاران (1988) یک راه حل بسته براي خاكهاي چسبندهي اصطکاکی ارائه کردند .[6]
در این پژوهش ابتدا به اصول و نحوه مدلسازي پرسیومتر در نرم افزار FLAC پرداخته میشود. سپس با آنالیز حساسیت، اثر هرکدام از پارامترهاي خاك بر نمودار تنش-کرنش حاصل از پرسیومتر بررسی میشود و نهایتا از تفسیر نتایج منحنی پرسیومتر حاصل از آنالیز عددي، زاویه اصطکاك داخلی و زاویه اتساع خاك از روشهاي مختلف تعیین شده وکارایی این روشها ارزیابی میشود.
1استاد و عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف
2دانشجوي کارشناسی ارشد ژئوتکنیک دانشگاه صنعتی شریف
١
2. مدلسازي عددي
مسئله انبساط حفرهي استوانهاي در محیط پلاستیک، مورد توجه محققین بسیاري بودهاست. دلیل آن این است که تفسیر نتایج آزمایشهاي برجا و تخمین پارامترهاي خاك از اهمیت ویژهاي برخوردار است.
در این پژوهش، انبساط حفره به دو صورت متقارن محوري (مدل (1 و کرنش مسطح (مدل (2 مدل شده است. مدل رفتاري موهر-کولمب جهت مدلسازي انتخاب شده است.آزمایشها به صورت کرنش-کنترل مدل شدهاند. براي مدلسازي، ارتفاع و قطر پرسیومتر به ترتیب 500 و 80 میلیمتر انتخاب شدهاست که به اندازهي ابعاد پرسیومتر خود حفار کمبریج است. (1992) Bahar بیان کرد که جهت مدلسازي شرایط بینهایت در خاكهاي نرم رسی، لازم است نسبت شعاع ناحیه اطراف به شعاع پرسیومتر، 30 باشد اما براي رسهاي سخت و ماسهها، این نسبت بایستی بیشتر باشد.[7] در این پژوهش جهت اطمینان از تاثیر ناچیز شرایط مرزي بر نتایج، در هر دو مدل 1 و2، نسبت شعاع ناحیه اطراف به شعاع پرسیومتر، 180 لحاظ شده است. مدل 1 در راستاي قائم مقید شدهاست و در فواصل دور، تنش افقی برجاي خاك ( P ) در راستاي افقی به آن اعمال شدهاست. در شکل (1) شرایط مرزي مدل 1 نشان داده شده است. در مدل 2، در فواصل دور جابه جایی افقی و قائم مقید شده است. مدلهاي 1 و2 در شکلهاي (2) و (3) نشان داده شدهاند. در شکل (4) مقایسه بین نتایج حاصل از مدل 1 و 2 دیده میشود.
شکل -1 شرایط مرزي مدل 1
شکل -2 مدل متقارن محوري (مدل (1
٢
شکل -3 مدل کرنش مسطح (مدل (2
400
350
300 Pressure(kPa)
250
AxialSymmetric 200
150
plane Strain
100
50
0
60 50 40 30 20 10 0
CavityStrain(%)
شکل -4 مقایسه نتایج مدل 1و 2
به دلیل آن که در مدل متقارن محوري به ازاي تعداد المان کمتر، تاثیر مشبندي بر نتایج، قابل صرف نظر میشود، به نظر میرسد که این مدل جهت انجام آنالیزهاي بعدي مناسبتر است بنابراین آنالیزهاي بعدي بر مبناي مدل متقارن محوري انجام میشود.
