بخشی از مقاله
اثرات کاهشي شيرواني هاي قائم رسي بر ظرفيت باربري قائم شمع ها
چکيده
رفتار شمع هايي که در مجاورت شيرواني قرار دارند با رفتار شمع هايي که در زمين مسطح قرار گرفته اند متفاوت است .
اين تحقيق به چگونگي کاهش ظرفيت باربري قائم شمع ها در مجاورت شيرواني هاي قائم رسي بکمک روش اجزاء محدود پرداخته و طي آن اثر پارامترهاي تأثير گذار از قبيل فاصله شمع تا رأس شيرواني و نسبت طول شمع به ارتفاع شيرواني در حالتهاي مختلف بررسي گرديد. در ادامه ديده شد که هر چه شمع از رأس شيرواني دورتر شود، يا نسبت طول آن به ارتفاع شيرواني افزايش يابد رفتار آن به رفتار شمع واقع در زمين مسطح نزديکتر مي شود که در اين پژوهش با کمک آناليز حساسيت انجام شده ميزان تأثير گذاري اين پارامترها ارزيابي گرديد و نهايتاً پارامتر α بعنوان ضريب کاهشي اعمالي بر مقدار ظرفيت باربري شمع هاي مستقر در زمين مسطح جهت محاسبۀ ظرفيت باربري شمع هاي واقع در مجاورت شيرواني در شرايط مختلف ارائه گرديد.
کلمات کليدي: ظرفيت باربري ، شيرواني، شمع ها، خاک رس، اجزاء محدود
١. مقدمه
يکي از مسائل ويژه اي که گاهي با آن برخورد مي شود، قرار گرفتن پي در مجاورت يا روي شيرواني هاي خاکي است .
مطالعات گسترده اي در زمينه بررسي رفتار پي هاي سطحي در مجاورت شيرواني صورت گرفته و مشاهده شده است که تاب باربري پي کمتر از حالتي است که پي بر روي زمين افقي مستقر شده باشد و در همين زمينه نيز روابطي بين ظرفيت باربري آنها و ظرفيت باربري پي هاي واقع در زمين مسطح ارائه شده است ، ولي بررسي اين موضوع در پي هاي عميق نيازمند به تحليل و آناليز بيشتري مي باشد. شمع ها کاربرد روز افزوني براي تحمل بار هاي محوري و بارهاي جانبي در سازه هايي شامل ساختمان هاي بلند، برج هاي مخابراتي ، نيروگاه ها، سازه هاي فراساحل و سازه هاي آزاد راه و راه آهن دارند. بسياري از برج هاي مخابراتي ، ساختمان هاي بلند مرتبه و پل هاي موجود در مسير آزاد راه ها و ريل هاي آهن در نزديکي شيب هاي تند قرار گرفته اند که بار آن ها بوسيله پي هاي شمعي تحمل مي شوند. هنگامي که شمع ها در مجاورت سطح شيب دار احداث مي شوند، مي توانند تحت تأثير عملکرد کاهشي شيرواني روي ظرفيت باربري خود قرار گيرند. با بدست آوردن ضرائب کاهشي مشابه با آنچه که در پي هاي سطحي وجود دارد مي توان پس از يافتن مقادير ظرفيت باربري شمع در زمين هاي مسطح و اعمال
اين ضرائب کاهشي به ظرفيت باربري شمع واقع در مجاورت شيرواني دست يافت . در اين تحقيق محاسبه ظرفيت باربري بوسيله منحني هاي بار- نشست صورت گرفته است .
امروزه کاربرد نرم افزارهاي مبتني بر روش اجزاء محدود در بررسي رفتار خاکها گسترش قابل توجهي يافته و امکان استفاده از روشهاي غير خطي در تحليل پديده هاي مربوط به حوزه الاستوپلاستيک را نيز براي حل مسائل ظرفيت باربري امکان پذير نموده است . با پيشرفت تکنولوژي رايانه ها و مهيا شدن زمينه براي تحليل هاي سه بعدي مسائل اين امکان فراهم شده است که اين بررسي به شکل دقيق تري صورت پذيرد.
استوارت [١] (١٩٩٩) به مطالعه کاهش ظرفيت باربري جانبي زهکشي نشده شمع به علت قرار گرفتن در مجاورت شيب در خاک رس، پرداخته است . مصطفي صواف [٢] (٢٠٠٨)، بر روي رفتار گروه شمع ها ي مستقر بر شيرواني هاي پايدار تحت بار جانبي تحقيق کرده است . ماتاکوماران و همکارانش [٣] (٢٠٠٩) به بررسي آزمايشگاهي روي مدل شمع منفرد مستقر بر روي سطح شيبدار تحت بار جانبي پرداخته اند. لي لي و وانگ [٤] (٢٠٠٩) رفتار گروه شمع هاي مستقر در مجاورت شيرواني در هنگام زلزله را بکمک روش عددي مورد بررسي قرار دادند.
با توجه به تاريخچه فوق مي توان نتيجه گرفت که اکثريت قريب به اتفاق تحقيقات انجام گرفته در حوزه فعاليت هاي آزمايشگاهي و همچنين عددي به بررسي اثر شيرواني بر ظرفيت باربري پي هاي سطحي در حالت کلي و شمع ها تحت بار جانبي پرداخته اند. لذا در اين پژوهش سعي مي گردد تا اثر کاهشي شيرواني بر ظرفيت باربري قائم شمع ها در خاکهاي رسي و در شرايط تحکيم نيافته زهکشي نشده مورد بررسي قرار گيرد؛ در تحقيق حاضر بررسي عوامل مؤثر بر ظرفيت باربري شمع هاي واقع در مجاورت شيرواني به صورت سه بعدي و با استفاده از نرم افزار ABAQUS انجام شده است . اين نرم افزار قابليت تحليل پديده هاي اندرکنشي را دارا مي باشد.
٢. مدلسازي عددي
با توجه به تاثيرگذار بودن پارامترهاي مختلف بر نتايج حاصل از تحليل ها در اين قسمت سعي شده پارامترها و ايده آل سازي هاي مؤثر درنظر گرفته شده در نرم افزار بصورت مختصر بيان شود. مطالعه حاضر بر روي مدلهاي سه بعدي و در شرايط Pore Fluid.Stress براي خاک وD Stress٣ براي شمع ها انجام شده است . به علت تقارن موجود در مسئله نسبت به صفحه XZ، و همچنين به جهت کاهش زمان تحليل و خطاي محاسباتي احتمالي ، از ١.٢ هندسه واقعي جهت مدلسازي استفاده شده است . شرايط تقارن مرزها، بارگذاري و هندسه مسئله باعث مي شود تا درصفحه تقارن مدل ، از تغيير مکان در جهت Y جلوگيري شود و همچنين در راستاي محور Xها تغيير مکان در جهت Y و در راستاي محور Yها تغيير مکان در جهت X، وجود نداشته باشد. شکل ١ هندسه و شرايط مرزي اعمال شده در مدل اجزاء محدود را نشان مي دهد. طول محدوده شبکه بندي چهل برابر بعد شمع وعرض آن بيست برابر بعد شمع و ارتفاع آن برابر مجموع طول شمع و بيست برابر بعد آن در نظر گرفته شده است .
جهت مدلسازي شمع و خاک ، به ترتيب از المان هاي شش وجهي CDR٣٢٠ و CDRP٣٢٠ استفاده شده است .
المان CDR٣٢٠ داراي بيست گره مي باشد که هريک از گره ها داراي سه درجه آزادي مي باشند: تغيير مکان در جهت هاي X،Y ,Z . المان CDRP٣٢٠ نيز داراي بيست گره مي باشد که گره هاي داخلي داراي سه درجه آزادي تغيير مکان در جهت هاي X،Y ,Z و گره هاي گوشه داراي چهار درجه آزادي تغيير مکان در جهت هاي X،Y ،Z و فشار حفره اي مي باشند. موقعيت گره ها و مختصات اين المان ها در شکل ١ آمده است .
همچنين ، به جهت مدلسازي هرچه دقيقتر اندرکنش ميان سطح تماس شمع و خاک ، از المان هاي تماسي سطح به سطح استفاده شده است . لازم به ذکر است که تماس ميان خاک و شمع از نوع تماس دو جسم غير صلب بوده و در اين ميان به دليل صلبيت شمع در مقايسه با خاک ، سطح شمع به عنوان سطح هدف و خاک به عنوان سطح تماس در نظر گرفته شده است .
شکل ١- هندسه مدل
الف ) نحوه المان بندي و شرايط مرزي اعمال شده ب) موقعيت گره هاي المان
در اين تحقيق شمع ها بتني و مدل رفتاري آن ها الاستيک در نظر گرفته شده است . نرم افزار ABAQUS قابليت تعريف مدل رفتاري غير خطي موهر-کولمب ، براي مصالحي مانند خاک را دارد. از اين رو مدل رفتاري خاک موهر-کولمب انتخاب شد تا بتواند به خوبي رفتار الاستوپلاستيک خاک را نشان دهد. در جدول ١ مشخصات مصالح شيرواني و شمع ارائه شده است .
٣. صحت سنجي مدل
همانطور که در قسمت مقدمه اشاره گرديد، از آنجايي که هيچ گونه نتايجي مبني بر اثر شيرواني بر ظرفيت باربري قائم شالوده هاي عميق در ادبيات فني موجود نمي باشد، لذا در اين قسمت به جهت اعتباريابي مدل اجزاء محدود ساخته ، از مدل شمع مستقر در زمين مسطح استفاده شد. براي سنجش درستي مدلسازي ، نياز به مدل مرجعي است که از صحت نتايج آن آگاهي حاصل شده باشد. اين مدل شمعي بتني با بعد مقطع ٣٠ سانتيمتر و طول ١٥ متر است که در Mexico City و در زمين رسي با چسبندگي ٣٤ کيلوپاسکال و زاويه اصطکاک داخلي ١٦.٧ درجه و وزن مخصوص غوطه وري ١١.٨ کيلونيوتن بر متر مکعب واقع شده است [٥]. مدل سه بعدي ابتدا درمرحله ژئواستاتيک تحت وزن خود و سپس در مرحله استاتيک تحت بار قائم قرار گرفت . در شکل ٢ نتايج حاصل از مدلسازي اين تحقيق و مدل مرجع جهت مقايسه مدل سه بعدي با نتايج آزمايش
صحرايي صورت گرفته در Mexico City آورده شده است .
شکل ٢- نمودار بار- نشست در سر شمع جهت صحت سنجي مدل
همانطور که مشاهده مي شود نتايج حاصل از نرم افزار ABAQUS تطابق قابل قبولي با مدل مرجع دارد. با اين کار در واقع از نحوه مدلسازي و مش بندي و تعريف المان هاي اندرکنشي خاک و شمع براي مدل هاي بعدي اطمينان حاصل شد.
٤. محاسبه نتايج
روش تعيين و ارزيابي ضريب کاهشي ظرفيت باربري شمع هاي مستقر بر مجاورت شيرواني به اين صورت است که ظرفيت باربري شمع در دو حالت مجاور شيرواني و زمين مسطح در شرايط مشابه و با استفاده از منحني هاي بار- نشست مربوط به هر يک از آن ها محاسبه و نسبت ظرفيت باربري شمع در مجاورت شيرواني به ظرفيت باربري همان شمع واقع در زمين مسطح به عنوان ضريب
