بررسی آزمایشگاهی و عددی پدیده قوسی خاک |
4-4-4- مقایسه نتایج بهدستآمده از آزمایشات…..……………………………………..84
4-4-5- بررسی درصد کاهش فشار در پشت دریچه……………………………………….87
4-5- مدلسازی عددی…………………………………………………………………………91
فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری
5-1- بحث و نتیجه گیری…………………………………………………………………….97
5-2-پیشنهادات………………………………………………………………………………..98
فهرست منابع و مآخذ…………………………………………………………………………99
چکیده:
مقاومت قوسی خاک یکی از پدیدههای مهم در مسائل ژئوتکنیکی از قبیل سازههای زیرزمینی، تونلها، شمعهای سرباز، دیوارهای حائل و غیره، میباشد. تئوری آرچینگ حدود 150 سال پیش شناخته شد. تحقیقات در حقیقت بهصورت پراکنده و اغلب نسبت به یک ناحیهی خاص که از اهمیت ویژهای در آن نقطه زمانی داشته است، میباشد. در سال 1943 عمومیترین تعریف قابلقبول برای پدیده قوسی توسط ترزاقی ارائه گردید، بهطور خلاصه اگر قسمتی از دریچهی صلب تودهی خاک رو به پایین حرکت کند، خاک مجاور، با توجه به باقیمانده از توده خاک، حرکت میکند. در این پایاننامه با ساخت جعبهای با دریچههای متغیر که قابلیت جابجایی دارند، در محیط آزمایشگاهی سعی شده حرکت دریچه در راستای افق بوده و پدیدهی قوسی خاک بر روی دو نوع ماسه در این حالت مورد بررسی قرار گیرد. سپس میزان خاک جابجا شده، شکل و سطح گسیختگی اندازه گیری شده و تغییرات تنش در پشت دیوار به نسبت عرض آن مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین یک نمونه از آزمایشهای انجام شده در محیط نرمافزار عددی PLAXIS مدل شده و مورد مقایسه قرار گرفته است. درنهایت میتوان دید که سطح گسیختگی غیرهخطی بوده و توزیع تنش در پشت دریچه
بهشدت به عرض دیوار بستگی دارد که. با افزایش عرض دریچه عرض گسیختگی افزایش مییابد که با میل عرض دریچه به بینهایت سطح گسیختگی منطبق بر سطح گسیختگی تئوری میشود؛ و درنهایت مشاهده میشود، خاک پشت دریچه از خود مقاومت قوسی نشان میدهد.
فصل اول: کلیات پژوهش
1-1- مقدمه
وجود هرگونه سازه در داخل تودهی زمین باعث تغییر در توزیع تنش[1] در محل شده و انتظار میرود که این تغییر نیرو بر سازه تأثیر بگذارد. علاوه بر این زمین واقع در مجاورت یک سازه میتواند تا حد زیادی ظرفیت باربری آن را در مقایسه با سازهی مشابه غیرهمدفون افزایش دهد. در طراحی سازههایی از قبیل تونلها، گودالها، مجاری آبهای زیرزمینی و غیره نمیتوانند از آییننامههای موجود برای سازههایی که بر روی زمین احداث میشوند، تبعیت کنند. سه عامل اصلی برای تصمیمگیری اینکه چه سطح از تنش تغییر میکند (مک نالتی[2]، 1965): خواص فیزیکی سازه، رفتار بار-تغییرشکل سازه، خواص زمین اطراف سازه بهخصوص قابلیت انتقال نیروها میتوان اشاره کرد. این روند که باعث میشود، تنشها بر یا به اطراف سازهی مدفون شده در خاک از میان تنشهای برشی ناشی از جابجاییهای مرتبط انتقال پیدا کنند پدیده قوسی یا همان Arching گویند.
1-1-1- پیشینه تحقیق
پدیده قوسی[1] حدود 150 سال پیش شناخته شد. تحقیقات در این زمینه بهصورت پراکنده و اغلب نسبت به یک ناحیهی خاص که از اهمیت ویژهای در آن نقطه زمانی داشته است، میباشد. پدیده قوسی در بسیاری از مسائل ژئوتکنیک وجود دارد. درحالیکه پدیده قوسی در ابتدا در زمینه غیره ژئوتکنیکی شناخته شده و مورد بررسی قرار گرفته است. در حدود سال 1800 مهندسان نیروی نظامی فرانسه اقدام به طراحی مخزن سیلو نمودند (فلد[2]، 1948). آنها یافتند که قسمت انتهایی سیلو فقط بخشی از وزن کل مصالح بالای آن را حمل میکند و دیوارهای کناری در معرض نیروی بیشتری نسبت به آنچه که انتظار میرفت، قرار دارند. آزمایشات نشان دادند که اگر مقطع کوچکی از قسمت انتهایی جدا شده و به پایین حرکت کند، نتیجه میشود که نیروی وارده به مقطع بسته به ارتفاع مصالح داخل مخزن دارد. آنها نتیجه گرفتند، یک قوس در بالای مقطع جابجا شده، شکل میگیرد. بعد از سال 1800 این دانش از رفتار در مخزن سیلوها در طراحی سیلوها برای مصالح دانهای و سایر مصالح ذرهای به کار برده شد. در محدودهی سال 1910 پروژه مهم زهکشی زمین در میدوست جریان یافت (اسپانگلر و هندی[3]، 1973). مهندسان یافتند که بسیاری از لولههای زهکش پس از نسب و ریختن خاک، دچار شکست شدهاند. آنسون مارستون، تحقیقات وسیعی در دانشگاه ایالت آیووا در رابطه با نیروهای وارده بر لولههای دفن شده در زمین انجام داد و دریافت که به دلیل انعطافپذیر بودن لولهها و همچنین روند نسب، مقدار نیرو تغییر میکند؛ که این تغییر به پدیده قوسی نسبت داده شد. در سال 1920 تا
یک مطلب دیگر :
پایان نامه درباره سرمایه فکری/:روشهای ارزشیابی عملکرد
1930 اهمیت آرچینگ در اطراف تونلها شناخته شد؛ که این از آزمایشات متعددی که حتی امروزه نیز مورد استفاده قرار میگیرد حصول گردید (سزچی[4]، 1996). در 1936 ترزاقی با انجام آزمایشهایی تئوری آرچینگ را مطرح کرد. در سال 1960 زمانی که وزارت دفاع آمریکا حمایت قابلتوجهی از تحقیقات در زمینه اندرکنش خاک-سازه کرد. تکنیکهایی برای طراحی سختتر استحکامات نظامی نیاز شد و شناخته شد که پدیده قوسی این امکان را میدهد که از زیر، زمین برای محافظت از حملات نظامی هستهای که باعث نابودی کلیه سازههای سطحی میشود، بهره برد؛ که اغلب این تحقیقات را سیمپسون در سال 1964 در زمینه اندرکنش خاک-سازه ارائه داد. امروز با گذشت بیش از 50 سال از ارائه تئوری آرچینگ به دلیل اهمیت این پدیده در طراحی سازهای و مسائل ژئوتکنیکی در سازههای مدفون هنوز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد.
در ایران نیز دکتر مسعود مکارچیان با ساخت دستگاه اندازهگیری نیروی قوس زدگی، این پدیده را در مصالح ماسهای مورد بررسی قرار داد. درنهایت شاخص قوس زدگی با توجه به میزان دانسیته نسبی مصالح ماسهای و نیز ارتفاع نمونه خاک در سلول آزمایش ارائه شد. همچنین دکتر جمشید صدر کریمی در سال 1389 در دانشگاه تبریز این پدیده را در حالتی که شکل دریچهها دایره و با قطرهای متفاوت بوده، مورد بررسی قرار داد تا تأثیر شکل دریچه و ابعاد آن بر پدیده قوسی را به دست آورد.
2-1-1- پدیده قوسی (Arching)
عمومیترین تعریف قابلقبول برای پدیده قوسی توسط ترزاقی[1] (1943) ارائه گردید، بهطور خلاصه اگر قسمتی از دریچهی صلب تودهی خاک رو به پایین حرکت کند شکل (1-6)، خاک مجاور، با توجه به باقیمانده از توده خاک، حرکت میکند. این حرکت با استفاده از تنشهای برشی که باعث کاهش فشار در قسمت پایین آمدهی دریچه و افزایش فشار در اطراف قسمت صلب میشود، مقاومت میکند. این تئوری پدیده قوسی میباشد و این اغلب زمانی اتفاق میافتد که یک قسمت از دریچه نسبت به قسمتهای مجاور پایینتر باشد. بسته به حرکتهای مرتبط سازه و زمین اطراف میتوان پدیده قوسی را به دو حالت محرک و مقاوم مجزا نمود. شکل (1-1) آرچینگ محرک[2] را نشان میدهد (که در بعضی موارد آرچینگ مثبت خوانده میشود). سازهی موجود درون توده خاک اگر تغییرشکل پذیرتر از خاکی که آن را احاطه کرده، باشد، (هنگامیکه بار بیش از حد و یا اضافی به سیستم اعمال گردد، سازه تغییر شکل بیشتری نسبت به خاک خواهد داد (شکل 2-1)). تنشها بر روی سازه کمتر از تنشهای ژئواستاتیک میباشد، در صورتی که تنش در خاک اطراف سازه بزرگتر است. شکل (3-1) آرچینگ مقاوم[3] را نشان میدهد (که اغلب بهعنوان آرچینگ منفی شناخته میشود). در اینجا خاک نسبت به سازه تراکم پذیرتر میباشد و از این رو باعث افزایش فشار کل بر روی سازه و همچنین کاهش فشار در خاک اطراف آن میشود (شکل (4-1)).
اگر خواص نیرو-تغییرشکل سازه و خاک یکسان باشد، تنش در خاک و بر روی سازه از جنس ژئواستاتیک خواهد بود و هیچگونه آرچینگی اتفاق نمیافتد. وقوع چنین وضعیتی بعید است، به این دلیل که میان رفتار مصالح سازه ازجمله آهن و فولاد با خاک تفاوت وجود دارد. خصوصاً سازههای زیرزمینی که تغییرشکلشان یکنواخت نیستند که سبب میشود توزیع تنش پیچیدهتر شود. بازتوزیع تنش ناشی از جابجاییهای مرتبط رفتاری است که اغلب در هر دو خاک درشتدانه و چسبنده مشاهده میشود. ولی بقاع این بازتوزیع بههرحال برای این دو نوع خاک یکسان نیست. در خاکهای ریزدانه پدیده خزش سبب میشود تنشها در طول زمان کاهشیافته و اغلب بزرگی آن نزدیک به وزن بیشبارگذاری شود (پک[4]، 1969). پروسه کاهش تنش مشابهی نیز میتواند در خاکهای درشتدانه زمانی که تحت عوامل خارجی ازجمله ارتعاشات هستند، رخ دهد. به هرحال، دامنه کاهش معمول مشاهده شده ناشی از آرچینگ برای خاکهای درشتدانه از مقادیر ناچیز تا فقط حدود 15 درصد است (اسپانگر و هندی 1973). ازنقطهنظر طراحی، کاهش بار مفید طولانیمدت به دلیل پدیده قوسی میتواند تنها در خاکهای دانهای پیشبینی شود.
3-1-1- تونل
پوشش تونل[1] هرگز در معرض مقدار باری که توسط تنش اولیهی حاکم بر زمین پیشبینیشده، قرار نمیگیرد. خوشبختانه مقدار تنش اولیه با تغییرشکل زمین که به هنگام حفاری و اغلب پس از نسب و راهاندازی رخ میدهد کاهش مییابد. این کاهش تنش ناشی از تغییر شکل زمین پدیده قوسی را نشان میدهد. ازآنجاکه تغییرشکل زمین متصل است به تغییرشکل پوشش، بنابراین مقدار بار وارده به پوشش بستگی به تغییرشکل خود آن دارد. به این دلیل است که همیشه اندرکنش خاک و سازه و تشکیل مشکل اصلی برای طراحی بهعنوان بار وارده، متغیر مستقل نیست؛ بنابراین سؤال این نیست که چه فشاری به پوشش تونل اعمال میشود، بلکه مسئلهی اصلی این است که چه رابطهای بین فشار و تغییرشکل وجود دارد.
ترزاقی از تئوری فوقالذکر در طراحی تونل استفاده کرد (ترزاقی 1943). ناحیه تنش در خاک بالای تونل مشابه است با ناحیه تنش خاک در بالای نوار تسلیم. ترزاقی فرض کرد که عملکرد خاک مجاور تونل به هنگام ساختن به سمت جوانب تونل میباشد. این، شرایط فشار محرک با سطوحی از ناحیهی تسلیم با سطح شیبدار در حدود ایجاد میکند. ناحیه تسلیم در اطراف تونل و منشور تسلیم در شکل (1-5-a) نشان داده شده است. در سطح بام تونل، عرض نوار تسلیم ( ) برای تونلهای مستطیلی برابر است با.
شکل (1-5-b) نشان دهنده تنش قائم در خاک بالای تونل میباشد.
[1] Tunnel
[1] Terzaghi
[2] Active Arching
[3] Passive Arching
فرم در حال بارگذاری ...
[جمعه 1399-08-02] [ 12:17:00 ب.ظ ]
|