اجرای پروژههای عمرانی به عوامل مهمی چون
اقتصادی بودن طرح،
کاهش هزینه کاهش زمان انجام پروژه
و تأمین مصالح بستگی دارد.
در پروژه های خاک مسلح از قبیل خاکریزها و دیوارهای حائل، در صورت وجود خاکهای ریزدانه و کمبود مصالح دانه ای در محل پروژه، استفاده از مصالح ریزدانه به دلیل اقتصادی شدن طرح و کاهش زمان ساخت، قابل توجه به نظر میرسد،
مطالعات آزمایشگاهی انجامشده نشان داد که تنش برشی در اطراف محیط مسلح کننده بالا بوده و با دور شدن از سطح مسلح کننده بهسرعت کاهش مییابد. بهعلاوه اگر مصالح ضعیف مانند رس در محیط مسلح کننده را احاطه کند این موضوع تشدید میشود و راهکار بهبود آن ، جایگزینی با مصالح دانهای مانند ماسه است علت آن بهبود عملکرد انتقال تنش به دلیل بهتر شدن سطح تماس است این تکنیک به سیستم ساندویچی معروف است
اما مشکل این است که در خاکهای رسی، مقاومت سطح تماس خاک و مسلح کننده پایین بوده و موجب آن میگردد که شکست برشی قبل از رسیدن مقاومت کششی مسلح کننده به حد نهایی به وقوع میپیوندد بنابراین درصد کمی از مقاومت مسلح کننده استفاده میشود.
در صورت به کارگیری از لایه های نازک ماسه در اطراف عوامل تسلیح در خاکریزهایی با کیفیت پایین، مقابله با تنش های برشی بالا در نزدیکی سطح تماس به طور قابل ملاحظه ای بهبود مییابد ومنجر به کاهش تغییرشکل و بهبود عملکرد خاکریزها میشود. این روش اجرا به تکنیک ساندویچی مشهور میباشد،
این تکنیک میتواند راه حل مناسبی برای خاکریزهای رسی باشد. تکنیک ساندویچی باعث بهبود پارامترهای مقاومتی خاک رس, فراهم نمودن مسیرهای افقی زهکشی, کاهش میزان تغییرشکل های قائم و افقی میشود.
مزایای روش خاک مسلح (تکنیک ساندویچی) به طور خلاصه به شرح زیر است: سرعت کار، استفاده از مصالح بسیار ارزان قیمت یعنی خاک، عدم نیاز به پی، عدم نیاز به فضای بیش از محدوده داخل شیبراهه، زیبایی ظاهری و امکان تأمین کیفیت بسیار بالای بتن در قطعات پوسته و مکانیکی بودن عملیات اجرایی. یکی از مهمترین مزایای استفاده از دیوارهای خاک مسلح در مناطق شهری، زیبایی این دیوارها است.
کارکرد مناسب و عالی سازه های خاکی مسلح به خصوص با ژئوسینتتیک ها طی گزارش هایی که از عملکرد آنها حین وقوع زلزله های بزرگ در جهان توسط محققین ارائه شده مشخص گردیده است.
کدام بیشتر است؟
دانش من و یا ندانسته های من
قبل اینکه بگویم چه چیز را میدانم بیشتر میگویم چه چیز را نمی دانم
چرا ؟
چون سیستم خاک مسلح دارای مزایای همچون
سرعت کار
استفاده از مصالح بسیار ارزان قیمت یعنی خاک
اجرای سریع و ساده, استفاده از مصالح پیش ساخته
انعطاف پذیر زیاد
تحمل نشست بعد ساخت
عدم نیاز به پی
این تکنیکیک باعث کاهش هزینه ها تا 25 درصد الی 50 درصد میشود.
زیبایی ظاهری و امکان تأمین کیفیت بسیار بالای بتن در قطعات پوسته
و مکانیکی بودن عملیات اجرایی.
کاهش فضای جلوی دیوار برای عملیات اجرائی
با استفاده از قطعات بتنی نما که دارای طرح برجسته و یا نمای کاشی، سنگ و... هستند میتوان نمایی زیبا برای این دیوارها ایجاد کرد که جایگزین مناسبی برای دیواره یا بتنی یا وزنی هستند.
ایجاد فضای سبز در حاشیه بزرگراهها
احداث این دیوارها در مناطق زلزلهخیز به دلیل انعطافپذیری مناسب. زیرا در هنگام زلزله آسیب قابل توجهی ندیده و با توجه به حساس نبودن این دیوارها نسبت به نشست
میتوانند نشستهای کلی و نامساوی زیادی را تحمل کنند.
از معایب ان
غیر اقتصادی شدن پروژه در کمبود خاک دانه ای در محل
نیاز به فضای وسیع پشت دیوار جهت پایداری داخلی و خارجی
نیاز به ضوابط خاص طرای دقیق, واکنشهای شیمیایی مسلح کننده در خاک و.... نام برد
از حدود 680 شهر ايران تنها 3 درصد در نواحي كم خطر از نظر زلزله قرار دارند.
•با وجود اقليم خشك 50 درصد شهرهاي ايران در معرض سيل هستند.
و از آنجا که کشور ایران به دلیل موقعیت خاص خود یکی از مناطق زلزله خیز جهان میباشد و تا کنون زمین لرزه های بسیار بزرگی در نقاط مختلف آن رخ داده است، ضرورت بررسی عملکرد لرزه ای تمامی سازه های عمرانی از جمله دیوارهها و شیروانیهای خاکی از اهمیت ویژه ای برخوردار خواهد بود. علاوه بر آن استفاده روز افزون از تکنولوژی خاک مسلح در ایران و جایگزینی این سیستم به جای سیستمهای سنتی و رایج قبلی، لزوم شناخت صحیح رفتار این نوع سازهها را روشن تر میسازد.
مسلم است که فهم هرچه بهتر و دقیقتر این موضوع میتواند در غنی تر کردن دستورالعملها و آئین نامه های طراحی و همچنین رواج طراحیها براساس عملکرد مورد انتظار نقش به سزایی داشته باشد.، معمولاً نگرانی خاصی راجع به پایداری خاک مسلح در شرایط زلزله وجود ندارد.
مهمترین چالش پیش روی در رابطه با عملکرد این دیوارهها
تخمین مقدار تغییر مکان و میزان تغییر شکل آنها در شرایط زلزله میباشد.
یکی از فواید مهم تحقیق در زمینه فوق،
فهم بهتر رفتار لرزه ای دیوارهای خاک مسلح
و همچنین تعیین پارامترهای کلیدی و تأثیرگذار در شکل گیری رفتار تغییر شکلی این نوع از سازه های خاکی میباشد
از مزیت دیوارهای خاک مسلح رفتار مناسب در برابر بار دینامیکی است. استفاده دیوارهای خاک مسلح در مناطق زلزلهخیز توصیهشده اما تحقیقات کمی بر روی پاسخ دینامیکی سیستم ساندویچی تحت بار زلزله انجامشده است. پیشبینی میزان جابجایی لرزهای و فشار جانبی از مشکلات اصلی طراحان سیستم ساندویچی است.
عملکرد عالی سازههای خاک مسلح در حین وقوع زلزلههای بزرگ توسط محققین ارائه و مطالعه شده است.
سیستم ساندویچی یک سازه ژئوتکنیکی است که با توجه به نوع اجزاء و محل قرارگیری هر یک نقش سازهای ایفا میکند.
شیوه سیستم ساندویچی باعث بهبود ظرفیت کششی ژئوگرید، کاهش تغییرشکل، بهبود عملکرد خاکریز، بهبود عکسالعمل دیوار و راهحل مناسب برای خاکریزهای رسی است.
بیشترین مطالعات انجامشده در این زمینه آزمایشگاهی و یا استاتیکی بوده است.
تحت بارهای دینامیکی شیوه صحیح تحلیل و طراحی و عملکرد سازه در مقابل تغییرشکل، ناپایداری در اثر لغزش، واژگونی و ظرفیت باربری به انسان مربوط است،
سیستم ساندویچی یکی از دیگر عواملی است که باعث بهبود کاربرد مناسب سازه خاک مسلح است.
خاک عنصر قدیمی و جزء اصلیترین مصالحی است که در گذشته جهت ساخت ساز از ان استفاده میشده و سابقه ای چند هزار ساله داره. انسان ها اولین بار با چوب ساقه و برگ گیاهان جهت مقاوم سازی گل ساختمانهایشان بهره میبردند. جهت برطرف کردن ضعفهای کششی در خاک از عناصر مسلح کننده خاک استفاده میشود. (1)
در بین ۱۹57 سالهای الی 1965 اولین بار توسط مهندس معمار فرانسوی اقای هنری ویدال سیستم خاک مسلح با استفاده از نوارهای پهن فلزی بین لایههای خاک متراکم به عنوان کوله پل معرفی شد
تعریف خاک مسلح
خاک مسلح عبارت است از مسلح کردن خاک و مجموعه شامل خاکریز, مسلح کننده کششی نظیر میلگرد، تسمه فولادی و یا ژئوسینتتیک, پوسته یا رویه میباشد. اساس تکنیک خاک مسلح به اندرکنش بین خاک و مسلح کننده بستگی دارد. در خاکهای غیرچسبنده میتوان از این نوع تسلیح استفاده کرد اما در وضعیتی که خاک چسبنده باشد، انتقال نیرو بین خاک و مسلح کننده به وسیله اصطکاک ناچیز بین آنها تأمین نمیشود، در چنین وضعیتی انتقال نیرو بین مسلح کننده و خاک از طریق اتکای فشاری تأمین میشود لذا تکنیک تسلیح پیچیده تر است.
مقاوم سازی المانهای خاک را در مقابل نیروهای کششی و یا برشی در جهات خاص از اهداف قرارگیری مسلح کننده ها دران توده خاک است. به طور کلی میتوان بیان کرد مسلح کننده باید در موقعیت و سمت درستی قرار داده شوند تا مقاومت کافی برای مقابله با نیروهای کششی را در سازههای خاکی داشته باشند.
مزایای و معایب دیوار حائل خاک مسلح
بخشهای اصلی دیوار خاک مسلح
سیستمهای خاک مسلح دارای چهار جزء اصلی شامل، المانهـای تـسلیح کننـده، خاک و اجزای نما (خاک دانه ای) و زهکش و اتصالات بین المـانهـای تـسلیح کننـده و پوسته میباشند. شکل 1- 4
خاکریز
خاک سیستم خاک مسلح باید زهکش داشته باشد دوام و مقاومت بالا و در طی عملیات شکسته نشود خواصان تغییر نکند خاک دانه ای درشت دانه یا زاویه اصطحکاک داخلی بالا توصیه شده است (5). زیرا پایداری خاکریز در کوتاه مدت, دراز مدت و خواص مکانیکی خاک (اصطکاک داخلی و چسبندگی) وکیفیت مکانیکی خواص شیمیایی (مسائل دوام و پایداری، خوردگی عناصر مسلح کننده) از نکات مهم جهت کارای سیستم میباشد. (6)
مسلح کننده
از عوامل کلیدی خاک مسلح برای انتقال نیرو از ناحیه محرک به ناحیه مقاوم هستند. این عناصر باید پیوستگی و اصطکاک مناسبی با مصالح خاکریز داشته باشند و دوام و پایداری آنها مناسب و دارای شکل پذیری زیاد در هنگام گسیختگی باشند و همچنین میزان کش آمدن آنها تحت تنشهای کششی باید کم باشد. مسلح کننده ها از نظر شکل, زیری, سختی نسبی کاربرد متفاوتی دارند.
ژئوسینتتیک ها
کلمه ژئوسنتتیک از دو بخش «ژئو» (Geo) و «سنتتیک» (Synthetic) ساخته شده است. از کلمه «ژئو» در مواردی استفاده میشود که مربوط به زمین باشد و قسمت دوم، «سنتتیک»، در مورد موادی استفاده میشود که ساخته دست بشر باشند یا به عبارت دیگر موادی که مصنوعیاند و به صورت آزاد در طبیعت یافت نمیشوند. کلمه ژئوسنتتیک برای دسته ای از محصولات به کار میرود که عموماً جهت بر طرف سازی مشکلات ژئوتکنیک به کار میروند (7)
ژئوسینتتیک طبق استاندارد D-4439 ASTM6 محصولی صفحه ای شکل که از مصالح پلیمری ساخته شده و با خاک, سنگ و یا دیگر مصالح مرتبط ژئوتکنیکی, در سازه و پروژههای ساخته بشر استفاده میشود و طبق استاندارد 1996 ASTM مصالح ساخته شده از مواد پلیمیری هستند که در مهندسی سازههای خاک, سنگی و زمین و یا سایر شاخههای مهندسی ژئوتکنیک در قسمتی از پروژه یا سازه مورد استفاده قرار میگیرد (8).
در تعریف کلی, ژئوسینتتیک ها ورقههای پلیمری مقاوم در برابر خوردگی در خاک, شکل پذیر قابل ملاحضه ای نسبت به حرک جانبی دارد (9)
انواع ژئوسینتتیک ها
ژئوسنتتیک ها به طور کلی به شش گروه ژئوتکستایل ها, ژئوگرید ها, ژئونت ها, ژئوممبرین ها, ژئوپایپ ها, ژئوکامپوزیت ها تقسیم بندی میشوند.80 نوع کاربرد مختلف اصلی پنج گروه اصلی جداسازی, تسلیح, فیلتراسیون, زهکشی, حفاظت مایعات برای ژئوسنتتیک ها توسعه یافته است (8).
خواص فیزیکی و میکانیکی ژئوسنتتیک ها همچون استحکام مقاومت در برابر سوارخ شدگی, نفوذ ناپذیری, و مهمترین ان مقاومت کششی عالیان نسبت به وزن باعث طیف وسیع کاربردی شده است. از سال 1980 استفاده از ژئوگرید و ژئوتکستایل به طور گسترده در امر مسلح سازی خاک متداول شده است.
Geotextile
Geogrid
Geonet
Geomemberane
Geopipe
Geocomposite
خواص فیزیکی و میکانیکی ژئوسنتتیک ها همچون استحکام مقاومت در برابر سوارخ شدگی, نفوذ ناپذیری, و مهمترین ان مقاومت کششی عالیان نسبت به وزن باعث طیف وسیع کاربردی شده است. از سال 1980 استفاده از ژئوگرید و ژئوتکستایل به طور گسترده در امر مسلح سازی خاک متداول شده است.
نحوه عملکرد مسلح کننده
اصول خاک مسلح بر پایه ایجاد اصطکاک بین خاک و مصالح تقویت کننده استوار است. (4) به عبارتی بهبود مقاومت کششی تودههای خاکی که از نظر انسجام و فشردگی مطلوبی دارند. (1) برتری رفتار خاک مسلح نسبت به خاک غیر مسلح بیشتر ناشی از افزایش مقاومت برشی میباشد. افزایش مقاومت برشی خاک مسلح شده با ژئوگرید یکی به دلیل افزایش مدول خاک ودیگری دارا بودن مقاومت کششی بالای مسلح کننده در داخل خاک میباشد. این مسئله حاصل از مقاومت اصطکاکی بین خاک ومسلح کننده ودومی به دلیل تولید مقاومت مقاوم (پاسیو) توسعه یافته دربین المانهای نواری متقاطع مسلح کننده میباشد. هردو مقاومت تولید شده بهویژه مقاومت مقاوم بستگی به زاویه اصطکاک داخلی خاک دارد (9) (10).
پایداری خارجی منطقه ای که نیاز به مسلح شدن دارد را مشخص میکند. جهت مشخص نمودن ناحیه – ای که نیاز به مسلح کننده دارد ابتدا حجم خام به صورت یک بلوک صلب در نظر گرفته میشود و مکانیسمهای گسیختگی شامل واژگونی لفزش پنجه و طرفیت باربری بررسی خواهد شد (12
پایداری داخلی به عنوان پاسخ عناصر مسلح کننده به گسیختگی توده خاک تلقی میشود.
پایداری داخلی توسط مسلح کننده ها کنترل میشود.
گسیختگی ناشی از شکست مسلح کننده و گسیختگی ناشی از بیرون کشیدگی تحت تحلیل تعادل حدی اساس پایداری داخلی میباشد
در حالت دینامیکی توزیع نیرو ها با حالت استاتیکی تفاوت دارد. زیرا زلزله موجب افزایش نیروهای دینامیکی در عناصر مسلح کننده میشود. همچنین زلزلههای با شدت کم تاثیر ناچیزی بر موقعیت ماکزیمم خط کشش دارنددر مقابل زلزلههای با شدت بیشتر موقعیت خط کشش از وجه خارجی دور, مقداران (D) میشود. از تحلیل پایداری داخلی, مقاومت کششی, حداقل طول و تعداد مسلح کننده ها تعیین میشود
فشار جانبی خاک (k)
بدين منظور توزيع فشار جانبي خاک، خطي و با ضريب k فرض مي شود و براي توزيع سربار موجود بر روي خاکريز از تئوري الاستيک بوسينسک استفاده مي شود و شکست ديـوار براساس تئوري رانکين به زاويه شکست π 4 + ∅ 2 با افق تعريف مي شود
K = ضريب فشار جانبي خاک که در طراحي هاي مختلف از K 0 تا K A متغير است . براي طراحي با ضريب ايمني دست بالا مقدار K 0 منظور مي شود.
z = عمق لايه مورد نظر از سطح لايه فوقاني
شکل برای تعیین ضخامت لایهها با زدن مقطع در هر عمقی و تعادل فشارهای افقی داریم:
فرمول ها براي تعيين ضخامت لايه ها بازدن مقطع در هر عمقي و تعادل فشارهاي افقي
S v = ضخامت لايه در عمق z (فاصله عمودي بين لايه هاي ژئوتکستايل در عمق z )
T a = مقاومت مجاز کششي ژئوتکستايل
FS = ضريب ايمني که مقدار آن معموًلا بين 1.3 تا 1.5 انتخاب مي شود
تنشهای افقی خاک از طریق اصطکاک خاک و سطوح فوقانی و تحتانی ژئوسینتتیک منتقل میشوند در نتیجه نیروهای طراحی در شرایطی در ژئوسینتتیک ایجاد میشوند, که طولان کافی باشد. طول مسلح کننده در پشت گوه گسیختگی باید بهقدری زیاد باشد که نیروی مربوط از طریق اصطکاک آن و خاک تحمل شود.شکل 1- 14 . در غیر این صورت مسلح کننده از درون خاک بیرون میاید (pull-out) و به همراه گوه گسیختگی به جلو حرکت میکند. برای یک دیوار رایج, نسبت طول ژئوسینتتیک به ارتفاع دیوار 𝐿 𝐻 در حدود 0.6 تا 1 می باشد.
فرمول ها براي تعيين ضخامت لايه ها بازدن مقطع در هر عمقي و تعادل فشارهاي افقي
S v = ضخامت لايه در عمق z (فاصله عمودي بين لايه هاي ژئوتکستايل در عمق z )
T a = مقاومت مجاز کششي ژئوتکستايل
FS = ضريب ايمني که مقدار آن معموًلا بين 1.3 تا 1.5 انتخاب مي شود
C = چسبندگي خاکريز (براي خاکهاي دانه اي C=0 )
∅ = زاويه اصطکاک داخلي خاکريز
δ = زاويه اصطکاک برشي بين ژئوتکستايل و خاک، مقدار∅ 2 3 تخمين مناسبي براي آن است
طول همپوشاني ( L O ) در محل وجه خارجي ديوار نيز براساس روش مورد استفاده در تعيين طول مهاري ( L E ) تعيين مي شود، با اين تفاوت که در ايـن مورد z نمايانگر عمـق وسط لايه است و از سويي چون تنش حداکثر در محل صفحه شکست رخ مي دهد و پس از آن سريعًا کاهش پيـدا مي کند استفاده از 1 2 σ h به جاي σ h تخمين مناسبـي است
اندرکنش بین خاک و مسلح کننده اساس خاک مسلح میباشد.
عامل اصلی در پایداری دیوار خاک مسلح، برهم کنش اصطکاک خاک با مصالح تقویت کننده است.
به همین منظور مطالعات متعددی با استفاده از آزمایشهای برش مستقیم و بیرون کشش توسط محققین مختلف انجام گردیده است (17).
در شرایط استاتیکی پارامتر های
مصالح تقویت کننده مثل سختی، پهنا و طول
,پارامترهای خاک مثل چگالی و نوع آن
فشار طبقات فوقانی بر روی مصالح تقویت کننده.
اندر کنش بین خاک مسلح و اجزاء دیگر
در روشهای تحلیل دینامیکی برای دیوار ها و شیروانی ها زاویه اصطکاک بین سطوح مشترک خاک مسلح و اجزاء دیگر بر حست (δ) برحسب زاویه اصطکاک داخلی خاک (φ) بیان میشود.
در حالت استاتیکی, برای کنترل پایداری داخلی خاک مسلح زاویه δ (اصطکاک بین خاک مسلح و نما) برابر (φ ۳/۲) فرض میشود و برای کنترل پایداری خارجی δ زاویه اصطکاک بین خاک مسلح و خاک پشتان برابر (ψ) فرض میشود. (17)
خاک مسلح را میتوان نتیجه مشارکت دو ماده با مدول الاستسیته متفاوت دانست که اساس آن بر اصطکاک و اندرکنش خاک و المانهای مسلح کننده پایه گذاری شده است. آزمایشهای انجام شده نشانگر تغییر نیروی کششی در طول المانهای مسلح کننده و رسیدن آن به یک مقدار حداکثر در این طول است. مکان هندسی محل تنش حداکثر در المانهای مسلح کننده برای لایه های متفاوت خط نیروی کششی حداکثر را تعریف میکند. این خط دو ناحیه محرک و مقاوم را از هم جدا میکند (شکل 1)
. ضریب اندر کنش بین خاک و مسلح کننده برابر با حاصلضرب اصطکاک داخلی خاک (tanφ) در ضریب اندر کنش ( C i ) محاسبه میشود. در یک نمونه ثابت امکان متفاوت بودن ضریب وجود دارد علتان اختلاف در بارگذاری و شرایط مرزی حین آزمایش برش مستقیم و بیرون کشیدگی میباشد. (17) تحت آزمایش بیرون کشش نیروی کششی در طول مسلح کنندهها به ماکزیمم مقدار خود میرسد. مکان هندسی محل تنش حداکثر در المانهای مسلح کننده برای لایههای متفاوت خط نیروی کششی حداکثر ایجاد میشود. (5)
با توجه به شکل 1- 24 مشاهده میشود که عناصر مسلح کننده از عوامل کلیدی خاک مسلح برای انتقال نیرو از ناحیه محرک به ناحیه مقاوم هستند. خط حداکثر نیروی کششی با گوه گسیختگی کولمب متفاوت است. این خط متأثر از پارامترهای هندسه مدل, صلبیت مسلح کننده, نیروی وارده و عوامل دینامیکی تأثیرگذار میباشد. علت تغییر توزیع تنش و کرنش صلبیت مسلح کننده میباشد که باعث ایجاد منحنی لگاریتمی میشود.. خط حداکثر نیروی کششی باعث ایجاد دو ناحیه محرک و مقاوم میشود. در ناحیه محرک خاک بهواسطه اصطکاک موجود در طول مسلح کننده پایداری میماند. در ناحیه مقاوم خاک بهواسطه تنش برشی مانع لغزش مسلح کنندهها میشود. (5)
طراحی سازه های خاک مسلح شامل کنترل پایداری خارجی یا کلی و پایداری داخلی میباشد.
تئوری فشار جانبی خاک دو حالت استاتیکی و دینامیکی دارد
تئوری رانکین استاتیکی است که فرمول بندی ان به صورت است
تئوری کولمب است که فرق ان این است تئوری رانکین اصطکاک را در نظر نمیگیرد.
تئوری کولمب اصحکاک در نظر میگیرد.
================================
مور ( ١٩٠٠) نظريه اي براي گسيختگي مصالح ارائه داد که در آن گسيختگي نه به علت تنش قائم حداکثر و نـه تـنش برشـي حداکثر، بلکه به علت ترکيبي بحراني از آنها پيش بيني مي شود. طبق نظريه مور، رابطه 𝜏 𝑓 =f (𝜎 بين مقاومـت برشـي و تـنش قـائم در صفحه گسيختگي نوشته مي شود. شکل الف
پوش گسيختگي تعريف شده، توسط رابطه 𝜏 𝑓 =f (𝜎) يک خط منحني است که در شکل ب نشان داده شده است
مقاومت برشي در روي صفحه گسيختگي را يک تابع خطي از تـنش قـائم در نظر گرفت (کولمب ١٧٧٦). که با رابطه 𝜏 𝑓 =c+𝜎 tan 𝜑 بيان مي شود: که به ان معیار گسیختگی یا شکست مور – کولمب می گویند
c = چسپندگی
𝜏 𝑓 = مقاومت برشی
𝜑 = زاویه اصطحکاک داخلی
𝜎 = تنش قائم
زاويه گسيختگي در خاک
====
سطح گسیختگی خاکریز , در زمان گسیختگی تنش برشی ایجاد دشه در طول سطح گسیختگی (τ) به مقومت برشی ( τ 𝑓 ) میرسد
===================================
نظریه کولمب (استاتیکی)
کولمب اولین کسی بود که بحث فشار جانبی خاک پرداخت او فشار جانبی خاک را ناشی از وزن گوه ای در پشت دیوار در نظر گرفت و با نوشتن معادلات تعادل توانست مقدار این فشار را محاسبه کندو هر چند این تئوری بدان علت که محل اثر برایند نیرو را در 1 3 ارتفاع از پائین دیوار ثابت در نظر گرفته نحوه توزیع فشار را پیش بینی نمیکند اما کارائی خوبی دارد روابط محاسبهی فشار محرک رانکین و کولمب در مراجع موجود است (13)
روش نیروی کولمب
روش نیروی کولمب، اولین روش تئوری برای تعیین نیروهای کششی در تسمه ها میباشد. این روش برای اولین بار توسط Schlosser و Vidul در سال 1969 ارائه گردید. در این روش فرض میشود که توده خاک توسط یک سطح شکست که از پاشنه دیوار گذشته و با افق زاویه θ میسازد، بریده میشود. در این روش ضریب اصطکاک بین خاک و تسمه ها، بهصورت رابطه ساده ƒ = tanδ در نظر گرفته میشود.
شکل a یک دیوار خاک مسلح با ارتفاع H و تعداد n+1 لایه مسلح کننده با فاصلهی قائم Sv و فاصله افقی Sh را نشان میدهد.
با استفاده از معادله تعادل برای گوه شکست و با فرض توزیع مثلثی برای نیروی کششی تسمه ها و با فرض اینکه میزان کشش در مسلح کننده لایهی بالایی برابر صفر و در لایهی زیرین ماکزیمم میباشد، معادلهی زیر برای محاسبه نیروی کششی در هر لایه از تسمه ها بهدست میآید (13).
T maxi = i n+1 k a γH S v S h
که γ وزن مخصوص خاک و Tmax ماکزیمم نیروی کششی در هر تسمه در لایه i th و K a ضریب فشار فعال خاک است. در این مورد فرض میشود که مصالح تسلیح به اندازه کافی بلندند که از شکست پیوستگی جلوگیری کنند. بنابراین شکست نهایتاً به وسیله پارگی آرمانور اتفاق میافتد. لایهی کف i = n دارای نیروی ماکزیمم است که به وسیله رابطه 1 – 15 بهدست میآید (13).
متداول ترین شیوه در تحلیل دینامیکی روش ساده مونونوبه اکابه است. که در واقع یک روش شبه استاتیک است. دروقاع همان روش استاتیکی است. فقط نیروهای لرزه ای به صورت دو پارامتر ضریب شتاب افقی و ضریب شتاب قائم به تحلیل ها اضافه می کند . یک نیروی اینرسی را به گوه لغزنه ما اضافه میکند. بر ان اساس تحلیل انجام می شود و فرمول بندی ان به این ترتیب است.
Unnikrishnan
با انجام آزمایشهای آزمایشگاهی بر روی مدل دیوار خاک مسلحی که در آن از سیستم ساندویچی استفادهشده بود، بهبود در رفتار دیوار خاک مسلح به دلیل لایههای ساندویچی مشاهده کردند
Abdi
به بررسی احتمال افزایش مقاومت رس مسلح شده با ژئوگرید محصورشده در لایههای نازک ماسه پرداختند. در این تحقیق، نتایج آزمایش ها بر روی نمونههای مختلفی از قبیل رس، ماسه، رسماسه، رس ژئوگرید، ماسه ژئوگرید و رس _ماسه _ژئوگرید ارائه و در مورد آنها بحث شد و نتایج آن حاکی از آن است که نمونههای حاوی ماسه –ژئوگرید –رس از مقاومت بالای برخورد میباشند
Unnikrishnan
بررسی افزایش مقاومت ناشی از وجود لایههای نازک ماسه در اطراف مسلح کننده (سیستم ساندویچی) در داخل خاکهای رسی پرداختند. در این تحقیق، رفتار رس مسلح هم تحت شرایط بارگذاری استاتیک و هم تحت شرایط بارگذاری دینامیکی با انجام آزمایشهای سه محوری مورد مطالعه قرار گرفت و تأثیر ضخامت لایههای ماسه، درصد رطوبت و انواع مسلح کننده بر روی رفتار رس مسلح بررسی شد
شرح نتایج این مطالعه بهصورت زیر میباشد.
یکلایه از ماسه با مقاومت بالا که در هر دو طرف از مسلح کننده قرار دادهشده در بهبود مقاومت و رفتار تغییرشکل یافته از خاک رس تحت هر دو نوع بار استاتیکی و سیکلی مؤثر میباشد.
شکست برشی میتواند به علت تنش برشی بالا در نزدیکی مسلح کنندهها ایجاد شود.
محمود رضا عبدی
به ارزیابی بهبود پارامترهای مقاومت برشی خاک رس مسلح شده در سیستم ساندویچی بهصورت تجربی پرداختند برای بررسی اندرکنش خاک و مسلح کننده در برگرفتهشده در لایههای نازک ماسه آزمایشهای آزمایشگاهی برش مستقیم مقیاس بزرگ بر روی ماسه مسلح و غیرمسلح، خاک رس مسلح و غیرمسلح و سیستم ساندویچی مسلح غیرمسلح انجامیافته است نتایج آزمایش ها نشان میدهند فراهم نمودن لایه ماسه نهتنها باعث بهبود مقاومت برشی خاکهای رسی در پشت سازههای حائل خواهد شد، بلکه مسیرهای افقی زهکشی را فراهم مینمایند که از اشباع شدن و ایجاد فشارهای آب حفرهای جلوگیری به عمل خواهند آورد
تحقیق دیگری عبدی
بررسی تأثیر مقدار رطوبت در مقاومت برشی و بررسی اندرکنش سطح تماس رس - ماسه - ژئوگرید پرداختند در این مطالعه آزمایشهای برش مستقیم مقیاس بزرگ (۲۰cm×۳۰×۳۰) انجام شد نتایج آزمایش ها نشان میدهد که سطح برش خاک مسلح به طور سریعتری شکل میگیرد و مقاومت کل بعد از تغییر مکانهای حدود ۲ تا ۴ میلیمتری ثابت میماند. بنابراین پارامترهای مقاومتی بهدست آمده نباید جایگزین مقاومت حداکثر گردد
تحقیق دیکر عبدی 2
به بررسی تعیین سهم مقاومت مقاوم اعضاء متقاطع عرضی ژئوگرید در اندرکنش خاک – ژئوگرید پرداختند نتایج آزمایش ها نشان میدهد که مسلح نمودن ماسه با ژئوگرید باعث افزایش مقاومت برشی سطح تماس میگردد. مقاومت برشی نمونههای ماسه مسلح با افزایش اندک جابجایی برشی بهسرعت افزایشیافته تـا بـه یـک مقـدار حداکثر میرسد. پـس از گـسیختگی در سـطح تمـاس ماسـه – ژئوگرید، نمونهها رفتار نرم شوندگی از خود نشان داده که پس از جابجایی برشی قابل ملاحظه به شرایط پایدار مقاومت نهائی میرسد. نمایش رفتـار سختشوندگی و بعد نرم شوندگی ناشی از خصوصیات ذاتی ذراتی است که دوباره آرایش چیدمانـشان در کنـار هـم میتواند به وجود آیـد. رفتـار سختشوندگی بهویژه در فشارهای قائم بالا ناشی از درگیر شدن ذرات گوشهدار در سطح ژئوگرید، یا قفل و درگیر شـدن ذرات در چشمههای باز ژئوگرید و یا ایجاد مقاومت مقاوم در جلو اعضاء متقاطع عرضی میباشد
قدرت الله عزیزی
به کمک نرمافزار پلکسیس به بررسی تأثیر سیستم ساندویچی بر روی رفتار استاتیکی دیوار حائل با خاکریز رسی مسلح پرداختهاند. در همین راستا به بررسی تأثیر مقادیر گوناگون پارامترهایی از قبیل ضخامت پوسته، ارتفاع دیوار، سختی ژئوگرید، فاصله ژئوگرید ها از یکدیگر و ضخامت ماسه بر روی رفتار دیوار خاک مسلح پرداخته شد
نتایج بهدست آمده به شرح زیر میباشد:
در کلیه حالات با استفاده از سیستم ساندویچی میزان تغییر شکلهای قائم و افقی کاهش مییابد.
با افزایش ضخامت دیوار، سختی ژئوگرید و ضخامت لایههای ماسه و کاهش فواصل ژئوگرید ها از یکدیگر تغییرشکل ها کاهش مییابد.
دیده شد که حتی در سیستم ساندویچی با لایههایی از ماسه به ضخامت ۲ سانتیمتر، میزان تغییرشکل قائم و افقی بیش از ۳۰% کاهش مییابد.
Ling
با انجام آنالیز اجزای محدود رفتار دینامیکی دیوار خاک مسلح شده با ژئوگرید به ارتفاع ۷.۵ متر را مورد برسی قراردادند. آنها نتیجه گرفتند فاصله قائم بین ژئوگرید ها و طول ژئوگرید نقش مهمی در کاهش کرنش در مسلح کنندهها و تغییر مکان دیوار بازی میکنند همچنین نتیجه گرفتند فاکتور ضریب دامنه شتاب ماکزیمم کمترین تأثیر را از لایههای مسلح کننده خواهد داشت
Han
مطالعهای بهمنظور بررسی پایداری دیوار MSE با استفاده از نرم افزار ReSSAو برنامه تفاضل محدود FLAC2D انجام دادند. طبق گزارش آنها کرنش برشی گسترشیافته درشیبهای مسلح شده بهسختی کششی ژئوسینتتیک بستگی دارد. ژئوسینتتیک با سختی کششی بالاتر نیروهای کششی خودشان را با سرعت بیشتری بسیج میکنند بهطوریکه خاک نیروهای کمتری را تحمل میکند. سطح لغزش بحرانی بهدست آمده بهوسیله ReSSA از پایه دیوار شروع میشود و از سطح لغزش رانکین (خط – فاصله) تا ۳/۱ ارتفاع دیوار پیروی میکند و سپس به سمت پوسته دیوار خم میشود
Bathurst
با استفاده از روش اجزای محدود پاسخ دینامیکی یک دیوار حائل مسلح شده با ژئوسینتتیک با پوسته مدو لار را بررسی نمودند (Mohiuddin, 2003).
نتایج بهدست آمده به شرح زیر میباشد:
تخمین دقیق خواص برشی سطوح برای طراحی لرزهای دیوارهای خاک مسلح شده با ژئوسینتتیک بسیار حیاتی است
نیروی کششی دینامیکی در طول زلزله انباشته میشود و ماکزیمم نیروی کششی با افزایش شتاب ماکزیمم پایه، افزایش میباید. طبق گزارشهای آنها، نیروی محاسبهشده توسط روش شبه استاتیکی مونونوبه –اکابه نسبت به نیروهای محاسبهشده توسط روش اجزای محدود، بیشتر تخمین زدهشده و همچنین نیروی مسلح کنندههای محاسبهشده توسط روش کولمب در ردیفهای بالائی، در شرایط بارگذاری استاتیکی قبل از ارتعاش پایه، از مقدار واقعی بیشتر بودند، این مسئله در مورد دیوار کوتاهتر (M۳.۲) در شرایط فونداسیون مقید شده محسوستر است.
در دیوار کم ارتفاع دامنه شتاب کوچک میباشد.
تحقیق دیگر Bathurst
با استفاده از نرمافزار FLAC 2D به بررسی تأثیر مشخصات مسلح کننده نظیر طول و سختی و قید پای دیوار بر روی پاسخ دینامیکی دیوار خاکی مسلح شده با ژئوسینتتیک ها پرداختناند.
تغییر مکان دیوار در هر یک از گامهای زمانی کوچک بوده اما در نهایت، تغییرشکل دائمی بزرگ میباشد (شکل 2- 15).
تغییرشکل دائمی دیوار با افزایش سختی مسلح کنندهها کاهشیافته و میزانان برای دیوارهای با نسبت ۰.۷< L H <۱ تغییر محسوسی نمیکند آنها دریافتند، در هنگامیکه بار زلزله به فرکانس اصلی دیوار نزدیک باشد بار قابلتوجه ای در مسلح کنندهها ایجاد میشود نه حداکثر نیروی مسلح کننده در محل اتصال مسلح کننده به پوسته ایجاد میشود. نوع آزادی با محدودیت پای دیوار نیز در تغییر مکان تأثیر اساسی دارد.
نیرو و تغییر مکان مسلح کنندهها بازمان افزایش مییابد
نتایج آنها حاوی این نکته بود توزیع نیروی مسلح کنندهها در ارتفاع برای مسلح کنندههای ژئوسینتتیکی کاملاً با مسلح کنندههای فولادی متفاوت بوده و ماکزیمم نیرو در مسلح کنندهها برخلاف توصیه این نامه در ارتفاع تابعی خطی نیست
در شرایط لرزه ای دو حالت شکم دادگی و واژگونی حالت های اصلی تغییر شکل دیوار هستند.
در مکانیسم شکم دادگی (گسیختگی) برشی , حداکثر تغییر مکان دیوار در وسط دیوار و در مکانیسم واژگونی حداکثر تغییر مکان در بالای دیوار مشاهده می شود . با این حال در شرایطی که پایه دیوار امکان لغزش داشته باشد سومین مد تغییر شکل تحت عنوان مد لغزشی به همراه حالت ها قبلی نیز رخ خواهد داد
در مورد ازمایش های میز لرزان با توجه به شرایط گیر داری پایه دیوار مکانیسم واژگونی رخ داده است . شایان ذکر است نوع مد تغییر شکل به نوع پوسته نیز بستگی دارد . بطوریکه در اکثر دیوار ها پوسته ی پیش ساخته و یا پوسته پوسته بلوگی بکار میرود
هندسه کلی دیوار
همان طور که میبینید ارتفاع دیوار 8 متر است
طول ژئوگرید 5.6 است (طول لایههای مسلح کننده تقریبا ۰٫۷ برابر ارتفاع دیوار )
و فاصله ژئوگرید ها 40 سانتی متر است .
دو لایه خاک رس و ماسه داریم
پهنای خاکریزی پشت رویه دیوار ۴۰ متر میباشد
روش مدل سازی از روش ساخت مرحله ای استفاده شده است
یک مرحله خاک رس ریختیم کوبیدیم و یک لایه ماسه و ژئوگرید قرار دادیم تا کل دیوار بنا شد
وبعد ان تغییر شکل ها را به صفر برگرداندیم. به ان یک زلزله واقعی اعمال کردیم
و بعد ان دیوار را تحلیل کردیم
===========================================
هندسه لایههای خاک و مصالح مسلح کننده بهمنظور تعیین رفتار دیوار خاک مسلح تغییر میکند و جابجاییهای افقی و قائم باهم مقایسه میشود. تأثیر تغییر در فشار لرزه ای به دیوار خاک مسلح نپز مورد بررسی قرار می گیرد. رفتار و عملکرد دیوار خاک مسلح در هر حالت بررسی و باهم مقایسه میشود در نرمافزار اجزاء محدود PLAXIS، رویه دیوار خاک مسلح را با المان تیر، لایههای مسلح کننده را با المان ژئوگرید شبیه سازی می کتبم. مدل خاک استفادهشده در مدلسازی ها، مدل پلاستیک موهر‐ کولمب میباشد و برای مدلسازی سطح مشترک نپز از المان سطح مشترک موجود در نرمافزار PLAXIS استفاده میشود.
همچنین در عملیات مش بندی اجزاء محدود، از المانهای مثلثی ۱۵ گرهی استفادهشده است. مدل دیوار در حالت خشک و کاملاً اشباع بررسی میگردد و نتایج آن پس از محاسبات ارائه میشود. شرایط مرزی برای حدود سمت چپ و راست مدل طوری در نظر گرفتهشده که حرکت در جهت محور x غیرممکن، اما در جهت y حرکت آزادانه میباشد. گرههای موجود در مرز پایینی مدل نیز در هر دو جهت x و y ثابت در نظر گرفتهشدهاند. بهمنظور جلوگیری از بازتاب امواج زمینلرزه از مرزهای مدل عددی ۲ راهحل در نظر گرفته شد. یکی آنکه مرزهای مدل بهاندازه کافی از سازه دور در نظر گرفته شد تا اثر این بازتاب توسط میرایی مصالح از بین رود و راهحل دیگر این بود که مرزهای چپ و راست مدل به شکل مرزهای جاذب در نظر گرفته شد. در این نوع مرزها، بهجای گیرداریها، از میراگر استفادهشده که بر اساس رابطهای خاص از افزایش تنشهای نرمال وبرشی جلوگیری میکند.
در ابتدا یک محاسبه از نوع پلاستیک بهمنظور رسیدن به جواب همگرا انجامشده است. بدیهی است که هرگاه جوابها قبل از این زیر مراحل همگرا شود، محاسبه پایان مییابد. در مرحله دوم ساخت دیوار به همراه خاکریزی جلوی دیوار و بخشی از پشت دیوار توسط یک محاسبه پلاستیک، شبیهسازی گشت. در مرحله ۱ نیز خاکریز پشت دیوار توسط مدلسازی پلاستیک مدلسازی گشت. در مرحله ۲۱ و در واقع در پایان خاکریزی خاک پشت دیوار، یک محاسبه از نوع "کاهش C,φ" بهمنظور محاسبه ضریب اطمینان خاکریز قبل از وقوع زمینلرزه انجام گشت. در مرحله ۲۲ با استفاده از نگاشت یک زمینلرزه واقعی و محاسبه دینامیکی، وقوع زمینلرزه در مدلسازی عددی شبیهسازی شد. در مرحله ۲۳ نیز بهمانند مرحله ۲۱ یک محاسبه از نوع "کاهش C,φ" بهمنظور محاسبه ضریب اطمینان خاکریز پس از وقوع زمینلرزه اجرا شد.
شتاب نگاشت اعمالی به دیوار که از زمینلرزه HAWAII در سال ۲۰۰۶ در ایالاتمتحده که طول زمان ان 27 ثانیه است و شتاب حداکثر افی ان 2.5 از عمق زلزله ۲۹ کیلومتر (۱۸ مایل) به وقوع پیوست، برداشتشده است. این نگاشت در ایستگاه hi:hawaii که در ۵ کیلومتری کانون سطحی زمینلرزه قرار داشت، ثبت گشته است. این نگاشت از این لحاظ که سرعت افقی ۱٫۰۵g را در ایالاتمتحده به خود اختصاص داده است، نگاشتی شاخص در ژئوتکنیک لرزهای محسوب میگردد.
در این مطالعه عددی نتایج تحلیل اجزای محدود دیوار خاک مسلح ژئوسینتتیکی با پوسته بتنی پیوسته که توسط Rowe& Ho در سال 1998 گزارش شده است (99) با نتایج بدست آمده از نرم افزار Plaxis مقایسه شده است. مشخصات خاک، مسلح کننده، پوسته و هندسه دیوار را نشان می دهد. در تحلیل از مدل رفتاری موهر- کولمب استفاده شده است و نتایج در زیر ارائه شده است.
فواصل قائم مسلح کننده ها،:Sv سختی محوری مسلح کننده:J طول مسلح کننده ها،:L، ارتفاع دیوار:H ، صلبیت خمشی پوسته EI: ،:υ نسبت پوآسون ،:Es مدول الاستیسیته خاک،:δR زاویه اصطکاک مسلح کننده- خاک،:Φ زاویه اصطکاک داخلی خاک، : 𝝍 زاویه اتساع،:δ زاویه اصطکاک پوسته-خاک،
شکل چپ
مقایسه حداکثر نیروی کششی مسلح کننده ها از تحلیلFEM ارائه شده توسط
Rowe& Ho و نتایج مدل سازی با Plaxis از مطالعه حاضر
شکل راست
مقایسه تغییر مکان افقی تحلیلFEM ارائه شده توسط Rowe& Ho و نتایج مدل سازی با Plaxis از مطالعه حاضر
همانطور که ملاحظه می شود توزیع تغییر مکان افقی پوسته و حداکثر نیروی کششی در مسلح کننده ها بسیار نزدیک به نتایج بدست آمده از نتایج تحلیل FEM انجام شده توسط Rowe&Ho می باشد. بطوریکه اختلاف بین نتایج در حداکثر نیروی کششی مسلح کننده ها به میزان %4 و برای حداکثر جابجایی افقی برابر %7 می باشد. اختلاف در نتایج نیروی کششی مسلح کننده ها در پایین ترین لایه به علت شرایط متفاوت در مدل سازی پی دیوار و شرایط مرزی هندسی می باشد.
پارامترهای تحلیل) پارامترهای موثر بر ظرفیت باربری خاک مسلح(
4 – 2 – 2- تعداد لایه های مسلح کننده (N)
با توجه به نیاز طرح و ویژگی های خاک، تعداد لایه های مسلح کننده (N) می تواند متغیر باشد. در اکثر نقالات علمی و تحقیقات آزمایشگاهی که در فصل پیشینه تحقیق در مور آنها بحث شد، این مقدار بین 1 تا 6 لایه برای پی های سطحی در نظر گرفته می شود. در این تحقیق نیز این این پارامتر از یک لایه تا 6 لایه متغیر خواهد بود.
4 – 2- 3- فاصله عمودی بین لایه ها (h)
این فاصله عبارت است از فاصله عمودی بین دو مسلح کننده که معمولاًدر متون علمی بر مبنای نسبت بی بعد فاصله عمودی بین لایه ها (h) به عرض پی (B) به صورت ( ℎ 𝐵 ) بیان می گردد. با توجه به این که پس از قرار دادن هر لایه از مسلح کننده در داخل خاک، خاک روی آن کوبیده می شود و تاثیر این تراکم باید تا لایه زیرین ادامه داشته باشد و براساس تحقیقات به عمل آمده در فصل پیشینه، نسبت ( ℎ 𝐵 ) می تواند بین 0.2B تا B 0.6 متغیر باشد که در این تحقیق جهت یافتن فاصله بهینه، این پارامتر بین 0.2B تا B 0.6 در نظر گرفته شده است.
4 – 2 – 4- ضخامت کل خاک مسلح شده (d)
این فاصله ضخامت کل ناحیه مسلح شده از کف شالوده تا آخرین لایه مسلح کننده می باشد و براساس تعداد لایه ها (N)، فاصله زیر پی تا اولیم مسلح کننده (U) و فاصله عمودی بین لایه ها (h) می تواند تغییر کند. این فاصله را می توان با استفاده از رابطه (4 – 1) به دست آورد.
d=u+(N-1)h
با جایگذاری فاصله قائم زیر پی تا اولین مسلح کننده (u) از 0.2 B تا B 0.55و تعداد لایه های مسلح کننده (N) از 1 تا 6 لایه و فاصله عمودی بین لایه ها (h) بین 0.2 B تا B 0.6و عمق تسلیح (d) بدست می آید که دامنه آن می تواند بین 0.2 B تا B 0.3 متغیر باشد.
4 – 2- 5- طول مسلح کننده (L)
معمولاً براساس ادبیات فنی و آيـين نامـه هـاي مختلـف حـداقل طول مختلف را براي تسليح ديوارهاي خاک مسلح ارائه کردند. سعي شده در اين مطالعه موردي بـر طبـق سـه آيـين نامـه NCMA، FHWA و هنـگ کنگ سه طول 0.7H ، 0.6H و0.5H استفاده گرديده است (77,78)
مدل رفتاری موهر – کولمب یکی از معروف ترین روش های مدل سازی اولیه رفتار واقعی خاک است. مدل رفتار موهر – کولمب در واقع مدل الاستو – پلاستیک کامل است. از آنجایی که عموم مهندسین ژئوتکنیک با پارامترهای لازم برای این مدل آشنایی کامل دارند و کمتر به مقادیر دقیق سایر پارامترها دسترسی دارند، عمدتاً از این مدل رفتاری استفاده می شود.
کلیه پارامترهای مربوط به مدل سازی در نرم افزار plaxis در واقع بیانگر رفتار خاک تحت اثر تنش های موثر هستند.
======================
وزن مخصوص خاک
وزن مخصوص اشباع و غیر اشباع خاک مربوط به وزن اسکلت خاک و آب داخل حفرات خاک می باشد. در مدل نرم افزار plaxis (γ_usat)به لایه های خاک بالای سطح آب زیرزمینی احتصاص داده می شود و (γ_sat)ب نیز به لایه های پایین سطح آب زیرزمینی برای اجزاء خاک در نظر گرفته می شود. با توجه به مقادیر ارائه شده در فصل پیشینه تحقیق در خصوص وزن مخصوص خاک رس، وزن مخصوص خشک و وزن مخصوص اشباع به ترتیب KN/m^3 16.5 و KN/m^3 18 در نظر گرفته شده است.
4 – 2- 8- 2- مدول الاستیسیته خاک
نرم افزار plaxis از مدول الاستیسیته خاک به عنوان مدول سختی پایه در مدل الاستیک و مدل رفتاری موهر – کولمب استفاده می کند. مدول الاستیسیته دارای بعدی مشابه تنش است و در تحلیل های احزای محدود از اهمیت ویژه ای برخوردار است. زیرا بسیاری از مصالح خاکی از همان ابتدای بارگذاری رفتاری غیر خطی از خود نشان می دهند. براساس فرضیات و آزمایش های CPT انجام گرفته بر روی انواع خاک های رس سست توسط yetimoglu و همکاران در شال 1994 و Maharaj در سال 2002 و yamamoto و otani در سال 2002 مقدار مدول الاستیسیته برای خاک رس در نظر گرفته شده در تحلیل های پیش رو مقدار KN/m^3 13000 می باشد.
4 – 2- 8 – 3- نسبت پواسون(ν)
آزمایشات سه محوری زهکشی شده استاندارد می تواند تغییرات (کاهش) حجم نمونه را در اثر بارگذاری محوری و در نتیجه آن یک مقدار نسبتاً پایین از نسبت پواسون اولیه را در اختیار ما قرار دهد. در برخی موارد مانند مسائل باربرداری ممکن است بکارگیری این مقدار نسبت پواسون واقع بینانه باشد. در استفاده از معیار گسیختگی موهر – کولمب در برنامه plaxis استفاده از مقادیر بزرگتری نسبت به نسبت پواسون اولیه توصیه شده است. در بسیاری از کاربردهای عملی مقادیر نسبت پواسون معمولا بین 3/0 تا 4/0 انتخاب می شود. براساس فرضیات Michalowski و shin در سال 2002 و lngold و Miller در سال 1982 برای خاک رس، مقدار نسبت پواسون 4/0 در نظر گرفته شده است.
4 – 2- 8- 4- چسبندگی (c) و زاویه اصطکاک (∅)
با توجه به اینکه خاک زیر شالوده در نظر گرفته شده در تحلیل های پیش رو رس می باشد. لذا می توان آن را فاقد زاویه اصطکاک در نظر گرفت. چسبندگی رس بر مبنای آزمایشات Maharajدر سل 2002 که در پیشینه تحقیق از آن بحث به میان آمده است 35 KN/m^2 فرض شده است. جدول ( 2- 6) مشخصات خاک مورد استفاده را بصورت خلاصه بیان می کند.
صفحه 34
نتایج تحلیل دینامیکی بر اساس یک زلزله واقعی انجام شده و سعی کردیم نزدیکترین شرایط را به واقعیت مدل کنیم که نتایج ما درست باشد .
اولین نتیجه مد گسیختگی است .
همان طور که می بینید جابجایی افقی نشان میدهد که مد شکم دادگی ان شکم دادگی است
هم چنین فیسینک دیوار را با سختی های مختلف در نظر گرفتیم. ودر تمامی انها مدل ان شکم دادی است
در شرایط لرزهای با در نظر گرفتن اثر عوامل مختلف بر تغییرشکل دیوار میتوان نتیجهگیری کرد که دیوار خاک مسلح با مشخصات و ارتفاع متعارف از دو الگوی کلی برای تغییرشکل پیروی میکند حالت شکمدادگی و واژگونی حالتهای اصلی تغییرشکل دیوار هستند به علت افزایش تغییر مکان تحت شرایط دینامیکی حالت تغییرشکل دیوار بهصورت شکمدادگی, واژگونی میشود است.
با توجه به شکل مد تغییرشکل دیوار بهصورت شکمدادگی به همراه واژگونی میباشد. در مکانیسم شکمدادگی (گسیختگی) برشی, حداکثر تغییر مکان دیوار در وسط دیوار و در مکانیسم واژگونی حداکثر تغییر مکان در بالای دیوار مشاهده میشود. بااینحال در شرایطی که پایه دیوار امکان لغزش داشته باشد سومین مد تغییرشکل تحت عنوان مد لغزشی به همراه حالت ها قبلی نیز رخ خواهد داد دلیل این امر را میتوان به زیاد بودن تغییر مکانها نسب داد به عبارت بهتر مد شکمدادگی در شرایط دینامیکی غالبازمانی که تغییر مکانها زیاد نباشد رخ خواهد داد شایانذکر است نوع مد تغییرشکل به نوع پوسته نیز بستگی دارد. بطوریکه در اکثر دیوار ها پوسته پیشساخته و یا پوسته بلوکی بکار میرود
مد تغییرشکل مشاهدهشده دیوار با شرایط گفتهشده مد شکمدادگی (گسیختگی) برشی میباشد
نمودار های استاتیکی و دینامیکی
طبق گزارشهای محققین مکانیسم تغییرشکل دیوار در حالت استاتیکی (تحلیل تحت وزن) بهصورت استاتیکی است. با توجه به سایر مطالعات معمولاً خاک زیر دیوار شبیهسازی نشده است, علتان صفر شدن تغییر مکانها در ابتدای دیوار است. با توجه به این موضوع, خاک زیر دیوار تأثیر چندانی بر نحوه توزیع تغییر مکان ندارد
نمودار اولی نمودار استاتیکی سمت چپ
تغییر مکان پوسته در شرایط شکل استاتیکی دیوار (پایان ساخت)
نمودار های استاتیکی
با توجه به نمودار ها, با توجه به نوع اتصال ژئوگرید و ماسه (اتصال ساده) و تعریف فصل مشترک با خصوصیات مقاومتی بالا در ارتفاع مختلف تغییر مکانها تقریبا خطی تغییر میکند تغییر مکانها در زمان بارگذاری دائم در حال افزایش است و در انتهای بارگذاری تغییر مکان حدوداً ثابت میشود. که این امر مستلزم صرف زمان بیشتر جهت تحلیل مدل بدون بارگذاری است.
در نمودار های (هردو نمودار باشند)
به ترتیب تاریخچه تغییر مکان دیوار در شرایط استاتیکی و دینامیکی برای نقاط با ارتفاع مختلف روی پوسته دیوار نشان داده است.
همان طور که می بینید تغییر مکان در در یک سوم پایینی دیوار بیشترین جابجایی داریم که با مطالعات تئوری هم همخوانی دارد.
و حداکثر جابجایی 6 سانتی متر بوده که در یک دیوار انعطاف پذیر منطقی است
===============================
تغییر مکان ها های ماکزیزمم افقی و قائم ناشی از زلزله در پشت مسلح کننده ها در قسمت بالای مدل اتفاق می افتاده و به ترتیب 0.104و 0.067 میلیمتر می باشد . که مقدار نسبتا پایین بوده و بسته به شدت و محتوی فرکانس زلزله می تواند افزایش یابد . این تغییر شکل ها در محدوده بالای دیوار اتفاق می افتاده و تا نزدیکی سطح زمین گستره شده است که علت ان می تواند انعطاف پذیری بیشتر این ناحیه نسبت به نواحی پایین تر باشد.
موقعیت محور های تنش اصلی در پشت خاکریز به دلیل حضور تنش های برشی تغییر میکند. . به عبارتی اگر شیب محور های تنش اصلی در داخل خاکریز تغییر کند , شیب سطح گسیختگی نیز تغییر می کند. سطح شکست بایستی منحنی باشد . یک تابع اسپیرال لگاریتمی جهت توصیف سطح شکست منحنی الشکل برای شرایط رانش فعال و رانش مقاوم خاک می باشد.
برای شرایط رانش فعال , سطح شکست بحرانی از یک قسمت منحنی , مجاور پشت دیوار و یک قسمت خطی که تا سطح بالای خاکریز ادامه دارد مانند شکل بالا توزیع رانش فعال برای دیوار های حائل خاک مسلح با مصالح خاکریز غیرچسپنده , مثلثی خواهد بود.
برای بررسی تغییر شکل ها ما در طول دیوار چند نقطه را در نظر گرفتیم که جابجایی افقی ان نقاط را در طی زمان زلزله بدست اوردیم
همان طور که میبینید در تمامی نقاط با افزایش زمان زلزله مقدار جابجایی افزایش پیدا کرده است.
در تمامی حالات الگوی تغییر شکل یکی بود اما با افزایش ضخامت پوسته همان طور که توقع می رود جابجایی کاهش پیدا می کند .
==============================
در این قسمت به تاثیر تغییر ضخامت پوسته بر جابجایی ها پرداخته شده است مشاهده می شود سختی دیوار تاثیر قابل توجهی بر جابه جایی های لرزه ای دارد با افزایش ضخامت پوسته میزان جابجایی نقاط انتخابی کاهش پیدا می کند به طور مثال نقطه E در مدل به ترتیب 50 درصد 70 نسبت به سایر مدل ها جابجایی لرزه ای کاهش دارد .
در شکل تأثیر سختی ژئوگرید برنشست دینامیکی تاج دیوار قابلمشاهده است
با افزايش سختي مسلح کتتده ها و در ئتپجه افزايش پايداري ديوار خاک مسلح جابجايي ماکزيمم
خاک مسلح کاهش مي يابد. از سختي 0.5EA تا 2.5=EA مپزان
اين کاهش چشمگپر است . افزايش سختي به مقادير بپشتر از 2.5EA تأثپر کمتري بر جابجايي افقي و قائم
دارد و کاهش جابجايي ئامحسوس مي باشد. يعتي بعد از ايتکه تعادل بپن سختي ژئوگريدها و زاويه اصطکاک
داخلي خاکريز برقرار شد، به کار بردن سختي بپشتر غپر اقتصادي و بي تأثپر مي باشد.
افزایش سختی به مقادیر بیشتر از ۳۰۰۰ تأثیر کمتری بر جابجایی افقی و قائم دارد.
کاهش جابجایی نامحسوس است . بهکار بردن سختی بیشتر غیراقتصادی و بیتأثیر میباشد.
برای محاسبه نقطه اثر نیرو ما احتیاج به در حقیقت میزان شتاب داریم و یک نقطه را به عنوان نقطه نماینده گرفتیم و ان شتاب را در ان نقطه حساب کردیم و داخل فرمول قرار دادیم تا نقطه برایند را بدست بیاورم
-----------------------------------
محل اثر نیروی برایند
برای رسم نگاشت نیروی محرک در فاصله زمانی 0.8 ثانیه مقاطعی در پاشنه و بدنه دیوار طی مدت زمان 20 ثانیه ایجاد شد. در شکل 1- 80 زیر محل مقاطع نشان داده شده است همچنین در کل دیوار محل نقطه اثری به عنوان نماینده کل دیوار در مرکز خاک پشت دیوار جهت رسم و محاسبه نگاشت شتاب افقی ( a h ) و ضریب اینرسی ( k h ) در نظر گرفته شد.جهت محاسبه نقطه اثر نیروی برایند کل و نیروی دینامیکی وارد خاکریز و دیوار از رابطه y j = i h i σ ij y i h i σ ij استفاده شد .
y و y j فاصله قائم نقطه اثر نیروی برایند کل و y i فاصله مرکز المان i از پایه دیوار
نوسان فشار برایند در پشت دیوار است که با روش های دیگر مقایسه شده است که همان طور که میبینید در بعضی ازفشار حالت سکون و حالات فشار اکتیو مونوبه اکابه هم بیشتر شده
ولی به طور کلی یک روند افزایشی را نشان میدهد
فشار محرک پلکسیس یک فرمول است که مشخصات خاک می دهیم و یک عدد بدست میاید و چون عدد هست یک خط راست می شود.
و از حداکثر شتاب استفاده کردیم که حداکثر شتاب زلزله ورودی است ان گذاشتیم داخل فرمول یک p بدست امد و ان را کشیدیم که خط راست بدست امده
===================================
مربوط به نگاشت نیروی برآیند کل خاکریز و پوسته و نقطه اثر آنها قابلمشاهده است که پیش از بارگذاری دینامیکی نیروی برآیند وارد بر خاکریز و پوسته تا حدودی در شرایط فشار محرک قرار دارد. جابجایی در دیوار جهت ایجاد حالت محرک ایجاد نشده است زیرا ضریب اطمینان در برابر جابجایی ۲.۲۷۲ میباشد
و با توجه به اینکه نوسانات سیکلی نگاشت نیروی برآیند وارد بر پوسته دیوار بزرگ میباشد و فشار محرک هممقدار آن کم میباشد، ماکزیمم نیروی برآیند خاکریز بیش از پوسته است. نتایج مدلسازی عددی به روش مونوبه – اکابه نزدیک است اما پیشبینی آن کمتر از میزان فشار باقیمانده واقعی است.
همان طور که میبینید نقطه برایند نیروی برایند در طول زلزله درحال حرکت است. همان طور که ما توقع داریم
شکل توزیع تنش است که حداکثر شتاب روی پشت دیوار واقع شده و شکل بعدی حداکثر شتاب در نزدیک رویه دیوار (پوسته )است
توزیع تنش در طول زلزله متغییر است و مثلتی نیست (روش کلاسیک می گویند مثلثی است )
==================================
اول : برای قسمت ساقه، در زمان حداکثر فشار وارد بر دیوار توزیع تنش تقریبا مثلثی بوده و محل اثر نیروی برآیند نیز مشابه حالت استاتیکی میباشد اما در زمان حداکثر فشار وارد بر ساقه دیوار شکل توزیع تنش از حالت مثلثی خارج شده و نقطه اثر نیرو نیز تقریبا در میانه ساقه دیوار قرار میگیرد.
دوم : شکل توزیع تنش برای کل دیوار منحنی شکل بوده و کاملاً مشابه حالت فشار محرک میباشد، و همچنین نقطه اثر نیرو به مانند حالت استاتیکی میباشد.
بدیهی است که در دیگر زمانها اشکال توزیع تنش کاملاً بی نظم و قاعده بوده به همین دلیل نقطه اثر نیرو نیز جابجا میشود که اثرات آن را در نگاشت فشار وارد بر دیوار و نقطه اثر برآیند میتوان به وضوح مشاهده نمود.
این نگاشت افقی را در نقاط مختلف گرفته شده این نقاط تفاوت قابل توجهی دارند..
این نقاط را با نقطه منطقه ازاد مقایسه کردیم
شکل اول شماتیکی
جهت بررسی اثرات بزرگنمایی موج (Amplification) امواج زمین لرزه, چند نقطه مکانی (گره) شامل یه نقطه در منطقه ازاد (Free-Field) یک نقطه در نزدیکی مرز پایینی مدل و سه نقطه درون خاکریز در مدل اجزای محدود جهت محاسبه شتاب پایه (نگاشت شتاب افقی ورودی) انتخاب شد تا دران نقاط شتاب افقی برداشت شود
شکل نمودار.
مربوط به شتاب نگاشتهای افقی ثبت شده است
قابل مشاهده است که شتاب افقی ماکزیمم بالای خاکریز 2.16 برابر میدان – ازاد (free-field) و برای نقطه مرکز 1.23 و پایین خاکریز 1.19 میباشد و که تمامی شتاب ها هم فاز شده اند
همچنین با شتاب افقی پایه نسبت تشدید و بسط نقاط واقع دربالا، مرکز و پایین خاکریز نیز محاسبه گردید که به ترتیب برابر با 1.60, 0.91 و 0.88 بود. نتایج همچنین نشان میدهد در دو نقطه واقع در مرکز و پایین خاکریز ماکزیمم شتاب افقی ثبت شده در آن سطوح کمتر از شتاب پایه بوده و پدیده کاهیدگی (de-amplification) رخ داده است.
همچنین نسب تشدید و بسط نقطه پایین و بالای دیوار در ارتفاع ۸ متری ۱٫۱۸ بهدست آمد
و همچنین نسب شتاب افقی ثبتشده در میدان -آزاد با شتاب افقی پایه برابر ۰٫۷۴ میباشد. که نشاندهنده ضعیفتر بودن شتاب افقی در میدان -آزاد نسبت به پایه میباشد.
قابلتوجه است که بهمنظور جلوگیری از تداخل و انعکاس امواج از مرزهای مدل عددی، دو راهکار مورد استفاده قرار گرفته شد. اول آنکه هندسه مدل بهاندازه کافی بزرگ در نظر گرفتهشده تا مرزها به حد مناسبی از سازه فاصله داشته باشند و دیگر آنکه مرزهای سمت چپ و راست مدل بهصورت مرزهای جاذب (Absorbent Boundary) در نظر گرفتهشدهاند.
با توجه به شکل مربوط نگاشت سرعت افقی نقاط انتخابی, اختلاف اندک تمام نگاشت ها و هم فازی مشاهده میشود.
===================================
با توجه شکل مربوط به نگاشت سرعت افقی نقاط درون خاکریز که میزان سرعت افقی در بالای خاکریز به میدان -آزاد ثبت شده با نسبت 0.91 و برای مرکز خاکریز 0.89 و برای پایین خاکریز 0.87 میباشد. قابل مشاهده است که برای تمام نقاط پدیده کاهیدگی دیده میشود.
همچنین در همان نقاط، نسبت سرعت افقی به آنچه که درپایه مدل ثبت شده بود، محاسبه گشت. مقدار این نسبت برای نقطه بالای خاکریز 0.71 برای نقاط مرکز خاکریز 0.7 و برای پایین خاکریز 0.68 بهدست آمد. در اینجا نیز در تمام نقاط کاهیدگی رخ داده است در حالیکه میزان آن نسبت به میدان -آزاد بیشتر میباشد. نسبت بزرگنمایی سرعت افقی در ارتفاع 7 متری خاکریز نیز 1.04 بهدست آمد. همچنین نسبت سرعت افقی در میدان -آزاد با نقطه پایه مقایسه گشت که برابر با 0.78 بود که مانند دیگر نقاط پدیده کاهیدگی را نشان میداد.
بزرگنمای بر اساس زلزله ای که از پایین خاک می اید و به سمت بالا می رود است
زلزله ثبت شده در نقطه بیس را با سایر نقاط مقایسه شده است
و حداکثر بزرگنمایی را نقطه بیس با سایر نقاط مقایسه کردیم
مثلا 2.21 بدست امده یعنی
بزرگنمایی نقطه بیس نسبت به نقطه میانی 2.21 است .
========================
در شکل 1- 64 جهت بررسی اثر بزرگنمای موج در جسم دیوار هندسه دیوار با خطوط هندسی ترسیم شده است با توجه به شکل 1- 67 میتوان اثرات متغییر های مختلف را در المان های مدل مورد بررسی قرار گیرد
با مقایسه میزان حداکثر شتاب افقی در سه نقطه درون جسم دیوار با ماکزیزم شتاب افقی میدان ازاد نتایج جدول 1- 9 بدست امد.
جدول دوم
با مقایسه میزان شتاب افقی در نقطه درون جسم دیوار و شتاب پایه مدل نتایج دوم بدست امد. با توجه این نتایج نقطه بالای دیوار 1.68 برابر تقویت شده است در مقابل نقاط مرکزو پایین جسم دیوار پدیده کاهیدگی اتفاق می افتد.
ماکزیمم شتاب افقی در پایین مدل نسبت به بالای مدل برابر با 1 2 می باشد این نسبت در طول مدل مورد نظر می باشد.این نسبت برای میدان ازاد به پایه مدل 0.76 می باشد.در نتیجه شتاب در میدان ازاد نسبت به پایه مدل کمتر است.
=======================================
در شکل 1- 68 جهت بررسی اثرسرعت افقی و ماکزیمم مقدار ان در هندسه دیوار با خطوط هندسی ترسیم شده است.قابل مشاهده است که ماکزیمم سرعت افقی در بالا,مرکز و پایین مدل نسبت به میدان ازاد به ترتیب 0.91,0.89,0.87 می باشد در این نقاط پدیده کاهیدگی اتفاق می افتد.همچنین ماکزیمم سرعت افقی در بالا,مرکز , و پایین دیوار نسبت به پایه مدل به ترتیب 0.71, ,0.68,0.7 می باشد. نتایج بدست امده برای خاکریز هم مطابقت دارد . در نتیجه تمامی نقاط هم سطح در خاک و جسم دیوار نگاشت سرعت افقی مشابه دارند.
فشار برایند
فشار برایند در حین زلزله یک نوسان شدید دارد و در نهایت یه روند افزایشی دارد
برایند نقطه
همچنین برایند نقطه اثر نیرو علاوه بر نوسان شدیدش یک روند مهاجرت به بالای دیوار را دارد یعنی شرایط پایداری خاک را بیشتر خراب میکند
بزرگنمایی
هم چنین نشان داد که خاک یکپارچه نیست و باعث اتفاق بزرگنمایی می شود در شتاب زلزله بزرگنمایی افتاق می افتد به خاطر صلب نبودن خاک
و در نهایت نشان داد که روش عددی یک روش مناسب
=======================================
تغییرشکل دیوار در بارگذاری استاتیکی شکمدادگی و در بارگذاری دینامیکی شکمدادگی به همراه واژگونی است. این نتیجه در حالت استاتیکی با سایر نتایج مطالعات عددی همخوانی دارد ولی در حالت دینامیکی کمی متفاوت است
تغییر مکان جانبی دیوار و نشست تاج دیوار با افزایش سختی ژئوگرید، کاهش و فشار جانبی تغییر چندانی نمیکند
روش عددی نسبت به روش مونونوبه-اکابه و تعادل حدی در هردو حالت بارگذاری حداکثر نیروی ایجادشده در ژئوگرید ها را بالاتر تعیین میکند در حالت دینامیکی این اختلاف زیاد است
نتایج بررسیهای جابجاییهای نهایی پس از زلزله نشان میدهد که میزان جابجایی قائم ، نشست تاج دیوار و همچنین تغییر مکان افقی آن در حالت دینامیکی ا از حالت استاتیکی بیشتر است.
تغییرشکل دیوار
میزان نشست تاج دیوار و تغییر مکان جانبی دیوار در حالت دینامیکی بسیار بیشتر از حالت استاتیکی است.
مود گسیختگی
با افزایش ارتفاع دیوار حجم ناحیه محرک و گسیخته شده خاک افزایش مییابد و تأثیر افزایش ارتفاع در مدل با پوسته شکلپذیر آشکارتر است و با افزایش ارتفاع سطح شکست بالقوه شبیه لوگ اسپیرال میشود.
در طول ارتفاع دیوار حالت گسیختگی دیوار از واژگونی به شکمدادگی تغییر میکند. با افزایش ارتفاع دیوار پیشبینی میشود تمامی پاسخهای دینامیکی افزایش یابد.
پایداری خارجی به علت وجود تغییر شکلهای زیاد در اثر بارگذاری دینامیکی (زلزله) کمتر میشود.
ارتفاع دیوار
سطح لغزش بالقوه از پایه دیوار شروع میشود و از سطح لغزش رتبهبندی تا ۳/۱ ارتفاع دیوار پیروی میکند و سپس به سمت پوسته دیوار خم میشود.
نوع پوسته
نوع پوسته صلب یا شکلپذیر، بر شکل سطح شکست بالقوه در دیوار خاک مسلح تأثیر دارد و با کاهش صلبیت پوسته، سطح شکست بالقوه به سمت دورتر از پوسته جابجا میشود.
در طراحی سیستم ساندویچی در دیوارهای خاک مسلح با رویه صلب باید از مسلح کننده با سختی بالا و بیشتر استفاده کرد زیرا افزایش و بهبود این پارامتر در بهبود عملکرد لرزهای دیوار بسیار مؤثر است.
با توجه به اینکه هدف این پایاننامه بررسی تئوری عملکرد دیوار خاک مسلح سیستم ساندویچی فرضی تحت بارگذاری لرزهای و هدف آن طراحی یک کیس موردی خاص نیست، خاک استفادهشده ضعیف است.
و به این نتیجه رسیدیم که این سیستم در خاک ضعیف ساخته نشود و در صورت الزام ساخت از ژئوگرید به قدرت کششی بالا استفاده شود و رویه صلب بتنی استفاده شود
در شکل 1- 68 جهت بررسی اثرسرعت افقی و ماکزیمم مقدار ان در هندسه دیوار با خطوط هندسی ترسیم شده است.قابل مشاهده است که ماکزیمم سرعت افقی در بالا,مرکز و پایین مدل نسبت به میدان ازاد به ترتیب 0.91,0.89,0.87 می باشد در این نقاط پدیده کاهیدگی اتفاق می افتد.همچنین ماکزیمم سرعت افقی در بالا,مرکز , و پایین دیوار نسبت به پایه مدل به ترتیب 0.71, ,0.68,0.7 می باشد. نتایج بدست امده برای خاکریز هم مطابقت دارد . در نتیجه تمامی نقاط هم سطح در خاک و جسم دیوار نگاشت سرعت افقی مشابه دارند.