نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 2 تابستان 5931 7153

طراحي بهينه ديوارهاي خاکي ميخ کوبي شده برمبناي
تغيير مکان تحت بارهاي لرزهاي

پویا نقشین، هادی شهیر؛ دانشگاه خوارزمی، دانشکده فنی مهندسی، گروه عمران تاریخ: دریافت 9/2/39 پذیرش 51/5/39 چکیده
میخ کوبی خاک از روشهاي رایج براي پایدارسازي گودبرداريها به صورت موقت و دائم است که در صورت استفاده از آن به صورت سازه دائم ،بررسی لرزهاي این سازهها اهمیت دارد.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

براي بررسی رفتار دیوارهاي خاکی میخ کوبی شده تحت بار زلزله چند مدل سازي فیزیکی انجام شده و اطلاعات محدودي موجود است. براي بررسی اثرات انواع پارامتر ها بر پایداري و عملکرد دیوارهاي خاکی میخ کوبی شده می توان از مدلسازي عددي استفاده کرد که در پژوهش حاضر از این روش استفاده شده است. در این تحقیق، به بررسی تأثیر پارامترهاي مختلفی از جمله فاصله، چیدمان و طول میخها و ارتفاع دیوار بر تغییر مکان لرزه اي دیوارهاي خاکی میخ کوبی شده تحت شتابنگاشت هاي مختلف زلزله پرداخته شده است. براي بررسی اثر چیدمان و طول میخها در عملکرد این سازهها، دو چیدمان یک نواخت و متغیر در ارتفاع استفاده شده است. براي بررسی تأثیر فاصلۀ میخها و ارتفاع دیوار ،فواصل 2 و 1/5 متر، و ارتفاع 59، 22 و 22 متر در نظر گرفته شده است. تحلیل هاي لرزهاي با استفاده از نرمافزار المان محدود دوبعدي Plaxis صورت گرفته است. براي محاسبۀ طول میخها، ضریب اطمینان پایداري مدل هاي مختلف ثابت در نظر گرفته شده و از نرمافزار تعادل حدي GeoSlope بهره برده شده است. پس از تعیین طول میخ ها بر اساس ضریب اطمینان پایداري ثابت، تغییر شکل مدل ها تحت شتاب نگاشت هاي مختلف محاسبه شده و توصیه هایی در زمینه کاهش تغییر مکان لرزه اي دیوارهاي میخ کوبی شده ارائه شده است.
واژههای کلیدی: دیوار خاکی میخکوبی شده، رفتار لرزهاي، مدلسازي اجزاي محدود، تغییر مکان لرزهاي، تحلیل تاریخچه زمانی
7153

مقدمه
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

با شتاب گرفتن ساخت وساز در شهرهاي بزرگ به ویژه در زمینه ساختمانهاي بلند، راهآهن شهري، زیرگذرهاي شهري و … و وابسته بودن این فعالیتها به انواع گودبرداريهاي عمیق و نیمه عمیق ،مسئله روشهاي پایدارسازي گود از جمله تسلیح و احداث سازه نگهبان و… از مسائل مهم ساخت وساز شهري شده است تا هنگام عملیات خاک برداري، از ریزش جدارههاي قائم و یا نزدیک به قائم جلوگیري به عمل آید. یکی از روش هاي رایج تسلیح که براي پایدار سازي دائم و موقت ترانشهها به کار میرود، میخ کوبی خاک است. به علت انعطافپذیري زیاد تودۀ خاکی میخ کوبی شده، این گونه سیستمها داراي میرایی نسبتانسبتاً زیادي هستند، از این رو، میخ کوبی براي پایدارسازي سازههاي خاکی در مناطق لرزه خیز روشی مناسب است. با توجه به کاربرد بسیار این سیستم در کشورهاي لرزهخیز و عملکرد مناسب دیوارهاي خاکی میخ کوبی شده در زلزله هاي گذشته، بررسی رفتار لرزهاي این دیوارها اهمیت دارد ]5[، ]2[.
طی سه دهۀ اخیر پژوهش هاي موردي، آزمایشگاهی، تحلیلی و عددي گسترده اي از دیوارهاي خاکی میخ کوبی شده در حالت استاتیکی صورت گرفته است. در این پژوهش ها از مدل سازي آزمایشگاهی، مدل سازي عددي، روش هاي تحلیلی براي بررسی رفتار دیوارهاي میخ کوبی شده از جمله تغییر مکان، مود تغییر مکان، توزیع نیرو در میخ ها و ضرایب اطمینان و تأثیر پارامترهاي مختلف در عملکرد این سازه ها استفاده شده است. بر خلاف حالت استاتیکی، بررسی هاي دینامیکی محدودي روي این سازه ها صورت گرفته، که در ادامه به شرح مختصر پژوهش هاي دینامیکی پیشین پرداخته شده است.
ویوستیک و همکاران5 )5339( با انجام آزمایش هاي سانتریفیوژ دینامیکی روي مدلهاي خاکی میخ کوبی شده، محتملترین مکانیزم گسیختگی و تأثیر طول و سختی خمشی میخ در مکانیسم گسیختگی را تحت لرزشهاي قوي بررسی کرده و نتیجه گرفتند که گوه گسیختگی شامل دو بلوک لغزنده و سه سطح گسیختگی است ]9[، ]9[. چوکر و همکاران2 )5332( با استفاده از نرم افزار المان محدود ABAQUS دیواري خاکی میخ کوبی شده را با به کارگیري مدل رفتاري

1. Vucetic
.2 Chokeir
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

دراگر پراگر با قانون سخت شوندگی براي شبیهسازي خاک و مدل رفتاري موهر-کولمببراي اندرکنش خاک-میخ مدل سازي کرده و نتایج تحلیل عددي را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کرده و نتیجه گرفتند که روش عددي نتایج خوبی ارائه داده و روشی اقتصادي براي طراحی است ]1[، ]2[. ژنگ و همکاران )5333( به صورت سه بعدي رفتار دینامیکی این سازه ها را مطالعه کرده و از دو فنر براي شبیه سازي اندرکنش خاک-میخ استفاده کردند ]7[. ولا5 )2222( دیواري خاکی میخ کوبی شده را با نرم افزار تفاضل محدود دوبعدي FLAC مدلسازي کرده و با مقایسه نتایج تحلیل عددي با آزمایشگاهی نتیجه گرفت که ناحیه اي در اواسط ردیفها وجود دارد که بیش ترین نیروي محوري در آن ردیف بسیج شده است که این ناحیه به تشکیل گوه گسیختگی وابسته است، هم چنین نتیجه گرفت که تئوري بلوک لغزنده جابهجایی کم تري نسبت به FLAC نشان می دهد ]1[. هانگ و همکاران2 )2221( با استفاده از میز لرزان آزمایش هایی براي بررسی تأثیر زاویۀ میخ، طول میخ و فرکانس لرزش بر مقاومت لرزه اي و مکانیسم گسیختگی انجام دادند ]3[. بابو و سینگ9 )2221( دیواري خاکی میخ کوبی شده را با استفاده از نرم افزار المان محدود PLAXIS و به کارگیري مدل رفتاري سخت شونده با کرنش کم در حالت دینامیکی و مدل موهر کولمب در حالت استاتیکی و شبه استاتیکی مدل سازي و تحلیل کرده و نتایج حاکی از آن است که روش شبه استاتیکی نتایج محافظه کارانهتري نسبت به تحلیل دینامیکی دارد ]52[.
با توجه به مجاورت ساختمانها و سایر سازهها به محدودۀ گودبرداريها، باید برآورد مناسبی از میزان تغییر شکل دیوارهاي خاکی میخ کوبی شده انجام شود تا مشکلی براي سازه هاي مجاور ایجاد نشود و از به وجود آمدن بارهاي اضافی بر سازه مجاور جلوگیري شود، در نتیجه نیاز به بررسی اثر پارامترهاي مختلف دیوار بر روي تغییرمکان این سازه ها تحت بارهاي دینامیکی است. در پژوهش هاي پیشین تغییر مکان لرزه اي براي چند دیوار با مشخصات خاص بررسی شده است. در این تحقیق تأثیر پارامترهاي مختلف بر تغییر مکان لرزه اي مورد بررسی قرار گرفتند و طراحی بهینه دیوار میخکوبی شده به گونه اي که تغییر مکان

Vela
Hong et al.
Babu and Singh
7153
لرزه اي دیوار حداقل گردد، مدنظر است. پارامترهاي مختلفی در تغییرمکان دیوار مؤثر است،که در این پژوهش اثر چند پارامتر مهم از جمله فاصلۀ افقی و عمودي میخها، چیدمان مختلف و طول میخها، ارتفاع دیوار و پارامترهاي مختلف لرزهاي بر مقدار و نحوۀ تغییر مکان بررسی شده است. به منظور بررسی اثر پارامترهاي ذکر شده در شرایط یک سان، در مدل هاي مختلف طول میخها بر اساس ضریب اطمینان یک سان براي پایداري کلی محاسبه شده است. براي این منظور توصیه هاي دستورالعمل FHWA مدنظر قرار گرفته و براي دیوارهاي میخ کوبی شده دائمی مقدار ضریب اطمینان پایداري 5/5 انتخاب شده است. آنالیزهاي پایداري روي تمامی مدلهاي مفروض، در نرم افزار تعادل حدي Geoslope صورت گرفته است. پس از تعیین طول میخها براي مدلهاي بررسی شده با ضرایب اطمینان ثابت، تحلیلهاي لرزهاي با نرم افزار المان محدود Plaxis انجام شده است.

126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

معرفي مدل عددی و صحتسنجي نتایج آن
در این تحقیق براي تحلیل دینامیکی دیوار خاکی میخ کوبی شده، از تحلیل تاریخچۀ زمانی با روش اجزاي محدود استفاده شده است که روشی کامل بوده است و تغییرات پاسخ دیواره در طول مدت زلزله قابل پیش بینی است. براي انجام آنالیز از نرم افزار المان محدود دوبعدي Plaxis استفاده شده است.
5. فرضیات مدلسازی
-607051588135

در این بررسی دیوار میخ کوبی شده به صورت کرنش صفحهاي در حالت زهکشی شده مدلسازي شده است. براي دقت محاسبات بیش تر، از المانهاي مثلثی 51 گرهی استفاده شده است. خاک با مدلهاي الاستوپلاستیک موهر-کولمب و سخت شونده و میخ و رویه با مدل الاستیک خطی مدل سازي شده است. از المان صفحه براي مدل سازي میخ و رویه استفاده شده است. با توجه به آزمایشهاي بیرون کشیدگی میخ که یین5 و چو2 )2221( براي اندازهگیري مقاومت سطح مشترک میـخ و خاک انجـام داده اند، در نظرگیري مقـدار 5 براي ضریب کاهش
1. Yin
.2 Chu
مقاومت )

( سطح مشترک خاک- میخ، منطقی است ]55[. شتابنگاشتهاي استفاده شدهدر تحلیل عددي با استفاده از تغییر مکان افقی با ضریب 25/2 متر به بستر هندسه مدل اعمال گردیده و براي جلوگیري از انعکاس امواج، ابعاد هندسه مدل طوري در نظر گرفته شده است که امواج ناشی از زلزله در اثر میرایی هندسی )شعاعی( زائل شده و تأثیري بر رفتار دیوار نداشته باشند. مرزهاي جانبی در راستاي افقی و مرز بستر در هر دو جهت افقی و عمودي محدود شده است. براي مدل سازي میرایی توده خاک علاوه بر میرایی هندسی از میرایی رایلی با ضرایب

و

نیز استفاده شده است. که ضرایب میرایی رایلی از روابط زیر محاسبه می شوند.
 0.5 )5(
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

)2( 0.5 min  /  در روابط 5 و 2، ξ میرایی خاک است و ωmin زاویۀ دوران حداقل است.
5. صحتسنجي نتایج مدل عددی
معمولامعمولاً در تحلیل هاي عددي براي ارزیابی صحت مدلسازي از نتایج اندازه گیري هاي آزمایشگاهی استفاده می شود. در این تحقیق با استفاده از دو آزمایش کوچک مقیاس سانتریفیوژ دینامیکی و میز لرزان صحت فرضیات در نظر گرفته شده و مدلسازي ارزیابی شده است.
الف( آزمایش سانتریفیوژ دینامیکي
آزمایش سانتریفیوژ دینامیکی بررسی شده به وسیلۀ توفنکجیان و ویوستیک )5332( بر مدلهاي مختلف براي بررسی گوۀ گسیختگی محتمل صورت گرفته است. در آزمایش سانتریفیوژ مدلهاي ساخته شده در معرض شتاب زاویه اي با بزرگی 12 برابر شتاب گرانش قرار گرفته اند، بنابراین ضریب مقیاس 12 در نظر گرفته میشود. هندسۀ آزمایش و محل ابزار دقیق در شکل 5 آورده شده است.
7155

شکل 5. هندسه آزمایش سانتریفیوژ ]7[
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

شتاب وارده به مدل، به صورت سینوسی با 52 سیکل و شتاب حداکثر g 21/2 است. مشخصات مدل آزمایش سانتریفیوژ دینامیکی عبارت اند از: ارتفاع دیوار مدل آزمایشی 512 میلی متر معادل با دیواري به ارتفاع 2/7 متر، نوع خاک ماسه لايدار، زاویۀ اصطکاک داخلی خاک 92 درجه، چسبندگی خاک kPa 2/7، مدول الاستیسیته خاک MPa 22، وزن مخصوص خاک خشک kN/m3 59، رطوبت خاک 1/7%، وزن مخصوص مرطوب خاک kN/m3
21/51، نسبت طول میخ به ارتفاع دیوار 27/2، ضرایب جرم و سختی میرایی رایلی به ترتیب
9/9 و 222/2.
آزمایش سانتریفیوژ دینامیکی با ابعاد واقعی مدلسازي و تحلیل شده است. رفتار خاک با هر دو مدل رفتاري موهر-کولمب و سخت شونده مدل سازي شده و نتایج حاصل از تحلیل عددي و آزمایش در شکل 2 آورده شده است. در این شکل جابه جایی افقی در محل 1LVDT و 2LVDT و نشست در محل LVDT3 ارائه شده است. با توجه به شکل 2 مشاهده می گردد که براي جابه جایی افقی در محل میخ ردیف بالا نتایج تحلیل عددي و آزمایشگاهی تقریباًبا در یک محدوده است ولی در محل میخ ردیف پایین نتایج تحلیل عددي بیش تر از مقادیر اندازه گیري شده است. نتایج نشست نیز تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.2.3517 ]

هم چنین با مقایسه نتایج دو مدل رفتاري بررسی شده، نتیجه می شود که مدل رفتاري سخت شونده براي شبیه سازي رفتار خاک نسبت به مدل موهر-کولمب مناسب تر است. مزیت مدل خاک سخت شونده نسبت به مدل موهرکولمب، وابستگی سختی به سطح تنش است. بدین صورت که این مدل، افزایش سختی را متناسب با میزان افزایش تنش در نظر می گیرد. با توجه به مزایاي مدل سخت شونده براي خاک و تطابق بهتر این مدل رفتاري با نتایج آزمایشگاهی، در ادامه از مدل رفتاري سخت شونده استفاده شده است.


2

0

2

4

6

8

0

5

10

افقي

ماندگار
مکان

تغییر
(
mm
)

زمان
(
ثانیه
)

(
الف
)

آزمایشگاهی

تحلیل
مدل

با

عددي

رفتاري
شونده

سخت

مدل

با

عددي

تحلیل
کولمب

موهر

رفتاري

2



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید