نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 3 پاییز 5331 7663

ظرفیت باربری لرزه ای پی های نواری روی خاک های
مسلح شده با فیبر به روش مشخصه های تنش

امین کشاورز*، مهدی نعمتی؛
دانشگاه خلیج فارس، دانشکدۀ مهندسی، گروه مهندسی عمران
تاریخ: دریافت 20/1/33 پذیرش 35/1/34 چکیده
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

در این مقاله، ظرفیت باربری پی های نواری ،روی بستری از خاک های دانه ای مسلح شده با فیبر، بررسی شده است. برای تحلیل از روش مشخصه های تنش استفاده شده است. معیار گسیختگی در نظر گرفته شده، توزیع جهت گیری مسلح کننده ها را به صورت ایزوتروپ در نظر می گیرد و از پارگی مسلح کننده ها صرف نظر می کند. اثرات لرزه ای به صورت ضرایب شبه استاتیکی افقی و عمودی در معادلات تعادل تنش لحاظ شده است. معادلات تعادل تنش با استفاده از روش تفاضل محدود حل شده اند. برای حل مسئله، برنامه ای نوشته شده است که قادر است با داشتن پارامترهای ورودی خاک و مسلح کننده، شبکه مشخصه ها را تعیین کرده و ظرفیت باربری را محاسبه کند. ظرفیت باربری به صورت ضرایب ظرفیت باربری ناشی از وزن خاک و سربار بیان شده است. برای استفاده های کاربردی، نمودارهایی برای تعیین این ضرایب تهیه شده است. یک حل به فرم بسته نیز برای ظرفیت باربری ناشی از سربار ارائه شده است. با انجام تحلیل های پارامتری، تأثیر پارامترهای خاک و مسلح کننده روی ظرفیت باربری و شکل ناحیۀ گسیختگی بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که ظرفیت باربری با افزایش هر یک از پارامترهای تمرکز متوسط فیبرها5، نسبت ظاهری فیبرها، زاویۀ اصطکاک بین خاک و فیبر و زاویۀ اصطکاک خاک افزایش می یابد. هم چنین ناحیۀ گسیختگی با افزایش ضرایب لرزه ای و کاهش سربار، کم عمق تر می شود.
واژه های کلیدی: ظرفیت باربری، خاک مسلح شده با فیبر، لرزه ای، روش مشخصه های تنش

[email protected] نویسنده مسئول *
1. Average fiber concentration
7663
مقدمه
محاسبۀ ظرفیت باربری پی های سطحی یکی از موارد مهم در طراحی پی ها است، به همیندلیل بحث در این زمینه، از مشکلات مهندسان ژئوتکنیک است. روش های تعادل حدی5، تحلیل حدی2 و روش های عددی تفاضل محدود3 و اجزای محدود4 از روش های مرسوم محاسبۀ ظرفیت باربری پیهای سطحی هستند.
در دهه های اخیر، استفاده از مصالح طبیعی یا پلیمری برای مسلح کردن خاک ها، بسیار توسعه پیدا کرده است. ژئوسینتتیک ها کاربردهای مختلفی در سازه های ژئوتکنیکی دارند. یکی از کاربردهای فراوان آن ها ،مسلح کردن خاک است. در این کاربرد، مقاومت کششی مسلح کننده ها باعث می شود که خاک تنش بیشتری را تحمل کند و این موضوع باعث افزایش ظرفیت باربری خاک می شود. مسلح کننده ها انواع مختلفی دارند. بعضی از آن ها مانند ژئوگریدها یا ژئوتکستایل ها، مصالح صفحه ای هستند. نوعی دیگر، مسلح کنندههای الیافی یا فیبر هستند.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

این فیبرها می توانند مصالح الیافی با طول بسیار کوتاه یا حتی می توانند با طول بلند باشند. بررسی پایداری سازه های خاکی مسلح و حل مسائلی مانند ظرفیت باربری خاک های مسلح از چالش های مهندسان ژئوتکنیک است.
یکی از روش های کارآمد که در زمینۀ تحلیل مسائل خاکی می توان از آن بهره جست، روش مشخصه های تنش است. این روش که برای اولین بار سوکولوفسکی و همکاران ]5[ در سال 5390 ارائه کردند، را بارها محققان در زمینه های مختلف مهندسی ژئوتکنیک از قبیل ظرفیت باربری، فشارهای جانبی خاک و غیره استفاده کرده اند. در این روش معادلات تعادل تنش با در نظر گرفتن معیار گسیختگی و هم چنین با ارضای شرایط مرزی به طور هم زمان در تمامی نقاط خاک حل می شوند و فرض بر این است که همه نقاط در حالت حدی به گسیختگی می رسند. از مزایای این روش این است که بر خلاف روشهایی نظیر تعادل حدی ،احتیاجی به فرض سطح گسیختگی نیست و این سطح پس از حل مسئله به دست می آید.
هم چنین مشابه روش های عددی دیگر، در این روش می توان اثرات زلزله را به صورت ضرایب شبه استاتیکی افقی و عمودی به مسئله اعمال کرد.

1. Limit equilibrium
.2 Limit analysis
.3 Finite difference
.4 Finite elements
7663
در زمینۀ خاک های غیرمسلح محققان و دانشمندان بسیاری از این روش در پژوهش هایخود بهره برده اند. کومار و موهان رآو ]2[، ]3[ از این روش برای محاسبۀ ظرفیت باربری پی های نواری و پی های نواری روی شیب استفاده کردند. هم چنین کشاورز و جهان اندیش ]4[ از این روش برای تعیین ضرایب ظرفیت باربری پی های نواری در حالت لرزه ای استفاده کردند. از این روش، برای تحلیل فشارهای جانبی خاک های غیرمسلح نیز استفاده شده است ]1[، ]9[، ]7[.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

در زمینۀ تحلیل پایداری سازه های خاکی مسلح نیز از این روش استفاده شده است. کشاورز ]8[ از این روش در تعیین ظرفیت باربری پی های سطحی و شیب های خاکی مسلح و غیرمسلح در حالت استاتیکی و شبه استاتیکی در حالت کرنش صفحه ای و تقارن محوری استفاده کرده است. هم چنین جهان اندیش و کشاورز ]3[ برای محاسبه ظرفیت باربری پی های نواری روی شیب های خاکی مسلح و کشاورز و همکاران ]50[ برای محاسبۀ ظرفیت باربری لرزه ای پی های نواری روی خاک های مسلح از روش مشخصه های تنش استفاده کردند.
در تحلیل خاک ها به روش مشخصه های تنش، لازم است که از معیار گسیختگی مورد اطمینان و سازگار با شرایط موجود، در روابط استفاده شود. میخالوفسکی و ژائو ]55[، میخالوفسکی و سرماک ]52[ و میخالوفسکی ]53[ در زمینه دست یابی به معیار گسیختگی خاک های مسلح شده با فیبر، تحقیقات گسترده ای انجام داده و به معیار گسیختگی مناسبی برای خاک های مسلح شده با فیبر دست یافتند. توزیع فیبرها در خاک می تواند به صورت ایزوتروپ یا غیرایزوتروپ فرض شود. در این مقاله از معیار گسیختگی میخالوفسکی ]53[ استفاده شده است و توزیع فیبرها در توده خاک به صورت ایزوتروپیک فرض شده است.
استفاده از خاک های مسلح شده با فیبر در مسائل مختلف ژئوتکنیکی روز به روز افزایش می یابد اما در حال حاضر روش های تحلیلی زیادی برای محاسبات این خاک ها ارائه نشده است. در بسیاری از موارد، برای تحلیل این نوع خاک ها ،از یک خاک معادل استفاده می کنند یعنی تودۀ خاک مسلح شده با فیبر را به صورت خاکی غیرمسلح معادل، با مشخصات مکانیکی افزایش یافته، در نظر می گیرند.
در این مقاله از روش مشخصه های تنش برای محاسبه ظرفیت باربری لرزه ای پی های نواریاستفاده شده است. هر چند در معیار میخالفسکی ]53[ می توان توزیع فیبرها را غیرایزوتروپنیز در نظر گرفت، اما در این مقاله، توزیع فیبرها به صورت ایزوتروپ در نظر گرفته شده است و به این ترتیب معادلات ساده تر شده و نیز می توان در بعضی حالت ها، حل به فرم بسته نیز به دست آورد. این روش را قبلاقبلاً همین نویسندگان ]54[ برای تعیین ظرفیت باربری پی های نواری روی خاک های مسلح شده با فیبر استفاده کرده اند اما در این مقاله روش به صورت مفصل تری بحث شده است و نتایج کامل تری ارائه شده است.

تئوری معیار گسیختگی
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

در معیار گسیختگی که میخالفسکی ]53[ ارائه کرد، نقش مسلح کننده ها در خاک به خوبی مد نظر قرار گرفته و تأثیر آن ها بررسی شده است. در معیار ارائه شده، علاوه بر تراکم مسلح کننده ها در خاک، نحوه توزیع جهت گیری فیبرها در تودۀ خاک مد نظر واقع شده است. در معیار ارائه شده میخالفسکی، جهت گیری فیبرها می تواند به صورت ایزوتروپ یا غیرایزوتروپ باشد. در این مقاله، جهت گیری فیبرها به صورت ایزوتروپ فرض شده است. در این حالت می توان معادلات ساده تری برای ضرایب ظرفیت باربری ارائه کرد.
در شرایطی که توزیع جهت گیری فیبرها به صورت ایزوتروپیک باشد، تابع توزیع تراکم فیبرها در برابر زاویۀ جهتگیری آن ها به شکل دایروی است بدین معنی که میزان تراکم فیبرها با جهت گیری های متفاوت در تودۀ خاک یک سان است. از دیگر ویژگی های مهمی که در معیار گسیختگی مورد نظر حائز اهمیت است، چگونگی عملکرد فیبرها و نحوۀ گسیختگی آن ها در تودۀخاک است. گسیختگی فیبرها در خاک می تواند به دو صورت، یکی پاره شدن فیبرها به دلیل تنش های زیاد وارده به آن ها و دیگری بیرون آمدن فیبرها از درون خاک یا slip، رخ دهد. اما نتایج تجربی و آزمایشگاهی به دست آمده ]55[، ]51[، نشان می دهند که در محدودۀ 7633نیروهای وارده در کارهای مهندسی، می توان از گسیختگی فیبرها در حین بارگذاری صرف نظرکرده و تنها لغزش فیبرها را در روابط و معیار گسیختگی خاک مسلح ارزیابی کرد ]53[.
در معیار استفاده شده در این مقاله، از گسیخته شدن فیبرها صرف نظر شده است. رابطۀ گسیختگی با استفاده از روش انرژی و با برابر قرار دادن میزان کار نیروی خارجی و میزان کار پلاستیک در حین لغزش فیبرها در تودۀ خاک به دست آمده است. معادلۀ )5( به عنوان معیار گسیختگی برای خاک مسلح در حالت توزیع ایزوتروپ فیبرها در خاک های دانه ای استفاده شده است ]53[:
R  p
243568711153

N tan w
  sin 3 )5(
cos  1 
210101266068

N   sin
  2 
109606146336

126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

که در آن، p تنش میانگین در دایرۀ موهر، R شعاع دایرۀ موهر و  تمرکز متوسط فیبرها5 است که بیان گر نسبت حجم فیبرها )Vr( به حجم کل )V(است:
V r
199334033177

V )2(
3212639847805

شکل فیبرها بهصورت استوانه ای فرض شده است و میزان لاغری2 آن ها بهوسیلۀ پارامتر نسبت ظاهری3 و بهصورتl / 2r تعریف می شود که در آن l طول و r شعاع فیبر است. هم چنین  زاویۀ اصطکاک داخلی خاک و w زاویۀ اصطکاک بین فیبر و خاک است. برای خاک غیرمسلح ،0 است و معادلۀ )5( به معیار موهر کولمب برای خاک دانه ای تبدیل می شود، R  psin.
میخالفسکی ]53[ زاویۀ اصطکاک معادل را برای خاک ماسه ای مسلح شده با فیبر )با توزیع ایزوتروپ فیبرها( بر اساس این معیار گسیختگی به صورت معادلۀ )3( پیشنهاد کرد:
23390839778

N tan w 
 arcsin sin 3 )3(

1. Average fiber concentration
.2 Slenderness
.3 Aspect ratio
معادلات تعادل تنش
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3667 ]

معادلات تعادل تنش برای خاک غیرایزوتروپ در حالت کرنش صفحه ای را قبلاقبلاً بوکر ودیویس ]59[ به دست آورده اند. اگر توده خاک، به صورت کرنش صفحه ای در نظر گرفته شود ،مجهولات تنش در تودۀ خاک مطابق شکل 5 برابر با z ،x و xz هستند.
شکل 3. مجهول های تنش


xz


z


x



m


+

x

z


1

xz



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید