نشریه زمین شناسی مهندسی، ویژه نامه دومین همایش لرزه خیزی البرز

مدل سازی عددی ارتعاشات زمین ناشی از عملیات
شمع کوبی ضربه ای با استفاده از روش المان محدود

آبتین فرشی همایون روز، امیر حمیدی، مجید پورجنابی؛ دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی
تاریخ: دریافت 3/2/22 پذیرش 81/8/29چكيده
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

کوبش متوالی چکش شمع کوب بر سر شمع پیش ساخته برای نصب شمع در زمیین راشمع کوبی ضربه ای می نامند. امروزه کاربرد وسیع روش شمع کوبی ضربه ای در اجرای پیی هیای عمیق )شمع ها( غیرقابل انکار است؛ به طوری که در میان منابع تولید کننده ارتعاشیا در زمیین،شمع کوبی متداول ترین منبع تولید کننده ارتعاشا ساخت و ساز است. ایین ارتعاشیا زمیین درحین شمع کوبی مهم ترین عامل محدود کننده بی ه کیارییری ایین روش اسیت، از ایین رو ، بیرایجلوییری از خرابی سازه ای و حفظ آرامش ساکنین پیش بینیی قابیل قبیول از دامنیۀ ارتعاشیا پیش از اجرای هر پروژه ضیروری اسیت . بیرای ایین منریور، بیی تردیید میدل سیازی عیددیسریع ترین، دقیق ترین و اقتصادی ترین یزینه است، اما تا به امیروز میدل سیازی رونید حیحی نصب شمع یکی از مشکلا احلی در مدل سازی عددی شمع کوبی بوده است. پژوهش حاضر تلاش دارد که با استفاده از نرم افزار اجزای محدود ABAQUS مدل سیازی عیددی عملییا شمع کوبی ضربه ای به طور موفقیت آمیز از سیح زمیین تیا عمیق دلخیواه بیدون در نرریییریفرضیا ساده کننده متداول محققان یذشته و با در نررییری جزئییا مشیابه کارهیای عملیی،تحابق بهتر ارتعاشا نسبت به نتایج عددی یذشته با نتایج ححرایی بر حسب حداکثر سیرعتذره )PPV( نتیجه یردد.
واژه هاي كليدي: شمع کوبی ضربه ای، ارتعاشا زمین ،ABAQUS ، مدل سازی عددی، حداکثر سرعت ذره
521
مقدمه
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

استفاده از روش شمع کوبی برای اجرای پی های عمیق )شمع ها( به دلیل مزایای تأمل برانگیز آن نسبت به روش های دیگر بسیار متداول است ]8[، از طرفی، منابع احلی تولید کنندۀ ارتعاشا در زمین شامل: انفجار ،شمع کوبی، تراکم دینامیکی، یودبرداری و تخریب است که از میان این منابع ،شمع کوبی ضربه ای که در آن شمع پیش ساخته است و با اعمال نیرو به شکل ضربه در خاک فرو می رود متداول ترین منبع تولید کنندۀ ارتعاشا ساخت و ساز است ]2[. ارتعاشا زمین در حین عملیا شمع کوبی غیرقابل اجتناب است و از آن جا که امروزه کارهای ساخت و ساز اغلب در مناطق شهری است و نگرانی های جامعه از اثرا زیست محیحی نیز افزایش یافته ،از این رو، نیاز مبرم به پیش بینی ارتعاشا پیش از اجرای عملیا را آشکار می سازد. برای این منرور استفاده از مدل سازی عددی سبب کاهش هزینه و زمان به میزان قابل توجه شده و جواب دقیق تری نیز در پی خواهد داشت. یکی از مشکلا عمده در مدل سازی عددی شمع کوبی، مدل سازی ححی روند نصب شمع است. در یذشته تقریباًتقریبا در تمام موارد شمع در سوراخی از پیش حفاری شده در خاک قرار یرفته و تنها جابه جایی کوچکی اعمال شده است. نقحه ضعف آشکار این روش آن است که اثر تنش که به واسحۀ نصب شمع تغییر می کند واض نیست و با واقعیت محابقت چندانی ندارد، زیرا که عملیا نفوذ شمع در خاک از سح زمین انجام نشده است. اخیرااخیراً تعداد معدودی مدل سازی عددی شمع کوبی به طور پیوسته از سح زمین یا از عمق مشخصی از خاک انجام یرفته است که سبب بهبود نتایج عددی برای تخمین ارتعاشا زمین شده است اما در نررییری فرضیا ساده کننده در آن ها سبب تحابق نداشتن قابل قبول با کارهای عملی شده است.
پژوهش ها در زمینه شمع کوبی و ارتعاشا حاحل از آن عمدتاعمدتاً از سال 82٩١ میلادی آغاز شد. بسیاری از پژوهش یران معرفی روش «تحلیل یک بعدی معادله موج» به وسیلۀ اسمیت8 )82٩١( را شروع تحول در دینامیک شمع می دانند. او در اواخر سال 82٩١ میلادی برای تحلیل فرآیند شمع کوبی از مدلی ساده عددی بدون نیاز به محاسبا پیچیدۀ ریاضی استفاده کرد. او در

1. Smith
این تحقیق مقاومت خاک در تمام طول شمع را با تعدادی فنر و میرایر موازی با آن مدل کردکه رفتار فنرها به حور الاستوپلاستیک کامل در نرر یرفته شده بود ]3[.
ویس8 در سال 82٩، نخستین تحقیقا برای تخمین میزان حداکثر سرعت ذرا خاک )2PPV، حداکثر سرعتی که یک ذره در طی ساخت و ساز تجربه می کند( را با استفاده از اندازه ییری های سرعت ذرا انجام داد. تمام این مقادیر از موارد ناشی شده از انفجار معادن به دست آمده بود که براساس آن رابحهای تجربی بر مبنای انرژی آزاد شده در اثر انفجار ارائه شده بود ]9[.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

بورجا3 )8211( فرآیند شمع کوبی را براساس تئوری یکبعدی موج با استفاده از روش اجزای محدود مدل کرد. او در این مقاله پیشنهاد کرد که منحنی نیروی ضربه-زمان ب هجای سرعت چکش لحاظ شود تا اندرکنش شمع- چکش در طی روند نصب شمع با واقعیت محابقت بیش تری داشته باشد. او تحلیل خود را روی مثالی فرضی انجام داد و متأسفانه هیچ مورد واقعی برای مقایسه نتایج عددی با نتایج واقعی فراهم نشد ]5[.
تانداوامورسی9 )2١١9( نتایج کوبش یک شمع لوله ای انتها بسته در درون خاک ماسه ای در کشور هند را یزارش کرد. کار او از این جهت حائز اهمیت است که تغییرا سرعت و شتاب سح زمین را برحسب عمق نفوذ شمع ثبت کرده است. او نشان داد که دامنۀ ارتعاشا سح زمین لزومالزوماً زمانی که نوک شمع بر سح زمین قرار یرفته بیشینۀ مقدار را دارا نیست. او هم چنین تاریخچۀ زمانی سرعت و شتاب سح زمین و فرکانس حاکم بر هر یک از آن ها را یزارش کرد و نشان داد که فرکانس ارتعاش زمین ناشی از کوبش شمع در محدودۀ فرکانس طبیعی ساختمان است و امکان وقوع پدیدۀ تشدید برای ساختمان های مجاور وجود دارد ]٩[.
شنگ5 و همکاران )2١١5( به مدل سازی عددی شمع کوبی با تکنیک مش بندی انحباقی لایرانژی-اویلری اختیاری در نرم افزار ABAQUS پرداخت. او در تحلیل المان محدود ،راندن شمع با انتهای تخت را ممکن ندانست و با بررسی زوایای مختلف نوک مخروطی شکل شمع نتیجه یرفت که درنررییری زاویه مخروط بیش از◦2١ سبب بروز خحا و نفوذ نداشتن به 521
درون خاک می شود و برای کم تر از ◦٩١ نیز نیاز به یام های زمانی خیلی زیاد است و منجر بهزمان بر شدن تحلیل ها می شود، از این رو، زاویۀ نوک مخروطی شکل شمع را ◦٩١ در نرر یرفت ]1[.
معصومی و همکاران )2١١2( به مدل سازی عددی شمع کوبی ضربه ای با استفاده از روش المان مرزی-المان محدود 8)FE-BE( وابسته غیرخحی پرداختند. آن ها با استفاده از نمودار نیرو-زمان اعمالی بر سر شمع حداکثر سرعت ذره نقاط واقع در سح زمین و اعماق خاک را زمانی که شمع فقط در سه عمق متفاو کاشته شده و ضربه اعمال می شود به دست آوردند و با نتایج ححرایی مقایسه کردند]1[.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

فرشی همایون روز و حمیدی )8329( در یام اول به یردآوری روابط متداول استفاده شده تا به امروز برای تخمین ارتعاشا و سپس ارزیابی این روابط پرداختند. در یام دوم مقادیر حداکثر سرعت مجاز ذره در استانداردهای معتبر جهان را برای ارتعاشا یذرا )که از منابعی مانند شمع کوبی، تراکم دینامیکی، انفجار و غیره حاحل می شود( برای جلوییری از خرابی سازه و پاسخ انسان )برای حفظ آسایش ساکنین( به طور جدایانه یردآوری کردند ]8[.
در این مقاله برای درک بهتر مسئله ابتدا به معرفی مراحل عملیا شمع کوبی ضربه ای و انتقال ارتعاشا به سازههای مجاور پرداخته شده و سپس با مدل سازی عددی عملیا شمع کوبی ضربه ای شمع بتنی مدور ته بسته در خاک رس ماسه دار در نرم افزار اجزای محدود ABAQUS نتایج با مقادیر ححرایی ححت سنجی شده و با نتایج یذشته عددی نیز مقایسه شده است. در پایان نتیجه ییری از مباحث محرح شده ارائه شده است.

مراحل انتقال ارتعاشات در عمليات شمع كوبی ضربه اي
بدیهی است که کوبش شمع ارتعاشا و جابه جاییهایی در خاک ایجاد می کند که بهدلیل پتانسیل بالای خرابی ناشی شده از ارتعاشا زمین در حین عملیا شمع کوبی به سبب نزدیکی به ساختمانهای مسکونی و خصوحا سازههای حساسی مانند: موزه، آزمایشگاه، کتابخانه، کارخانه ،تأسیسا برق ،تأسیسا بزریراه ها یا بیمارستان که اتاق عمل در آن بسیار حساس است اثرا

1. Finite Element-Boundary Element
نامحلوب و خسارا کوچک تا بزرگ بریشت ناپذیری به دنبال دارند، یا حتی در سحوحپایین تر موجب ناراحتی و شکایت ساکنین مجاور محل شمع کوبی شوند. بنابراین، ارتعاشا زمین در حین کوبش شمع مهم ترین عامل محدودکننده به کارییری این روش است، از این رو، برای جلوییری از آسیب های سازه ای و حفظ آسایش ساکنین در مجاور محل کوبش شمع لازم است قبل از اجرای هر پروژه، پیش بینی قابل قبولی از دامنه ارتعاشا زمین انجام ییرد.
بنابراین، درک این مسئله بسیار مهم است که تحت چه شرایحی ارتعاشا خرابی به بار می آورند و در چه شرایحی بی خحر هستند. از این رو دانستن زنجیرۀ کامل انتقال ارتعاشا در زمین به درک مسئله کمک شایانی می کند. محابق شکل 8، مراحل انتشار امواج در شمع کوبی ضربه ای را می توان به چهار بخش احلی تقسیم کرد:
5. كوبش شمع: انتشار موج در کلاهک شمع، سر شمع و درون شمع
اندركنش شمع-خاک: اندرکنش خاک به طور جدایانه با جداره شمع و پنجه شمع
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

انتشار امواج در خاک: انتقال ارتعاشا به لایه های خاک و آب زیرزمینی
اندركنش خاک-سازه: پاسخ دینامیکی پی ساختمان یا تونل و احتمال تقویت ارتعاشا در سازه
علیرغم اهمیت زیاد مراحل 2 و 9، متأسفانه تا به امروز در ارزیابی ارتعاشا حاحل از شمع کوبی اکثر تحقیقا تنها متمرکز بر مرحلۀ 8 و 3 بوده است و در تعداد معدودی مرحلۀ 9 نیز در نرریرفته شده است. در این تحقیق، هدف عمده بازتولید واقعی تر مرحلۀ 2 یعنی اندرکنش شمع-خاک از طریق مدل سازی عددی شمع کوبی پیوسته از سح زمین تا عمق دلخواه و با حذف فرضیا ساده کننده متداول تا به امروز است تا تحابق بهتر نتایج نهایی مدل سازی عددی با نتایج ححرایی حاحل شود.

مدل سازي عددي
در این مقاله، برای مدل سازی روند نصب شمع در زمین با روش شمع کوبی ضربه ای از روش اجزای محدود ABAQUS استفاده شده است. نرم افزار اجزای محدود ABAQUS 531

شكل 5. مراحل انتقال ارتعاشات از چكش به درون شمع، خاک اطراف و سازه هاي مجاور
بر اساس مسائل غیر خحی بنا نهاده شده و توانایی زیادی برای شبیه سازی جهان واقعی را دارد.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

این نرم افزار به کاربر توانایی مدل کردن پیچیدهترین پدیده ها را با در نرریرفتن اثرا بسیار ظریف آن ها می دهد، از این رو، برای مدل سازی عددی عملیا شمع کوبی ضربه ای در این تحقیق از نرم افزار اجزای محدود ABAQUS استفاده شده و به دلیل تقارن مسئله، محیط به حور دوبعدی و حالت تقارن محوری8 انتخاب شده است. محیط دارای دو درجۀ آزادی است )درجا آزادی انتقالی در راستای افقی و قائم(، برای شمع رفتار الاستیک و برای خاک رفتار الاستوپلاستیک موهر-کولمب استفاده شده است. برای تماس شمع با خاک رفتار مماسی و نرمال تعریف شده که برای رفتار مماسی سح مشترک خاک-شمع از مدل یسیختگی کولمب با امکان تغییرشکل بزرگ بین دو جسم توپر )لغزش شمع بر خاک( استفاده شده است. پارامترهای مفروض در این مدل سازی عددی همان مقادیر ححرایی ویس )8218( است که در پژوهش معصومی و همکاران )2١١2( نیز موجود است که در آن شمع بتنی مدور ته بسته است و زاویۀ نوک مخروطی شکل آن براساس توحیۀ شنگ و همکاران )2١١5( برابر °٩١ در نرر یرفته شده است و سایر مشخصا شمع محابق جدول 8 است. خاک محیط رس ماسه دار است و مشخصا آن نیز محابق جدول 2 است.
535جدول 5. مشخصات شمع براي مدل سازي عددي
دانسيته )3kg/m( مدول الاستيسيته )MPa( ضریب پوآسون طول )m( قطر )m( نوع شمع
2500 40000 0.25 10 m 0.5 m بتنی

جدول 2. مشخصات خاک براي مدل سازي عددي
دانسيته )3kg/m( مدول الاستيسيته )MPa( ضریب پوآسون زاویه اصطكاک داخلی )Deg( چسبندگی )kPa( نوع خاک
2000 80 0.4 25 15 رس ماسه دار
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

برای تماس دو سح با جنس متفاو )رس ماسه دار و بتن( و از عهدۀ تغییرشکل های بزرگ برآمدن که در طول فرآیند نفوذ شمع رخ می دهد یعنی لغزش این دو مصال مختلف از روش تماس پنالتی2 استفاده شد. این فرمولسازی براساس احل مستر-اسلاِسلِیوِیو3 موجود در آباکوس است که در این فرمولسازی هیچ المان تماسی استفاده نمی شود به طور که برای مسائل با تغییرشکل های بزرگ به خوبی مناسب است.
ضریب اححکاک میان شمع و خاک با توجه به نوع خاک که رس ماسه دار و جینس شیمع که بتنی است در محدوده 2/١ تا 9/١ است که در مدل سازی عیددی در ایین جیا برابیر 35/١ در نرر یرفته شده و برای میرایی خاک از میرایی رایلی با مقدار 1% استفاده شده است.
در کارهای دینامیکی شرایط مرزی اهمیت به سزایی دارد که در این جا برای مرز پایینپایینِ خاک ،عمق تا جایی ادامه پیدا کرده کیه ارتعاشا با میرایی خود خاک مستهلک شونید و ارتعاشیا در مرز پایین تقریباًتقریبا حفر یا ناچیز باشند و به محیط برنگردند ولی برای شرایط مرزی در سمت راست از مرزهای مصنوعی9 تعریف شده توسط لیو و کوئک جری5 )2١١3( استفاده شیده کیهدر این نوع از مرز محابق شکل 2 نواحی انتهایی مرز به چند ناحییه تقسییم میی شیوند و تمیاممشخصا این نواحی مشابه با خاک است به جز میرایی که باید به تدریج با حرکت به سمت مرز

1. Axisymmetric 2. Penalty contact method 3. Master-Slave 4. Artificial Boundary
5. Liu and Quek Jerry

532
افزایش یابد. در مدل سازی عددی در اینجا پنج ستون آخر المان ها در مرز راسیت میدل بیرایمرزهای مصنوعی است که میرایی آن ها به ترتیب 5/1، 8١، 5/82، 85 و 5/81 درحد اسیت . دو نکته بسیار مهم که باید در این روش رعایت شوند عبارتند از:
الف( میرایی به اندازه کافی باشد که اثر مرز در بازیشت امواج ناچیز یردد.
ب( میرایی به اندازه کافی تدریجی باشد تا امواج با ورود به ناحیه با میرایی متفاو بازنگردند.

1268732149348Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

شكل 2. تقسيم بندي نواحی مرزي در مرز مصنوعی
فرآیند کوبش شمع در این پژوهش به طور کامل و با درنررییری جزئیا مدل سازی شده است. بدین ترتیب که برای مدل سازی عددی عملیا شمع کوبی ابتدا تنش های اولیه در خاک و شمع ایجاد شدند و سپس محابق واقعیت شمع روی خاک قرار یرفته و در ابتدا به شمع 25/١ ثانیه زمان داده شده تا تحت وزن خودش در خاک نفوذ کند، سپس با اعمال ضربا متوالی چکش BSP 357 محابق شکل 3 ارائه شده به وسیلۀ دیکس8 و راندولف2 )8223( نیرو بر سر شمع وارد آمده و شمع به درون خاک رانده می شود ]88[. البته باید دقت شود که برای اعمال ضربه چکش شمع کوب در مدل سازی عددی ضروری است که نیرو به تنش تبدیل شود که از این رو مقدار تنش اعمالی بر سر شمع برابر 8١٩ ×13 /23 نیوتن بر متر مربع محاسبه شده است. زمان در نرریرفته شده برای هر ضربه نیز محابق کارهای عملی و مدل سازیهای عددی یذشته یک ثانیه است چون پس از آن ارتعاشا میرا شده و می توان ضربه بعدی را وارد کرد و ادغام ارتعاشا حور نمی ییرد.

1. Deeks 2. Randolph
533

شكل 3. نيروي چكش BSP 357 وارد بر سر شمع در عمليات شمع كوبی ضربه اي
1268732149348Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

مدل سازی شمع کوبی از سح زمین بدون استفاده از مش بندی انحباقی لایرانژی-اویلری اختیاری8 به دلیل اعوجاج شدید المان های خاک در تماس با شمع و ظاهر شدن خحا از سوی نرم افزار ممکن نیست. به عبارتی بهتر، بدون تخصیص این تکنیک برای خاک در تماس با شمع امکان کنار زدن خاک وجود ندارد. این قابلیت در نرم افزار آباکوس و فقط در روش حل از نوع حری 3 وجود دارد. بنابراین، از روش حل حری برای مدل سازی شمع کوبی استفاده شده که در این روش حل از روش انتگرال ییری تفاضل مرکزی استفاده می شود. محابق شکل 9، برای ناحیهای از خاک که امکان تغییرا پلاستیک وجود دارد یعنی تا فاحلۀ : D( 6D قحر شمع( از محور مرکزی شمع از مش بندی انحباقی لایرانژی-اویلری اختیاری بهره یرفته شد و برای خاک طول ٩١ متر در نرر یرفته شده که ١ 8متر از طول انتهایی مرز در سمت راست خاک 5 ستون انتهایی المان خاک در مرز راست محابق شکل 5 مربوط به شرایط مرزی از نوع مرزهای مصنوعی برای استهلاک انرژی امواج است. عمق در نرریرفته شده برای خاک نیز برابر 3١ متر است.
مش بندی خاک و شمع محابق شکل 5 است که المان های به کار رفته در این مش بندی از نوع چهار ضلعی چهاریرهی منرم، به حور تنش متقارن و از مرتبه هندسی خحی است
)CAX4R(. اندازه المان های شمع 5/١× 25/١ متر و به تعداد 2١ عدد است. اندازه المان های 534
خاک نیز به یونه ای است که در زیر شمع کوچک ترین مقدار است و با افزایش فاحله در طول )بی ه جیزناحیه مرزیِ راست( و هم در عمق افزایش می یابد. کوچکترین انیداز ۀ المیان خیاک 5/١× 2/١ متیر وبزرگ ترین 5 × 2 متر است و به تعداد 228٩ عدد المان است.
1268732149348Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

شكل 4. ابعاد خاک مسئله و ناحيه در نظر گرفته شده براي مش بندي انطباقیِ لاگرانژي-اویلري اختياري

شكل 1. مش بندي شمع و خاک براي عمليات شمع كوبی در نرم افزار ABAQUS
1268732149348Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید