na
ضریب محل اثر نیرو (بهدستآمده از هندسه دیوار)
ضریب محل اثر نیرو (بهدستآمده از توزیع تنش جانبی)
فشار قائم خاک
فشار افقی خاک
برآیند فشار جانبی وارد بر دیوار
فصل اول:
کلیات پژوهش
۱-۱- مقدمه
وجود هرگونه سازه در داخل تودهی زمین باعث تغییر در توزیع تنش[۱] در محل شده و انتظار میرود که این تغییر نیرو بر سازه تأثیر بگذارد. علاوه بر این زمین واقع در مجاورت یک سازه می تواند تا حد زیادی ظرفیت باربری آن را در مقایسه با سازهی مشابه غیرهمدفون افزایش دهد. در طراحی سازه هایی از قبیل تونلها، گودالها، مجاری آبهای زیرزمینی و غیره نمی توانند از آیین نامه های موجود برای سازه هایی که بر روی زمین احداث میشوند، تبعیت کنند. سه عامل اصلی برای تصمیم گیری اینکه چه سطح از تنش تغییر می کند (مک نالتی[۲]، ۱۹۶۵): خواص فیزیکی سازه، رفتار بار-تغییرشکل سازه، خواص زمین اطراف سازه به خصوص قابلیت انتقال نیروها میتوان اشاره کرد. این روند که باعث می شود، 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.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
۱-۱-۱-پیشینه تحقیق
پدیده قوسی[۳] حدود ۱۵۰ 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 ۱۸۰۰ مهندسان نیروی نظامی فرانسه اقدام به طراحی مخزن سیلو نمودند (فلد[۴]، ۱۹۴۸). آنها یافتند که قسمت انتهایی سیلو فقط بخشی از وزن کل مصالح بالای آن را حمل می کند 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 می شود 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 ۱۸۰۰ این دانش از رفتار در مخزن سیلوها در طراحی سیلوها برای مصالح دانهای و سایر مصالح ذرهای به کار برده شد. در محدوده سال ۱۹۱۰ پروژه مهم زهکشی زمین در میدوست جریان یافت (اسپانگلر و هندی[۵]، ۱۹۷۳). مهندسان یافتند که بسیاری از لولههای زهکش پس از نسب و ریختن خاک، دچار شکست شده اند. 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 می کند؛ که این تغییر به پدیده قوسی نسبت داده شد. در سال ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ اهمیت آرچینگ در اطراف تونلها شناخته شد؛ که این از آزمایشات متعددی که حتی امروزه نیز مورد استفاده قرار میگیرد حصول گردید (سزچی[۶]، ۱۹۹۶). در ۱۹۳۶ ترزاقی با انجام آزمایشهایی تئوری آرچینگ را مطرح کرد. در سال ۱۹۶۰ 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 می شود، بهره برد؛ که اغلب این تحقیقات را سیمپسون در سال ۱۹۶۴ در زمینه اندرکنش خاک-سازه ارائه داد. امروز با گذشت بیش از ۵۰ 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 ۱۳۸۹ 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.
۱-۱-۲- پدیده قوسی (Arching)
عمومیترین تعریف قابلقبول برای پدیده قوسی توسط ترزاقی[۷] (۱۹۴۳) ارائه گردید، بهطور خلاصه اگر قسمتی از دریچهی صلب تودهی خاک رو به پایین حرکت کند شکل (۱-۶)، خاک مجاور، با توجه به باقیمانده از توده خاک، حرکت میکند. این حرکت با بهره گرفتن از تنشهای برشی که باعث کاهش فشار در قسمت پایین آمدهی دریچه و افزایش فشار در اطراف قسمت صلب می شود، مقاومت می کند. این تئوری پدیده قوسی میباشد و این اغلب زمانی اتفاق میافتد که یک قسمت از دریچه نسبت به قسمت های مجاور پایینتر باشد. بسته به حرکتهای مرتبط سازه و زمین اطراف میتوان پدیده قوسی را به دو حالت محرک و مقاوم مجزا نمود. شکل (۱-۱) آرچینگ محرک[۸] را نشان میدهد (که در بعضی موارد آرچینگ مثبت خوانده می شود). 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 ۲-۱)). تنشها بر روی سازه کمتر از تنشهای ژئواستاتیک میباشد، در صورتی که تنش در خاک اطراف سازه بزرگتر است. شکل (۳-۱) آرچینگ مقاوم[۹] را نشان میدهد (که اغلب بهعنوان آرچینگ منفی شناخته می شود). 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 می شود (شکل (۴-۱)).
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 می شود توزیع تنش پیچیدهتر شود. بازتوزیع تنش ناشی از جابجاییهای مرتبط رفتاری است که اغلب در هر دو خاک درشتدانه و چسبنده مشاهده می شود. ولی بقاع این بازتوزیع بههرحال برای این دو نوع خاک یکسان نیست. در خاکهای ریزدانه پدیده خزش سبب می شود تنشها در طول زمان کاهشیافته و اغلب بزرگی آن نزدیک به وزن بیشبارگذاری شود (پک[۱۰]، ۱۹۶۹). پروسه کاهش تنش مشابهی نیز می تواند 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 ۱۵ درصد است (اسپانگر و هندی ۱۹۷۳). ازنقطهنظر طراحی، کاهش بار مفید طولانیمدت به دلیل پدیده قوسی می تواند تنها در خاکهای دانهای پیشبینی شود.
شکل ۱-۱: آرچینگ محرک
شکل ۲-۱: تراکمپذیر بودن سازه نسبت خاک
شکل ۳-۱: آرچینگ مقاوم
شکل ۴-۱: تراکمپذیر بودن خاک نسبت سازه
۱-۱-۳- تونل
پوشش تونل[۱۱] هرگز در معرض مقدار باری که توسط تنش اولیه حاکم بر زمین پیشبینیشده، قرار نمیگیرد. خوشبختانه مقدار تنش اولیه با تغییرشکل زمین که به هنگام حفاری و اغلب پس از نسب و راه اندازی 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 می شود، بلکه مسئله اصلی این است که چه رابطهای بین فشار و تغییرشکل وجود دارد.
ترزاقی از تئوری فوقالذکر در طراحی تونل استفاده کرد (ترزاقی ۱۹۴۳). 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 می کند. ناحیه تسلیم در اطراف تونل و منشور تسلیم در شکل (۱-۵-a) نشان داده شده است. در سطح بام تونل، عرض نوار تسلیم ( ) برای تونلهای مستطیلی برابر است با:
(۱-۱)
اگر بام تونل در عمق D قرار گیرد، تنش قائم در بام برابر است با:
(۱-۲)
شکل (۱-۵-b) نشان دهنده تنش قائم در خاک بالای تونل میباشد.
اگر تونل در عمق بزرگی از سطح زمین قرار گیرد، اثرات آرچینگ نمیتواند از ارتفاع خاص در بالای سقف تونل فراتر رود (همانند در شکل (۱-۶)). شکل (۱-۷-a) موقعیت تونل در یک عمق بزرگ را نشان میدهد. تنش قائم در سقف برابر است با:
(۱-۳)
زمانی که بسیار بزرگ باشد، تنش عمودی به مقدار زیر محدود می شود:
(۱-۴)
اگر تونل در ماسه ساخته شود، مقدار چسبندگی ( ) برابر میباشد؛ بنابراین در جهت اطمینان، در نظر گرفتهشده و رابطه (۱-۴) بهصورت زیر سادهسازی می شود:
[دوشنبه 1400-09-29] [ 11:59:00 ق.ظ ]
|