تحقیق رفتار پرده های سپر فلزی ساحلی در مقابل خاک های روان شده



رفتار پرده های سپر فلزی ساحلی در مقابل خاکهای روان شده

چکیده
پدیده روانگرایی در بسیاری از زمین لرزه های عظیم به ویژه در ساختگاه های دارای خاک های ماسه ای نامتراکم مشاهده شده و صدمات فراوانی به سازه های موجود روی این زمین وارد آورده است. از جمله سازه های اسیب پذیر در اثر ارتعاشات دینامیکی و به دنبال آن روانگرایی خاک ها، دیوارهای ساحلی موجود در کناره دریاها و رودخانه ها بوده که هم خاک اطراف آنها اشباع است و هم اغلب نامتراکم بوده و شرایط روان شدن برای آنها فراهم است. این دیوارها در دو نوع کلی وزنی و انعطاف پذیر (عمدتافلزی) ساخته می شوند. در این مقاله عملکرد نوع انعطاف پذیر با استفاده نرم افزار PLAXIS بررسی شده است. رفتار ماسه های نامتراکم در شرایط زهکشی نشده، نرم شوندگی کرنشی است. نتایج تحلیل ها حاکی از آن می باشد که با افزایش زاویه اصطکاک داخلی لایه نامتراکم، گیردار کردن سپر در لایه متراکم، کاهش حداکثر دامنه شتاب ارتعاش دینامیکی، کاهش مدت زمان ارتعاش دینامیکی، افزایش ضخامت سپر، کاهش ارتفاع آب جلوی سپر، کاهش فاصله بندی مهارها در راستای ارج از صفحه، و کاهش عمق جای گیری مهارها کلمات کلیدی: دیوار ساحلی- پرده سپر فلزی- روانگرایی- فشار هیدرودینامیکی- تحلیل عددی
1-مقدمه
دیوارهای ساحلی در دو نوع کلی وزنی و انعطاف پذیر ساخته می شوند که امکان پهلوگیری و تکیه کشتی ها و احتمالا مهار آنها و در ضمن نگهبانی از خاکریز پشت دیوار در شرایط حداکثر رقوم اب را فراهم می کنند. پرده های سپر فلزی که 70 تت 80 درصد دیوارهای انعطاف پذیر را شامل می شوند، می توانند به آرامی تغییر شکل دهند. نکاتی که در طراحی این نوع از سازه های نگهبان وجود دارد، اندکی از دیوارهای وزنی پیچیده تر است. پرده های سپر فلزی را در دو نوع با مهار و بدون مهار احداث می کنند و مهاربندی آنها به شیوه های مختلف انجام می پذیرد.
روانگرایی زمین های ساحلی، خرابی فراوانی پرده های سپر فلزی موجود در این محل ها وارد ساخته است. در این موارد، کارایی این سازه ها به علت نشست و تغیر مکان بیش از حد، از بین می رود و شالوده سازه های روزمینی و زیرزمینی نزدیک ساحل بر اثر تغییر شکل و گسیختگی جریانی زمین، تخریب می گردند.
در زمین لرزه های Puerto Montt (شیلی- 1960) Niigata (ژاپن- 1964) و Akita (ژاپن-1983) دیوارهای ساحلی که عمدتا از جنس سپر فلزی بودند، درجات مختلف خرابی شامل چرخش و تغییر مکان افقی را تجربه کردند.
پژوهشگران مختلف، تحلیل های عددی و آزمون های آزمایشگاهی متعددی (ازمون های مدلی میز لرزه و سانتریفوژ) را به منظور بررسی عملکرد سپرها در مقابل روانگرایی خاک صورت داده اند. در این مقاله، رفتار پرده های سپر فلزی هنگام روانگرایی خاک اطراف و پی دیوار با استفاده از نرم افزار PLAXIS مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است.
2-فرضیات تحلیل
محدوده در نظر گرفته شده برای تحلیل سپرها برای 200 متر طول، 40 متر عمق در مرز راست و مرز چپ با عمق متغیر می باشد. داخل کل محدوده 2 تا 3 لایه خاک ت تعریف می شود. پرده سپر فلزی در فاصله 50 متری از مرز سمت چپ قرار دارد و ارتفاع آن در بررسی ها، متغیر است. در تعدادی از تحلیل ها، سپرها مهار شده اند. نوع مهارها، با انتهای ثابت (که یکی از دو پیش فرض PLAXIS می باشد) فرض شده است. در شکل 1، هندسه کلی مربوط به محدوده تحلیلی سپرهای فلزی آمده است.
با توجه به ویژگیهای پرده های سپر فلزی، نوع تحلیل ها، کرنش صفحه ای در نظر گرفته شده که برای سازه های با سطح مقطع و وضعیت تنش کمابیش یکنواخت در راستای عمود بر سطح استفاده می گردد. ازدیدگاه دیگر با توجه به ارتباط مستقیم روانگرایی با تغییرات فشار آب حفره ای، نوع تحلیل ها تنش موثر است و چون مدت زمان رخداد زلزله کوتاه بوده و بررسی ها فقط در این بازه زمانی محدود انجام می پذرند و رفتارهای پس از زلزله مدنظر نبوده است، تحلیل ها در شرایط زهکشی نشده انجام شده اند.
برای شبکه بندی محیط خاکی، از المان های مثلثی 15 گرهی (که ماتریس سختی را در 12 نقطه محاسبه می کنند)و برای پرده های سپر فلزی با توجه به ضخامت اندک و نفوذناپذیری آنها، ازالمان های تیری 5 گرهی بهره گرفته شده است.
از آنجا که در برنامه PLAXIS نمی توان محیط آب

شکل 1-هندسه مدل تحلیلی پرده های سپر فلزی ساحلی (بدون مقیاس)

را به صورت جداگانه (همچون لایه های خاک) تعریف کرد و فشارهای هیدرواستاتیکی تنها با تعریف تراز آب مشخص می شوند. فشار هیدرودینامیکی وارد از طرف آب بر دیوار ساحلی را با استفاده از رهیافت وسترگارد (1933)، برای مدل تعریف می کنیم. رابطه 1 برای محاسبه اضافه فشار دینامیکی آب جلوی دیوار به علت زلزله برای عمق Y از تراز آب ارائه شده است:
(1)
که h عمق آب جلوی دیوار، وزن مخصوص آب، شتاب افقی زلزله و g شتاب ثقل است.
پیش فرض گیرداری استاندارد در PLAXIS در حالت تحلیل کرنش صفحه ای به مرزهای قائم موجود در طرفین مدل، قید افقی و به مرز افقی موجود در پایین ترین تراز مدل، قید افقی و قائم می دهد. همچنین دو مرز چپ و راست جاذب انرژی هستند. زلزله با اعمال یک شتاب مشخص در مرز پایینی، مدل می شود.
در تحلیل های این مقاله، بارگذاری دینامیکی یا به صورت موج سینوسی بوده یا شتاب نگاشت زلزله طبس (1987) مورد استفاده قرار گرفته است. در شکل 2 این شتاب نگاشت با مدت زمان 10 ثانیه ارائه شده است.

ماسه های شل تحت شرایط زهکشی نشده رفتار نرم شوندگی کرنشی از خود نشان می دهند. مدل Soft Soil موجود در PLAXIS (بنا بر راهنمای نرم افزار) برای خاک های رسی و آلی مناسب است و برای ماسه های با درجه تراکم مختلف، این نرم افزارها مدل Hardening Soil را پیشنهاد کرده که برخلاف نامش، رفتار نرم شوندگی ماسه ها را نیز مدنظر قرار می دهد. براساس توصیه نرم افزار، برای ماسه های شل زاویه اتساع منحنی و کوچک در نظر گرفته شده است. المان تیر (سپر) با مدل رفتاری الاستوپلاستیک مدل می شود.
شبکه بندی محدوده مربوط به پرده های سپر فلزی به صورت Medium بوده و شبکه اطراف المان تیر، دو مرتبه ریزتر در نظر گرفته شد. نمونه ای از شبکه اجزاء محدود تولید شده توسط برنامه در شکل 3 آمده است.
در مدل های کرنش صفحه ای، در نظر گرفتن میرابی به منظور دستیابی به جواب های واقعی لازمست. ریلی رابطه 2 را برای محاسبه میرایی ارائه کرده است:
(2)
که [K] , [M] , [C] به ترتیب ماتریس های میرابی، جرم و سختی هستند. مشابه با تحلیل های افراد دیگر مقادیر برای برقراری رابطه بالا به کار گرفته شده است.

شکل 3-نمونه ای از شبکه اجزاء محدود تولید شده توسط برنامه برای تحلیل پرده های سپر فلزی
در جدول های (1) الی (8) نقاط B , A به ترتیب در بالاترین و پایین ترین قسمت پپر قرار گرفته اند. تغییر مکان افقی مثبت به معنای حرکت سپر به سمت آب می باشد. مقدار منفی برای تغییر مکان قائم به معنای حرکت نقطه B به سمت بالا است. به علاوه شماره تحلیل (1 تا 9) به ترتیب مربوط به بررسی تاثیر زاویه اصطکاک خاک، گیرداری سپر، دامنه شتاب ارتعاش، مدت زمان ارتعاش، ضخامت سپر، موقعیت تراز آب جوی سپر، فاصله بندی مهارها در راستای خارج از صفحه، سطح مقطع مهارها و عمق جایگیری مهارها روی عملکرد سپرها هنگام روانگرایی خاک اطراف روی تغییر مکان های نقاط B , A می باشند. تنها در سه تحلیل آخر از مهار استفاده شده است. نتایج این تحلیل ها به صورت منحنی های تغییر پارامترهای مذکور در مقابل تغییر مکان های بال و پایین سپر در اشکال (4) الی (12) رسم شده است.

3-جدول های ویژگی های مصالح (خاک-سازه)، بارهای دینامیکی، شکل ها و نمودارها

شکل 12-تاثیر عمق جایگیری مهارها (یک سرگیردار) بر تغییر مکان هنای قائم و افقی بالاترین نقطه (A) و پایین ترین نقطه (B) سپر فلزی
4-تفسیر کلی نتایج
سختی یک سیستم سپر و خاک، به سختی خاک و سپر بستگی دارد. سختی خاک به فشار محصور کننده موثر و سطح کرنش وابسته است. به طور کلی، سختی ماسه با کاهش فشار محصورکننده موثر یا افزایش کرنش برشی، کاهش می یابد. افزایش فشارهای منفذی، دلیل اصلی تقلیل سختی خاک در یک زمین لرزه است. وقتی یک سازه خاکی تحت تاثیر لرزش پایه قرار می گیرد، تنش های برشی سیکلی از طریق خاک انتقال یافته و کرنش های برشی را افزایش خواهند داد که منجر به کاهش سختی خاک می شود. این کاهش در صورت اشباع بودن خاک ماسه ای اطراف دیوار جدی تر می گردد. بالا رفتن فشار منفذی اضافی بر اثر بارگذاری دوره ای (سیکلی) در شرایطی که قابلیت تغییر حجم برای اک فراهم نباشد، فشار محصورکننده موثر و مقاومت برشی خاک را کاهش می دهد. کاهش سختی خاک و به تبع آن سختی سیستم سپر و خاک، باعث افزایش تغییر مکان سپر فلزی می گردد.
همان گونه که در نتایج تحلیل ها ملاحظه شد، افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک اطراف دیوار، افزایش طول گیرداری سپر در لایه متراکم و کاهش تراز آب جلوی سپر، عواملی بودند که سختی سیستم سپر و خاک شامل سپر را افزایش می دهند. این مضوع باعث می شود در صورت ارتعاش و ازدیاد فشارهای منفذی، مقاومت مجموعه در برابر کاهش سختی بیشتر باشد. علاوه بر خاک، خود دیوار نیز نقش قابل ملاحظه ای در پاسخ به ارتعاشات دینامیکی بازی می کند. پایداری لرزه ای یک دیوار ساحلی انعطاف پذیر با

افزایش ضخامت سپر، به کارگیری مهار و در حالت اخیر کاهش فاصله بندی مهارها در راستای خارج از صفحه، کاهش عمق جایگیری مهارها و افزایش طح مقطع مهارها، افزایش می یابد.
دو عامل بیرونی که مورد بررسی قرار گرفتند، حداکثر شتاب زمین لرزه و مدت زمان رخداد آن هستند. با افزایش شتاب، نیروهای دینامیکی بزرگتری به دیوار وارد می شوند. به علاوه با فرض ثابت ماندن زمان ارتعاش، کرنش های برشی سیکلی بزرگتری تولید می شوند که روان شدن خاک را تسریع کرده و پیرو آن با ازدیاد نیروهای وارد بر دیوار، تغییر مکان های انتقالی و دورانی افزایش می یابند. از دیگر سو، هرچه مدت زمان وقوع یک ارتعاش بیشتر باشد فرصت طولانی تری برای روان شدن خاک فراهم است و پس از روان شدن، مدت زمان بیشتری در این حالت باقی خواهد ماند، در نتیجه نیروهای وارد به دیوار به میزان بیشتری افزایش می یابند و دیوار زمان بیشتری تحت تاثیر آنها قرار خواهد گرفت.
در هنگام زمین لرزه، نیروی افقی کل، روی سپرهای ساحلی شامل فشار محرک دینامیکی خاک اطراف، فشار مقاوم دینامیکی خاک اطراف، فشار هیدرواستاتیکی آب جلوی سپر و تغییرات آن تحت عنوان فشار هیدرودینامیکی آب، نیروی اینرسی ناشی از وزن دیوار (که در مورد سپرها قابل چشم پوشی است) و نیروی مهار می باشد. از دیدگاه تعادل حدی، دلایل اصلی خرابی وارد به پرده های سپر فلزی ساحلی پس از یک زلزله و روان شدن خاک اطراف آن (که به صورت تغییر مکان های انتقالی و دورانی جلوه میکند) عبارتست از:
افزایش فشار محرک عمل کننده در پشت دیوار
کاهش فشار مقاوم جلوی دیوار
تولید مفاصل پلاستیک در سپر یا مهار آن
مود حرکتی پرده های سپر فلزی به صورت چرخش است. پس از روانگرایی، خاک پشت دیوار نشست قابل ملاحظه ای خواهد کرد.
5-نتیجه گیری
از مجموع مطالب گردآوری شده و تحلیل های صورت یافته، نتایج زیر به دست یم آید:
-با افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک نامتراکم اطراف. روانگرایی خاک دیرتر اتفاق افتاده و تغییر مکان های سپر کاهش می یابد.
-گیردار کردن سپر در یک لایه متراکم باعث می شود حجم کمتری از خاک دچار روانگرایی شده و در نتیجه تغییر مکان های سپر کاهش یابد.
-با افزایش دامنه ارتعاش شتاب دینامیکی، پدیده روانگرایی سریع تر رخ می دهد و تغیر مکان های سپر بیشتر می شود.
-زیاد شدن مدت زمان ارتعاش دینامیکی موجب می شود مهلت خاک برای روان شدن بیشتر شده و در نتیجه، سپر تغییر مکان های بیشتری را تجربه کند.
-با افزایش ضخامت سپر، سختی خمشی ان بالا می رود و مفاصل پلاستیک که یامد تشکیل آنها، تغییر شکل های ماندگار است، دیرتر ایجاد می گردند.
-هرچه ارتفاع تراز آب مقابل سپر بالاتر باشد، حجم خاک بیشتری در پشت آن اشباع شده و دارای قابلیت روانگرای می شود که حاصل آن، جابجایی های بزرگتر سپر خواهد بود.
-افزایش فاصله بندی مهارها در راستای خارج از صفه، سختی جانبی سیستم سپر مهار را افزوده و تغییر مکان های بزرگ آن را پس از روان شدن خاک اطراف محدودتر می کند.
-ازدیاد سطح مقطع مهارها، سختی محوری آنها را افزایش داده و مهارها را در برابر رانش خاک اطراف مقاوم تر می کند.
-با مدفون کردن مهارها در اعماق پایین تر (در صورتی که انتهای آن گیردار باشد) نقاطی از سپر که تمایل به تغییر مکان های بیشتر دارند، آزادی عمل بیشتری یافته و پس از روان شدن خاک اطراف، جابجایی سپر بیشتر خواهد شد.
در مجموع، هر عاملی که سختی اولیه سیستم سپر و خاک را افزایش دهد، باعث کاهش سرعت افزایش فشار اب حفره ای می شود، در نتیجه از تغییر مکان های سپر کاسته می گردد. در اثر روانگرایی خاک و گسترش ان، تغییر مکان دیوار افزایش بسیار قابل ملاحظه ای نسبت به حالتی که روانگرایی به وقوع نپیوندد نشان خواهد داد.
پس از روانگرایی خاک اطراف، مورد غالب حرکت سپر فلزی چرخش، به سمت دریا خواهد بود.

با تشکر از
همراهی صمیمانه شما

11
پایدار سازی و تثبیت خاک زیر پی

1