بررسی آزمایشگاهی و عددی پدیده قوسی خاک |
وجود هرگونه سازه در داخل تودهی زمین باعث تغییر در توزیع تنش در محل شده و انتظار میرود که این تغییر نیرو بر سازه تأثیر بگذارد. علاوه بر این زمین واقع در مجاورت یک سازه میتواند تا حد زیادی ظرفیت باربری آن را در مقایسه با سازهی مشابه غیرهمدفون افزایش دهد. در طراحی سازههایی از قبیل تونلها، گودالها، مجاری آبهای زیرزمینی و غیره نمیتوانند از آییننامههای موجود برای سازههایی که بر روی زمین احداث میشوند، تبعیت کنند. سه عامل اصلی برای تصمیمگیری اینکه چه سطح از تنش تغییر میکند (مک نالتی، 1965): خواص فیزیکی سازه، رفتار بار-تغییرشکل سازه، خواص زمین اطراف سازه بهخصوص قابلیت انتقال نیروها میتوان اشاره کرد. این روند که باعث میشود، 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.
1-1-1- پیشینه تحقیق
پدیده قوسی حدود 150 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 1800 مهندسان نیروی نظامی فرانسه اقدام به طراحی مخزن سیلو نمودند (فلد، 1948). آنها یافتند که قسمت انتهایی سیلو فقط بخشی از وزن کل مصالح بالای آن را حمل میکند 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 میشود 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 1800 این دانش از رفتار در مخزن سیلوها در طراحی سیلوها برای مصالح دانهای و سایر مصالح ذرهای به کار برده شد. در محدودهی سال 1910 پروژه مهم زهکشی زمین در میدوست جریان یافت (اسپانگلر و هندی، 1973). مهندسان یافتند که بسیاری از لولههای زهکش پس از نسب و ریختن خاک، دچار شکست شدهاند. 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 میکند؛ که این تغییر به پدیده قوسی نسبت داده شد. در سال 1920 تا 1930 اهمیت آرچینگ در اطراف تونلها شناخته شد؛ که این از آزمایشات متعددی که حتی امروزه نیز مورد استفاده قرار میگیرد حصول گردید (سزچی، 1996). در 1936 ترزاقی با انجام آزمایشهایی تئوری آرچینگ را مطرح کرد. در سال 1960 زمانی که وزارت دفاع آمریکا حمایت قابلتوجهی از تحقیقات در زمینه اندرکنش خاک-سازه کرد. تکنیکهایی برای طراحی سختتر استحکامات نظامی نیاز شد
خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir
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 میشود، بهره برد؛ که اغلب این تحقیقات را سیمپسون در سال 1964 در زمینه اندرکنش خاک-سازه ارائه داد. امروز با گذشت بیش از 50 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 1389 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.
2-1-1- پدیده قوسی (Arching)
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 میشود توزیع تنش پیچیدهتر شود. بازتوزیع تنش ناشی از جابجاییهای مرتبط رفتاری است که اغلب در هر دو خاک درشتدانه و چسبنده مشاهده میشود. ولی بقاع این بازتوزیع بههرحال برای این دو نوع خاک یکسان نیست. در خاکهای ریزدانه پدیده خزش سبب میشود تنشها در طول زمان کاهشیافته و اغلب بزرگی آن نزدیک به وزن بیشبارگذاری شود (پک، 1969). پروسه کاهش تنش مشابهی نیز میتواند 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 15 درصد است (اسپانگر و هندی 1973). ازنقطهنظر طراحی، کاهش بار مفید طولانیمدت به دلیل پدیده قوسی میتواند تنها در خاکهای دانهای پیشبینی شود.
3-1-1- تونل
ترزاقی از تئوری فوقالذکر در طراحی تونل استفاده کرد (ترزاقی 1943). 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 میکند. ناحیه تسلیم در اطراف تونل و منشور تسلیم در شکل (1-5-a) نشان داده شده است. در سطح بام تونل، عرض نوار تسلیم ( ) برای تونلهای مستطیلی برابر است با.
شکل (1-5-b) نشان دهنده تنش قائم در خاک بالای تونل میباشد.
[1] Tunnel
[1] Terzaghi
[2] Active Arching
[3] Passive Arching
2 Peck
[1] Arching
[2] Feld
[3] Spangler and Hendy
[4] Szechy
[1] stress distribution
[2] McNulty
فرم در حال بارگذاری ...
[شنبه 1400-05-16] [ 01:34:00 ب.ظ ]
|