پایان نامه شبیه سازی عددی رفتار خاک تحت تراکم دینامیکی

چکیده

تراکم دینامیکی یکی از روش­های بهسازی خاک­های سست می­باشد. در این روش با اعمال ضربات سنگین به سطح خاک میزان تراکم و در نتیجه ظرفیت باربری آن افزایش می­یابد. این امر از طریق انتقال انرژی به وسیله امواج صورت می­گیرد. تراکم دینامیکی یک روش تجربی بوده و برای هر محل بر اساس مشخصات زمین آن محل و امکانات در دسترس، مؤثرترین و اقتصادی ترین الگو انتخاب می­شود. با وجود کاربرد گسترده این روش اساس طراحی آن هنوز تجربی یا نیمه تجربی است و فرآیندهای درگیر در مسئله به طور کامل مشخص نشده است. بنابراین در این تحقیق جهت بررسی و تعیین الگوی بهینه عملیات تراکم دینامیکی، پروژه انجام گرفته در بندر بوشهر بصورت عددی شبیه سازی شده است.

در تحقیق حاضر، مدلسازی عملیات تراکم دینامیکی در خاک­های دانه­ای با استفاده از روش تفاضل محدود و نرم افزار FLAC^2D انجام شده است. با استفاده از فرض تقارن محوری تنها نیمی از توده خاک و کوبه به صورت دو بعدی مدل شده است. برای مدلسازی اثر ضربه به سطح خاک از تاریخچه زمانی تنش استفاده شده است. برای تحلیل تراکم دینامیکی خاک­ از مدل رفتاری موهر کولمب استفاده شده است.

نتایج نشست نهایی کوبه با نتایج اندازه­گیری شده در پروژه تراکم دینامیکی مجتمع کشتی سازی شهید محلاتی بندر بوشهر مورد مقایسه قرار گرفته است و تطابق خوبی بین مقادیر اندازه گیری شده و به دست آمده در مدل عددی وجود دارد. همچنین با مقایسه مقادیر چگالی نسبی نهایی در لایه روانگرا در منطقه و مدلسازی عددی، تطابق قابل قبولی بین این مقادیر مشاهده شد.

با استفاده از نتایج مدلسازی و پس از تعیین ماکزیمم کرنشهای ایجاد شده در مدل، می‌توان میزان بهسازی در اعماق مختلف را تخمین زد و مقادیر بهبود یافته هر یک از پارامترهای توده خاک را پیش بینی کرد. با انجام این تحلیل برای ضربات متوالی، می‌توان میزان تاثیر هر یک از ضربات را نیز در رسیدن به حدنهایی بهسازی و افزایش پارامترهای مهندسی توده خاک تعیین کرد و نیز تعداد ضربات لازم برای رسیدن به حد مطلوب بهسازی را تعیین کرد. همچنین با بررسی افزایش چگالی نسبی در عرض می­توان الگوی مناسب برای شبکه کوبش بدست آورد.

واژگان کلیدی: تراکم دینامیکی، مدلسازی عددی، روش تفاضل محدود

فهرست مطالب

فصل 1 مقدمه 1

1-1 مقدمه 2

فصل 2: مروری بر منابع 4

2-1 مقدمه 5

2-2 تاریخچه 5

2-3 مبانی تئوری تراکم دینامیکی 5

2-3-1 تئوری تراکم دینامیکی در خاکهای دانه­ای 8

2-3-2 تئوری تراکم دینامیکی در خاکهای ریز دانه 8

2-3-2-1 قابلیت تراکم 8

2-3-2-2 روانگرایی 8

2-3-2-3 نفوذ پذیری 9

2-3-2-4 بندش بازیافتی خاک 9

2-3-2-5 نمایش ترسیمی 10

2-4 کاربرد تراکم دینامیکی در خاکهای مختلف 10

2-5 واژگان 14

2-6 روش شناسی 15

2-7 نشست به وجود آمده در اثر کوبش 18

2-8 لرزشهای زمین 21

2-9 عمق مؤثر بهسازی 24

2-10 توزیع تنش در اثر ضربه 26

2-11 تراکم دینامیکی در نوشیرو ژاپن 32

فصل 3: روش تحقیق 34

3-1 مقدمه 35

3-2 روش تفاضل محدود 35

3-3 معرفی نرم افزار FLAC 36

3-4 مراحل محاسباتی برنامه FLAC 36

3-5 مراحل کلی مدلسازی در FLAC 37

3-5-1 انتخاب محدوده مناسبی از توده سنگ و خاک 37

3-5-2 انتخاب مدل رفتاری مناسب و تعیین پارامترهای آن 37

3-5-3 اعمال شرایط مرزی و تنش­های اولیه 38

3-5-4 حل مدل تا رسیدن به تعادل 38

3-5-5 ایجاد تغییرات در مدل 38

3-5-6 حل مجدد مدل 38

3-6 الگوریتم حل مدل در FLAC 40

3-7 مروری بر مطالعات عددی 41

3-7-1 پارن و رودریگز 41

3-7-2 پن و سلبی 41

3-7-3 گو و لی 42

3-8 شبیه سازی اثر برخورد کوبه با سطح زمین 42

3-8-1 مدلسازی برخورد با استفاده از تنش 42

3-8-2 مدلسازی برخورد با استفاده از فرمولاسیون تماس بین دو یا چند جسم 43

3-5-6 مدلسازی برخورد با در نظر گرفتن شرایط سرعت اولیه 43

3-9 ایجاد تغییرات در مدل 44

فصل 4: نتایج و تفسیر آنها 45

4-1 مقدمه 46

4-2 معرفی منطقه مورد مطالعه 46

4-2-1 موقعیت جغرافیایی 46

4-2-2 وضعیت ژئوتکنیکی 46

4-3 پروژه انجام شده در مجتمع شهید محلاتی بندر بوشهر 47

4-4 شبیه سازی عددی عملیات تراکم دینامیکی در مجتمع شهید محلاتی بندر بوشهر 49

4-4-1 شبکه مش بندی در روش تفاضل محدود 49

4-4-2 پارامترهای استفاده شده برای مدلسازی 49

4-5 بررسی تطبیقی نتایج شبیه سازی و پروژه انجام شده 50

4-5-1 عمق چاله ایجاد شده 52

4-2-1 چگالی نسبی 54

4-6 تعداد ضربه بهینه جهت فرآیند تراکم 55

4-7 گسترش افقی ناحیه متراکم شده 56

4-8 عوامل ژئومکانیکی مؤثر بر تراکم دینامیکی 57

4-8-1 جرم و ارتفاع سقوط کوبه 57

4-8-2 سطح مقطع کوبه 59

4-8 بررسی تنش قائم 61

فصل 5: جمع‌بندی و پیشنهادها 63

5-1 مقدمه 64

5-2 جمع بندی 64

5-3 نتیجه گیری 65

5-4 پیشنهادات 65

مراجع 66

پیوست‌ها 70

فهرست شکل ها

شکل (2-1) تنش برشی عامل تراکم در خاکهای دانه­ای 6

شکل (2-2) نحوه انتشار امواج در محیط در اثر بارگذاری دینامیکی ناشی از ضربه 7

شکل (2-3) امواج برشی، تراکمی و سطحی ایجاد شده در اثر تراکم دینامیکی 7

شکل (2-4) مقایسه تئوری تراکم تحکیم دینامیکی و کلاسیک 11

شکل (2-5) روشهای مختلف بهسازی در ارتباط با اندازه ذرات 11

شکل (2-6) روشهای مختلف بهسازی مکانیکی در ارتباط با اندازه ذرات 12

شکل (2-7) کاربرد تراکم دینامیکی برای بهسازی گروه­های مختلف خاک 13

شکل (2-8) محدوده مناسب تراکم دینامیکی در ارتباط با حد روانی و شاخص خمیری 14

شکل (2-9) هیستوگرام تراز انرژی در واحد سطح برای پرژه­های تراکم دینامیکی 16

شکل (2-10) ارتباط بین وزنه و ارتفاع سقوط وزنه 17

شکل (2-11) جرثقیل سه پایه طراحی شده توسط منارد 17

شکل (2-12) عمق حفرات ایجاد شده در برابر سقوط وزنه 18

شکل (2-13) نسبت عمق حفرات به ریشه دوم انرژی سقوط در برابر تعداد سقوط وزنه 18

شکل (2-14) نشست ایجاد شده در برابر شدت انرژی اعمال شده 19

شکل (2-15) نشست ایجاد شده به وسیله تراکم دینامیکی 21

شکل (2-16) حداکثر سرعت ذره­ای خاک در اثر تراکم دینامیکی 22

شکل (2-17) رابطه بین حداکثر سرعت ذره­ای و فاکتور بدون بعد انرژی 23

شکل (2-18) ارتباط بین عمق مؤثر بهسازی و ریشه دوم انرژی سقوط 25

شکل (2-19) رابطه بین عمق مؤثر بهسازی و ریشه دوم انرژی سقوط 26

شکل (2-20) نفوذ وزنه در اثر ضربه 27

شکل (2-21) تغییرات نیرو، شتاب و سرعت با زمان 28

شکل (2-22) تغییرات شتاب کند شونده وزنه در اثر برخورد به زمین با گذشت زمان 28

شکل (2-23) رابطه بین ماکزیمم شتاب و ارتفاع سقوط کوبه 30

شکل (2-24) ارتباط بین ارتفاع سقوط و پارامتر m/A در شتابهای کندشونده مختلف 30

شکل (2-25) ارتباط بین تداوم ضربه و جرم واحد سطح وزنه 31

شکل (2-26) پروفیل آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد قبل و بعد از کوبش در پروژه نوشیرو 33

شکل (2-27) عمق حفره ایجاد شده در برابر تعداد دفعات سقوط در پروژه نوشیرو 33

شکل (3-1) روند عمومی مراحل محاسباتی در برنامه FLAC 37

شکل (3-2) الگوریتم حل مدل 40

شکل (4-1) پروفیل زیر سطحی همراه با نتایج نفوذ مخروط در منطقه آزمایشی دوم 47

شکل (4-2) شبکه کوبش و محل آزمایشهای نفوذ مخروط 48

شکل (4-3) هندسه و نحوه المان بندی مدل ساخته شده 49

شکل (4-4) تاریخچه زمانی تنش استفاده شده برای معرفی وزنه 50

شکل (4-5) جابجایی قائم ایجاد شده در اثر ضربه اول 51

شکل (4-6) جابجایی ایجاد شده در اثر ضربه دوم 51

شکل (4-7) تغییر مکان در برابر زمان 52

شکل (4-8) مقایسه نتایج محاسبه شده برای عمق چاله و نتایج اندازه گیری شده 53

شکل (4-9) نمودار جابجایی در برابر زمان تا عمق 10 متری 53

شکل (4-10) تغییرات چگالی در برابر تعداد ضربات در عمق 8/7 متری 54

شکل (4-11) توزیع تغییر مکان افقی در برابر عمق 55

شکل (4-12) جابجایی افقی در برابر تعداد ضربات در عمق 8/7 متری 56

شکل (4-13) تغییر شکل افقی در عمق بعد از ضربه 47 ام 56

شکل (4-14) تغییرات چگالی در فواصل افقی از محور تقارن 57

شکل (4-15) تغییرات عمق چاله ایجاد شده برای جرمهای مختلف کوبه 58

شکل (4-16) تغییرات عمق چاله ایجاد شده برای ارتفاع­های سقوط مختلف 59

شکل (4-17) عمق چاله ایجاد شده برای سطح مقطع­های مختلف 59

شکل (4-18) تغییرات در شبکه تفاضل محدود پس از ضربه با سطوح تماس مختلف 60

شکل (4-19) تغییرات تنش قائم در محل ضربه در برابر زمان 61

شکل (4-20) تغییرات تنش قائم در فواصل افقی از محور تقارن 61

شکل (4-21) تغییرات تنش قائم در عمق پس از ضربات اول و دوم 62

فهرست جدول ها

جدول (2-1) مناسب بودن مصالح برای کاربرد تراکم دینامیکی با توجه اندازه ذرات 13

جدول (2-2) انرژی سقوط و فشار حدی قبل و بعد از بهسازی 20

جدول (2-3) حداکثر سرعت ذره­ای خاک با توجه به نوع آسیب رسانی 23

جدول (2-4) مقدار n با توجه به درجه اشباع و نوع خاک 24

جدول (2-5) مقادیر n که توسط محققین مختلف ارائه شده 24

جدول (3-1) مدلهای رفتاری مختلف به کار رفته در نرم افزار FLAC 39

جدول (4-1) شرایط ژئوتکنیکی منطقه آزمایشی دوم 48

جدول (4-2) پارامترهای فیزیکی مصالح زیرسطحی منطقه آزمایشی دوم 50

جدول (4-3) عمق چاله ایجاد شده برای ارتفاع سقوط و جرم کوبه متفاوت در یک انرژی ثابت 59

فصل 1

مقدمه

1-1- بهسازی خاک

به طور کلی برای استقرار سازه­ها در زمین­های ضعیف می­توان از سه روش انتقال بار به لایه­های مقاوم در اعماق زمین به وسیله پی­های عمیق، جابجایی و جایگزینی مصالح مرغوب و بهبود مقاومت خاک به وسیله روش­های بهسازی استفاده نمود.

با توجه به اینکه ساختگاه بعضی سازه ها زمینهای سست با مقاومت و ظرفیت باربری پایین می­باشد لذا بحث مقاوم سازی سازه با شرایط محل، جابجایی مصالح سست و جایگزین کردن مصالح مناسب بجای آن و یا اصلاح خاک در محل مطرح می­شود. در سالیان اخیر گسترش چشمگیری در زمینه کاربرد روشهای مختلف بهسازی برای حل مشکلات مربوط به پی سازی در زمینهای سست صورت گرفته است، این گسترش به دلیل احتیاج بشر به زمین و روی آوردن به احیاء زمینهای نامناسب از نظر خصوصیات مهندسی خاک و یا موقعیت مناسب زمین جهت احداث سازه مورد نظر بوده است.

اهداف بهسازی زمین توسط هاوسمن[1] به شرح زیر بیان شده است[7]:

• افزایش مقاومت خاک؛
• کاهش شکل پذیری خاک در اثر بارگذاری (افزایش مدول تنش کرنش خاک)؛
• کاهش تراکم پذیری خاک؛
• کنترل تورم و انقباض خاک؛
• کنترل نفوذپذیری خاک؛
• کاهش پتانسیل روانگرایی خاک؛
• کاهش تغییر و تنوع پذیری مصالح خاکریزی شده و یا خاک برجا (همگن کردن مصالح زیر پی)
• پیشگیری از تغییرات شیمیایی یا فیزیکی زیان آور به دلیل شرایط محیطی؛

ون ایمپ[2] و همکاران (1993) روشهای مختلف بهسازی زمین را مطابق جدول (2-1) ارائه نمودند [7].

جدول (2-1) روشهای مختلف بهسازی زمین

روشهای بهسازی دائم خاک با افزودن موادی به خاک	روشهای بهسازی دائم خاک بدون اضافه کردن موادی به خاک	روشهای بهسازی موقت خاک
ستونهای ماسه­ای یا شنی ستونهای آهکی جایگزینی خاک پیش بارگذاری با زهکش قائم تقویت زمین تزریق	تراکم سطحی کوبش سنگین تراکم انفجاری تراکم عمیق با لوله ارتعاشی بهسازی حرارتی خاک	پایین آوردن تراز آب زیرزمینی انجماد خاک الکترواسمز

گامبین[3] (1993) روشهای مختلف بهسازی عمیق را بصورت زیر تقسیم­بندی نمود [8]:

1- روشهای فیزیکی : این روش شامل بهسازی حرارتی و انجماد خاک می­باشد.

2- روشهای شیمیایی : این روش شامل تزریق سیلیکات، مواد پلیمری و تبدل یونی است.

3- روشهای مکانیکی : – روشهای استاتیکی نظیر پیش بارگذاری

– روشهای دینامیکی نظیر تراکم دینامیکی، تراکم ارتعاشی و تراکم انفجاری

4- روشهای هیدرولیکی : پایین آوردن تراز آب زیرزمینی و الکترواسمز از این دسته اند.

5- تقویت زمین : متراکم کردن زمین با شمع کوبی و استفاده از ستونهای ماسه ای و شنی از این دسته اند.

6-روشهای ترکیبی : از دو یا چند روش بطور همزمان استفاده می­شود.

اسمولتزی[4] (1983) روشهای مختلف تراکم عمیق را بصورت زیر تقسیم بندی کرد [7]:

1- بارگذاری دینامیکی

این روش شامل شناورسازی ارتعاشی، تراکم دینامیکی و انفجاری است.

2- بارگذاری استاتیکی

این روش شامل پیش بارگذاری است.

بنجت[5] (1990) روشهای تراکم عمیق را به سه دسته تقسیم نمود [8]:

1- روشهای ارتعاشی : این روش شامل شناورسازی ارتعاشی، تراکم ارتعاشی، انفجاری و دینامیکی است.

2- روشهای جایگزینی : این روش شامل استفاده از ستونهای ماسه ای،شنی، تزریق و شمع کوبی است.

3- روش پیش بارگذاری:

انتخاب روش مناسب جهت بهسازی خاک به عوامل زیر وابسته است [8] :

• نوع و درجه بهسازی مورد نیاز با توجه به سازه ای که احداث می­شود؛
• نوع خاک و شرایط ژئوتکنیکی منطقه؛
• ارزش و اهمیت طرح و هزینه­هایی که برای بهسازی درنظر گرفته شده است؛
• بررسی احتمال بروز خطر به سازه­های مجاور و یا آلودگی محیط زیست با توجه به روشی که انتخاب شده است؛
• تأثیر خاک و آب زیرزمینی بر مصالحی که جهت بهسازی زمین، اضافه شده اند؛

اعتبار و دقت روشی که مورد استفاده قرار گرفته است.

و......