پایان نامه کارشناسی ارشد
در مهندسی ژئوتکنیک–کاربرد مدل هذلولوی اصلاح شده برای پیش بینی رفتار مکانیکی خاکهای غیر اشباع
استاد راهنما
دکتر قاسم حبیب آگهی
اساتید مشاور
دکتر ارسلان قهرمانی- دکتر نادر هاتف- دکتر مجتبی جهان اندیش
شهریور 1390
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
مکانیک خاک کلاسیک، خاک را کاملاً خشک یا اشباع فرض می کند؛ اما امروزه روشن است که رفتار مکانیکی خاکها تابع درصد رطوبت متغیر آنها است. در طول چند دههی گذشته، مدلهای رفتاری بسیاری که با عنوان مدلهای «خاکهای غیر اشباع» شناخته می شوند ابداع شده اند تا این وابستگی را توضیح دهند. یکی از این مدلها، مدل هذلولوی اصلاح شده است که با توسعهی مدل ساده و پر کاربرد هذلولوی و به دنبال دو مجموعه مطالعات آزمایشگاهی بر روی رفتار تغییر حجم خاکهای رمبنده، و رفتار برشی خاکهای غیر اشباع در برش ساده، در دانشگاه شیراز معرفی شده است. در این پایان نامه، پس از مروری بر تاریخچهی مطالعات مدلهای رفتاری خاکهای غیر اشباع، به معرفی و بررسی کامل تر این مدل پرداخته شده است. در ادامه، کد اجزای محدود CRISP معرفی شده و نحوهی اعمال مدل هذلولوی اصلاح شده در آن شرح داده شده است. همچنین پیشپردازنده و پسپردازندهی تهیه شده برای این کد نیز معرفی شدهاند. در قسمت پایانی، کاربرد کد تکمیل شده برای بررسی مسائل خاکهای غیر اشباع با بهره گرفتن از مدل هذلولوی اصلاح شده از طریق تحلیل اجزای محدود نشان داده شده است.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده أ
فهرست مطالب ب
فهرست جدولها ه
فهرست شکلها و
1 مقدمه 1
1-1 کلیات 1
1-2 اهداف تحقیق 2
1-3 شمای کلی تحقیقات و ترتیب ادامهی مطالب 3
2 مروری بر تحقیقات انجام شده 5
2-1 مقدمه 5
2-2 مدلهای الاستوپلاستیک 7
2-2-1 مدلهای الاستوپلاستیک که از تنش خالص استفاده می کنند 7
2-2-2 مدلهای الاستوپلاستیک که از سایر متغیرهای تنش استفاده می کنند 11
2-3 جستجو برای مدلهای کاربردی 17
3 مدل هذلولوی اصلاح شده 18
3-1 مقدمه 18
3-2 رابطه ضریب حجمی 19
3-2-1 مطالعات آزمایشگاهی 19
3-2-2 رابطه هذلولوی پیشنهادی 20
3-3 رابطه ضریب برشی 25
3-3-1 مطالعات آزمایشگاهی 25
3-3-2 رابطه هذلولوی پیشنهادی 27
3-4 رابطه کلی مدل هذلولوی اصلاح شده 29
4 نرم افزار تهیه شده 31
4-1 مقدمه 31
4-2 نرم افزار CRISP 31
4-2-1 خلاصهای از تواناییهای نرم افزار CRISP 32
4-2-2 انواع المانها 33
4-2-3 روشهای حل 35
4-2-4 کنترل تعادل 36
4-2-5 حلکننده فرانتال 37
4-2-6 ساختار CRISP 37
4-3 نحوهی اعمال مدل هذلولوی اصلاح شده در کد CRISP 38
4-3-1 زیربرنامهی DMHYP 41
4-4 پیشپردازنده 43
4-5 پسپردازنده 50
5 نتایج تحلیل به وسیلهی نرم افزار 54
5-1 ارزیابی صحت نتایج 54
5-1-1 مقایسه مدل هذلولوی اصلاح شده با مدل الاستیک خطی 54
5-1-2 مقایسه نتایج به دست آمده از نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی 59
5-2 کاربرد نرم افزار در به دست آوردن نشست پی در درصدهای رطوبت مختلف خاک 62
6 نتایج و پیشنهادها 72
6-1 نتایج 72
6-2 پیشنهادها 73
مراجع 75
پیوست 1-کد برنامهی پیشپردازنده 80
پیوست 2-کد برنامهی پسپردازنده 100
فهرست جدولها
عنوان و شماره صفحه
جدول 5-1: ضرایب مدل هذلولوی اصلاح شده استفاده شده در تحلیل نشست پی 56
جدول 5-2: نشست پی با بهره گرفتن از مدل هذلولوی اصلاح شده در یک گام 56 جدول 5-3: نشست پی با بهره گرفتن از مدل الاستیک خطی 56
جدول 5-4: مقایسه میزان نشست به دست آمده با بهره گرفتن از مدل های هذلولوی اصلاح شده و الاستیک خطی 57 جدول 5-5: ضرایب مدل هذلولوی اصلاح شده استفاده شده در تحلیل تغییر حجم 60 جدول 5-6: ضرایب مدل هذلولوی اصلاح شده استفاده شده در تحلیل تغییرات نشست پی با درصد رطوبت 62
جدول 5-7: مقادیر حداکثر تنش و جا به جایی در رطوبت های مختلف خاک 63
فهرست شکلها
عنوان و شماره صفحه
شکل 2-1: سطح تسلیم سه بعدی مدل بارسلونا 8
شکل 2-2: خطوط تسلیم مدل بارسلونا در صفحه p-s 8
شکل 3-1: جزئیات پایه دستگاه سه محوری استفاده شده برای آزمایشهای ضریب حجمی 20
شکل 3-2: نمایش نتایج آزمایش بر اساس روابط هذلولوی 22
شکل 3-3: تغییرات ضریب حجمی اولیه با درصد رطوبت 23
شکل 3-4: سطح حالت هذلولوی 24
شکل 3-5: جزئیات دستگاه آزمایش برش ساده برای خاکهای غیر اشباع 25
شکل 3-6: نمودار معادلهی هذلولوی رفتار برشی 28
شکل 3-7: راست: تغییرات Gmax در برابر درصد رطوبت برای مقادیر مختلف تنش خالص محصور کننده. چپ: تغییرات Gmax در برابر تنش خالص محصور کننده برای مقادیر مختلف درصد رطوبت 29
شکل 3-8: تغییرات Gmax با درصد رطوبت و تنش خالص محصور کننده 29
شکل 4-1: انواع مختلف المانها 34
شکل 4-2: ساختار CRISP 37
شکل 4-3: ارتباط زیربرنامه های CRISP با یکدیگر 39
شکل 4-4: صفحه اول برنامه پیشپردازنده 45
شکل 4-5: صفحه دوم برنامه پیشپردازنده 46
شکل 4-6: صفحه شبکه بندی برنامه پیشپردازنده 47
شکل 4-7: نمایش شبکه تغییر شکل یافته در برنامه پسپردازنده 52
شکل 4-8: نمایش خطوط تراز در برنامه پسپردازنده 53
شکل 5-1: شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل نشست پی 55
شکل 5-2: تغییر شکل شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل نشست پی با بزرگنمایی 10 برابر 57
شکل 5-3: مقایسه میزان نشست پی در مدل الاستیک خطی با مدل هذلولوی اصلاح شده در تعداد متفاوت گامهای بارگذاری 58
شکل 5-4: میزان نشست نقطهی وسط پی در تعداد گامهای متفاوت بارگذاری در مدل هذلولوی اصلاح شده 58
شکل 5-5: شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل تغییر حجم 59
شکل 5-6: تغییر شکل شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل تغییر حجم با بزرگنمایی 10 برابر 60
شکل 5-7: مقایسه نتایج به دست آمده از مدل هذلولوی اصلاح شده با نتایج آزمایشگاهی
برای نمونه با رطوبت 12 درصد 60
شکل 5-8: مقایسه نتایج به دست آمده از مدل هذلولوی اصلاح شده با نتایج آزمایشگاهی
برای نمونه با رطوبت 14 درصد اشباع شده در تنش همه جانبه kPa 600 61
شکل 5-9: شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل نشست پی در درصد رطوبت های مختلف 63
شکل 5-10: توزیع تنشها در زیر پی در رطوبت 001/0 درصد 64
شکل 5-11: توزیع جابهجاییها در زیر پی در رطوبت 001/0 درصد 65
شکل 5-12: توزیع تنشها در زیر پی در رطوبت 12 درصد 66
شکل 5-13: توزیع جابهجاییها در زیر پی در رطوبت 12 درصد 67
شکل 5-14: توزیع تنشها در زیر پی در رطوبت 8/24 درصد 68
شکل 5-15: توزیع جابهجاییها در زیر پی در رطوبت 8/24 درصد 69
شکل 5-16: میزان نشست پی در درصدهای رطوبت مختلف 70
1- مقدمه
1-1- کلیات
خاکهایی که بخشی از حفرات آنها با آب پر شده است اغلب با نام خاکهای «غیر اشباع» شناخته میشوند. باید به این نکته توجه داشت که همهی خاکها میتوانند غیر اشباع باشند. غیر اشباع بودن اشاره به یک حالت خاص خاک دارد، نه یک نوع خاک به خصوص. بعضی خاکها ممکن است رفتار تغییر حجم، مقاومتی یا هیدرولیکی خاصی را در زمان غیر اشباع بودن نشان دهند. در این خاکها تغییر در درجه اشباع ممکن است سبب تغییرات جدی در حجم، مقاومت برشی یا خصوصیات هیدرولیکی شود. با این وجود، رفتار خاص تغییر حجم، مقاومتی و هیدرولیکی در حالت غیر اشباع تنها نشان دهندهی نوعی غیر پیوسته بودن رفتار خاک است و بنابراین باید در یک چارچوب کلی که دربردارندهی حالت اشباع کامل نیز باشد به آن نگریسته شود. به عبارت دیگر، یک مدل رفتاری خاک باید بیان کننده رفتار خاک در کل دامنهی تغییرات احتمالی فشار آب حفرهای و تنش باشد و اجازهی طی کردن مسیرهای تنش و هیدرولیکی مختلف را در این دامنه بدهد.
اصول مکانیک خاک بیش تر برای خاک در حالت اشباع بیان شدهاند. تعمیم این اصول به حالت غیر اشباع نیاز به در نظر گرفتن دقیق این مسائل بنیادی دارد:
1- تغییرات حجم مرتبط با تغییرات مکش یا درجه اشباع
2- تغییرات مقاومت برشی مرتبط با تغییرات مکش یا درجه اشباع
3- تغییرات رفتار هیدرولیکی مرتبط با تغییرات مکش یا درجه اشباع
خاکها میتوانند دچار تغییر حجمهای شدید در اثر تغییرات درجه اشباع یا مکش شوند. بعضی خاکها در اثر تر شدن متورم میشوند، بعضی فرو میریزند و بعضی هر دو رفتار را بسته به سطح تنش نشان میدهند. تغییرات حجم شدید در اثر تغییرات درجه اشباع میتواند منجر به وارد شدن خسارت به پی و سازهی بناها شود. مقاومت برشی خاک نیز می تواند شدیداً با تغییرات درجه اشباع تغییر کند، که یک پدیده مخرب مرتبط با آن ناپایداری شیبها و رانش زمین در اثر بارندگی است. خاکهای غیر اشباع هم چنین رفتار هیدرولیکی جالب توجهی دارند که تأثیرات زیادی در مفاهیم طراحی سامانههای پوشش و دفع پسماندهای مختلف صنعتی و شهری داشته است. این مسائل بنیادی در واقع مهم ترین مسائل مورد بحث در مکانیک خاکهای غیر اشباع و کاربردهای مهندسی آن هستند.
مدل سازی رفتاری خاکهای غیر اشباع اصولاً شامل تعمیم مدلهای رفتاری حالت اشباع به حالت غیر اشباع، با در نظر گرفتن موارد مطروحهی پیشین است. نخستین گام در این زمینه توسط آلونسو[1] و همکاران (1990) برداشته شد و از آن زمان تا کنون تحقیقات بسیار زیادی در این زمینه انجام شده است.
1-2- اهداف تحقیق
قرار داشتن اکثر مناطق کشور در محدوده آب و هوایی گرم و خشک، مواجههی مهندسین عمران با مسائل خاص خاکهای غیر اشباع را ناگزیر میسازد. هم چنین وجود بسیاری از شهرها و روستاها در مناطق دامنهای و عبور جادهها و خطوط لوله و انتقال برق از مناطق کوهستانی که آنها را در معرض خطر احتمالی رانش زمین ناشی از بارندگی قرار میدهد، ضرورت مطالعه خواص مکانیکی خاک در درصدهای رطوبت مختلف را نشان میدهد.
امروزه رایج ترین و عملی ترین راه برای تحلیلهای ژئوتکنیکی استفاده از روشهای عددی و نرم افزارهای تهیه شده بر اساس آنهاست. اکثر نرم افزارهایی که به صورت تجاری موجودند مدلهای رفتاری مختلف برای خاک در حالت اشباع را پوشش میدهند، ولی به مدلهای رفتاری برای حالت غیر اشباع خاک کم تر پرداخته شده است. از این روست که نیاز به وجود نرم افزاری که قادر به تحلیل خاک در درجههای اشباع مختلف باشد احساس میشود.
سابقهی استفادهی گسترده و طولانی مدت و هم چنین دقت مناسب در شبیه سازی رفتار خاک با وجود سادگی نسبی، مدل هذلولوی را به مدلی قابل اطمینان و پرکاربرد برای مهندسین تبدیل کرده است. در گذشته در دانشگاه شیراز تحقیقات مختلفی برای توسعهی این مدل جهت مدل سازی خاکهای غیر اشباع انجام شده است، اما تا کنون نرم افزاری برای تحلیل خاک با بهره گرفتن از مدل هذلولوی اصلاح ارائه نشده است تا کامل کننده این تحقیقات باشد و آنها را کاربردی سازد.
موارد گفته شده انگیزهی انجام این پژوهش را مشخص میسازند. هدف اصلی از انجام این تحقیق، تهیه یک نرم افزار اجزای محدود است که قادر به تحلیل تنش-کرنش خاک در درصدهای رطوبت مختلف با بهره گرفتن از مدل هذلولوی[2] اصلاح شده باشد. این نرم افزار علاوه بر آن که حلقهی تکمیل کننده زنجیرهی تحقیقات در زمینه مدل هذلولوی اصلاح شده است و آنها را کاربردی خواهد ساخت، تأمین کننده نیاز مهندسین کشور به نرم افزاری جهت تحلیل خاکهای غیر اشباع نیز خواهد بود.
1-3- شمای کلی تحقیقات و ترتیب ادامهی مطالب
در فصل دوم تاریخچهی مختصری از مطالعات خاک های غیر اشباع بیان شده است. فصل سوم مدل رفتاری استفاده شده در این پایان نامه، یعنی مدل هذلولوی اصلاح شده را شرح می دهد و به بیان نحوهی به دست آمدن روابط آن می پردازد. فصل چهارم به بررسی نرم افزار مورد استفاده در این پایان نامه اختصاص یافته و نحوهی اضافه کردن مدل هذلولوی اصلاح شده و تغییرات اعمال شده در آن تشریح شده است. نتایج به دست آمده از تحلیل به وسیلهی نرم افزار در فصل پنجم آمده اند و بر روی آن ها بحث شده است. فصل ششم آخرین فصل است که شامل نتایج و پیشنهادها می باشد.
2- مروری بر تحقیقات انجام شده
2-1- مقدمه
مطالعات خاکهای غیراشباع تاریخچهای طولانی اما تا حدودی غیریکنواخت دارد. تأثیر مکش بر روی رفتار خاک های غیراشباع زمانی نسبتاً طولانی است که شناخته شده است (به عنوان نمونه کرونی[3] (1952)). در اواخر دهههای 1950 و 1960 کارهای آزمایشگاهی زیادی (به عنوان مثال بیشاپ[4] و همکاران (1960) و بیشاپ و بلایت[5] (1963)) انجام شد که در آنها عموماً نتایج آزمایشها بر حسب عباراتی از تنش مؤثر خاکهای غیراشباع، که به تازگی معرفی شده بود، بیان میشدند. به دنبال این دوره وقفهای نسبی در مطالعات اساسی رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع پیش آمد که احتمالاً علت اصلی آن عدم توفیق ظاهری تنش مؤثر پیشنهادی برای این حالت خاک بوده است. در طول آن دوره، گرایش بیشتر به سمت قرار دادن خاکهای غیراشباع همراه با دیگر مصالح در دستههایی که به عنوان «خاکهای مسألهدار[6]»، «خاکهای محلی»، «خاک های خاص» یا نامهای مشابه دیگر شناخته میشدند بود.
برای قرار دادن مطالعه خاکهای غیراشباع در مسیری مناسب، نیاز اساسی به تشخیص این نکته وجود داشت که هر خاکی می تواند غیراشباع باشد، و بنابراین، دلیلی وجود ندارد که یک رویکرد اساسی که برای خاکهای اشباع موفق بوده است نتواند برای این حالت خاک استفاده شود. اساساً مورد خاصی در خصوص خاکهای غیراشباع وجود ندارد جز این مسأله ساده که بخشی از فضای حفرات توسط هوا (یا دیگر سیالات غیر ترکننده) اشغال شده است. به جای در نظر گرفتن خاکهای غیراشباع به عنوان گروهی جداگانه از مصالح، باید پیوستگی کامل با رفتار خاکهای اشباع که اکنون به درک درستی از آن رسیده ایم وجود داشته باشد. قدمهای مهمی در این زمینه با در نظر گرفتن دو متغیر تنش[7] به صورت جداگانه در تعریف سطوح حالت[8] برداشته شد، ایدهای که اولین نشانه های آن در کارهای بیشاپ و بلایت (1963) و کولمن[9] (1962) دیده میشود. استفاده از سطوح حالت توسط ماتیاس و رداکریشنا[10] (1968) مطرح شد و توجیه تئوری و آزمایشگاهی استفاده از دو متغیر تنش مستقل توسط فردلاند و مورگنسترن[11] (1977) و فردلاند و راجاردو[12] (1993) تحکیم و توسعهی بیشتری پیدا کرد. شواهد مفهومی بیشتری برای متغیرهای تنش مناسب توسط تارانتینو[13] و همکاران (2000) ارائه شده است.
حداقل از دههی 1980 مطالعه خاکهای غیراشباع مجدداً مورد توجه خاص قرار گرفته که منجر به حجم بسیار زیادی مطالعات نظری، بررسیهای آزمایشگاهی، ابداع روشهای کنترل مکش و اندازه گیری آن و به میزان کمتر کاربردهای عملی شده است. یک ابزار اساسی برای سازماندهی کردن اطلاعات به دست آمده از این مطالعات گسترده ارائه مدلهای رفتاری است که بتوانند در حد قابل قبولی مهمترین جنبه های رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع را شبیهسازی کنند. با مرتفع کردن محدودیتهای رویکرد سطح حالت، الاستوپلاستیسیته نشان داده است که می تواند چارچوب بسیار موفقی برای ارائه مدلهای رفتاری مناسب برای خاکهای غیراشباع باشد. قواعد الاستوپلاستیسیته در هستهی روابط کلی همبستهای قرار میگیرند که برای این مصالح ارائه شده اند و شامل تغییر شکلهای مکانیکی، جریان گازها، جریان مایعات و اغلب جنبه های تغییر دما هستند (به عنوان نمونه کارهای گوین[14] و همکاران (1995)، خلیلی و لره[15] (2001)، اولیویلا[16] و همکاران (1994) و توماس و هی[17] (1995)).
2-2- مدلهای الاستوپلاستیک
2-2-1- مدلهای الاستوپلاستیک که از تنش خالص و مکش استفاده می کنند
یکی از اولین مدلهای الاستوپلاستیک برای بیان رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع توسط آلونسو[18] و همکاران (1990) ارائه شده است. روابط این مدل بر اساس تنش خالص[19] ( ) و مکش[20] ( ) به عنوان متغیرهای اساسی ارائه شدهاند. تنشهای کل[21]، فشار هوا، فشار آب و دلتای کرونیکر[22] هستند. مکش که به صورت تعریف شده است را می توان مکش ناشی از موئینگی (مکش ساختاری[23]) نامید ولی عملاً انواع دیگر مکش را نیز می توان در نظر گرفت. این مدل، که با برخی تغییرات جزئی به نام مدل پایه بارسلونا[24] (BBM) شناخته میشود، به طور خلاصه در شکل 2-1 نشان داده شده است. در این شکل یک سطح تسلیم سه بعدی در فضای p-q-s دیده میشود. p تنش خالص متوسط و q، ( ) است. در حالت اشباع (s=0)، سطح تسلیم همان بیضی کم-کلی اصلاح شده[25] (MCC) است و اندازه دامنهی الاستیک با افزایش مکش افزایش مییابد. آهنگ این افزایش که با منحنی بارگذاری-رمبش[26] نشان داده میشود یکی از خصوصیات اساسی این مدل است.
[1] Alonso
[2] hyperbolic
[3] Croney
[4] Bishop
[5] Blight
[6] problematic soils
[7] stress variable
[8] state surface
[9] Coleman
[10] Matyas & Radhakrishna
[11] Fredlund & Morgenstern
[12] Rahardjo
[13] Tarantino
[14] Gawin
[15] Khalili & Loret
[16] Olivella
[17] Thomas & He
[18] Alonso
[19] net stress
[20] suction
[21] total stress
[22] Kronecker’s delta
[23] matric suction
[24] Barcelona Basic Model
[25] Modified Cam-Clay
[26] loading-collapse (LC)
ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است
متن کامل را می توانید دانلود نمائید
