در نهایت اینگونه گزارش نمودند که استفاده از این تکنیک جهت مقاوم سازی خاک، روش بسیار اقتصادی جهت دستیابی به نتایج بهینه از تسلیح خاک میباشد ]۳۶[.
فصل سوم
مدلسازی نرمافزاری و آزمایشگاهی
۳-۱ مقدمه
در هر مسئله مرتبط با مقاومت مصالح، اولین و مهمترین مرحله جهت مدل سازی دقیق رفتار پدیده، دستیابی به یک رفتار آزمایشگاهی مشخص و سپس یافتن و ارائه یک مدل مناسب است به گونه ای که بطور همزمان علاوهبر دقت کافی، پاسخگوی کلیه نیازها جهت پیش بینی رفتار ماده نیز باشد. خاک به دلیل خصوصیات ذاتی که ناشی از طبیعی بودن آن است، در مقایسه با مصالح دست دست بشر، از این حیث دارای پیچیدگیهای خاص خود میباشد]۳۷[.
Geostudio-Sigma یک نرمافزار مهندسی المان محدود با قابلیت مدلسازی الاستوپلاستیک میباشد که توانایی تحلیل و محاسبه تنش و تغییر شکل سازههای خاکی پیچیدهای که امکان محاسبه دستی آنها وجود ندارد را داراست و می تواند به خوبی نشان دهد که آیا سازه مورد نظر قابلیت تحمل بار وارد شده را دارد و یا دچار شکست می شود. در پژوهش حاضر از نرمافزار مذکور برای تحلیل و بررسی تأثیر استفاده ازالمانهای قائم فولادی کوبیده شده در خاک زیر و اطراف پی سطحی استفاده شده است. اساس کلی کار با نرمافزار در این تحقیق بدین ترتیب است که بعد از تعریف المانهای مربوط به خاک و المانهای فولادی، محیط هندسی مورد نظر مدل گردید و پس از اختصاص پارامترها به قسمت های مربوطه، بارگذاری بر روی مدل ساخته شده صورت گرفت. عکس العمل سیستم خاک- پی با تغییر پارامترهای قطر (D)، طول (L) و فاصله مرکز به مرکز المان های فولادی (S)، میزان فاصله المانهای فولادی اطراف از بر پی ®، ابعاد پی (B) و بزرگی بار اعمالی (P)، از لحاظ ظرفیت باربری و نشست زیر پی از نتایج نرم افزار استخراج گردید.
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
۳-۲ تعریف مدل رفتاری
یک مدل در واقع رابطه ریاضی است که برای نشان دادن رفتار مصالح بهکار برده می شود. هر مدل شامل یک سری ثابتها و تعدادی متغیر میباشدکه به صورت توابع اسکالری از ثابتهای تنشی با تغییر شکل نوشته میشوند. تعداد پارامترهای مدلهای مختلف متفاوت می باشد و تعداد این پارامترها برای برخی مدلهای رفتاری می تواند تا ۲۰ پارامتر نیز افزایش یابد.
پیچیده کردن روابط ریاضیِ توصیف کننده رفتار مصالح، نیاز به تعداد بیشتری آزمایش برای تعیین پارامترهای آن دارد. همچنین با زیاد شدن تعداد پارامترها زمان بیشتری برای حل مسئله مورد نیاز خواهد بود. به هرحال، هر مدل باید اصول پایه مکانیک محیطهای پیوسته یا مکانیک محیطهای متخلخل یعنی اصل تعادل سازگاری و وحدت جواب را ارضاء نماید]۳۷[.
۳-۳ مشخصات یک مدل رفتاری مطلوب
مدل باید دارای قابلیت نمایش رفتار مصالح تحت شرایط مختلف بارگذاری باشد. لیکن در حال حاضر هیچ مدل منحصر به فردی وجود ندارد که بتواند تمام مسائل ژئوتکنیکی و شرایط خاک را در بر گیرد. در انتخاب مدل سعی می شود موارد زیر رعایت شوند :
الف- حتیالمقدور مدل ساده بوده و با معادلات ریاضی معمول قابل فرموله شدن باشد؛
پارامترهای آن را بتوان با آزمایشات متداول مکانیک خاک بهدست آورد؛
پ- تا حد امکان تعداد پارامترهای آن کم باشد.
البته باید توجه نمود که غالب مدلهای پیشنهادی برای حل مسائل مربوط به خاکهای همگن معتبر است و استفاده از آن برای حل مسائل پیچیده خاکهای غیرهمگن و لایهای با شرایط مرزی پیچیده، غالباً دارای دقت کم میباشد.
مدلهای مورد استفاده موجود، بر پایه مکانیک محیطهای پیوسته یا متخلخل تهیه شده اند و قادر به مدل نمودن رفتار و رابطه تنش- کرنش در نواحی ناپیوستگی که پس از مقدار اوج تنش (نظیر صفحات برش) بوجود میآیند، نخواهند بود. در طی دو دهه اخیر مدل نمودن خاک در مسائل مهندسی پیشرفت شایان توجهی داشته و در حال حاضر نیاز به مدلهایی است که بتوانند با داشتن تعداد نسبتاً کمی از خصوصیات خاک که دارای مفهوم فیزیکی است، رفتار مصالح را بیان نمایند؛ این پارامترها را می توان بهوسیله انجام آزمایش بر روی نمونههای دست نخورده با کیفیت خوب بدست آورد]۳۷[.
۳-۴ روش اجزاء محدود
برای حل کلیه مسائل فیزیکی سه روش موجود است:
الف- روش تحلیلی دقیق[۳۰]
روش عددی[۳۱]
پ- روش تجربی[۳۲]
در روش تحلیلی، همانطور که از نام آن مشخص است، به محاسبه دقیق پارامتری معادلات دیفرانسیل حاکم بر میدانهای فیزیکی همچون میدان حرارتی، میدان تنش، میدان الکتریکی و … میپردازند. در حالیکه در روش دوم به حل تقریبی و عددی این مسائل پرداخته می شود. روش تجربی یا آزمایشگاهی نیز با توجه به اینکه مبتنی و برگرفته از خود واقعیت میباشد، روشی مناسب محسوب می شود]۳۷[.
در این میان روش حل عددی که اجزاء محدود زیر مجموعه آن میباشد، جزء یکی از پرکاربردترین روشهای مورد استفاده در حل مسائل مهندسی است.
از جمله مزیتهای حل عددی خصوصاً اجزاء محدود[۳۳] نسبت به روشهای دیگر به شرح زیر است:
الف- ضعف عمده روش آزمایشگاهی، پر هزینه و زمانبر بودن آن میباشد. در حالیکه در روش عددی این چنین نیست.
روش حل دقیق ا
ز تحلیل مدلهای با هندسه پیچیده عاجز است و تنها روشهای حل عددی به خصوص اجزاء محدود در این زمینه کارگشا است.
در حل مسائلی که شرایط مرزی کمی پیچیده می شود نیز حل دقیق ناتوان است و تنها روش های مرسوم عددی در حل این نوع مسائل به کار می رود]۳۷[.
۳-۴-۱ تاریخچه روش اجزاء محدود
روشهای عددی در حالتهای ساده در قالب روش اختلاف محدود از دیرباز در جهان علم و صنعت شناخته شده است. در بسیاری از موارد که تحلیل مسائل پیچیده و دشوار میگردد، راه حلی مناسب جهت بهدست آوردن نتایج، تقریبی بوده است. اگر روش اجزاء محدود را محور اصلی روشهای عددی به حساب آورده شود، گرایش به کاربرد وسیعتر روشهای عددی را میتوان در حوالی سالهای جنگ دوم جهانی مشاهده نمود]۳۷[.
هرنیکوف[۳۴] در سال ۱۹۴۱ روش عددی را در تحلیل الاستیسیته قطعات در دستگاههای فضانوردی به کار گرفت. کورانت[۳۵] در سال ۱۹۴۳ موفق گردید با بهره گرفتن از توابع چند جملهای ساده تغییر شکلهای ناشی از پیچش در محیط پیوسته را به کمک تقسیم سطح محیط تحت پیچش به اجزاء مثلث شکل، به صورت عددی حل نماید. سپس تورنر[۳۶] در سال ۱۹۶۵ توانست ماتریسهای سختی تیر و خرپا را با بهره گرفتن از روشهای عددی ارائه نماید. اصطلاح اجزاء محدود برای اولین بار توسط کلوگه[۳۷] در سال ۱۹۶۰ جهت حل مسائل الاستیسیته دوبعدی به کار گرفته شد]۳۷[.
در روش اجزاء محدود غالباً مسائل فیزیکی به کمک معادلات دیفرانسیل حاکم بر سیستم و یا به کمک کمینه نمودن انرژی پتانسیل حل میشوند. روش کار بدین صورت است که کل مدل هندسی به اجزاء ریزتری به نام المان[۳۸] تقسیم می شود. هر المان خود دارای گره[۳۹] هایی است که مقادیر ورودی ( بارگذاری و شرایط مرزی) و خروجی (نتایج) به آنها اختصاص داده میشوند]۳۷[.
هر المان دارای یک رفتاری است که به آن تابع شکل[۴۰] میگویند و مقدار درجه آزادی (مثلا جابجایی U) در هر ناحیه از المان را مشخص می کند. شرط اصلی انتخاب تابع شکل مناسب، قابلیت ارضاء شدن شرایط مرزی توسط آن تابع است، که این تابع می تواند درجه یک، درجه دو و یا هر تابع دیگری باشد. قابل ذکر است که نرمافزارهای اجزاء محدود غالباً از توابع چندجملهای برای تعریف تابع شکل استفاده می کنند]۳۷[.
۳-۴-۲ روش مدل نمودن فضای بینهایت توسط المان محدود
در بسیاری از مسائل مهندسی نظیر فشار امواج، اندرکنش خاک و سازه، و اندرکنش سازه و آب، یک سازه محدود با یک محیط نامحدود اندرکنش می نماید.
در آنالیز اندرکنش سازه و محیط، مدل کردن سازه محدود بهوسیله روش های عددی نظیر المان محدود پیشرفت شایانی نموده است. در حالیکه مدل کردن فضای بینهایت بهوسیله روشهای فوقالذکر امکان پذیر نیست. در این حالت یکی از روشهایی که می توان استفاده نمود، المانهای مرزی است که برای تحلیل دقیق اینگونه مسائل میتوان بهکار برد. روش المان مرزی به صورت قابل ملاحظهای با روشهای معمول المان محدود تفاوت دارد. در این روش الزاماً به یک حل اساسی احتیاج است که همواره این حل موجود نیست و در صورت وجود ممکن است بسیار پیچیده باشند. بنابراین یکی از بهترین راه حلهای موجود برای مدلسازی عددی مسائل مربوط به محیطهای بینهایت، استفاده از روشهای المان محدود و اعمال تصحیحات بر روی این روشها می باشد]۳۷[.
سازه با ابعاد محدود به سادگی بهوسیله المان محدود با تعداد محدودی درجه آزادی مدل می شود؛ این قسمت از تحلیل کاملا معمول و شناخته شده است. در مقابل محیط بینهایت با ابعاد نامحدود را نمی توان بهوسیله تعداد محدودی المان با ابعاد محدود مدل نمود، لذا بایستی از تکنیکهای ویژه برای مدل کردن فضای بینهایت سود جست. یکی از معمولترین روشها آن است که یک سطح فرضی که سازه و قسمتی از فضای نامحدود را در بر میگیرد فرض شود؛ به این سطح فرضی، سطح اندرکنش میگویند. سپس بهوسیله مدل عددی، سازه و نواحی محدود به سطح اندرکنش را مشبندی مینمایند و مدل عددی با گرههایی که بر روی سطح اندرکنش یا داخل آن قرار دارند، کار می کند. سپس با اعمال شرایط مرزی روی سطح اندرکنش که بیان کننده شرایط محیط نامحدود تا بینهایت میباشد، تحلیل را انجام می دهند. محل سطح اندرکنش می تواند اختیاری باشد]۳۷[.
در یک حالت حدی که سطح اندرکنش بر سطح تمامی خاک با سازه منطبق است برای حل مسئله باید از روش زیر سازه استفاده شود و همچنین در مواردی که سطح اندرکنش در فاصله مناسبی از سطح تماس خاک با سازه قرار دارد، میتوان از روش مستقیم بهره جست که در این حالات شرایط مرزی باید به صورت دقیق بیان شوند]۳۷[.
۳-۴-۳ معرفی نرمافزار Geostudio-Sigma و هدف از انتخاب آن
نرم افراز Geostudio از جمله برنامه‌های ژئوتکنیکی مبتنی بر المانهای محدود بوده و از طریق آن میتوان آنالیزهایی از قبیل تنش- کرنش، جریان، تراوش، پایداری شیب‌ها، آنالیز دینامیکی و همچنین شرایط افت سریع را بررسی کرد. این نرمافزار شامل نرمافزارهای گوناگون SIGMA/W برای تحلیل تنش- کرنش، SEEP/W برای تحلیل جریان و تراوش، SLOPE/W برای تحلیل پایداری شیب، QUAKE/W برای تحلیل دینامیکی، TEMP/W برای تحلیل توزیع دما در خاک، CTRAN/W برای تحلیل توزیع آلاینده‌ها در خاک و VADOSE/W برای تحلیل اثر شرایط محیطی (از قبیل خورشید، گیاهان، بارش و…) بر خاک
است. قابل توجه است که در نسخه‌ی ۲۰۰۷ این برنامه، تحلیل AIR/W اضافه شده که مربوط به مدلسازی جریان هوا است. لازم به ذکر است که کلیه نرمافزارهای این بسته نرمافزاری به غیر از SLOPE/W از روش المان محدود استفاده می‌کنند و تنها در این بخش از نرمافزار، روابط ریاضی مربوطه، فرمول بندی می شود.
بسته نرمافزار GeoStudio نرمافزاری کاربردی و علمی بوده که به گونه‌ی کاربرپسند به مدلسازی و تحلیل مسائل ژئوتکنیکی می‌پردازد. این نرمافزار محصول شرکت خصوصی GEO-SLOPE در آلبرتای کانادا میباشد. بسته نرمافزاری GeoStudio مشتمل بر هشت نرمافزار گوناگون میباشد که شرح مختصری از آن در زیر ارائه میگردد:
نرمافزار SLOPE/W: این نرمافزار قادر به تحلیل ضرایب اطمینان شیب‌های خاکی و سنگی است. این نرمافزار می‌تواند مسائل ساده تا پیچیده مربوط به سطوح شیب‌دار، شرایط فشار آب حفره‌ای، ویژگی‌های خاک و روشهای تحلیل را پوشش دهد.
نرمافزار SEEP/W : این نرمافزار یک نرمافزار المان محدود بوده که جهت انجام تحلیل‌های جریان آب زیرزمینی و تغییرات فشار آب حفره‌ای در مصالح دارای تخلخل مانند خاک و سنگ به کار می‌رود. از این نرمافزار میتوان در طراحی‌های ژئوتکنیک، معدن، عمران و ژئوهیدرولوژی استفاده کرد.
نرمافزار SIGMA/W : نرم افزار SIGMA/W یک نرمافزار المان محدود است که میتوان از آن در سازههای خاکی و سنگی جهت آنالیزهای تنش- تغییر شکل استفاده کرد. از جمله کاربردهای این نرمافزار میتوان به تحلیل‌های تنش-کرنش در مسائل پی، سد خاکی، تونل، گودبرداری، اندرکنش خاک- سازه و… اشاره کرد.
نرمافزار QUAKE/W : نرمافزار QUAKE/W یک نرمافزار المان محدود است که قادر به تحلیل‌های دینامیکی در مسائلی مانند بارگذاری زلزله، انفجار و غیره میباشد. این نرمافزار همچنین قادر است افزایش فشار‌های آب حفره‌ای حین تحلیل دینامیکی را محاسبه کند.
نرمافزار TEMP/W : این نرمافزار یک نرمافزار المان محدود است که می‌تواند تغییرات دمایی زمین به دلیل مسائل زیست محیطی و یا ساخت سازههای مختلف مانند ساختمان یا خط لوله در مجاورت آن را تحلیل کند.
نرمافزارCTRAN/W : این نرمافزار یک نرمافزار المان محدود است که قادر است جا به جایی آلاینده‌ها در خاک و سنگ را بررسی کند.
نرمافزار AIR/W : این نرمافزار یک نرمافزار المان محدود است که می‌تواند به خوبی اندرکنش هوا-آب در محیطهای متخلخل خاک و سنگ را مورد بررسی قرار دهد. از این نرمافزار میتوان برای آنالیزهای ساده در حالات اشباع و جریان پایدار تا آنالیزهای پیچیده در محیطهای نیمه اشباع وابسته به زمان استفاده کرد.
نرمافزارVADOSE/W : این نرمافزار یک نرمافزار المان محدود است که می‌تواند جریان سیال در محیط از جمله جریان در سطح زمین و جریان در سفره‌های زیرزمینی را مورد بررسی قرار دهد. این نرمافزار می‌تواند تحلیل‌های ساده مانند محاسبه مقادیر نفوذ آب باران در زمین تا مسائل پیچیده مانند ذوب برف، تبخیرهای سطحی، وضعیت تالاب‌ها و غیره را انجام دهد[۳۸].
