ایستاسازه
En Ar

خانه - خدمات ایستاسازه - بهسازی خاک - DC یا تراکم دینامیکی - بررسی تأثیر پارامتر های شعاع کوبه و تعداد ضربه بر بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی در راستای احداث سازه های دریایی

توسعه جوامع مختلف باعث شده است که دسترسی به زمین مناسب که یکی از اصلی ترین عوامل در فعالیت های عمرانی به خصوص احداث سازه های مختلف ساحلی و دریایی به شمار می رود در بعضی موارد امکان پذیر نباشد و درنتیجه زمین های نامناسب با خصوصیات ژئوتکنیکی ضعیف نظیر خاک های ریزشی، خاک های منبسط شونده، زمین های استحصالی از دریا، خاک های نرم و باتلاقی و … مورد استفاده قرار گیرند. تراکم دینامیکی یکی از مناسب ترین روش های بهسازی خاک در جهت افزایش مقاومت و کیفیت مهندسی خاک ها می باشد. در روش تراکم دینامیکی وزنه ای از ارتفاع مشخص رها شده و به زمین برخورد می کند که باعث متراکم شدن خاک می شود. در این تحقیق ابتدا اقدام به انجام آزمایش های میدانی گردید سپس با استفاده از نتایج به دست آمده در این بخش اقدام به مدلسازی تراکم دینامیکی خاک گردید. به منظور انجام شبیه سازی تحقیق حاضر از نرم افزار دو بعدی FLAC استفاده گردید. نظر به اجرای طرح های مختلف در محدوده شهرستان آبادان، این منطقه به عنوان محل اجرای طرح انتخاب گردید و پس از آزمایش های میدانی مشخصات مکانیکی خاک استخراج و سپس با تعریف الگوهای آزمایش اقدام به مدلسازی روش تراکم دینامیکی گردید. نتایج حاصل از تحقیق حاضر نشان می دهد برای کلیه شرایط مدلسازی حداکثر تغییر شکل خاک در محل ضربه کوبه مشاهده شد، این میزان در عمق خاک کاهش یافت. تنش مؤثر در خاک تحت تراکم دینامیکی بر اساس نتایج به دست آمده نشان می دهد که با افزایش عمق، کاهش می یابد. تراکم دینامیکی خاک یکی از روش های بهسازی خاک به شمار می رود. سدهای خاکی، آماده سازی اراضی صنعتی، پالایشگاهی، شاهراه ها و کارهای زیربنایی متعدد دیگر نیاز است تا خاک سست به آن حد از تراکم رسانده شود، تا خواص مکانیکی خاک بهبود یابد. به عمل هایی که باعث رسیدن به این مقصود می شود بهسازی خاک می گویند، که یکی از انواع آن ایجاد تراکم است.

همراه با پیشرفت علم و تکنولوژی در دهه های اخیر، روش های متعددی جهت انتقال بار سازه های احداثی به زمین، توسط کارشناسان خاک ابداع گردیده است.

به طور کلی جهت انتقال بار سازه ها می توان از دو روش بهبود مشخصه های مکانیکی خاک سست (بهسازی خاک) و یا انتقال به لایه های مقاوم زمین (پی های عمیق) استفاده کرد. امروزه چالش اصلی متخصصان، انتخاب روش بهینه با توجه به ابعاد و وزن سازه ها، جنس و مقاوت لایه های زمین، محاسن و معایب و محدودیت های هر روش، حساسیت آنها به نشست و هزینه و زمان اجرا می باشد.

جهت برطرف نمودن این مشکلات و بهبود پارامترهای ژئوتکنیکی، روش های متعددی مورد استفاده قرار می گیرد که کلا تحت عنوان روش های بهسازی خاک نامیده می شوند.

در احداث سازه های دریایی به صورت کلی مشخصات مربوط به خاک به دلیل قرار گرفتن سازه بر روی آن دارای اهمیت فراوان می باشند که تراکم خاک می تواند تأثیرات متعددی بر روی مشخصات خاک داشته باشد که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود:


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

برخی از محققین شبیه سازی عددی و برخی دیگر مطالعات میدانی را جهت انجام تحقیق در خصوص تراکم دینامیکی مورد توجه قرار داده اند که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:


1. با به کار بردن روش کاربردی که برای محاسبه نیروهای ایجاد شده در حین شمع کوبی بود، به مطالعه کاهش شتاب کوبه حین ضربه پرداختند و در مطالعات بعدی، موفق شدند با کمک مدل یک بعدی خود، عمق و درجه بهبود خاک را پیش بینی کنند.

2. آثار ضربه را با فرض فرمولاسیون تغییر مکان های بزرگ و با دو مدل رفتاری الاستوپلاستیک مختلف بررسی کردند.

3. با استفاده از نرم افزار ABAQUS پاسخ خاک به ضربه جسم صلب را به صورت عددی تحلیل نمودند.

4. رفتار ماسه خشک تحت اثر بار ضربه را با استفاده از برنامه المان محدود CRISDYN تشریح نمودند.

5. روشی نوین را برای پیش بینی پروفیل فشار حدی پس از تراکم دینامیکی ارائه دادند با این فرض که نشست القاء شده به زمین، مجموع کرنش های قائم مطابق توزیع رایلی است.

6. رابطه ای را بین نشست زمین و فشار حدی حاصل از داده های PMT ارائه دادند تا بتوان پارامترهای خاک را بر اساس نشست سطحی خاک پیش بینی نمود.

7. در آزمایش های پس از تراکم دینامیکی نتیجه گرفتند که نتایج PMT بهتر از نتایج آزمایش نفوذ استاندارد SPT نشانگر رفتار خاک است.

8. دو محقق عراقی بررسی نمودند و نتیجه گرفتند که این روش می تواند ابزار بسیار مناسبی برای اصلاح این نوع خاک باشد. معیار بررسی ایشان افزایش تعداد ضربات SPT مورد نیاز برای تراکم خاک قبل و بعد از تراکم دینامیکی بود. ایشان این معیار را برای خاک ژیپس سست مناسب ترین معیار تشخیص رفتار دانستند. نظر به اینکه در اغلب تحقیقات گذشته از روش ها و نرم افزارهای مختلفی جهت بررسی تأثیر پارامترهای مختلف تراکم خاک بر روی مشخصات مکانیکی خاک انجام شده است لذا در تحقیق حاضر از نرم افزار اجزای محدود FLAC به منظور شبیه سازی عددی استفاده شده است. همچنین تحقیق حاضر نظر به اهمیت استحصال اراضی ساحلی در شهرستان آبادان بر روی خاک های این منطقه صورت گرفته است.


مواد و روش ها


برنامه تفاضل محدود FLAC


از مجموعه نرم افزارهای آیتسکا، می توان نرم افزار FLAC که یک برنامه تفاضل محدود هست را نام برد. که برای محیط های پیوسته به کار می رود. FLAC بر اساس تحلیل محاسباتی لاگرانژی استوار است که برای مدل سازی تغییر شکل های بزرگ نیز مناسب هست. با این نرم افزار می توان مدل رفتاری سازه های سنگی، خاکی و یا سایر مواد را که دارای جریان پلاستیک در هنگام رسیدن به حد تسلیم هستند، شبیه سازی کرد. این مدل های رفتاری که از پیش تعریف شده اند، مدل های متنوعی را در بر می گیرند که شامل مدل تهی (فضای خالی) برای نمایش حفاری ها در شبکه، تا مدل های تسلیم برشی و حجمی برای نمایش رفتار کرنش نرمی و کرنش سختی و نمایش گسیختگی برشی غیرقابل برگشت و غیرخطی است. برای آنالیز تغییر تنش ها و مکان ها، مواد را به صورت شبکه های دو بعدی که از المان های چند وجهی تشکیل شده است، تعریف می کنند. این برنامه از قابلیت های زیادی برای تحلیل مسائل برخوردار است که عمده ترین کاربرد آن در مسائل ژئوتکنیک می باشد. با استفاده از این نرم افزار می توان مسائل مربوط به سازه های سطحی و زیرزمینی مانند پی ها و شمع ها، طراحی تونل ها، شیروانی های معدنی و عمرانی و نیروگاه هایی که در اعماق زمین قرار دارند را مدل سازی کرد. علاوه بر این می توان اندرکنش سازه هایی مانند پیچ سنگ ها (بولت ها)، پوشش تونل، قطعات تسلیم پذیر شمع های صفحه ای با سنگ یا خاک درون گیر را به کمک این نرم افزار شبیه سازی کرد و اثرات آن ها را بر روی پایداری سازه های زیرزمینی یا سطحی بررسی نمود. در این نرم افزار چندین مدل رفتاری تعبیه شده است که امکان شبیه سازی رفتار غیرخطی مصالح را فراهم می کند. علاوه بر این ها، کاربر می تواند خود، مدل رفتاری دلخواه را در این نرم افزار تعریف کند.


مراحل حل مسئله در FLAC


مراحل حل در این نرم افزار به صورت زیر است:


1. ساخت مدل اولیه و هندسه مدل.

2. انتخاب مدل رفتاری و تعیین خصوصیات ماده.

3. اعمال شرایط مرزی و اولیه.

4. حل و بررسی مدل ساخته شده و اصلاح آن در صورت نیاز.

5. تفسیر نتایج.

مراحل حل مسئله در نرم افزار FLAC
مراحل حل مسئله در نرم افزار FLAC

گام اول: ساخت هندسه مدل


ساخت هندسه یک مدل اولین گام در اجرای آن است. همزمان با هندسه سازی، شبکه بندی در این نرم افزار انجام می گیرد، تعیین ابعاد شبکه به عهده کاربر است. همواره باید مطابق این اصول و قواعد حاکم بر این نرم افزار، یک شبکه بندی بهینه را پیشنهاد داد. برای این منظور چگالی شبکه بندی مدل باید توزیع مناسبی داشته باشد و مقادیر منطقی برای ابعاد شبکه ها تعیین شود تا بتوان مناسب ترین شبکه را برای مدل ساخت. بهینه بودن ابعاد شبکه ها تأثیر به سزایی در زمان حل و دقت جواب های به دست آمده دارد. برای ساخت هندسه از دستور GEN با کلمات کلیدی متفاوت استفاده می شود. هندسه ساخته شده و شبکه بندی آن در شکل (1) نشان داده شده است. به خاطر تقارن حاکم بر مسئله، می توان تنها نصف یا یک چهارم مدل را در نظر گرفت. این کار باعث افزایش سرعت تحلیل ها خواهد شد.

شکل (1) هندسه مدل
شکل (1): هندسه مدل

گام دوم: انتخاب مدل رفتاری و تعیین خصوصیات ماده


پس از ساخت هندسه مدل، باید یک مدل رفتاری مناسب به ماده آن اختصاص یابد. مدل های رفتاری متفاوتی در این نرم افزار پیش بینی شده است. یکی از پرکاربردترین مدل های رفتاری در مسائل مکانیک سنگ و ژئوتکنیک، مدل موهر-کلمب است. در ادامه با استفاده از دستور PROPERTY خصوصیات مرتبط با مدل رفتاری از قبیل مدول برشی، چسبندگی و زاویه اصطکاک، مدول حجمی و … به شبکه های مدل اعمال می شود.


گام سوم: شرایط مرزی و اولیه


در این مرحله شرایط مرزی و اولیه در مدل اعمال شده و مدل برای رسیدن به تعادل اجرا می شود. مرزهای اطراف و پایین به صورت غلتکی ثابت در نظر گرفته می شوند و مرز فوقانی باید آزاد باشد تا مدل بتواند نشست کند شکل (2).

شکل(2): شرایط مرزی مدل
شکل(2): شرایط مرزی مدل

در مسائل دینامیکی علاوه بر آنچه در مورد شرایط مرزی در حالت استاتیکی گفته شد، در اثر برخورد با مرزهای مدل نیز، بازتاب ارتعاشات مطرح می گردد. زیرا در طبیعت، محیط انتشار موج در اطراف فضاهای زیرزمینی، محیطی نامحدود است و موج در یک محیط بی نهایت انتشار پیدا می کند.

از مرزهای ویسکوز (جاذب) در نرم افزار FLAC استفاده می شود. این روش مبتنی بر استفاده از میراگرهای مستقل در جهت های برشی مرزهای مدل و نرمال می باشد. جذب مؤثرتر انرژی (به ویژه در امواج رایلی) نیازمند استفاده از عناصر وابسته به فرکانس است که تنها در تحلیل های دامنه – فرکانس به کار می روند. این عناصر معمولاً مرزهای سازگار نامیده می شوند و شامل محاسبات ماتریس سختی دینامیک، با تمام درجات آزادی مرتبط با مرز است. شرایط مرزی آرام را می توان برای جهات اصلی مختصات کلی و یا در طول مرزهای مورب اعمال کرد. برای اعمال مرز آرام در نرم افزار از دستور APPLY استفاده می شود. با استفاده از کلمات کلیدی که در ادامه بیان می شوند، می تواند شرایط مرزی ویسکوز را بر مدل حاکم کرد.


1. اعمال شرایط مرزی ویسکوز در جهت شیب برای یک دستگاه محلی.

2. اعمال شرایط مرزی ویسکوز در جهت قائم برای یک دستگاه محلی.

3. اعمال شرایط مرزی ویسکوز در جهت امتداد شیب برای یک دستگاه محلی.


مرزهای میدان آزاد تحلیل های عددی از پاسخ لرزه ای سازه های سطحی نظیر سدها نیازمند مجزا کردن ناحیه ای از مصالح مجاور شالوده است. به طور معمول امواج ورودی زلزله به وسیله امواج صفحه ای که در مصالح زیرین به سمت بالا منتشر می شوند، ارائه می شود. در شرایط عدم حضور سازه، شرایط مرزی در اطراف مدل برای حرکت میدان آزاد، باید به حساب آورده شوند. در بعضی موارد مرزهای جانبی اولیه، ممکن است کافی باشد. این مرزها باید در فواصل مناسب قرار گیرند تا انعکاس امواج کمینه شود و شرایط میدان آزاد، برقرار شود. برای خاک ها با میرایی زیاد مصالح، شرایط فوق می تواند با یک فاصله نسبی کوچک به دست آید. فاصله مورد نیاز ممکن است در صورتی که میرایی مصالح کم باشد، منجر به ایجاد یک مدل غیر عملی شود. مرزهای جانبی شبکه اصلی با شبکه میدان آزاد به وسیله میراگرهای ویسکوز به منظور شبیه سازی مرز جاذب جفت می شود و نیروی نامتعادل شبکه میدان آزاد به مرزهای شبکه اصلی اعمال می شود. به همین دلیل شبکه میدان آزاد شرایطی همانند شرایط موجود در مدل نامحدود ایجاد می نماید، انتشار امواج صفحه ای به سمت بالا هیچ گونه اعوجاجی را در مرز اجازه نمی دهد. اگر شبه اصلی یکنواخت باشد و هیچ گونه سازه سطحی وجود نداشته باشد، چون شبکه میدان آزاد حرکت یکسانی همانند مدل اصلی انجام می دهد میراگرهای جانبی به کار نمی روند. به هرحال اگر حرکت مدل اصلی با حرکت میدان آزاد متفاوت باشد (براثر تشعشع امواج ثانویه به وسیله سازه سطحی)، در این حالت میراگرها برای جذب انرژی در رفتاری مشابه مرزهای جاذب عمل می نمایند. سرعت محاسبات هنگام استفاده از مرزهای آزاد به شدت کاهش پیدا می کند.


گام چهارم: بررسی تعادل مدل


به منظور بررسی وضعیت تعادل مدل عددی می توان از شاخص هایی مانند سرعت گره ها و همچنین جابجایی مدل و نیروهای نامتعادل استفاده کرد. نیروهای نامتعادل مدل ساخته شده بعد از گام زمانی مشخصی به صفر میل کرده و مدل به درستی به تعادل رسیده است.


گام پنجم: اعمال عملیات اجرایی.


در این مرحله با توجه به نوع مسئله تعریف شده، تغییرات لازم به مدل اعمال می گردد.


مدل سازی ضربه و تعیین زمان تحلیل دینامیکی


استفاده از فرمولاسیون تماس بین دو یا چند جسم در حال حرکت، دقیق ترین فرآیند برای شبیه سازی است.

در این جا برای سادگی، از روش جسم صلب برای شبیه سازی ضربه استفاده می شود؛ به این معنا که ورودی برنامه سرعت اولیه کوبه است که از معادله سقوط آزاد محاسبه می شود. شتاب کوبه، بعد از تماس کوبه با سطح زمین به سرعت کاهش می یابد تا زمانی که وزنه می ایستد و به سمت بالا حرکت می کند. این باعث می شود که شتاب کوبه تغییر علامت دهد و در نتیجه المان های وزنه، المان های خاک را به سمت بالا بکشد و در آنها تنش کششی ایجاد شود. برای جلوگیری از وقوع این کشش غیر واقعی در خاک، ابتدا آنالیز در مدت زمانی طولانی تر انجام می شود. سپس با بررسی نمودار تغییرات سرعت المان های کوبه با زمان، مشاهده می شود سرعت پس از مدتی صفر و سپس منفی می شود. به این ترتیب مدت زمان صفر شدن سرعت به عنوان زمان تحلیل انتخاب می شود در این تحقیق مدت زمان تحلیل هر ضربه 0.2 ثانیه در نظر گرفته شده است. شکل (3) تاریخچه سرعت کوبه را نشان می دهد.

شکل(3): تاریخچه سرعت کوبه با زمان
شکل(3): تاریخچه سرعت کوبه با زمان

در این تحلیل از مدل میرایی رایلی، جهت در نظر گرفتن میرایی استفاده شده است. مطالعات داوینگ نشان داد که برخلاف بار ضربه ناشی از انفجار که باعث ایجاد ارتعاش با فرکانس های بالا می شود، ضربه ناشی از سقوط کوبه ارتعاشی با فرکانس بین 6 هرتز تا 30 هرتز ایجاد می کند. در این تحقیق برای محاسبه مقدار فرکانس طبیعی از روش پیشنهادی توسط نرم افزار استفاده شده است. شکل (4) تغییرات تغییر شکل قائم بالاترین نقطه از مدل را تحت اثر نیروی وزن نشان می دهد. در این تحقیق مقدار میرایی 5 درصد و فرکانس 10 هرتز فرض شده است.

شکل(4) تغییرات تغییر مکان قائم بالاترین نقطه
شکل (4): تغییرات تغییر مکان قائم بالاترین نقطه از مدل تحت اثر نیروی وزن سیستم

همچنین مشخصات تحلیل دینامیکی مطابق جدول (1) فرض شده است.

جدول (1): مشخصات تحلیل دینامیکی جدول
جدول (1): مشخصات تحلیل دینامیکی

مدل رفتاری استفاده شده در تحقیق حاضر


در نرم افزار FLAC به روش های مختلفی می توان مدل رفتاری را به شبکه های مورد نظر اعمال کرد. روش استاندارد، به کارگیری مدل های از پیش تعریف شده با دستور MODEL است. گاهی اوقات لازم است که مدل رفتاری موجود برای وابسته ساختن خصوصیات ماده به سایر پارامترهای مدل، تصحیح شود.


با سه روشی که در ادامه بیان می شود می توان این کار انجام داد:


1. تغییر خصوصیات مدل موجود با استفاده از تابع FISH به ازای هر چند تعداد گام محاسباتی.

2. تغییر خصوصیات در تابع مدل تعریف شده توسط کاربر در هر گام، به وسیله رجوع به رابطه.

3. تغییر خصوصیات با استفاده از جدول های ارجاع (با دستور TABLE) به عنوان نمونه خصوصیات مقاومتی به عنوان تابعی از کرنش پلاستیک، برای مدل های Strain-softening و double-yield اصلاح می شود.


روش آخر، مناسب ترین شیوه برای تغییر خصوصیات در یک مدل FLAC است و روش اول، کمترین کارایی را دارد. در تحقیق حاضر از مدل موهر-کلمب استفاده شده است. این مدل رایجی برای نشان دادن گسیختگی برشی در سنگ و خاک است. در این مدل، تنش تسلیم تابع تنش های اصلی ماکزیمم و مینیمم است. پارامترهای لازم برای این مدل زاویه اصطکاک و چسبندگی است که با آزمایش های نسبتاً ساده ای به دست می آیند.


مشخصات خاک منطقه مورد مطالعه


منطقه مورد مطالعه از اراضی شهرستان آبادان استان خوزستان می باشد. دشت خوزستان، بخشی از دشت وسیع بین النهرین است، که از دید زمین شناسی، خود قسمتی از صفحه عربستان محسوب می شود. این بخش از صفحه عربستان، در حاشیه شمال شرقی سپر عربستان آفریقا واقع بوده و تحت اثر کوه زایی کاتانگائی (600 – 100 میلیون سال پیش) پدیده هایی از قبیل شکستگی، ماگماتیسم و چین خوردگی را طی کرده و بدین ترتیب پی سنگ عربستان و پرکامبرین را به صورت پلتفرمی نسبتاً پایدار ایجاد می نماید. پس از فاز کوه زایی یاد شده، دریای کم عمقی، سرتاسر پلتفرم را می پوشاند که اغلب رسوبات ته نشین شده، از نوع تخریبی و در پاره ای موارد تبخیری بوده و این شرایط رسوب گذاری، با تغییرات مختصری تا اواخر پالوزوئیک ادامه می یابد. رسوبات جدیدتر منطقه اغلب از نوع رودخانه ای آبی بوده و به طور وسیعی تشکیلات زمین شناسی قدیمی را می پوشاند. رسوبات اخیر، تقریباً در تمام نواحی با رخساره یکنواختی، رهنمون داشته و از این رو شناسایی مرز مشخصی برای دشت خوزستان و منطقه چین خورده زاگرس را پیچیده می سازد. به منظور شناسایی لایه های خاک و بررسی خصوصیات ژئوتکنیکی آن ها، عملیات صحرایی شامل سه گمانه ماشینی، جمعاً به عمق 60 متر بوده است. حفاری توسط دستگاه دورانی XY2B  و نمونه گیری، به صورت مغزه گیری ممتد (Continuos Coring) انجام شده است.

در حین حفاری، اخذ نمونه دست خورده و دست نخورده، ثبت تغییرات لایه های خاک، آزمایش نفوذ استاندارد و تعیین تراز آب زیرزمینی، انجام شده است. نمونه های دست نخورده، توسط نمونه گیر شلبی، نمونه های دست خورده توسط نمونه گیر دو کفه ای و در اعماق مختلف گرفته شده است. منظور از نمونه دست نخورده، نمونه های دست نخورده شلبی می باشد.

جدول (2) مشخصات گمانه ها
جدول (2): مشخصات گمانه ها

ارزیابی صحت نتایج مدل عددی


شبیه سازی دقیق فرآیند تراکم دینامیکی در خاک ها وابسته به تعیین مشخصه های گوناگون از قبیل متغیرهای مدل رفتاری خاک، متغیرهای تحلیل دینامیکی و متغیرهای محاسباتی است.

از آنجا که فرضیات موجود در بسیاری از موارد شبیه عملیات تراکم دینامیکی در مناطق پتروشیمی عسلویه است. بنابراین بررسی صحت مدل با عملیات تراکم دینامیکی در این منطقه انجام می شود. با توجه به نتایج آزمایش های انجام شده در منطقه عسلویه، مشخصات مهندسی مصالح ریخته شده به صورت زیر فرض شده است. وزن کوبه 18 تن و ارتفاع سقوط 15 متر است.

جدول (3) مشخصات خاک و کوبه
جدول (3): مشخصات خاک و کوبه

برای تعیین ابعاد مدل، مدت زمان تحلیل، اندازه المان ها و ضرایب میرایی، تحلیل هایی با استفاده از نرم افزار FLAC انجام شد و نتایج تحلیل و بررسی شد. با فرض سطح مقطع دایره ای برای کوبه و با استفاده از خاصیت تقارن محوری، نصف سیستم کوبه و خاک به صورت دو بعدی مدل شده است.

نتایج مدلی با ابعاد یکنواخت نسبت به مدلی که در آن اندازه المان ها با فاصله گرفتن از منبع موج به صورت تدریجی افزایش یابد، از دقت کمتری برخوردار است. لذا در مدل سازی عددی تراکم دینامیکی، می بایست با دور شدن از کوبه، اندازه المان ها به تدریج افزایش یابند. این شبکه در پایین در هر دو جهت مقید بوده ولی در سمت راست شبکه و در محور تقارن فقط اجازه تغییر مکان افقی داده نشده است. مدل رفتاری خاک، مدل پلاستیک در نظر گرفته شده است. جهت تعیین ابعاد مناسب مدل، با در نظر گرفتن حداکثر انرژی که در این تحقیق توسط کوبه به خاک اعمال می شود، مدل هایی با ابعاد مختلف تحلیل شده و با مقایسه نمودارهای تغییرات سرعت و تغییر مکان ابعاد مناسب مدل تعیین شده است. شکل های (5) تا (6) حداکثر تغییر مکان و تغییرات سرعت را در راستای افق و قائم نشان می دهند. همان طور که در این شکل ها مشاهده می شود تغییر مکان و مقادیر سرعت در مرزهای مدل برابر صفر می باشد. لذا محدودیت ابعاد مدل باعث تغییر نتایج مدل نمی شود.

شکل (5) تغییرات تغییر مکان قائم در عمق زیر کوبه
شکل (5): تغییرات تغییر مکان قائم در عمق زیر کوبه (W=20 TON, H=15)
شکل (6) تغییرات سرعت در عمق زیر کوبه
شکل (6): تغییرات سرعت در عمق زیر کوبه (W=20 TON, H=15)

جدول (4) نتایج محاسبه شده برای عمق چاله در سه ضربه را در کنار نتایج اندازه گیری شده در سایت برای چند نقطه کوبش را نشان می دهد. مشاهده می گردد که نتایج محاسباتی تطابق خوبی با مقادیر اندازه گیری شده در منطقه دارد. قابل ذکر است که در مورد عمق چاله نتایج حاصل از تحقیق مقادیر کمتری نسبت به مشاهدات در عمل نشان داده است. لذا می توان افزایش مقادیر عمق چاله را در مدل حاضر مطلوب دانست. هرچند به نظر می رسد با دقیق کردن مقدار پارامتر های خاک در مدل رفتاری و همچنین اصلاح پارامتر های الاستیک خاک پس از هر ضربه بتوان نتایج مدل سازی عددی را به مقادیر واقعی نزدیک تر کرد.

شکل (4) مقایسه نتایج
شکل (4): مقایسه نتایج

نتایج

همانگونه که بیان گردید هدف از تحقیق حاضر بررسی تأثیر تعداد ضربه و پارامترهای شعاع کوبه بر مشخصات مکانیکی خاک با استفاده از روش تراکم دینامیکی می باشد. مطابق اهداف در نظر گرفته شده برای تحقیق اقدام به انجام آزمایش های میدانی جهت شناسایی خصوصیات خاک گردید سپس با استفاده از مدل دو بعدی Flac مدلسازی عددی تحقیق صورت پذیرفت. در این بخش نتایج حاصل تحقیق بیان می گردد.


تأثیرات شعاع کوبه بر عمق بهبود


شکل (7) تغییر شکل المان ها بعد از اعمال ضربه با کوبه هایی به شعاع های متغیر را نشان می دهد. انرژی در این حالت 100 تن متر است که با پرتاب یک کوبه 10 تنی از ارتفاع سقوط 10 متر اعمال می شود.

شکل(7) تأثیر شعاع کوبه بر عمق بهبود
شکل(7): تأثیر شعاع کوبه بر عمق بهبود

شکل (8) مقادیر عمق چاله به وجود آمده در اثر ضربه را برحسب شعاع های مختلف کوبه نمایش می دهد. مطابق این شکل شعاع های خیلی کوچک باعث وقوع پدیده سوراخ شدگی در ستون خاک خواهند شد. کوبه با شعاع کوچک، محصورشدگی ستون خاک زیر محل برخورد را چندان زیاد نمی کند و بنابراین عمق بهبود کمی حاصل می شود. برعکس با انتخاب شعاع خیلی بزرگ، سطح تماس کوبه و خاک زیاد می شود و در نتیجه تنش های تماسی و عمق بهبود کمی حاصل می شود.

شکل (8) تغییرات عمق چاله با شعاع کوبه
شکل (8) تغییرات عمق چاله با شعاع کوبه

شکل (9) گسترش افقی ناحیه بهبود را با افزایش شعاع کوبه نشان می دهد. مطابق این شکل، گسترش ناحیه بهبود با افزایش شعاع رابطه مستقیمی دارد. در طراحی عملیات تراکم دینامیکی می توان با انجام تحلیلی مشابه و با داشتن رابطه بین گسترش افقی ناحیه بهبود و شعاع کوبه، فاصله مناسب نقاط کوبش را تعیین نمود.

شکل(9) گسترش افقی ناحیه متراکم شده برحسب شعاع کوبه
شکل (9): گسترش افقی ناحیه متراکم شده برحسب شعاع کوبه

با توجه به نتایج به دست آمده، انتظار می رود در اثر تأثیر تراکم بر روی عمق بهبود پارامترهایی نظیر سختی خاک، چگالی نسبی و ظرفیت باربری خاک اصلاح شوند که این سه پارامتر به صورت ویژه در پایداری سازه های دریایی و ساحلی پس از احداث، حائز اهمیت می باشند.


بررسی تأثیر تعداد ضربه بر تغییر شکل افقی


به منظور بررسی تأثیر ضربات متوالی بر عوامل مؤثر در تراکم خاک، در این بخش تحلیل هایی انجام شده است. انرژی در این حالت 100 تن متر است که با پرتاب یک کوبه 10 تنی از ارتفاع سقوط 10 متر اعمال می شود. و عمق تأثیر در اینجا، عمقی از ستون خاک است که افزایش تراکم نسبی خاک پایین تر از آن از کمتر از 5 درصد باشد. در این آنالیزها شعاع وزنه یک متر است. شکل (10) نمایش تغییر شکل المان ها بعد از اعمال ضربات متوالی را نشان می دهد. پس از اعمال هر ضربه، با توجه به ایجاد تغییر شکل های بزرگ در محل برخورد کوبه، بایستی تغییراتی در مدل ایجاد کرد. این تغییرات شامل اصلاح مختصات گره ها، اضافه کردن و یا حذف المان ها و غیره می باشد.

شکل (10) نمایش تغییر شکل المان ها بعد از اعمال ضربات متوالی
شکل (10): نمایش تغییر شکل المان ها بعد از اعمال ضربات متوالی

با بررسی نمودار تغییر شکل افقی در عمق، پس از هر ضربه، تعداد ضربه ای که منجر به ایجاد بیشینه تغییر شکل افقی در عمق مورد نظر می شود، به عنوان تعداد ضربه بهینه انتخاب می شود. توزیع تغییر مکان افقی در عمق در پایان هر مرحله در شکل (11) تا (13)  ارائه شده است.

شکل (11): تغییر شکل افقی در عمق
شکل (11): تغییر شکل افقی در عمق  (w=15 , h= 15)
توزیع تغییرمکان های افقی در عمق
تغییر شکل های افقی

شکل (14) تا (17) توزیع تغییرمکان های افقی در عمق، در ضربات اول، پنجم، دهم و پانزدهم را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، در این تحلیل بیشینه افقی تغییر شکل افقی در عمق مورد نظر در ضربه پانزدهم به دست آمده است.

شکل (16) توزیع تغییرمکان افقی ناشی از ضربه دهم
شکل (16): توزيع تغییرمکان افقي ناشي از ضربه دهم
شکل (17) توزیع تغییرمکان افقی ناشی از ضربه پانزدهم
شکل (17): توزیع تغییرمکان افقی ناشی از ضربه پانزدهم

از آنجا که بیشینه اصلاح خاک در 2/1 تا 3/1 عمق تاثیر تراکم دینامیکی حاصل می شود. باید با اعمال ضربات بیشتر، میزان انرژی کافی برای رسیدن به وزن مخصوص کمینه مورد نظر در تمام سطح عمق مورد نظر را به خاک اعمال نمود. همانگونه که بیان گردید یکی از اهداف با اهمیت در تراکم دینامیکی خاک افزایش عمق بهسازی خاک می باشد.


بررسی تأثیر تعداد ضربه بر جرم مخصوص خاک


شکل (18) و (19) تغییرات دانسیته و شکل (20) کانتورهای نسبی در ضربات متوالی کوبه را در عمق بهبود نشان می دهند. با بررسی تغییرات وزن مخصوص در عمق بهبود، در ضربات متوالی می توان تعداد ضربات لازم برای رسیدن به تراکم نسبی مورد نیاز را تعیین کرد و عملیات کوبش را به محض رسیدن به بهبود مورد نظر در لایه خاک خاتمه داد.

(1):

رابطه تعداد ضربه بر جرم مخصوص خاک
شکل (18) تغییرات وزن مخصوص در عمق بهبود در ضربه اول
شکل (18): تغییرات وزن مخصوص در عمق بهبود در ضربه اول

شکل (19) تغییرات وزن مخصوص در عمق بهسازی در ضربات متوالی
شکل (19): تغییرات وزن مخصوص در عمق بهسازی در ضربات متوالی
شکل(20) کانتورهای افزایش وزن مخصوص نسبی
شکل:(20) کانتورهای افزایش وزن مخصوص نسبی

همان طور که مشاهده می شود، در این عمق با افزایش تعداد ضربات، وزن مخصوص خاک افزایش می یابد. مقادیر دانسیته نسبی با استفاده از رابطه 1-4 به ترتیب پس از ضربه اول 50% و در ضربات بعدی به ترتیب 55%، 65%، 75%، 90% به دست می آید. لذا درصورتی که هدف رسیدن به تراکم 75 % باشد اعمال 4 ضربه به نظر مطلوب می باشد.


بررسی تغییرات تنش مؤثر، تنش کل و فشار حفره ای


در شکل (21) نمودار تغییرات تنش کل، تنش موثر و فشار حفره ای در اعماق مختلف نشان داده شده است.

شکل (28) نمودار تغییرات تنش مؤثر، تنش کل و فشار حفره ای با عمق
شکل (28): نمودار تغییرات تنش مؤثر، تنش کل و فشار حفره ای با عمق

بررسی نتایج نشان می دهد با افزایش عمق، تنش مؤثر در خاک تحت تراکم دینامیکی کاهش می یابد. علت موضوع را می توان در متراکم بودن لایه های بالایی خاک و درنتیجه تحمل بالاتر بار توسط آن ها در لایه های متراکم فوقانی دانست که باعث کاهش آن با افزایش عمق و افزایش تنش مؤثر در لایه های فوقانی می گردد. همان طور که از این شکل مشخص است، به علت مکش در لایه های سطحی میزان فشار آب حفره ای منفی است که با افزایش عمق مکش کاهش یافته و در نهایت از بین رفته است. جایی که خاک زیرین در معرض روش منارد قرار گرفته است، لازم است عمق بهبود برآورد گردد. توجیه آن استفاده از روند ضربه ای برای نیل به متراکم سازی معنا دار تا عمق هایی بیشتر از آنچه به طور معمول می توان با تجهیزات تراکم سنتی یا تجهیزات با بار سنگین، هم استاتیکی و هم ارتعاشی به آن رسید، می باشد. گزارش شده که حداکثر عمقی را که می توان با روش های تراکم سنتی اصلاح کرد 0.6 متر می باشد، اما عمق اصلاح توسط تراکم دینامیکی بسیار بیشتر از عمق اصلاح به وسیله روش های تراکم سنتی است. نتایج حاصل از تحقیق حاضر نیز افزایش عمق بهبود خاک و در نتیجه کلیه پارامترهای مکانیکی خاک را تحت تأثیر خود قرار می دهد.

بحث و نتیجه گیری

همانگونه که بیان گردید هدف از تحقیق حاضر، مدلسازی عددی تراکم دینامیکی خاک با استفاده از نرم افزار دو بعدی FLAC بوده است. مطابق اهداف در نظر گرفته شده برای تحقیق منطقه آبادان به عنوان محدوده مورد مطالعه انتخاب و پس از آزمایش های میدانی و استخراج پارامترهای خاک با در نظر گرفتن الگوهایی اقدام به مدلسازی گردید. در این بخش خلاصه ای از نتایج به دست آمده ارائه گردیده است.

1. با توجه به توزیع تنش کل در خاک عمق تأثیر در خاک تخمین زده شد. نتایج 9 مدل به صورت نمودارهای مقایسه ای و جداولی ترسیم شد. این نتایج نشان داد که افزایش وزن کوبه در ابتدا باعث افزایش عمده عمق تأثیر و با افزایش وزن کوبه به مقادیر بالاتر باعث افزایش جزئی آن می گردد.

2. حداکثر تغییر شکل خاک در محل ضربه کوبه مشاهده شد، این میزان در عمق خاک کاهش یافت.

3. مقایسه نمودارها نشان داد که تنش مؤثر در خاک تحت تراکم دینامیکی با افزایش عمق کاهش می یابد. علت موضوع را می توان در متراکم بودن لایه های بالایی خاک و در نتیجه تحمل بالاتر بار توسط آنها در لایه های متراکم فوقانی دانست که باعث افزایش تنش مؤثر در لایه های فوقانی و کاهش آن با حرکت به سمت عمق خاک می گردد.

4. با تفاضل تغییرات فشار حفره ای از تنش کل، تغییرات تنش مؤثر در عمق خاک به دست آمد و نشان داد که این تغییرات در عمق خاک کاهش می یابد.

مرجع:

حسان کمالپور اصل، مرتضی بختیاری، جواد احدیان “بررسی تأثیر پارامترهای شعاع کوبه و تعداد ضربه بر بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی در راستای احداث سازه های دریایی” مجله علوم و فنون دریایی دوره 18 ، شماره 4، زمستان 1398

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

سایر مقاله ها

مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)

یکی از مسائل پیش رو در رشته مهندسی عمران، ارزیابی [...]


بیشتر بخوانید

اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)

عملیات بهسازی خاک یکی از رایج ترین و مقرون به [...]


بیشتر بخوانید

مقایسه انکراژ تزریقی با انکر های مارپیچ (Injectable anchorage and helical anchorage)

امروزه پایدارسازی گودهای ساختمانی یکی از مهمترین مراحل اجرای یک [...]


بیشتر بخوانید

استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)

امروزه اهمیت فعالیت­ های ژئوتکنیکی در پروژه های عمرانی بر [...]


بیشتر بخوانید