ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - تئوری، ساز و کار و فرضیات مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

یکی از بهترین روش های بررسی یک پدیده در مهندسی، مدل سازی فیزیکی آن در مقیاس کوچک می باشد. اما در دانش مهندسی ژئوتکنیک، رفتار یک پدیده معمولاً متأثر از سطوح تنش است و با مدل سازی آن در مقیاس کوچک، سطوح تنش مدل نسبت به نمونه واقعی تغییر کرده و نتایج صحیحی حاصل نمی شود. بنابراین استفاده از دستگاه سانتریفیوژ برای مدل سازی در ژئوتکنیک، از مطمئن ترین روش ها است. آگاهی کامل به مبانی و تئوری مدل سازی، چگونگی استخراج روابط بین مدل و نمونه واقعی، فرضیات و خطاهای مدل سازی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی برای ساخت یک مدل از نمونه واقعی و همچنین تعمیم نتایج آن امری ضروری است. روابط بین مدل و نمونه واقعی با استفاده از روش آنالیز ابعادی یا معادله حاکم بر مسئله به دست می آید. نکته قابل توجه این که بعضی از پارامترها مانند زمان و سرعت، بسته به نوع پدیده، دارای ضرایب متفاوتی می باشند.

نمایی از یک دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی متعلق به یک مرکز تحقیقاتی در کشور ژاپن
نمایی از یک دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی متعلق به یک مرکز تحقیقاتی در کشور ژاپن

تئوری و ساز و کار مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی


عنصر مهم و کلیدی در مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی، نمونه خاک در داخل محفظه (باکس) مدل است که در انتهای بازوی دورانی دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی قرار می گیرد که در یک صفحه افقی دوران می کند. این دوران (چرخش) یک میدان شتاب شعاعی ایجاد می کند. به طوری که شتاب در یک نقطه مشخص با استفاده از سرعت زاویه ای (ω) و فاصله از محور دوران (r) به دست می آید. شتاب گرانشی افزاینده توسط ضریب مقیاس (N) که در شتاب ثقل زمین (g) ضرب می گردد، بیان می شود. این حرکت مشابه حرکت یک جسم با جرم ثابت که حول یک محور شعاع ثابت  (r) با سرعت زاویه ای ثابت(ω)  در حال گردش می باشد. در این حالت، جسم مذکور تحت شتاب شعاعی برابر با (rω2) تلاش می کند تا از مدار دورانی به بیرون پرتاب گردد که می بایست نیروی شعاعی برابر با (rω2) به سمت مرکز به جسم وارد شود.

حرکت یک جسم با جرم ثابت با فاصله ثابت از محور دوران حول آن
حرکت یک جسم با جرم ثابت با فاصله ثابت از محور دوران حول آن

به طور خلاصه می توان بیان نمود که اساس کار دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی بر دوران توده خاک مدل، حول محوری قائم با سرعت زاویه ای ثابت استوار است. بر حسب فاصله نمونه خاک، از محور دوران (شعاع دوران r) و نیز سرعت زاویه ای دستگاه (ω)، شتاب شعاعی برابر با (rω2)، چندین برابر شتاب ثقل زمین (g) به توده خاک وارد می شود.


فرضیات مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی


در یک مدل کوچک مقیاس، به منظور تولید تنش های مشابه آنچه در یک سازه واقعی وجود دارد، باید وزن مواد مدل به نسبت مقیاسی که مدل نسبت به نمونه واقعی کاهش یافته است، افزایش یابد. افزایش وزن با استفاده از نیروی گریز از مرکز که با یک دستگاه دوار مناسب ایجاد می شود، قابل دستیابی است. اگر مدل و نمونه واقعی از مصالح با مشخصات مکانیکی یکسان ساخته شده باشند، آنگاه کرنش ها در مدل و نمونه واقعی نیز یکسان می شوند. به عبارت دیگر، اگر یک مدل با مقیاس N / 1 برابر نمونه واقعی تحت شتاب Ng در دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی قرار بگیرد، رفتار مدل شبیه رفتار نمونه واقعی خواهد بود. برای اینکه این مطلب صادق باشد، می بایستی سه فرض ارضا شود که عبارتند از:


1 – مدل یک نسخه صحیح مقیاس شده از نمونه واقعی می باشد.

2 – مدل با مقیاس N/1 تحت شتاب گرانش ایده آل Ng قرار گیرد، مانند نمونه واقعی تحت شتاب g رفتار می کند.

3 – دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی این شتاب ایده آل Ng را ایجاد می کند.


فرض اول


فرض اول این است که مدل به طور دقیق، یک نسخه مقیاس شده از نمونه واقعی می باشد که این امر نیازمند ارضای روابط مقیاس بین مدل و نمونه واقعی می باشد. در بسیاری از موارد، شبیه سازی دقیق بین مدل و نمونه واقعی ممکن نمی باشد. در بعضی موارد، متغیرهای تأثیرگذار شناخته شده اند یا آنهایی که دارای تأثیر نسبتاً کمی می باشند، حذف می گردند. مدل کردن یک نمونه واقعی با مقیاس کوچک به ویژه با ضرایب مقیاس بزرگ، برخی از جزئیات نمونه واقعی را نادیده می گیرد. این مسئله در بعضی اوقات تأثیر کمی دارد؛ اما گاهی ممکن است خیلی مهم و حائز اهمیت باشد. به عنوان مثال، در مدل سازی با دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی، فرآیندهای تکتونیک گرانشی، مقدار ضریب مقیاس (N) در حدود 10000 می باشد. در این گونه شبیه سازی، مدل سازی یک لایه سنگ با ضخامت کم از لحاظ عملی ممکن و میسر نمی باشد. با این حال، چون ساختارهایی که مدل می شوند، دارای ابعادی در حد چند کیلومتر هستند، این محدودیت، پاسخ های مسئله را تحت تأثیر قرار نمی دهد. در مقابل، گاهی این محدودیت ها جواب مسئله را تحت الشعاع قرار می دهند. به عنوان مثال، درزهای باریک در نمونه واقعی، ممکن است رفتار مورد مطالعه را کنترل کند و در نتیجه باید به درستی آنها را در مدل، مقیاس نمود.

مقیاس کردن نمونه واقعی در یک مدل کوچک ممکن است در پارامترهایی تأثیر بگذارد که در رفتار نمونه تأثیری نداشته اند، اما همین پارامترها رفتار مدل را به شدت تحت تأثیر قرار می دهند. به عنوان مثال، در مطالعه رفتار پی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی، معمولاً اندازه ذرات را مقیاس نمی کنند. در این مورد، مدل پی را می توان به میزانی که اندازه دانه های خاک بر رفتار پی تأثیر نگذارند، مقیاس کرد. روش دیگر برای مقابله با این اثرات، کنترل سازگاری داخلی، آزمایش با استفاده از روش مدل سازی مدل می باشد. این روش عبارت است از مدل سازی یک نمونه واقعی در مقیاس های متفاوت، با انتخاب سطح شتاب (g) برای هر مقیاس به طوری که حاصل هر ضریب مقیاس و سطح شتاب (g) مربوط به آن، همواره یکسان باشد. بنابراین اگر نتایج آزمایش یک مدل با مقیاس 1 به 100 یک نمونه مشخص تحت شتاب 100 برابر (g) با نتایج آزمایش یک مدل با مقیاس 1 به 20 همان نمونه که تحت شتاب 20 برابر (g) یکسان باشد، می توان نتیجه گرفت که اثرات مقیاس (خطاهای ناشی از مقیاس کردن نمونه) قابل توجه نمی باشد.


فرض دوم


فرض دوم این است که مدل با مقیاس 1 به (N) زمانی که تحت شتاب ایده آل (Ng) قرار می گیرد، همانند نمونه واقعی تحت شتاب (g) رفتار می کند. این فرض نیاز دارد تا برای یک مدل صحیح مقیاس شده، مصالح استفاده شده در ساخت مدل در شتاب (Ng) دارای ویژگی های مشابه مصالح در شتاب (g) باشند؛ بر این اساس مقیاس کردن بر پایه ویژگی های مصالح در شتاب (g) انجام می شود. همچنین باید پدیده هایی که در نمونه واقعی تحت شتاب (g) اتفاق می افتد، در مدل تحت شتاب (Ng) اتفاق بیفتد.

ویژگی های مصالح زمانی که مقدار شتاب گرانش تغییر می کند، عوض نمی شود. ویژگی های مصالح، جدای از وزن آن ها، با غشاهای الکترونی اتم های مصالح تشکیل دهنده، تعیین می شود. زمانی که شتاب محیط (g) عوض می شود، اثرات آن در مرکز جرم اتم و نه در غشاهای الکترونی آن مشاهده می شود. در نتیجه، اگرچه وزن مخصوص مواد تغییر می کند، ویژگی های مواد تحت شتاب (Ng) نسبت به شتاب (g) بدون تغییر باقی می ماند.


فرض سوم


فرض سوم این است که دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی شتاب گرانش ایده آل (Ng) را ایجاد می کند. شتاب گرانش ایده آل، شتاب گرانشی است که در سطح یک سیاره با گرانش (Ng) وارد می شود. زمین به عنوان سیاره ای با شتاب (Ng) که در آن ضریب مقیاس (N) برابر با یک می باشد، در نظر گرفته می شود. هر جرم قرار گرفته روی سطح یک سیاره تحت تأثیر دو نیرو قرار دارد که وزن آن جرم را تشکیل می دهند. یک نیرو، نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش (دوران) سیاره به دور محور خود و نیروی دیگری ناشی از گرانش است و با قانون جاذبه نیوتن به دست می آید. در سطح زمین، مقدار نیروی گریز از مرکز بسیار کوچک می باشد و می توان آن را نادیده گرفت. جهت میدان گرانش در سطح زمین به سمت مرکز می باشد. بنابراین شبیه سازی ایده آل میدان گرانش، نیازمند عدم تغییر مقدار (g) در مقدار و جهت در تمام نقاط داخل مدل می باشد.


منابع


  • معماری، فرزاد، “بررسی رفتار مونوپایل تحت بارگذاری جانبی در خاک کربناته با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی”، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، شهریور 1398
  • معین، بهزاد، “مبانی مدل سازی پدیده های ژئوتکنیکی با دستگاه سانتریفیوژ”، پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور، دانشگاه ارومیه، شهریور 1393
  • مرادی، محمدعلی، جعفریان، یاسر، “تاریخچه، تئوری و خطاهای مدلسازی در آزمایش های سانتریفیوژ ژئوتکنیکی”، اولین کنفرانس ملی مکانیک خاک و مهندسی پی، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، آذر 1393

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک 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 : 

مطالب مرتبط :

سایر مقاله ها

روش های محاسبه ظرفیت باربری جانبی شمع (Lateral bearing capacity of pile)

در طی سالیان گذشته، محققان، روش های مختلفی را برای [...]


بیشتر بخوانید

شاخص های آسیب پذیری خاک در برابر روانگرایی (Soil liquefaction indicator)

تمامی خاک ها در برابر روانگرایی آسیب پذیر نیستند، بنابراین [...]


بیشتر بخوانید

انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)

انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و [...]


بیشتر بخوانید

پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

با توجه به اهمیت زیاد شالوده در پایداری سازه ها، [...]


بیشتر بخوانید