ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - مبانی، تاریخچه و نظریه مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی


موضوعات تحقیقاتی موجود در مهندسی ژئوتکنیک با مطالعه یک جزء نمونه خاکی یا سنگی و همچنین با مطالعه کل توده یا سازه ژئوتکنیکی قابل بررسی می باشند. در سازه های ژئوتکنیکی، رفتار مکانیکی خاک به شدت غیرخطی و وابسته به سطح تنش می باشد. بنابراین برای مدل سازی آزمایشگاهی آن ها در مقیاس کوچک می بایست تنش های برجا بازتولید شود تا شرایط تنش در نقاط متناظر مدل و نمونه واقعی یکسان گردد. برای ایجاد تنش های ناشی از وزن نمونه واقعی در یک مدل با مقیاس N/1 می بایست مدل تحت شتاب گرانشی N برابر شتاب گرانشی نمونه واقعی یعنی شتاب ثقل زمین، آزمایش شود. در این شرایط تا حدود بسیار زیادی، مشکل ناشی از خطاهای اثر مقیاس ناچیز می گردد.

نمای ساده از یک دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی جهت مدل سازی
نمای ساده از یک دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

کاربرد مدل سازی فیزیکی در مهندسی عمران با تمرکز بر تحقیقات ژئوتکنیکی


استفاده از مدل سازی فیزیکی سابقه ای طولانی در تحقیقات و مطالعات مهندسی در پروژه های مختلف دارد. مدل فیزیکی در واقع، کوچک شده سازه واقعی به مقیاس مورد نظر است. مدل سازی فیزیکی در مهندسی عمران دارای کاربردهای زیادی هست که می توان به موارد زیر اشاره کرد:


1 – مشاهده فرآیند وقوع یک پدیده

2 – مطالعات پارامتری

3 – شناسایی پدیده های جدید

4 – بررسی صحت روش های تحلیلی یا عددی


اگر مدل فیزیکی بر اساس اصول طراحی ساخته شده باشد، رفتار آن شبیه به واقعیت بوده و با مطالعه مدل فیزیکی می توان اطلاعات بسیار خوبی از واقعیت به دست آورد.

مدل سازی در دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی یکی از ابزارهای مهم در امر پژوهش، آموزش و مسائل کاربردی مهندسی ژئوتکنیک می باشد. روش سانتریفیوژ در واقع ابزاری برای افزایش مقدار تنش وزنی در مدل فیزیکی است. این کار با گردش سبد یا محفظه کوچک حاوی مدل فیزیکی حول محور قائم و با شتاب گریز از مرکز انجام می شود. شتاب گریز از مرکز در دستگاه سانتریفیوژ در راستای افقی وارد می شود و از آنجا که چندین برابر شتاب جاذبه است، در هندسه کوچکتر می توان در مدل فیزیکی، مقدار تنش را مساوی با مقدار واقعی تنش در طبیعت گرفت. به عنوان مثال، اگر دستگاه، شتاب گریز از مرکز 100 برابر شتاب جاذبه زمین را اعمال کند، آنگاه مقدار تنش وزنی در عمق یک متری از مدل فیزیکی برابر با تنش وزنی در عمق 100 متری در شرایط واقعی خواهد بود. با این حال، با اعمال ضرایب تشابه مناسب تلاش می گردد که رفتار واقعی سازه از رفتار مشاهده شده مدل کوچک به دست آید. به دلیل کاهش سطح تنش های اعمالی به مدل های با ابعاد بسیار کوچکتر از سازه واقعی، رفتار مدل به میزان زیادی با رفتار واقعی متفاوت خواهد بود.

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.

اثر جاذبه زمین بر سازه اصلی در واقعیت و مدل کوچک شده در مدل سازی
اثر جاذبه زمین بر سازه اصلی در واقعیت و مدل کوچک شده در دستگاه سانتریفیوژ

به این ترتیب با داشتن مزایای منحصر به فردی از قبیل مدل کردن ارزان قیمت مسائل واقعی، بازسازی میدان تنش های ثقلی، مدل سازی توأم تنش میان دانه ای و فشار آب حفره ای، امکان حصول تغییر شکل های بزرگ، زهکشی در رس ها و ایجاد امکان مدل کردن شرایط سه بعدی، امکان ایجاد شرایط مرزی مناسب و امکان مدل سازی مسائل مرتبط با ترک ها، اندرکنش خاک و سازه به ویژه در بارگذاری های لرزه ای، می توان دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی را از جمله مهم ترین ابزار تحقیقاتی و کاربردی در زمینه مهندسی عمران معرفی نمود.


تاریخچه استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی


ایده استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی اولین بار توسط فیلیپسدر فرانسه به منظور استفاده در مدل سازی پل ها ارائه شد. در حالی که مهندسان انگلیسی در حال پیش روی به سمت پل های بزرگتر بودند، او یک مدل خطی با مقیاس 1/50 برای پل بریتانیا توسط این دستگاه پیشنهاد داد. با این حال این ایده برای 60 سال محکوم به ماندن بر روی کاغذ شد. سال ها بعد، باکیدر دانشگاه کلمبیا با انجام آزمایش هایی به بررسی مدل سازی سقف معدن در دستگاه سانتریفیوژ پرداخت. در همان سال ها دو دانشمند به نام های پوکوفسکیو دیویدنکف در اتحاد جماهیر شوروی به بررسی مسائل مرتبط با خاکریز و پایداری شیب پرداختند. مقاله آن ها در اولین کنفرانس بین المللی خاک و پی منتشر شد.

پژوهش دانشمندان اتحاد جماهیر شوروی در مورد مدلسازی
پژوهش دانشمندان اتحاد جماهیر شوروی در مورد مدل سازی سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

در دو دهه بعد، تعدادی دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی در روسیه ساخته شد و برای بررسی مسائل مختلف مهندسی به کار گرفته شد. در کنار پیشرفت های شوروی و آمریکا، رمبرگ در سوئد و هوک در آفریقای جنوبی آزمایش هایی انجام دادند. در دهه 80 میلادی اشمیت با استفاده از این روش مدل سازی، چاله های ایجاد شده در اثر انفجارهای هسته ای را شبیه سازی کرد. در همان سال ها اسکات، اولین آزمایش های سیکلی و دینامیکی شمع ها را با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ انجام داد. از اوایل دهه 90 میلادی استفاده از این دستگاه افزایش و مطالعات در این فضای مدل سازی توسعه یافت. در حال حاضر بسیاری از دانشگاه های مهم دنیا و مراکز تحقیقاتی نظامی مجهز به دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی هستند. یکی از پیشرفته ترین مراکز مدل سازی سانتریفیوژ در دنیا مرکز تحقیقات کوفس (COFS: Centre for Offshore Foundation Systems) در دانشگاه وسترن استرالیا می باشد. این مرکز دارای 2 دستگاه از نوع بازویی و 1 دستگاه از نوع استوانه ای می باشد. عمده تحقیقات این مرکز بر روی شالوده های دریایی انجام می شود. در ایران نیز 2 دستگاه سانتریفیوژ در دانشکده فنی دانشگاه تهران و پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله وجود دارد.

بزرگترین سانتریفیوژ بازویی مرکز تحقیقات کوفس در دانشگاه وسترن استرالیا به قطر 10 متر
بزرگترین سانتریفیوژ بازویی مرکز تحقیقات کوفس در دانشگاه وسترن استرالیا به قطر 10 متر

نظریه و ساز و کار 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 که با استفاده از نیروی گریز از مرکز 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 در مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی، یک مدل با مقیاس N/1 برابر نمونه واقعی تحت شتاب Ng در دستگاه سانتریفیوژ 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 باشد.

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

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


اساس کار دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی، در مدل سازی 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. بنابراین وزن مخصوص معادل نمونه خاک از رابطه زیر به دست می آید.

وزن مخصوص نمونه خاک

در شکل زیر، نمای ساده ای از یک دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی نمایش داده شده است.

نمای ساده از یک دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
نمای ساده از یک دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

تنش های قائم در موقعیت های مختلف نمونه واقعی و مدل سانتریفیوژی قبل از چرخش با مقیاس 1/n با یکدیگر در ارتباط هستند. در زمان چرخش مقادیر تنش در نقاط مشابه در مدل و نمونه واقعی یکسان است. از طرفی، به علت این که مدل رابطه خطی N/1 با نمونه واقعی دارد، مقدار جابجایی نیز با ضریب N/1 مقیاس می گردد و در نتیجه مقادیر کرنش نیز برای مدل و نمونه واقعی یکسان می باشد. بنابراین می توان گفت که آن بخشی از منحنی تنش – کرنش که در مدل بسیج می شود، دقیقاً معادل نمونه واقعی خواهد بود.


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 : 

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