تراکم دینامیکی به عنوان یکی از روش های بهسازی زمین مطرح است که با توجه به فراگیری زیاد آن هنوز فرآیند هایی که اتفاق می افتد به صورت کامل مشخص نیست و به صورت تجربی و نیمه تجربی انجام می شود. در این مقاله برای روشن کردن ابهامات فرآیند تراکم دینامیکی و مدل سازی عددی تراکم دینامیکی در خاک دانه ای با استفاده از نرم افزار Flac و روش تفاضل محدود انجام می شود. در این بررسی مدل رفتاری خاک، مدل پلاستیک موهر کولمب غیر همراه در نظر گرفته شده است. با توجه به همه نتایج این مدلسازی، می توان میزان بهسازی زمین در اعماق مختلف را تخمین و نیز میزان تعداد ضربات مورد نیاز برای رسیدن به حد بهینه را تعیین و به دست آورد. این روش می تواند روشی مناسب برای طراحی پروژه های بهسازی در روش تراکم دینامیکی باشد.

روش تراکم دینامیکی یکی از مهمترین روش های بهسازی زمین می باشد. این روش شامل اعمال ضرباتی تکراری و با انرژی زیاد بر سطح خاک با استفاده از کوبه هایی با وزن 5 تا 40 تن و با ارتفاع 10 تا 30 متری می باشد. استفاده از روش تراکم دینامیکی به دلیل این است که در این روش تجهیزات و تکنولوژی لازم به روشی ساده در دسترس قرار دارد. بنابراین این روش یکی از متداول ترین روش های بهسای خاک به حساب می آید. ولی از آنجایی که اساس طراحی هنوز هم به صورت تجربی است و متغیرهای زیادی دارد، در روش تراکم دینامیکی برای رسیدن به یک الگوی بهینه کوبش در چند ناحیه، تراکم آزمایشی همراه تعدادی آزمایش، قبل و بعد از کوبش انجام می شود. با توجه به هزینه های بالایی که در آزمایش تراکم آزمایشگاهی و آزمایش های مد نظر وجود دارند می توان با مدل سازی (شبیه سازی) عددی دقت را بالا برد تا بتوان این کار را به راحتی انجام داد. در سالیان گذشته چندین مطالعه عددی در زمینه تراکم دینامیکی و تهیه روش طراحی نظری (تئوری) ارائه گردیده که در گذشته محققین با بررسی های انجام شده به نتایج زیر دست یافتند:

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

2. پس از آن، 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 آباکوس (ABAQUS) پاسخ خاک به ضربه جسم صلب را به صورت عددی تحلیل کردند.

4. رفتار ماسه خشک تحت اثر بار ضربه را با استفاده از برنامه اجزای محدود تشریح کردند.

5. با استفاده از مدل رفتاری ارتجاعی خطی (الاستیک خطی) و غیر خطی با استفاده از برنامه

ANSYS به تحلیل عددی تراکم دینامیکی در خاک های دانه ای پرداختند.

6. با استفاده از برنامه کامپیوتری تعمیم یافته pisa تراکم دینامیکی در خاک های دانه ای با استفاده از دو مدل رفتاری الاستوپلاستیک و تحلیل دینامیکی تحلیل شده است.

در این پژوهش، شبیه سازی عددی عملیات تراکم دینامیکی در خاک های دانه ای با نرم افزار Flac 2d 4.2 و روش تفاضل محدود و با مدل رفتاری موهر کلمب غیر همراه استفاده شده است. در این روش، تحلیل ها با فرض تقارن محوری، تنها نیمی از توده خاک و کوبه به صورت دو بعدی مدل شده است.

نرم افزار تفاضل محدود FLAC

FLAC یک برنامه تفاضل محدود صریح برای محاسبات مکانیکی مهندسی است. این نرم افزار قابلیت شبیه سازی رفتار سازه های بنا شده در خاک، سنگ و سایر مصالحی را که با رسیدن به حد تسلیم، جریان خمیری پیدا می کنند را دارا می باشد. در این نرم افزار از آنجایی که در برنامه نویسی این نرم افزار، ماتریسی تشکیل نمی شود؛ محاسبات دو بعدی وسیعی را می توان بدون نیاز به حافظه اضافی انجام داد. در این برنامه دسترسی به سختی و یا جرم برای کاربر امکان پذیر نمی باشد و سختی محیط برای شناسایی و محاسبه گام های زمانی تعبیه شده است و امکان شبیه سازی رفتارهای غیر خطی مصالح را فراهم می کند و علاوه بر این کاربر خود می تواند محیطی را تعریف کند.

انتخاب محدوده مناسب مدل و تشکیل شبکه المان در نرم افزار FLAC

برای انتخاب محدوده مناسب برای مدل در مدل سازی عددی روش تراکم دینامیکی در نرم افزار FLAC باید توجه داشت، ابعاد مدل به اندازه کافی بزرگ باشد تا تاثیر مرزها بر روی رفتار مدل، به میزان کمینه برسد. مرزهای مدل، باید در این روند به مقدار کافی دور انتخاب گردد. به صورتی که وضعیت تنش ها و تغییرشکل ها در این نقاط مرزی، قبل و بعد از اعمال تغییرات در مدل تفاوت چندانی نداشته باشد. در ساخت شبکه المان ها باید توجه شود که در مناطق حساس، به تعداد کافی المان برای رسیدن به جواب با دقت لازم فراهم شود. این المان ها باید در محل برخورد وزنه به حد کافی ریز باشد تا تغییرات شدید تنش و تغییر مکان را نشان داده و قابل مشاهده باشد. باید سعی شود که حجم محاسبات تا حد امکان کم باشد و همچنین نباید تغییر المان ها به صورت ناگهانی در مدل اتفاق بیافتد زیرا که در این حالت انتقال داده ها دچار خطا می شود. مسئله دیگری که می توان در مورد شبکه بندی آنالیزهای دینامیکی مطرح کرد، تامین ابعاد مناسب زون ها برای کنترل گذردهی امواج است. در اثر شرایط انجام مدلسازی ممکن است، انحراف عددی در انتشار امواج ایجاد شود.

براي اطمینان پیدا کردن از انتقال درست و صحیح امواج، اندازه مخصوص زون باید کوچک تر یا مساوی تا طول موج ایجاد شده توسط بالاترین فرکانس امواج ورودی به سیستم باشد؛ به عبارتی:

λ، طول موج ایجاد شده به وسیله بزرگ ترین مؤلفه فرکانس امواج ورودی به سیستم است که قادر به تولید انرژی می باشد.

مدل سازی ضربه در مدل سازی عددی روش تراکم دینامیکی در نرم افزار FLAC

کامل ترین و به عبارتی می توان گفت دقیق ترین راه برای مدل سازی، به کار بردن فرمولاسیون تماس بین دو یا چند جسم در حال حرکت است. در این روش برای سادگی هر چه بیشتر از روش جسم صلب برای مدل سازی ضربه استفاده می شود. این به این معناست که ورودی برنامه، سرعت اولیه گره های کوبه است که از معادله سقوط آزاد اجسام حساب می شود. بعد از تماس کوبه با سطح زمین، شتاب کوبه به سرعت کاهش می یابد تا زمانی که وزنه می ایستد و به سمت بالا حرکت می کند. این عمل سبب شده تا تغییر علامت در شتاب کوبه رخ دهد و در نتیجه سبب می شود تا المان های وزنه، المان های خاک را به سمت بالا بکشد و سبب ایجاد تنش کششی در آنها شود. در ابتدا آنالیز در جهت جلوگیری از وقوع این کشش غیر واقعی در خاک، به مدت طولانی تری انجام می شود. سپس با بررسی نمودار تغییرات سرعت المان هاي 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 گردد. در این مطالعات، مدت 0.2 ثانیه در نظر گرفته شد. در شکل 1 شاهد تاریخچه سرعت کوبه هستیم:

این پژوهش به گونه ای عمل کرده است که عملیات کوبش به محض رسیدن به حالت بهینه مورد نظر در لایه خاک پایان یابد و فرآیند تراکم بهینه باشد.

براي بررسی تأثیر ضربات متوالی در تراکم خاک، تحلیل هایی انجام شده است. انرژی در این تحلیل ها 115 تن متر فرض شده است که با پرتاب یک کوبه 10 تنی از ارتفاع سقوط 11.5 متر اعمال می شود. خاک مورد نظر در این پژوهش ماسه خشک نرم با 40% =Dr است. زیرا در این حالت فشار آب حفره ای به وجود نمی آید. در این تحلیل ها، مشخصه های ژئوتکنیکی و شعاع وزنه به صورت زیر است:

1. زاویه اصطحکاک داخلی (φ): 30 درجه

2. مدول الاستیک (Ε): 200 kg/cm²

3.ضرب پواسون (ν): 0/3

4. چگالی (ρ): 1565 kg/cm²

5. شعاع وزنه: یک متر

بعد از آنکه هر ضربه اعمال شد با توجه به ایجاد تغییر شکل های بزرگ در محل برخورد کوبه باید تغییراتی شامل حذف یا اضافه کردن المان ها و اصلاح مختصات گره ها در مدل ایجاد نمود. با پیگیری و بررسی تغییرات ایجاد شده چگالی در عمق بهبود، با ایجاد ضربات پی در پی می توان تعداد ضربه های لازم جهت رسیدن به تراکم نسبی را مشخص کرد و عملیات کوبش را در هنگام رسیدن به بهبودی مورد نظر در لایه خاک پایان داد. در این مقاله با توجه به عملیات و بررسی های انجام شده، عمق بهبود خاک 3.5 متر است. عمق بهسازی را می توان این گونه تعریف کرد: عمقی از ستون خاک که بعد از اعمال ضربه اول، افزایش تراکم نسبی خاک پایین تر از آن، کمتر از 5 درصد باشد. مثلا در شکل 2، چگالی خاک با افزایش تعداد ضربه های اعمال شده افزایش پیدا کرده است. با توجه به مقدار چگالی خشک بیشینه و کمینه خاک که به ترتیب 1900 و 1400 کیلوگرم بر متر مکعب فرض شده است، با استفاده از رابطه 2 مقدار چگالی نسبی پس از ضربه اول، 45 درصد و در ضربات اعمالی بعد به ترتیب 58، 62، 75 و 87 درصد حاصل می شود. در نتیجه در صورتی که تراکم نسبی مد نظر 87 درصد باشد، اعمال 5 ضربه مطلوب است. در هر قسمت از مراحل، تغییرات ضریب تغییر شکل پذیری خاک در عمق با استفاده از رابطه 3 موجود در نرم افزار FLAC محاسبه و اعمال می شود.

رابطه 2:

رابطه 3:

در σ’_v تنش موثر خاک در عمق مورد نظر است.

از آنجایی که میزان بیشینه اصلاح شده معمولا در 1/2 تا 1/3 عمق تاثیر تراکم دینامیکی حاصل می شود، باید با وارد کردن ضربات بیشتر، میزان انرژي مورد نیاز براي رسیدن به وزن مخصوص کمینه مورد نظر در تمام سطح عمق مورد نظر را به خاك اعمال کرد. با توجه به نتایج حاصله از اندازه گیری های شیب سنجی که در فاصله سه متری از نقطه ضربه به دست آمده، باید این اعماق ( 1/3 تا 1/2 عمق موثر) در بازه بیشینه تغییر شکل افقی قرار گیرند. بنابراین در این مقاله با بررسی نمودار تغییر شکل افقی در عمق، پس از هر ضربه، تعداد ضربه هایی که منجر به ایجاد بیشینه تغییر شکل افقی در عمق بهبود موردنظر می شود، به عنوان تعداد ضربه بهینه انتخاب می گردد.

شکل 3 توزیع تغییر مکان های افقی در عمق، در فاصله سه متری از مرکز کوبش را در ضربات اول، سوم و هشتم نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، در این تحلیل، بیشینه تغییر شکل افقی در عمق مورد نظر در ضربه هشتم ایجاد شده است.

صحت سنجی نرم افزار Flac با شبیه سازی عملیات تراکم دینامیکی در مناطق پتروشیمی عسلویه

در فاصله 290 کیلومتری بندر بوشهر، مجتمع پتروشیمی عسلویه قرار گرفته است. بخشی از اراضی مورد نیاز با توجه به شرایط خاص توپوگرافی و محدودیت زمین، به صورت اراضی استحصال از دریا پیش بینی شده است. در این سایت بر اساس بررسی های صورت گرفته با توجه به سطح آب زیرزمینی، جنس مصالح، ضخامت خاكریزی و امکانات موجود در کشور، روش تراکم دینامیکی به عنوان یکی از روش های بهسازی زمین انتخاب شده است.

مصالح مصرف شده برای خاكریزی شامل شن ماسه دار همراه با مقداری قلوه سنگ با میزان بیشینه 15 درصد ریزدانه است و منطقه استحصال شده از لحاظ عمق بهسازی به چهار بخش تقسیم شده است. در این مقاله، نتایج مدل سازی عددی عملیات تراکم دینامیکی در ناحیه سوم ارائه و با نتایج آزمایش های کنترلی موجود مقایسه می شود.

تعیین پارامترهای خاک برای مدل سازی در نرم افزار FLAC

پارامترهای مصالح ریخته شده در بهسازی زمین به روش تراکم دینامیکی با توجه به نتایج آزمایش های انجام شده در منطقه عسلویه به صورت زیر می باشد:

1. ضریب ارتجاعی (مدول الاستیک) خاک.

عمق 0 تا 5: 480 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

عمق 5 تا 10: 240 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

ضریب ارتجاعی کوبه: 10^4*21.5 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

2. زاویه اصطکاک داخلی خاک.

عمق 0 تا 5: 32 درجه

عمق 5 تا 10: 30 درجه

ضریب پواسون خاک = 0.3

ضریب پواسون کوبه = 0.15

مدل سازی تراکم دینامیکی عسلویه در نرم افزار FLAC

مدل سازی تراکم دینامیکی عسلویه در نرم افزار FLAC در شکل 4 قابل مشاهده می باشد. برای مدل کردن ضربه از اعمال سرعت اولیه به گره های تشکیل دهنده کوبه در مدل استفاده می شود. در شکل 5 نتایج به دست آمده از محاسبات برای عمق چاله را در کنار نتایج اندازه گیری شده در سایت براي چند نقطه کوبش در ناحیه سوم را نشان می دهد. نتایج حاصله تطابق قابل قبولی با مقدار اندازه گیری ها در هر منطقه دارد.

طراحی و مدل سازی عملیات تراکم دینامیکی عسلویه با نرم افزار FLAC 2D 4.2

با توجه به این که هدف اصلی از عملیات تراکم دینامیکی در این منطقه، حذف پتانسیل روانگرایی است، کمینه عددی SPT مورد نیاز براي حذف پتانسیل روانگرایی، در عمق محاسبه شده، سپس با رابطه 4 چگالی نسبی مورد نیاز در اعماق مختلف به دست می آید.

رابطه 4:

در شکل 6 عدد SPT کمینه مورد نیاز برای حذف پتانسیل روانگرایی در اعماق مختلف و در هر 2 متر ارائه شده است.

در این مقاله با توجه به ضخامت زیاد لایه روانگر (10 متر)، عملیات بهسازی زمین به روش تراکم دینامیکی را در سه مرحله انجام می دهیم که به ترتیب عبارتند از:

1. تراکم سنگین.

2. تراکم متوسط.

3. تراکم سبک.

ابتدا با استفاده از رابطه 5 و عمق بهبود مورد نیاز، ارتفاع و جرم سقوط کوبه را فرض کرده و ضربه اول را تحلیل می کنیم:

رابطه 5:

H ارتفاع سقوط کوبه بر حسب متر.

DI عمق تاثیر بر حسب متر.

n ضریب تجربی.

W وزن کوبه برحسب تن.

با توجه به بررسی های انجام شده، نتایج حاصل از نتایج کوبش در منطقه عسلویه 0/3 – 0/35 است.

با استفاده از رابطه (5) و با توجه به تجهیزات موجود، جرم و ارتفاع کوبه را باید به میزانی تغییر بدهیم تا تراکم نسبی حدود 5 درصد شود. در این مقاله مقدار n عدد 3 به دست آمده است. پس از تعیین جرم و ارتفاع سقوط کوبه، ضربات بعدی را اعمال می نماییم. در هر مرحله با بررسی نمودار تغییر شکل افقی در عمق، پس از هر ضربه، تعداد ضربه هاي 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 های افقی در عمق در پایان هر مرحله در شکل 7 ارائه شده است. گسترش افقی ناحیه بهبود یافته نیز در پایان هر مرحله با استفاده از کانتورهایی نظیر چگالی نسبی تعیین می گردد. معیار در نظرگرفته شده براي گسترش افقی تراکم، کانتور افزایش تراکم نسبی به میزان 5 درصد می باشد. با بررسی گسترش افقی ناحیه بهبود یافته، فاصله بین نقاط کوبش را می توان تخمین زد. شکل هاي (8) تا (10) کانتور چگالی نسبی را در هر سه مرحله کوبش برای ضربه اول و آخر نشان داده است. همان طور که در شکل (8) قابل مشاهده است. گسترش افقی تراکم در مرحله اول پس از اعمال اولین ضربه، حدود 3 متر است که پس از اعمال 20 ضربه به 6 متر افزایش پیدا می کند. در نتیجه بیشینه فاصله افقی بین نقاط کوبش مرحله اول را می توان 12 متر در نظر گرفت.

گسترش افقی تراکم پس از اعمال ضربه اول در مرحله دوم کوبش، حدود 2 متر و پس از اعمال ضربه دوازدهم، 3 متر است و در مرحله سوم نیز گسترش افقی ناحیه بهبود یافته پس از ضربه اول حدود 1.5 متر و 2 متر پس از ضربه هشتم است. از مقایسه کانتورهایی نظیر وزن مخصوص نسبی لایه خاك پس از ضربه اول و پس از اعمال ضربه آخر، این نتیجه قابل مشاهده است که با افزایش تعداد ضربات، ناحیه بهبود یافته گسترش پیدا می کند.

الگوی کوبش طراحی شده برای ناحیه سوم عسلویه با مدل سازی عددی تراکم دینامیکی در FLAC

الگوي کوبش طراحی شده در جدول (1) و نمایش نقاط کوبش در شکل (11) ارائه شده است. معیار طراحی عملیات تراکم دینامیکی، حذف پتانسیل روانگرایی برای زلزله ای به بزرگی 7 و شتاب بیشینه 3/0 بوده است. از آنجایی که لایه روانگرا 10 متر است، عملیات تراکم دینامیکی نیز در سه مرحله طراحی شده است. همچنین در پایان عملیات تراکم، لایه سطحی ضعیف شده، طی یک مرحله اتوکشی با یک کوبه سبک، با ارتفاع سقوط کم که در نقاط مجاور هم انجام می شود؛ متراکم می گردد.

(W=15 ton , H= 12 m)

سطح متراکم شده پس از اجرای عملیات تراکم دینامیکی در شکل (12) نمایش داده شده است. تعداد ضربات کوبش در هر مرحله به گونه اي انتخاب شده است که کانتور نظیر دانسیته نسبی معادل دانسیته نسبی مورد نیاز داراي همپوشانی بوده و کل ناحیه متراکم شده باشد.

در پایان این مقاله نتیجه حاصل شده به شرح زیر بیان می شود:

در این مقاله به بررسی نحوه مدل سازی عددی عملیات بهسازی زمین به روش تراکم دینامیکی در خاک های دانه ای خشک با استفاده از نرم افزار 4.0 Flac ^2d  و روش تفاضل محدود پرداخته شد. در این فرآیند، از روش جسم صلب برای مدلسازی ضربه استفاده شد و برای جلوگیری از وقوع کشش غیر واقعی در خاک، ابتدا تحلیل ها در مدت زمانی طولانی تر انجام گردید تا به نتایج قابل قبولی دست یابد؛ سپس با بررسی نمودار تغییرات سرعت المان های کوبه با زمان، مدت زمان صفر شدن سرعت به عنوان زمان تحلیل انتخاب شد. پس از اعمال هر ضربه، با توجه به ایجاد تغییر شکل های بزرگ در محل برخورد کوبه، تغییراتی شامل حذف یا اضافه کردن المان ها و اصلاح مختصات گره ها در مدل ایجاد شد. با مقایسه نتایج به دست آمده از تحلیل های عددی با نتایج اندازه گیری شده در پروژه تراکم دینامیکی عسلویه مشاهده می شود که تطابق خوبی بین مقادیر اندازه گیري شده در منطقه با مقادیر به دست آمده از تحلیل های عددی وجود دارد.  نتایج تحلیل ها نشان می دهد که مدل ارائه شده می تواند مطابق مطالعات انجام شده، با بررسی نمودار تغییرشکل افقی در عمق، پس از هر ضربه، تعداد ضربه هايی که منجر به ایجاد بیشینه تغییر شکل افقی در عمق مورد نظر می شود را به عنوان تعداد ضربه مورد نیاز برای رسیدن به حد مطلوب بهسازی ارائه کند. همچنین عمق و درجه بهسازی، مقادیر تنش و کرنش در مراحل مختلف تراکم و نیز فاصله بین نقاط کوبش را پیش بینی کند.

شبیه سازی عددی تاثیر شکل کوبه در عملیات تراکم دینامیکی

یکی از روشهای مناسب جهت بهسازی خاک ها به ویژه خاکهای دانه ای، روش تراکم دینامیکی (Dynamic Compaction) می باشد. در این روش، انتشار امواج برشی باعث تغییر مکان ذرات و افزایش تراکم خاک های سست می گردد.(شبیه سازی عددی شکل کوبه در تراکم دینامیکی)

در پژوهشی با عنوان “شبیه سازی عددی تاثیر شکل کوبه در عملیات تراکم دینامیکی” تأثیر شکل کوبه در عملیات تراکم دینامیکی خاک در نرم افزار ABAQUS شبیه سازی گردیده است. کوبه های مورد بررسی کروی، استوانه ای تخت و مخروطی با زوایای 60، 90 و 120 می باشد. در تمامی حالات وزن کوبه ها برابر 10 تن و تعداد پرتاب هم 10 عدد در نظر گرفته شده است.

ابعاد مدل خاک ماسه ای ۲۰×۲۰×۲۰ متر فرض شده است. روش اجزای محدود مورد استفاده در این مقاله با شبیه سازی عملیات تراکم دینامیکی در مناطق پتروشیمی عسلویه صحت سنجی گردیده است. بیشترین عمق تراکم دینامیکی خاک به ترتیب در حالت استفاده از کوبه های با مقطع استوانه ای، کوبه های با مقطع مخروطی با زاویه ۱۲۰ درجه، کروی، مخروطی با زاویه ۹۰ درجه و مخروطی با زاویه ۶۰ درجه به دست آمده است

مرجع:

سمیه افتخاری و سید شهاب الدین یثربی، “بهسازی زمین به روش تراکم دینامیکی با استفاده از مدل سازی عددی به روش تفاضل محدود در ماسه خشک” مجله علمی- پژوهشی، « عمران مدرس »، دوره یازدهم، شماره 3، پاییز 1

• keller , Dynamic compaction
• sciencedirect , Dynamic Compaction