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.

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.

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 :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها Different Types of Element Test for Soil) Liquefaction Assessment)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی (Offshore geotechnical Site Investigation)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
• معایب و خطاهای آزمایش برش مستقیم Disadvantages of) Direct Shear Test)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW چیست؟ (Multichannel Analysis of Surface Waves)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• مبانی، تاریخچه و نظریه مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
• قوانین مقیاس و کاربرد‌های مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
• تئوری، ساز و کار و فرضیات مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
• خطا ها و محدودیت ها و مزایای مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
• مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
• بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
• مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)
• بررسی موردی عملکرد ستون های جت گروتینک در بهسازی بستر پی گسترده
• بهسازی خاک به روش میکروپایل یا ریز شمع (Micropile & Underpinning)
• بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک
• اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)
• در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
• آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
• ژئوتکستایل چیست؟ (?What is a Geotextile)
• ژئوممبران چیست؟ (?what is geomembrane)
• ژئوفوم چیست؟ (What is Geofoam)
• فوم بتن چیست؟ (What is Foam Concrete)
• جی سی ال چیست؟ (?what is GCL)
• استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار GEOSLOPE
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار ABAQUS
• معرفی نرم افزار FLAC
• معرفی نرم افزار MIDAS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
• رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
• گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
• گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
• گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله

مطالب مرتبط :

• ucdavis , Principles of Centrifuge Modeling
• springer , centrifuge modelling of geotechnical