ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)

یکی از مسائل پیش رو در رشته مهندسی عمران، ارزیابی رفتار سازه ها و طراحی بهینه آنها می باشد. این طراحی در محیط خاک به دلیل تخلخل و تنش های موجود، شکل پیچیده تری به خود می گیرد. از مهم ترین ابزار های ارزیابی رفتار سازه های مهندسی می توان به مدل سازی اشاره کرد. مدل سازی در مهندسی ژئوتکنیک می تواند به صورت تحلیلی، عددی و یا فیزیکی (آزمایشگاهی) مورد استفاده قرار بگیرد. مدل سازی های عددی، با فرض رفتارهای خطی و غیرخطی خاک امری مشکل به نظر می آید. از سویی دیگر، مدل های ریاضی بر فرضیاتی استوار هستند که گاهی ممکن است در طبیعت برقرار نباشند و در نهایت ممکن است تمام پدیده های فیزیکی حاکم بر مسئله به درستی در مدل نظری توصیف نشده باشند. از این رو، در میان ابزار های گفته شده مدل سازی فیزیکی به دلیل ایجاد ارتباط صحیح و منطقی میان مدل واقعی و مدل آزمایشگاهی، همواره مورد توجه مهندسین ژئوتکنیک بوده است. این نوع از مدل سازی به دلیل قابلیت بالای اطمینان در طراحی می تواند جهت صحت سنجی دیگر مدل های تحلیلی و عددی به کار رود.


انواع روش های پژوهش در مهندسی ژئوتکنیک


از یک نگاه جامع می توان روش های پژوهش جهت شناخت و بررسی پدیده های ژئوتکنیکی را به بخش های زیر تقسیم بندی نمود:


1- روش های حدی: این روش ها در خصوص بررسی رفتار پدیده های ژئوتکنیکی در چهار بخش روش تعادل حدی، روش تحلیل حدی، روش مشخصه های تنش و روش خطوط تغییر طول صفر دسته بندی می گردد.

2- روش های عددی: این روش ها به صورت گسترده برای حل مسائل ژئوتکنیکی به کار می روند. هدف اصلی مدل های عددی، حل معادلات حاکم بر مسئله است. تاکنون از روش های مختلفی برای مدل سازی عددی استفاده شده است. روش های تفاضل محدود، اجزای محدود و اجزای مجزا را می توان به عنوان متداول ترین روش ها ذکر نمود. لازم به توضیح است که روش اجزای مرزی نیز در حال توسعه است. اما مشکل استفاده از روش های عددی به صورت عمده، مربوط به تعیین دقیق متغیرهای ورودی است. در ضمن، نتایج مدل های عددی بستگی به نحوه استفاده کاربر از مدل دارد. زیرا مسائلی مانند تغییر ابعاد و نوع عناصر (المان ها) و تعریف نوع و فاصله شرایط مرزی موجب تغییر نتایج می گردد. ولی در طرف مقابل، روش های مبتنی بر تعادل حدی کمتر تابع کاربر هستند.

3- روش های آزمایشگاهی: تحقیقات انجام شده در زمینه ساخت مدل های آزمایشگاهی باعث فهم هرچه بهتر و دقیق تر موضوع شده و در غنی کردن دستورالعمل ها و آیین نامه های طراحی و نزدیک کردن هر چه بیشتر روند روش های طراحی نسبت به واقعیت می گردد. یکی از چالش های مدل ژئوتکنیکی آزمایشگاهی به ویژه در سازه های بلند و حجیم، اثر دادن مقدار تنش ایجاد شده در واقعیت نسبت به مدل می باشد. از جمله قوی ترین و بهترین ابزارهای شناخت رفتار سازه های ژئوتکنیکی در شرایط فقدان تاریخچه موردی معتبر از پدیده، مدل سازی فیزیکی آن پدیده در شرایط شتاب بالا می باشد. به همین دلیل و همچنین برطرف نمودن محدودیت های مدل آزمایشگاهی کوچک مقیاس و مدل سازی عددی، در این نوشتار بیشتر به توصیف و بررسی مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ پرداخته شده است.

انواع روش های پژوهش در مهندسی ژئوتکنیک
انواع روش های پژوهش در مهندسی ژئوتکنیک

انواع پژوهش های آزمایشگاهی در مهندسی ژئوتکنیک


پژوهش های آزمایشگاهی را می توان به موارد زیر تقسیم بندی نمود:


الف – نمونه های کوچک در دستگاه های آزمایش برش مستقیم، سه محوری و کرنش مسطح

ب – مدل های کوچک مقیاس و متوسط مقیاس تحت بارگذاری استاتیکی (مونوتونیک) و یا لرزه ای (سیکلیک) با استفاده از میز لرزه

ج – مدل های کوچک مقیاس در دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

د – مدل های با مقیاس واقعی یا رفتارنگاری در پروژه های واقعی

نمونه خاکی به صورت لایه به لایه در بررسی پدیده ژئوتکنیکی
نمونه خاکی به صورت لایه به لایه

با توجه به این که آزمایش های میدانی (مدل های با مقیاس واقعی یا رفتارنگاری در پروژه های واقعی) نیاز به تجهیزات خاص دارد و انجام آن ها مقرون به صرفه نیست، بیشتر مطالعات انجام شده جهت بررسی پدیده های ژئوتکنیکی، به صورت مدل سازی عددی بوده است. یکی از مشکلات این روش صحت سنجی نرم افزار مورد استفاده می باشد. از این رو، توصیه می گردد با استفاده از روش های مختلف، موضوع مورد مطالعه، بررسی گردد.

روش های مختلف پژوهشی جهت استفاده در تحقیقات ژئوتکنیکی
ارتباط روش های مختلف پژوهشی جهت استفاده در تحقیقات ژئوتکنیکی

مدل سازی فیزیکی پدیده های ژئوتکنیکی


به طور معمول رفتار مدل فیزیکی به صورت کامل منطبق بر رفتار نمونه واقعی نیست و همواره تفاوت هایی به دلایلی همچون اثر مقیاس، وجود دارند. اثر مقیاس که به معنای تأثیر کوچک نمایی نمونه واقعی بر رفتار آن است، بسیار مهم می باشد. در حالت کلی، مدل های فیزیکی را می توان به دو بخش کلی مدل های معمولی یا تحت شتاب جاذبه زمین (مدل سازی­ g1) و مدل های تحت شتاب چند برابر شتاب جاذبه زمین (مدل سازی­ Ng) یا مدل های سانتریفیوژ، تقسیم نمود. اصول کلی هر دو نوع مدل سازی فیزیکی یکسان و اصلی ترین تفاوت، در ابزار مورد استفاده می باشد. هرچند با استفاده از قوانین ابعادی سعی می گردد تا تشابه به نحو احسن برقرار شود لکن ایجاد شرایط مشابه به طور کامل به ویژه در مدل سازی­ g1 ممکن نیست. به عنوان مثال، میدان تنش ثقلی ایجاد شده در مدل به دلیل ارتفاع کمتر نمونه خاک، کمتر از مقدار واقعی آن است. از سویی دیگر، رفتار خاک به طور غیرخطی با تنش محصورکننده رابطه دارد. بدین معنی که کاهش تنش ثقلی در مدل، باعث کاهش تنش محصورکننده مدل نسبت به نمونه می شود. در نتیجه رفتار خاک در نمونه اصلی و مدل متفاوت می گردد. بدین سان، با انجام مدل سازی در دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی، شتاب ثقل چند برابر شده و تنش ثقلی در مدل و نمونه واقعی یکسان می گردد. در واقع، دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی با افزایش موضعی شتاب گرانشی توسط دوران، کاهش تنش ناشی از کوچک نمایی مدل را جبران می کند.


ضرورت استفاده از مدل سازی فیزیکی به وسیله دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی


رفتار خاک در طی بارگذاری وابسته به سطح تنش آن می باشد. به عنوان نمونه در شکل زیر، نمونه خاک A که در ابتدا زیر خط حالت بحرانی (CSL) قرار دارد، زمانی که تحت یک تنش همه جانبه نسبتاً پایین برش می خورد، به سمت خط حالت بحرانی حرکت می کند و دچار اتساع می شود. این شرایط می تواند در آزمایش یک نمونه کوچک تحت شتاب گرانش زمین به وجود بیاید. در طرف مقابل، نمونه خاک B که دارای نسبت تخلخل مشابه است و در یک نقطه اختیاری بالای خط حالت بحرانی، اما پایین یا روی خط تحکیم عادی (NCL) قرار دارد، زمانی که تحت یک تنش موثر میانگین بالایی برش می خورد، به سمت خط حالت بحرانی حرکت می کند و دچار انقباض می شود. این شرایط می تواند در آزمایش یک نمونه واقعی تحت شتاب دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی به وجود بیاید. از این رو، مشخص است که استفاده از نتایج آزمایش نمونه خاک A برای مسائل طراحی نمونه واقعی، به احتمال زیاد غیرمحافظه کارانه می باشد. زیرا رفتار اتساعی مشاهده شده در تنش پایین تحت شرایط گرانش زمین، در تنش بالای نمونه واقعی اتفاق نخواهد افتاد. بنابراین، شبیه سازی صحیح سطح تنش خاک قبل از انجام هر آزمایش فیزیکی یک امر ضروری می باشد. این امر در مدل سازی با دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی تأمین می گردد.

رفتار متفاوت دو نمونه خاک با چگالی یکسان  - مدل سازی پدیده های ژئوتکنیکی
رفتار متفاوت دو نمونه خاک با چگالی یکسان و تنش همه جانبه متفاوت

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، 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
  • کرامتی، محسن، رامش، امین، مرادی مقدم، حسین، نادری، رضا، “طراحی و ساخت دستگاه مدل سازی فیزیکی به منظور انجام مطالعات ژئوتکنیکی”، سومین کنفرانس ملی مهندسی ژئوتکنیک ایران، دانشگاه تهران، آبان 1397

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

خطا ها و محدودیت ها و مزایای مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

نیروهای حجمی ناشی از گرانش نقش بسیار مهمی در مسائل [...]


بیشتر بخوانید

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، [...]


بیشتر بخوانید

قوانین مقیاس و کاربرد‌های مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

یکی از بهترین روش های بررسی یک پدیده در مهندسی، [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش آماس سنگ (Swelling testing of rock)

در طی حفر فضاهای زیرزمینی احتمال وجود شرایط مختلف زمین [...]


بیشتر بخوانید