ایستاسازه
En Ar

خانه - خدمات ایستاسازه - پایدارسازی گود عمیق - بررسی تنش های موضعی در تک شمع مجاور گودبرداری با سیستم های سازه نگهبان خرپایی، سپری فلزی و روش اجرای شمع

تنش های آزاد شده در اثر گودبرداری ممکن است منجر به نشست بیش از حد زمین و تغییر شکل های جانبی شود. حال اگر ساختمانی متکی بر شمع در مجاورت گودبرداری در نظر بگیریم، اندرکنش این تغییر شکل ها با شمع های شالوده های مجاور گودبرداری باعث افزایش بارگذاری در آنها می شود.
در این پژوهش، تغییرات میزان تنش های موضعی ایجاد شده در تک شمع مجاور گودبرداری و میزان نشست زمین و تغییر شکل جانبی دیوار گود در سه روش پایدار سازی گود زیر ارزیابی شد:


1. سپری فلزی

2. سازه نگهبان خرپایی

3. روش اجرای شمع با استفاده از نرم افزار


نتایج حاصل از پژوهش تنش های موضعی ایجاد شده در تک شمع مجاور گودبرداری نشان می دهد که اگر عمق گود را H در نظر بگیریم، کمترین مقدار میزان نشست در روش اجرای شمع و بیشترین آن در تغییر شکل جانبی دیواره ی گود در سیستم سازه نگهبان خرپایی اتفاق می افتد و این نشست بیشینه در هر سه روش، به فاصله ی 2.6/H لبه ی گود و بیشترین مقدار جابجایی جانبی دیواره ی گود در ارتفاع 1.5/H از سطح زمین اتفاق می افتد. همچنین بیشترین میزان ممان خمشی و برش ایجاد شده در شمع نیز مربوط به سیستم سازه نگهبان خرپایی بوده و در هر سه روش، بیشترین مقدار ممان خمشی در عمق 1.5/H از شمع و بیشترین میزان برش در عمق 1.2/H از شمع اتفاق می افتد. با گیردار فرض کردن سرشمع، شاهد ایجاد ممان خمشی منفی در حدود 1.5 برابر ممان مثبت می باشیم که این افزایش در ممان سر شمع باعث کاهش ظرفیت باربری شمع خواهد شد.


مقدمه


به دلیل رشد سریع شهر نشینی نیاز به ساخت و ساز شهری شامل حفاری عمیق برای ساخت و ساز زیر زمین و زیرساخت های زیرزمینی در حال افزایش است. در اثر گودبرداری های عمیق، تنش های آزاد شده ممکن است منجر به تغییر شکل های جانبی بیش از حد زمین شود.

طبق پژوهش صورت گرفته بر روی پاسخ تک شمع در مجاورت گودبرداری با استفاده از سیستم دیوار دیافراگمی به عنوان سازه نگهبان، نتایجی حاصل شده است که نشان می دهد سطح زمین عمدتا به سمت جبهه خاکبرداری حرکت می کند. این بالا زدگی کم به دلیل حرکت خاک زیر سطح خاکبرداری است. در حین خاکبرداری تنش آزاد شده موجب ایجاد بالازدگی در کف گودبرداری می شود.

پس نتیجتا در اثر خاکبرداری، خاک درکف گودبرداری به سمت بالا و خاک پشت دیوار به صورت افقی به سمت دیوار حرکت می کند. میزان و شکل تغییر مکان دیوار تعیین کننده نوع نیم رخ نشست می باشد. اگر تغییر شکل در مراحل اولیه گودبرداری در مقایسه با مقدار تغییر شکل در سطوح عمیق تر کوچک باشد، نیم رخ نشست از نوع قاشقی خواهد بود و اگر میزان تغییر شکل دیوار در مرحله اول گودبرداری بزرگ و در مراحل بعدی نسبتا کوچک بوده و یا دیوار رفتار طره ای داشته باشد، معمولا نیم رخ نشست از نوع محدب خواهد بود.

لیکیت لرسانگ و همکاران به مطالعه عددی بر روی تغییر شکل جانبی دیوار و نشست سطح زمین پرداختند. در این مطالعه بیشترین تمرکز بر روی شرایط خاک و مدل های رفتاری متفاوت زیر بود:


1. موهر کلمب

2. خاک سخت شونده

3. خاک سخت شونده شونده با خاک نرم و کرنش های کوچک


با انجام مطالعات، نتایجی به دست آمد که نشان می دهد:


1. با توجه به اندازه گیری هایی که توسط اینکلاینومترهای نصب شده در دیوار انجام شد، اثرات سه بعدی در دیوارها با طول زیاد در مقایسه با دیواره با طول کم قابل صرف نظر کردن و بسیار ناچیز است.

2. در بازه اول با نمودار تجربی مقدار نشست اندازه گیری شده مطابقت خوبی داشته و در بازه دوم مقدار نشست زمین مطابقت خوبی با نمودار تجربی ندارد.

3. تغییر در مدل رفتاری باعث ایجاد تغییر به سزایی در جابجایی دیوار و مقدار نشست زمین می شود، اما تغییری در مقدار نیروی محوری، ممان خمشی و برش ندارد.

4. مدل رفتاری خاک سخت شونده با کرنش های کوچک و خاک سخت شونده نتایج بهتری را ارائه می دهد.

در ادامه نتایج حاصله از مطالعه تئوریک لیانا پاتریانا و نیشانتان روی شمع نشان می دهد که برای عمق گودبرداری مشخص، حداکثر تغییر شکل جانبی و ممان خمشی شمع به طور مستقیم با فاصله از گودبرداری کاهش می یابد. با افزایش OCR هم تغییر شکل و هم ممان خمشی شمع کاهش می یابند. هرچند با افزایش فاصله استرات ها محل ممان خمشی حداکثر به سمت پای شمع حرکت می کند ولی با این حال افزایش فواصل استرات ها تاثیر چندانی بر مقادیر ممان های خمشی و تغییرشکل ها ندارد و گیرداری سرشمع به عنوان یک عامل کلیدی در ایجاد ممان خمشی در شمع مطرح می شود. در نزدیکی سرشمع، ایجاد ممان خمشی بسیار بالاست.

با ایجاد ممان اضافی در شمع در اثر گودبرداری ظرفیت باربری شمع ها به شدت کاهش می یابد، بنابراین ارزیابی این مساله که چگونه ممان خمشی ایجاد شده بر باربری شمع اثر می گذارد حیاتی است.

مطالعات صورت گرفته توسط هاشهاش و ویتل نشان می دهد که تغییر در سختی مهارها تغییر ناچیزی در تغییر شکل دیوار گود دارد. نتایج کار مانا و کلاف نشان می دهد در یک گودبرداری با سازه نگهبان، کاهش فاصله مهارها یا افزایش سختی خمشی دیوار باعث کاهش جابجایی می شود. افزایش سختی دیوار تا جایی باعث کاهش جابجایی می شود و از جایی دیگر با افزایش سختی، شاهد کاهش چشمگیری در جابجایی جانبی نخواهیم بود. با افزایش عرض گود جابجایی ها زیاد می شود و استفاده از پیش تنیدگی در مهارها باعث کاهش جابجایی دیوار می گردد. محاسبات ممان های خمشی و برش ها بر اساس این فرض که هر شمع بار مساوی حمل می کند انجام می گیرد.

توجهات تئوریکی و نتایج آزمایش های صحرایی مانا و همکاران به این نتیجه رسید که این فرض معمولا درست و صحیح نمی باشد، اما خطای آن معمولا در حاشیه اطمینان برای طراحی های بتن آرمه قرار می گیرد. باید اجازه داده شود که در سر شمع برش رخ دهد، زیرا ممکن است سر شمع چندین سانتی متر از جای دقیق خود فاصله داشته باشد. قبلا تذکر داده شد که در طراحی پی تخمین ظرفیت نهایی یک شمع جز مهمی است. هنوز ظرفیت باربری نهایی واقعی و در نتیجه مبحث طراحی، قبل از آنکه شمع ها رانده و آزمایش شوند، ناشناخته مانده است و تنها آزمون های باری که منجر به شکست می شوند می توانند ظرفیت باربری نهایی را با دقت کافی تعیین کنند. بدون این آزمایش ها، طراح باید بر پایه روش های غیرمستقیم مانند استفاده از روابط استاتیک با آنالیزهای موج با ضریب ایمنی زیاد طراحی کند.


ویژگی خاک مورد استفاده در پژوهش تنش های موضعی ایجاد شده در تک شمع مجاور گودبرداری


خواص مکانیکی مدل به صورت جدول 1 می باشد. مدل رفتاری خاک مورد استفاده مدل خاک سخت شونده می باشد.


مشخصه های کلیدی خاک مورد نیاز جهت شبیه سازی:


1. چسبندگی.

2. وزن مخصوص خاک.

3. مدول بارگذاری سه محوری.

4. زاویه اصطکاک داخلی.

5. مدول باربرداری.

6. مدول ادئومتری.

پارامترهای کلیدی خاک مورد نیاز جهت مدلسازی شمع مجاور گودبرداری
پارامترهای کلیدی خاک مورد نیاز جهت مدلسازی
جدول 1. پارامترهای مكانیكی خاک مدل شمع مجاور گودبرداری
جدول 1. پارامترهای مكانیكی خاک مدل

ویژگی مدل مورد مطالعه در تنش های موضعی ایجاد شده در تک شمع مجاور گودبرداری


عرض و عمق گود مورد مطالعه به ترتیب 12 و 13 متر می باشد. طول گود زیاد فرض شده و در نتیجه مسئله را می توان در حالت کرنش صفحه ای در نظر گرفت. نیمی از مسئله با توجه به تقارن، مدلسازی شده است.

در مدلسازی گود با سیستم سازه نگهبان خرپایی، طول عضو قائم سازه خرپایی 17 متر و عمق گیرداری آن 5 متر می باشد. شکل هندسی مدل به صورت شکل 1 می باشد. برای اعضای قائم و مایل سازه از پروفیل IPB300 و برای اعضای افقی که در شکل مشاهده می شود به ترتیب از بالا به پایین از پروفیل های 2UNP160، 2UNP200، 2UNP160 و برای اعضای قطری به ترتیب از بالا به پایین از پروفیل های UNP200، UNP200، UNP160 و UNP200 استفاده شده است.

شكل1. هندسه مدل گودبرداری با استفاده از سیستم سازه نگهبان خرپایی
شكل1. هندسه مدل گودبرداری با استفاده از سیستم سازه نگهبان خرپایی

در مدلسازی گود با سیستم سپری فلزی، طول نهایی سپر فلزی 17 متر و اولین مهار پس از یک متر گودبرداری نصب می گردد. با ادامه روند گودبرداری مهارهای دیگر با فاصله ی 3 متر از یکدیگر نصب می شوند. فاصله مهارها در صفحه، 4 متر در نظر گرفته شده است. شکل هندسی مدل به صورت شکل 2 می باشد.

شكل 2 . هندسه ی مدل گودبرداری با استفاده از سیستم سپری فلزی
شكل 2. هندسه ی مدل گودبرداری با استفاده از سیستم سپری فلزی

در مدلسازی گود با سیستم اجرای شمع، طول شمع 17 متر و فاصله شمع ها از یکدیگر 2 متر فرض شده است. اولین مهار پس از یک متر گودبرداری و مهارهای دیگر با فاصله 3 متر از یکدیگر، با فاصله 4 متر در راستای عمود بر صفحه نصب می شوند. شکل هندسی مدل به صورت شکل 3 می باشد.

شكل 3 . هندسه ی مدل گودبرداری با استفاده از روش اجرای شمع
شكل 3. هندسه ی مدل گودبرداری با استفاده از روش اجرای شمع

سربار روی سطح زمین 20kN/m2 می باشد. شمع منفرد مفروض سازه مجاور گود، با فاصله ی 1.5 متر از گود قرار دارد. مشخصات سپری های فلزی و مهارها و شمع مورد استفاده در سیستم های سازه نگهبان به شرح جدول (2) می باشد.

جدول 2  مشخصات سپری های فلزی و مهارها و شمع بتنی مجاور گودبرداری
جدول 2. مشخصات سپری های فلزی و مهارها و شمع بتنی

با توجه به شکل های (4-6)، سه مدل مختلف در نظر گرفته شده است. در مدل اول سازه نگهبان خرپایی به عنوان سیستم سازه نگهبان گود در نظر گرفته شده است. در مدل دوم سپری به همراه مهار و در مدل سوم شمع با فاصله 2 متر و مهار متقابل به عنوان سازه نگهبان در نظر گرفته شده اند. در این پژوهش لایه های خاک با استفاده از اعضای 15 گره ای مدل شده اند.

شكل 4 . مدل سازه نگهبان
شكل 4. مدل سازه نگهبان
شكل 5 . مدل سپری فلزی
شكل 5. مدل سپری فلزی
شكل 6 . مدل اجرای شمع با مهار
شكل 6. مدل اجرای شمع با مهار

همانطور که مشاهده می شود، تفاوت دو مدل سپری فلزی و اجرای شمع، تفاوت در اختصاص ویژگی های سپری و شمع بوده و این تغییر در مقدار سختی محوری و سختی خمشی باعث ایجاد نتایج مطلوب می شود.


بحث و بررسی و تحلیل نتایج


با توجه به نمودارهای 7 الی 12، نشست زمین در سیستم سازه نگهبان خرپایی 4.88mm و مقدار تغییر شکل جانبی دیوار گود 7.54mm می باشد. میزان تغییر شکل جانبی دیوار و نشست در سیستم سپری فلزی به ترتیب 3.65mm و 3.61mm می باشد. در سیستم اجرای شمع همراه با مهار نیز مقدار تغییر شکل جانبی دیوار گود و نشست زمین به ترتیب 3.34mm و 2.62mm می باشد. با توجه به روابط موجود، مقدار جابجایی لازم برای وقوع حالت محرک برای خاک مورد مطالعه در این پژوهش بین 0.001H و 0.002H می باشد که در هر سه سیستم سازه نگهبان استفاده شده، میزان تغییر شکل دیواره گود دارای مقدار مجاز می باشد و گسیختگی رخ نخواهد داد. در اثر خاکبرداری خاک پشت دیوار به صورت افقی به سمت دیوار و در کف گودبرداری به سمت بالا حرکت می کند. حرکت خاک به سمت جبهه خاکبرداری باعث نشست زمین بالای گود می گردد، با آزاد شدن تنش، کف گود به سمت بالا حرکت می کند.

شكل 7. نشست زمین در سیستم سازه نگهبان خرپایی
شكل 7. نشست زمین در سیستم سازه نگهبان خرپایی

در نمودار بالا مشاهده می شود که بیشترین مقدار نشست در فاصله ی 11 متری از مبدا مدل و فاصله 5 متری از دیواره گود رخ داده است.

شكل 8. تغییر شكل جانبی دیوار گود در سیستم سازه نگهبان خرپایی
شكل 8. تغییر شكل جانبی دیوار گود در سیستم سازه نگهبان خرپایی

بیشترین مقدار تغییر شکل، در نمودار بالا درعمق 8 متری از سطح زمین رخ داده است.

شكل 9 نشست زمین در سیستم سپری فلزی
شكل 9 نشست زمین در سیستم سپری فلزی

بیشترین مقدار نشست زمین با توجه به نمودار بالا، در فاصله 11 متری از مبدا و 5 متری از لبه گود اتفاق افتاده است.

شكل 10 تغییر شكل جانبی دیوار در مدل سپری فلزی
شكل 10. تغییر شكل جانبی دیوار در مدل سپری فلزی

بیشترین مقدار تغییر شکل جانبی با توجه به نمودار بالا، در عمق 8.6 متری از سطح زمین اتفاق افتاده است.

شكل 11 نشست زمین در روش اجرای شمع و مهار
شكل 11. نشست زمین در روش اجرای شمع و مهار

همانطور که در نمودار بالا دیده می شود، در روش اجرای شمع نیز همانند دو روش دیگر مورد ارزیابی قرار گرفته، مقدار بیشینه نشست زمین در فاصله 11 متری از مبدا و فاصله 5 متری از لبه گود اتفاق افتاده است.

شكل 12 تغییر شكل جانبی دیوار گود در روش اجرای شمع و مهار
شكل 12. تغییر شكل جانبی دیوار گود در روش اجرای شمع و مهار

در نمودار بالا نیز مشاهده می شود بیشترین مقدار جابجایی جانبی دیوار گود در عمق 8.6 متری از سطح زمین رخ داده است. بنابراین با توجه به نتایج به دست آمده می توان به رابطه ای بین عمق گودبرداری و مقدار تغییر شکل جانبی دیوار گود و مقدار نشست زمین دست یافت که در نتایج پژوهش ذکر شده است.

با توجه به نمودارهای 13 الی 18، مقدار لنگر خمشی بیشینه در سیستم سازه نگهبان خرپایی 101.78kNm/m و مقدار برش حداکثر 40kN/m – می باشد. مقدار برش و لنگر خمشی در روش سپری فلزی به ترتیب 23.69kNm/m  و 44kNm/m می باشد. در سیستم اجرای شمع همراه با مهار نیز مقدار لنگر خمشی و برش نیز به ترتیب، 40.5 kNm/m و -20.68 kN/m می باشد. با توجه به تغییر شکل ها و میزان نشست، مشاهده می شود که بیشترین مقدار لنگر و برش در سیستم سازه نگهبان خرپایی اتفاق می افتد که بیشترین مقدار جابجایی و نشست را دارد و کمترین مقدار لنگر خمشی و برش در سیستم اجرای شمع همراه با مهار اتفاق افتاده است.

در حالت کلی می توان گفت در روشی که میزان نشست کمتری اتفاق بیافتد و تغییر شکل جانبی کمتری رخ دهد، تنش موضعی ایجاد شده در شمع مجاور گودبرداری کمتر و مقدار ظرفیت باربری شمع بیشتر خواهد بود.

شكل 13 لنگر خمشی شمع در روش سازه نگهبان خرپایی
شكل 13. لنگر خمشی شمع در روش سازه نگهبان خرپایی

شكل 14 برش در شمع در روش سازه نگهبان خرپایی
شكل 14. برش در شمع در روش سازه نگهبان خرپایی

شكل 15 لنگر خمشی در شمع در روش سپری فلزی
شكل 15. لنگر خمشی در شمع در روش سپری فلزی

شكل 16 برش در شمع در روش سپری فلزی
شكل 16. برش در شمع در روش سپری فلزی

شكل 17 لنگر خمشی در شمع در روش اجرای شمع و مهار
شكل 17. لنگر خمشی در شمع در روش اجرای شمع و مهار
شكل 18 برش در شمع در روش اجرای شمع و مهار
شكل 18. برش در شمع در روش اجرای شمع و مهار

با برداشته شدن تنش همه جانبه از روی شمع به دلیل گودبرداری در مجاور آن، شاهد به وجود آمدن تنش های موضعی در شمع هستیم. با توجه به نمودار شکل 19 که نشان دهنده تغییرات مقدار لنگر خمشی در شمع با پیشرفت روند خاکبرداری و نصب اعضای خرپا می باشد، مشاهده می شود که با پیشرفت روند خاکبرداری بین اعضای خرپا و نصب هر عضو به صورت مرحله ای، شاهد افزایش مقدار لنگر خمشی خواهیم بود و همچنین با توجه به نمودار شکل 20 شاهد افزایش مقدار لنگر خمشی با افزایش عمق گودبرداری در روش اجرای شمع و مهار متقابل هستیم.

شكل 19 تغییر لنگر خمشی در روش سازه نگهبان خرپایی
شكل 19. تغییر لنگر خمشی در روش سازه نگهبان خرپایی
شكل 20 تغییر لنگر خمشی با عمق گودبرداری
شكل 20. تغییر لنگر خمشی با عمق گودبرداری

همانطور که در نمودار شکل 21 مشاهده می شود، اگر سر شمع را گیردار فرض کنیم، نتایج نشان دهنده افزایش لنگر خمشی در سر شمع می باشد که موجب کاهش ظرفیت باربری شمع خواهد شد. مشاهده می شود مقادیر ممان منفی حدودا 15 برابر ممان مثبت می باشند.

شكل 21 تغییرات لنگر خمشی در شمع
شكل 21. تغییرات لنگر خمشی در شمع با سرشمع گیردار در گودبرداری با سیستم اجرای شمع با مهار

نتیجه گیری


با توجه به تغییراتی که در تنش همه جانبه یک شمع مجاور گودبرداری ایجاد می شود، شاهد ایجاد تنش های موضعی در شمع خواهیم بود. همچنین مقدار تغییر شکل جانبی دیواره گودبرداری و میزان نشست بر روی سازه مجاور گودبرداری اثرگذار خواهد بود. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد که:

1. در سه روش گودبرداری مورد ارزیابی قرار گرفته که شامل سیستم سپری فلزی و روش اجرای شمع همراه با مهار، سیستم سازه نگهبان خرپایی می باشد، کمترین مقدار نشست مربوط به سیستم اجرای شمع و بیشترین مقدار نشست مربوط به سیستم سازه نگهبان خرپایی می باشد.

2. در بین سه روش، کمترین مقدار مربوط به روش اجرای شمع و بیشترین مقدار جابجایی جانبی دیواره گود مربوط به سیستم سازه نگهبان خرپایی می باشد.

3. در بین سه روش، نتایج حاصله از مقادیر جابجایی جانبی دیوار گود، نشست، لنگر خمشی و برش به وجود آمده در شمع نشان می دهد که دو روش اجرای شمع و سپری فلزی، نتایجی مشابه و با کمتر از 10 درصد تفاوت در مقادیر حاصله را دارند.

4. در بین سه روش، بیشترین مقدار لنگر خمشی و برش به وجود آمده در شمع سازه مجاور مربوط به سیستم سازه نگهبان خرپایی و کمترین مقدار، مربوط به روش اجرای شمع می باشد.

5. در هر سه روش، بیشترین مقدار نشست در فاصله ی H/2.6 از دیوار گود رخ می دهد.

6. در هر سه روش، بیشترین مقدار جابجایی جانبی دیوار حدودا در ارتفاع H/1.5 از سطح زمین اتفاق می افتد.

7. در هر سه روش، بیشترین مقدار لنگر خمشی در عمق H/1.5 از شمع و بیشترین مقدار برش در عمق H/1.2 از شمع اتفاق می افتد.

8. با پیشرفت روند گودبرداری و افزایش عمق، شاهد افزایش مقدار لنگر خمشی خواهیم بود که این افزایش تنش موضعی باعث کاهش ظرفیت باربری در شمع سازه مجاور گود خواهد شد.

9. با گیردار فرض کردن سرشمع، شاهد افزایش لنگر منفی در سر شمع می باشیم که حدود 1.5 برابر لنگر مثبت می باشد.

مرجع:

علی کمک پناه، محمد جواد دولیخانی” بررسی تنش های موضعی ایجاد شده در تک شمع مجاور گودبرداری با سیستم های سازه نگهبان خرپایی، سپری فلزی و روش اجرای شمع ” کنفرانس بین المللی عمران، معماری و شهرسازی ایران معاصر، ایران – تهران، مرداد ماه 1396.


در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک 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