Evaluation of vibratory pile installation effects on adjacent buried pipe structures through a coupled analytic approach

اجرای شمع ها و سپری ها در خاک معمولا به روش های رایج کوبش و یا ارتعاش انجام می شود. با کمک تجهیزات سنگین مثل ماشین های ارتعاشی یا کوبشی، سپری ها را می توان در خاک اجرا کرد. پس از نصب آن، این اعضا، برای سازه تکیه گاه لازم را با انتقال بار در طول شمع و وارد کردن آن به خاک، فراهم می کنند. مهندسان ژئوتکنیک بر اساس استانداردهای اعمال شده، به طراحی شمع ها می پردازند. مشخصات خاک، نوع ساخت و ساز، روش های نصب و بررسی محیط اطراف، عوامل عمده ای هستند که در فرآیند طراحی شمع بررسی می شود.

ارتعاشی که در اثر کوبش شمع به وجود می آید، منجر به گسترش امواج در سطح زیر خاک و اندرکنش با سازه های موجود در آن می شود. ارتعاش ایجاد شده توسط کوبش شمع در سازه، که در اثر اندرکنش میان ارتعاش خاک و سازه به وجود می آید، ممکن است منجر به آسیب شود.

بیان مسئله

مناطق شهری در هلند به سرعت در حال گسترش است و افراد با کاهش فضا برای ساخت و ساز مواجه شده اند. در نتیجه، پروژه های ساختمانی جدید باید در مجاورت سازه های موجود انجام شود که احتمال ریسک آسیب زدن به سازه را بالا می برد. مخصوصا سازه هایی که در زیر خاک قرار می گیرند، مثل کابل ها و داکت ها نیاز به ملاحظه بیشتر دارند. محاسبات پیشگیرانه و افزایش در هزینه در ارتباط مستقیم با ملاحظات مورد نیاز است. اگر سطح ارتعاشات دست بالا در نظر گرفته شوند، منجر به انتخاب روش هایی با هزینه و صرف زمان بیشتر از حد نیاز می شود. اگر چه، اگر سطح ارتعاشات دست پایین در نظر گرفته شود، منجر به وارد شدن آسیب به سازه ها ایجاد مزاحمت برای ساکنان و تعلیق کارهای ساخت و ساز می شود. دکنر (Deckner) یا ماسارش (Massarsch) بیان می کند که: مقامات نظارتی که به نحوه ارزیابی خطر ارتعاشات زمین در حین اجرای شمع اطمینان ندارند، اغلب احساس می کنند که مجبورند محدودیتی برای استفاده از شمع های کوبیده شده و سپری ها اعمال کنند یا راه حل های جایگزین پایه را انتخاب کنند. درک درست از ریسک احتمالی لازم است. برای برآورده کردن این الزامات، نیاز به یک مدل قابل اطمینان برای پیش بینی ارتعاشات ناشی از روش های کوبش شمع احساس می شود. این پایان نامه کارشناسی ارشد در رابطه با توسعه مدل پیش بینی شده و اثر ارتعاشات بر کابل ها و داکت ها در سطح زیر زمین ارائه شده است.

مرور ادبیات فنی با تاکید بر نکات مهم

بررسی مسائل اجرای شمع به روش ارتعاشی و اثر آن بر سازه های مجاور نیاز به دانش وسیعی دارد. به همین دلیل تحقیقی کامل از جنبه های گوناگون مربوط به پرسش مورد نظر انجام شده است. برنامه کار، فهرستی از تمام این جنبه ها ارائه می کند. با توجه به دانش صرف شده و بینش بهتر در تعریف مسئله، تطبیق ها صورت می گیرد.

• نظریه پایه ای دینامیک خاک
• اندرکنش خاک و شمع
• اندرکنش خاک و سازه
• مشخصات دینامیکی خاک و رفتار دینامیکی خاک
• مدل سازی مشکلات دینامیکی خاک
• نرم افزارهای موجود برای بررسی مشخصات دینامیکی موج
• پروژه های تحقیقاتی مشابه موجود
• تعریف روابط کنترل کننده و نظریه ها برای مدل
• دینامیک سازه های لاغر

فرضیات

هر تحقیقی ریشه های خاص خود را دارد که با انتظارات موجود از نتایج و خروجی ها ارتباط دارد. چشم انداز، کار را به سمت بررسی خروجی و مسیر هدایت می کند در حالی که هدف گواه آن است. فرضیه ای که در ادامه ارائه می شود، دستورالعملی است برای این پایان نامه کارشناسی ارشد:

لرزش ایجاد شده در زمین ناشی از کوبش ارتعاشی سپری می تواند منجر به شکستگی لوله ها شود.

پرسش های مربوط به تحقیق

خروجی مورد نظر از این پایان نامه، نه تنها مروری مثال زدنی بر نکات کلیدی ادبیات فنی دارد بلکه پرسش هایی مکفی از تحقیق ارائه شده را نیز ارائه می دهد. مواردی مثل نکات کلیدی از تحقق پرس و جو ها و برعکس پشتیبانی می کند. اصلاح منتج از افزایش دانش منجر به موارد زیر می شود:

1. تنش های اضافی ایجاد شده در لوله ناشی از موج ارتعاشی چه تنش هایی هستند؟
2. چه عواملی و چگونه بر گسترش موج در محیط خاک تاثیر گذار است؟
3. میرایی تا چه حدی بر رفتار لوله ها تاثیر گذار خواهد بود؟
4. روش ارجح برای حل مشکل چه خواهد بود و فرضیات مدل تا چه میزان بر قابلیت اطمینان نتایج نهایی اثرگذار خواهد بود؟

اهداف تحقیق

 پرسش های مربوط به تحقیق، ارتباطی مستقیم با اهداف تحقیق دارند. اهداف، اساس بررسی ها هستند و آن را به مسیر پیشرفت هدایت می کنند. مهم ترین اهداف تحقیق در ادامه بیان شده است:

• ساده سازی برای به دست آوردن سریع نتیجه
• توسعه یک مدل که فشار موج ناشی از لرزش کوبش ارتعاشی سپری و پیش رفتن آن در محیط خاک را توضیح می دهد.
• پیش بینی و توضیح رفتار لوله مدفون تحت اثر فشار موج ناشی از لرزش.
• ادغام یک توده خاکی لایه ای.

طرح کلی پایان نامه

مرور ادبیات فنی شامل فصل های گوناگونی می شود که طرح کلی تحقیق حاضر را تشکیل می دهد:

• تئوری کلی ارتعاشات: پارامترها و رفتار خاک حاکم بر لرزش ها و گسترش امواج با جزئیات در این فصل از پایان نامه ارزیابی اثرات کوبش ارتعاشی شمع ارائه شده است.
• روش های تخمین لرزش: مقایسه و توضیح جزء به جزء هر کدام از مدل های تخمین لرزش ناشی از کوبش سپری از نقاط کلیدی این فصل از پایان نامه ارزیابی اثرات کوبش ارتعاشی شمع است.
• دینامیک سازه لوله ای: برای فهم دقیق از دینامیک پیچیده مربوط به اصل بر هم نهی امواج که منجر به میرایی آن در میان سازه لوله ای می شود، در این فصل در ادبیات فنی مطالعه گسترده ای انجام گرفته است. محدوده مدل های تحلیلی با دقت بررسی شده است تا مدل نهایی مناسب به دست آید.
• نتیجه گیری از مرور ادبیات فنی: نهایی کردن نتایج مرور ادبیات فنی در رابطه با مطالعات بیشتر در مورد دانش پیاده سازی شده در این تحلیل، انجام شده است. آزمودن دوباره برنامه کار لازم است، بنابراین این قسمت در این فصل جای داده شده است.
• توضیح مدل: برای به دست آوردن نتایج تحقیق، همان طور که در فصل 7 انجام شده است، نیاز است که یک مدل توسعه داده شود. عملکرد درونی مدل کوپل گسترش موج – سازه لوله ای کامل شد و جزئیات آن در خلال مطالب این فصل از پایان نامه ارزیابی اثرات کوبش ارتعاشی شمع ارائه شده است.
• نتایج: نتایج حاصل از مدل سازی ارائه و تحلیل شد. بخش های مختلف هر مدل به وسیله مطالعه حساسیت پارامترها آزموده شده و با یک مدل آباکوس با تقارن شعاعی مقایسه شده است. به دلیل کمبود داده های محاسبه شده، هیچ گونه صحت سنجی برای مدل ارائه نشده است.
• محدودیت ها: فصل 7 نتایج تحقیق را ارائه داده است. خروجی مدل، برخی محدودیت ها را در روش توسعه داده شده نشان می دهد. این فصل تمامی محدودیت ها را با جزئیات بیان می کند.
• نتیجه گیری تحقیق: قضاوت در مورد نتایج مدل سازی مربوط به پرسش های تحقیق و اهداف آن بخش پایانی این پایان نامه کارشناسی ارشد را تشکیل می دهد. مشاهدات و ارزیابی به خصوص در مورد کاربرد عملی مدل توسعه داده شده با اهمیت شمرده شده است.
• پیشنهادات: توسعه بیشتر مدل ارائه شده اهمیت بسیار زیادی دارد. بنابراین پیشنهادات برای تحقیقات بیشتر در این فصل از پایان نامه ارزیابی اثرات کوبش ارتعاشی شمع ارائه شده است.

برخی پیشنهاداتی که برای مطالعات آتی ارائه شده است به شرح زیر است:

• استفاده از مدل دراکر-پراگر با کلاهک به بهبود رفتار مصالح در مدل آباکوس کمک خواهد کرد. مدل های هایپوپلاستیک شرایط بهتری نیز رقم خواهد زد. این مدل های رفتاری از سوی دیگر بدون استفاده از میرایی رایلی میرایی بسیار کمی خواهند داشت.
• علاوه بر مدل دراکر-پراگر، بررسی رفتار خاک اشباع برای ماسه و رس قابل اجرا است که منجر به رفتار زهکشی نشده در انتهای سپری می شود که افزایش سریع فشار محلی از آن ناشی می شود.
• اجرای کامل شمع در آباکوس، مانند اکانایاک و همکاران (Ekanayake et al.) انجام شده است. این مدل شامل یک سطح اصطکاکی بر روی سطح آن می شود. بر این اساس، امواج برشی حاصل از اصطکاک شمع را بهتر می توان بررسی کرد که منجر به فهم بهتر از رفتار گسترش موج می شود. توسعه این مدل را می توان با سه بعدی کردن آن انجام داد که خمش دیوار سپری نیز درگیر خواهد شد.
• اعمال میرایی هیسترزیس به عنوان رفتاری از مصالح برای مدل سازه لوله ای. این کار را می توان مشابه روش ارائه شده توسط اورولوگوپولوس و لوکیدیس (Orologopoulos and Loukidis) انجام داد.
• استفاده از روش مربع دیفرانسیل برای بررسی تیرهای ترک خورده تحت بارهای دینامیکی. این کاربرد می تواند اهمیت زیادی برای سیستم های قدیمی دفع آب بتنی داشته باشد. متبولی و همکاران (Matbuly et al.) روشی را برای بررسی تیرهای ترک خورده تحت بارهای دینامیکی ارائه کرده اند.
• نیاز به بررسی های بیشتر در مورد مرزهای مدل سازه لوله ای برای به حداقل رساندن اثرات مرزها بر خروجی مدل احساس می شود.
• مدل سازه لوله ای کماکان از مشکلات پایداری مربوط به روش حل عددی برای سیستم معادلات دیفرانسیلی رنج می برد. در پیوست C روشی برای استفاده از ماتریس عددی جاکوبی ارائه شده است که می تواند روشی برای ایجاد پایداری عددی باشد.
• صحت سنجی کل مدل با استفاده از اندازه گیری های آزمایشگاهی و در محل. استفاده از تحلیل مارکوف-چِین مونته-کارلو (Marcov-Chain Monte-Carlo) امکان ارائه مناسب تمامی پارامترهای مدل بر اساس یک روش احتمالاتی و داده های اندازه گیری شده را فراهم می کند.
• رفتار خاک غیر الاستیک زیر سازه ها و استهلاک انرژی مربوط به آن را می توان به مدل سازه لوله ای اعمال کرد. رفتار غیر الاستیک خاک می تواند رفتار واقعی تر خاک و در نتیجه خروجی های قابل اطمینان تر را به دست دهد.