En
ArApplied soil mechanics with ABAQUS applications
هدف کتاب مکانیک خاک کاربردی با آباکوس ارائه دانش پایه ای برای دانشجویان مهندسی عمران و مهندسان اجرایی در مورد نحوه به کار بردن روش اجزا محدود در مسائل مکانیک خاک است. اساسا این کتاب یک کتاب مکانیک خاک است که شامل مفاهیم رایج مکانیک خاک و کاربردهای آن می شود. فرق این کتاب با کتاب های سنتی مکانیک خاک در ارائه جایگزین های ساده و منعطف تر با استفاده از روش اجزا محدود در حل مسائل رایج مکانیک خاک با راه حلی با فرم بسته است. همچنین این کتاب نحوه کاربرد روش اجزا محدود برای حل مسائل کاربردی ژئوتکنیکی پیچیده تر که راه حلی با فرم بسته ندارند را نیز نشان می دهد.
علی ای حال، کتاب مکانیک خاک کاربردی با آباکوس برای دانشجویان مقطع کارشناسی نوشته شده تا آنها را به حل مسائل مهندسی ژئوتکنیک با استفاده از راه حل های قدیمی مهندسی و راه حل های فراگیرتر به روش اجزا محدود تشویق کند. این روش نه تنها مفاهیم را آموزش می دهد بلکه راه هایی را برای به دست آوردن دیدگاه های بیشتر در کاربردهای مهندسی ژئوتکنیک که مفاهیم را به شکلی عمیق تر تقویت می کنند، فراهم می کند. مفاهیم به شکلی پایه ای ارائه شده اند بنابراین این کتاب می تواند برای دانشجویانِ بدون پیشینه در مکانیک خاک منبعی ارزشمند برای یادگیری باشد. پیش نیاز این مباحث، درس مقاومت مصالح (یا معادل آن) خواهد بود که پیش نیاز درس مکانیک خاک در بسیاری از دانشگاه هاست.
به دنبال قوانین کلی مکانیک خاک که در هر بخش ارائه شده، کاربردهای سنتی آن با راه حل های طولانی بررسی شده و در ادامه نوبت به راه حل همان مسئله به روش اجزا محدود و مقایسه میان این دو روش پرداخته شده است. به علاوه، کاربردهای پیچیده تر ارائه شده و با استفاده از روش اجزا محدود حل شده اند.
کتاب مکانیک خاک کاربردی با نرم افزار آباکوس شامل 9 فصل می شود، 8 فصل از آن با مفاهیم مکانیک خاک سنتی از جمله تنش در توده خاکی نیمه بی نهایت، تحکیم، مقاومت برشی، پی سطحی، فشار جانبی خاک، پی های عمیق (شمع ها) و تراوش سروکار دارد. همچنین این کتاب فصلی دارد (فصل 2) که تعدادی از مدل های مواد الاستیک و الاستوپلاستیک را توضیح می دهد، برخی از این مدل ها در قالب روش اجزا محدود برای شبیه سازی رفتار خاک به کار می روند که شامل مدل سه بعدی الاستیک خطی در حالت کلی، مدل رس کم (Cam Clay)، مدل با کلاهک (Cap Model) و مدل لاده (Lade’s Model) می شوند. به منظور تدریس برای دانشجویان کارشناسی، می توان به توضیح مشخصات اساسی و متغیرهای مدل رس کم و مدل با کلاهک بدون تمرکز بر روابط ریاضی آن ها بسنده کرد.
بیش از 60 مثال حل شده در سراسر کتاب ارائه شده است. بسیاری از آنها در ابتدا به طور مفصل و به روش سنتی حل شده اند تا مفاهیم ارائه شده را به دقت بررسی کنند و سپس با استفاده از روش اجزا محدود تعبیه شده در برنامه رایانه ای یعنی آباکوس حل شده اند. تمامی مثال های روش اجزا محدود با استفاده از آباکوس حل شده اند. این نرم افزار در سراسر جهان توسط مربیان آموزشی و مهندسان برای حل انواع مختلف مسائل مهندسی عمران و مکانیک مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از عمده مزیت های استفاده از آن، این است که این نرم افزار توانایی حل بسیاری از مسائل مهندسی ژئوتکنیک را دارد. این نرم افزار را می توان برای تحلیل مسائل مهندسی ژئوتکنیک با ساختاری دو یا سه بعدی از جمله خاک و اعضای سازه ای، تحلیل تنش کل یا موثر، تحلیل تحکیم، تحلیل تراوش، تحلیل استاتیکی و دینامیکی (implicit و explicit) تحلیل گسیختگی و پس از گسیختگی و بسیاری از این موارد به کار برد. با این حال، دیگر نرم افزارهای معروف اجزا محدود یا تفاضل محدود در زمینه مکانیک خاک می تواند به همراه این کتاب به جای آباکوس مورد استفاده قرار گیرد. واضح است که تصمیم آن به ترجیح آموزش دهنده آن بستگی دارد.
نسخه آموزشی نرم افزار آباکوس را می توان از طریق اینترنت به دست آورد بنابراین، دانشجویان و مهندسان می توانند از آن برای تمرین مجدد مثال های کتاب و حل تکالیف انتخاب شده از مسائل آخر هر فصل از کتاب مکانیک خاک کاربردی با آباکوس استفاده کنند. به علاوه، داده های ورودی برای تمامی مثال ها را می توان از وبسایت کتاب مکانیک خاک کاربردی با آباکوس دانلود کرد. این داده ها از جهت چگونگی محدوده آنها برای مسائل واقعی مهندسی و سپس اصلاح آنها برای حل مسائل پیچیده تر، می تواند برای دانشجویان و مهندسان بسیار سودمند باشد.
فصل دوم: الاستیسیته و پلاستیسیته
در این فصل سه مدل الاستوپلاستیک برای خاک ارائه می شود. این مدل ها را باید با نتایج آزمون های آزمایشگاهی روی نمونه های خاک، کالیبره کرد. معمولا، حداقل سه آزمایش سه محوری فشاری و یک آزمایش تحکیم همه جانبه (فشاری) برای هر کدام از این سه مدل نیاز است. نمونه های خاک دست نخورده از محل با فرض این که میانگین رفتار خاک را در محل نمونه حاصل شده ارائه می دهند به دست می آیند. آزمایش های سه محوری باید تحت شرایطی انجام گیرند که نزدیک به شرایط محل باشند که شامل وزن مخصوص خاک، محدوده تنش ها و شرایط زهکشی در محل می شود (بارگذاری زهکشی شده و شرایط بارگذاری زهکشی نشده). همچنین، آزمون های آزمایشگاهی برای مشخص کردن مشخصه های الاستیک خاک باید شامل چرخه های بارگذاری و باربرداری باشد.
پیش از ارائه مدل های پلاستیسیته، به طور مختصر در مورد برخی از جنبه های نظریه الاستیسیته بحث می شود. نظریه الاستیسیته برای محاسبه کرنش های الاستیک که پیش از جاری شدن در مصالح الاستوپلاستیک اتفاق می افتند به کار می روند. ابتدا ماتریس تنش و سپس قانون کلی هوک برای شرایط تنش سه بعدی، شرایط تنش تک محوری، شرایط کرنش مسطح و شرایط تنش مسطح ارائه می شود.
فصل سوم: تنش در خاک
تخمین دقیق توزیع تنش در یک توده خاک برای محاسبات نشست های الاستیک و تحکیم، محاسبه ظرفیت باربری خاک برای طراحی پی های سطحی و عمیق، محاسبه فشار جانبی خاک برای طراحی سازه نگهبان و بررسی پایداری شیروانی ضروری است. در این فصل نحوه محاسبه تنش خاک در محل و تنش های اضافی خاک ناشی از بارهای خارجی نیز نشان داده خواهند شد.
تنش های قائم محلی، تنش های موجود در خاک به جهت وزن لایه های خاک است. تنش قائم در نقطه ای با عمق z در زیر سطح زمین برابر با وزن خاک در بالای آن نقطه است. هنگامی که در لایه های خاک، آب نیز وجود داشته باشد، باید میان تنش کل قائم و تنش موثر قائم تمایز قائل شد. مفهوم تنش موثر در این فصل ارائه شده است.
افزایش تنش ناشی از انواع مختلف بارگذاری های خارجی در یک توده خاک را می توان بر اساس تئوری الاستیسیته محاسبه کرد. این افزایش تنش به تنش محلی اضافه شده و باید به صورت جداگانه محاسبه شود. راه حل برای انواع مختلف بارگذاری نیز در این فصل ارائه شده است.
فصل چهارم: تحکیم
زمانی که یک خاک اشباع بارگذاری شود، فشار آب حفره ای آن افزایش می یابد. این افزایش فشار آب حفره ای، که به فشار آب حفره ای اضافی معروف است، با گذر زمان از مرزهای لایه خاک مستهلک می شود که منجر به نشست تحکیم می شود. این فرآیند وابسته به زمان بوده و تابعی از نفوذپذیری خاک، طول مسیر زهکشی و تراکم پذیری خاک است.
زمانی که بر روی ماسه و شن اشباع به آرامی بارگذاری می گردد، تفاوت حجم اتفاق افتاده منجر به مستهلک شدن سریع فشار آب حفره ای به دلیل نفوذپذیری بالا می شود که به آن بارگذاری زهکشی شده گفته می شود. از سویی دیگر، زمانی که بر روی سیلت و رس بارگذاری می شود، فشار آب حفره ای ایجاد شده به دلیل نفوذپذیری بسیار پایین این خاک ها در داخل حفرات آن محبوس می شود که به آن بارگذاری زهکشی نشده اطلاق می گردد. در نتیجه، فشار آب حفره ای ایجاد شده در اثر بارگذاری زهکشی نشده، به آرامی از مرزهای لایه خاک مستهلک می شود که منجر به نشست تحکیم می شود.
فصل پنجم: مقاومت برشی خاک
مقاومت برشی خاک مقاومتی است که از جانب خاک برای غلبه بر تنش های برشی اعمال شده اقدام می کند. مقاومت برشی برای خاک مثل مقاومت کششی برای فولاد است. هنگامی که یک خرپای فلزی برای پل طراحی می شود، به عنوان مثال، باید از کمتر بودن تنش کششی از مقاومت کششی فولاد در هر عضو خرپا با ضریب اطمینانی مشخص اطمینان حاصل کرد. به همین شکل، به عنوان مثال، در مکانیک خاک باید از کمتر بودن تنش برشی در خاک زیر پی سطحی از مقاومت برشی خاک مورد نظر با یک ضریب اطمینان مشخص اطمینان حاصل کرد.
مقاومت برشی خاک باید به دقت تعیین شود چرا که برای طراحی بسیاری از سازه های ژئوتکنیکی، مثل شیروانی های طبیعی و ساخته دست بشر، دیوار های حائل و پی ها (هم سطحی و هم عمیق) ضروری است. پارامترهای مقاومت برشی را می توان در محل به عنوان مثال با استفاده از آزمایش برش پره به دست آورد. این مشخصات را همچنین می توان از روابطی که با تعداد ضربات چکش استاندارد در آزمایش SPT و یا روابطی که با مقاومت مخروط در آزمایش CPT وجود دارد به دست آورد. پارامترهای مقاومت برشی را همچنین می توان در آزمایشگاه با استفاده از آزمایش های برش مستقیم و یا سه محوری فشاری بر روی نمونه های دست نخورده یا بازسازی شده نیز استخراج کرد. این روش های آزمایشگاهی در ادامه این فصل از کتاب مکانیک خاک کاربردی با آباکوس توضیح داده شده اند. دیگر آزمون های برشی آزمایشگاهی از جمله آزمایش برش ساده و آزمایش سه محوری استوانه توخالی در درجه اول برای مقاصد پژوهشی به کار می روند.
فصل ششم: پی سطحی
پی سطحی اعضای سازه ای هستند که بارهای بالاسری متمرکز را به فشار وارد شده به خاک زیرین تبدیل می کنند. پی های مربعی، دایره ای، نواری و گسترده شکل های رایج پی سطحی هستند. هر کدام از این شکل ها برای نوع به خصوصی از سازه ها مناسب است: پی مربعی در زیر ستون استفاده می شود، پی دایره ای برای سازه های استوانه ای مثل مخزن آب به کار می رود و پی نواری و پی گسترده به ترتیب برای دیوارهای حائل و کل سازه ساخته شده مناسب اند. بر اساس نظر ترزاقی (1943) پی در صورتی سطحی است که عرض پی از عمق آن بیشتر باشد. البته بر اساس توصیه محققان دیگر، پی با عمقی تا 4 برابر عرض آن نیز می تواند سطحی به حساب آید. به هنگام طراحی پی سطحی، دو جنبه باید در نظر گرفته شود: 1) فشار پی اعمال شده نباید بیشتر از ظرفیت باربری خاک اطراف آن باشد و 2) نشست پی به جهت فشار اعمال شده نباید بیش از حد باشد.
فصل هفتم: فشار جانبی خاک و دیوارهای حائل
دیوارهای حائل اعضای سازه ای هستند که برای پشتیبانی از خاکریزهای قائم یا نزدیک به قائم به کار می روند. به این سازه ها زمانی نیاز می شود که تغییر ارتفاعی وجود داشته باشد. به عنوان مثال دیوار حائل را می توان برای پشتیبانی از خاکریز جاده عریض شده و یا سازه ها می توان به کار برد. انواع مختلفی از دیوار حائل از جمله دیوارهای حائل وزنی، نیمه وزنی، طره ای و پشتبنددار وجود دارند که از بتن و یا بتن مسلح ساخته می شوند. این دیوارها را همچنین می توان از مصالح دیگر مثل گابیون، خاک مسلح، فولاد و الوار چوبی بنا کرد. به هر حال، دیوارهای حائل برای مقاومت در برابر نیروهای خارجی وارده از جمله فشار جانبی خاک، سربار، فشار هیدرواستاتیکی و بارهای لرزه ای طراحی می شوند.
سه نوع فشار جانبی وجود دارد که می تواند بر دیوار حائل وارد شود: فشار حالت سکون، فشار محرک و فشار مقاوم. فشار سکون در حالتی اتفاق می افتد که دیوار حائل اجازه حرکت در جهت خاک یا در خلاف جهت آن را نداشته باشد. فشار محرک زمانی اتفاق می افتد که دیوار در خلاف جهت خاک موجود حرکت کند. این نوع فشار یک نیروی ناپایدار کننده در پشت دیوار حائل ایجاد می کند. فشار مقاوم در شرایطی ایجاد می شود که دیوار به سمت خاک متمایل می شود.
فصل هشتم: شمع و گروه شمع
شمع ها اعضای سازه ای بلند و لاغر هستند که بارهای وارده به سازه بالاسری را در عمق به لایه های خاک زیرین منتقل می کنند. در حالاتی که شرایط خاک برای اجرای پی سطحی مناسب نباشد از پی عمیق (شمع) استفاده می شود. شمع ها بار وارده را به وسیله اصطکاک سطح جانبی و مقاومت نوک آن تحمل می کنند. شمع های اصطکاکی بخش قابل توجهی از بار وارده به آنها را از طریق اصطکاک ایجاد شده بین سطح شمع و خاک اطراف آن تحمل می کنند. از سویی دیگر شمع های متکی به نوک، از طریق ظرفیت برابری خاک زیرین در مقابل بار وارده مقاومت می کنند.
فصل نهم: نفوذ و تراوش
خاک حفراتی متصل به هم دارد و از این جهت لوله های کوچک پر پیچ و خمی ایجاد می کند که به آب اجازه جریان می دهد. اندازه میانگین این لوله ها به تخلخل خاک بستگی دارد و سهولت نفوذ آب در محیط خاک را تعیین می کند. امکان محاسبه مقدار آب جریان یافته در خاک و نیروهای مربوط به این جریان در طراحی سازه های مختلف مهندسی عمران مثل سدهای خاکی، سدهای بتنی و دیوارهای حائل ضروری است.
دیدگاهتان را بنویسید