Dynamic of soils and their engineering applications

در سطح جهان، مشاهده تکرار وقوع زلزله های کوچک و بزرگ و همچنین پیشرفت های صنعتی انجام شده، به دست آوردن دانش در خصوص دینامیک خاک و پی ماشین آلات را الزام آور می کند. با توجه به این مسائل، تقریبا در تمام موسسات مهندسی، به واحدهای درسی با مضمون دینامیک خاک در سطوح کارشناسی و تحصیلات تکمیلی پرداخته می شود.
نویسنده کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن (Swami Saran)، مباحث مربوط به موضوعات آن را به مدت 35 سال در سطح تحصیلات تکمیلی تدریس کرده است. متن این کتاب، در اصل، از یادداشت هایی که نویسنده برای تدریس به دانشجویان آماده کرده به دست آمده است. ملاحظه اصلی در نوشتن کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن فهم مناسب خواننده از مطالب آن بوده است. چینش مطالب به گونه ای است که مخاطبان سیر پیشرفت آن را به آسانی دنبال کنند. تعدادی مثال حل شده در هر فصل ارائه شده و تمامی روابط، نمودارها و مثال ها در واحد SI بیان شده اند.

فصل 2: تئوری ارتعاشات

برای درک رفتار سازه در معرض بارگذاری دینامیکی، باید مکانیک ارتعاشات ناشی از بارگذاری دینامیکی را مطالعه نمود. الگوی تغییرات بار دینامیکی بر حسب زمان ممکن است متناوب (periodic) یا گذرا (transient) باشد. جا به جایی های متناوب را می توان به قسمت هایی با تغییرات سینوسی تقسیم کرد به عنوان مثال ارتعاشات در پی ماشین آلات. ارتعاشات گذرا تغییرات تاریخچه زمانی بسیار پیچیده و غیر متناوبی دارند مثلا ارتعاشات ناشی از زلزله و انفجار معدن.

سازه ای که در معرض بار دینامیکی است (متناوب یا گذرا) ممکن است به یکی از چهار شکل زیر و یا ترکیبی از آن ها از خود تغییرشکل نشان دهد:

1. کششی
2. برشی
3. خمشی
4. پیچشی

شکل های ارتعاشات در اصل به جرم، توزیع سختی و شرایط نهایی سیستم بستگی دارد. برای مطالعه پاسخ یک سیستم ارتعاش، در بسیاری از موارد، تبدیل آن به یک سیستم ایده آل از پارامترهای متمرکز مورد توجه است. با توجه به این مسئله، ساده ترین مدل شامل جرم، فنر و میراگر می شود. این فصل از کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن برای ارائه مفاهیم پایه ای و تحلیل دینامیکی این گونه سیستم ها طرح ریزی شده است. مسائل واقعی محلی که می توان آنها را به صورت ایده آل به شکل یک سیستم جرم – فنر – میراگر مدل کرد نیز در این فصل ارائه شده است.

فصل 3: انتشار موج در محیط الاستیک، همگن و همسان

بار ناگهانی وارد شده به یک جسم، در لحظه بارگذاری تمامی حجم جسم را بر هم نمی زند. بخش هایی که در نزدیک ترین محل به بارگذاری قرار دارند در ابتدا تحت تاثیر قرار می گیرند و سپس تغییرمکان های ایجاد شده به وسیله این به هم ریختگی در تمامی حجم جسم به شکل امواج تنش گسترش می یابد. سرعت انتشار امواج لرزه ای در زمین به مشخصات الاستیکی و چگالی مصالح بستگی دارد. پدیده انتشار موج در یک محیط الاستیک در مطالعه پی های در معرض بار دینامیکی اهمیت بسیاری دارد.

در این فصل از از کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن انتشار موج در 1) میله الاستیک، 2) محیط الاستیک بی نهایت و 3) نیم فضای الاستیک بحث می شود.

فصل 4: مشخصات دینامیکی خاک

مسائل مربوط به بارگذاری دینامیکی خاک ها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

1. مسائلی که دارای پاسخ کرنش با دامنه زیاد هستند – تکان های قوی زلزله، انفجارهای هسته ای و انفجارهای ایجاد شده ناشی از مسائل دیگر، می توانند کرنش هایی با دامنه بزرگ در حدود 0/01% تا 0/1 % ایجاد کنند؛
2. مسائلی که دارای پاسخ کرنش با دامنه کم هستند – پی ماشین آلات که معمولا کرنش هایی با دامنه کوچک در حدود 0/0001% تا 0/001% به وجود می آورند.

مشخصات خاک که به آن در تحلیل و طراحی سازه در معرض بارگذاری دینامیکی نیاز است، شامل موارد زیر می شود:

الف) مدول دینامیکی مثل مدول یانگ E، مدول برشی G و مدول حجمی K

ب) ضریب پواسون

پ) مقادیر ثابت الاستیکی دینامیکی، مثل ضریب فشار یکنواخت الاستیک C_u، ضریب برش یکنواخت الاستیک C_t، ضریب فشار غیر یکنواخت الاستیک C_φ و ضریب برش غیر یکنواخت الاستیک C_ψ

ت) نسبت میراگر

ث) مشخصه های روانگرایی مثل نسبت تنش سیکلیک، تغییرشکل سیکلیک و فشار آب حفره ای

ج) مشخصات مقاومت – تغییرشکل بر حسب اثرات تغییرات کرنش

از آن جا که مشخصات دینامیکی خاک وابسته به کرنش است، روش های آزمایشگاهی و در محل متنوعی برای محاسبه این ویژگی ها در محدود عظیمی از کرنش ها ارائه شده است.

فصل 5: فشار دینامیکی خاک

در مناطق لرزه ای، دیوارهای حائل در معرض فشار دینامیکی خاک قرار می گیرند که بزرگی آن بیشتر از فشار استاتیکی آن در اثر حرکت های خاک است. از آن جا که بار دینامیکی در طبیعت تکرارپذیر است، به تعیین تغییرمکان دیوار به دلیل زلزله و آسیب های احتمالی نیاز است. این مسئله در شرایطی که فرکانس بار دینامیکی وارده به فرکانس طبیعی سیستم دیوار – خاک پشت دیوار – پی – خاک زیرین نزدیک باشد ضروری تر نیز می شود. این کار با نوشتن رابطه حرکت سیستم تحت ارتعاش آزاد و اجباری انجام می گیرد که نیازمند اطلاعاتی از توزیع توده خاک پشت دیوار و سطح زیرین و شرکت کردن آن در ارتعاشات است. ارزیابی این اطلاعات معمولا دشوار است. بنابراین، معمولا، برای به دست آوردن فشار دینامیکی خاک تحلیل شبه استاتیکی انجام می پذیرد. در این روش، نیروی دینامیکی با یک نیروی استاتیکی معادل جایگزین می شود.

در این فصل از کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن، در ابتدا در مورد روش های متفاوت محاسبه بزرگی و محل وارد شدن فشار دینامیکی خاک بر اساس تحلیل شبه استاتیکی بحث شده و در ادامه به روش های پیش بینی تغییرمکان های دیوار حائل پرداخته می شود.

فصل 6: ظرفیت باربری دینامیکی پی های سطحی

پی ها ممکن است در معرض بارهای دینامیکی ناشی از زلزله، انفجار بمب و کار کردن ماشین آلات قرار گیرند. بارهای دینامیکی ناشی از انفجارهای هسته ای بیشتر در جهت قائم وارد شده و بارهای دینامیکی افقی وارد شده بر پی ها عمدتا در اثر زلزله ایجاد می شوند. برای به دست آوردن راه حل دو روش کلی وجود دارد: 1) تحلیل شبه استاتیکی 2) تحلیل دینامیکی. در این فصل، در ابتدا تحلیل شبه استاتیکی ارائه شده و در ادامه به تحلیل دینامیکی پرداخته می شود. طراحی پی های مختلف ماشین آلات، با ارائه جزئیات کامل آن در فصل های 8 تا 10 کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن ارائه خواهد شد.

فصل 7: شمع تحت بارهای دینامیکی

شمع ها اعضای نسبتا بلند و لاغری هستند که برای انتقال بارها از میان خاک ضعیف یا آب به لایه های عمیق خاک یا سنگ با ظرفیت باربری بالا استفاده می شوند. زمانی که شمع از میان مصالح ضعیف عبور می کند و نوک آن مقدار کمی در لایه با ظرفیت باربری مناسب نفوذ می کند، به شمع متکی به نوک معروف شده و هنگامی که شمع در لایه ای عمیق با مشخصات مقاومتی محدود نصب می شود و می تواند ظرفیت باربری خود را از طریق اصطکاک با خاک اطراف تامین کند، به شمع اصطکاکی شناخته می شود. در بیشتر اوقات، ظرفیت باربری شمع ها از ترکیب اتکای به نوک شمع و اصطکاک با خاک اطراف به دست می آید.

اجرای شمع ها در لایه های خاک، سیستم خاک را سخت تر می کند. به همین دلیل، هم فرکانس طبیعی و هم دامنه حرکات تحت تاثیر آن قرار می گیرند. در تمام مسائل ارتعاشات، باید از وقوع پدیده تشدید جلوگیری کرد. بنابراین، به فرکانس طبیعی سیستم سازه – خاک – شمع برای تحلیل و طراحی نیاز است.

در این فصل کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن، در ابتدا در مورد تحلیل شبه استاتیکی و سپس تحلیل دینامیکی بحث می شود.

فصل 8: پایداری لرزه ای تحلیل شیروانی ها

تحلیل پایداری شیروانی ها در معرض نیروی زلزله به سه روش انجام می گیرد: 1) شبه استاتیکی 2) ارزیابی غیر قابل بازگشت مثل تغییرمکان پلاستیک و 3) تحلیل دینامیکی با استفاده از روش اجزا محدود. در تحلیل شبه استاتیکی، یک سطح لغزش فرض می شود و با آزمودن شرایط تعادل در زمان ابتدایی گسیختگی و مقایسه مقاومت مورد نیاز برای باقی ماندن تعادل حدی با توجه به مقاومت خاک موجود، یک تخمین کمی از ضریب اطمینان به دست می آید. نیروهای زلزله به عنوان نیروهای استاتیکی معادل در نظر گرفته می شوند که با ضرب کردن وزن گوه لغزش در ضرایب لرزه ای به دست می آید.

فصل 9: روانگرایی خاک ها

بسیاری از گسیختگی های ایجاد شده در سازه های خاکی، شیروانی ها و پی ها در ماسه اشباع، در ادبیات فنی به روانگرایی ماسه نسبت داده می شوند. معروف ترین گسیختگی های ایجاد شده در پی ها به جهت روانگرایی، مواردی هستند که در حین زلزله نیگاتای ژاپن در سال 1964 اتفاق افتاده است. نمونه های تاریخی این پدیده شامل لغزش هایی می شود که در استان زلاند هلند و همچنین در نهشته های موجود در طول رودخانه می سی سی پی رخ داده است. گسیختگی های سد فورت پِک در مونتانا در سال 1938، سد کالاوراس در کالیفرنیا در سال 1920 و سد لووِر لَن نورمن در حین زلزله سن فرناندو در سال 1971 در کالیفرنیا، نمونه هایی از گسیختگی های ایجاد شده در سدها در اثر روانگرایی است.

روانگرایی معمولا به شکل جوشش ماسه ظاهر می شود و تعداد زیادی از این موارد در زلزله دوربی در آسام در سال 1930 و زلزله بیهار در سال 1934 مشاهده شده است. هنگامی که خاک روانگرا می شود، سازه قرار گرفته بر روی آن در خاک فرو می رود. زلزله اخیر کوینا در سال 1995، نمونه ای از پدیده روانگرایی است که آسیب های فاجعه باری به سازه ها وارد کرده و منجر به مختل شدن زندگی بسیاری از افراد شده است.

فصل 10: اصول کلی طراحی پی ماشین آلات

در پی ماشین آلات که علاوه بر بارهای استاتیکی در معرض بارهای دینامیکی نیز قرار دارند، ملاحظات رایج مربوط به ظرفیت باربری و نشست مجاز برای اطمینان از یک طراحی امن کافی نیست. به طور کلی، وزن پی چند برابر وزن ماشین است. همچنین، بارهای دینامیکی ایجاد شده به وسیله بخش های در حرکت ماشین در مقایسه با وزن استاتیکی ماشین و پی چندان زیاد نیست. ولی بارهای دینامیکی به طور تکرار شونده و در مدت زمان طولانی بر روی سیستم پی – خاک وارد می شوند. بنابراین، لازم است که رفتار خاک تحت ارتعاشات ایجاد شده از طرف ماشین، الاستیک باشد، در غیر این صورت با هر چرخه بارگذاری تغییرشکل افزایش خواهد یافت و نشست های مکرری نیز به وجود خواهد آمد. مهم ترین پارامترها برای طراحی پی ماشین آلات شامل این موارد می شود: 1) فرکانس طبیعی سیستم ماشین – پی – خاک؛ و 2) دامنه حرکت ماشین در فرکانس ناشی از عملکرد آن.

فصل 11: پی ماشین های نوسانی (رفت و برگشتی)

استفاده از ماشین های نوسانی (رفت و برگشتی) رواج زیادی دارد. موتورهای بخار، موتورهای سوخت داخلی (مثل موتورهای دیزلی و نفتی)، پمپ ها و کمپرسورها در این دسته قرار می گیرند. برای این نوع ماشین ها از پی های بلوکی شکل یا جعبه ای شکل استفاده می شود.

برای عملکرد مناسب سیستم ماشین – پی، الزامات ارائه شده در بخش 10-3 باید رعایت شود. از این جهت، باید مواردی از جمله 1) فرکانس طبیعی سیستم و 2) دامنه پی در حین عملکرد ماشین به دست آید. فرضیات ابتدایی در نظر گرفته شده در تحلیل شامل موارد زیر می شود: 1) پی بلوکی، فقط مشخصات اینرسی داشته و فاقد خصوصیات الاستیکی است و 2) خاک فقط خصوصیات الاستیکی داشته و فاقد مشخصات اینرسی است. گام های طراحی و مثال ها در انتهای این فصل کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن ارائه شده است.

فصل 12: پی ماشین آلات ضربه ای

ماشین های ضربه ای، بارهای دینامیکی گذرا با زمان اثر کم ایجاد می کنند. چکش ها رایج ترین نمونه این نوع ماشین ها هستند. یک سیستم چکش – پی – خاک شامل یک قاب، وزنه سقوط کننده (سرچکش)، سندان و پی بلوکی می شود.

پی چکش، به طور کلی از یک بلوک بتنی مسلح شده ایجاد شده است. چینش های عنوان شده در ادامه، بر اساس اندازه چکش مورد استفاده قرار می گیرد:

1. در چکش های کوچک، سندان ممکن است مستقیما بر روی پی بلوکی سوار شود. این سیستم را می توان به شکل سیستم یک درجه آزادی مدل کرد.
2. در چکش با ظرفیت متوسط، لایه ایزوله ارتعاش، در میان سندان و پی بلوکی قرار گرفته است. معمولا لایه ایزوله، یک بالشتک الاستیکی است که شامل لاستیک، نمد، چوب پنبه یا الوار می شود که به اندازه ممکن در برابر آب و روغن محافظت شده است. در چکش های با ظرفیت بالا، اعضای به خصوصی مثل فنر مارپیچ و میراگر ممکن است به جای بالشتک الاستیک به کار روند. این سیستم ها را می توان به شکل یک سیستم دو درجه آزادی مدل کرد.
3. برای کاهش انتقال ارتعاشات به ماشین ها یا سازه های مجاور، پی بلوکی ممکن است بر روی بالشتک الاستیکی یا فنرهای جاذب قرار گیرد. در چنین مواردی، پی در یک محفظه بتن مسلح قرار داده می شود. فضای بین پی و جداره این محفظه یا به وسیله یک سری مصالح نرم پر شده و یا خالی باقی می ماند. این سیستم را می توان به شکل یک سیستم سه درجه آزادی مدل کرد. از آن جا که سختی این محفظه در مقایسه با بالشتک زیر پی بلوکی بسیار بیشتر است، فرض می شود که این محفظه بر روی تکیه گاهِ صلبِ خاک قرار گرفته است، از این جهت، یک مدل دو درجه آزادی ممکن است نتایج دقیقی را برای تمامی مقاصد عملی ارائه کند.

در پی چکش ها، راستای سرچکش، سندان و پی به گونه ای قرار گرفته که مرکز آن ها در یک محور قائم قرار گیرد. این کار، عدم خروج از محوری بار وارده را بر روی سندان و پی تضمین می کند.

فصل 13: پی ماشین های دوار

بار بی سابقه ای که اهمیت نفت به بار می آورد، تنها با بهره برداری کارآمد از منابع انرژی بومی قابل کاهش است. منابع انرژی اصلی، در برنامه بلند مدت برق، ترکیبی بهینه از تولید حرارتی، هایدل و هسته ای را در بر می گیرد. شدت برق در کشور ما به دلایل مختلف از جمله جایگزینی اساسی در میان اشکال انرژی در بخش های مختلف مهم همراه با برنامه تسریع شده در برق رسانی روستایی و تامین برق مطمئن بخش کشاورزی و غیره نسبتاً بالا است. هدفِ برنامه ریزی برای تولید برق بالاتر از تقاضا، توسعه هماهنگ صنعت تامین برق را می طلبد. واحد توربوژنراتور گران ترین، حیاتی ترین و مهم ترین بخش در یک نیروگاه حرارتی است. سرعت عملکرد توربوژنراتورها ممکن است از 3000 دور در دقیقه تا 10000 دور در دقیقه باشد. تجهیزات کمکی مانند کندانسور، مبدل حرارتی، خطوط لوله، دریچه های هوا و کانال های سیم کشی برق از ویژگی های ضروری نصب توربوژنراتور هستند. پی قابی معمولاً به چهار دلیل برای توربوژنراتور استفاده می شود:

1. تجهیزات کمکی را می توان راحت تر مرتب کرد
2. بازرسی و دسترسی به تمام قسمت های دستگاه راحت تر می شود
3. کمتر در معرض ترک خوردن ناشی از نشست و تغییرات دما است
4. اقتصادی تر بودن به دلیل صرفه جویی در مصالح و آزاد بودن در اضافه کردن اعضای بیشتر برای سخت کردن آن در صورت نیاز

پی قابی، ترکیبی از ستون ها و تیرهای طولی و عرضی است. تیرهای عرضی ممکن است با توجه به خطوط مرکزی ستون ها، خروج از محوری داشته باشند. همچنین این تیرها به دلیل بازشوهایی که در دال بالایی و اتصالات ماهیچه ای در محل اتصال به ستون ها وجود دارد ممکن است سطح مقطع متغیری داشته باشند.

در نیروگاه برق، عملکرد مناسب و بلند مدت توربوژنراتورها تحت تاثیر پی آن هاست، بنابراین، به طراحی این پی ها برای تمام ترکیب های بار استاتیکی و دینامیکی نیاز ضروری وجود دارد.

فصل 14: جداسازی ارتعاشات و غربالگری

در پی ماشین آلات، دنبال کردن دو نوع مسئله ممکن است مورد توجه باشد:

1. ماشین هایی که مستقیما بر روی پی بلوکی قرار گرفته اند ممکن است ارتعاشات نامطلوبی را ایجاد کنند.
2. پی ماشین آلات به دلیل ارتعاشات منتقل شده از ماشین های مجاور دچار دامنه های بیش از حد می شود.

مسئله اول را می توان با جدا کردن ماشین از پی به وسیله طراحی سیستمی مشخص حل کرد. در این صورت نیروی منتقل شده و پس از آن دامنه کاهش خواهد یافت. به این نوع جداسازی، جداسازی نیرو گفته می شود. این نوع آرایش همچنین در جذب ارتعاشات انتقال یافته از ماشین های کناری نیز کمک کننده خواهد بود. سیستمی که برای این مقاصد استفاده می شود به جداساز حرکت معروف است. در ماشین های سنگین تر، سیستم جداساز ممکن است در بین پی بلوکی و دال بتنی قرار داده شود.

مسئله دوم که در آن ارتعاشات از ماشین های کناری منتقل می شوند را می توان با کنترل کردن انرژی ارتعاشی رسیده به مکان مورد نظر حل کرد. این کار به غربالگری ارتعاشی معروف است. غربالگری موثر ارتعاشات را می توان با ایجاد مانع در برابر امواج سطحی و یا پخش کردن یا انکسار آن به وسیله موانعی مثل ترانشه ها، سپری ها و شمع ها به انجام رساند. اگر ادوات غربالگری در نزدیکی منبع ارتعاشات فراهم شوند به غربالگری فعال یا جداسازی فعال شناخته می شوند. در مواردی که ادوات غربالگری با فراهم کردن موانعی در فواصلی دورتر از منبع ارتعاش ولی نزدیک به محلی که ارتعاشات باید کاهش یابند به کار می روند، به غربالگری غیر فعال یا جداسازی غیر فعال معروف می شوند.

فصل 15: دیوار خاکی مسلح شده

خاک مسلح شده مشخصات جدید بسیاری را در اختیار قرار می دهد که آن را برای ساخت سازه های ژئوتکنیکی، به خصوص دیوارهای حائل، تا حد زیادی سودمند می کند. دیوار خاکی مسلح شده سه بخش اصلی دارد: 1) توده خاکی 2) مسلح کردن 3) قسمت نمای آن که به انتهای بخش مسلح شده گیردار شده است. قسمت نما، بخشی ضروری نیست؛ با این حال، برای جلوگیری از خوردگی سطحی و ارائه شرایط ظاهری مناسب لازم است. بخش عظیمی از حجم آن را خاک های اصطکاکی تشکیل می دهد که در محل به عنوان خاکریز خاکی متراکم می شوند. از آن جا که خاک 99/9% دیوار حائل را تشکیل می دهد، به طور قابل قبولی انعطاف پذیر است و می تواند بدون ایجاد تنش، نشست های تفاضلی بسیاری را تحمل کند. همچنین تمرکز تنش در نزدیکی پنجه به جهت نسبت تقریبا زیاد کف به ارتفاع، معمولا 0/8 تا 1/0، کم است. از آن جا که بخش اصلی دیوار خاکی مسلح شده را خاک تشکیل می دهد، از جهت اقتصادی نیز به صرفه تر بوده و برای شرایط خاکی ضعیف مناسب است. به دلیل مشخصات جدید که پیشتر نیز به آن اشاره شد، دیوار خاکی مسلح شده، برای استفاده در تقریبا تمامی سازه نگهبان ها مورد توجه است.

در این فصل از کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن، تحلیل شبه استاتیکی دیوار خاکی مسلح شده قرار گرفته در ناحیه لرزه خیز ارائه شده است.

فصل 16: دیوارهایی با توده های ماسه ای مسلح شده

روش تسلیح خاک، به عنوان یک روش اقتصادی جایگزین برای روش های ایجاد سازه نگهبان و بهسازی خاک، به طور گسترده ای پذیرفته شده است. سودمندی اقتصادی روش اختراعی دیوار خاکی مسلح شده توسط ویدال (1966)، به وسیله هزاران سازه ساخته شده از این دست در سراسر جهان تایید شده است. ولی شرایطی هم می تواند وجود داشته باشد که دیوار خاکی مسلح شده راه حل ایده آل را ارائه ندهد. این موارد برای محل هایی با فضاهای محدود در پشت دیوار و یا جاده های کوهستانی باریک بر روی شیب های ناپایدار که می تواند استفاده از طول تسلیح طراحی شده را ناممکن کند، صدق می کند. در چنین شرایطی، دیوارهای صلب با خاکریز مسلح شده ممکن است مناسب تر باشد. در این دیوارها، توده خاک پشتی به وسیله نوارها یا شبکه های متصل نشده افقی در جهت عمود به دیوار مسلح می شوند.

در این فصل از کتاب دینامیک خاک و کاربرد های مهندسی آن، تحلیلی برای به دست آوردن فشار خاک محرک برای دیوارهای حائل با خاک مسلح شده در معرض نیروهای زلزله ارائه شده است.