خلاصه پایان نامه افزایش ظرفیت باربری خاک های دانه ای حفره دار زیر پی گسترده به وسیله ژئوسینتتیک ها
پایان نامه کارشناسی ارشد (M.sc)
رشته عمران مکانیک خاک و پی
چکیده
در این پژوهش پایداری خاک مسلح با ژئوگرید واقع بر یک حفره زیر زمینی با استفاده از نرم افزار plaxis مورد تحلیل قرار گرفت و تاثیر عوامل متعددی چون تعداد لایه ژئوگرید ، طول لایه ژئوگرید ، سختی لایه ژئوگرید، محل بهینه قرارگیری لایه ژئوگرید زیر پی و تاثیر محل قرارگیری حفره زیر پی بر ظرفیت باربری بررسی شد.
اعمال تسلیح میتواند به طور قابل ملاحظهای ظرفیت باربری خاک را بهبود بخشد و نشست پی را کاهش دهد. همچنین با افزایش تعداد لایه های ژئوگرید از میزان نشست ها کاسته و با افزایش طول لایه ژئوگرید، مقدار نشست ها کم شده است. لذا ،هر جه طول ژئوگرید بیشتر میشود نسبت ظرفیت باربری (BCR) افزایش می یابد. برای خاک با ویژگیهای خاص، یک محل بهینهای برای قرارگیری لایه اول ژئوسینتتیک وجود دارد،و آن جایی است که کمترین نشست و بیشترین ظرفیت باربری در آن محل مشاهده میشود. به طور کلی با افزایش مقدار سختی محوری ژئوگرید(EA) از مقدار نشستها کاسته میشود. با افزایش EA ژئوگرید (BCR)[1] بیشتر میشود. مطالعه تاثیر محل قرارگیری حفره نشان داد، با قرارگیری حفره در عمق بیش از 3B نرخ افزایش نشست کنترل و مقدار نشست ثا بت میشود.
کلمات کلیدی: خاک مسلح، ژئوگرید، حفره، اجزای محدود ، نشست
فصل اول
کلیات
مقدمه
خاک مصالحی است که به خوبی در مقابل فشار و برش مقاومت میکند اما قادر نیست در برابر نیروی کششی مقاومت چندانی از خود نشان دهد. از زمانهای کهن به طور تجربی دیده شده که ریشه های درخت یا گیاهان در تقویت توده خاک موثر بوده است. خاک مسلح مصالح ساختمانی مرکبی است که در آن عناصر دارای مقاومت کششی به عنوان تسلیح در توده خاک قرار میگیرند. مفهوم نوین خاک مسلح اولین بار توسط مهندس معمار فرانسوی Henri Vidal، در سال 1965 معرفی شد. از آن پس، این تکنیک بطور گسترده در کارهای اجرایی مهندسی ژئوتکنیک مورد استفاده قرار گرفت ودر نیم قرن گذشته روند قابل توجهی در پژوهش و بکارگیری سازه های خاکی مسلح بدست آمد. امروزه تسلیح خاک به لحاظ فنی سامانه ای موثر و قابل اعتماد برای افزایش مقاومت و پایداری تودههای خاکی به کار گرفته میشود]1[.
برتری رفتار خاک مسلح بیشتر ناشی از افزایش مقاومت برشی در خاک مسلح شده میباشد که این افزایش مقاومت برشی بدلیل افزایش مدول الاسیسیته خاک و مقاومت بالای مسلح کننده در کشش است.
امروزه تسلیح به روش های گوناگون هم از نظر شکل یعنی به صورت نوار، صفحه، شبکه، میله یا رشته، هم از نظر زبری سطح یعنی به صورت سطح زبر یا صاف و هم از نظر سختی نسبی یعنی با سختی نسبی بالا مانند فولاد یا با سختی پایین مانند منسوجات پلیمری استفاده میشود. از دهه 80 میلادی به بعد استفاده از پلیمرهای مصنوعی به نام ژئوسنتتیکها[1] بطور گستردهای متداول گردید. دلیل این مسئله میتواند ناشی از عملکرد بهتر این محصولات با سختی نسبی پایین که هماهنگی بهتری با خاک دارند، نسبت به مصالح تسلیح کننده فلزی با سختی بالا باشد. این منسوجات پلیمری یا مصنوعی به دلیل سختی نسبی پایین، از نظر تغییر شکل پذیری با خاک سازگارتر بوده، علاوه بر این، منسوجات تراوا در مواجه با خوردگی مقاوم هستند و بعضی از انواع آنها در برابر حملات باکتریها و اسیدها پایدارند و غیر سمی نیز میباشند.
1-2- ضرورت انجام تحقیق
وجود حفرات زیر زمینی که تعداد آنها به سرعت در حال افزایش است ، باعث بروز مشکلات زیادی شده است.حفرات زیرزمینی چه به شکل طبیعی(غارها) یا مصنوعی(قناتها) به ویژه در مناطق شهری ممکن است در مجاورت یا زیر سازه ها قرار بگیرد. زمانی که این حفرات درعمقی قرار بگیرند که در محدوده حباب تنش در زیر پی سازهها باشند، در این صورت احتمال نشست یا فرو نشست خاک زیر پی بسیار زیاد میباشد. جهت مرتفع نمودن این مشکل، راهکارهای مختلف بهسازی خاک به کار گرفته میشود. با معرفی مصالح نوین ژئوسینتتیک ها به مهندسی عمران، کاربرد این محصولات جهت رفع مشکل فوقالذکر مورد توجه قرار گرفته شده است.
در تحقیق حاضر با بکارگیری ژئوسینتتیکها به عنوان مسلح کننده و در نظر گرفتن سختی محوری، طول، تعداد لایه و فواصل مسلح کننده، محل قرارگیری حفرات به ارزیابی ظرفیت باربری پی گسترده واقع بر خاک دانهای پرداخته شده است.
1-3- اهداف تحقیق
با توجه به اینکه فرآورده های پلیمری به سرعت در حال گسترش میباشد و همچنین این گونه فرآوردهها نظیرژئوسینتتیکها و انواع آنها مانند ژئوگریدها سازگاری مناسبی با خاک دارند. همچنین از نظر اقتصادی بسیار با صرفه میباشند. لذا این تحقیق بر آنست تا چگونگی به کارگیری مسلح کننده از نوع ژئوسینتتیک،جهت افزایش ظرفیت باربری خاکهای دانه ای حفره دار زیر پی گسترده را مورد تحقیق و ارزیابی قرار دهد.
1-4- سوالات و فرضیات تحقیق
در این پژوهش جهت بررسی پایداری خاک مسلح بر حفرات زیرزمینی از نرم افزار plaxis استفاده شده است. این نرمافزار قادر به انجام تحلیل در فضای دو بعدی و سه بعدی به روش عددی اجزاء محدود می باشد.
با توجه به شرایط مسئله، جهت انجام تحلیل های مورد نیاز بر روی مدلهای ساخته شده، حالت کرنش صفحهای در نظر گرفته شده است. به منظور مطالعه تاثیر متقابل خاک با مسلح کننده و هندسه ترکیبی آنها، در پایداری پوشش خاکی مسلح روی حفره، پارامترهای گوناگونی که مشخص کننده ویژگی هرکدام از عوامل بالا میباشد مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در بررسی تاثیر هر پارامتر، سایر پارامترها ثابت نگه داشته خواهد شد. پارامترهای متغیر شامل سختی محوری، طول ژئوسینتتیک، تعداد لایه مسلح کننده و همچنین فاصله لایه اول از زیر پی خواهد بود. پارامترهای ثابت شامل نوع پی، تعداد حفرات، نوع خاک، شرایط خاک و بارگذاری استاتیکی میباشد. لازم به ذکر است که فاصله بین ژئوسینتتیکها ثابت در نظر گرفته شده است.
1-5-مدل تحقیق
در این تحقیق مدل ابعاد در نظر گرفته شده به طول 70متر و ارتفاع 40 متر میباشد. حفره در نظر گرفته شده به شعاع 5/1 متر بوده، عرض پی گسترده 10 متر و عمق آن 1 متر میباشد.
با توجه به شرایط مسئله، جهت انجام تحلیلهای مورد نیاز بر روی الگوهای ساخته شده حالت کرنش صفحهای در نظر گرفته و برای تشکیل شبکه اجزای محدود و انجام محاسبات، از اجزای مثلثی 15گرهی برای لایه خاک و 5 گرهی برای المان ژئوگرید استفاده گردیده است. دو نوع پوشش خاکی از نوع دانهای با الگوی رفتاری مور-کولمب بر روی حفره در نظر گرفته شده است.
پارامترها با علائم اختصاری به کار گرفته در تحقیق حاضر که به نظر میرسد به عنوان عمده پارامترهای تاثیر گذار بر ظرفیت باربری خاک مسلح باشد به قرار ذیل است:
فاصله قائم زیر پی تا اولین لایه مسلح کننده (u)
تعداد لایههای مسلح کننده (N)
ضخامت کل خاک مسلح شده (d)
فاصله قائم بین لایه‌ها (h)
طول مسلح کننده (Lr)
عرض پی B
عمق پی (Df)
مشخصات خاک از جمله وزن مخصوص خاک ، چسبندگی خاک (c) و زاویه اصطکاک داخلی خاک
مشخصات مسلح کننده
1-7-روش تحقیق
در این تحقیق با استفاده از روش عددی اجزاء محدود با توجه به متغیرهای در نظر گرفته شده مدلهای گوناگون ابتدا ساخته سپس موردتحلیل قرار گرفت.
1-8- ساختار پایان نامه
ساختار تحقیق به گونهای است که در فصل اول کلیات مربوط به تحقیق بیان شده است و در فصل دوم درباره ظرفیت باربری و کلیاتی در باره ژئوسینتتیکها بحث شده است. در فصل سوم پیشینه تحقیق مورد بررسی قرار گرفته و در فصل چهارم نیز به معرفی اجمالی نرم افزار plaxis و
صحتسنجی پرداخته شده است.
در فصل پنجم مشخصات مصالح و نحوه مدلسازی بیان شده و در فصل ششم تحلیل مدلها و بررسی نتایج حاصل از مدلها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در نهایت در فصل هفتم جمع بندی، نتیجهگیری و برای علاقمندان به ادامه تحقیق این موضوع پیشنهادهایی ارائه گردیده است.
فصل دوم
ظرفیت باربری پی ها و کاربردهای ژئوسینتتیک ها
1 مقدمه
باربری نهایی پیها از دیرباز مدنظر بوده ودراین بین عوامل و پارامترهای بسیاری ازجمله پارامترهای مقاومت برشی خاک، شکل و ابعاد پی، عمق پی، شیب سطح زمین، شیب خود پی، مایل بودن و یا خروج ازمرکزیت بار، سطح آب زیرزمینی، لایه لایه بودن خاک و میزان تراکم خاک بر مقدار آن موثر میباشد. در این بین عوامل دیگری نیز وجود دارند که علی رغم موارد کم برخورد با آنها، در موقع حضور تاثیر بسیاری برظرفیت باربری نهایی پی میگذارند. از جمله این موارد میتوان به وجود حفرات زیرزمینی در خاک اشاره کرد که در صورت مجاورت با پی، یکی از عوامل تعیین کننده در ظرفیت باربری نهایی پی خواهند بود. امروزه ساخت بناهای زیرزمینی به شکل گستردهای توسعه یافته است، بطوریکه با توجه به نیازهای روزافزون بشر و با پیشرفت دانش وتکنولوژی، دامنه فعالیت انسان به زیرخاک و حتی در زیر سازههای موجود در مناطق شهری رسیده است. در این خصوص نمونههای متعددی از سازههای واقع بر روی حفرهها و تونلها وجود دارد. این حفرهها میتوانند نتیجه فعالیتهایی از قبیل اکتشاف معدن و یا حفر تونل باشند. وجود حفره در خاک باعث کاهش ظرفیت باربری پیهای سطحی نزدیک به حفره میشود که میزان این کاهش، تابع عوامل متعددی از جمله نوع خاک، تراکم، عمق مدفون حفره، خروج ازمرکزیت حفره نسبت به پی، هندسه حفره وعمق پی میباشد. بدیهی است که با وجود تفاوتهای عمدهای که در وضعیت تنشها در خاکریز پی برای حالت بدون حفره و حالت باحفره وجود دارد، به هیچ وجه نمی توان رفتار مشابهی را برای این دو حالت متصور شد. درواقع مکانیزم گسیختگی خاک در زیر پی برای این دو حالت با یکدیگر تفاوت
عمده ای دارد.
2-2- مبانی ظرفیت باربری
ظرفیت باربری نهایی(qf) معادل حداکثر فشاری است که خاک زیر پی قادر به تحمل آن میباشد به عبارت دیگر ظرفیت باربری نهایی حداکثر فشاری است که پی میتواند به خاک منتقل نماید قبل از آنکه خاک در آستانه گسیختگی برشی قرار گیرد. ظرفیت باربری خالص پی (qnf) حداکثر فشار خالصی است که پی میتواند به زمین منتقل نماید بدون آنکه در خاک گسیختگی بوجود آید .
Improving bearing capacity of granular soil with sinkholes below mat foundation with geosynthetic
Abstract
In this research, stability of geogrid-reinforced soil located on a sinkhole was studied using plaxis software. Also, effect of various factors such as number of geogrid layers, length of geogrid layers, stiffness of geogrid layers, optimum location of geogrid layers under-foundation and effect of location of under-foundation on bearing capacity were studied. reinforcement can improve bearing capacity of soil significantly. Also, on increasing No. of geogrids layers, and length of geogrid layer amount of settlement is decreased. Therefore, on increasing geogrid length, bearing capacity ratio (BCR) is increased. For soil with specific characteristic, it has an optimum placement location for first layer of geosynthetic, where minimum settlement and maximum bearing capacity is observed at that place. As a whole, on increasing value of axial stiffness(EA), value of settlement is decreased. On increasing EA of geogrid, BCR is increasing. Studying effect of sinkhole location under foundation showed that, placement of sinkhole at depth more than 3B(B being width of foundation), increasing rate of settlement is controlled and settlement value is constant.
Key words: reinforced soil, geogrid, sinkhole, finite element,set
فهرست پایان نامه افزایش ظرفیت باربری خاک های دانه ای حفره دار زیر پی گسترده به وسیله ژئوسینتتیک ها
فهرست:
چکیده. 1
فصل اول : کلیات
1-2- ضرورت انجام تحقیق.. 4
1-3-اهداف تحقیق.. 4
1-4- سوالات و فرضیات تحقیق.. 4
1-5-مدل تحقیق.. 5
1-7-روش تحقیق.. 6
1-8- ساختار پایان نامه. 6
فصل دوم: ظرفیت باربری پی ها و کاربردهای ژئوسینتتیکها
2-1 مقدمه. 8
2-2- مبانی ظرفیت باربری... 8
2-3- ظرفیت باربری خاکهای حفره دار.. 11
2-4- تاریخچه مواد ژئوسینتتیک.... 12
2-4-1 توصیف کلی ژئوسینتتیکها 12
2-4-2 طبقه بندی ژئوسنتتیکها 13
2-4-3- ژئوسینتتیکها 18
فصل سوم: پیشینه تحقیق
3-1- مقدمه. 22
3-2- مطالعه آزمایشگاهی.. 25
3-2-1- بررسی رفتار بار- نشست پی های نواری مستقربرخاک مسلح با ژئوگرید برروی حفره 25
3-2-2- دستگاه آزمایش ومشخصات مصالح. 26
3-2-3- برنامه آزمایش ها 28
3-2-4- ارائه نتایج وتفسیرداده ها 29
3-2-5- نتیجه گیری. 33
3-3- مطالعه عددی و تحلیلی.. 33
3-3-1- الگوسازی مساله 34
3-3-2- بررسی اثرژرفای قرارگیری نخستین لایه ژئوتکستایل. 35
3-3-3- بررسی اثرسختی کششی ژئوتکستایل. 37
3-3-4- بررسی اثرتعداد لایه های ژئوتکستایل. 38
3-3-5- بررسی اثرطول لایه ژئوتکستایل. 40
3-3-6- نتیجهگیری. 42
فصل چهارم : معرفی اجمالی نرمافزار PLAXIS و صحت مدلسازی
4-1- مقدمه. 44
4-2 معرفی نرم افزارPlaxis. 45
4-3 ویژگیهای مهم نرم افزار Plaxis نسخه8.2. 47
4-4- صحت سنجی نرم افزار Plaxis. 48
فصل پنجم: مشخصات مصالح و نحوه مدل سازی
5-1- مقدمه. 51
5-2- هندسه مدل.. 51
5-3- مشخصات مصالح.. 53
5-3-1- مشخصات خاک... 53
5-4- نحوه مدل سازی... 56
فصل ششم: مدل سازی و بررسی نتایج
6-1- مقدمه 58
6-2- شرایط مسئله 58
6-3- مطالعات پارامتریک. 58
6-3-1-اثر تعداد لایههای ژئوتکستایل. 59
6-3-2-اثر طول ژئوگرید 60
6-3-3- محل بهینه لایه اول ژئوگرید 62
6-3-4- اثر سختی کششی ژئوگرید 63
6-3-5- اثر قرار گیری محل حفره در خاک. 64
فصل هفتم: جمع بندی و خلاصه نتایج
7-1- مقدمه 67
7-2- جمع بندی. 67
7-3- نتیجه گیری. 67
7-4- ارائه پیشنهادات برای تحقیقات بعدی. 68
فهرست مراجع. 69
منبع:
[1]. Christopher, B.R. and Holtz, R.D. (1985), “Geotextile Engineering
Manual”,United States Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington DC, Report No. FHWA-TS-86/203, 1044p.
[2]. Yeimoglu,T.,Wu,J.T.Hand saglamer,A(1994)."Bearing Capacity of Rectangular Footing on Geogrid-Reinforced sand".Journal of Geotechnical Eng., ASCE, Vol,120,No.12,pp 2083-2099.
[3]. Baus,R.L, and Wang,M.C,M.(1983),"Bearing Capacity of Strip Footings Above Void", Journal of Geotechnical eng., ASCE, Vol.109,No.1,January 1983,pp.1-14.
[4]. Wang, M.C.and Badie,A.(1985),"Effect of Underground Void on Foundation Stability", Joumal of Geotechnical eng., ASCE, Vol.111.No. 8,August 1985,pp.1008-1119.
[5]. Binquet,J.,and Lee,K.L.(1975a),"Bearing Capacity Tests on Reinforced Earth Slabs", Journal of Geotechnical Eng.Div., ASCE, Vol,101,No.12,pp 1241-1255.
[6].Fragaszy,R.,and Lawton,E.(1984),"Bearing Capacity of Reinforced sand subgrades",Journal of Geotechnical Eng., ASCE, Vol,110,No.10,pp 1500-511.
[7].Gudio,V.A., Chang,D.K.,and sweency.M.A.(1986),"Comparison of Geogrid and Geotextile Reinforced Earth slabs",Canadian Geotechnical Journal,No. 23,pp435-440.
[8].Akinmusuru, J.O., and Akinbolade,J.A.(1981),"Stability of Loaded Footing on Reinforced Soil", Journal of Geotechnical Eng. Div., ASCE, Vol,107,No.6,pp 819-827.
[9].Huang,C.C.,and Tatsuoka,F.(1988),"Prediction of Bearing Capacity in Level Sandy Ground Reinforced with strip Reinforcement",Proceeding International Geotechnical Symposium Theory and Practice of Earth Reinforcement, Balkema, Fukuoka, Kyushu, Japan,pp.191-196.
[10].Khing,K.H.,Das,B.M.,Puri,V.K,Yen,S.C.,andCook,E.E.(1994), "Foundation on Strong Sand Underlain by Weak Clay with Geogrid at the Interface",journal of Geotextile and Geomembranes, Vol,13,No.3,pp 199-206.
[11].Takemura,J., Okamura,M., Suesmasa,N., Kimura,T. (1992), "Bearing Capacity and Deformations of sand Reinforced with Geogrid" . Proceeding Eath Reinforcement Practice, Balkema, Fukuoa, Kyushu, Japan,pp.695-700.
[12].Omar,M.T.,Das,B.M.,Yen,S.C.,Puri,V.K.and Cook,E.E. (1993) "Ultimate Bearing capacity of Rectangular Foundations on Geogrid-Reinforcement sand",Geotechnical Testing Joumal, Vol,15,No.2,pp 246-252.
[13]. Christopher, B.R. and Holtz, R.D. (1985), “Geotextile Engineering
Manual”, United States Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington DC, Report No. FHWA-TS-86/203, 1044p.
[14]. Mannsbart, G. and Christopher, B.R. (1996), “Long-term Performance of Nonwoven Geotextile F ilters in Five Coastal and Bank Protection Projects”, Proceedings of the 10th Geosynthetics Research Institute Conference on Performance of Geosynthetics and Geosynthetic Related Systems, Philadelphia, Pennsylvania, pp. 26-38.
[15]. Bhatia, S.K. AND Suits, D., (1996), “Geotextile Filters and Prefabricated Drainnage Geocomposites”, American Society for Testing and methods, STP 1281, PA, USA.
[16]. US Army Corp of Engineers (1977), “Civil Works Construction Guide Specification for Plastic Filter Fabric”, Corps of Engineer, U.S. Army Corps of Engineer Specifications No. CW- 02215, Office, Chief, Chiefer of Engineers, U.S Army Corp of Engineers, Washington, D.C.
[17]. Maharaj D.K., (2003). ‘‘Nonlinear finite element analysis of stip footing on reinforced clay.’’ The Electronic Journal of Geotechnical Engineering, Vol.8, Bundle C.
[18]. Ingold, T.S., and Miller, K.S., (1992), ‘‘Analytical and laboratory Investigaion of reinforced clay.’’ Proceedings of the 2nd International Conference on Geotextiles, Vol.3,pp. 587-592.
[19]. Khing, K.H., Das, B.M., Puri, V.K., Cook, E.E., and Yen, S.C., (1993), ‘‘The bearing capacity of a strip foundation on geogrid reinforced sand.’’ Geotextiles and Geomembranes, Vol.12, pp. 351-361.
[20]. John, N.W.M., Geotextile, First Pub, Chapman and Hall, U.S.A., [21].Bauer, G.E(1987 ) ., Control of Settlment Using Geogrids, Proceeding of the Conference on Vertical and Horizontal Deformations of Foundations and Embankments, ASCE, Vol.1, (1994)
[22].Bauer, G.E, (1994)., Control of Settlment Using Geogrids, Proceeding of the Conference on Vertical and Horizontal Deformations of Foundations and Embankments, ASCE, Vol.1.
[23]. Michalowski, R.L., April (2004), ‘‘Limit loads on reinforced foundation soils’’, Journal of Geotechnical and Geoenviromental Enginering, ASCE, Vol.130, No.4, pp. 381-390.
[24]. Omar, M.T., Das, B.M., Yen, S.C., Puri, and Cook, E.E., (1993a), ‘‘Ultimate bearing pacity of rectangular foundations on geogrid-reinforced sand.’’ Geotechnical Testing Journal,ASTM,Vol.16, No.2, pp. 246-252.
]25[.عساکره ، عادل ، بررسی آزمایشگاهی رفتار بار – نشست پی های نواری مستقر بر خاک مسلح با ژئوگرید بر روی حفره ، 1388، کنگره بین المللی مهندسی دانشگاه شیراز.
]26[.نورزاد، رضا ، پایداری خاک مسلح با ژئوتکستایل واقع بر یک حفره زیر زمینی ، 1388، کنگره بین المللی مهندسی دانشگاه شیراز.
[27]. PLAXIS (2005) PLAXIS Version 8.2, Reference manual, Web: http://www.plaxis.nl.com