خلاصه پایان نامه تاثیر پارامتر های ژئوتکنیکی خاک بر طراحی پی های حلقوی ، مطالعه موردی برج های خنک کن نیروگاه کازرون
جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
رشته مهندسی عمران- گرایش خاک و پی
بررسی تأثیر پارامترهای ژئوتکنیکی خاک بر طراحی پی‌های حلقوی با تحلیل ظرفیت باربری، نشست و مدلسازی عددی در نرم‌افزار PLAXIS؛ مطالعه موردی برج‌های خنک‌کن نیروگاه کازرون.
چکیده:
پی یا فونداسیون یکی از مهم‌ترین اجزای هر سازه محسوب می‌شود که وظیفه انتقال بارهای واردشده از روسازه به خاک بستر را بر عهده دارد. عملکرد صحیح پی نقش تعیین‌کننده‌ای در پایداری، ایمنی و دوام سازه دارد و طراحی مناسب آن نیازمند شناخت دقیق رفتار خاک، ظرفیت باربری و میزان نشست بستر است. در سازه‌هایی که دارای تقارن محوری هستند، استفاده از پی‌های حلقوی به دلیل ویژگی‌های هندسی و اقتصادی، کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است. برج‌های خنک‌کن، سیلوها، مخازن، برج‌های آبی و برخی سازه‌های صنعتی از جمله سازه‌هایی هستند که معمولاً از پی‌های حلقوی برای انتقال بار به زمین استفاده می‌کنند.
در این پژوهش، تأثیر پارامترهای ژئوتکنیکی خاک بر طراحی پی‌های حلقوی با تمرکز بر برج‌های خنک‌کن نیروگاه سیکل ترکیبی کازرون مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی تحقیق، ارزیابی ظرفیت باربری، میزان نشست و تعیین ظرفیت باربری مجاز پی حلقوی با استفاده از مدلسازی عددی است. برای دستیابی به این هدف، از نرم‌افزار PLAXIS و مدل رفتاری مور–کولمب (Mohr-Coulomb) استفاده شده است تا رفتار خاک و پی تحت شرایط مختلف بارگذاری شبیه‌سازی شود.
در طراحی ژئوتکنیکی پی، دو معیار اساسی همواره مورد توجه قرار می‌گیرد؛ نخست ظرفیت باربری خاک و دوم میزان نشست پی. ظرفیت باربری نشان‌دهنده حداکثر باری است که خاک بدون وقوع گسیختگی می‌تواند تحمل کند، در حالی که نشست بیانگر میزان تغییر شکل خاک در اثر اعمال بار است. طراحی مناسب زمانی حاصل می‌شود که علاوه بر تأمین ظرفیت باربری کافی، مقدار نشست نیز از حدود مجاز تجاوز نکند. به همین دلیل ظرفیت باربری و نشست همواره به صورت هم‌زمان مورد بررسی قرار می‌گیرند و نمی‌توان هر یک را به‌صورت مستقل ارزیابی کرد.
پی‌های حلقوی به دلیل شکل هندسی خاص خود، رفتار متفاوتی نسبت به سایر انواع پی‌های سطحی دارند. روابط کلاسیک ظرفیت باربری که برای پی‌های نواری، مربعی یا دایره‌ای توسعه یافته‌اند، در بسیاری از موارد قادر به پیش‌بینی دقیق رفتار پی‌های حلقوی نیستند. از این‌رو، انجام مطالعات عددی و ارائه روابط مناسب برای تحلیل این نوع پی‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. این موضوع به‌ویژه در پروژه‌های صنعتی بزرگ که دقت طراحی تأثیر مستقیمی بر ایمنی و هزینه‌های اجرایی دارد، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
مطالعه حاضر بر اساس اطلاعات ژئوتکنیکی محل احداث برج‌های خنک‌کن نیروگاه کازرون انجام شده است. این نیروگاه در کیلومتر ۱۰ جاده کازرون–فراشبند و در محدوده زمین‌شناسی زاگرس چین‌خورده قرار دارد. نتایج مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی نشان می‌دهد که خاک محل عمدتاً از رس کم‌پلاستیسیته با طبقه‌بندی CL تشکیل شده است و در برخی لایه‌ها مقادیر محدودی ماسه نیز مشاهده می‌شود. همچنین سطح آب زیرزمینی در زمان انجام مطالعات در عمق حدود ۲۶ متری از سطح زمین قرار داشته است که در تحلیل رفتار ژئوتکنیکی منطقه مورد توجه قرار گرفته است.
به‌منظور تعیین دقیق ویژگی‌های خاک، مطالعات ژئوتکنیکی گسترده‌ای در محل پروژه انجام شده است. این مطالعات شامل حفاری گمانه‌های اکتشافی، نمونه‌برداری از لایه‌های مختلف خاک و انجام مجموعه‌ای از آزمایش‌های آزمایشگاهی و صحرایی بوده است. آزمایش‌هایی مانند دانه‌بندی، هیدرومتری، حدود اتربرگ، تعیین دانسیته، آزمایش سه‌محوری، تک‌محوری، تحکیم، برش مستقیم و همچنین آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) برای تعیین خصوصیات مکانیکی خاک مورد استفاده قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، برای اندازه‌گیری ضریب نفوذپذیری خاک نیز آزمایش لوفران در شرایط هد ثابت و هد افتان انجام شده است.
استفاده از اطلاعات دقیق ژئوتکنیکی باعث شده است که مدل عددی ایجادشده در نرم‌افزار PLAXIS با شرایط واقعی محل پروژه تطابق مناسبی داشته باشد. در این پژوهش، پارامترهای رفتاری خاک بر اساس نتایج آزمایش‌های انجام‌شده تعیین شده و سپس ظرفیت باربری پی حلقوی در دو حالت پی صاف و پی زبر مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه این دو حالت امکان ارزیابی تأثیر اصطکاک بین پی و خاک بر ظرفیت باربری را فراهم می‌کند.
یکی از ویژگی‌های مهم این تحقیق، بررسی هم‌زمان ظرفیت باربری و نشست پی حلقوی است. در بسیاری از پروژه‌های عمرانی، طراحی تنها بر اساس ظرفیت باربری انجام می‌شود، در حالی که در عمل، نشست بیش از حد می‌تواند حتی در شرایطی که ظرفیت باربری خاک کافی است، عملکرد سازه را با مشکل مواجه کند. به همین دلیل، در این پژوهش پس از محاسبه ظرفیت باربری، میزان نشست پی نیز محاسبه شده و در نهایت ظرفیت باربری مجاز بر اساس هر دو معیار تعیین شده است.
ادامه این پژوهش به بررسی روش‌های مختلف تعیین ظرفیت باربری، مقایسه نتایج تحلیل عددی با روابط کلاسیک، تحلیل اثر نسبت شعاع داخلی به شعاع خارجی پی حلقوی، ارزیابی نشست برج‌های خنک‌کن نیروگاه کازرون و بررسی تأثیر پارامترهای ژئوتکنیکی خاک بر عملکرد پی‌های حلقوی اختصاص دارد. این بررسی‌ها زمینه مناسبی برای ارائه نتایج دقیق‌تر در طراحی پی‌های حلقوی و افزایش دقت تحلیل‌های ژئوتکنیکی در پروژه‌های مشابه فراهم می‌کند.
یکی از مهم‌ترین موضوعات مورد بررسی در این پژوهش، تحلیل ظرفیت باربری پی‌های حلقوی با استفاده از مدلسازی عددی و مقایسه نتایج آن با روابط و تئوری‌های متداول مهندسی ژئوتکنیک است. ظرفیت باربری یکی از اساسی‌ترین معیارهای طراحی پی محسوب می‌شود و بیانگر حداکثر باری است که خاک می‌تواند بدون وقوع گسیختگی تحمل کند. پس از تعیین ظرفیت باربری نهایی، با اعمال ضریب اطمینان، ظرفیت باربری مجاز محاسبه می‌شود و ابعاد مناسب پی بر اساس آن تعیین خواهد شد. از آنجا که شکل هندسی پی‌های حلقوی با سایر پی‌های سطحی تفاوت دارد، استفاده از روابط کلاسیک به تنهایی نمی‌تواند پاسخگوی طراحی دقیق این نوع پی‌ها باشد و انجام تحلیل‌های عددی ضرورت پیدا می‌کند.
در این تحقیق، رفتار پی حلقوی با استفاده از نرم‌افزار PLAXIS و مدل رفتاری مور–کولمب شبیه‌سازی شده است. این مدل امکان بررسی رفتار خاک تحت شرایط بارگذاری مختلف را فراهم می‌کند و می‌تواند تغییرات تنش، کرنش، نشست و ظرفیت باربری را با دقت مناسبی پیش‌بینی کند. برای افزایش دقت نتایج، مدلسازی هندسی پی، تعیین مشخصات مصالح، مش‌بندی مناسب، تعریف شرایط اولیه و انجام مراحل مختلف تحلیل بر اساس اطلاعات واقعی پروژه نیروگاه کازرون انجام شده است.
یکی از بخش‌های مهم پژوهش، بررسی تفاوت عملکرد پی صاف و پی زبر است. نتایج تحلیل‌ها نشان می‌دهد که ظرفیت باربری پی زبر به میزان قابل توجهی بیشتر از ظرفیت باربری پی صاف است. این موضوع نشان می‌دهد که افزایش اصطکاک بین سطح پی و خاک می‌تواند نقش مؤثری در افزایش مقاومت سیستم پی و بهبود انتقال بار به زمین داشته باشد. بنابراین، شرایط تماس بین پی و خاک یکی از عوامل مهم در طراحی ژئوتکنیکی پی‌های حلقوی محسوب می‌شود و باید در محاسبات مورد توجه قرار گیرد.
از دیگر پارامترهای بررسی‌شده در این مطالعه، نسبت شعاع داخلی به شعاع خارجی پی حلقوی (ri/ro) است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش این نسبت، رفتار پی حلقوی به رفتار پی نواری نزدیک‌تر می‌شود. این تغییر رفتار ناشی از کاهش عرض مؤثر حلقه و تغییر نحوه توزیع تنش در خاک زیر پی است. بررسی این پارامتر می‌تواند در انتخاب ابعاد مناسب پی‌های حلقوی و دستیابی به طراحی اقتصادی‌تر نقش مهمی داشته باشد.
علاوه بر ظرفیت باربری، نشست پی نیز یکی از مهم‌ترین معیارهای طراحی در این پژوهش است. نشست بیش از حد می‌تواند باعث ایجاد تغییر شکل در سازه، ترک‌خوردگی، کاهش عملکرد بهره‌برداری و حتی آسیب به اجزای مختلف ساختمان شود. به همین دلیل، در این تحقیق نشست پی برج‌های خنک‌کن نیروگاه کازرون با استفاده از مدلسازی عددی محاسبه شده و نتایج آن در کنار ظرفیت باربری مورد ارزیابی قرار گرفته است. در نهایت، ظرفیت باربری مجاز پی حلقوی بر اساس هر دو معیار ظرفیت باربری و نشست تعیین شده است تا طراحی از نظر ایمنی و عملکرد در شرایط مناسبی قرار گیرد.
مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که طراحی ژئوتکنیکی پی‌های حلقوی تنها به تعیین مقاومت خاک محدود نمی‌شود، بلکه مجموعه‌ای از عوامل شامل مشخصات مکانیکی خاک، شرایط زمین‌شناسی، عمق استقرار پی، هندسه پی، میزان اصطکاک بین خاک و پی و ویژگی‌های بارگذاری در عملکرد نهایی سیستم تأثیرگذار هستند. هرگونه تغییر در این پارامترها می‌تواند باعث تغییر در ظرفیت باربری، میزان نشست و رفتار کلی پی شود. از این‌رو، شناخت دقیق شرایط ژئوتکنیکی محل اجرای پروژه یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی فونداسیون به شمار می‌رود.
برای تعیین ویژگی‌های خاک محل نیروگاه، مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی گسترده‌ای انجام شده است. حفاری گمانه‌های اکتشافی، آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)، آزمایش‌های دانه‌بندی، حدود اتربرگ، تحکیم، برش مستقیم، سه‌محوری، تک‌محوری و آزمایش‌های نفوذپذیری، اطلاعات لازم برای تعیین پارامترهای ژئوتکنیکی خاک را فراهم کرده‌اند. این اطلاعات به عنوان ورودی مدل عددی مورد استفاده قرار گرفته و موجب افزایش دقت تحلیل‌های انجام‌شده شده است.
در بخش دیگری از پژوهش، روش‌های مختلف تعیین ظرفیت باربری مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این روش‌ها شامل تحلیل‌های استاتیکی مبتنی بر پارامترهای مقاومت برشی خاک، استفاده از نتایج آزمایش‌های صحرایی مانند SPT و CPT، استفاده از مقادیر پیشنهادی آیین‌نامه‌ها و همچنین نتایج آزمایش بارگذاری مستقیم هستند. مقایسه نتایج مدلسازی عددی با این روش‌ها نشان می‌دهد که تحلیل عددی می‌تواند تصویر دقیق‌تری از رفتار واقعی پی‌های حلقوی ارائه دهد و محدودیت‌های موجود در روابط کلاسیک را تا حد زیادی برطرف کند.
ادامه پژوهش به بررسی انواع گسیختگی خاک زیر پی، مقایسه نتایج تحلیل عددی با تئوری‌های موجود، تحلیل دقیق نشست، ارزیابی ظرفیت باربری مجاز و ارائه جمع‌بندی نهایی درباره تأثیر پارامترهای ژئوتکنیکی بر طراحی پی‌های حلقوی اختصاص دارد. نتایج این تحقیق می‌تواند مبنای مناسبی برای بهبود روش‌های طراحی فونداسیون سازه‌های دارای تقارن محوری، به‌ویژه برج‌های خنک‌کن و سازه‌های صنعتی مشابه باشد.
Abstract
Nowadays, more and more ring footings are used in practice special for axisymmetric structures. In this research, a numerical analysis was performed using PLAXIS software for calculating bearing capacity and settlement of ring footing. The parameters used in this research are the results of geotechnical studies of Kazeroon cooling tower. The analysis was carried out using Mohr-Coulomb’s criterion for soil.
Bearing capacity was calculated for smooth and rough ring footing and then the bearing capacity factors were calculated. Settlement of Kazeroon cooling tower was calculated. The analysis indicated that the bearing capacity of rough ring footing is obviously higher than the bearing capacity of smooth footing. In addition, the analysis indicated that behavior of ring footing get to behavior of strip footing with increase ri/ro, which is the ratio of internal radius to external radius of the ring. Finally, the results were compared with those available in the literature.
Keywords: Ring footings, Radius ratio, bearing capacity, Settlement
فهرست پایان نامه تاثیر پارامتر های ژئوتکنیکی خاک بر طراحی پی های حلقوی ، مطالعه موردی برج های خنک کن نیروگاه کازرون
فهرست:
فصل اول: کلیات
1
1-1- مقدمه
2
1-2- موقعیت نیروگاه کازرون
3
1-3- زمین شناسی منطقه
3
1-4- مطالعات ژئوتکنیک
5
1-5-ضرورت انجام پژوهش
8
1-6- اهداف پژوهش
8
1-7- ساختار پایان‌نامه
9
فصل دوم: پژوهشهای انجام شده
10
2-1- مقدمه
11
2-2- انواع گسیختگی خاک زیر پی
12
2-2-1- گسیختگی برشی کلی
12
2-2-2- گسیختگی برشی موضعی
13
2-2-3- گسیختگی برشی سوراخکننده
14
2-3- انواع روش‌های تحلیلی محاسبه ظرفیت باربری
14
2-3-1- روش تعادل حدی
14
2-3-2- روش لغزش-خط
15
2-3-3- روش مرز بالا
15
2-3-4- روش‌های عددی
16
2-4- محاسبه ظرفیت باربری
16
2-5- نشست پی‌ها
28
2-5-1- نشست آنی
28
2-5-2- نشست تحکیم
32
فصل سوم: مدلسازی
34
3-1- مقدمه
35
3-2- دلایل انتخاب نرم‌افزار PLAXIS برای انجام تحقیق
36
عنوان
صفحه
3-3- کلیاتی در مورد PLAXIS
37
3-3-1- معرفی داده‌های ورودی
37
3-3-2- انتخاب نوع مدل
37
3-3-3- انتخاب نوع المان
38
3-4- مدل سازی هندسی
40
3-5- مدلسازی مصالح
42
3-6- مش‌بندی
46
3-7- اعمال شرایط اولیه
48
3-8- محاسبات
50
3-8-1- محاسبه پلاستیک
50
3-8-2- محاسبه تحکیم
50
3-8-3- تحلیل ایمنی
50
4-محاسبه براساس شبکه‌بندی به هنگام شده
51
3-9- داده‌های خروجی
53
3-10- ارائه منحنی
54
3-11- فلوچارت نرم‌افزار
55
فصل چهارم: محاسبات و تجزیه و تحلیل نتایج
57
4-1- مقدمه
58
4-2- بررسی درستی عملکرد نرم‌افزار
58
4-3- نحوه بارگذاری پی
60
4-3-1- پی صاف
60
4-3-2- پی زبر
61
4-4- ابعاد پی
62
4-5- نمودار تنش کرنش
62
4-6- نتایج ظرفیت باربری
67
4-7- محاسبه ضرایب ظرفیت باربری
68
4-8- مقایسه کار حاضر با تئوری‌های گذشته
71
عنوان
صفحه
4-9- محاسبه نشست پی برج خنک کننده کازرون
74
4-9-1- نحوه انجام محاسبات
74
4-9-2- نشست محاسبه شده
75
4-10- مقایسه با تئوری‌های گذشته
76
4-10-1- نشست آنی
77
4-10-2- نشست تحکیم
79
4-11- محاسبه تنش مجاز پی حلقوی
82
فصل پنجم: نتایج و پیشنهادات
84
5-1- مقدمه
85
5-1- نتایج
85
5-2- پیشنهادات
86
منابع
87
منبع:
[1] اسلامی،ابولفضل(1385)،مهندسی پی: طراحی و اجرا،مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن
[2] شرکت بلند پایه، گزارش نهایی مطالعات و تحقیقات ژئوتکنیک در محل احداث برج‌های خنک کننده و واحد HRSG سیکل ترکیبی نیروگاه کازرون
[3] داس، برا جا(1380)، اصول مهندسی ژئوتکنیک، شاپور طاحونی، ششم، تهران، موسسه انتشارات پارس آئین
[4]Vesic, A.S. (1972), Expansion of cavities in infinite soil mass, Jour. Of the Soil Mechanics and Foundations div.,ASCE,Vol.98,265-290
[5] Atkinson, J.H.(1993), An introduction to the mechanics of soils and foundations, McGrow-Hill,0-07-707713-X
[6] Hjiaj, M., Lyamin, A.V. and Sloan, S.W.(2004), Numerical limit analysis solutions for the bearing capacity factor Nγ, International Journal of Solids and Structures 42 (2005) 1681–1704
[7] Terzaghi K.(1943), Theoretical soil mechanics, New York: John Wiley and Sons
[8] Meyerhof G.G.(1951),The ultimate bearing capacity of footings. Geotechnique; 2(4):301–32.
[9] Hansen, J.B.(1970), A revised and extended formula for bearing capacity. Bulletin of the Danish Geotechnical Institute 28, 5–11.
[10] Manoharan N, Dasgupta SP.(1995), Bearing capacity of surface footings by finite elements. Comput Struct;54(4):563–86.
[11] Kumar J, Ghosh P.(2005), Bearing capacity factor Nγ for ring footings using the method of characteristics. Can Geotech J;40(3):1474–84.
[12] Boushehrian, J.H. and Hataf, N.(2002), Experimental and numerical investigation of the bearing capacity of model circular and ring footings on reinforced sand
[13] Hataf, N., Razavi, M.R.(2003), Behavior of ring footing on sand. Iranian Journal of Science and Technology, Transaction B, Vol. 27, pp. 47–56.
[14] Zhao, L. and. Wang, J.H.(2007),Vertical bearing capacity for ring footings, Computers and Geotechnics 35 (2008) 292–304
[15] Craig, R.F. (1983),Soil Mechanics, 3rd Edition, Van Nostrand Reinhold(UK)
[16] Janbu, N. and Bjerrum, L.(1956), Veiledning veb losning av funbamentering – soppgaver, Publication NO. 16, Norwegian Geotechnical Institute, pp. 30-32
[17] Bowles, J.E.,(1997), Foundation Analysis and Design, 5thEdition. McGraw-Hill, New York.
[18] اسلامی، ابولفضل(1385)، پی‌های گسترده: تحلیل، طراحی و عملکرد، چاپ اول، انتشارات دانشگاه گیلان
[19] DAS / Som(2003), Theory and Practice of Foundation Design, ISBN-81-203-2190- 1, New Dehli, Prentice- Hall of India Private Limited
[20] Skempton, A.W. and Bjerrum, L.(1957), A contribution to settlement analysis of foundation in clay, Geotechnique, London, Vol. 7, p. 178
[21] Brinkgreve RB, Vermeer PA.(1998), Plaxis-finite element code for soil and rocks analysis. Version 8. Rotterdam Brookfield: AA. Balkema
[22] De Beer, E.E.(1970), Experimental determination of the shape factors and bearing capacity factors of sand, Geotechnigue, Vol. 20, No. 4, pp. 124-128.
[23]بهنیا،کامبیز، طباطبایی، امیر محمد(1384) مکانیک خاک، چاپ یازدهم، موسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران