خلاصه

کالورتهای مدفون در خاک، سازههای بسیار مهم و اساسی برای انتقال تاسیسات برقی و مکانیکی میباشند که تحلیل و طراحی آنها شامل مسائل پیچیده اندرکنش خاک و سازه است. به علت کمبود دانش مهندسی در این زمینه، مشکلاتی در طی مراحل طراحی، ساخت و بهره برداری از آن وجود دارد که ممکن است سببساز رفتار نامطلوب این سازهها شود. این مشکلات میتواند در نهایت منجر به کاهش دوام، کاهش عمر خدمتپذیری و عدم قابلیت استفاده از کالورتها گردد. در این مقاله، پدیدههای اندرکنشی مؤثر بر بار موثر وارد بر کالورتها و عوامل ایجادکننده آسیبهای وابسته به زمان کالورتهای بتن مسلح به خصوص خزش و انقباض، با هدف شناخت ماهیت و ویژگیهای هرکدام از پدیدههای ذکر شده مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج تحقیق نشان میدهد ثابت فرض نمودن توزیع فشارهای اعمالی بر کالورتهای بتنی در طول زمان فرض صحیحی نبوده و لازم است در فرایند طراحی و همچنین بررسی قابلیت سرویسدهی کالورتها در طول زمان، تغییر در پروفیل بارگذاری کالورتها مورد توجه قرار گیرد.

کلمات کلیدی: کالورت، کنش قوسی، اجزای محدود غیرخطی، ترک پخشی، رفتار درازمدت.

۱٫ مقدمه

کالورتها، سازههای بسیار با اهمیت برای انتقال تجهیزات در خاک به شمار میروند. تاکنون تئوریهای مختلفی توسط محققان برای تعیین بار وارد بر کالورتها و روشهای طراحی آن ارائه شده که پایه و اساس روشهای آییننامهای موجود قرار گرفته است .[۱] مارستن در سال۱۹۳۰ تحقیقات وسیعی در دانشگاه ایالتی آیوا در زمینه بارهای وارد بر سازههای زیرزمینی انجام داد. نتایج بررسیهای وی در این زمینه منجر به این نکته شد که اختلاف در سختی کالورت و خاک مجاورش، موجب ایجاد تنش برشی بین لایههای خاک و پدیده کنش قوسی فعال یا غیرفعال میگردد. پدیده کنش قوسی، پدیدهای عمومی در خاک است (ترزاقی (۱۹۴۳ که بیشتر در سازههای زیرزمینی مشاهده می شود.

پاسخ ناسازگار در رفتار درازمدت کالورتها، ناشی از نشست، بارهای تناوبی وسایل نقلیه و تغییرات فصلی دما و رطوبت می باشد. در طراحی کالورتها به جز در مواردی که امکان ناپایداری زمین یا بارگذاری نامتعادل وجود دارد، میتوان از اثر زلزله صرف نظر نمود .[۲] تحقیقات اندکی بر روی رفتار درازمدت کالورتها، انجام شده است. طبق مطالعات سلیج و مکوی [۳] و اسپاناژل و همکاران [۴]، با گذشت زمان، تغییرشکل خمشی و تنشهای گزارش شده در کالورت و خاک ۱۰ تا % ۷۰ افزایش مییابد. این محققین، گزارش کردهاند که هر یک از اثرات دراز مدت مانند نرخ زمان تحکیم، تراکم ثانویه، بارهای دینامیکی وسایل نقلیه، تغییرات فصلی دمای و تغییرات رطوبت میتواند بر این موضوع تاثیرگذار باشد اما سهم تاثیر هریک از این عوامل تعیین نشده است .[۵] یکی از معدود کارهای تحقیقاتی که در زمینه رفتار درازمدت کالورتهای بتن مسلح در دسترس است، آزمایش اسوالد است که با نرمافزار CANDE انجام و نتایج آن با مقادیر اندازهگیری شده پس از ۲/۵ سال مقایسه گردیده است. تحقیقات وی نشان می دهد در اثر خزش و انقباض، تغییرشکل خمشی% ۵۰ و کرنش ۱۰۰ تا % ۲۰۰ افزایش یافته است .[۶]

برای رسیدن به دقت قابل قبول و حداکثری در نتایج تحلیل، باید کلیه عوامل اثرگذار از جمله میزان رطوبت، دما و پدیدههای مرتبط مانند خزش و انقباض به درستی شناخته شوند و اثرات فیزیکی آنها در شبیهسازی غیرخطی لحاظ گردد. تنها در این صورت است که سازه عملکرد خود را طی شرایط بحرانی محیطی و آسیبهای وارده با گذشت زمان حفظ میکند. بنابراین پیشبینی تغییرشکلهای نهایی کالورت و عرض ترکها، یکی از بحرانیترین جنبههای طراحی آن می باشد .[۷]

۱

با توجه به این که در خصوص رفتار دراز مدت کالورتها تحقیقات بسیار محدودی صورت گرفته، لازم است در این خصوص مطالعات جامعی به صورت عددی و آزمایشگاهی انجام پذیرد. هدف تحقیق حاضر، شبیهسازی عددی و بررسی رفتار کالورتهای مدفون در خاک می باشد. بدین منظور به عنوان نمونه، رفتار دراز مدت یک کالورت جعبهای بتن مسلح که طبق ضوابط آییننامه AASHTO 2012 طراحی شده با استفاده از نرم افزار المان محدود COM3D و با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش سازه و خاک پیرامونی مورد بررسی قرار گرفته است. با بررسی نتایج تحلیل کالورت، تاثیر خزش بر پاسخ سازه شامل تغییرشکلهای ایجاد شده و همچنین توزیع بار اعمالی بر سازه مطالعه شده و بر این اساس لزوم انجام اصلاحات در ضوابط طراحی به منظور تامین قابلیت سرویس دهی طولانی مدت کالورتها مورد بحث قرار می گیرد.

۲٫ پدیده کنش قوسی

از آنجاییکه خاک تراکم پذیرتر از کالورت بتنی است، تغییرشکلهای خاک، سبب ایجاد تنش برشی شده که منجر به افزایش فشار بر کالورت و کاهش فشار در خاک اطراف می گردد. شکل ۱ پدیده کنش قوسی و نیروی اصطکاک ناشی از آن را نشان می دهد. در طراحی، برای لحاظ نمودن اثر پدیده کنش قوسی، از ضریب اندرکنش خاک و سازه به منظور معادلسازی وزن مخصوص خاک در محاسبه فشار قائم وارد بر سازه استفاده میشود. آییننامه اشتو این ضریب را بر پایه شرایط نصب و تراکم خاک اطراف بیان نموده است. برای شرایط خاکریزی، بر اساس نسبت (ارتفاع خاکریز روی کالورت به عرض آن) رابطه زیر برای محاسبه ضریب اندرکنش خاک وسازه، ارائه شده است.

(۱) ×
طبق ضوابط اشتو،
برای شرایط خاکریز کاملا متراکم و خاکریز غیرمتراکم به ترتیب نباید از ۱/۱۵ و ۱/۴ بیشتر اختیار گردد. در طراحی این سازه،
ضریب اندرکنش خاک و سازه ۱/۳۵ لحاظ گردیده است.

آییننامه اشتو برای محاسبه فشار روی کالورت، ناشی از وزن خاک و پدیده کنش قوسی، رابطه زیر را پیشنهاد میدهد:
(۲) ×
و برای فشار جانبی وارد بر کالورت، از ضریب فشار خاک در حالت سکون استفاده میکند :[۸]

(۳) ×
طبق ضوابط این آییننامه، طراحی کالورت بتن مسلح، برای خمش و برش صورت میپذیرد و برای شرایط خدمتپذیری، فقط کنترل عرض ترک الزامی میباشد و ضابطهای برای کنترل خیز درازمدت کالورت ارائه نشده است. بنابراین یکی از جنبههای مورد توجه در این پژوهش، بررسی خیز تاج کالورت و تاثیر پدیدههای موثر با گذشت زمان مانند خزش و انقباض در آن است.