آناليز و تجزيه و تحليل از اندركنش خاك و شمع

نوشته توسط Yasser A. Khodair & Sophia hassiotis
معاون تحقيقاتي، بخش حقوقي، مهندسي اقيانوس و محيط، موسسه تكنولوژي Stevens، N.J. Hoboken
دانشيار، بخش حقوقي (مدني)، مهندسي اقيانوس و محيط، موسسه تكولوژي Stevens، N.J. Hoboken

چكيده
يك مدل سه بعدي و محدود غيرخطي (FE) براي مطالعه فشار روي شمع اثر متقابل شمع و خاك در جاده Scotch و يك پل انتهايي يكپارچه كه در منطقه Trenton در New Jersey مدل‌سازي شد. مدل FE به ترتيب براي شمع و خاك و شامل عناصر زنجيره‌اي خاك همراه با مواد داراي خاصيت

غيرخطي مي‌باشد. بررسي اثر متقابل خاك زيربنا در آناليز و طرح پل انتهايي يكپارچه همواره با مشكلاتي مواجه بوده است. هدف اين مقاله، مطالعه مكانيزم اثر متقابل خاك و شمع و تاثيرات انقباضات و انبساطات حرارتي روي دگرديسي جانبي مستقيم خاك و شمع (استوانه‌اي فولادي

آبكاري شده و پرشده با ماسه) مي‌باشد. در زيرساختار پل به طور كامل از ابزارهاي فشاري استفاده شد. جابجايي‌هاي القا شده توسط تغييرات دمايي، براي شمع‌ها مورد استفاده قرار گرفت و نتايج EF، با استفاده از داده‌هاي آزمايشي و راه‌حل‌هاي تفاضلي محدود، مورد مقايسه قرار گرفت. مدل EF نتايج موثقي را فراهم آورد.

مقدمه
در اين مقاله يك مدل سه بعدي و محدود غيرخطي (FE)، از جاده Scotch و پل انتهايي يكپارچه واقع در منطقه Trenton در New Jersey ارائه شده است. پل در طي ساخت ابزارسازي شد و اطلاعات آزمايشي به منظور بررسي مدل FE مورد استفاده قرار گرفت. در اينجا مدل و نمونه به منظور مطالعه ساختار و نمونه مورد استفاده قرار گرفت و اين مدل شامل پايه انتهايي مي‌باشد كه توسط يك تك رديف از شمع‌ها نگهداشته شده است.

رفتار شمع‌ها به طور گسترده با استفاده از هر دو تست‌هاي آزمايشگاهي و مطالعات نظري مورد بررسي و مطالعه قرار گرفت. يك بررسي جامع از چنين تحقيقاتي را مي‌توانيم در تحقيقات Stewart و همكاران (۱۹۹۴) پيدا كنيم. هر دوي روش‌هاي مباني محدود منفرد، سيستم معمولاً به عنوان يك فونداسيون Winkler مورد آناليز قرار مي‌گيرد كه در آن خاك همانند فنرهاي قابل ارتجاع (Broms et al. 1987) يا يك سري فنرهاي غيرخطي (Byrne et al, 1984; Rajashree et al. 2001) نشان داده مي‌شود.

مدل EF شامل ۳ پيكربندي مختف شمع مي‌باشد:
۱٫ شمع‌‌هاي منفرد با مقاطع دايره‌وار در يك لايه گسترده و بزرگ از شن و ماسه؛
۲٫ شمع‌هاي HP در يك لايه گسترده و بزرگ از شن و ماسه؛
۳٫ شمع‌هاي HP محاط شده در يك لايه از شن و ماسه محصور درون استوانه‌هاي فولادي آبكار شده چين‌دار ۶/۰ متري.
نتايج مدل FE همچنين با نتايج بدست آمده از كد تفاضلي محدود ۴/۰ L. pile مقايسه مي‌شود (Reese et al. 2000).

مدل مباني محدود
اثر متقابل شمع‌هاي غيرخطي با استفاده از نرم‌افزار محدود ABAGUS استاندارد، در مدل مباني محدود و سه بعدي استفاده مي‌شود (Habbit Karlson & Sorenson inc. 2002) زيرساختار جاده Scotch و پل انتهايي يكپارچه از استوانه‌هاي فولادي ۱۵۲*۳۶۰ Hp 19 تشكيل شده است كه در ديواره‌هاي جناحي به منظور اطمينان از انتقال لحظه‌اي كامل محاط شده‌اند (شكل ۱).

اولين شمعي كه كار گذاشته مي‌شود، درون حفره‌ها و سوراخ‌هاي پيش تعيين شده نصب شده و پس از آن تا ۶۰% طول شمع معادل ۶۲/۷متر (۲۵ فوت) كل طول شمع با شن و ماسه سفت شده. فاصله بين شمع و استوانه‌ها، به منظور آسان كردن حركت شمع‌ها در زمان تمايل به بارهاي جانبي انتقال يافته از روساختار، با شن و ماسه پر شد. شمع‌ها طوري قرار داده شده‌اند كه به

منظور افزايش انعطاف‌پذيري شمع‌ها، در اطراف تيرهاي سست، خميدگي رخ مي‌دهد. سنگ‌هاي خرد شده سفت شده و فشرده شده به عنوان موادي در بين شمع‌ها و نزديك به ديوارهاي جناحي استفاده شد.

هر شمع با استفاده از ۳۰۰۰ مباني و عناصر زنجيره‌اي ۸ گره‌اي ساخته شد. شرايط و وضعيت مرزي در بالاي شمع تضمين كننده انتقال شديد مي‌باشد. حركت اجزاي صلب از طريق اتصال گره‌ها به يك سطح سفت و محكم انجام شد و اين به منظور اطمينان از شيب صفر موجود در بالاي شمع مي‌باشد. در نتيجه آن تحكيم و تثبيت كامل شمع‌ها در ديوارهاي جناحي اتفاق مي‌افتد. عكس‌العمل و واكنش غيرخطي خاك همچنين با استفاده از ۷۰۰۰ عنصر زنجيره‌اي جامد طراحي

شد. شكل ۵-۳ يك منظره كلي از شبكه FE را نشان مي‌دهد كه براي ۳ مدل درنظر گرفته شد.

اثر متقابل بين شن و ماسه و شمع
با تعيين عملكرد تمام نرمال و تانژانتي در مدل مباني محدود، طراحي و ساخته شد.
در هر مدل، دو وضعيت و شرايط سرحدي اعمال شده كه با همه درجات آزادي مربوط به گره‌ها در زير عمق ۱۷ فوتي از بالاي شمع و از ستون‌هاي قرار داده شده در امتداد پيرامون استوانه شن و ماسه كه نشان دهنده سنگ‌هاي خرد شده بكار رفته براي پر كردن آنها مي‌باشد (شكل ۳) انطباق دارد.

يك مورد در رابطه با بار كه نگراني اصلي در پل‌هاي جناحي همگن و يكپارچه مي‌باشد، وجود دارد و شامل بارگيري مربوط به انبساط حرارتي مي‌باشد. يك جابجايي ماكزيمم ۰۲۵۴/۰ متري (۱ اينچي) به نام وضعيت سرحدي و مرزي جابجايي در راس شمع‌ها بكار رفته است. براي يك شمع فولادي

نمونه، فرض مي‌شود كه مواد شمع به طور كامل داراي خاصيت الاستيكي و ارتجاعي مي‌باشد. خاك با مدل سخت شونده كششي بر اساس معيار گسيختگي موهر ـ كلمب كه توسط معادله زير تعريف مي‌شود، ساخته و طراحي مي‌شوند.

در اين معادله و به ترتيب فشارهاي اصلي كمتر و بيشتر مي‌باشد و C انسجام موثر خاك و همان مقدار جريان و زاويه اصطكاك داخلي خاك است.
پارامترهاي مدل
فرض شد كه شن و ماسه اطراف شمع با زاويه اصطكاك داخي (۳۰ تا ۳۸) از حالت سست به حالت فشرده و سفت تغيير مي‌كند. ضريب يانگ براي شن و ماسه در امتداد شمع، بين ۲۷۰۰۰ تا kN/m69000 تغيير كرد. فرض شد كه ضريب قابليت ارتجاعي شمع‌هاي فولادي ۸ ۱۰×۲ مي‌باشد و يك فشار بازدهي و قابل انعطاف kN/m2750/344 استفاده شد.

شكل ۱: جزئيات كامل جاده Scotch و پل يكپارچه

شكل ۲: نصب قالب‌هاي شمع HP كه درون آن با سنگ‌هاي ريز له شده فشرده پر مي‌شود.

شكل ۳: مدل مباني محدود شمع با مقطع دايره‌اي در يك لايه گسترده تكي از شن

شكل ۴: مدل مباني محدود از شمع HP، ۱۵۲×۳۶۰ در يك لايه تكي گسترده از شن

شكل ۵: مدل مباني محدود از شمع HP، ۱۵۲×۳۶۰ كه درون لوله مانندي از شن قرار دارد.