پایان نامه بررسی رفتار خزشی خاک ماسه‌ای مسلح شده با الیاف ژئوسنتتیک در شرایط آزمایشگاهی

پایان­ نامه  کارشناسی ارشد

عنوان:

بررسی رفتار خزشی خاک ماسه‌ای مسلح شده با الیاف ژئوسنتتیک در شرایط آزمایشگاهی

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات:  115  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

چکیده:

رفتار تراکم‌پذیری خاک‌ها به نگرانی مهمی در مهندسی ژئوتکنیک تبدیل شده است. با اجرای ساختمان‌ها، خاکریزها و جاده‌ها، اغلب نشست‌های قابل توجهی رخ می‌دهد. از آنجائیکه نشست‌های دراز مدت در اثر خزش اتفاق می‌افتد، بنابراین محاسبه و پیش‌بینی نشست‌های خزشی اهمیت زیادی دارد. زمانی که خاک تحت بارگذاری ثابتی قرار می‌گیرد، با زایل شدن کامل فشار آب حفره‌ای، تغییرشکل‌هایی با گذشت زمان رخ می‌دهد که با عنوان تراکم ثانویه و یا خزش شناخته می‌شود. مکانیسم‌ها و فاکتورهای تأثیرگذار بر رفتار خزشی خاک‌های ماسه‌ای هنوز به طور کامل شناخته نشده است. در این مطالعه، آزمایش تحکیم یک بعدی تک‌مرحله‌ای، چندمرحله‌ای و بارگذاری-باربرداری بر روی نمونه‌های خاک ماسه‌ای رس‌دار مسلح نشده و مسلح شده باالیاف ژئوتکستایل انجام شده و تأثیر مسلح شدن خاک با الیاف ژئوتکستایل، تاثیر سطوح تنش، تاریخچه تنش و آب حفره‌ای بر تغییرشکل‌های خزشی مورد مطالعه قرار گرفته و مکانیسم خزشی با در نظر گرفتن لغزش‌، برخورد و تغییرشکل ذرات بیان شده است. نتایج به دست آمده براساس ارتباط تخلخل  و ضریب تراکم ثانویه شرح داده شده است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که در تنش‌های پایین تغییرشکل‌های خزشی در نمونه‌های اشباع بزرگتر از نمونه‌های خشک می‌باشد ولی با افزایش تنش، تغییرشکل‌های خزشی در نمونه‌های اشباع‌ کاهش و در نمونه‌های خشک افزایش می‌یابد. علاوه بر این در آزمایش بارگذاری-باربرداری، سرعت خزش بیشتر از آزمایش تک مرحله‌ای می‌باشد و این آزمایش در تسریع خزش موثر است. در نمونه‌های مسلح شده، با افزایش درصد ژئوتکستایل در تنش‌های یکسان، در نمونه‌های اشباع تغییرشکل‌های خزشی کاهش و در نمونه‌های خشک تغییرشکل‌های خزشی افزایش می‌یابد.

کلید واژه­ها: خزش، خاک ماسه رس‌دار، تحکیم یک بعدی، ژئوتکستایل، ضریب تراکم ثانویه.

فهرست مطالب

شماره و عنوان مطالب

صفحه

فصل اول: کلیات

1-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..2

1-2- بیشینه و روش تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………………………….3

1-3- اهداف ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….5

1-4- ترتیب پایان نامه ……………………………………………………………………………………………………………………………………………5

فصل دوم: بیشینه تحقیق

2-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….8

2-2- تعریف خزش ……………………………………………………………………………………………………………………………………………….9

2-3- تعریف ژئوسنتتیک ………………………………………………………………………………………………………………………………………10

2-3-1- تاریخچه ژئوسنتتیک ……………………………………………………………………………………………………………………………..11

2-4- هدف از بررسی تغییرشکل‌های خزشی …………………………………………………………………………………………………………11

2-5- بررسی های آزمایشگاهی و نظریه های مربوط به رفتار وابسته به زمان در خاک‌ها …………………………………………..13

2-6- تغییرشکل های خزشی در خاک‌های رسی ……………………………………………………………………………………………………19

2-6-1- آزمایش خزشی یک بعدی ………………………………………………………………………………………………………………………19

2-6-2- آزمایش خزشی سه محوری ……………………………………………………………………………………………………………………20

2-7- تغییرشکل های خزشی در خاک‌های ماسه ای ………………………………………………………………………………………………..22

2-7-1- آزمایش خزشی یک بعدی………………………………………………………………………………………………………………………..22

2-7-2- آزمایش خزشی سه محوری………………………………………………………………………………………………………………………23

2-8- فاکتورهای تاثیرگذار بر ضریب تراکم ثانویه …………………………………………………………………………………………………..25

2-8-1- ارتباط شاخص تراکم و ضریب تراکم ثانویه ………………………………………………………………………………………………25 2-8-2- ارتباط تراکم ثانویه و سطوح تنش …………………………………………………………………………………………………………….25

2-8-3- ارتباط تراکم ثانویه و فشار پیش تحکیمی …………………………………………………………………………………………………25

2-8-4- ضریب تراکم ثانویه رس های معدنی ایلیت، کائولونیت و اسمکتیت …………………………………………………………..28

2-8-5- تغییرات ضریب فشار در حالت سکون K₀ طی تراکم ثانویه ……………………………………………………………………….29

2-8-6- ارتباط کرنش و زمان ……………………………………………………………………………………………………………………………….30

2-9- رفتار خزشی خاک در سطح میکروسکوپیک …………………………………………………………………………………………………..32

2-9-1- خاک‌های رسی ………………………………………………………………………………………………………………………………………32

2-9-2- خاک‌های ماسه ای ………………………………………………………………………………………………………………………………….33 2-9-3- رفتار غیرخطی در تغییر شکل ماسه ………………………………………………………………………………………………………….33

2-9-4- رفتار خزشی ماسه در تنش های پایین ………………………………………………………………………………………………………34

2-9-5- رفتار خزشی و شکست ذرات ماسه در تنش‌های بالا …………………………………………………………………………………..35

2-10- تغییرات وابسته به زمان ساختار خاک …………………………………………………………………………………………………………37

2-11- خزش در ژئوسنتتیک ………………………………………………………………………………………………………………………………..38

فصل سوم: مواد و روش پژوهش

3-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………42

3-2- مصالح استفاده شده ……………………………………………………………………………………………………………………………………..44

3-2-1- خاک ماسه (ماسه اوتاوا) …………………………………………………………………………………………………………………………..44

3-2-2- خاک رس (رس کائولونیتی) ……………………………………………………………………………………………………………………..44

3-3- ژئوسنتتیک ……………………………………………………………………………………………………………………………………………….45

3-3-1- ژئوتکستایل‌ها ………………………………………………………………………………………………………………………………………..45

3-3-1-1- ژئوتکستایل‌های بافنه نشده ………………………………………………………………………………………………………………..46

3-4- بررسی های آزمایشگاهی ……………………………………………………………………………………………………………………………..47 3-4-1- آزمایش دانه بندی ………………………………………………………………………………………………………………………………….47

3-4-2- آزمایش چگالی نسبی ……………………………………………………………………………………………………………………………..48

3-4-3- آزمایش حدخمیری …………………………………………………………………………………………………………………………………49

3-4-4- آزمایش حدروانی …………………………………………………………………………………………………………………………………….50

3-5- آماده سازی نمونه ها …………………………………………………………………………………………………………………………………..51

3-6- استاندارد دستگاه تحکیم ………………………………………………………………………………………………………………………………52

3-6-1- استاندارد بارگذاری آزمایش تحکیم یک بعدی ……………………………………………………………………………………………55

3-6-2- آزمایش‌های تک مرحله‌ای، چندمرحله‌ای و بارگذاری-باربرداری بر نمونه های ماسه رس‌دار مسلح نشده… 57

3-6-2-1- آزمایش خزشی تک مرحله‌ای ……………………………………………………………………………………………………………..58

3-6-2-2- آزمایش خزشی چندمرحله‌ای ………………………………………………………………………………………………………………58

3-6- 2-3- آزمایش خزشی بارگذاری-باربرداری …………………………………………………………………………………………………….58

3-6- 2-4- آزمایش‌های خزشی تک مرحله‌ای بر نمونه های ماسه ای مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل …………………….59

فصل چهارم: نتایج و یافته های پژوهش

4-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………61

4-2- نتایج آزمایش‌های تک مرحله‌ای، چندمرحله‌ای و بارگذاری – باربرداری بر نمونه های ماسه رس‌دار ……………….61

4-3- نتایج آزمایش‌های تک مرحله‌ای بر نمونه های ماسه رس‌دار مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل …………………………..69

4-4-  تاثیر آب منفذی بر شاخص تراکم (C_c) …………………………………………………………………………………………………75

4-5- تاثیر سطوح تنش بر ضریب تراکم ثانویه (C_α)………………………………………………………………………………………………..75

4-6- تاثیرمسلح کردن خاک با الیاف ژئوتکستایل بر تراکم ثانویه…………………………………………………………………………76

4-7- تاثیر تاریخچه تنش بر تراکم ثانویه………………………………………………………………………………………………………………..76

فصل پنجم: نتیجه گیری و بحث

5-1- نتیجه گیری ……………………………………………………………………………………………………………………………………………….79

پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..81

فهرست منابع و مآخذ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..82

فهرست جدول­ها

شماره و عنوان جدول

صفحه

جدول‌3-1: مشخصات خاک رس مورد استفاده در آزمایش………………………………………………………………………………………..45

جدول‌3-2: مشخصات ژئوتکستایل استفاده شده در آزمایش………………………………………………………………………………………46

جدول‌3-3:  نتایج آزمایش چگالی نسبی خاک ماسه اوتاوا………………………………………………………………………………………….49

جدول‌3-4: نتایج آزمایش چگالی نسبی خاک رس……………………………………………………………………………………………………49

جدول‌3-5: نتایج آزمایش چگالی نسبی خاک ماسه رس‌دار………………………………………………………………………………………49

جدول‌3-6: نتایج آزمایش حدخمیری نمونه خاک رس……………………………………………………………………………………………….50

جدول‌3-7‌: نتایج آزمایش حدروانی نمونه ماسه رس‌دار…………………………………………………………………………………………….50

جدول‌3-8 : نتایج آزمایش حدروانی خاک رس…………………………………………………………………………………………………………51

جدول‌4-1: نتایج آزمایش‌های خزشی انجام شده بر نمونه های ماسه رس‌دار مسلح نشده…………………………………………….68

جدول‌4-2: نتایج آزمایش‌های خزشی انجام شده بر نمونه های ماسه رس‌دار مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل ……………….74

فهرست شکل­ها

شماره و عنوان شکل

صفحه

شکل1-1: مثالی از تغییرشکل خزشی برج پیزا- ایتالیا…………………………………………………………………………………………………….3

شکل 2-1: ارتباط کرنش- زمان در آزمایش تحکیم یک بعدی …………………………………………………………………………………10 شکل2-2: ارتباط کرنش-لگاریتم زمان تحت آزمایش تحکیم یک بعدی برروی خاک رس…………………………………….16

شکل2-3: تاثیر ضخامت نمونه بر تحکیم اولیه رس های عادی تحکیم یافته براساس منحنی فرضی A و B……….17

شکل2-4 : نیروهای مماسی و عمودی در برخورد ذرات……………………………………………………………………………………………….18

شکل2-5: ارتباط بین کرنش محوری-لگاریتم زمان را برای رس های عادی تحکیم یافته تحت تنش های انحرافی متفاوت  …………………………………………………………………………………………………………………………………………………..21

شکل2-6: ارتباط کرنش محوری-لگاریتم زمان رس بیش تحکیم یافته در بارگذاری تحکیم یک بعدی و  سه محوری زهکشی شده…………………………………………………………………………………………………………………………………23

شکل2-7: a) ارتباط بین کرنش برشی و لگاریتم زمان در ماسه تویورا در آزمایش سه محوری در تنش های انحرافی متفاوت، b) ارتباط بین کرنش برشی و لگاریتم زمان در ماسه تیلینگ در آزمایش سه محوری در تنش های انحرافی متفاوت…………………………………………………………………………………………………………………………………………24

شکل2-8: ارتباط ضریب تراکم ثانویه و فشار تحکیمی………………………………………………………………………………….25

شکل2-9: خطوط زمانی بجروم………………………………………………………………………………………………………………….26

شکل2-10: نتایج آزمایش  CRS و آزمایش تجکیم یک بعدی بر روی رس Jonquiere…………………………………..27

شکل2-11: حالت بیش تحکیمی بدست آمده ناشی از خزش و آزمایش بارگذاری-باربرداری…………………………….27

شکل2-12: ضریب تراکم ثانویه رس های معدنی مختلف با مایع منفذی متفاوت…………………………………………….28

شکل2-13:ارتباط غیرخطی مشاهده شده در منحنی کرنش و لگاریتم زمان ……………………………………………………31

شکل2-14: شکلa،  نشان دهنده پارامتر m در منحنی. شکلb منحنی I، IIو III درمنحنی  ε._z-logt………………..32

شکل2-15: افزایش کرنش‌های حجمی در ماسه کلکاروس و هاستون در فشار های متفاوت در آزمایش فشاری ایزوتروپ…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..34

شکل2-16: a: نیروهای عمودی، b: نیروهای مماسی در مدل خزشی گسسته کاهن………………………………………..35

شکل2-17: منحنی دانه بندی خاک ماسه‌‌ای قبل و بعد از آزمایش تحکیم یک بعدی………………………………………36

شکل3-1: مراحل انجام آزمایش‌های خزشی………………………………………………………………………………………………..43

شکل3-2: منحنی دانه بندی ماسه اوتاوا ……………………………………………………………………………………………………44

شکل3-3: تصویر ژئوتکستایل استفاده شده………………………………………………………………………………………………….47

شکل3-4: منحنی توزیع دانه بندی نمونه ماسه رس‌دار………………………………………………………………………………….48

شکل3-5: تصویر شماتیک دستگاه تحکیم…………………………………………………………………………………………………..52

شکل3-6: زهکشی قائم یک طرفه……………………………………………………………………………………………………………..52

شکل3-7: دستگاه تحکیم یک بعدی…………………………………………………………………………………………………………..53

شکل3-8: دستگاه تحکیم یک بعدی…………………………………………………………………………………………………………..53

شکل3-9: جزئیات دستگاه تحکیم………………………………………………………………………………………………………………54

شکل3-10: شکل عمومی نمودار تغییرشکل نمونه در مقابل زمان………………………………………………………………….54

شکل3-11: منحنی تغییرشکل–زمان با استفاده از روش لگاریتم زمان……………………………………………………………56

شکل4-1: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در آزمایش‌های خزشی تک مرحله‌ای در شرایط خشک و اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار در تنش های 300، 600 و 1200 کیلوپاسکال…………………………………………………………………………..63

شکل4-2: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در آزمایش‌های خزشی چند مرحله‌ای در شرایط خشک و اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار در تنش های 50-1200کیلوپاسکال…………………………………………………………………………………………64

شکل4-3: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در آزمایش‌های خزشی بارگذاری-باربرداری در حالت اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار در تنش های300، 600 و 1200 کیلوپاسکال…………………………………………………………………………………….64

شکل4-4: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در آزمایش‌های خزشی بارگذاری-باربرداری و تک مرحله‌ای در حالت اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار در تنش 600 کیلوپاسکال……………………………………………………………………………………………65

شکل4-5: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در آزمایش‌های خزشی بارگذاری-باربرداری و تک مرحله‌ای در حالت اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار در تنش 600 کیلوپاسکال……………………………………………………………………………………………65

شکل4-6: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در آزمایش‌های خزشی بارگذاری-باربرداری و تک مرحله‌ای در حالت اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار در تنش 1200 کیلوپاسکال…………………………………………………………………………………………66

شکل4-7: ارتباط ضریب تراکم ثانویه و تنش خزشی در آزمایش‌های خزشی چندمرحله‌ای در حالت خشک و اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار………………………………………………………………………………………………………..‌.‌……………………..66

شکل4-8: ارتباط ضریب تراکم ثانویه و تنش خزشی در آزمایش‌های خزشی تک مرحله‌ای در حالت خشک و اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار…………………………………………………………………………………………………………………………………67

شکل4-9: ارتباط بین نسبت تخلخل- لگاریتم تنش موثر در دو حالت خشک و اشباع بر روی نمونه ماسه رس‌دار………………………………………………………………………………………………………………………………………………………67

شکل4-10: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در نمونه ماسه رس‌دار اشباع مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% در تنش 1200 کیلوپاسکال در آزمایش تک مرحله‌ای………………………………………..70

شکل4-11: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در نمونه ماسه رس‌دار اشباع مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% در تنش 600 کیلوپاسکال در آزمایش تک مرحله‌ای………………………………………….70

شکل4-12: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در نمونه ماسه رس‌دار اشباع مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% در تنش 300 کیلوپاسکال در آزمایش تک مرحله‌ای………………………………………….71

شکل4-13: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در نمونه ماسه رس‌دار خشک مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% در تنش 1200 کیلوپاسکال در آزمایش تک مرحله‌ای………………………………………..71

شکل4-14‌: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در نمونه ماسه رس‌دار خشک مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% در تنش 600 کیلوپاسکال در آزمایش تک مرحله‌ای………………………………………….72 شکل4-15‌: ارتباط نسبت تخلخل با زمان در نمونه ماسه رس‌دار خشک مسلح شده با الیاف ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% در تنش 300 کیلوپاسکال در آزمایش تک مرحله‌ای …………………………………………72

شکل4-16‌: ارتباط ضریب تراکم ثانویه و تنش خزشی در آزمایش‌های خزشی تک مرحله‌ای در حالت خشک بر نمونه ماسه رس‌دار مسلح شده با ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% ……………………………………………..73 شکل4-17‌: ارتباط ضریب تراکم ثانویه و تنش خزشی در آزمایش‌های خزشی تک مرحله‌ای در حالت اشباع بر نمونه ماسه رس‌دار مسلح شده با ژئوتکستایل در درصدهای وزنی1/0-5/0-1% ………………………………………………………73

فهرست علائم اختصاری

علامت اختصاری	مفهوم یا توضیح
Cv	ضریب تحکیم اولیه
Cα	ضریب تراکم ثانویه
Cc	ضریب تراکم پذیری
e	تخلخل
e0	تخلخل اولیه
eEOP	تخلخل در پایان تحکیم اولیه
0σ	تنش 1 کیلو پاسکال
creepσ	تنش خزشی
t100	زمان شروع تغییرشکل‌های خزشی
zε	تغییرشکل قائم
k0	ضریب فشار خاک در حالت سکون
Φ	ضریب اصطکاک
OCR	نسبت بیش تحکیمی

مقدمه

رفتار تراکم پذیری خاک‌ها به نگرانی مهمی در مهندسی ژئوتکنیک تبدیل شده است. با اجرای ساختمان‌ها، خاکریزها، جاده‌ها و … اغلب نشست‌های قابل توجهی ایجاد می‌شود. این نشست‌ها را مخصوصاً زمانی می‌توان خیلی مهم تلقی نمود که فونداسیون سازه متشکل از لایه‌های عمیق رسی باشد. پیش‌بینی رفتار خاک بعد از ماه‌ها و یا سال‌ها با استفاده از دانش امروزی، چالش مهمی در مهندسی ژئوتکنیک می‌باشد. زمانی که خاک تحت بارگذاری ثابتی قرار می‌گیرد، باگذشت زمان تغییرشکل‌هایی را تجربه می‌کند که خزش نامیده می‌شود. تغییرشکل‌های وابسته به زمان، به خصوص زمانی که تغییرشکل‌های دراز‌مدت مطرح می‌شود، در مهندسی ژئوتکنیک اهمیت زیادی دارند. این تغییرشکل‌ها، شامل نشست سازه بر روی زمین‌های تراکم پذیر، حرکات شیب‌های طبیعی و یا گودبرداری شده، فشرده شدن زمین‌های نرم اطراف تونل و… می‌باشد.

استفاده از مصالح ژئوسنتتیک، از اواسط دهه هفتاد میلادی در دنیا اوج گرفته است. در بین این مصالح ژئوتکستایل‌ها و پس از آن ژئوممبرین‌ها بیشترین کاربرد را در بین مصارف گوناگون یافته‌اند. ژئوسنتتیک‌ها از مواد پلیمری تشکیل شده‌اند که همراه با مصالح طبیعی مثل خاک و سنگ در سازه‌های مهندسی بکار می‌روند. ژئوتکستایل‌ها عملکرد بسیار خوبی در رابطه با پخش و یکنواخت کردن تنش‌ها یا نیروها در یک سطح بیشتری داشته و به نحو مطلوبی مانع گسیختگی‌های نقطه‌ای و موضعی می‌شود. مصالح بنایی و خاکریزها تنش‌های فشاری را به نحو مطلوبی می‌توانند تحمل کنند در حالیکه درکشش ضعیف هستند. در حقیقت عملکرد الیاف در عمق معینی از خاک را می‌توان مشابه رفتار میلگردهای فولادی در بتن دانست. یک خصوصیات دیگر ژئوتکستایل‌ها، خاصیت ارتجاعی آن‌هاست و این امر موجب می شود که خاکی که با الیاف تقویت شده و تحت اثر بار خارجی دچار نشست شده است، بعد از حذف بار به حالت اولیه بر می‌گردد. مطالعات تئوری نشان می‌دهد که استفاده از الیاف ژئوتکستایل در خاک‌ها  باعث افزایش مقاومت و ضریب ارتجاعی خاک می‌شود ( محمد بلوچی، زینب قناد. 1389). با توجه به کاربرد ژئوسنتتیک‌ها، مطالعه تاثیرات آن‌ها بر رفتار خزشی ضروری بنظر می‌رسد.

• پیشینه تحقیق

خاک به عنوان مصالح ساختمانی در مهندسی عمران در طرح‌های مهمی به کار گرفته می‌شود. انسان روی خاک زندگی می‌کند و انواع مختلف سازه همانند خانه‌ها، راه‌ها، پل‌ها و … را احداث می‌نماید. بنابراین مهندسان عمران باید به خوبی خواص خاک از قبیل مبداء پیدایش، دانه‌بندی، قابلیت زهکشی آب، نشست، مقاومت برشی، ظرفیت باربری و غیره را مطالعه نموده و رفتار خاک را در نتیجه فعالیت انسان پیش‌بینی نمایند. تاریخچه فهم رفتار خزشی خاک‌های رسی به قرن 19 بر می‌گردد. از جمله مثال‌های کلاسیکی می‌توان به نشست برج پیزا در ایتالیا اشاره کرد، به‌طوری که بر اثر خزش، برج حدود 5/1 متر نشست کرده و به یک سمت کج شده است و هم‌اکنون نیز برج مستعد نشست کردن می‌باشد. انحراف برج حدود 5/5 درجه می‌باشد. شرایط ژئولوژیکی سازه و نشست متغیر با زمان در شکل‌1-1 آورده شده است.

شکل‌1-1‌: تغییرشکل خزشی-برج پیزا- ایتالیا

زمانی که خاک اشباع تحت بارگذاری ثابتی قرار می‌گیرد، با زایل شدن فشار آب حفره‌ای تنش‌های موثر با گذشت زمان افزایش می‌یابند، به عبارتی تحکیم اولیه اتفاق می‌افتد. مقدار قابل توجهی از نشست‌ها طی تحکیم اولیه اتفاق می‌افتد و نسبت تحکیم اولیه را می‌توان با استفاده از ضریب تحکیم C_v بیان نمود. بعد از زایل شدن کامل فشار آب حفره‌ای اگر بارگذاری برروی خاک حفظ شود، یک سری تغییرشکل‌های با گذشت زمان اتفاق می‌افتد که تراکم ثانویه یا خزش نامیده می‌شود. نسبت تراکم ثانویه را می‌توان با ضریب C_α بیان نمود. بنابراین محاسبه و پیش بینی این نشست‌های دراز مدت اهمیت زیادی دارد.

یک سری تحقیقاتی در زمینه ضریب تراکم ثانویه حدود یک دهه بعد از تئوری ترزاقی[1] (1925) به عمل آمد که بیانگر تراکم خاک‌های رسی در اثر زایل شدن فشار آب منفذی بود. مطالعات آزمایشگاهی انجام شده توسط تیلور[2] (1942) و بیوسمن[3] (1936) به طور واضح، تاثیر زمان بر تراکم پذیری رس را بیان می‌نمود. بیوسمن (1936) رابطه نشست-لگاریتم زمان را تحت تنش ثابت برای خاک‌های رسی به صورت خطی بیان نمود. تیلور (1942) برای اولین بار مدل وابسته به زمان را به منظور شرح رفتار خزشی خاک‌های رسی که در آن تحکیم اولیه و تراکم ثانویه به عنوان دو فرایند مجزا در نظر گرفته می‌شود را ارائه نمود. بجروم[4] (1967) به منظور شرح رفتار خزشی و فشار بیش تحکیمی ناشی از تاثیرات خزش، مدلی را که در آن تحکیم اولیه و تراکم ثانویه به صورت کوپل عمل می‌کنند، ارائه داد. اگرچه تحکیم اولیه و تراکم ثانویه از آغاز بارگذاری به صورت کوپل عمل می‌کنند، اما تراکم ثانویه در پایان تحکیم اولیه اتفاق می‌افتد. چون سرعت خزش پایین‌تر از تحکیم اولیه می‌باشد بنابراین تغییرشکل‌های خزشی را طی تحکیم اولیه نمی‌توان لحاظ نمود. زمانی که تحکیم اولیه زمان زیادی طول بکشد (به عنوان مثال برای لایه‌های ضخیم رسی) می‌توان تاثیر همزمان خزش و تحکیم اولیه را در نظر گرفت. بررسی‌های آزمایشگاهی انجام شده بر لایه‌های نازک رسی نشان می‌دهد که تحکیم اولیه در مدت زمان کوتاهی اتفاق می‌افتد، بنابراین خزش در مرحله تحکیم اولیه را می‌توان نادیده گرفت. ژانگ و همکاران[5] (2006)، مجیا و همکاران[6] (1988) با انجام آزمایش‌های خزشی تحکیم یک بعدی بر روی نمونه‌های ماسه‌ای در تنش‌های پایین به این نتیجه رسیدند که مقادیر تغییرشکل های خزشی در ماسه با افزایش سطوح تنش، افزایش می‌یابد.

مطالعات صورت گرفته در زمینه تغییرشکل‌های خزشی نشان می‌دهد، ترکیبات معدنی (مواد معدنی موجود در خاک)، سطوح تنش، تاریخچه تنش، مایع منفذی، شرایط زهکشی و ساختار خاک به عنوان پارامترهای مهم تأثیرگذار بر رفتار خزشی می‌باشند (سواجان وارادارجان[7]. 2011). اگرچه تأثیر این پارامترها بطور کامل مشخص نشده است، بنابراین در این مطالعه با استفاده از نتایج آزمایشگاهی تأثیر مسلح شدن خاک با الیاف ژئوتکستایل بر تغییرشکل‌های خزشی، تاثیر سطوح تنش، تاریخچه تنش و فشار آب حفره‌ای مورد مطالعه قرار گرفته و مکانیسم خزشی با در نظر گرفتن لغزش‌، برخورد و تغییرشکل ذرات شرح داده شده است....

پایان نامه ارشد عمران - ارائه مدل جدیدی از مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش و بررسی رفتار لرزه ­ای آن

پایان نامه‌ی کارشناسی ارشد

رشته‌ی مهندسی عمران گرایش سازه

 عنوان :
ارائه مدل جدیدی از مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش و بررسی رفتار لرزه ­ای آن

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات: 110  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

یکی از مهمترین حوادث طبیعی که همواره زندگی انسان­ها را دچار دگرگونی کرده و گاهی تمدن­های بشری را با تخریب ساختگاه به نابودی کشانده، زلزله است. از این رو، انسان همواره سعی در شناسایی و مقابله با خطرات ناشی از زلزله داشته و هنوز هم موفق به مهار کامل این انرژی عظیم نشده است. حال با وجود آنکه محققین زیادی در زمینه ساخت و ساز ایمن و مناسب، تحقیقات ارزنده­ای انجام داده­اند، کماکان تعداد زیادی از ساکنین این کره خاکی هر ساله در زیر آوارهای به وجود آمده از زلزله مدفون می­گردند و سازه­های بسیاری کارایی خود را پس از زلزله از دست می­دهند یا متلاشی می­شوند.

ایران از نظر لرزه­خیزی در منطقه فعال جهان قرار دارد و به گواهی اطلاعات مستند علمی و مشاهدات قرن بیستم، از خطرپذیرترین مناطق جهان در اثر زمین­لرزه­های پرقدرت محسوب می­شود. در حال حاضر ایران در صدر کشورهایی است که وقوع زلزله در آن با تلفات جانی بالا همراه است و در سال­های اخیر به طور متوسط هر پنج سال یک زمین لرزه با صدمات جانی و مالی بسیار بالا در نقطه­ای از کشور رخ داده است. گرچه جلوگیری کامل از خسارات ناشی از زلزله­های شدید بسیار دشوار است لیکن با افزایش سطح اطلاعات در رابطه با لرزه­خیزی کشور، شناسایی و مطالعه دقیق وضعیت   آسیب­پذیری ساختمان­ها، ایمن­سازی و مقاوم­سازی صحیح و اصولی آن­ها، می توان تا حد مطلوب تلفات و خسارات ناشی از زلزله­های آتی را کاهش داد.]1[

در راستای شناسایی و مهار این پدیده، محققین همواره سعی داشته­اند تا آیین­نامه­های بسیاری را در سراسر دنیا برای محاسبه و ساخت سازه­های مقاوم در برابر زلزله تهیه کنند و روش­های بسیاری برای محاسبه این نیرو و طراحی سازه­ها در برابر آن ارائه دهند. پس از محاسبه نیروی زلزله، روش­هایی جهت طراحی ساختمان مقاوم در برابر زلزله مطرح می­شوند که این روش­ها را می­توان به دو دسته کلاسیک (سنتی) و مدرن تقسیم­بندی کرد.

در روش­های کلاسیک، طراحی بر اساس حداکثر نیروی اعمال شده به ساختمان، که با ترکیب نیروهای احتمالی بیان­شده در آیین­نامه­های مختلف به دست می­آید، انجام می­شود. تک­تک اجزای سازه را براساس روش مقاومت نهایی یا نیروی حداکثر طراحی می­کنند. اما در روش­های مدرن، پایداری سازه با روش طراحی براساس عملکرد نیز مطرح شده است.]2[

در سیستم­های سازه­ای معمولا دو عامل برای طراحان بسیار مهم است. اول ایمنی سازه و دوم راحتی ساکنین در برابر بارهای خارجی همچون باد و زلزله. برای رسیدن به این هدف دو عامل جابجایی و شتاب مطلق به ترتیب اثرگذارند و بایستی کنترل شوند. در این راستا سیستم­های مختلفی ارائه شده است که به­طور کلی رفتار سازه را به گونه­ای تغییر می­دهند که انرژی ورودی زلزله، به اجزای اصلی سازه صدمه­ای وارد نکند.

بعضی از سیستم­ها را می­توان بر روی سازه­های موجود نیز پیاده نمود که در صورت لزوم بعد از رخداد زلزله نیز قابل تعویض و یا تعمیر باشند. با توجه به اینکه سازه­های غیر­مقاوم در برابر زلزله در کشورمان زیاد یافت می­شوند و با توجه به این نکته که استفاده از سیستم­های الحاقی به نحو بسیار مطلوبی پاسخ دینامیکی سازه­ها را کاهش می­دهد، لذا استفاده از این سیستم­ها در کشورمان حائز اهمیت می­باشد.

گرچه بارهای دینامیکی وارد بر سیستم­های سازه­ای ممکن است ناشی از عوامل مختلفی مانند اثر باد و موج و حرکت خودروها باشد، بدون شک یکی از انواع این بارهای دینامیکی که برای مهندسین سازه از بیشترین اهمیت برخوردار بوده، تحریکی است که توسط زلزله­ها ایجاد می­شود. البته اهمیت مساله زلزله تا حدودی به علت نتایج زیان­باری است که یک زلزله در یک منطقه پرجمعیت به­جا    می­گذارد. از آنجا که طراحی سازه­های اقتصادی با معماری­ها و ابعاد گوناگون که قادر به تحمل نیروهای حاصل از یک زمین­لرزه قوی باشند، توانایی بالایی را در هنر و علم مهندسی طلب می­کند، منطقی به نظر می­رسد که رشته مهندسی زلزله به عنوان چارچوبی که در آن کاربرد تئوری­ها و تکنیک­های ارائه شده در دینامیک سازه­ها و ... به نمایش گذاشته می­شود، مورد استفاده قرار گیرد.

توانایی روش­های متداول طراحی و ساخت سازه­های موجود بسیار محدود می­باشد و پاسخگوی نیازهای روزافزون طراحی سازه­های جدید نیست. به عنوان مثال بلندتر شدن ساختمان­ها به دلیل کمبود زمین در کلان شهرها و برآورده کردن نیازهای معماری جدید با فرم­های غیر معمول از جمله مشکلاتی است که نیاز به تکنولوژی­های جدید در امر ساخت و ساز را در کشورمان نمایان    می­کند.

1-2. لزوم انجام تحقیق حاضر

سیستم­های سازه­ای مختلفی جهت مقابله با نیروهای جانبی ناشی از زلزله در ساختمان­های فولادی مورد استفاده قرار گرفته است که می­توان به سیستم قاب­ خمشی مقاوم، سیستم    مهاربندی­شده همگرا و سیستم­ مهاربندی­شده واگرا اشاره کرد. هر یک از این سیستم­ها به نوبه خود دارای معایب و محاسن مربوط به خود می­باشند که در طول سال­های اخیر موضوع تحقیق علم مهندسی زلزله بوده است.

در کشور ایران استفاده از سیستم­های مهاربندی همگرا در بین مهندسین سازه بسیار رایج می­باشد. لذا پرداختن به این موضوع و بیان معایب این سیستم­ها و ارائه راهکارهای کاربردی در زمینه رفع این معایب، می­تواند کمک شایانی در پیشرفت صنعت ساختمان­سازی ایران در جهت ایمن­تر شدن ساختمان­ها نماید.

یکی از انواع سیستم­های مهاربند همگرا، سیستم مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش یا به اختصار BRB[1] می­باشد. این سیستم یکی از قویترین سیستم­های موجود در امر کنترل ارتعاشات نامطلوب سازه­ها در برابر نیروهای جانبی می­باشد و امروزه در اکثر نقاط جهان از این سیستم جهت مستهلک کردن انرژی ناشی از زلزله، به وفور استفاده می­شود.

در این نوع مهاربندها، هدف رسیدن مهاربند تحت بار محوری فشاری به حد تسلیم با جلوگیری کردن از کمانش عضو می­باشد که این امر توسط یک مکانیزم خارجی انجام می­شود. بنابراین مهاربند هم در کشش و هم در فشار بدون اینکه کمانش کند، تسلیم می­شود. همچنین از آنجایی­که کمانش مهاربند جهت استهلاک انرژی مطلوب نیست، این سیستم که رفتار الاستو­پلاستیک دارد، جهت مستهلک کردن انرژی زلزله بسیار موثر عمل می­کند.]3[

در تحقیق حاضر، مطالعاتی بر روی مهاربندهای مقاوم در برابرکمانش به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر نیروهای ناشی از زلزله انجام شده است. از آنجایی­که نصب    سیستم­های مقاوم در برابر زلزله از نظر اقتصادی و مقاوم­سازی، کمک شایانی به رفتار مناسب سازه در برابر بارهای دینامیکی می­کند، تحقیق بر روی این سیستم­ها دارای اهمیت زیادی می­باشد.

مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش دارای محاسن زیادی نسبت به مهاربندهای همگرای معمولی می­باشند و از نظر سازه­ای نیز رفتار مطلوبی در برابر نیروهای جانبی از خود نشان     می­دهند. در کنار این محاسن، یک سری معایب برای این مهاربندها بیان شده است که در زیر به این معایب اشاره می­شود:

• ساخت مهاربندهای BRB تا حدودی پیچیده و پرهزینه بوده و نیاز به تکنولوژی روز دارد.
• به دلیل پیچیده بودن ساخت، تولید مهاربندهای BRB در انحصار شرکت­های خاصی است.
• در صورت استفاده از فولاد با بازه جاری شدن وسیع به عنوان هسته مقطع، نیروهای اضافه به سازه اعمال خواهد شد.]3[

1-3.  اهداف تحقیق

هدف اصلی این مطالعه، تحقیق بر روی یک نوع مهاربند مقاوم در برابرکمانش با طرح جدید است که معایب ذکر شده برای مهاربندهای BRB، در این طرح رفع شده است. طرح این مهاربند در واقع برگرفته از شکل مهاربند مقاوم در برابرکمانش پیشنهاد شده توسط سریدهارا[2] است.]16[ مهاربند جدید دارای تکنولوژی ساخت ساده­ای بوده و نیازی به تکنولوژی­های پیچیده در ساخت ندارد. همچنین با اصلاحات در نظر گرفته شده، این مهاربند جدید در زلزله­های شدیدتر پایداری سازه را بیشتر از مهاربند کنونی حفظ خواهد کرد. همچنین از ظرفیت باربری مصالح بکار رفته نیز بیشتر از مدل­های موجود کنونی استفاده خواهد شد.

در این طرح، هسته مقطع از فولاد جدار نازک[3] می­باشد. غلاف نیز طوری طراحی    می­شود که در زلزله­های شدید وقتی کاهش طول ناشی از نیروی فشاری وارد شده در هسته از یک حد معینی بیشتر شد، مقطع غلاف به عنوان یک عضو فشاری کمکی، درصدی از نیروهای فشاری هسته را تحمل کند. به این­ترتیب که یک خلاصی بین اتصال و غلاف ایجاد می­شود که در تغییر شکل­های مورد نظر با به هم چسبیدن اتصال و غلاف، درصدی از نیروی فشاری توسط غلاف تحمل شود. همچنین طراحی غلاف بایستی طوری باشد که مقطع غلاف تحت نیروهای فشاری به تسلیم برسد، به عبارت دیگر بایستی از کمانش جانبی غلاف جلوگیری شود. در این حالت، استهلاک انرژی نسبت به مهاربند مقاوم در برابرکمانش کنونی بیشتر خواهد بود و در نتیجه، سازه در مقابل نیروهای جانبی از پایداری بیشتری برخوردار خواهد بود.

بنابراین در این مطالعه با توجه به نیروهای وارد بر هسته، درابتدا یک مقطع بهینه برای هسته طراحی شده و در مرحله بعد، غلاف طوری طرح می­شود که در زلزله­های شدیدتر وارد عمل شده و پایداری سازه را حفظ کند.

در این تحقیق جهت حصول نتایج مطلوب، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:

1. با طراحی بهینه شکل مقطع هسته، امکان استفاده از ظرفیت استهلاک انرژی آن بدون بکارگیری پرکننده فراهم می­شود.
2. با طراحی غلافی با شکل بهینه و فاصله مناسب با هسته، تسلیم هسته در بارهای لرزه­ای طراحی امکان­پذیر می­شود.
3. استهلاک انرژی در زلزله­های شدید با طراحی سیستمی برای استفاده از ظرفیت باربری فشاری غلاف نسبت به مهاربندهای ضد کمانش کنونی بیشتر می­شود.

1-4. فصول پایان­نامه

در این تحقیق، در فصل دوم سیستم­های باربر جانبی در ساختمان­های فولادی مورد بررسی قرار گرفته، مزایا و معایب آن­ها بیان شده است. در فصل سوم به معرفی سیستم مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش پرداخته و با مطالعه تحقیقات انجام شده در گذشته، محاسن این سیستم مهاربند در برابر سیستم­های قدیمی مورد ارزیابی قرار گرفته است. در ادامه محدودیت­های اجرای سیستم مهاربند مقاوم در برابر کمانش، در ایران ذکر شده است. در جهت رفع این کاستی­ها، در فصل چهارم ایده مهاربند جدید مقاوم در برابر کمانش بیان شده و با ارائه روش طراحی به بررسی رفتار لرزه­ای این مهاربند پرداخته شده است. در نهایت در فصل پنجم با تحلیل و بررسی بر روی پارامترهای مختلف مهاربند جدید مقاوم در برابر کمانش، یک مدل بهینه برای این سیستم ارائه شده است.....