دانشگاه محقق اردبیلی

دانشکده فنی و مهندسی

گروه آموزشی عمران

پایان­ نامه برای دریافت درجه­ی کارشناسی ارشد

در رشته­ مهندسی عمران گرایش مکانیک خاک و پی

عنوان:

مطالعه آزمایشگاهی و عددی پدیده قوسی خاک

استاد راهنما:

دکتر احد اوریا

استاد مشاور:

مهندس طاهر باهرطالاری

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
فصل اول: کلیات پژوهش
1-1- مقدمه…………………………………………………………………………………….2
1-2- اظهار مسئله………………………………………………………………………………17
1-3- اهداف پژوهش…………………………………………………………………………….18
1-3-1- اهداف کلی………………………………………………………………………………18
1-3-2- اهداف جزئی…………………………………………………………………………….18
فصل دوم: تئوری­های مربوط به فشار جانبی خاک روی دیوار حائل
2-1- مقدمه………………………………………………………………………………………20
2-2- فشار جانبی خاک در حالت سکون………………………………………………………..21
2-3- نظریه فشار خاک رانکین……………………………………………………………………24
2-3-1- فشار جانبی محرک خاک رانکین…………………………………………………………..25
2-3-2- فشار جانبی مقاوم خاک رانکین………………………………………………………..27
2-4- نظریه فشار خاک کولمب……………………………………………………………………31
2-4-1- فشار جانبی محرک خاک کولمب………………………………………………………..30
2-4-2- فشار جانبی مقاوم خاک کولمب………………………………………………………34
2-4-3- روش ترسیمی محاسبه فشار خاک محرک کولمب……………………………………35
2-4-4- روش ترسیمی محاسبه فشار محرک خاک با خاک‌ریز چسبنده………………………38
2-5- فشار جانبی خاک بر اساس روش­های تحلیل سایر محققان…………………………..43
2-6- فشار جانبی خاک بر اساس وزن توده……………………………………………………44
فصل سوم: تئوری آرچینگ ترزاقی
3-1- مقدمه……………………………………………………………………………47
3-3- تئوری آرچینگ……………………………………………………………………………50
فصل چهارم: آزمایشات و مدل­سازی عددی
4-1- مقدمه…………………………………………………………………………………….59
4-2- مشخصات خاک مصرفی………………………………………………………………59
4-2-1- منحنی دانه­بندی………………………………………………………………….59
4-2-2- محاسبه زاویه­ی اصطکاک داخلی ( )……………………………………………..61
4-2-3- محاسبه وزن مخصوص ( )………………………………………………………….62
4-3-مشخصات مدل فیزیکی……………………………………………………………….63
4-4- مدل­سازی آزمایشگاهی…………………………………………………………….64
4-4-1- ارتفاع 15 سانتیمتر………………………………………………………………64
4-4-2- ارتفاع 20سانتیمتر…………………………………………………………………….72
4-4-3- ارتفاع 25 سانتیمتر………………………………………………………………….78
4-4-4- مقایسه نتایج به‌دست‌آمده از آزمایشات…..……………………………………..84
4-4-5- مطالعه درصد کاهش فشار در پشت دریچه……………………………………….87
4-5- مدل­سازی عددی…………………………………………………………………………91
فصل پنجم: بحث و نتیجه ­گیری
5-1- بحث و نتیجه­ گیری…………………………………………………………………….97
5-2-پیشنهادات………………………………………………………………………………..98
فهرست منابع و مآخذ…………………………………………………………………………99
چکیده:
مقاومت قوسی خاک یکی از پدیده­های مهم در مسائل ژئوتکنیکی از قبیل سازه­های زیرزمینی، تونل­ها، شمع­های سرباز، دیوارهای حائل و غیره، می­باشد. تئوری آرچینگ حدود 150 سال پیش شناخته گردید. تحقیقات در حقیقت به‌صورت پراکنده و اغلب نسبت به یک ناحیه­ی خاص که از اهمیت ویژه­ای در آن نقطه زمانی داشته می باشد، می­باشد. در سال 1943 عمومی­ترین تعریف قابل‌قبول برای پدیده قوسی توسط ترزاقی ارائه گردید، به‌گونه اختصار اگر قسمتی از دریچه­ی صلب توده­ی خاک رو به پایین حرکت کند، خاک مجاور، با در نظر داشتن باقی‌مانده از توده خاک، حرکت می کند. در این پایان‌نامه با ساخت جعبه­ای با دریچه­های متغیر که قابلیت جابجایی دارند، در محیط آزمایشگاهی کوشش شده حرکت دریچه در راستای افق بوده و پدیده­ی قوسی خاک بر روی دو نوع ماسه در این حالت مورد مطالعه قرار گیرد. سپس اندازه خاک جابجا شده، شکل و سطح گسیختگی اندازه­ گیری شده و تغییرات تنش در پشت دیوار به نسبت عرض آن مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. همچنین یک نمونه از آزمایش­های انجام شده در محیط نرم­افزار عددی PLAXIS مدل شده و مورد مقایسه قرار گرفته می باشد. درنهایت می­توان دید که سطح گسیختگی غیره­خطی بوده و توزیع تنش در پشت دریچه به‌شدت به عرض دیوار بستگی دارد که. با افزایش عرض دریچه عرض گسیختگی افزایش می­یابد که با میل عرض دریچه به بینهایت سطح گسیختگی منطبق بر سطح گسیختگی تئوری می­گردد؛ و درنهایت نظاره می­گردد، خاک پشت دریچه از خود مقاومت قوسی نشان می­دهد.
فصل اول: کلیات پژوهش
1-1- مقدمه
وجود هرگونه سازه در داخل توده­­ی زمین باعث تغییر در توزیع تنش[1] در محل شده و انتظار می­رود که این تغییر نیرو بر سازه تأثیر بگذارد. به علاوه زمین واقع در مجاورت یک سازه می­تواند تا حد زیادی ظرفیت باربری آن را در مقایسه با سازه­ی مشابه غیره­مدفون افزایش دهد. در طراحی سازه­هایی از قبیل تونل­ها، گودال­ها، مجاری آب­های زیرزمینی و غیره نمی­توانند از آیین­نامه­های موجود برای سازه­هایی که بر روی زمین احداث می شوند، تبعیت کنند. سه عامل اصلی برای تصمیم­گیری این‌که چه سطح از تنش تغییر می­کند (مک نالتی[2]، 1965): خواص فیزیکی سازه، رفتار بار-تغییرشکل سازه، خواص زمین اطراف سازه به‌خصوص قابلیت انتقال نیروها می­توان تصریح نمود. این طریقه که باعث می­گردد، تنش­ها بر یا به اطراف سازه­ی مدفون شده در خاک از میان تنش­های برشی ناشی از جابجایی­های مرتبط انتقال پیدا کنند پدیده قوسی یا همان Arching گویند.
1-1-1- پیشینه پژوهش
پدیده قوسی[1] حدود 150 سال پیش شناخته گردید. تحقیقات در این زمینه به‌صورت پراکنده و اغلب نسبت به یک ناحیه­ی خاص که از اهمیت ویژه­ای در آن نقطه زمانی داشته می باشد، می­باشد. پدیده قوسی در بسیاری از مسائل ژئوتکنیک هست. درحالی‌که پدیده قوسی در آغاز در زمینه­ غیره ژئوتکنیکی شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در حدود سال 1800 مهندسان نیروی نظامی فرانسه اقدام به طراحی مخزن سیلو نمودند (فلد[2]، 1948). آن‌ها یافتند که قسمت انتهایی سیلو فقط بخشی از وزن کل مصالح بالای آن را حمل می­کند و دیوارهای کناری در معرض نیروی بیشتری نسبت به آن چیز که که انتظار می­رفت، قرار دارند. آزمایشات نشان دادند که اگر مقطع کوچکی از قسمت انتهایی جدا شده و به پایین حرکت کند، نتیجه می­گردد که نیروی وارده به مقطع بسته به ارتفاع مصالح داخل مخزن دارد. آن‌ها نتیجه گرفتند، یک قوس در بالای مقطع جابجا شده، شکل می­گیرد. بعد از سال 1800 این دانش از رفتار در مخزن سیلوها در طراحی سیلوها برای مصالح دانه­ای و سایر مصالح ذره­­ای به کار برده گردید. در محدوده­ی سال 1910 پروژه مهم زهکشی زمین در میدوست جریان پیدا نمود (اسپانگلر و هندی[3]، 1973). مهندسان یافتند که بسیاری از لوله­های زهکش پس از نسب و ریختن خاک، دچار شکست شده­اند. آنسون مارستون، تحقیقات وسیعی در دانشگاه ایالت آیووا در ارتباط با نیروهای وارده بر لوله‌های دفن شده در زمین انجام داد و دریافت که به دلیل انعطاف‌پذیر بودن لوله­ها و همچنین طریقه نسب، مقدار نیرو تغییر می­کند؛ که این تغییر به پدیده قوسی نسبت داده گردید. در سال 1920 تا 1930 اهمیت آرچینگ در اطراف تونل­ها شناخته گردید؛ که این از آزمایشات متعددی که حتی امروزه نیز مورد بهره گیری قرار می­گیرد حصول گردید (سزچی[4]، 1996). در 1936 ترزاقی با انجام آزمایش‌هایی تئوری آرچینگ را مطرح نمود. در سال 1960 زمانی که وزارت دفاع آمریکا طرفداری قابل‌توجهی از تحقیقات در زمینه اندرکنش خاک-سازه نمود. تکنیک­هایی برای طراحی سخت­تر استحکامات نظامی نیاز گردید و شناخته گردید که پدیده قوسی این امکان را می­دهد که از زیر، زمین برای محافظت از حملات نظامی هسته­ای که باعث نابودی کلیه سازه­های سطحی می­گردد، بهره برد؛ که اغلب این تحقیقات را سیمپسون در سال 1964 در زمینه اندرکنش خاک-سازه ارائه داد. امروز با گذشت بیش از 50 سال از ارائه تئوری آرچینگ به دلیل اهمیت این پدیده در طراحی سازه­ای و مسائل ژئوتکنیکی در سازه­های مدفون هنوز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد.
در ایران نیز دکتر مسعود مکارچیان با ساخت دستگاه اندازه‌گیری نیروی قوس زدگی، این پدیده را در مصالح ماسه­ای مورد مطالعه قرار داد. درنهایت شاخص قوس زدگی با در نظر داشتن اندازه دانسیته نسبی مصالح ماسه­ای و نیز ارتفاع نمونه خاک در سلول آزمایش ارائه گردید. همچنین دکتر جمشید صدر کریمی در سال 1389 در دانشگاه تبریز این پدیده را در حالتی که شکل دریچه­ها دایره و با قطرهای متفاوت بوده، مورد مطالعه قرار داد تا تأثیر شکل دریچه و ابعاد آن بر پدیده قوسی را به دست آورد.
2-1-1- پدیده قوسی (Arching)
عمومی­ترین تعریف قابل‌قبول برای پدیده قوسی توسط ترزاقی[1] (1943) ارائه گردید، به‌گونه اختصار اگر قسمتی از دریچه­ی صلب توده­ی خاک رو به پایین حرکت کند شکل (1-6)، خاک مجاور، با در نظر داشتن باقی‌مانده از توده خاک، حرکت می کند. این حرکت با بهره گیری از تنش­های برشی که باعث کاهش فشار در قسمت پایین آمده­ی دریچه و افزایش فشار در اطراف قسمت صلب می­گردد، مقاومت می­کند. این تئوری پدیده قوسی می­باشد و این اغلب زمانی اتفاق می­افتد که یک قسمت از دریچه نسبت به قسمت­های مجاور پایین‌تر باشد. بسته به حرکت­های مرتبط سازه و زمین اطراف می­توان پدیده قوسی را به دو حالت محرک و مقاوم مجزا نمود. شکل (1-1) آرچینگ محرک[2] را نشان می­دهد (که در بعضی موردها آرچینگ مثبت خوانده می­گردد). سازه­ی موجود درون توده خاک اگر تغییرشکل پذیرتر از خاکی که آن را احاطه کرده، باشد، (هنگامی‌که بار بیش از حد و یا اضافی به سیستم اعمال گردد، سازه تغییر شکل بیشتری نسبت به خاک خواهد داد (شکل 2-1)). تنش­ها بر روی سازه کمتر از تنش­های ژئواستاتیک می­باشد، در صورتی که تنش­ در خاک اطراف سازه بزرگ‌تر می باشد. شکل (3-1) آرچینگ مقاوم[3] را نشان می­دهد (که اغلب به‌عنوان آرچینگ منفی شناخته می­گردد). در اینجا خاک نسبت به سازه تراکم­ پذیرتر می­باشد و از این­ رو باعث افزایش فشار کل بر روی سازه و همچنین کاهش فشار در خاک اطراف آن می­گردد (شکل (4-1)).
اگر خواص نیرو-تغییر­شکل سازه و خاک یکسان باشد، تنش در خاک و بر روی سازه از جنس ژئواستاتیک خواهد بود و هیچ­گونه آرچینگی اتفاق نمی­افتد. وقوع چنین وضعیتی بعید می باشد، به این دلیل که میان رفتار مصالح سازه ازجمله آهن و فولاد با خاک تفاوت هست. خصوصاً سازه­های زیرزمینی که تغییرشکل­شان یکنواخت نیستند که سبب می­گردد توزیع تنش پیچیده­تر گردد. بازتوزیع تنش ناشی از جابجایی­های مرتبط رفتاری می باشد که اغلب در هر دو خاک درشت­دانه و چسبنده نظاره می­گردد. اما بقاع این بازتوزیع به‌هرحال برای این دو نوع خاک یکسان نیست. در خاک­های ریزدانه پدیده خزش سبب می­گردد تنش­ها در طول زمان کاهش‌یافته و اغلب بزرگی آن نزدیک به وزن بیش­بارگذاری گردد (پک[4]، 1969). پروسه کاهش تنش مشابهی نیز می­تواند در خاک­های درشت­دانه زمانی که تحت عوامل خارجی ازجمله ارتعاشات هستند، رخ دهد. به هرحال، دامنه کاهش معمول نظاره شده ناشی از آرچینگ برای خاک­های درشت­دانه از مقادیر ناچیز تا فقط حدود 15 درصد می باشد (اسپانگر و هندی 1973). ازنقطه‌نظر طراحی، کاهش بار مفید طولانی‌مدت به دلیل پدیده قوسی می­تواند تنها در خاک­های دانه­ای پیش‌بینی گردد.
3-1-1- تونل
پوشش تونل[1] هیچگاه در معرض مقدار باری که توسط تنش اولیه­ی حاکم بر زمین پیش‌بینی‌شده، قرار نمی­گیرد. خوشبختانه مقدار تنش اولیه با تغییرشکل زمین که به هنگام حفاری و اغلب پس از نسب و راه­اندازی رخ می­دهد کاهش می­یابد. این کاهش تنش ناشی از تغییر شکل زمین پدیده قوسی را نشان می­دهد. ازآنجاکه تغییرشکل زمین متصل می باشد به تغییرشکل پوشش، پس مقدار بار وارده به پوشش بستگی به تغییرشکل خود آن دارد. به این دلیل می باشد که همیشه اندرکنش خاک و سازه و تشکیل مشکل اصلی برای طراحی به‌عنوان بار وارده، متغیر مستقل نیست؛ پس سؤال این نیست که چه فشاری به پوشش تونل اعمال می­گردد، بلکه مسئله­ی اصلی این می باشد که چه ارتباط­ای بین فشار و تغییرشکل هست.
ترزاقی از تئوری فوق‌الذکر در طراحی تونل بهره گیری نمود (ترزاقی 1943). ناحیه تنش در خاک بالای تونل مشابه می باشد با ناحیه تنش خاک در بالای نوار تسلیم. ترزاقی فرض نمود که عملکرد خاک مجاور تونل به هنگام ساختن به سمت جوانب تونل می­باشد. این، شرایط فشار محرک با سطوحی از ناحیه­ی تسلیم با سطح شیب­دار در حدود  ایجاد می­کند. ناحیه تسلیم در اطراف تونل و منشور تسلیم  در شکل (1-5-a) نشان داده شده می باشد. در سطح بام تونل، عرض نوار تسلیم ( ) برای تونل­های مستطیلی برابر می باشد با.
شکل (1-5-b) نشان دهنده تنش قائم در خاک بالای تونل می­باشد.
[1] Tunnel
[1] Terzaghi
[2] Active Arching
[3] Passive Arching
2 Peck
[1] Arching
[2] Feld
[3] Spangler and Hendy
[4] Szechy
[1] stress distribution
[2] McNulty
تعداد صفحه : 119
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه کارشناسی ارشد رشته عمران : بررسی اندرکنش میانقاب و قاب در قاب های فولادی

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران