شبیه سازی عددی رفتار خاک تحت تراکم دینامیکی (مطالعه موردی بندر بوشهر)

موسسه آموزش عالی (غیردولتی-غیرانتفاعی)
صنعتی مازندران
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی عمران گرایش خاک و پی
شبیه سازی عددی رفتار خاک تحت تراکم دینامیکی (مطالعه موردی بندر بوشهر)
هومن نصراله زاده
استاد راهنما:
دکترجانعلی زاده
1393

تأییدیه‌ی صحت و اصالت نتایج و مالکیت مادی ومعنوی
باسمه تعالی
اینجانب هومن نصراله زاده به شماره دانشجویی 9159502016 دانشجوی رشته مهندسی عمران خاک و پی مقطع تحصیلی کارشناسی ارشد تأیید می‌نمایم که کلیه‌ی نتایج این پایان‌نامه ارشد/رساله دکتری تحت عنوان شبیه سازی عددی رفتار خاک تحت تراکم دینامیکی (مورد مطالعاتی بندر بوشهر) به استاد راهنمایی دکتر جانعلی زاده حاصل کار اینجانب و بدون هرگونه دخل و تصرف است و موارد نسخه‌برداری‌شده از آثار دیگران را با ذکر کامل مشخصات منبع ذکر کرده‌ام. درصورت اثبات خلاف مندرجات فوق، به تشخیص دانشگاه مطابق با ضوابط و مقررات حاکم (قانون حمایت از حقوق مؤلفان و مصنفان و قانون ترجمه و تکثیر کتب و نشریات و آثار صوتی، ضوابط و مقررات آموزشی، پژوهشی و انضباطی …) با اینجانب رفتار خواهد شد و حق هرگونه اعتراض درخصوص احقاق حقوق مکتسب و تشخیص و تعیین تخلف و مجازات را از خویش سلب می‌نمایم. در ضمن، مسؤولیت هرگونه پاسخگویی به اشخاص اعم از حقیقی و حقوقی و مراجع ذی‌صلاح (اعم از اداری و قضایی) به عهده‌ی اینجانب خواهد بود و دانشگاه هیچ‌گونه مسؤولیتی در این خصوص نخواهد داشت. در ضمن تمام دستاوردهای مادی و معنوی حاصله از پایان نامه ارشد متعلق به مؤسسه غیر انتفاعی صنعتی مازندران می باشد و اینجانب هیچ گونه ادعایی در قبال آن ندارم.

نام و نام خانوادگی: هومن نصراله زاده
امضا و تاریخ:

مجوز بهره‌برداری از پایان‌نامه
بهره‌برداری از این پایان‌نامه در چهارچوب مقررات کتابخانه و با توجه به محدودیتی که توسط استاد راهنما به شرح زیر تعیین می‌شود، بلامانع است:
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله برای همگان بلامانع است.
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله با اخذ مجوز از استاد راهنما، بلامانع است.
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله تا تاریخ ……………………………… ممنوع است.
نام استاد یا اساتید راهنما:
تاریخ:
امضا:

تقدیم به:
ارواح طیبه شهدا.

چکیده
تراکم دینامیکی یکی از روشهای بهسازی خاکهای سست میباشد. در این روش با اعمال ضربات سنگین به سطح خاک میزان تراکم و در نتیجه ظرفیت باربری آن افزایش مییابد. این امر از طریق انتقال انرژی به وسیله امواج صورت میگیرد. تراکم دینامیکی یک روش تجربی بوده و برای هر محل بر اساس مشخصات زمین آن محل و امکانات در دسترس، مؤثرترین و اقتصادی ترین الگو انتخاب میشود. با وجود کاربرد گسترده این روش اساس طراحی آن هنوز تجربی یا نیمه تجربی است و فرآیندهای درگیر در مسئله به طور کامل مشخص نشده است. بنابراین در این تحقیق جهت بررسی و تعیین الگوی بهینه عملیات تراکم دینامیکی، پروژه انجام گرفته در بندر بوشهر بصورت عددی شبیه سازی شده است.
در تحقیق حاضر، مدلسازی عملیات تراکم دینامیکی در خاکهای دانهای با استفاده از روش تفاضل محدود و نرم افزار FLAC2D انجام شده است. با استفاده از فرض تقارن محوری تنها نیمی از توده خاک و کوبه به صورت دو بعدی مدل شده است. برای مدلسازی اثر ضربه به سطح خاک از تاریخچه زمانی تنش استفاده شده است. برای تحلیل تراکم دینامیکی خاک از مدل رفتاری موهر کولمب استفاده شده است.
نتایج نشست نهایی کوبه با نتایج اندازهگیری شده در پروژه تراکم دینامیکی مجتمع کشتی سازی شهید محلاتی بندر بوشهر مورد مقایسه قرار گرفته است و تطابق خوبی بین مقادیر اندازه گیری شده و به دست آمده در مدل عددی وجود دارد. همچنین با مقایسه مقادیر چگالی نسبی نهایی در لایه روانگرا در منطقه و مدلسازی عددی، تطابق قابل قبولی بین این مقادیر مشاهده شد.
با استفاده از نتایج مدلسازی و پس از تعیین ماکزیمم کرنشهای ایجاد شده در مدل، می‌توان میزان بهسازی در اعماق مختلف را تخمین زد و مقادیر بهبود یافته هر یک از پارامترهای توده خاک را پیش بینی کرد. با انجام این تحلیل برای ضربات متوالی، می‌توان میزان تاثیر هر یک از ضربات را نیز در رسیدن به حدنهایی بهسازی و افزایش پارامترهای مهندسی توده خاک تعیین کرد و نیز تعداد ضربات لازم برای رسیدن به حد مطلوب بهسازی را تعیین کرد. همچنین با بررسی افزایش چگالی نسبی در عرض میتوان الگوی مناسب برای شبکه کوبش بدست آورد.
واژگان کلیدی: تراکم دینامیکی، مدلسازی عددی، روش تفاضل محدود
فهرست مطالب
TOC o “1-3” h z u فصل 1 مقدمه1
1-1 مقدمه2فصل 2: مروری بر منابع42-1 مقدمه52-2 تاریخچه52-3 مبانی تئوری تراکم دینامیکی5 2-3-1 تئوری تراکم دینامیکی در خاکهای دانهای8 2-3-2 تئوری تراکم دینامیکی در خاکهای ریز دانه8 2-3-2-1 قابلیت تراکم8 2-3-2-2 روانگرایی8 2-3-2-3 نفوذ پذیری9 2-3-2-4 بندش بازیافتی خاک9 2-3-2-5 نمایش ترسیمی102-4 کاربرد تراکم دینامیکی در خاکهای مختلف102-5 واژگان142-6 روش شناسی152-7 نشست به وجود آمده در اثر کوبش182-8 لرزشهای زمین212-9 عمق مؤثر بهسازی242-10 توزیع تنش در اثر ضربه262-11 تراکم دینامیکی در نوشیرو ژاپن32فصل 3: روش تحقیق343-1 مقدمه353-2 روش تفاضل محدود353-3 معرفی نرم افزار FLAC363-4 مراحل محاسباتی برنامه FLAC363-5 مراحل کلی مدلسازی در FLAC373-5-1 انتخاب محدوده مناسبی از توده سنگ و خاک373-5-2 انتخاب مدل رفتاری مناسب و تعیین پارامترهای آن373-5-3 اعمال شرایط مرزی و تنشهای اولیه383-5-4 حل مدل تا رسیدن به تعادل383-5-5 ایجاد تغییرات در مدل383-5-6 حل مجدد مدل383-6 الگوریتم حل مدل در FLAC403-7 مروری بر مطالعات عددی413-7-1 پارن و رودریگز413-7-2 پن و سلبی413-7-3 گو و لی423-8 شبیه سازی اثر برخورد کوبه با سطح زمین423-8-1 مدلسازی برخورد با استفاده از تنش423-8-2 مدلسازی برخورد با استفاده از فرمولاسیون تماس بین دو یا چند جسم433-5-6 مدلسازی برخورد با در نظر گرفتن شرایط سرعت اولیه433-9 ایجاد تغییرات در مدل44فصل 4: نتایج و تفسیر آنها454-1 مقدمه464-2 معرفی منطقه مورد مطالعه464-2-1 موقعیت جغرافیایی464-2-2 وضعیت ژئوتکنیکی464-3 پروژه انجام شده در مجتمع شهید محلاتی بندر بوشهر474-4 شبیه سازی عددی عملیات تراکم دینامیکی در مجتمع شهید محلاتی بندر بوشهر494-4-1 شبکه مش بندی در روش تفاضل محدود494-4-2 پارامترهای استفاده شده برای مدلسازی494-5 بررسی تطبیقی نتایج شبیه سازی و پروژه انجام شده504-5-1 عمق چاله ایجاد شده524-2-1 چگالی نسبی544-6 تعداد ضربه بهینه جهت فرآیند تراکم554-7 گسترش افقی ناحیه متراکم شده564-8 عوامل ژئومکانیکی مؤثر بر تراکم دینامیکی574-8-1 جرم و ارتفاع سقوط کوبه574-8-2 سطح مقطع کوبه594-8 بررسی تنش قائم61فصل 5: جمع‌بندی و پیشنهادها635-1 مقدمه645-2 جمع بندی645-3 نتیجه گیری655-4 پیشنهادات65مراجع66پیوست‌ها70
فهرست شکل ها
TOC h z t “زیرنویس شکل” c شکل (2-1) تنش برشی عامل تراکم در خاکهای دانهای6شکل (2-2) نحوه انتشار امواج در محیط در اثر بارگذاری دینامیکی ناشی از ضربه7شکل (2-3) امواج برشی، تراکمی و سطحی ایجاد شده در اثر تراکم دینامیکی7شکل (2-4) مقایسه تئوری تراکم تحکیم دینامیکی و کلاسیک11شکل (2-5) روشهای مختلف بهسازی در ارتباط با اندازه ذرات11شکل (2-6) روشهای مختلف بهسازی مکانیکی در ارتباط با اندازه ذرات12شکل (2-7) کاربرد تراکم دینامیکی برای بهسازی گروههای مختلف خاک13شکل (2-8) محدوده مناسب تراکم دینامیکی در ارتباط با حد روانی و شاخص خمیری14شکل (2-9) هیستوگرام تراز انرژی در واحد سطح برای پرژههای تراکم دینامیکی16شکل (2-10) ارتباط بین وزنه و ارتفاع سقوط وزنه17شکل (2-11) جرثقیل سه پایه طراحی شده توسط منارد17شکل (2-12) عمق حفرات ایجاد شده در برابر سقوط وزنه18شکل (2-13) نسبت عمق حفرات به ریشه دوم انرژی سقوط در برابر تعداد سقوط وزنه18شکل (2-14) نشست ایجاد شده در برابر شدت انرژی اعمال شده19شکل (2-15) نشست ایجاد شده به وسیله تراکم دینامیکی21شکل (2-16) حداکثر سرعت ذرهای خاک در اثر تراکم دینامیکی22شکل (2-17) رابطه بین حداکثر سرعت ذرهای و فاکتور بدون بعد انرژی23شکل (2-18) ارتباط بین عمق مؤثر بهسازی و ریشه دوم انرژی سقوط25شکل (2-19) رابطه بین عمق مؤثر بهسازی و ریشه دوم انرژی سقوط26شکل (2-20) نفوذ وزنه در اثر ضربه27شکل (2-21) تغییرات نیرو، شتاب و سرعت با زمان28شکل (2-22) تغییرات شتاب کند شونده وزنه در اثر برخورد به زمین با گذشت زمان28شکل (2-23) رابطه بین ماکزیمم شتاب و ارتفاع سقوط کوبه30شکل (2-24) ارتباط بین ارتفاع سقوط و پارامتر m/A در شتابهای کندشونده مختلف30شکل (2-25) ارتباط بین تداوم ضربه و جرم واحد سطح وزنه31شکل (2-26) پروفیل آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد قبل و بعد از کوبش در پروژه نوشیرو33شکل (2-27) عمق حفره ایجاد شده در برابر تعداد دفعات سقوط در پروژه نوشیرو33شکل (3-1) روند عمومی مراحل محاسباتی در برنامه FLAC37شکل (3-2) الگوریتم حل مدل40شکل (4-1) پروفیل زیر سطحی همراه با نتایج نفوذ مخروط در منطقه آزمایشی دوم47شکل (4-2) شبکه کوبش و محل آزمایشهای نفوذ مخروط48شکل (4-3) هندسه و نحوه المان بندی مدل ساخته شده49شکل (4-4) تاریخچه زمانی تنش استفاده شده برای معرفی وزنه50شکل (4-5) جابجایی قائم ایجاد شده در اثر ضربه اول51شکل (4-6) جابجایی ایجاد شده در اثر ضربه دوم51شکل (4-7) تغییر مکان در برابر زمان52شکل (4-8) مقایسه نتایج محاسبه شده برای عمق چاله و نتایج اندازه گیری شده53شکل (4-9) نمودار جابجایی در برابر زمان تا عمق 10 متری53شکل (4-10) تغییرات چگالی در برابر تعداد ضربات در عمق 8/7 متری54شکل (4-11) توزیع تغییر مکان افقی در برابر عمق55شکل (4-12) جابجایی افقی در برابر تعداد ضربات در عمق 8/7 متری 56شکل (4-13) تغییر شکل افقی در عمق بعد از ضربه 47 ام56شکل (4-14) تغییرات چگالی در فواصل افقی از محور تقارن57شکل (4-15) تغییرات عمق چاله ایجاد شده برای جرمهای مختلف کوبه58شکل (4-16) تغییرات عمق چاله ایجاد شده برای ارتفاعهای سقوط مختلف59شکل (4-17) عمق چاله ایجاد شده برای سطح مقطعهای مختلف59شکل (4-18) تغییرات در شبکه تفاضل محدود پس از ضربه با سطوح تماس مختلف60شکل (4-19) تغییرات تنش قائم در محل ضربه در برابر زمان61شکل (4-20) تغییرات تنش قائم در فواصل افقی از محور تقارن61شکل (4-21) تغییرات تنش قائم در عمق پس از ضربات اول و دوم62
فهرست جدول ها
TOC h z t “بالانویس جدول” c جدول (2-1) مناسب بودن مصالح برای کاربرد تراکم دینامیکی با توجه اندازه ذرات13جدول (2-2) انرژی سقوط و فشار حدی قبل و بعد از بهسازی20جدول (2-3) حداکثر سرعت ذرهای خاک با توجه به نوع آسیب رسانی23جدول (2-4) مقدار n با توجه به درجه اشباع و نوع خاک24جدول (2-5) مقادیر n که توسط محققین مختلف ارائه شده24جدول (3-1) مدلهای رفتاری مختلف به کار رفته در نرم افزار FLAC39جدول (4-1) شرایط ژئوتکنیکی منطقه آزمایشی دوم48جدول (4-2) پارامترهای فیزیکی مصالح زیرسطحی منطقه آزمایشی دوم50جدول (4-3) عمق چاله ایجاد شده برای ارتفاع سقوط و جرم کوبه متفاوت در یک انرژی ثابت59
فصل 1
مقدمه
1-1- بهسازی خاک

به طور کلی برای استقرار سازهها در زمینهای ضعیف میتوان از سه روش انتقال بار به لایههای مقاوم در اعماق زمین به وسیله پیهای عمیق، جابجایی و جایگزینی مصالح مرغوب و بهبود مقاومت خاک به وسیله روشهای بهسازی استفاده نمود.
با توجه به اینکه ساختگاه بعضی سازه ها زمینهای سست با مقاومت و ظرفیت باربری پایین میباشد لذا بحث مقاوم سازی سازه با شرایط محل، جابجایی مصالح سست و جایگزین کردن مصالح مناسب بجای آن و یا اصلاح خاک در محل مطرح میشود. در سالیان اخیر گسترش چشمگیری در زمینه کاربرد روشهای مختلف بهسازی برای حل مشکلات مربوط به پی سازی در زمینهای سست صورت گرفته است، این گسترش به دلیل احتیاج بشر به زمین و روی آوردن به احیاء زمینهای نامناسب از نظر خصوصیات مهندسی خاک و یا موقعیت مناسب زمین جهت احداث سازه مورد نظر بوده است.
اهداف بهسازی زمین توسط هاوسمن به شرح زیر بیان شده است[7]:
افزایش مقاومت خاک؛
کاهش شکل پذیری خاک در اثر بارگذاری (افزایش مدول تنش کرنش خاک)؛
کاهش تراکم پذیری خاک؛
کنترل تورم و انقباض خاک؛
کنترل نفوذپذیری خاک؛
کاهش پتانسیل روانگرایی خاک؛
کاهش تغییر و تنوع پذیری مصالح خاکریزی شده و یا خاک برجا (همگن کردن مصالح زیر پی)
پیشگیری از تغییرات شیمیایی یا فیزیکی زیان آور به دلیل شرایط محیطی؛
ون ایمپ و همکاران (1993) روشهای مختلف بهسازی زمین را مطابق جدول (2-1) ارائه نمودند [7].
جدول (2-1) روشهای مختلف بهسازی زمین
روشهای بهسازی دائم خاک با افزودن موادی به خاک روشهای بهسازی دائم خاک بدون اضافه کردن موادی به خاک روشهای بهسازی موقت خاک
ستونهای ماسهای یا شنی
ستونهای آهکی
جایگزینی خاک
پیش بارگذاری با زهکش قائم
تقویت زمین
تزریق تراکم سطحی
کوبش سنگین
تراکم انفجاری
تراکم عمیق با لوله ارتعاشی
بهسازی حرارتی خاک پایین آوردن تراز آب زیرزمینی
انجماد خاک
الکترواسمز
گامبین (1993) روشهای مختلف بهسازی عمیق را بصورت زیر تقسیمبندی نمود [8]:
1- روشهای فیزیکی : این روش شامل بهسازی حرارتی و انجماد خاک میباشد.
2- روشهای شیمیایی : این روش شامل تزریق سیلیکات، مواد پلیمری و تبدل یونی است.
3- روشهای مکانیکی : – روشهای استاتیکی نظیر پیش بارگذاری
– روشهای دینامیکی نظیر تراکم دینامیکی، تراکم ارتعاشی و تراکم انفجاری
4- روشهای هیدرولیکی : پایین آوردن تراز آب زیرزمینی و الکترواسمز از این دسته اند.
5- تقویت زمین : متراکم کردن زمین با شمع کوبی و استفاده از ستونهای ماسه ای و شنی از این دسته اند.
6-روشهای

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *