تونل، الاستو، الاستیک، مکانهای، گسیختگی، تحلیلی

ناهمگن………………………………………………………………………………………………….102
شکل شماره62: نمودار تنش کرنش نمونه سنگ شماره 1………………………………………………………………………………….103
شکل شماره63: نمودار تنش کرنش نمونه سنگ شماره 2………………………………………………………………………………….104
شکل شماره63:گسیختگی اطراف تونل احداث شده در محیط ناهمگن……………………………………………………………..105

فصل اول
مقدمه
1-1- پیش گفتار:
امروزه علم مکانیک سنگ و مهندسی سازههای زیرزمینی از مهمترین شاخههای مهندسی ژئوتکنیک گردیده است.گواه این ادعا گسترش روز افزون نرم افزارهای تحلیل سازههای زیر زمینی و شیبهای سنگی میباشد. مهمترین خواسته یک طراح تونل در تحلیل سازههای زیر زمینی بدست آوردن ناحیهی گسیختگی، تنش و تغییر مکان در نقاط مختلف اطراف این سازه میباشد. این نتایج بسیار حیاتی میباشند. با استفاده از این نتایج میتوان مناطقی که نیاز به تقویت دارد را تعیین نمود. گرچه راه حلهای دقیق زیادی برای تحلیل محیطهای سنگی تاکنون ارائه شده است اما با توجه به محدودیتهای روشهای تحلیلی در مدل کردن محیطهایی با رفتار الاستو پلاستیک، ناهمگن، غیر ایزوتروپ، شرایط مرزی پیچیده، اشکال پیچیده تونل و… علاقه به استفاده از روشهای عددی روز به روز گسترش یافته است. از میان تمام روشهای عددی روش اجزای محدود به دلیل سادگی و انعطافپذیری بیشتر، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
گرچه در اکثر تحقیقات انجام یافته، رفتار سنگ را الاستیک خطی در نظر میگیرند اما آزمایشات مقاومت سه محوری نشان میدهند که رفتار اکثر سنگها الاستو پلاستیک غیر خطی میباشد. با توجه به توانایی روش اجزای محدود، مدل کردن گسیختگی این رفتار کار مشکلی به نظر نمیرسد. علاوه بر روش
تحلیل، معیار مورد استفاده برای تحلیل نیز بسیار مهم است. معیار گسیختگی باید بتواند به خوبی رفتار محیط سنگی در شرایط مختلف بارگذاری را مدل کند. معیارهای تجربی زیادی تاکنون ارائه گردیده است اما مهمترین و اجراییترین آنها، معیار هوک-براون و معیار بنیاوسکی میباشد که هر دو در کارهای اجرایی کاربرد فراوان دارند.
امروزه نرمافزارهای زیادی در مورد تحلیل فضاهای زیر زمینی وجود دارد که هر یک متکی بر یک روش تحلیلی یا عددی میباشند. اما با تمام تفاسیرهیچ نرم افزار مشخصی را نمیشود پیدا کرد که به طور جامع و کامل بتواند تمام خواستههای یک مهندس تونل را برآورده کند. این خواستهها شامل
1- ترسیم نواحی گسیختگی اطراف تونل به صورت مشخص و واضح
2- پوشش دادن تمامی معیارهای موجود اعم از تئوری و تجربی
3- مدل کردن تمامی مدلهای رفتاری اعم از الاستیک خطی، الاستو پلاستیک غیر خطی، الاستیک غیر خطی..
4- مدل کردن رفتاری محیطهای سنگی ناهمگن، غیر ایزوترپ،درزهدارو..
5- تاثیر المانهای تقویتکننده مانند راکبولت و طراحی پوشش محافظ داخلی
منظور نگارنده از ارائه این بحث آن است که هیچ نرم افزار جامع و کاملی که بتواند تمامی ملاکهای مورد نیاز برای همه نوع تحلیل را داشته باشد، یافت نمیشود. در نتیجه با تمامی این امکانات هنوز برنامه نویسی در بحث تونل و شیبهای سنگی،برای اهداف خاصی که نرمافزار قادر به پوشش آن نیست، فراوان انجام میشود.
در این پژوهش اهداف چندی مدنظر میباشد که عبارتند از
1- مقایسهی ترسیمی بین نواحی گسیختگی یک سازهی زیر زمینی در شرایط بارگذاری یکسان، تحت دو معیار هوک-براون وبنیاوسکی در یک محیط سنگی با رفتار الاستیک؛ ومقایسهی آن با جوابهای تحلیلی ارئه شده
2- تاثیر بار برشی بر نواحی گسیختگی اطراف تونل
3- ارائه مدل رفتاری الاستو پلاستیک غیر خطی با معیار هوک و براون و مقایسهی نتایج آن با یکی از نرم افزارهای تجاری
قابل ذکر است که کلیهی مراحل برنامه نویسی در محیط متلب انجام یافته است.
1-2- مروری بر تحقیقات انجام شده:به جرات میتوان گفت شرح مختصری از پژوهشهای انجام یافته بر روی سازههای زیر زمینی با رویکرد اجزای محدود،خود در حد چندین پژوهش کار و زمان میطلبد. به هر حال در این فصل سعی خواهیم کرد به خلاصهای از این پژوهشها و نتایج آنها اشاره کنیم.
در سال 2002 در پژوهشی که توسط سین وهمکاران انجام یافته بود تحلیلی با رویکرد روش اجزای محدود بر روی تونل کوینا در هند انجام دادند]1[. آنها مدلی ناشی از چندین فضای زیر زمینی، مطابق شکل 1-1را هم به صورت 2 بعدی و هم 3 بعدی در محیطی ناهمگن مدل کردند وتوزیع تنش و تغییر مکانهای اطراف تونل را بدست آوردند وآنها را با نتایج حاصله در محل مقایسه کردند. آنها محیط حاصل را ناشی از 23 نوع سنگ با خواص مقاومتی متفاوت در نظر گرفتند. تعدادی از آنها رفتار الاستیک و تعدادی از آنها رفتار الاستو پلاستیک دراکرپراگر داشتند. آنها این تحلیل را توسط نرمافزار سولويا که توسط گروه مهندسی سولویا در سوئد ایجاد شده است، انجام دادند. این نرم افزار بر پایه روش المان محدود میباشد و برای کلیه رفتارهای الاستیک غیر خطی و الاستو پلاستیک دراکر-پراگر برای سنگ و بتن قابل کاربرد است. در این پایاننامه یکسری شاخصهایی برای اندازهگیری تغییر مکان و تنش در اطراف فضاهای موجود نصب گردیدند و از طریق آنها تنش و تغییر مکانهای واقعی در مکانهای خاصی از این محیط را بدست آوردند. نتایج حاصل گویای این واقعیت است که تحلیل 3 بعدی از لحاظ دقت به مقادیر واقعی نزدیکتر است ولی نتایج تحلیل 2 بعدی محافظهکارانهتر است.

شکل1-1- مدل تحلیل شده توسط مرجع]7[
در سال 1993 پژوهشی توسط فاما، دانکن وهمکاران انجام یافت]2[. در این پژوهش سازهی زیر زمینی در محیطهای ناهمگن سنگی(البته از نوع لایهبندی شده افقی) مورد تحلیل قرارگرفته است. اساس کار استفاده از تئوری کاسرات میباشد. در این تئوری با یکسری فرضهای سادهکننده محیط لایهبندی شده سنگی، تبدیل به یک محیط همگن میشود وسپس توسط روشاجزای محدود مورد تحلیل قرار میگیرد. نتایج حاصله نشان ازهمگرایی بسیار نزدیکتر و دقیقتر، به جوابهای تحلیلی دارند.
در سال 2008 سلیم بنسهمدی و همکاران در یک پژوهش قسمتی از یک اتاقک زیر زمینی را تحلیل کردند]3[. در این پژوهش به دلیل تقارن شکل فقط نیمی از آنرا تحلیل کردند و نتیجه حاصله به صورت شکل1-2 درآمد. تحلیل این نمونه بسیار شبیه به تحلیل پایههای سنگی زیر زمینی است. رفتار مصالح سنگی غیر خطی به صورت نرم شونده در نظر گرفته شد. با استفاده از تحلیل روش اجزای محدود غیر خطی و معیار موهر کلمب، منطقه پلاستیک در اطراف فضای زیر زمینی با ترسیم نقاط گوس تسلیم شده، بدست آمد. همانطور که در شکل 1-2 نشان داده شده است ناحیه پلاستیک اطراف تونل توسط ترسیم نقاط گوس تسلیم یافته نشان داده شده است. در قسمتی دیگر از این پژوهش محیط را در سه حالت ناهمگن مختلف تحلیل کردند و تاثیر ناهمگنیهای مختلف را در توسعه منطقه پلاستیک، بدست آوردند. در قسمتی دیگر مقایسهای بین ناحیه گسیختگی در رفتار الاستیک و ناحیه پلاستیک در حالت رفتار الاستو پلاستیک انجام شد، نتیجه حاصله نشان از دقت بیشتر تحلیل الاستو پلاستیک و نزدیکی بیشتر تنشها و تغییر مکانهای حاصله با نتایج اندازهگیری شده در سایت و محل دارد.

شکل1-2- مدل تحلیل شده توسط مرجع]24[
در قسمتی دیگر از این تحقیق جامع در درصدهای مختلف از بارگذاری نهایی،20، 40، 60، 80 درصد، ناحیه پلاستیک اطراف این ستون سنگی بدست آمده و با هم مقایسه شده است.
در زمینهی تحلیل پلاستیک سنگ، کارهای انجام گرفته در ایران بسیار محدود است. یکی از این محدود پژوهشها را مرتضی احمدی و محسن مشاری انجام دادهاند]4[. دراين مقاله تحليل دو بعدي تنش-کرنش در اطراف سنگ حفريات زيرزميني درصورتي که محيط اطراف حفريات زيرزمينی نيز تحت بار اعمال شده رفتارالاستو-پلاستيك ازخود نشان دهند، مورد بررسي قرار گرفته است .براي تحليل تنش در اين حالت نرم افزاری به نام برنامه اجزای محدودتهیه شده است که اساس کار آن، روش اجزای محدود است. در این راستا، ابتدا کاربرد روش اجزای محدود برای تحلیل تنش بیان گردیده است و از آن در حل معادلات اساسی مکانیک جامدات ( اصل انرژی پتانسیل کلی) استفاده و روابط نهایی برای تحلیل ارائه شده است. سپس به بيان روابط اساسي پلاستيسيته پرداخته شده ودرنهايت باتلفيق اين روابط با عبارات حاصل ازحالت الاستيك،روابطي جهت تحليل الاستو پلاستيك به شيوة اجزاي محدود حاصل شده است. اصلي ترين نتايج حاصله، محاسبة تنشهاوکرنشهادرشرايط الاستوپلاستیک غیرخطی میباشد.براي بررسي عملكرد برنامه، مثالهاي فرضي وکاربردي توسط برنامهFEP تحلیل شده و نتایج حاصل با روشهای دیگر تحلیل تنش موجود، مقایسه گردیده است. در این طرح، مقایسه نتایج با هر دو نتایج تجربی و عددی انجام شده است. معیار مورد استفاده در این تحقیق هوک- براون میباشد و از المان 8 نقطهای ایزوپارامتریک برای عمل تحلیل استفاده شده است.
در سال 1997 در یک تحقیق انجام یافته توسط ادهیکاریودايسكين،مقایسهای بین نتایج حاصل از تحلیل عددی و آزمایشگاهی انجام یافت]5[. در این پژوهش یک تونل در محیطی ناهمگن ناشی از سه لایه افقی سنگ نرم، مدل گردید. در این پژوهش فرض را بر این گرفتند که مرز بین لایهها مانند درزه، دارای اصطکاک وچسبندگی میباشد. این مدل تحت اثر نیروی محوری ناشی از سربار عمودی قرار گرفت. و در مکانهای خاصی از سقف آن تغییر مکانها تحت بارهای عمودی بدست آمد.روند بارگذاری آنقدر ادامه پیدا کرد تا تونل مورد نظر گسیخته شد.موضوع مهم آن است که در این آزمایش گسیختگی از نقاط میانی سقف تونل آغاز میگردد. از طرفی این مدل ناهمگن را با استفاده از تئوری برادران کاسرات تحلیل کردند.در این تئوری با استفاده از روابطی، این چند لایه را تبدیل به لایهای معادل الاستیک با ضخامت و مشخصات مکانیکی مشخص کردند. از آنجایی که در واقعیت مرز بین لایهها رفتار الاستو پلاستیک دارند، محققین با این فرض که تحلیل عددی در مرز بین لایهها باید جوابی متفاوت بدهد، پژوهش خود را ادامه دادند، و در پایان به همین نتیجه نیز رسیدند.
از دیگر پژوهشهایی که در آن رفتار الاستو پلاستیک برای سنگ در نظر گرفته شده است توسط شاران در سال 2005 انجام گرفت]6[.در این پژوهش یک تونل دایروی در یک محیط الاستو پلاستیک شکننده، ایزوتروپ و همگن، تحت فشار هیدرواستاتیک وبا استفاده از معیار هوک و براون توسط روش اجزای محدود تحلیل شد و تغییر مکانهای ناشی از تحلیل عددی در مکانهای خاصی از اطراف تونل بدست آمد. این نتایج عددی با نتایج تحلیلی ناشی از راه حل دقیق ارائه شده توسط هوک و راه حل ارائه شده توسط خود شاران مقایسه گردیدند.
1-3- تاریخچه تونل سازی و سازه های زیر زمینی:احتمالا اولین تونل ها در عصر حجر برای توسعه خانهها با انجام حفریات، توسط ساکنان شروع شد. این امر نشانگر این است که آنها در تلاشهایشان جهت ایجاد حفریات به دنبال راهی برای بهبود شرایط زندگی خود بودند. پیش از تمدن روم باستان، درروم باستان، مصر، یونان،هند و خاور دور وایتالیای شمالی، تماماً تکنیکهای تونلسازی دستی مورد استفاده قرار میگرفت که در اغلب آنها نیز از فرایندهای مرتبط با آتش برای حفر تونلهای نظامی، انتقال آب و مقبره ها کمک گرفته شده است. در ایران نیز از چند هزار سال پیش به منظور استفاده از آبهای زیر زمینی تونل هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می رسد. تعداد قنات ها ی ایران بالغ بر 50000 رشته برآورد شدهاست. جالب توجه است که این قناتهای متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شدهاند.
رومیها نیز در ساخت قنات و همچنین در حفاری تونلهای راه، پر کار بودند. آنها در ضمن اولین دوربینهای مهندسی اولیه را در جهت کنترل تراز و حفاری تونل به کار بردند.
اهمیت احداث تونلها در دورانهای قدیم، تا بدین جاست که کارشناسان، کارهای احداث تونل در آن تمدنها را، نشانگر رشد فرهنگ و به ویژه رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانستهاند. تمدنهای اولیه به سرعت، به اهمیت تونلها، به عنوان راههای دسترسی به کانیها و مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق، به واسطه اهمیتش برای زندگی پی بردند. همچنین کاربرد آنها دامنه گستردهای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاههایی جهت رفت و آمد را شامل میشد. کاربرد نظامی تونلها، به ویژه از جهت بالا بردن توان گریز ویا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعههای دشمن، از دیگر جنبههای مهم کاربرد تونلها در تمدنهای اولیه بود.
تونلسازی همزمان با انقلاب صنعتی، به ویژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظهای یافت. تونلسازی به گسترش و پیشرفت کانالسازی کمک کرد واین امر در توسعه صنعت به ویژه در قرون 18 و 19 میلادی در انگلستان سهم بسزایی داشت. کانالها یکی از پایههای انقلاب صنعتی بودند و توانستند در مقیاس بسیار بزرگ، هزینه های حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مال پاس با طول 157 متر بر روی کانال دومیدی در جنوب فرانسه، اولین تونلی بود که در دوره های مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنین اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن18 نیز جیمز بریندلی از خانواده های مزرعه دار، با نظارت بر طراحی و ساخت بیش از 580 کیلومتر کانال و تعدادی تونل، به عنوان پدر تونلهای کانالی ملقب شد. وی در سال 1759 با ساخت یک کانال به طول 16 کیلومتر مجموعه معدن ذغال دول برید جواتر را به شهر منچسترمتصل نمود. اثر اقتصادی تکمیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار برای معدن مذکور بود. در دیگر موارد تونل های زهکشی بزرگ، نظیر تونلی با طول 7 کیلومتر در هیل کارن انگلستان، اهمیت زیادی در توسعه صنعت معدن داشتهاند. البته بررسی تاریخچه پیشرفت در روشها وتکنیک ها و به عبارتی در

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

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