چکیده

در این پایان‏نامه به منظور تحلیل رفتار پی‏های سطحی مستقر بر خاک مسلح از یک روش ساده‏ی فیزیکی مبتنی بر مقاومت مصالح به نام «روش مخروط» استفاده شده است که در واقع به عنوان جایگزینی برای روش‏های حل دقیق که مبتنی بر تئوری الاستودینامیک سه‏بعدی هستند، به‏کار می‏رود. روش مخروط توانایی ترکیب پیچیدگی شرایط خاک‏های لایه‏ای و بررسی چگونگی انتشار امواج در این محیط‏ها را دارا می‏باشد و از دقت مهندسی قابل قبولی برخوردار است.

به منظور مدل‏سازی خاک مسلح با ژئوسل با استفاده از روش مخروط، هر لایه ژئوسل و خاک پرکننده‏ی آن، با استفاده از یک مدل تجربی مرکب مبتنی بر تئوری تنش حلقه مدل‏سازی شد. در این مدل مرکب، خصوصیات ژئوسل و خاک پر‏کننده‏ی آن در نظر گرفته شد و لایه‏ی ژئوسل به صورت یک لایه‏ی همگن مدل‏سازی شد. همچنین تاثیر چند پارامتر روی سختی دینامیکی پی سطحی واقع بر خاک مسلح بررسی شد، از قبیل: خصوصیات هندسی ژئوسل، تعداد لایه‏های آن، تراکم خاک پر‎کننده‏ و همچنین عمق قرارگیری لایه‏ی ژئوسل. متعاقبا ضرایب مربوط به سختی دینامیکی برای درجه‏ی آزادی قائم به ازای هر یک به دست آمد. به طور کلی هر چه بالشتک ژئوسل دارای دیواره‏ی بلند‏تر، حفرات کوچک‏تر و مدول سکانت بیش‏تر باشد نتایج بهتری را به دست می‏دهد. . با افزایش تعداد لایه‏های ژئوسل میزان ضریب سختی فنر و ضریب میرایی و در نتیجه ضریب سختی دینامیکی افزایش می‏یابد. از طرفی هرچه عمق قرارگیری ژئوسل به سطح خاک نزدیک‏تر باشد سختی فنر بیش‏تر و ضریب میرایی کم‏تر خواهد شد. به طور کلی از بین این دو پارامتر‏ مربوط به سختی دینامیکی، نقش ضریب میرایی در بررسی پی مستقر بر خاک مسلح پر‏رنگ‏تر و تعیین‏کننده‏تر بوده است. چرا که یکی از بارز‏ترین ویژگی‏های مصالح ژئوسنتتیکی در خاک، صرف نظر از سختی بیش‏تری که به خاک می‏دهد، درصد میرایی مصالح تشکیل دهنده آن است.

کلیدواژه‏ها: روش فیزیکی، مدل مخروط، انتشار امواج، پی سطحی، خاک مسلح

فهرست مطالب

عنوان                                            صفحه

فهرست علائم و نشانه‌ها ث‌

فهرست شکل‌‌ها ح‌

فهرست نمودار‏ها.........................................................................................................................................................د

فهرست جدول‌‌ها ر‌

فصل 1- کلیات و مقدمه 1

1-1- پيشگفتار 1

1-2- بیان موضوع 2

1-3- ضرورت تحقیق 3

1-4- هدف پژوهش 4

1-5- قلمرو پژوهش 4

1-6- روش انجام پژوهش 5

1-7- ساختار پایان نامه 5

فصل 2- مروری بر تاریخچه‏ی موضوع 7

2-1- مقدمه….. 7

2-2- مروری بر تاریخچه و مطالعات انجام شده در زمینه‏ی کاربرد ژئوسل 7

2-2-1-  سیستم‏‏های ژئوسل و کاربرد‏ها 7

2-2-2-  مطالعات انجام شده روی ژئوسل 8

2-2-3-  مطالعات انجام شده در زمینه‏ی اندرکنش غشا و پرکننده 16

2-3- مروری بر تاریخچه‏ی توسعه‏ی روش مخروط 19

2-4- خلاصه و جمع‏بندی 25

فصل 3-  معرفی مبانی مدل مخروط 27

3-1- مقدمه…… 27

3-2- فرضیات در مدل مخروط 27

3-3- تعیین سختی دینامیکی پی سطحی 29

3-3-1-  مدل تک مخروطي 30

3-3-2-  مدل دو مخروطی 30

3-3-3-  پی سطحی واقع بر محیط نیمه بی‏نهایت همگن 31

3-3-3-1- مدل مخروط انتقالی 32

3-3-4-  اصلاحات مدل مخروط 36

3-3-4-1- سرعت موج…………… 37

3-3-4-2- جرم محبوس……………… 38

3-3-4-3- ضرایب سختی دینامیکی 40

3-3-5-  در نظر گرفتن میرایی 42

3-3-6-  انعکاس و انکسار موج در ناپیوستگی مصالح در یک مخروط 43

3-3-6-1- ضریب انعکاس………….. 43

3-3-7-  پی سطحی واقع بر لایه‏ی مستقر بر نیم‏فضای همگن 46

3-3-8-  پی سطحی واقع بر لایه‏ی مستقر بر بستر صلب 48

3-3-9-  پی سطحی واقع بر نیم فضای چندلایه 50

3-4- خلاصه……… 51

فصل 4-  تحلیل پی سطحی واقع بر خاک مسلح با استفاده از روش مخروط 52

4-1- مقدمه………… 52

4-2- ارائه‏ی روش تحلیل با استفاده از توده‏ی مخروطی 53

4-2-1-  دیسک مجازی واقع بر سطح مشترک 55

4-2-2-  تشکیل ماتریس سختی دینامیکی 56

4-2-2-1- حرکت انتقالی………….. 57

4-2-3-  ارزیابی دقت روش مخروط 62

4-3- لایه‏ی مسلح‏کننده 64

4-3-1-  مصالح سازنده‏ی ژئوسل 65

4-4- مدل‏سازی لایه‏ی ژئوسل به‏صورت خاک معادل 66

4-4-1-  در نظر گرفتن میرایی مصالح ژئوسل در مدل‏سازی 68

4-5- طرح مسئله و ارزیابی آن 68

4-5-1-  حالت خاک غیرمسلح 68

4-5-2-  حالت خاک مسلح با یک لایه‏ ژئوسل 69

4-5-3-  مقایسه و ارزیابی 70

4-6- خلاصه……. 72

فصل 5-  مطالعات پارامتریک 74

5-1- مقدمه……. 74

5-2- تعیین عمق بهینه‏ی قرارگیری اولین لایه‏ی ژئوسل 75

5-3- بررسی اثر ارتفاع ژئوسل 77

5-4- بررسی اثر نسبت ابعادی ژئوسل 79

5-5- بررسی اثر میرایی مصالح ژئوسل 81

5-6- بررسی اثر سختی مصالح ژئوسل 83

5-7- بررسی اثر تراکم خاک پر‏کننده 85

5-8- تعیین حد فاصل بهینه بین لایه‏های ژئوسل در خاک 87

5-9- بررسی اثر افزایش تعداد لایه‏های ژئوسل 90

5-10- خلاصه‏…….. 92

فصل 6-  جمع‏بندی، نتیجه‏گیری و پیشنهادات 93

6-1- جمع‏بندی 93

6-2- نتیجه‏گیری 94

6-3- پیشنهادات برای کارهای آینده 95

فهرست مراجع 96

واژه‏نامه فارسي به انگليسي 100

واژه‏نامه انگليسي به فارسی 102

 فهرست علائم و نشانه‌ها

عنوان                                    علامت اختصاري

z0

ارتفاع راس مخروط

h

ارتفاع ژئوسل

deq

اندازه‏ی معادل حفره‏ی ژئوسل

T

پارامتر زمان رفت و برگشت موج در لايه

Ke

پارامتر بدون بعد مدول

Tj,j(ω)

تابع انتقال

u

تغییرمکان

σ3

تنش افقی متوسط

Δσ3

تنش محصورکننده

EjF

ثابت اکو

λ

ثابت لامه

ΔM

جرم محبوس افزوده

ρ

جرم حجمی

H

حد فاصل دو لایه‏ی ژئوسل در خاک

T(ω)

دامنه‏ی لنگر پیچشی

M(ω)

دامنه‏ی لنگر چرخشی

g

دامنه‏ی موج انعکاسی

f

دامنه‎‏ی موج برخوردی

V(ω)

دامنه‏ی نیروی برشی

N(ω)

دامنه‏ی نیروی قائم

J

دوران

S

سختی دینامیکی

Kr

سختی معادل لایه‏ی ژئوسل

Eg

سختی معادل لایه‏ی ژئوسل

CLa

سرعت ظاهری لایسمر

Cs

سرعت موج برشی

CL

سرعت موج برگشتی

Cp

سرعت موج فشاری

r0

شعاع پی سطحی

d

ضخامت لایه‎ی خاک

k

ضريب بدون بعد لايه

K

ضریب استاتیکی فنر

α

ضریب انعکاس

μ

ضریب جرم محبوس

C

ضریب میرایی

Z

عمق خاک

U

عمق مدفون بالاترین لایه‏ی ژئوسل

a0

فرکانس بدون بعد

ω

فرکانس زاویه ای

d0

قطر اولیه معادل تک سلول ژئوسل

D

قطر پی سطحی

εa

کرنش محوری شکست

E

مدول الاستیسیته‏ی خاک

G

مدول برشی

Ec

مدول مقید شده

M

مدون سکانت ژئوسل

Ag

مساحت حفره ژئوسل

A

مساحت قاعده مخروط روی سطح مشترک

ΔMJ

ممان اینرسی دورانی اضافه شده

I0

ممان اینرسی قطبی

ξ

میرایی مصالح خاک

ν

نسبت پواسون

Q(ω)

نیروی خارجی

P

نیروی قائم

فهرست شکل‌‌ها

عنوان                                            صفحه

شکل ‏1‑1: انتشار امواج در مخروط [2] 3

شکل ‏2‑1: سیستم ژئوسل ساخته شده از نوارهایی از ورق‏های پلیمری جوش شده به هم 8

شکل ‏2‑2: سیستم ژئوسل ساخته شده از ژئوگرید؛ الف) شکل نمونه‏ی ژئوسل.ب)اتصال ژئوگرید‏ها [7] 8

شکل ‏2‑3: تصویر شماتیک پیکربندی آزمایش توسط رئا و میشل [8] 9

شکل ‏2‑4: نحوه‏ی قرارگیری صفحه‏ی بار در آزمایش‏های رئا و میشل [8] 9

شکل ‏2‑5: تصویر شماتیک مدل آزمایشگاهی مهایسکار و ماندال [10] 11

شکل ‏2‑6: تصویر شماتیک مدل آزمایشگاهی باتهرست و کرو برای تست مقاومت برشی بین لایه‏های مسلح [5] 11

شکل ‏2‑7: تصویر شماتیک مدل آزمایشگاهی کریشناسوامی و همکاران [12] 12

شکل ‏2‑8: الگو‏های استفاده شده در ساخت ژئوسل از ژئوگرید 12

شکل ‏2‑9: تصویر شماتیک نحوه‏ی انجام آزمایش توسط دش و همکاران [13] 13

شکل ‏2‑10: تصویر شماتیک از مکانیزم شکست و نیرو‏های موثر بر شیب مسلح با ژئوسل [22] 15

شکل ‏2‑11: نحوه‏ی انجام آزمایش‏های سه‏محوری روی ژئوسل توسط راجاگوپال و همکاران [27] 18

شکل‏2‑12: انتشار امواج برای دیسک مدفون در خاک لایه‏ای 22

شکل‏2‑13:پی متقارن محوری با شکل دلخواه. الف)پی‏کاملا مدفون درخاک‏لایه‏ای نیم‏فضا؛‏ب)پی ‏مدفون در خاک‏لایه‏ای‏بر بستر صلب [42] 22

شکل‏2‑14: تقسیم‏بندی ناحیه‏ی خاک بستر زیر دو پی مجاور هم [43] 23

شکل‏2‑15: کاربرد مدل مخروط در آنالیز لرزه‏ای هتل آزادی [44] 24

شکل ‏2‑16: تحلیل گروه شمع در خاک لایه‏ای توسط یزدانی [46] 25

شکل ‏3‑1: انتشار امواج در مخروط ناقص. الف) مخروط اولیه؛ ب) امواج انعکاس یافته و انکسار ‏یافته [28] 28

شکل ‏3‑2: مخروط یک‏طرفه 30

شکل ‏3‑3: مخروط دو‏طرفه [49] 31

شکل ‏3‑4: مخروط‏ها برای درجات آزادی مختلف [28] 32

شکل ‏3‑5: دیسک واقع بر سطح نیمه بی‏نهایت همگن. الف) مخروط ناقص نیمه بی‏نهایت برای حرکت قائم ب) مدل پارامتر متمرکز [28] 33

شکل ‏3‑6: مدل خاک-سازه به وسیله جرم متمرکز-فنر-میراگر [49] 35

شکل ‏3‑7: جرم محبوس ΔM برای درجه آزادی عمودی [42] 38

شکل ‏3‑8: مدل مخروط و مدل‏ گسسته برای پی واقع بر سطح نیم‏فضای همگن. الف) مخروط نیمه نامحدود ناقص؛ ب) مدل گسسته برای درجه آزادی انتقالی؛ پ) مدل گسسته برای درجه آزادی دورانی [28]. 39

شکل ‏3‑9: انتشار موج در مخروط‏ها. الف)موج برخوردی به سطح مشترک ؛ب)موج انکسار‏یافته؛پ) موج انعکاس‏یافته [48] 44

شکل ‏3‑10: پی واقع بر لايه‏ی خاک مستقر بر نيم‏فضاي ويسکوالاستيک و انعکاس و انکسار امواج در فصل مشترک لايه‏ها 46

شکل ‏3‑11: انتشار موج در مخروط‏ها برای لایه‏ی مستقر بر بستر صلب [3] 48

شکل ‏3‑12: نمایش الگوی انکسار و انعکاس موج در مرز ناپیوستگی ها [28] 50

شکل ‏3‑13: دیسک واقع بر نیم‏فضای چندلایه. الف) تقسیم‏بندی با 20 لایه‏ی متکی بر نیم‏فضای همگن؛ ب) مدول برشی افزایشی با عمق به صورت خطی [28] 51

شکل ‏4‑1: لایه ی خاکی بین دو سطح مشترک به عنوان یک مخروط ناقص 53

شکل ‏4‑2:  توده مخروطی متشکل از مخروط‏های ناقص برای یک محیط خاکی با لایه‏بندی افقی تحت بارگذاری قائم [48] 54

شکل ‏4‑3: مدل‏سازی نیم‏فضای زیرین. الف) مخروط ناقص تکی برای مدل سازی نیم فضای الاستیک؛ ب) دو نوع مخروط اولیه، موج های بالا رونده و موج های پایین رونده 55

شکل ‏4‑4: دیسک قرارگرفته در عمق یک نیم‏فضا [49] 55

شکل ‏4‑5: شرایط تقارن برای دیسک مجازی اصلی و تصویر آن در مدل مخروط دو سویه [49] 56

شکل ‏4‑6: الف) امواج پایین رونده؛ ب) امواج بالا رونده [48] 57

شکل ‏4‑7: دیسک های صلب و تصویر آنها در فضای کامل [48] 58

شکل ‏4‑8: دیسک واقع بر دو لایه‏ی قرار گرفته بر یک نیم‏فضای انعطاف‏پذیر [28] 62

شکل ‏4‑9: بستر خاکی مسلح نشده با ژئوسل 69

شکل ‏4‑10: بستر خاکی مسلح شده با ژئوسل 70

شکل ‏5‑1: هندسه و  نحوه قرارگیری ژئوسل در خاک ماسه‏ای واقع بر محیط نیمه‏ بی‏نهایت 74

شکل ‏5‑2: پی سطحی مستقر بر خاک مسلح با دو لایه‏ی ژئوسل 88

فهرست نمودار‌‌ها

عنوان                                            صفحه

نمودار ‏3‑1: ضریب سختی فنر دیسک واقع بر نیم‏فضای همگن برای درجه‏ی آزادی عمودی به ازای نسبت‏های پواسون مختلف 41

نمودار ‏3‑2: ضریب میرایی دیسک واقع بر نیم‏فضای همگن برای درجه‏ی آزادی عمودی به ازای نسبت‏های پواسون مختلف 42

نمودار ‏4‑1: ضریب سختی فنر دیسک واقع بر دو لایه‏ی مستقر بر نیم‏فضای انعطاف‏پذیر برای درجه آزادی عمودی 63

نمودار ‏4‑2: ضریب میرایی دیسک واقع بر دو لایه‏ی مستقر بر نیم‏فضای انعطاف‏پذیر برای درجه آزادی عمودی 63

نمودار ‏4‑3: ضرایب سختی دینامیکی دیسک واقع بر دو لایه‏ی مستقر بر نیم‏فضای انعطاف‏پذیر برای درجه آزادی عمودی 64

نمودار ‏4‑4 : مقایسه‏ی ضریب فنر به‏دست آمده از روش مخروط برای خاک غیر مسلح و خاک مسلح 71

نمودار ‏4‑5 : مقایسه‏ی ضریب میرایی به‏دست آمده از روش مخروط برای خاک غیر مسلح و خاک مسلح 71

نمودار ‏4‑6 : مقایسه‏ی بزرگی سختی دینامیکی به‏دست آمده از روش مخروط برای خاک غیر مسلح و خاک مسلح 72

نمودار ‏5‑1 :  اثر عمق‏های مختلف قرار‏گیری لایه‏ی ژئوسل بر ضریب فنر 76

نمودار ‏5‑2 : اثر عمق‏های مختلف قرار‏گیری ژئوسل بر ضریب میرایی 76

نمودار ‏5‑3 : بزرگی سختی دینامیکی به‏ازای عمق‏های مختلف قرار‏گیری ژئوسل 77

نمودار ‏5‑4 : اثر ارتفاع ژئوسل بر ضریب فنر 78

نمودار ‏5‑5 : اثر ارتفاع ژئوسل بر ضریب میرایی 78

نمودار ‏5‑6 : اثر ارتفاع ژئوسل بر بزرگی سختی دینامیکی 79

نمودار ‏5‑7 : اثر اندازه‏‏ی حفرات ژئوسل بر ضریب فنر 80

نمودار ‏5‑8 : اثر اندازه‏‏ی حفرات ژئوسل بر ضریب میرایی 80

نمودار ‏5‑9 : اثر اندازه‏‏ی حفرات ژئوسل بر بزرگی سختی دینامیکی 81

نمودار ‏5‑10 : اثر درصد میرایی ژئوسل بر ضریب  فنر 82

نمودار ‏5‑11 : اثر درصد میرایی ژئوسل بر ضریب میرایی 82

نمودار ‏5‑12 : اثر درصد میرایی ژئوسل بر بزرگی سختی دینامیکی 83

نمودار ‏5‑13 : اثر سختی مصالح ژئوسل بر ضریب فنر 84

نمودار ‏5‑14 : اثر سختی مصالح ژئوسل بر ضریب میرایی 84

نمودار ‏5‑15 : اثر سختی مصالح ژئوسل بر بزرگی سختی دینامیکی 85

نمودار ‏5‑16 : اثر تراکم خاک پرکننده بر ضریب فنر 86

نمودار ‏5‑17 : اثر تراکم خاک پرکننده بر ضریب میرایی 86

نمودار ‏5‑18 : اثر تراکم خاک پرکننده بر بزرگی سختی دینامیکی 87

نمودار ‏5‑19 : فاصله‏ی مناسب بین لایه‏های ژئوسل براساس بیش‏ترین مقدار ضریب فنر 88

نمودار ‏5‑20 : فاصله‏ی مناسب بین لایه‏های ژئوسل براساس بیش‏ترین مقدار ضریب میرایی 89

نمودار ‏5‑21 : فاصله‏ی مناسب بین لایه‏های ژئوسل براساس بیش‏ترین مقدار سختی دینامیکی 89

نمودار ‏5‑22 : اثر افزایش تعداد لایه‏های ژئوسل بر ضریب فنر 90

نمودار ‏5‑23 : اثر افزایش تعداد لایه‏های ژئوسل بر ضریب میرایی 91

نمودار ‏5‑24 : اثر افزایش تعداد لایه‏های ژئوسل بر بزرگی سختی دینامیکی 91

فهرست جدول‌‌ها

عنوان                                            صفحه

جدول ‏3‑1: ضرایب فنر، میراگر و جرم مدل مخروط و مدل گسسته برای یک پی سطحی 37

جدول ‏4‑1: خصوصیات ژئوگریدها 65

جدول ‏4‑2: مشخصات بستر خاکی زیر پی سطحی 69

جدول ‏4‑3: مشخصات مسلح‏کننده (ژئوسل) و خاک پرکننده‏ی آن 70

جدول ‏5‑1: جزئیات مدل‏سازی مربوط به تاثیر پارامترهای مختلف 75

جدول ‏5‑2: مشخصات مدل‏سازی جهت بررسی اثر افزایش تعداد لایه‏های ژئوسل 90