No category

منابع پایان نامه ارشد با موضوع علم مکانیک

دانلود پایان نامه

۲۰۰۱).
در طراحی دیوار حائل دو مرحله وجود دارد. ابتدا با معلوم بودن فشار جانبی، پایداری کل سازه کنترل میشود. کنترل پایداری شامل کنترل در واژگونی، لغزش و ظرفیت باربری خاک زیر شالوده میباشد. در مرحله دوم طراحی سازهای اجزای مختلف دیوار در مقابل نیروهای وارده انجام میشود.
یکی از عوامل اصلی در طراحی و ساخت ایمن دیوارهای حائل، شناخت کمی و کیفی فشار وارد به دیوار است. در یک طرح ایمن و اقتصادی لازم است علاوه براثر خاک پشت دیوار، تأثیر نیروهای جانبی و قائم نیز لحاظ گردد.

شکل ۱-۱۵: اندرکنش خاک و سازه هنگام زلزله (سپهر، ۱۳۹۰)

بر همین اساس فشار جانبی خاک روی دیوارهای حائل از بحثهای کلاسیک و مهم در مهندسی ژئوتکنیک است. در ساختمان نیز، برای سازههایی که دارای طبقات زیرزمین میباشند، فشار وارد بر دیوار زیرزمین از طرف خاک مخصوصاً در هنگام زلزله امری غیرقابل‌انکار میباشد (شکل ۱-۱۵). این امر در پلها، راهها، ترانشهها و غیره نیز از اهمیت ویژهای برخوردار است. ازآنجاکه بازتاب یک ساختمان براثر زلزله بستگی به ویژگیهای حرکت زمین دارد، باید سعی شود تا حرکات زمین را که در هنگام زلزله ایجاد میشوند، تعریف کرد. با تعیین حرکات سازه و زمین اطراف آن میتوان اختلاف جابجایی‌ها را تعیین نمود. تغییر شکل سازه و جابجایی‌های خاک اطراف سازه باعث ایجاد تغییر شکلهای جزئی درتوده خاک شده و موجب ایجاد فشار جانبی در خاک میگردد. بنابراین در طراحیها باید اثر اندرکنش خاک و سازه در نظر گرفته شود. این موضوع به‌صورت شماتیک در شکل (۱-۱۵) نشان داده شده است.
کاربرد زیاد سازههای حائل موجب شد که نظریه فشار جانبی خاک جزء اولین گروه از نظریههای ارائه شده در مکانیک خاک کلاسیک باشد. تئوریهای فشار جانبی خاک کولمب۱۶ و رانکین۱۷ جهت تعیین فشار جانبی خاک در دو حالت محرک۱۸ و مقاوم۱۹، ضرایبی را به‌عنوان ضرایب رانش محرک و مقاوم خاک پیشنهاد میکنند که درواقع نسبت تنشهای افقی به قائم در پشت دیوار بوده و به توزیع نیروی رانش در ارتفاع منجر میشود (یزدانی و آزاد، ۱۳۸۶). باوجود قدمت و تجربه فراوان در این امر، هنوز کم و بیش شاهد گزارشهایی از خرابی و گسیختگی سازه حائل و خاک به‌ویژه در مواجهه با نیروهایی که منجر به حرکت و جابجایی دیوار و بخصوص با نیروهای زلزله در سراسر جهان هستیم.

۲-۱- بیان مسئله
ابتدا تئوری پدیده قوسی در علم مکانیک خاک توسط ترزاقی بیان شد و سپس دانشمندان دیگر ازجمله پک و ایوانس به مطالعهی بیشتری در این زمینه پرداختند. در اکثر مطالعات صورت گرفته در این زمینه حرکت دریچه به سمت پایین و بالا بوده است. بررسیها در حالتی که جابجایی دریچه به سمت جلو یا عقب باشد، بسیار کم بوده است، خصوصاً طبق مشاهداتی که از کارهای صورت گرفته به عمل آمده، این بررسیها در محیط آزمایشگاهی به‌ندرت صورت گرفته است. به همین دلیل سؤالات زیر مطرح میباشد:
۱- سطح گسیختگی خاک در هنگام جابجایی دریچه به چه شکل میباشد؟
۲- آیا مقاومت قوسی در خاک پشت دریچه رخ میدهد؟
۳- آیا میزان تنش با عرض دریچه رابطه دارد؟
۴- نسبت توزیع تنش در پشت دریچه چگونه است؟

۳-۱- اهداف تحقیق
۳-۱-۱- اهداف کلی
بررسی آزمایشگاهی و عددی مقاومت قوسی خاک
۳-۱-۲- اهداف جزئی
۱- به دست آوردن سطح گسیختگی واقعی به هنگام جابجایی دریچه.
۲- اثبات وقوع مقاومت قوسی در خاک تحت جابجایی افقی دریچه
۳- بررسی رابطه عرض دریچه و توزیع تنش در پشت دریچه
۴- بررسی نسبت تنش در پشت دریچه

فصل دوم:
تئوریهای مربوط به فشار جانبی خاک روی دیوارهای حائل

۲-۱- مقدمه
طی سالهای متمادی تحلیلهای گوناگونی روی تعادل مصالح دانهای پشت دیوار حائل صورت گرفته است. اولین تحلیلها را کولمب (۱۷۷۶) و رانکین (۱۸۵۷) انجام دادند و سپس کارهای آن‌ها را دانشمندان دیگری ازجمله بوسینسک و کریزل ادامه دادند. بر اساس تئوری کولمب، مکانیزم گسیختگی۲۰ خاک پشت دیوار به‌صورت تشکیل گوهای۲۱ صلب (سطح گسیختگی صفحهای) بوده که با در نظر گرفتن اصطکاک بین دیوار و خاک بر روی یک صفحه لغزش عمومی میلغزد و درنتیجه آن نیروی رانشی به دیوار اعمال میکند. با مطالعه روی تعادل این گوه گسیختگی و محاسبه عکس‌العمل‌های بسیج شده۲۲، حداکثر نیروی رانش اعمال‌شده به دیوار به دست میآید.
آزمایشهای انجام شده در آن زمان با کمک تجهیزات نسبتاً ساده و با حساسیت کم، نشان داد که برای مقاصد عملی تطابق خوبی بین تئوریهای کولمب و واقعیت وجود دارد.
در سال ۱۸۵۶ رانکین نظریه جدیدی را بدون در نظر گرفتن اصطکاک بین دیوار و خاک به‌جای آن ارائه نمود. بر اساس این تئوری در حالت مصالح دانهای با سطح آزاد افقی نیروی رانش محرک اعمال‌شده به دیوار برابر رابطه (۲-۱) میباشد.
(۲-۱)
که در آن نیروی رانش محرک وارد بر دیوار، وزن مخصوص مصالح، زاویه اصطکاک داخلی خاک و H ارتفاع خاک میباشد.
بوسینسک و بعد از او کریزل نشان دادند که تئوری رانکین شرایط تعادل مصالح دانهای پشت دیوار را از طریق ریاضی ارضاء نمیکند و برای محاسبه رانش اعمال‌شده به دیوار، پیشنهاد تازهای به‌صورت مقابل ارائه دادند: که در آن نیروی رانش اعمال‌شده به دیوار میباشد که در صفحات بعدی همین فصل آورده شده است. در ادامه خلاصهای از تئوریهای موجود ارائه میشود. فشار جانبی خاک پشت دیوار در سه حالت مورد بررسی قرار میگیرد.
الف: فشار جانبی خاک در حالت سکون
ب: فشار جانبی خاک در حالت محرک
ج: فشار جانبی خاک در حالت مقاوم
در زیر به تشریح هر یک از این حالتها میپردازیم.

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   با شهرهای محدود با دیوار در دنیا آشنا شید

۲-۲- فشار جانبی خاک در حالت سکون
مطابق شکل (۲-۱) دیواری به ارتفاع H را در نظر بگیرید که حائل توده خاکی با وزن مخصوص باشد. در سطح خاک پشت دیوار نیز بار گستردهای به‌شدت q بر واحد سطح تأثیر میگذارد. مقاومت برشی۲۳ خاک از رابطه (۲-۲) به دست میآید.
(۲-۲)
که در آن مقاومت برشی خاک، چسبندگی خاک و مؤلفه تنش مؤثر میباشد. در عمق z از سطح خاک‌ریز پشت دیوار، تنش قائم مؤثر از رابطه (۲-۳) به دست میآید.
(۲-۳)
که در آن تنش قائم مؤثر۲۴ و سربار گسترده وارد بر سطح افقی خاک‌ریز میباشد. در صورتی که دیوار حائل هیچگونه حرکتی به سمت جلو یا عقب نداشته باشد (کرنش افقی صفر باشد)، فشار جانبی در عمق z از رابطه (۲-۴) به دست میآید.
(۲-۴)
که در آن فشار جانبی وارد بر دیوار در شرایط سکون، u فشار آب حفرهای۲۵ و ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون میباشد.

شکل ۲-۱: فشار جانبی خاک روی دیوار حائل در شرایط سکون (سپهر، ۱۳۹۰)
برای خاکهای دانهای، ضریب فشار جانبی خاک در حال سکون را میتوان از رابطه (۲-۵) جکی۲۶ (۱۹۴۴) به دست آورد.
(۲-۵)
برای خاکهای رسی عادی تحکیم یافته، ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون را میتوان از رابطه (۲-۶) بروکر۲۷ و ایرلند۲۸ (۱۹۶۵) به دست آورد.
(۲-۶)
همچنین بر پایه نتایج تجربی بروکر و ایرلند (۱۹۶۵)، مقدار ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون برای خاک رس با تحکیم عادی۲۹ را میتوان به‌طور تقریبی به نشانه خمیری۳۰ PI نسبت داد.
(۲-۷)
(۲-۸)
برای رس‌های پیش تحکیم یافته۳۱ داریم:
(۲-۹)
که در آن ضریب فشار جانبی در حالت سکون در شرایط پیش تحکیمی، ضریب فشار جانبی در حالت سکون در شرایط عادی تحکیم یافته و OCR نسبت پیش تحکیم۳۲ میباشد.
همچنین با استفاده از آزمایشهای متعدد بر روی نمونههای آزمایشگاهی نشان داده شد که رابطه (۲-۵) نتیجه خوبی برای تخمین فشار جانبی خاک در حال سکون برای خاکهای ماسهای شل۳۳ به دست میدهد (شریف و فانگ، ۱۹۸۴). لیکن برای ماسه متراکم۳۴ مقدار حاصل، قدری دست پایین است. به همین دلیل رابطه اصلاح‌شده (۲-۱۰) را برای ضریب فشار جانبی خاک در حال سکون پیشنهاد کردند.
(۲-۱۰)
که در آن وزن مخصوص خشک طبیعی و وزن مخصوص خشک حداقل ماسه میباشد.

۲-۳- نظریه فشار خاک رانکین
در تئوری رانکین فشار خاک بر اساس تعادل پلاستیک تعریف‌شده به‌وسیله دایره گسیختگی موهرکولمب به دست میآید. در این تئوری توده خاک در حالت خمیری کامل مورد بررسی قرار میگیرد. با توجه به شکل (۲-۲-الف) که خط گسیختگی موهر-کولمب را نشان میدهد، از هر نقطه مانند A میتوان دو دایره رسم کرد، که بر خط مشخصه مماس باشد. دوایر دیگر نظیر EA یا AF مبین حالتهای تعادل ارتجاعی خاک میباشند.

۲-۳-۱- فشار جانبی محرک خاک رانکین
این حالت تعادل به‌وسیله شکلهای (۲-۲-ب) و (۲-۲-ج) نشان داده شده است. ابتدا در نظر بگیریم که تنشهای OA و OE مبین تنشهای قائم و جانبی (شرایط سکون) اعمال‌شده به المانی از خاک باشد. حال اگر OE به OC کاهش یابد، خطوط گسیختگی متعدد با زوایای نشان داده شده در شکل (۲-۲-ج) ایجاد میشود. اختلاف OA و OC قطر دوایر موهر بوده و نیز میتواند تنش انحراف آوری باشد که از آزمایش سه محوری به دست میآید.
تنش اصلی مینیمم، همان فشار خاک در حالت محرک میباشد و میتواند توسط رابطه (۲-۱۱) به دست آید.
(۲-۱۱)
تنش همواره با تغییر مکان همراه بوده است، بنابراین وقتی‌که فشار جانبی از OE به OC کاهش مییابد، انبساطی در خاک مطابق شکل (۲-۲-ج) ایجاد خواهد شد. به‌عبارت‌دیگر دیوار از خاک دور شده، خاک منبسط۳۵ میشود و درنتیجه آن تنشهای جانبی به مقدار OC کاهش مییابند.

شکل ۲-۲: الف) حالات تنش قبل و بعد از گسیختگی، ب) تنش وارد بر المان در حالت سکون، ج) گسیختگی در حالت محرک، د) گسیختگی در حالت مقاوم (سپهر، ۱۳۹۰)

قابل‌ذکر است که دور شدن دیوار از خاک میتواند به‌صورت حرکت انتقالی۳۶ یا دورانی حول پایه دیوار۳۷ یا بالای دیوار۳۸ باشد. مقادیر دوران دیوار برحسب رادیان به‌طوری‌که درنتیجه آن، نیروی محرک کاملاً بسیج میشود، بر اساس نوع خاک و شرایط آن در زیر ارائه شده است.
• خاک دانهای متراکم ۰/۰۰۱~۰/۰۰۲ رادیان
• خاک دانهای سست ۰/۰۰۲~۰/۰۰۴ رادیان
• خاک چسبنده سست ۰/۰۱~۰/۰۲ رادیان
• خاک چسبنده نرم ۰/۰۲~۰/۰۴ رادیان
همچنین مقدار حرکت انتقالی دیوار نیز که باعث بسیج شدن نیروی محرک خاک میشود، برای خاک‌ریز دانهای بین ۰/۰۰۱ تا ۰/۰۰۴ ارتفاع دیوار و برای خاک‌ریز چسبنده بین ۰/۰۱ تا ۰/۰۴ ارتفاع دیوار میباشد.

۲-۳-۲- فشار جانبی مقاوم خاک رانکین
با در نظر گرفتن شکل (۲-۲-ب) در حالت سکون اگر تنش OA را ثابت نگه‌داریم و تنش جانبی OE افزایش یابد و به مقدار حدی خود یعنی OD برسد، باعث گسیختگی نمونه میشود. گوههای گسیختگی در شکل (۲-۲-د) نشان داده شده است.
تنش OD درواقع همان فشار

دیدگاهتان را بنویسید