نوع فایل: word
تعداد صفحات: 140 صفحه
چکیده:
برای انتقال بار سازه های سنگین مهندسی به لایه های پایینی خاک از شمع استفاده می شود. شمع ها عمدتا هم تحت بار قائم و هم تحت بار افقی قرار می گیرند. روش های مختلفی برای بررسی رفتار شمع تحت بار جانبی وجود دارد: 1) روش حالت حدی 2) روش عکس العمل بستر 3) روش الاستیک 4) روش p-y 5) روش ایوانز و دانکن 6) روش های عددی ( روش المان محدود و تفاضل محدود). از روش های حالت حدی برای تعیین بار جانبی نهایی شمع می توان به روش های Blum, Brinch Hansen, Broms اشاره کرد، این روش ها علی رغم سادگی و سرعت بالای دست یابی به نتایج، قادر به محاسبه مقاومت خاک تحت بار اعمال شده نمی باشند. روش عکس العمل بستر محیط خاک را به صورت فنرهایی غیرپیوسته مدل می کند و تغییرشکل خاک را به صورت خطی به تغییرشکل شمع نسبت می دهد، در حالی که خاک یک محیط پیوسته و غیرخطی می باشد. روش الاستیک پیوستگی خاک را در نظر می گیرد ولی رفتار آن الاستیک فرض می شود. روش p-y نیز پیوستگی و غیرخطی بودن خاک را در نظر می گیرد، ولی تاثیر برخی پارامترها مثل تغییرات در ضریب فشار جانبی خاک و یا تغییرات سختی در این روش دیده نمی شود. روش ایوانز و دانکن نیز پیوستگی و غیرخطی بودن خاک را در نظر می گیرد و خیلی سریع و بدون نیاز به کامپیوتر می توان محاسبات را انجام داد، اما تنها برای خاک های یکنواخت و شمع های بلند کاربرد دارد و از مشخصات خاک تا ارتفاع 8 برابر قطر شمع استفاده می شود. روش های عددی قادر به مدل کردن پیوستگی و غیرخطی بودن خاک و شرایط مرزی سه بعدی می باشند، همچنین برای انواع خاک ها و شمع ها کاربرد دارند. این پایان نامه شامل دو قسمت می باشد، در قسمت اول بررسی صحت فرض روش ایوانز و دانکن( استفاده از مشخصات خاک تا ارتفاع 8 برابر قطر شمع) مورد بررسی قرار می گیرد. ودرقسمت دوم این تحقیق سعی می شود با استفاده از نرم افزار FLAC 3D به بررسی تاثیر پارامترهای مختلف خاک و شمع بر روی رفتار شمع تحت اثر بار جانبی در خاک رسی، خاک ماسه ای و خاک لایه بندی شده پرداخته شود. از جمله این پارامترها عبارتند از: قطر شمع، مدول الاستیسیته شمع، طول شمع، چسبندگی خاک و زاویه اصطکاک خاک. تاثیر پارامترهای مختلف بر روی نیروی برشی، لنگرخمشی و تغییرشکل شمع مورد بررسی قرار می گیرد.
کلید واژه: شمع، بار جانبی، خاک رس، خاک ماسه، خاک لایه بندی شده، فرض روش ایوانز و دانکن، تحلیل عددی، FLAC 3D
مقدمه:
هرگاه خاک زیرین سازه واقع بر پی های سطحی برای تحمل وزن بنا ضعیف باشد، می بایست عمق پی را افزایش داد تا به خاک مناسب رسید. شمع ها همانند ستون هایی که در خاک دفن می شوند، وظیفه انتقال نیروهای وارد به لایه های مقاوم زیرین را بر عهده دارند.
بسته به نوع کاربری شمع ها، به چندین نوع تقسیم می شوند. که شامل شمع های اتکایی اصطکاکی و انواع دیگر می باشند. از دیدگاه دیگر می توان شمع ها را بر حسب نوع مصالح و شیوه نصب نیز تقسیم بندی نمود. به طور کلی سه نوع مصالح چوب، فولاد و بتن جهت ساخت شمع ها مورد استفاده قرار می گیرند. جنس و شکل شمع ها به بارهای وارد به سازه، نوع کاربری سازه، جنس خاک و مقدار هزینه در نظر گرفته شده بستگی دارد. بعد از انتخاب نوع مصالح، طراحی شمع بر اساس نیروهای وارد صورت می گیرد. نیروهای وارد بر شمع، نیروهای محوری و جانبی و ممان های خمشی می باشند و طراح باید اطمینان داشته باشد که شمع تک و یا شمع بحرانی در گروه شمع تحت نیروهای مذکور ایمن بوده و تغییرمکان نیز از مقادیر مجاز تجاوز نمی کند. بار مجاز جانبی اعمالی در یک شمع وابسته به نوع شمع، نوع خاک، عمق مدفون شمع، طبیعت نیرو و مقدار جابجایی جانبی مجاز شمع می باشد. طراحی شمع تحت بارهای قائم و محوری با حل معادلات تعادل در راستای نیرو صورت می گیرد در حالی که در شمع هایی با بارگذاری جانبی مسئله به حل معادلات دیفرانسیلی غیرخطی منجر می شود. بررسی ظرفیت باربری نهایی یک شمع قائم تحت اثر بار جانبی و کنترل تغییرمکان سر شمع به لحاظ پیچیدگی اندرکنش بین یک شمع نیمه صلب و خاک الاستوپلاستیک جزو مسائل مبهم در علم ژئوتکنیک می باشد.
کاربرد اصلی پی های عمیق در تحلیل بارهای قائم می باشد. لیکن هر سازه ای به طور اجتناب ناپذیر تحت اثر بارهای افقی می باشد. لیکن بار افقی می تواند ناشی از باد، فشار زمین، نیروی زلزله، نیروی امواج دریا و یا پهلو گرفتن کشتی در اسکله های دریایی باشد. در بعضی سازه ها مقدار این بارها در مقایسه با بارهای قائم ناچیز بوده و قابل صرف نظر کردن است، لیکن در بعضی موارد همانند اسکله ها و سازه های بندری که در آن ها نیروهای افقی از طریق برخورد کشتی ها و پهلوگیری آن ها و یا در اثر باد و امواج دریا بوجود می آیند، شمع ها تحت اثر بارهای جانبی قابل توجهی قرار می گیرند. همچنین در سازه های نگهبان متکی بر شمع ها و سازه های واقع در مناطق لرزه خیز نیز شمع ها تحت نیروهای افقی قابل ملاحظه ای قرار می گیرند.
بارهای محوری صرفا تغییرمکانی به موازات محور شمع ایجاد می کنند (سیستم یک بعدی). در حالی که بارهای جانبی می توانند در هر جهتی باعث ایجاد تغییرمکان شوند. در صورتی که سطح مقطع شمع به صورت دایره ای نباشد سیستم شمع – خاک تحت اثر بار جانبی به یک مسئله سه بعدی تبدیل می شود.
فهرست مطالب:
چکیده
1-1) مقدمه
1-2) انواع شمع های جانبی
1-3) روش های متداول در بررسی رفتار شمع ها
1-4) فرضیات
1-5) روش تحقیق
فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام گرفته
2-1)مقدمه
2-1-1) مکانیزم رفتار شمع و خاک اطراف آن تحت اثر بار جانبی
2-1-2) اندرکنش خاک – سازه
2-2) روش Blum
2-2-1) محدودیت های روش Blum
2-3) روش Brinch Hansen
2-3-1) فشار در سطح زمین
2-3-1-1) فشار در عمق متوسط
2-3-1-2) فشار در عمق نهایی
2-3-2) فشار در عمق دلخواه
2-3-3) محدودیت های روش Brinch Hansen
2-4) روش Broms
2-4-1) فرضیات روش Broms
2-4-2) محاسبه بار نهایی
2-4-3) محدودیت های روش Broms
2-5) روش عکس العمل بستر
2-5-1) معایب روش عکس العمل بستر
2-6) روش الاستیک
2-6-1) تحلیل ریسه و مت لاک(1960)
2-6-2) روش دیویسون و گیل
2-7) روش بار – تغییرشکل
2-7-1) عکس العمل خاک در تغییرمکان جانبی خاک
2-8) روش NDM
2-8-1) روش محاسبه
2-8-2) محدودیت های روش NDM
2-9) روش ایوانز و دانکن
2-9-1) بار و ممان مشخصه
2-9-2) نحوه استفاده از نمودارها
2-10) روش بار مشخصه(اصلاح شده روش ایوانز و دانکن)
2-10-1) تغییرمکان بر اساس بار اعمالی در سطح زمین
2-10-2) خمش بر اساس لنگر اعمالی در سطح زمین
2-10-3) خمش بر اساس بار اعمالی در بالای سطح زمین
2-10-4) لنگر ماکزیمم در شمع هایی با سر گیردار
2-10-5) لنگر ماکزیمم بر اساس بار اعمالی در سطح زمین یا بالای آن
2-10-6) محدودیت های روش بار مشخصه
2-10-7) مقایسه روش بار مشخصه و آنالیز P-Y
2-11) روش های عددی
فصل سوم: مدلسازی شمع و واسنجی پارامترها
3-1) مقدمه
3-2) معرفی نرم افزار
3-2-1) مکانیسم مدلسازی در نرم افزار FLAC 3D
3-3) مدلسازی خاک
3-3-1) هندسه خاک
3-3-2) شرایط مرزی
3-3-3) خصوصیات خاک
3-3-4) اعمال تنش های اولیه
3-4) مدلسازی شمع در حالت یک بعدی
3-5) درستی سنجی مدل
فصل چهارم: بررسی رفتار شمع تحت اثر بار جانبی
4-1) مقدمه
4-2) بررسی فرض روش ایوانز و دانکن
4-2-1)حالت تبدیل خاک رس به خاک ماسه
4-2-2) حالت تبدیل خاک ماسه به خاک رس
4-3) بررسی تاثیر قطر شمع بر روی رفتار شمع تحت اثر بار جانبی در خاک های یکنواخت و لایه بندی شده
4-4) بررسی اثر مدول الاستیسیته شمع بر روی رفتار شمع تحت اثر بار جانبی
4-5) بررسی تاثیر طول شمع در رفتار شمع تحت اثر بار جانبی
4-6) بررسی تاثیر نسبت L/D ثابت بر روی رفتار شمع تحت اثر بار جانبی
4-7) بررسی تاثیر چسبندگی خاک بر روی رفتار شمع تحت اثر بار جانبی در خاک رس و خاک های لایه بندی شده
4-8) بررسی تاثیر زاویه اصطکاک خاک بر روی رفتار شمع تحت اثر بار جانبی
4-9) مقایسه با روش های دیگر
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1) جمع بندی و نتیجه گیری
5-2) پیشنهاد برای تحقیقات آتی
مراجع
فهرست اشکال
شکل 2-1: شرایط سر شمع در حالت سر آزاد و سر گیردار و نیروهای موثر بر آن [1]
شکل2-2: شمع کوتاه و بلند [1]
شکل2-3: نیروها و تغییرشکل های ایجاد شده در شمع بلند تحت بار جانبی [1]
شکل2-4: منحنی P-Y [1]
شکل2-5: شمع با بارگذاری واقعی و بارگذاری دلخواه
شکل2-6: گوه خاک
شکل2-7: شکل شماتیکی روش B. Hansen و نمودار ضرایب فشار جانبی زمین
شکل2-8: شمع تحت بار جانبی بر اساس روش B. Hansen [6]
شکل2-9: شمع در حالت سر آزاد و سر گیردار [3]
شکل2-10: روش Broms برای مقاومت جانبی نهایی شمع های کوتاه a) خاک ماسه b) خاک رس
شکل2-11: روش Broms برای مقاومت جانبی نهایی شمع های بلند a) خاک ماسه b) خاک رس
شکل2-12: روش Broms برای تخمین تغییرمکان سر شمع a) خاک ماسه b) خاک رس
شکل2-13: مقادیرAx,Am,Bx,Bm با Z
شکل2-14: مقادیر AX,Bx,Am,Bm با Z
شکل2-15: مفهوم منحنی های بار -تغییرشکل
شکل2-16: ضریب Ay با Z
شکل2-17: ضریب Az با Z
شکل2-18: ضریب Am با Z
شکل2-19: ضریب Av با Z
شکل2-20: ضریب By با Z
شکل2-21: ضریب Bz با Z
شکل2-22: ضریب Bm با Z
شکل2-23: ضریب Bv با Z
شکل2-24: نحوه بدست آوردن T
شکل2-25: نمودار نیروی برشی در برابر تغییرشکل جانبی برای شرایط سر آزاد در خاک رس
شکل2-26: نمودار نیروی برشی در برابر تغییرشکل جانبی برای شرایط سر بسته در خاک رس
شکل2-27:نمودار لنگر خمشی در برابر تغییرشکل جانبی برای شرایط سر آزاد در خاک رس
شکل2-28:نمودار نیروی برشی در برابر ماکزیمم لنگرخمشی برای شرایط سر آزاد در خاک رس
شکل2-29: نمودار نیروی برشی در برابر ماکزیمم لنگرخمشی برای شرایط سر بسته در خاک رس
شکل2-30: نمودار نیروی برشی در برابر تغییرشکل جانبی برای شرایط سر آزاد در خاک ماسه
شکل2-31: نمودار نیروی برشی در برابر تغییرشکل جانبی برای شرایط سر بسته در خاک رس
شکل2-32: نمودار لنگر خمشی در برابر تغییرشکل جانبی برای شرایط سر آزاد در خاک ماسه
شکل2-33: نمودار نیروی برشی در برابر ماکزیمم لنگرخمشی برای شرایط سر آزاد در خاک ماسه
شکل2-34: نمودار نیروی برشی در برابر ماکزیمم لنگرخمشی برای شرایط سر بسته در خاک ماسه
شکل2-35: منحنی های بار –تغییرشکل a) خاک رس b) خاک ماسه
شکل2-36: منحنی های لنگر – تغییرشکل a) خاک رس b) خاک ماسه
شکل2-37: جمع غیر خطی تغییرشکل ها ناشی از اعمال بار و لنگر a) گام 1 b) گام 2 c) گام 3 d) گام 4 e) گام 5 f) گام 6
شکل2-38: منحنی های بار – لنگر a) خاک رسb) خاک ماسه
شکل2-39: مسیرهای تنش برای المان خاک ماسه ای در اطراف یک شمع تحت بار جانبی
شکل2-40: گوه خاک ایجاد شده در جلوی شمع تحت اثر بار جانبی[2]
شکل2-41: گوه خاک مقابل شمع در هر تراز از خاک[2]
شکل2-42: مدلسازی خاک و شمع در مدل گوه کرنش [2]
فهرست جداول:
جدول2-1: مقادیر ارائه شده nh
جدول2-2: مقادیر ارائه شده K برای خاک رس
جدول2-3: ضرایب برای شمع های بلند
جدول2-4: مقادیر m و n
جدول2-5: ضرایب بار - تغییرشکل
جدول2-6: ضرایب لنگر - تغییرشکل
جدول2-7: :ضرایب بار - لنگر
جدول2-8 : ضرایب لنگر Am,Bm (بعد از Matlock &reese 1961)
جدول2-9: حداقل طول شمع برای روش بار مشخصه
منابع و مأخذ:
[1]. Cudoto, D.P, “Foundation Design, Principals and Practices’’ , Prentice –Hall, Inc., 2nded.,2001.
[2]. Chia-cheng Fan. & James H.L. “Assessment of existing methods for predicting soil response of laterally loaded piles in sand”. ASCE, Jurnal of Computers and Geotechnics 32 (2005) 274–289.
[3]. Braja M. Das ,"Principles of Foundation Engineering, SI", Seventh Edition
[4]. بدایت، هومن، " بررسی عددی رفتار شمع در خاک رسی تحت بار جانبی "، پایان نامه کارشناسی ارشد،دانشگاه صنعتی شریف،1389
[5]. حقپرست، محسن، "تحلیل عددی شمع تحت بار جانبی"، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف،1385
[6]. J.A.T. Ruigrok " Laterally Loaded Piles Models and Measurements " Delft, 2010
[7]. By J.Michael Duncan. ,Leonard T.,Evans Jr.,and Phillip S.K.Ooi "Lateral Load Analysis Of Single Pile and Drilled Shaft"1994
[8]. Youngho Kim, Sangseom Jeong "Analysis of Soil Resistance on Laterally Loaded Piles Based on 3D Soil Pile Interaction"2010
[9]. W.D. Guo and B.T. Zhu" Nonlinear Response of 20 Laterally Loaded Piles in Sand" 26 May 2010
[10]. Online Manual of FLAC 3D, Itasca Consulting Group
[11]. Joseph E. Bowles, P.E., S.E. "Foundation Analysis and Design" Fifth Edition
[12]. Broms B. Lateral resistance of piles in cohesiveness soils. J Soil Mech FoundDiv, ASCE 1964;90(4):27–63.
[13]. Chen Y, Kulhawy F. Case history evaluation of the behavior of drilled shafts under axial and lateral loading. EPRI TR-104601s, Cornell University, Ithaca; 1994.
[14]. Fan CC, Long JH. Assessment of existing methods for predicting soil response oflaterally loaded piles in sand. Comput Geotech 2005;32:274–8
[15]. Matlock H. Correlations for design of laterally loaded piles in clay. Paper No. OTC 1204. In: Proceedings of second annual offshore technology conference, Houston, TX, vol. 1; 1970. p. 577–94.
[16]. Reese LC, Welch RC. Lateral loading of deep foundations in stiff clay. J Geotech Geoenviron Eng 1975;101(7):633–49.
[17]. Reese LC, Cox WR, Koop FD. Field testing and analysis of laterally loaded piles in stiff clay. In: Proceedings, offshore technology conference, Houston, TX, Paper No. 2312; 1975. p. 671–90.
[18]. Randolph MF. The response of flexible piles to lateral loading. Geotechnique 1981;31(2):247–59.
[19]. Yang K, Liang R. Lateral response of large diameter drilled shafts in clay. In: Proc 30th annual conference on deep foundations, Deep Foundation Institute; 2005. p. 115–26.
[20]. Davisson, M. T., and Gill, H. L. (1963). ''Laterally loaded piles in a layered soil system.'' J. Soil Mech. Found. Engrg., ASCE, 89(3), 63-94 Davisson, M