پایان نامه کارشناسی ارشد
 

در مهندسی ژئوتکنیک–کاربرد مدل هذلولوی اصلاح شده برای پیش بینی رفتار مکانیکی خاک­های غیر اشباع
 
 
 

استاد راهنما
 

دکتر قاسم حبیب آگهی
 

اساتید مشاور
 

دکتر ارسلان قهرمانی- دکتر نادر هاتف- دکتر مجتبی جهان اندیش
 

شهریور 1390
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
مکانیک خاک کلاسیک، خاک را کاملاً خشک یا اشباع فرض می کند؛ اما امروزه روشن است که رفتار مکانیکی خاک­ها تابع درصد رطوبت متغیر آن­ها است. در طول چند دهه­ی گذشته، مدل­های رفتاری بسیاری که با عنوان مدل­های «خاک­های غیر اشباع» شناخته می شوند ابداع شده اند تا این وابستگی را توضیح دهند. یکی از این مدل­ها، مدل هذلولوی اصلاح شده است که با توسعه­ی مدل ساده و پر کاربرد هذلولوی و به دنبال دو مجموعه مطالعات آزمایشگاهی بر روی رفتار تغییر حجم خاک­های رمبنده، و رفتار برشی خاک­های غیر اشباع در برش ساده، در دانشگاه شیراز معرفی شده است. در این پایان نامه، پس از مروری بر تاریخچه­ی مطالعات مدل­های رفتاری خاک­های غیر اشباع، به معرفی و بررسی کامل تر این مدل پرداخته شده است. در ادامه، کد اجزای محدود CRISP معرفی شده و نحوه­ی اعمال مدل هذلولوی اصلاح شده در آن شرح داده شده است. همچنین پیش­پردازنده و پس­پردازنده­ی تهیه شده برای این کد نیز معرفی شده ­اند. در قسمت پایانی، کاربرد کد تکمیل شده برای بررسی مسائل خاک­های غیر اشباع با بهره گرفتن از مدل هذلولوی اصلاح شده از طریق تحلیل اجزای محدود نشان داده شده است.
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                               صفحه
چکیده                                                                                                     أ
فهرست مطالب                                                                                       ب
فهرست جدول­ها                                                                                       ه
فهرست شکل­ها                                                                             و
1       مقدمه                                                                                                   1
1-1    کلیات                                                                                         1
1-2    اهداف تحقیق                                                                                  2
1-3    شمای کلی تحقیقات و ترتیب ادامه­ی مطالب                                           3
2       مروری بر تحقیقات انجام شده                                                                     5
2-1    مقدمه                                                                                          5
2-2    مدل­های الاستوپلاستیک                                                                              7
2-2-1 مدل­های الاستوپلاستیک که از تنش خالص استفاده می­ کنند                 7
2-2-2 مدل­های الاستوپلاستیک که از سایر متغیرهای تنش استفاده می­ کنند     11
2-3    جستجو برای مدل­های کاربردی                                                       17
3       مدل هذلولوی اصلاح شده                                                               18
3-1    مقدمه                                                                                       18
3-2    رابطه­ ضریب حجمی                                                                          19
3-2-1 مطالعات آزمایشگاهی                                                               19
3-2-2 رابطه­ هذلولوی پیشنهادی                                                     20
3-3    رابطه­ ضریب برشی                                                                           25
3-3-1 مطالعات آزمایشگاهی                                                                 25
3-3-2 رابطه­ هذلولوی پیشنهادی                                                     27
3-4    رابطه­ کلی مدل هذلولوی اصلاح شده                                                  29
4       نرم افزار تهیه شده                                                                     31
4-1    مقدمه                                                                                            31
4-2    نرم افزار CRISP                                                                   31
4-2-1 خلاصه­ای از توانایی­های نرم افزار CRISP                                    32
4-2-2 انواع المان­ها                                                                           33
4-2-3 روش­های حل                                                                       35
4-2-4 کنترل تعادل                                                                          36
4-2-5 حل­کننده­ فرانتال                                                                 37
4-2-6 ساختار CRISP                                                                   37
4-3    نحوه­ی اعمال مدل هذلولوی اصلاح شده در کد CRISP                               38
4-3-1 زیربرنامه­ی DMHYP                                                           41
4-4    پیش­پردازنده                                                                                     43
4-5    پس­پردازنده                                                                             50
5       نتایج تحلیل به وسیله­ی نرم افزار                                                       54
5-1    ارزیابی صحت نتایج                                                                    54
5-1-1 مقایسه­ مدل هذلولوی اصلاح شده با مدل الاستیک خطی                          54
5-1-2 مقایسه­ نتایج به دست آمده از نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی              59
5-2    کاربرد نرم افزار در به دست آوردن نشست پی در درصدهای رطوبت مختلف خاک 62
6       نتایج و پیشنهادها                                                                           72    
6-1    نتایج                                                                                        72
6-2    پیشنهادها                                                                                   73
مراجع                                                                                                 75
پیوست 1-کد برنامه­ی پیش­پردازنده                                                               80
پیوست 2-کد برنامه­ی پس­پردازنده                                                                  100
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول­ها
عنوان و شماره                                                                                                   صفحه
جدول 5-1: ضرایب مدل هذلولوی اصلاح شده استفاده شده در تحلیل نشست پی          56
جدول 5-2: نشست پی با بهره گرفتن از مدل هذلولوی اصلاح شده در یک گام                     56 جدول 5-3: نشست پی با بهره گرفتن از مدل الاستیک خطی                                         56
جدول 5-4: مقایسه­ میزان نشست به دست آمده با بهره گرفتن از مدل های هذلولوی اصلاح شده و الاستیک خطی                                                                                 57 جدول 5-5: ضرایب مدل هذلولوی اصلاح شده استفاده شده در تحلیل تغییر حجم        60 جدول 5-6: ضرایب مدل هذلولوی اصلاح شده استفاده شده در تحلیل تغییرات نشست پی با درصد رطوبت                                                                                        62
جدول 5-7: مقادیر حداکثر تنش و جا به جایی در رطوبت های مختلف خاک                63
فهرست شکل­ها
عنوان و شماره                                                                                                   صفحه
شکل 2-1: سطح تسلیم سه بعدی مدل بارسلونا                                                      8
شکل 2-2: خطوط تسلیم مدل بارسلونا در صفحه p-s                                               8
شکل 3-1: جزئیات پایه­ دستگاه سه محوری استفاده شده برای آزمایش­های ضریب حجمی 20
شکل 3-2: نمایش نتایج آزمایش بر اساس روابط هذلولوی                                       22
شکل 3-3: تغییرات ضریب حجمی اولیه با درصد رطوبت                                        23
شکل 3-4: سطح حالت هذلولوی                                                                       24
شکل 3-5: جزئیات دستگاه آزمایش برش ساده برای خاک­های غیر اشباع                    25
شکل 3-6: نمودار معادله­ی هذلولوی رفتار برشی                                                   28
شکل 3-7: راست: تغییرات Gmax در برابر درصد رطوبت برای مقادیر مختلف تنش خالص محصور کننده. چپ: تغییرات Gmax در برابر تنش خالص محصور کننده برای مقادیر مختلف درصد رطوبت                                                                                            29
شکل 3-8: تغییرات Gmax با درصد رطوبت و تنش خالص محصور کننده                    29
شکل 4-1: انواع مختلف المان­ها                                                                       34
شکل 4-2: ساختار CRISP                                                                       37
شکل 4-3: ارتباط زیربرنامه­های CRISP با یکدیگر                                              39
شکل 4-4: صفحه­ اول برنامه پیش­پردازنده                                                           45
شکل 4-5: صفحه­ دوم برنامه پیش­پردازنده                                                          46
شکل 4-6: صفحه­ شبکه بندی برنامه پیش­پردازنده                                                 47
شکل 4-7: نمایش شبکه تغییر شکل یافته در برنامه پس­پردازنده                                 52
شکل 4-8: نمایش خطوط تراز در برنامه پس­پردازنده                                               53
شکل 5-1: شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل نشست پی                       55
شکل 5-2: تغییر شکل شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل نشست پی با بزرگنمایی 10 برابر                                                                                             57
شکل 5-3: مقایسه­ میزان نشست پی در مدل الاستیک خطی با مدل هذلولوی اصلاح شده در تعداد متفاوت گام­های بارگذاری                                                             58
شکل 5-4: میزان نشست نقطه­ی وسط پی در تعداد گام­های متفاوت بارگذاری در مدل هذلولوی اصلاح شده                                                                                 58
شکل 5-5: شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل تغییر حجم                      59
شکل 5-6: تغییر شکل شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل تغییر حجم با بزرگنمایی 10 برابر                                                                                                 60
شکل 5-7: مقایسه­ نتایج به دست آمده از مدل هذلولوی اصلاح شده با نتایج آزمایشگاهی
برای نمونه با رطوبت 12 درصد                                                                       60
شکل 5-8: مقایسه­ نتایج به دست آمده از مدل هذلولوی اصلاح شده با نتایج آزمایشگاهی
برای نمونه با رطوبت 14 درصد اشباع شده در تنش همه جانبه kPa 600                         61
شکل 5-9: شبکه اجزای محدود استفاده شده برای تحلیل نشست پی در درصد رطوبت های مختلف                                                                                                      63
شکل 5-10: توزیع تنش­ها در زیر پی در رطوبت 001/0 درصد                                    64
شکل 5-11: توزیع جا به ­جایی­ها در زیر پی در رطوبت 001/0 درصد                          65
شکل 5-12: توزیع تنش­ها در زیر پی در رطوبت 12 درصد                                    66
شکل 5-13: توزیع جا به ­جایی­ها در زیر پی در رطوبت 12 درصد                                67
شکل 5-14: توزیع تنش­ها در زیر پی در رطوبت 8/24 درصد                           68
شکل 5-15: توزیع جا به ­جایی­ها در زیر پی در رطوبت 8/24 درصد                              69
شکل 5-16: میزان نشست پی در درصد­های رطوبت مختلف                            70
1- مقدمه
1-1- کلیات
خاک­هایی که بخشی از حفرات آن­ها با آب پر شده است اغلب با نام خاک­های «غیر اشباع» شناخته می­شوند. باید به این نکته توجه داشت که همه­ی خاک­ها می­توانند غیر اشباع باشند. غیر اشباع بودن اشاره به یک حالت خاص خاک دارد، نه یک نوع خاک به خصوص. بعضی خاک­ها ممکن است رفتار تغییر حجم، مقاومتی یا هیدرولیکی خاصی را در زمان غیر اشباع بودن نشان دهند. در این خاک­ها تغییر در درجه­ اشباع ممکن است سبب تغییرات جدی در حجم، مقاومت برشی یا خصوصیات هیدرولیکی شود. با این وجود، رفتار خاص تغییر حجم، مقاومتی و هیدرولیکی در حالت غیر اشباع تنها نشان دهنده­ی نوعی غیر پیوسته بودن رفتار خاک است و بنابراین باید در یک چارچوب کلی که دربردارنده­ی حالت اشباع کامل نیز باشد به آن نگریسته شود. به عبارت دیگر، یک مدل رفتاری خاک باید بیان کننده­ رفتار خاک در کل دامنه­ی تغییرات احتمالی فشار آب حفره­ای و تنش باشد و اجازه­ی طی کردن مسیرهای تنش و هیدرولیکی مختلف را در این دامنه بدهد.
اصول مکانیک خاک بیش تر برای خاک در حالت اشباع بیان شده ­اند. تعمیم این اصول به حالت غیر اشباع نیاز به در نظر گرفتن دقیق این مسائل بنیادی دارد:
1- تغییرات حجم مرتبط با تغییرات مکش یا درجه­ اشباع
2- تغییرات مقاومت برشی مرتبط با تغییرات مکش یا درجه­ اشباع
3- تغییرات رفتار هیدرولیکی مرتبط با تغییرات مکش یا درجه­ اشباع
خاک­ها می­توانند دچار تغییر حجم­های شدید در اثر تغییرات درجه­ اشباع یا مکش شوند. بعضی خاک­ها در اثر تر شدن متورم می­شوند، بعضی فرو می­ریزند و بعضی هر دو رفتار را بسته به سطح تنش نشان می­ دهند. تغییرات حجم شدید در اثر تغییرات درجه­ اشباع میتواند منجر به وارد شدن خسارت به پی و سازه­ی بناها شود. مقاومت برشی خاک نیز می ­تواند شدیداً با تغییرات درجه­ اشباع تغییر کند، که یک پدیده­ مخرب مرتبط با آن ناپایداری شیب­ها و رانش زمین در اثر بارندگی است. خاک­های غیر اشباع هم چنین رفتار هیدرولیکی جالب توجهی دارند که تأثیرات زیادی در مفاهیم طراحی سامانه­های پوشش و دفع پسماندهای مختلف صنعتی و شهری داشته است. این مسائل بنیادی در واقع مهم ترین مسائل مورد بحث در مکانیک خاک­های غیر اشباع و کاربردهای مهندسی آن هستند.
مدل سازی رفتاری خاک­های غیر اشباع اصولاً شامل تعمیم مدل­های رفتاری حالت اشباع به حالت غیر اشباع، با در نظر گرفتن موارد مطروحه­ی پیشین است. نخستین گام در این زمینه توسط آلونسو[1] و همکاران (1990) برداشته شد و از آن زمان تا کنون تحقیقات بسیار زیادی در این زمینه انجام شده است.