چکیده
بررسی اندرکنش و رفتار لرزه ای ریزشمع ها، با توجه به اینکه ریزشمعها بعنوان یک المان باربر ومقاوم در برابر نشست عمل می کنندو به دلیل تزریق دوغاب سیمان سبب بهبود مشخصات میکانیکی (مقاومتی ورفتاری)خاک اطراف میشوند، موضوع قابل ملاحظه ای می باشد.در این تحقیق ، بعد از معرفی ،توصیف مشخصات وویژگیهای مکانیکی وکاربردی ریزشمعها ابتدابه تحلیل عوانل متعددی که در رفتار لرزه ای ریز شمعها تاثیر گذار هستنداشاره میشود. از جمله این عوامل، میتوان به زاویه تمایل ریز شمع ها، صلبیت نسبی(( ،بار روسازه، زاویه اصطکاک داخلی خاک ، شدت بارهارمونیک، غیر خطی بودن خاک، ضرایب میرایی( )،نحوه اتصال ریز شمع-خاک، نسبت لاغری ریز شمع هاو...اشاره کرد که از میان اینها به تحلیل و بررسی پنج مورداول در مدل های خاص پرداخته می شود.
در ادامه، تحلیلی از مدل المان محدود دو بعدی مربوط به تاثیر پلاستیسیته خاک با استفاده ازمعیارالاستیک خطی- موهرکولمب برروی پاسخ لرزهای ریزشمعها در بر نامه plaxis v.8 انجام شده است. شرایط مرزی مناسب برای تامین اثرانتقال امواج در میان مرزهای جانبی توده خاک بکار گرفته شده است. تحلیلها ابتدا برای بار هارمونیک و سپس برای بارزلزله، انجام میشود.نتایج بدست آمدهنشان میدهد که عامل پلاستیسیته دارای یک تاثیر قابل ملاحظهای بر روی پاسخ لرزهای سیستم سازه خاک- ریزشمع می باشد. این تاثیر به دامنه بار لرزهای و فرکانس مربوطبهشتاب ورودی و فرکانس سیستم سازه خاک-ریز شمع وابسته است.در بخش بعدی به بررسی رفتارلرزه ای ریزشمعهای متمایل درخاکهای ماسهای مستعد روانگرایی که خود مسئله پیچیده ای است، پرداخته شده است. با توجه به مفهوم روانگرائی و بررسی رفتار دینا میکی ریز شمع ها، از شبکه بندی دوبعدی در نرم افزار پلکسیس استفاده شده است.
ودر مرحله بعدی ،بررسی تاثیر و شرایط اتصالی ودرگیری نوک گروه ریزشمع، نسبت به پاسخ در برابر بار لرزهای ارائه شده است.در این بخش تحقیق با بکارگیری یک مدل المان محدود، خاک درآن بصورت الاستو-پلاستیک نظر گرفته شده است. روسازه با یک سیستم درجه آزادی منفرد که مرکب از جرم متمرکز و یک ستون است، مدل میشود. این پژوهش برای هر دوحالت ریزشمعهای مایل وقائم انجام میشود. نتایج تحلیل نشان می دهد که جاگیری ریزشمعها در یک لایه سخت به افزایش قابل توجه وغیر منتظرهای در نیروی محوری ولنگر خمشی گروه ریزشمع منجرمیشود.
کلمات کلیدی: ریزشمع ها،اندرکنش خاک-ریز شمع، رفتار لرزه ای، پلاستیسیته
فصل اول
کلیات
1-1-مقدمه
افزایش روزافزون جمعیت وبه دنبال آن افزایش نیاز به ساخت وساز واجرای پروژه های عمرانی مختلف از یک سو ومحدودیت زمین های مناسب جهت احداث سازههای مورد نیاز از سوی دیگر باعث پیدایش روشهای فراوانی به منظور مقاوم سازی و بهبود شرایط طبیعی زمین شده است
کشور ایران بعنوان یکی از مناطق زلزله خیزجهان همواره در طی سالیان گذشته در معرض زلزله های ویران کنندهای قرار داشته است.شرایط طبیعی وزمین شناسی ایران از نقطه نظروقوع زلزله بطور جد در دستور کار مهندسان وبرنامه ریزان قرار گرفته است.با توجه به این امر،طراحی ایمن آنها در برابر زلزله از اهمیت وجایگاه ویزه ای برخوردار بوده است ودر این راستا،از مدل های عددی که بتوانند تمامی عوامل لازم را به منظور یافتن رفتار واقعیترآنها در نظر بگیرند،استفاده می شود.
1-1-1-مروری بر انواع شمع وعملکرد سیستم ریزشمع
بطور کلی شمع ها به دو نوع شمع های جابجا شونده[1]وشمع های جایگزین شونده[2]تقسیم میشوند. شمع های جابجاشونده شمع هایی هستندکه بوسیله کوبش یا ارتعاش در زمین ایجاد می شوند بطوریکه در حین عملیات نصب خاکهای اطراف بدنه ونوک شمع جابجا می شوندوشمع های جایگزین شونده در مکان های از قبل حفاری شده بصورت پیش ساخته یا در جا قرار می گیرند ]2 .[
سیستم ریز شمع میتوانند تحت بار محوری و یا جانبی قرار گیرندو همچنین می توانند جایگزین شمع های معمولی شده وبسته به شیوه طراحی آن، بعنوان جزئی از توده مرکب شمع-خاک بکار گرفته شوند این سیستم به گونه ای است که کمترین تغییرات را در سازه ها، خاک ومحیط اطراف خود بوجود می آوردوبا قابلیت اجرای آن در سطح زمین تحت هر زاویه ای بویژه با تجهیزات مشابه آنچه در پروژه های تزریق ومهار کوبی مورد استفاده قرار می گیرد، نصب می شود.همچنین از ریزشمع ها در بهسازی فونداسیون هایی که تحت تاثیر حمش پذیری بالا، خاصیت نرم شوندگی ومواردی که ظرفیت باربری آن در برابر نیروهای بیش از حد وعملکرد صحیح آن در طول مدت زلزله مورد نظر است ،استفاده می شود. زمانی که خاک روانگرا شده و مقاومت آن در پایینترین سطح خود قرار میگیرد، پی شمعی ممکن است جابجاییهای نسبتاً زیادی را تجربه کند. در این حالت شمع به شدت مستعد ترک خوردگی و حتی شکست است. همچنین روانگرایی، تغییرمکان کلاهک شمع را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. راهنمای طراحی لرزهای ریزشمع توسط سازمان بزرگراههای آمریکا[3]، در جهت طراحی صحیح سیستم ریزشمعها ارائه شده که یک تحلیل عددی برای بررسی رفتار لرزهای ریزشمعها در خاک خشک زهکشیشده و بدون در نظر گرفتن قابلیت روانگرایی خاک میباشد. ]2 [
1-1-2-تاریخچه ریزشمع ها
تاریخچه ابداع میکروپایل یا ریزشمع به اوایل سال 11950 میلادی، زمانی که اروپا با خیل عظیمی از ساختمانهای در معرض خرابی ناشی از صدمات وارده درجنگ جهانی دوم روبرو بوده است، برمی‌گردد در این دوره ابداع یک روش بهسازی بستر که علاوه بر کارائی وقابلیت اجرایی در بین ساختمان های تخریب شده، سریع واقتصادی نیز باشد بسیار ضروری بود.در چنین شرایطی ابداع میکروپایل توسط دکتر فرناندو لیزی و یک پیمانکار ایتالیایی به نام فوندیدله با ایجاد نوعی سیستم ریزشمع که ترکیبی از نوعی دوغاب با میله های فولادی به همراه غلاف یا بدون غلاف (لوله) صورت پذیرفت که بدلیل ویژگیهای منحصر به فرد، این روش گسترش فراوانی یافت. وی معتقد بود که یک سیستم فونداسیون شامل گروهی از شمع های کوچک درست مثل ریشه های یک درخت تشکیل یک توده خاک مسلح می دهداو این سیستم راpile-Radice یا Root-pile نامید.با گذر زمان وپیشرفتهای حاصله این عنوان ابتدا بصورت minpile وبعدها بهmicropile تغییر پیدا کرد .در حال حاضر دستورالعملU.S FHWA بعنوان مرجع قابل قبول ومورد استفاده طراحان وپیمانکاران میکروپایل می باشد ]6. [
1-1-3-برخوردآئیننامهها با مسئله شمعهای تحت بارگذاری جانبی]3 [
1-1-3-1 -آئین نامه انگلستان(BS)
مبحث8004 BSوCP آئیننامه پیشین این کشور به پی سازی اختصاص داده شده است .در بخش هفتم این آئین نامه پیهای شمعی مورد بررسی قرار گرفته است.دربخشی از این آئین نامه چنین آمده است.
] BS7-3-3-4[ شمعها تحت بارگذاری جانبی
یک شمع قائم ممکن است بنا به دلایلی تحت نیروهای جانبی واقع شود.مطالب جامعی در طراحی شمع ها تحت بارگذاری جانبی وجود دارد که السون[4](1904) به بیشتر آنها اشاره کرده است. در مکان هایی که ناحیه بزرگی از شمع بدون اتکاء[5] میباشد مانند شمع های اسکله ها، گاهی پس از نصب به داخل خط کشیده می شوند .بنابراین تنشهای اولیه درآنها ایجاد میشود.سازه های ساخته شده ممکن است تحت نیروهای جانبی ناشی از جزر ومد، جریان، ضربه کشتی، زلزله یا دیگر عوامل واقع شوند.شمع هایی که بطور کامل در داخل خاک هستند وبعنوان پی ساختمان یا پل عمل می کنند در مقابل نیرو های جانبی ایجاد شده در اثر باد بر سازه،نیروی ناشی از اصطکاک،ترمز ونیروی خارج از وسایل نقلیه،باید مقاومت کنند حرکت جانبی در سازه در اثر تغییرات درجه حرارت وانقباض بتن تنشهایی را در شمع ایجاد خواهد کرد.
1-1-3-2 آئین نامه هند
آئین نامه هند، Is2911 قسمت اول، در زمینه شمع های قائم تحت بارگذاری جانبی چنین بیان می دارد
جهت تخمین مطمئن بار های جانبی بر شمع های قائم، بابد آزمایش با مقیاس یک به یک انجام شود.بار جانبی مجاز معمولاً باید2% بار قائم باشد ولی در هیچ حالتی نباید از 5% بار قائم تجاوز کند مگر اینکه با آزمایش بار گذاری جانبی واقعی، مورد بررسی قرار گیرد.بار جانبی مطمئن بر شمع بایدحداقل دو مقدار زیر اختیار گردد:
الف) نیمی از کل باری که درآن تغییر مکان جانبی به mm 12 افزایش می یابد
ب)بار متناظر با تغییرمکان جانبی مساویmm 5
1-1-3-3 آئین نامه آشتوAASHTP
بخش(4-5-6-5)آئین نامه(1992) AASHTPبه شمع های کوبیده شده تحت بارگذاریجانبی اختصاص یافته و ترجمه متن این بخش چنین است:
] AASHTP 4-5-6-5[
طراحی شمع های بارگذاری شده بصورت جانبی معمولاً با استفاده از حرکت جانبی انجام می شود. طراحی شمع های بارگذاری شده بصورت جانبی باید بر همکنش خاک-سازه بین شمع وزمین اطراف را در نظر بگیرد.
] AASHTP 4-6-5-6-1-6[ترکیب بار قائم و جانبی
ترکیب بار جانبی با بار قائم باید در طراحی منظور شود.تحلیل شمع های در جا ریز تحت ترکیب این دو بار گذاری را می توان از طریق تحلیل164COM(ریس1984) انجام داد.
] AASHTP 4-6-5-6-1-7[شیروانی
شمع های درجاریز که در داخل یا زیر شیروانی واقع شده اند.پتانسیل بارگذاری جانبی اضافی باید در طراحی در نظر گرفته شود.روش کلی تحلیل راکه بوردن وگبر بدست آورده اند می توان برای تحلیل شیروانی های پایدار به کار برد.برای شمع های واقع در شیروانیهای نیمه پایدار[6] ملا حظات اضافی در خصوص شیروانیهایی که ضرایب اطمینان آنهادر مقابل گسیختگی کم است و یا خزش از خود نشان می دهند، باید اعمال شود. هنگامیکه شمع از خاک نرم عبور کرده وبر خاک مناسب یا بستر سنگی تکیه میکند نیز این ملاحظات اضافی باید منظور شود.برای زمین های ناپایدار، کاوش های دقیق، آزمایش وتحلیل برای برآرد پتانسیل اضافی بارگذاری جانبی ناشی از حرکات شیروانی لازم است.
فصل دوم:
ادبیات ومستندات
2-1-معرفی ریز شمع
ریزشمع[7] اولین بار در اوایل دهه 1950 در ایتالیا به عنوان یک روش ابتکاری برای زیربندی ساختمانهای تاریخی و بناهای یادبود که به مرور زمان و بخصوص در زمان جنگ جهانی دوم آسیب دیده بودند، ابداع شد.در آن زمان یک سیستم زیربندی موثر و مطمئن ، به عنوان تکیهگاهی برای بارهای سازهای با حداقل تغییرمکان مورد نیاز بود که در مکانهای محدود و با دسترسی دشوار قابل اجرا باشد و نیز حداقل دست خوردگی را در سازههای موجود ایجاد کند.
روشهای خاص حفاری و تزریق که در اجرای ریزشمعها مورد استفاده قرار میگیرند باعث ایجاد اتصال مقاومی بین دوغاب و خاک میگردد و این مسئله موجب افزایش ظرفیت باربری درسطح تماس دوغاب و زمین میشود. دوغاب تزریق شده، بار اعمال شده به ریزشمع را بوسیله اصطکاک از آرماتور به زمین در ناحیه اتصال انتقال میدهد]6[.
ریزشمعها، شمع های جایگزینشونده با قطر کوچکتری هستند که محل آن حفاری شده و غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می باشند و عموماً جهت بهسازی فونداسیون بکار میروند. ریزشمعها بصورت مسلح شده با قطر کمتر از mm300 میباشند. شواهد تجربی نشان میدهد که ریزشمعها تحت بار لرزهای ناشی از انعطافپذیری بالایشان رفتار خوبی را از خود نشان میدهند. ریزشمع علاوه برآنکه به عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل میکند، بدلیل تزریق دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک اطراف نیز میگردد. به لحاظ خصوصیات ابعادی ریزشمع ها باقطر حدود 12 الی 30 سانتی متر (کمتر از 30 سانتیمتر) و با عمق نفوذ معمولا کمتر از 10 مترمی باشند که بر اساس دستورالعمل FHWA این طول تا 60 فوت (18 متر) هم تائید شده است]6[.
کنترل کننده طول ریزشمعها، عواملی مانند محاسبات، تجهیزات اجراء و... می باشد . به لحاظ ظرفیت باربری ریزشمعها درسنگ بیشتر از 500 تن است که این ظرفیت در بستر خاکی به 20 تا 200 تن تقلیل می یابد. شکل(1-2)، دامنه و رنج توان باربری ریزشمع ها را در حالات مختلف نشان می دهد
Abstract:
Investigation of the interaction and seismic behavior of micropiles is a significant issue regarding micropiles act as a portable and retrofit element in front of settlement and because of injecting slurry, improve mechanical characteristic (resistive and behavioral) of the environment soils. In this study, after introduction, description of characteristics and mechanic and practical properties of micropiles firstly, using the PLAXIS Finite Element software, it has been Investigated five important and effectible factors (as follows) on seismic behavior of micropiles and interaction of pile-mat foundation system: Inclination of the micropiles, relative rigidity Ep/Es, coefficient of soil friction , input motion intensity, the mass of the superstructure.
afterwards,using Mohr–Coulomb's liner elastic criterion in a global twoimensional modeling in the Plaxis code,. Both the micropiles and the superstructure are modeled as two-dimensional beam elements. Proper boundary conditions are used to ensure waves transmission through the lateral boundaries of the soil mass. Analyses are first conducted for harmonic loadings and then for real earthquake records. This influence depends on the amplitude of the seismic loading and the dominant frequencies of both the input motion and the soil–micropiles–structure system.
In the following investigation of seismic behaviors in the inclined micropiles on liquefiable soils presented the study of seismic performance of inclined micropiles interaction on the liquefiable soils is a complex problem. The traditional analytical closed from solutions is often difficult to meet the need of seismic design of micropiles on liquefiable soils. 2D mesh with Plaxis code used for investigation dynamic behaviors of inclined micropiles-soil interaction on liquefiable soils.
Then, it has been discussed investigation of influence of the tip connection on the response of the seismic behavior. This chapter presents a study of the investigation of Interaction and influence of connection conditions at the tip of micropiles on their response behavior seismic loading. The study is carried using a finite element modeling in Plaxis code. The soil is assumed to be elastoplastic. The superstructure is modeled by a single degree of freedom system composed of a concentrated mass and a column. The results of analyses show that the embedment of the tip of micropiles in a stiff substratum layer leads to a dramatic increase in the internal forces and bending moment in the micropiles.
Keywords: micropiles, soil-micropile interaction, seismic behavior, plasticity