فایل کاربرد مدل هذلولوی اصلاح شده برای پیش بینی رفتار مکانیکی خاک های غیر اشباع

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

چکیده
 
مکانیک خاک کلاسیک، خاک را کاملاً خشک یا اشباع فرض می کند؛ اما امروزه روشن است که رفتار مکانیکی خاک¬ها تابع درصد رطوبت متغیر آن¬ها است. در طول چند دهه¬ی گذشته، مدل¬های رفتاری بسیاری که با عنوان مدل¬های «خاک¬های غیر اشباع» شناخته می شوند ابداع شده اند تا این وابستگی را توضیح دهند. یکی از این مدل¬ها، مدل هذلولوی اصلاح شده است که با توسعه¬ی مدل ساده و پر کاربرد هذلولوی و به دنبال دو مجموعه مطالعات آزمایشگاهی بر روی رفتار تغییر حجم خاک¬های رمبنده، و رفتار برشی خاک¬های غیر اشباع در برش ساده، در دانشگاه شیراز معرفی شده است. در این پایان نامه، پس از مروری بر تاریخچه¬ی مطالعات مدل¬های رفتاری خاک¬های غیر اشباع، به معرفی و بررسی کامل تر این مدل پرداخته شده است. در ادامه، کد اجزای محدود CRISP معرفی شده و نحوه¬ی اعمال مدل هذلولوی اصلاح شده در آن شرح داده شده است. همچنین پیش-پردازنده و پس¬پردازنده¬ی تهیه شده برای این کد نیز معرفی شده¬اند. در قسمت پایانی، کاربرد کد تکمیل شده برای بررسی مسائل خاک¬های غیر اشباع با استفاده از مدل هذلولوی اصلاح شده از طریق تحلیل اجزای محدود نشان داده شده است. 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                صفحه

چکیده                                                                              أ
فهرست مطالب                                                                       ب
فهرست جدول¬ها                                                                     ه
فهرست شکل¬ها                                                                     و

1    مقدمه                                                         1
1-1    کلیات                                                         1
1-2    اهداف تحقیق                                                     2
1-3    شمای کلی تحقیقات و ترتیب ادامه¬ی مطالب                        3    

2    مروری بر تحقیقات انجام شده                                            5
2-1    مقدمه                                                         5
2-2    مدل¬های الاستوپلاستیک                                                 7
2-2-1    مدل¬های الاستوپلاستیک که از تنش خالص استفاده می¬کنند                  7 
2-2-2    مدل¬های الاستوپلاستیک که از سایر متغیرهای تنش استفاده می¬کنند      11
2-3    جستجو برای مدل¬های کاربردی                                                            17    

3    مدل هذلولوی اصلاح شده                                                   18
3-1    مقدمه                                                                       18
3-2    رابطه¬ی ضریب حجمی                                                                          19  
3-2-1    مطالعات آزمایشگاهی                                                                 19  
3-2-2    رابطه¬ی هذلولوی پیشنهادی                                                        20  
3-3    رابطه¬ی ضریب برشی                                                                           25
3-3-1    مطالعات آزمایشگاهی                                                                 25        
3-3-2    رابطه¬ی هذلولوی پیشنهادی                                                        27 
3-4    رابطه¬ی 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    خلاصه¬ای از توانایی¬های نرم افزار CRISP                                      32 
4-2-2    انواع المان¬ها                                                                            33     
4-2-3    روش¬های حل                                                                          35 
4-2-4    کنترل تعادل                                                                           36
4-2-5    حل¬کننده¬ی فرانتال                                                                   37
4-2-6    ساختار CRISP                                                                    37
4-3    نحوه¬ی اعمال مدل هذلولوی اصلاح شده در کد CRISP                               38       
4-3-1    زیربرنامه¬ی DMHYP                                                            41
4-4    پیش¬پردازنده                                                                                     43
4-5    پس¬پردازنده                                                     50

5    نتایج تحلیل به وسیله¬ی نرم افزار                                   54
5-1    ارزیابی صحت نتایج                                           54
          5-1-1    مقایسه¬ی مدل هذلولوی اصلاح شده با مدل الاستیک خطی                     54 
          5-1-2    مقایسه¬ی 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 برنامه¬ی پیش¬پردازنده                                       80
پیوست 2-کد برنامه¬ی پس¬پردازنده                                               100

فهرست جدول¬ها

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 استفاده از مدل هذلولوی اصلاح شده در یک گام                     56 جدول 5-3: نشست پی با استفاده از مدل الاستیک خطی                                          56  
جدول 5-4: مقایسه¬ی میزان نشست به دست آمده با استفاده 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 شکل¬ها

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 آزمایش¬های 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 خاک¬های غیر اشباع                      25
شکل 3-6: نمودار معادله¬ی 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 المان¬ها                                                                         34 
شکل 4-2: ساختار CRISP                                                                          37
شکل 4-3: ارتباط زیربرنامه¬های CRISP با یکدیگر                                                39 
شکل 4-4: صفحه¬ اول برنامه پیش¬پردازنده                                                            45 
شکل 4-5: صفحه¬ دوم برنامه پیش¬پردازنده                                                            46 
شکل 4-6: صفحه¬ شبکه بندی برنامه پیش¬پردازنده                                                  47
شکل 4-7: نمایش شبکه تغییر شکل یافته در برنامه پس¬پردازنده                                 52
شکل 4-8: نمایش خطوط تراز در برنامه پس¬پردازنده                                               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¬ی میزان نشست پی در مدل الاستیک خطی با مدل هذلولوی اصلاح شده در تعداد متفاوت گام¬های بارگذاری                              58
شکل 5-4: میزان نشست نقطه¬ی وسط پی در تعداد گام¬های 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¬ی نتایج به دست آمده از مدل هذلولوی اصلاح شده با نتایج آزمایشگاهی
برای نمونه با رطوبت 12 درصد                                         60
شکل 5-8: مقایسه¬ی 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 تنش¬ها در زیر پی در رطوبت 001/0 درصد                        64
شکل 5-11: توزیع جابه¬جایی¬ها در زیر پی در رطوبت 001/0 درصد                                65    
شکل 5-12: توزیع تنش¬ها در زیر پی در رطوبت 12 درصد                         66
شکل 5-13: توزیع جابه¬جایی¬ها در زیر پی در رطوبت 12 درصد                    67
شکل 5-14: توزیع تنش¬ها در زیر پی در رطوبت 8/24 درصد                    68   
شکل 5-15: توزیع جابه¬جایی¬ها در زیر پی در رطوبت 8/24 درصد                             69
شکل 5-16: میزان نشست پی در درصد¬های رطوبت مختلف                   70
 
 

1- مقدمه

1-1- کلیات

خاک¬هایی که بخشی از حفرات آن¬ها با آب پر شده است اغلب با نام خاک¬های «غیر اشباع» شناخته می¬شوند. باید به این نکته توجه داشت که همه¬ی خاک¬ها می¬توانند غیر اشباع باشند. غیر اشباع بودن اشاره به یک حالت خاص خاک دارد، نه یک نوع خاک به خصوص. بعضی خاک¬ها ممکن است رفتار تغییر حجم، مقاومتی یا هیدرولیکی خاصی را در زمان غیر اشباع بودن نشان دهند. در این خاک¬ها تغییر در درجه¬ی 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 دهنده¬ی نوعی غیر پیوسته بودن رفتار خاک است و بنابراین باید در یک چارچوب کلی که دربردارنده¬ی حالت اشباع کامل نیز باشد به آن نگریسته شود. به عبارت دیگر، یک مدل رفتاری خاک باید بیان کننده¬ی رفتار خاک در کل دامنه¬ی تغییرات احتمالی فشار آب حفره¬ای و تنش باشد و اجازه¬ی 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¬ی اشباع
2- تغییرات مقاومت برشی مرتبط با تغییرات مکش یا درجه¬ی اشباع
3- تغییرات رفتار هیدرولیکی مرتبط با تغییرات مکش یا درجه¬ی اشباع
خاک¬ها می¬توانند دچار تغییر حجم¬های شدید در اثر تغییرات درجه¬ی اشباع یا مکش شوند. بعضی خاک¬ها در اثر تر شدن متورم می¬شوند، بعضی فرو می¬ریزند و بعضی هر دو رفتار را بسته به سطح تنش نشان می¬دهند. تغییرات حجم شدید در اثر تغییرات درجه¬ی اشباع میتواند منجر به وارد شدن خسارت به پی و سازه¬ی بناها شود. مقاومت برشی خاک نیز می-تواند شدیداً با تغییرات درجه¬ی اشباع تغییر کند، که یک پدیده¬ی مخرب مرتبط با آن ناپایداری شیب¬ها و رانش زمین در اثر بارندگی است. خاک¬های غیر اشباع هم چنین رفتار هیدرولیکی جالب توجهی دارند که تأثیرات زیادی در مفاهیم طراحی سامانه¬های پوشش و دفع پسماندهای مختلف صنعتی و شهری داشته است. این مسائل بنیادی در واقع مهم ترین مسائل مورد بحث در مکانیک خاک¬های غیر اشباع و کاربردهای مهندسی آن هستند.
مدل سازی رفتاری خاک¬های غیر اشباع اصولاً شامل تعمیم مدل¬های رفتاری حالت اشباع به حالت غیر اشباع، با در نظر گرفتن موارد مطروحه¬ی پیشین است. نخستین گام در این زمینه توسط آلونسو  و همکاران (1990) برداشته شد و از آن زمان تا کنون تحقیقات بسیار زیادی در این زمینه انجام شده است.

1-2- اهداف تحقیق

قرار داشتن اکثر مناطق کشور در محدوده¬ی آب و هوایی گرم و خشک، مواجهه¬ی مهندسین عمران با مسائل خاص خاک¬های غیر اشباع را ناگزیر می¬سازد. هم چنین وجود بسیاری از شهرها و روستاها در مناطق دامنه¬ای و عبور جاده¬ها و خطوط لوله و انتقال برق از مناطق کوهستانی که آن¬ها را در معرض خطر احتمالی رانش زمین ناشی از بارندگی قرار می¬دهد، ضرورت مطالعه¬ی خواص مکانیکی خاک در درصدهای رطوبت مختلف را نشان می-دهد.
امروزه رایج ترین و عملی ترین راه برای تحلیل¬های ژئوتکنیکی استفاده از روش¬های عددی و نرم افزارهای تهیه شده بر اساس آنهاست. اکثر نرم افزارهایی که به صورت تجاری موجودند مدل¬های رفتاری مختلف برای خاک در حالت اشباع را پوشش می¬دهند، ولی به مدل¬های رفتاری برای حالت غیر اشباع خاک کم تر پرداخته شده است. از این روست که نیاز به وجود نرم افزاری که قادر به تحلیل خاک در درجه¬های اشباع مختلف باشد احساس می¬شود.
سابقه¬ی استفاده¬ی گسترده و طولانی مدت و هم چنین دقت مناسب در شبیه سازی رفتار خاک با وجود سادگی نسبی، مدل هذلولوی را به مدلی قابل اطمینان و پرکاربرد برای مهندسین تبدیل کرده است. در گذشته در دانشگاه شیراز تحقیقات مختلفی برای توسعه¬ی این مدل جهت مدل سازی خاک¬های غیر اشباع انجام شده است، اما تا کنون نرم افزاری برای تحلیل خاک با استفاده از مدل هذلولوی اصلاح ارائه نشده است تا کامل کننده¬ی این تحقیقات باشد و آن¬ها را کاربردی سازد.
موارد گفته شده انگیزه¬ی انجام این پژوهش را مشخص می¬سازند. هدف اصلی از انجام این تحقیق، تهیه¬ی یک نرم افزار اجزای محدود است که قادر به تحلیل تنش-کرنش خاک در درصدهای رطوبت مختلف با استفاده از مدل هذلولوی  اصلاح شده باشد. این نرم افزار علاوه بر آن که حلقه¬ی تکمیل کننده¬ی زنجیره¬ی تحقیقات در زمینه¬ی مدل هذلولوی اصلاح شده است و آن¬ها را کاربردی خواهد ساخت، تأمین کننده¬ی نیاز مهندسین کشور به نرم افزاری جهت تحلیل خاک¬های غیر اشباع نیز خواهد بود.

1-3- شمای کلی تحقیقات و ترتیب ادامه¬ی مطالب

در فصل دوم تاریخچه¬ی مختصری از مطالعات خاک های غیر اشباع بیان شده است. فصل سوم مدل رفتاری استفاده شده در این پایان نامه، یعنی مدل هذلولوی اصلاح شده را شرح می دهد و به بیان نحوه¬ی به دست آمدن روابط آن می پردازد. فصل چهارم به بررسی نرم افزار مورد استفاده در این پایان نامه اختصاص یافته و نحوه¬ی اضافه کردن مدل هذلولوی اصلاح شده و تغییرات اعمال شده در آن تشریح شده است. نتایج به دست آمده از تحلیل به وسیله¬ی نرم افزار در فصل پنجم آمده اند و بر روی آن ها بحث شده است. فصل ششم آخرین فصل است که شامل نتایج و پیشنهادها می باشد.