در این روش وزنهای از ارتفاع مشخص سقوط آزاد نموده و در اثر برخورد به زمین انرژی خود را به زمین منتقل کرده و باعث متراکم شدن خاک می شود. این عمل با تکرار کوبیدن زمین توسط وزنه انجام می شود. عکسالعمل خاکها در طی تراکم دینامیکی با توجه به نوع خاک و انرژی وارده متفاوت است. درک وسیع و گسترده از رفتار خاک همراه با روش های مختلف تراکم برای مفید واقع شدن بهسازی زمین اساسی است. با وجود کاربرد گسترده این روش اساس طراحی آن هنوز تجربی یا نیمه تجربی است و فرآیندهای درگیر در مسئله به طور کامل مشخص نشده است. از آنجا که این روش هزینه های پی سازی ساختمانهای واقع در زمینهای سست را به شدت کاهش میدهد لذا از دیدگاه اقتصاد کلان مملکتی تحقیق در زمینه شناسایی و جنبه های فنی و اجرایی این روش ضرورت دارد.
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
۱-۳- اهداف و روش تحقیق
تراکم دینامیکی یک روش تجربی بوده و برای هر محل بر اساس مشخصات زمین آن محل و امکانات در دسترس، مؤثرترین و اقتصادی ترین الگو انتخاب می شود. در این تحقیق جهت بررسی و تعیین الگوی بهینه عملیات تراکم دینامیکی، پروژه انجام گرفته در بندر بوشهر بصورت عددی شبیه سازی شده است.
بدین منظور برای آَشنایی بیشتر با روش تراکم دینامیکی این تحقیق در پنج فصل انجام شده است. در فصل اول مقدمهای درباره ضرورت بهسازی خاک و روشهای مختلف آن بیان شده است. در فصل دوم در مورد روش تراکم دینامیکی، مبانی تئوری آن و مسائل مختلف اجرایی مرتبط با آن به اجمال سخن گفته شده است. فصل سوم به چگونگی مدلسازی با روش تفاضل محدود اختصاص یافته است. در فصل چهارم نتایج محاسبه شده در مدلسازی عددی با نتایج اندازه گیری شده در پروژه مجتمع کشتی سازی شهید محلاتی بندر بوشهر مقایسه شده است و تطابق خوبی بین این دو نتایج مشاهده شد. همچنین پارامترهای مختلف ژئومکانیکی مؤثر بر تراکم دینامیکی مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل پنجم خلاصه نتایج حاصل از مدلسازی عددی و همچنین پیشنهاداتی جهت مطالعات بعدی ذکر شده است.
فصل ۲
مروری بر منابع
۲-۱ مقدمه
یکی از روشهای بهسازی عمیق خاک تراکم دینامیکی است. این عمل با تکرار کوبیدن زمین به وسیله وزنهای که از ارتفاع مشخص سقوط آزاد می کند انجام می شود. عکس العمل خاکها در طی تراکم دینامیکی با توجه به نوع خاک و انرژی وارده متفاوت است. درک وسیع و گسترده از رفتار خاک همراه با روشهای مختلف تراکم برای مفید واقع شدن بهسازی زمین اساسی است.
۲-۲ تاریخچه
متراکم کردن ماسههای سست بوسیله سقوط آزاد وزنه قدمت زیادی دارد. از این روش ابتدا چینیها و سپس رومیها استفاده کردند [۴]. اما اولین منبع انتشار یافته در این زمینه پروژهای در آلمان بود. بکارگیری وزنههای سنگین از سال ۱۹۷۰ در فرانسه توسط منارد آغاز شد. در طی دو دهه گذشته تراکم دینامیکی (که به آن متراکم کردن به وسیله ضربه (کوبش سنگین و تحکیم دینامیکی گفته می شود) بعنوان یک روش قابل قبول جهت بهسازی زمین در محل شناخته شده است [۵].
این روش بعنوان یک روش اقتصادی تر جهت آماده کردن زمین برای استفاده از پی های کم عمق میباشد چراکه استفاده از پیهای عمیق، گودبرداری، جابجایی خاک و پیش بارگذاری و یا اضافه کردن موادی به زمین متحمل هزینه های بیشتر می شود. از این روش در پروژه های مختلف مهندسی نظیر ساختمان سازی، احداث بزرگراه و فرودگاه، احداث سازه در مناطق ساحلی نظیر تعمیرگاه و کارخانه کشتی سازی، کاهش پتانسیل روانگرایی در خاکهای ماسهای، استفاده می شود.
۲-۳ مبانی تئوری تراکم دینامیکی
۲-۳-۱ تئوری تراکم دینامیکی در خاکهای دانهای
برای بررسی رفتار ماسه حالت سادهای که شامل تعداد ذرات ماسه کروی و یکنواخت است در نظر گرفته می شود. ذرات در سستترین حالت آرایش مکعبی و در متراکم ترین حالت آرایش لوزی شکل دارند [۵].
با توجه به اینکه نهشته های طبیعی یکنواخت نیستند اما بررسیها نشان داده است که حداقل و حداکثر نسبت پوکی آنها اختلاف زیادی با آرایش یکنواخت ندارند، بنابراین امکان مشابه سازی روشی با دانه های یکنواخت جهت رسیدن از یک حالت سست به یک حالت متراکم وجود دارد [۵].
فرض کنید تنش تراکمی یکنواختی مشابه تنش همه جانبه به جسمی که در آن فرو رفته است به ذرات با آرایش مکعبی وارد شود. در این حالت هیچگونه تغییری در آرایش ذرات صورت نگرفته و نسبت پوکی ثابت میماند. اما با اعمال نیروی برشی یکنواخت ذرات به حداقل تخلخل میرسند (شکل ۲-۱)[۵].
شکل (۲-۱) تنش برشی عامل تراکم در خاکهای دانهای
با توجه به اینکه ارتعاش باعث القاء تنش برشی و در نتیجه تغییر شکل برشی میگردد لذا عکسالعمل ذرات به ارتعاش مشابه زمانی است که نیروی برشی یکنواختی به آنها وارد شود که باعث می شود ذرات به حداقل پوکی برسند. برای روشن شدن موضوع نحوه انتشار امواج در اثر بارگذاری در سطح توضیح داده می شود.
هنگامی که بار دینامیکی ناشی از ضربه به طور ناگهانی به جسم وارد می شود تمام جسم در یک لحظه متأثر نخواهد شد. قسمتی از جسم که به منبع تولید بار نزدیکتر است ابتدا متأثر شده و تغییر شکلهای ایجاد شده به علت بهم خوردگی و اغتشاش جسم به شکل امواج تنش در سایر نقاط جسم منتشر می شود.
در زمین همگن، ایزوتروپ و الاستیک اگر ناگهان در نقطهای نزدیک سطح بار دینامیکی وارد شود، سه موج الاستیک با سرعتهای متفاوت از محل ضربه به خارج انتشار مییابد. دو موج به عنوان امواج پیکرهای هستند که به صورت جبهههای کروی انتشار یافته و خیلی کم تحت تأثیر سطح آزاد زمین قرار میگیرند. سومین موج سطحی است و دامنه آن به سرعت با عمق کاهش مییابد. دو موج پیکرهای با هم متفاوت هستند. موجی که سریعتر حرکت می کند موج اولیه (P)، طولی یا فشاری نامیده می شود. این موج سبب حرکت ذرات در راستای انتشار می شود ولی موج کندتر یا موج برشی یا ثانویه (S) باعث حرکت ذرات در جهت عمود بر راستای انتشار میگردد. این موج به دلیل طبیعت برشی در سیالات انتشار نمییابد.
هر سه موج همچنانکه به سمت خارج حرکت می کنند حجم بیشتری از مصالح را متأثر می کنند. بنابراین شدت انرژی هر موج با فاصله گرفتن از منبع انتشار آن کاهش مییابد. دامنه ارتعاشات امواج پیکرهای به نسبت (r فاصله از منبع تولید موج است) کاهش مییابد این در حالی است که کاهش دامنه ارتعاشات در سطح به نسبت است. کاهش دامنه امواج سطحی (امواج رایلی) به نسبت است [۵].
(شکل ۲-۲) نحوه انتشار امواج در یک محیط پیوسته، همگن و ایزوتروپ در اثر بارگذاری دینامیکی ناشی از ضربه [۵]
در خاکهای اشباع موج P که تراکمی است از فاز سیال عبور می کند و باعث افزایش فشار آب منفذی شده و به دلیل حرکت کششی-فشاری[۶] باعث تغییر در اسکلت خاک میشود. موج S که موج برشی است از دانهای به دانه دیگر به کندی عبور کرده و باعث قرار گیری ذرات در وضعیت متراکمتر میگردد و موج رایلی که زیر سطح و به موازات آن حرکت می کند نقشی مشابه موج برشی دارد [۵]. بنابراین در اثر بارگذاری دینامیکی موجی جهت القاء تنش برشی به ذرات وجود دارد. نتیجه این بارگذاری، تنش برشی همراه با تنش قائم ناشی از سربار، چرخش و انتقال دانهها از یک وضعیت سست مشابه آرایش مکعبی به یک وضعیت متراکم مشابه آرایش لوزی شکل میباشد. در تراکم دینامیکی (شکل ۲-۳) بخش A دارای تغییر شکل پلاستیک بوده ولی هر نقطه روی جبهه B که در حاشیه بخش A قرار دارد به عنوان منبع تولید موج P و S است [۵].
(شکل ۲-۳) امواج برشی، تراکمی و سطحی ایجاد شده در اثر تراکم دینامیکی
۲-۳-۲ تراکم دینامیکی در خاکهای ریزدانه
تا سال ۱۹۷۰ تکنیکی که در آغاز با نام کوبش سنگین شناخته شده بود در مصالح شنی و ماسهای کابرد داشت. اما بعد از آن امکاناتی فراهم شد که این روش در خاکهای رسی اشباع نیز استفاده شود. از آن زمان به بعد این روش تحت عنوان تحکیم دینامیکی نامیده شد [۶].
قبل از اعمال ضربه های سنگین به رسهای اشباع، چنین تصور میشد که امکان تحکیم این خاکها به نحو رضایت بخش جود ندارد. سپس مشخص شد که در این مصالح وجود حبابهای ریز گاز منجر به تراکم پذیری خاک تحت اثر نیروهای دینامیکی شدید می شود. علاوه بر آن ایجاد ترکهای شعاعی در اطراف محل ضربه نقش اساسی در تسریع از بین رفتن فشار آبهای منفذی دارند و حتی گاهی منجر به ظهور آبفشانها[۷] در سطح میگردند. به منظور درک مکانیزم تحکیم دینامیکی بایستی به ۴ نکته توجه داشت [۶]:
قابلیت تراکم پذیری خاکهای ریزدانه اشباع ناشی از وجود حبابهای ریز گاز است.
در اثر ضربههای مکرر روانگرایی تدریجی در خاک اتفاق میافتد.
در اثر ایجاد ترکهای شعاعی، زایل شدن فشار اب منفذی تسریع می شود.
بندش بازیافتی خاک باعث افزایش مقاومت خاک بعد از کوبش میگردد.
۲-۳-۲-۱ قابلیت تراکم
خاکهای ریزدانه اشباع را به طور معمول به عنوان خاکهای تراکم ناپذیر طبقه بندی مینمایند زیرا وقتی این خاکها در معرض بارگذاریهای سریع قرار میگیرند، نفوذپذیری کم آنها مانع زهکشی سریع آبهای منفذی موجود در این خاکها می شود؛ این تخلیه و خرج آب شرط لازم و کافی برای نشست میباشد. (تئوری تحکیم که توسط ترزاقی بسط و گسترش یافت).
به هر صورت مشاهدات اولیه به طور شگفتانگیزی نشان داد که هر قدر هم طبیعت خاک قابل اصلاح شدن باشد، همیشه عملیات تراکم منجر به نشست سریع قابل ملاحظهای میگردد. این نتیجه که برای خاکهای دانهای قابل قبول بود نمیتوانست به وسیله تئوریهای مرسوم برای خاکهای غیر قابل نفوذ تشریح گردد. تحقیقات بعدی نشان داد که بیشتر خاکهای کواترنری دارای گاز به شکل حبابهای ریز هستند و مقدار این گاز بین یک درصد برای نامطلوبترین حالتها تا ۴ درصد برای حالتهای مطلوب متغییر است. ضربهها یا ارتعاشات مکانیکی حالتهای تعادل این حبابهای ریز را به شکل کم و بیش غیر قابل برگشت تغییر میدهد [۶].
۲-۳-۲-۲ روانگرایی
هنگامی که انرژی به شکل ضربههای مکرر به خاک وارد می شود، گاز موجود در خاک به تدریج متراکم می شود. وقتی درصد حجمی گاز موجود در خاک به صفر میرسد، خاک به شکل یک ماده تراکم ناپذیر عمل می کند و در این مرحله روانگرایی خاک اتفاق میافتد. مقدار انرژی لازم برای رسیدن به این مرحله انرژی اشباع نامیده می شود [۶].
روانگرایی در نهشتههای طبیعی غالباً به تدریج رخ میدهد. بیشتر نهشتههای طبیعی بطور لایه لایه بر روی هم قرار گرفته و رسوبات لایی یا ماسه ای قبل از رسوبات رسی روان میشوند. این مطلب دارای اهمیت است که اگر روانگرایی در این لایه ها یا قسمت هایی از آن اتفاق بیفتد ولی از روانگرایی توده رس جلوگیری به عمل آید، از شکل گیری مجدد توده خاک ممانعت می شود [۶].
شناخت انرژی دقیق مربوط به این حالت مرزی الزامی است زیرا در این حالت فشار آب منفذی به مقدار حداکثر رسیده است. لازم به تذکر است هنگامی که انرژی اشباع حاصل شد، استعمال انرژی بیشتر صرف نطر از زیانآور بودن، به طور کامل هدر میرود [۶].
۲-۳-۲-۳ نفوذ پذیری
از بین رفتن خیلی سریع فشار آب منفذی اولیه با بهره گرفتن از ضریب نفوذ پذیری که قبل از تراکم اندازه گیری شده قابل توضیح نیست. بلکه خصوصیت ویژهای است که در محلهای تراکم دینامیکی مشاهده می شود.
افزایش فشار آب منفذی باعث گسستن بافتهای جامد خاک (ایجاد ترک) شده و در نتیجه جریان آب در این ترکهای جدید متمرکز می شود. تمایل به تشکیل ترک در خاکهای طبیعی محسوس است به خصوص اگر ساختمان خاک لایهای باشد، این مسئله برای خاکهایی که دست نخوردهاند یا به طور مصنوعی یکنواخت شده اند کمتر دیده می شود [۶].
با متمرکز بودن انرژی تراکم در محلهای مشخص شبکه پیش بینی شده، ترکهای قائم ایجاد میشوند و به طور منظم در اطراف نقطه ضربه پخش میشوند؛ این مناطق زهکشی ترجیحی عموماً عمود بر امتداد کمترین تنش هستند. چشمههای آب تحت شرایط زمین شناسی مشخص، چند ساعت پس از تراکم در نزدیکی گودیها ظاهر میشوند که به وسیله این شبکه جریان آغاز و تغذیه میگردند [۶].
در موارد خاص ملاحظه شده است که تراکم نا منظم و بی قاعده، جریان دائمی این کانالهای طبیعی را منقطع میسازد و جایگزینی مجدد به منظور طراحی بعدی و بهتر مراحل تراکم را مشکلتر مینماید [۶].
همچنین در آزمایشگاه مشاهده شده وقتی تنشهای بین دانهای کاهش مییابد، ضریب نفوذ پذیری افزایش مییابد و هنگامی که خاک روان می شود، این ضریب به بیشترین مقدار خود خواهد رسید. در این حالت، فشار آب منفذی برابر فشار کل رو بار است. این مسئله نیز دلیلی است که در حین عملیات تحکیم دینامیکی در شرایط محلی عموماً منجر به روانگرایی می شود، نفوذپذیری زیادی می شود. این نفوذپذیری در آغاز همراه با فشار خیلی زیاد آب منفذی است. امواج ضربه، آبی را که جذب سطحی شده است، به آب آزاد تبدیل می کنند و در نتیجه منجر به افزایش مقاطع عرضی کانالهای مویی میگردد. حالت عکس وقتی اتفاق میافتد که خاک در اثر پدیده بندش دوباره سازی شود. لازم به ذکر است که این اطلاعات به علت آنکه اندازه گیری تغییرات ضخامت لایه های آب جذب سطحی عملی نیست، فقط می تواند به عنوان یک حدس مطرح شود [۶].
۲-۳-۲-۴ بندش بازیافتی خاک
در حین عملیات تراکم، ابتدا افت قابل ملاحظهای در مقاومت برشی مشاهده می شود که میزان حداقل آن وقتی است که خاک روان شده یا به حالت روانی میگراید، در آن زمان مجموعه خاک به طور کامل گسیخته شده و قسمتی از آب جذب سطحی که نقش مهمی را در سختی ساختمان خاک ایفا می کند به آب آزاد تبدیل می شود؛ هنگامی که فشار آب منفذی از بین میرود افزایش قابل توجهی در مقاومت برشی و مدول تغییر شکل ملاحظه می شود. این به علت تماس نزدیکتر ذرات و همچنین تثبیت لایه های جدید آب جذب سطحی است. این مرحله ممکن است چند ماه زمان صرف کند. خاصیت بندش که در رسهای حساس به خوبی شناخته شده است در حقیقت در همه خاکهای ریز دانه قابل تشخیص است [۶].
۲-۳-۲-۵ نمایش ترسیمی
شکل (۲-۴) دو سیستم تحکیم را نشان میدهد. شکل (۲-۴ الف) تئوری تحکیم دینامیکی (منارد) را نشان داده و شکل (۲-۴ ب) تئوری تحکیم کلاسیک (ترزاقی) را نشان میدهد [۶].
این دو سیستم از نظر چهار خصوصیت اصلی به شرح زیر با هم تفاوت دارند:
