پایان نامه طراحی لرزه ای خاکریز های خاک مسلح بر اساس محاسبه قابلیت اطمینان

پایان نامه کارشناسی ارشد

مهندسی عمران - مهندسی زلزله

  اسفند 1392

چکیده

خاک مسلح مصالحی ویژه است که از ترکیب خاک و عضو مسلح کننده بوجود می آید. مسلح کننده اجزاء مقاوم در برابر نیروهای کششی است و به صورت سیم ، نوار، شبکه، پارچه، نمد و... که از جنس فولاد، آلومینیوم، پلاستیک، مواد پلیمری و یا هر ماده دیگری می تواند باشد. اصولا خاک در برابر کشش و برش ضعیف است و ایده خاک مسلح در حقیقت راه حلی برای رفع این نقیصه می باشد. مشارکت مسلح کننده ها و خاک مصالح ویژه ای را ایجاد می نماید که دارای خواصی کاملا متفاوت با خواص اجزاء تشکیل دهنده آن است و امکان ساخت سازه های اقتصادی که قادر به مهار نیروهای کششی باشد را فراهم می سازد. استفاده از مسلح کننده های پلیمری سبب شد خاک مسلح در طیف وسیعی از سازه های خاکی نظیر دیوارهای حائل، شیروانی های خاکی و ... کاربرد گسترده ای پیداکند. ژئوسنتتیک ها به عنوان المان مسلح کننده و عناصر کششی در توده خاک قرار داده می شوند و باعث افزایش باربری خاک می شوند.

تاکنون روش های مختلفی برای آنالیزها وطراحی خاک مسلح ارائه شده است. براساس مطالعات انجام شده اغلب روشهای طراحی شیروانی های خاکی مسلح با ژئو تسنتتیک بر اساس روش های حدی استوار می باشند که روش تعادل حدی و روش اجزاء محدود نسبت به بقیه کاربرد بیشتری دارد.

از سوی دیگر در مسائل ژئوتکنیک ، نامعینی و تغییر پذیری ذاتی در پارامترهای مقاومتی خاک به شکل محسوس دیده می‌‌شود. علاوه بر این سایر خطاها نظیر خطاهای اندازه گیری و تقریب در مدل، باعث ایجاد خطای غیر قابل اجتناب در مسائل ژئوتکنیک می شود. در مورد پایداری شیروانی‌ها که از جمله مسائل مهم ژئوتکنیکی است نیز موارد ذکر شده وارد است. با توجه به طبیعت تغییر ناپذیر و نامعینی در مساله ی پایداری شیروانی ها، بحث تحلیل احتمالاتی مفهوم پیدا می‌‌کند.

 یکی از روشهای در نظر گرفتن اثر نامعینی ها در مسائل ژئوتکنیکی و انجام تحلیلهای احتمالاتی، روش مونت کارلو است. در روش شبیه سازی مونت کارلو که روشی‌ احتمالاتی است، برای پارامترهای ورودی تغییر پذیر تابع توزیع احتمال در نظر گرفته می شود و با نمونه گیری تصادفی‌ از این توابع توزیع، ضریب اطمینان در دفعات بسیار محاسبه می شود و در نهایت یک تابع توزیع احتمال برای ضریب اطمینان بدست می آید.

 در این پایان نامه زاویه ی اصطکاک داخلی، وزن مخصوص، مقاومت کششی مسلح کننده ها و ضریب شبه استاتیکی زلزله بعنوان پارامترهای نامعین و تغییرپذیر در نظر گرفته شده و نحوه طراحی شیروانی های خاکی از دیدگاه احتمالاتی مورد بررسی قرار گرفته است که نتیجه آن بدست آمدن طرحی اقتصادی و بهینه میباشد.

کلمات کلیدی: خاک مسلح،قابلیت اعتماد پذیری،ضریب اطمینان،روش شبیه سازی مونت کارلوفصل اول

کلیات

1-1         مقدمه

خاک به عنوان قدیمی ترین و پرکاربرد ترین و درعین حال پیچیده ترین مصالح مورد استفاده بشر و یکی از اجزای سازه ای تمام سازه های عمرانی ( شالوده تمام سازه ها) ، از دیرباز مورد توجه قرار گرفته است. از طرفی با توجه به ضعف نسبی خاک نسبت به بسیاری از مصالح موجود، بشر از دیرباز در پی راههایی جهت بالا بردن کیفیت و عملکرد این مصالح بوده است که یکی از این راهها تقویت خاک با استفاده از خانواده بزرگ ژئو سنتتیک می باشد. ژئو سنتتیک ها با ایفای نقش های متفاوت، ضعف های موجود در خاک از جمله مقاومت کم ، تغییر شکل پذیری زیاد، امکان شستگی و فرسایش و ... را جبران می کنند(F1).خاک ها و بخصوص خاک های دانه ای تحت تنش های فشاری ، بسیار مقاوم هستند. وقتی این خاک ها مسلح می شوند ، مسلح کننده ها  تنش های کششی را تحمل می کنند ودر نتیجه از برآیند آنها یک سازه مرکب که دارای محدوده وسیعی از مقاومت است ایجاد میشود.

پایداری شیروانی ها یکی از موضوعات مهم درمهندسی عمران است.اهمیت این مساله را می توان  از خسارات و تلفات ناشی از زمین لغزه ها و حجم وسیع پروژه های بزرگ و پر هزینه مانند سدها ، جاده ها و...که با شیب سروکار دارند پی برد. یکی از اقداماتی که جهت پایدارسازی شیب های خاکی انجام می گیرد ، تکنیک مسلح نمودن خاک می باشد. در این تکنیک با قرارگرفتن مسلح کننده در خاک ،خصوصیات مهندسی خاک بهبود می یابد(F2).

احداث دیوارهای حائل به شکل سنتی و معمولی در کارهای عمرانی یک گزینه پرهزینه محسوب می شود. ایده احداث دیوار یا شیروانی خاکی مسلح درحقیقت راه حلی برای اجتناب از احداث دیوارهای حائل به شکل سنتی بوده است. احداث دیوار ها و شیروانی های خاکی مسلح نیز با اشکال گوناگون امکان پذیر است که در این مورد می توان به دیوارهای مسلح با نمای بتنی و شیروانی های خاکی مسلح شده با ژئوگرید یا ژئوتکستایل اشاره کرد.

در سال های اخیر استفاده از این نوع سازه ها در کشور پیشرفت زیادی داشته است. هزینه احداث دیوار یا  شیروانی خاک مسلح در مقایسه با دیوار حائل به شکل سنتی کمتر بوده  واز نظر فنی این سازه ها عملکرد بهتری نسبت به موارد دیگر از خود نشان می دهند. باتوجه به حجم زیاد مصالح مورد استفاده در احداث این سازه ها زیاد می باشد واضح است که ارائه طرح مناسب ، موجب صرفه جویی زیادی در هزینه ها خواهد شد.

در روند طراحی شیروانی های خاک مسلح استفاده از ضرایب اطمینان در بخش های مختلف طراحی از جمله بررسی پایداری داخلی شیروانی رایج است. معمولا ضرایب اطمینان به منظور جبران کاستی های ناشی از اطلاعات بارگذاری ، خواص مصالح و نحوه اجرای سازه اعمال می گردند. ضرایب اطمینان مورد استفاده در طراحی شیروانی ها ، معمولا بر مبنای تجربه ، سوابق اجرایی و همچنین بر اساس اهمیت پروژه انتخاب می گردد.بدیهی است در صورت وجود خطاهای اندازه گیری در تعیین خواص مصالح مورد استفاده در شیروانی ها ویا خطاهای اجرایی ضرایب اطمینان به تنهایی پاسخگوی وضعیت پیش آمده نخواهد بود. دراین گونه حالات درصورتی که خواص مکانیکی اجزای شیروانی کمتر از مقدار واقعی آنها فرض شده باشد ، طراحی به صورت دست بالا انجام شده و هزینه اجرای پروژه افزایش می یابد و اگر این خواص بیشتر از مقدار واقعی فرض شوند، طراحی صحیح انجام نشده است. لذا بهتر است علاوه بر روش طراحی به روش ضریب اطمینان ، روش های دیگری نیز حداقل به منظور کنترل این روش به کار برده شود(E1). در این فصل به صورت اختصار مفاهیم کلی خاک مسلح و روش قلبلیت اطمینان بیان میشود.

1-2         تعریف ها و مفاهیم کلی خاک مسلح و قابلیت اطمینان

در مهندسی ژئوتکنیک روش های متفاوتی برای بهبود خواص مکانیکی به کار برده می شود. از جمله این روش ها می توان تثبیت خاک ها با افزودن آهک وسیمان ، تراکم دینامیکی ، پیش بارگذاری و مسلح سازی را نام برد. تکنیک تسلیح خاک به عنوان یک روش مفید و اقتصادی برای حل بسیاری از مسائل علمی در مهندسی ژئو تکنیک نظیر بهبود زمین های سست ، پایدارسازی شیروانی ها ، کاهش فشار خاک و بسیاری از موراد دیگر مورد استفاده قرار گرفته است . خاک مسلح از ترکیب خاک واجزا مقاوم در برابر نیروهای کششی به وجود می آید. استفاده از ژئوسنتتیک ها در مسلح سازی خاک ها تکنیکی نسبتا نو در مهندسی ژئو تکنیک می باشد که در دو دهه اخیر رایج شده است.

از مزایا و معایب شیروانی های تقویت شده با ژئوتکستایل یا ژئوگرید ، می توان به موراد زیر اشاره نمود:

الف) مزایا

این روش بسیار اقتصادی است.

ساخت آنها معمولا ساده و سریع است و نیاز به نیروی انسانی ماهر وتجهیزات خاص ندارد. از طرفی وجود بسیاری از بخش های از پیش ساخته اجازه ساخت نسبتا سریع را می دهد.

صرف نظر از ارتفاع و طول شیروانی ها ، شیروانی ها نیاز به نگهداری سازه در حین ساخت (قالب بندی و...) مانند آنچه در مورد دیوارهای حائل متداول است نمی باشد.

شیروانی های مسلح نسبتا انعطاف پذیر (شکل پذیر) بوده و می توانند تغییر شکل های جانبی بزرگ را تحمل کنند و اختلاف نشست های قائم (نشست های ناهمگن) بزرگ را بپذیرند. شکل پذیری شیروانی های مسلح با ژئوسنتتیک ، موجب استفاده از ضریب اطمینان پایین تر در طراحی ظرفیت باربری ، نسبت به سازه های صلب متعارف می شود.

شیروانی های مسلح در برابر بارگذاری زلزله پتانسیل خوبی دارند زیرا شکل پذیرند واین جرم خاکی منسجم خاصیت جذب انرژی ذاتی را نیز دارد.

ب) معایب

مقاومت ژئو سنتیک ها در اثر ایجاد خسارت احتمالی به آن ها در حین اجرا کاهش می یابد.

مقاومت ژئو سنتتیک ها با گذشت زمان ، در تماس با بارها و حرارت خاک کاهش می یابد.

ساخت شیروانی های مسلح در مناطق خاکبرداری، نیاز به حجم عملیات زیاد دارد.

خاکبرداری از پشت شیروانی های مسلح با محدودیت مواجه است(F2)

با این حال از آن جا که کاربرد ژئوسنتتیک ها نسبتا نوپا است، لذا آثار زیادی از آن ها مانند خزش، پیرشدگی و دوام بر اساس تجربه های عملی شناخته شده نیست. همچنین باید به این نکته توجه داشت که ژئوسنتتیک ها در معرض تابش اشعه فرابنفش ممکن است به سرعت تنزل پیدا کنند که باید در انتهای ساخت یک پوشش مناسب به سطوح خارجی شیروانی که در معرض تابش خورشید می باشد ، اضافه شود.

از جمله کاربرد شیروانیهای مسلح خاکی می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

احداث خاکریزهای بلند در بزرگراهها

جایگزین برای دیوار های حائل معمولی

تعریض شیروانی های موجود در بزرگراهها

ترمیم وتثبیت شیروانی های گسیخته شده

ساخت بندهای خاکی دائمی و سازه های موقت کنترل سیلاب 

ساخت خاکریزهایی با مصالح درشت دانه و ریزدانه

تعریض جاده های موقت(F1)                                                                           

در شکل 1-1 دو نمونه از کاربردهای خاک مسلح مشاهده میشود

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)

1-3         اهداف پژوهش

با توجه به اینکه موضوع پایداری شیروانی های خاکی مسلح با ژئو سنتتیک ،موضوعی بسیار مهم و کاربردی می باشد بنابراین مطالعه پارامتریک این موضوع از اهمیت بسزایی برخوردار است.

هدف از انجام این پژوهش ، بررسی پارامتریک پایداری شیروانی های خاک مسلح می باشد. در این پایان نامه با استفاده از نرم افزار Slide اثر پارامترهای مختلف نظیر زاویه اصطکاک داخلی خاک، وزن مخصوص خاک ، ارتفاع شیروانی ، شیب شیروانی ، طول لایه های تسلیح ،مقاومت مسلح کننده ها ، فواصل مسلح کننده،نیروی زلزله به دوروش ضریب اطمینان ( روشی سنتی) و قابلیت اطمینان( با فرض عدم قطعیت در پارامترها ) بر روی پایداری شیروانی در حالت لرزه ای  بررسی می شود.

1-4         ساختار پایان نامه

همانگونه که اشاره شد در دو دهه اخیر استفاده از خاک مسلح پیشرفت وسیعی داشته است که این پیشرفت ها موجب شده اند تا از خاک مسلح در رسیدن به اهداف مورد نظر استفاده شود. با توجه به افزایش مطالعات در زمینه های خاک مسلح و همچنین رو ش های مختلف طراحی ،در فصل دوم در مورد تاریخچه خاک مسلح ،انواع مسلح کننده های پلیمری و کاربردهای آنها و نیز مفاهیم کلی آماری که پایه اصلی شکل گیری روش طراحی قابلیت اطمینان میباشند ارائه شده است. سپس در فصل سوم به توضیح روش های مختلف طراحی به خصوص روش قابلیت اطمینان پرداخته شده است. در فصل چهارم در مورد مشخصات برنامه اسلاید توضیح داده شده و پس از معرفی نرم افزار اسلاید و کاربرد های آن ،مشخصه ها و فرضیات بکار گرفته شده برای الگوسازی به تفضیل شرح داده میشود. در فصل پنجم مطالعه پارامتریک برروی شیروانی مورد نظر انجام میشود و درنهایت تاثیر پارامتر های مختلف مشخص میشود. در پایان این فصل نیز به بررسی برخی نمودارهای آماری پرداخته میشود.

در نهایت فصل ششم شامل جمع بندی نتایج وارائه پیشنهادات برای کارهای آتی میباشد

فصل دوم

مروری بر ادبیات فنی خاک مسلح و مفاهیم آماری

1-1         مقدمه

در شاخه مهندسی ژئو تکنیک همانند سایر رشته های مهندسی در چند دهه اخیر پیشرفت های فروانی حاصل شده است . از موضوعات جدید و پر اهمیت مطرح شده ، موضوع خاک مسلح می باشد. خاک مسلح در معنی عام عبارت است از یک توده خاکی که با قرار دادن عناصر کششی نظیر مهار ، تسمه های فولادی ، ورقه ها یا شبکه های ژئو سنتتیک و... تسلیح گردیده و توسط پوشش های خاص حفاظت شده است. خاک مسلح ، مصالح ویژه ای است که از ترکیب خاک و عضو مسلح کننده بوجود می آید. اساس سیستم خاک مسلح بر مبنای استفاده از مصالحی است که توانایی تحمل تنش های کششی بالایی را دارند، به گونه ای که توده خاک مسلح شده پایدار باشد. بدین ترتیب رفتار جرم خاک همراه با المان های کششی نظیر میخ ها، مهارها ، و ژئوسنتتیک ها تغییر کرده و مشکل پایین بودن مقاومت کششی سازه خاکی حل شود. در نتیجه تسلیح ، سازه خاکی مقاومت بیشتری در مقابل نیروهای لغزشی و از جا درآمدگی (بیرون آمدگی) از خود نشان می دهد.(F2)

در واقع مکانیزم اصلی و اساسی و رفتار توده خاک مسلح به اندرکنش بین خاک و المان تسلیح بستگی دارد واساس طراحی بر مبنای انتقال بار از طریق اصطکاک یا چسبندگی خاک در ناحیه فصل مشترک خاک و مصالح تسلیح می باشد.

به طور کلی مسلح کننده ها باید در مکان و جهت درستی قرار داده شوند و دارای مقاومت کافی برای مقابله با نیروهای کششی باشند. هدف از قرار دادن مسلح کننده ها در توده خاک آن است که این المان ها را در جهت های خاصی به هم بچسبانند. به عبارت دیگر خاک را قادر سازند که در مقابل نیروهای کششی و یا برشی در جهت معینی مقاومت نماید.(E2)

مسلح کننده ها معمولا در بسترهای افقی و اغلب به صورت موازی با یکدیگر کارگزاری می شوند و به عنوان عامل انتقال تنش ، مابین خود و توده خاک عمل می کنند. چند مورد از سازه هایی که میتوانند مسلح شوند در شکل 2-1 مشاهده میشود

Abstract

Reinforced soil is a special material created by composing soil and reinforced member.

Reinforcers are components resistant to tensional forces; they can be such as wire, tape, web, cloth, wad and etc. made from steel, aluminum, plastic, polymeric materials or other materials. Basically soil is weak against tensile and shear forces and reinforced soil is a solution compensating these weaknesses.

Combination of reinforce material and soil creates a special material having different specifications than those for constituting components and makes it possible to build economic structures capable of controlling tensile forces.

Using polymeric reinforces made it possible to use the reinforced soil in great range of soil structures such as retaining walls and slops. Geosynthetics are put in soil piles as reinforce and tensile elements which increases the soil loading capacity.

There are different methods to analyze and design the reinforced soil .Based on done studies, most of the slopes designing methods, which are reinforced by geosynthetic, are based on limiting methods among which the limit equilibrium method and finite element  are used more frequently

On the other hand In geotechnical problems, uncertainty variability and inherent variability in strength parameters of soil is undeniable. In addition , other errors in geotechnical problems. Also there are uncertainties in estimating pseudo static acceleration. Regarding variable and uncertain nature of slope stability problem especially earth dams, reliability analysis is important. One way of considering uncertainty is mont carlo simulation method.In montcarlo simulation method for variable input parameters ,the probability distribution function will be considered.By random sampling of these distribution functions, the factor of safety will be calculated frequently and finally the reliability index and probability of failure are obtainable.

In this thesis, friction angle, specific gravity,tensile strength of supports,length of supports, distance between supports and pseudo static cofficient are considered as indefinite and variable parameters and how to design a slope of a probabilistic approach has been studied. Thereby an optimum economic plan is obtained.

Key words

Reinforced soil,Reliability,Factor of safety,monte carlo method

مراجع

الف-منابع فارسی

(F1)معتمدی، کیارش (1376) "بررسی پایداری شیب ها و دیوارهای مسلح با ژئوسنتتیک "پایان نامه کارشناسی ارشد،دانشگاه تهران "

(F2)عباسپور،علی حسین(1375) "پایداری شیب ها با ژئوتکستایل" پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه علم و صنعت ایران

(F3)براری،امین(1382) "پایداری دیوارهای خاکی مسلح" پایان نامه کارشناسی ارشد،دانشگاه صنعتی اصفهان

(F4)مجتهدی،م.ع.،فخاریان،ک.،(1381) "بررسی رفتار کوله های خاک مسلح با ژئوگرید" ،سومین همایش ژئوتکنیک

(F5)فخاریان،کاظم.،مجتهدی،محمد علی.،(1380)"ژئوسنتتیک ها ،معرفی ،کاربرد و وضعیت آنها در جهان و ایران."پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه صنعتی امیرکبیر"

(F6)اولی پور،مسعود.،نورزایی،جمال الدین(1385)"آنالیز پایداری شیب های مسلح به روش اجزای محدود"هفتمین کنگره بین المللی مهندسی عمران"

(F7)فخاریان،کاظم.،مجتهدی،محمد علی.،(1380)"ژئوسنتتیک ها ،معرفی ،کاربرد و وضعیت آنها در جهان و ایران."نخستین کنفرانس بهسازی زمین"

(F8)احمد آخوندی،عباس(1376)"پلیمرها و سازه های مقاوم خاک مسلح"مرکز تحقیقات ساختمان ومسکن"

(F9)خدادادی،احمد.،نعمتی،سعید(1386)"ژئوسنتتیک ها و کاربرد آنها در پروژه های عمرانی و زیست محیطی" چاپ اول،تهران،انتشارات فدک

(F10)زندی،یوسف(1385) "ارزیابی دوام مسلح کننده ها در خاک" ،اولین همایش عمران شهری

(F11)رضاییان، محسن.(1378)، "ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم های مهندسی، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر" 

مقدری پور،محمد(1390) " تاثیر عدم قطعیت ها در مطالعه ی موردی سد خاکی گتوند به روش مونت کارلو"(F12)

ب-منابع لاتین

(E1)Jewell, R. A., and J. H. Greenwood. "Long term strength and safety in steep soil slopes reinforced by polymer materials." Geotextiles and Geomembranes7.1 (1988): 81-118.

 (E2)Jewell, R. A. (1985). Material properties for the design of geotextile reinforced slopes. Geotextiles and Geomembranes, 2(2), 83-109.

(E3)Vidal, H. (1969). The principle of reinforced earth. Highway research record.

 (E4)John Krahn, Stability modeling with Slope/W, An engineering Methodology, First Edition, May 2004

 (E5)Phoon, Kok-Kwang,(2008), Reliability-Based Design In Geotechnical Engineering

 (E6)Christian, J,J Ladd , C.c and Baecher , G.B (1992), “ reliability Index and probability in stability analysis” , American society of civil engineers, Geotechnical spatial publication ,12,1071-1111