پایان نامه بررسی وضعیت پایداری تونل ها و سایر سازه های زیرزمینی در اثر بار های لرزه ای

چکیده

تأسیسات زیرزمینی جزء لاینفک جامعه مدرن بوده و برای کاربردهای متعددی شامل متروها و خطوط راه آهن، بزرگراه­ها، انبار مصالح و انتقال آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می­گیرد. تأسیسات زیرزمینی ساخته شده در نواحی متأثر از فعالیت زلزله باید در برابر هر دو بارگذاری زلزله و استاتیکی مقاومت کنند. با مرور موارد تاریخی اثرات زلزله روی اینگونه سازه ها ملاحظه می­شود که نرخ خرابی آنها نسبت به سازه­های روزمینی پایین تر است. در عین حال در زلزله های اخیر مانند زلزله سال 1995 کوبه ژاپن، زلزله های 1995 چی چی تایوان، زلزله­های 1999 کوکائلی ترکیه، سازه­های زیرزمینی دچار خسارت عمده ای شده اند.

با توجه به اینکه در مورد مقایسه عملکرد لرزه­ای تونل های تکی و دوقلو مطالعات کمتری انجام شده است در این مطالعه، با استفاده از روش المان محدود، عملکرد لرزه­ای تونل تکی و دوقلو در هنگام وقوع زلزله در شرایط کرنش صفحه بررسی شده است. از موارد قابل توجه درباره پاسخ لرزه ای سازه های زیر زمینی در نظرگیری پارامترهای مختلف     مؤثر بر این پدیده نظیر خواص ژئوتکنیکی و عمق قرار­گیری تونل می­باشد تا مقایسه­ای از تغییر شکل و نیروهای داخلی بوجود آمده از تونل­ها را داشته باشیم.

نتایج حاصل از مقایسه عملکرد لرز­ه­ای تونل تکی و دوقلو نشان می­دهد که مقادیر نیروهای به وجود آمده در تونل­های تکی و دوقلو به هم نزدیک بوده، به همین دلیل با قاطعیت نمی­توان در مورد نیروهای داخلی به وجود آمده اظهار نظر کرد و همچنین تغییر مکان در عمق­های 15 و30 متری با مشخصات مختلف ژئوتکنیکی در فاز استاتیکی در تونل­های تکی کمتر از تونل­های دوقلو است که این امر ناشی از آزاد شدگی تنش و ضعیف شدن خاک در اثر حفر تونل دوقلو می­باشد، درحالی که تغییر مکان در عمق 10 متری با مشخصات مختلف ژئوتکنیکی خاک در فاز استاتیکی در تونل­های تکی بیشتر از تونل­های دوقلو می­باشد که احتمال این روند به دلیل تأثیر عمق قرارگیری، می­تواند باشد. تغییر مکان در در عمق­های 10، 15 و 30 متری با مشخصات مختلف ژئوتکنیکی خاک در فاز دینامیکی، در تونل­های تکی بیشتر از تونل­های دوقلو می­باشد که علت آن می­تواند اندر کنش تونل­های دوقلو باشد.

کلمات کلیدی: تونل های دوقلو،تونل تکی، لرزه ای، تحلیل دینامیکی

فصل اول:

کلیات تحقیق

1-1- بیان مساله

با توجه به توسعه روز افزون مناطق شهری و به تبع آن افزایش نیازهای حمل و نقل درون شهری، در سال های اخیر حمل و نقل زیرزمینی مورد توجه خاصی قرار گرفته است. تونل های حفرشده برای حمل و نقل می­تواند برای عبور مترو، اتوبوس های حمل و نقل عمومی و یا خودروهای شخصی مورد استفاده قرار گیرد. احداث تونل­ها به دو صورت تکی و یا دوقلو می­تواند صورت گیرد. یعنی در بسیاری از مواقع لازم است به جای یک تونل با عرض زیاد دو تونل با عرض کمتر در فاصله کمی از هم حفاری شود.

در مورد مقایسه عملکرد لرزه­ای تونل های تکی و دوقلو مطالعات کمتری انجام شده است. مهمترین تحقیقاتی که بر روی مقایسه لرزه­ای تونل­های تکی با دوقلو انجام شده مطالعات عددی بوده است. این مطالعات با استفاده از نرم افزار­های مدل­سازی عددی اجزا محدود و یا تفاضل محدود نوشته شده اند انجام گرفته است. از جمله این بررسی­ها می­توان به آنالیز اجزا محدود 2 بعدی انجام شده با FLAC که توسط نادر قاسم­پور و مجید کیانی و نیز آنالیز اجزا محدود که محمدرضا مؤمن­زاده، محمدرضا منصوری و آرمین عظیمی با استفاده از نرم افزار ABAQUS انجام داده اند اشاره کرد.

1-2- ضرورت تحقیق

امروزه به دلیل نیاز روز افزون به استفاده از فضاهای زیرزمینی شهری، ضرورت بررسی این سازه­ها در برابر زلزله بیش از پیش احساس می­شود.  با توجه به اینکه سازه هایی با مقطع مستدیر ساخته می­شوند، تغییر شکل ها و تنش های ایجاد شده در زمین ناشی از زلزله، با تغییر عمق تغییرات بسیار زیادی داشته و در نهایت شرایط پیچیده تری را فراهم می­آورند. طراحی تسهیلات زیرزمینی در برابر زلزله نسبت به طراحی لرزه ای سازه های سطحی دارای جنبه های بسیار متفاوت می باشد. نیروی زلزله وارد بر سازه های سطحی متعارف، اصولاً ناشی از اثرات اینرسی بر سازه می باشد ولی در سازه های زیر زمینی روی تغییر شکل زمین و اندرکنش آن با سازه با تأکید روی تغییرمکان تمرکز دارد. نکته مسئله­ساز اینجاست که تا کنون در مورد مقایسه عملکرد لرزه ای تونل های تکی با دوقلو با مقطع مستدیر مطالعات کمتری صورت گرفته است و تعداد کمی از پارامترهای تأثیرگذار در بحث مقایسه عملکرد لرزه ای تونل های تکی و دوقلو با مقطع مستدیر مورد بررسی قرار گرفته است و کاستی های چشمگیری در این زمینه مشاهده می­شود.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

 1-3- نوآوری تحقیق

از موارد قابل توجه درباره پاسخ لرزه ای سازه های زیر زمینی در نظرگیری پارامترهای مختلف     مؤثر بر این پدیده نظیر خواص ژئوتکنیکی و عمق قرار­گیری تونل می­باشد. با توجه به اینکه مطالعات اندکی بر روی تأثیر پارامترهای مورد اشاره بر روی پاسخ سازه­های زیرزمینی بزرگ با مقطع مستدیر صورت گرفته است این نیاز احساس می­گردد تا با در نظر­گیری این پارامترها تصور تقریباً روشنی از رفتار سازه­های زیرزمینی در مواقع رخداد زلزله و پس از آن داشته باشیم.

1-4- اهداف تحقیق       

بررسی وضعیت پایداری تونل ها و سایر سازه­های زیرزمینی در اثر بارهای لرزه ای، یکی از     مسائل ویژه ای است که باید به آن دقت ویژه ای شود. در این تحقیق با استفاده از روش مدل سازی اجزا محدود، خاک و تونل را در نرم افزار PLAXIS مدل سازی کرده تا مقایسه ای بین نیروهای بوجود آمده روی پوشش تونل های تکی و دوقلو در برابر بارهای لرزه ای انجام می دهیم تا برآوردی از نیروها و تغییر شکل های ایجاد شده در حین طراحی داشته باشیم.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

1-5- روش و راهکار انجام تحقیق 

1) مروری بر مطالعات انجام شده در زمینه رفتار لرزه ای سازه های زیرزمینی

2) در نظر گیری یک مدل رفتاری مناسب جهت مدل سازی رفتار خمیری خاک تحت بارگذاری زلزله

3) شبیه سازی سازه زیرزمینی با استفاده از نرم افزار PLAXIS

4) تفسیر نتایج بدست آمده از مقایسه نتایج مدل سازی عددی

5) جمع بندی و تدوین گزارش

فصل دوم:

مروری بر تحقیقات انجام شده

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

2-1- مقدمه

تأسیسات زیرزمینی جزء لاینفک جامعه مدرن بوده و برای کاربردهای متعددی شامل متروها و خطوط راه آهن، بزرگراه­ها، انبار مصالح و انتقال آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می­گیرد. تأسیسات زیرزمینی ساخته شده در نواحی متأثر از فعالیت زلزله باید در برابر هر دو بارگذاری زلزله و استاتیکی مقاومت کنند. با مرور موارد تاریخی اثرات زلزله روی اینگونه سازه ها ملاحظه می­شود که نرخ خرابی آنها نسبت به سازه­های روزمینی پایین تر است. در عین حال در زلزله های اخیر مانند زلزله سال 1995 کوبه ژاپن، زلزله های 1995 چی چی تایوان، زلزله­های 1999 کوکائلی ترکیه، سازه­های زیرزمینی دچار خسارت عمده ای شده اند. بطور کل طراحی لرزه­ای برای سازه­های زیرزمینی بر حسب تغییر شکل­ها و کرنش­های تحمیلی بر سازه بوسیله خاک مجاور و اغلب بدلیل اندرکنش بین این دو توصیف می­شود. در مقابل، سازه­های روزمینی برای نیروهای اینرسی ناشی از شتاب زمین طراحی می­شوند.

ساده­ترین روش، چشم پوشی کردن از اندرکنش سازه زیرزمینی با خاک اطراف است. تغییر شکل های خاک حوزه آزاد به  علت یک رویداد لرزه ای اندازه گیری شده و سازه زیرزمینی مطابق با این تغییر شکل ها طراحی می­شود. این روش زمانیکه ارتعاش در سطح پایین است یا تأسیسات زیرزمینی در خاک نیمه سخت قرار دارد، رضایت بخش است. روش های دیگر که اندرکنش بین تکیه گاه های سازه و خاک اطراف را در نظر می­گیرد شرح داده خواهند شد. در روش تحلیل شبه استاتیکی، تغییر شکل­های زمین به صورت بار استاتیکی وارد شده و اندرکنش خاک- سازه شامل اثرات دینامیکی و انتشار امواج نمی­شود. در روش تحلیل دینامیکی، یک اندرکنش خاک- سازه با بکارگیری ابزارهای تحلیل عددی مانند روش های المان محدود و تفاضل محدود اجرا می شود.

سازه­های زیرزمینی دارای خصوصیاتی هستند که رفتار لرزه­ای آنها را از اغلب سازه­های روزمینی متمایز می­کند، بطور قابل ملاحظه (1) محاط کامل در خاک یا سنگ و (2) طول قابل توجه آنها (تونل ها). بنابراین طراحی سازه­های زیرزمینی جهت تحمل بارگذاری لرزه­ای از طراحی لرزه­ای سازه­های روزمینی بسیار متفاوت است. تأسیسات زیرزمینی حجیم که بطور معمول در مناطق شهری مورد استفاده قرار می گیرند، شامل تونل های قطور، سازه های کند و پوش و سازه های مدفون (شکل(2-1)).  

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

تونل های قطور، سازه های زیرزمینی طولی هستند که در آنها طول بسیار بزرگتر از قطر مقطع عرضی است. این سازه­ها را می توان در سه رده وسیع طبقه بندی نمود که هر یک دارای خصوصیات طراحی و روش های ساخت مجزا می   باشند:

تونل های نقبی(مستدیر)1

تونل های کند و پوش2

تونل های لوله ای غوطه ور3

این تونل ها اغلب برای سازه های مترو، تونل های بزرگراه ها، و کانال­های بزرگ انتقال آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می­گیرند.

تونل های نقبی (مستدیر) منحصر بفرد هستند زیرا بدون تأثیر خاک یا سنگ بالا حفاری می شوند. تونل های حفاری شده با استفاده از دستگاه های حفاری تونل (TBM) معمولاً مدور هستند، تونل های دیگر ممکن است به شکل مستطیل یا نعل اسب باشند. جاهایی که حفاری نقبی (مستدیر) به حفاری کند و پوش ترجیح داده می شود شامل (1) وجود سازه های بالایی (2) عمق حفاری قابل توجه باشد. در سازه های کند و پوش، حفاری باز انجام شده، سازه ساخته می­شود و سپس روی سازه ساخته شده با خاک پر می شود. این روش معمولاً برای تونل­های با مقطع عرضی مستطیلی و برای تونل­های نسبتاً کم عمق (کمتر از 15 متر سربار) مورد استفاده قرار می­گیرد. مثال هایی از این سازه ها شامل ایستگاه های مترو، سازه های ورودی تونل و تونل های بزرگراه ها می باشد. تونل های لوله ای غوطه­ور برای انتقال حجمی آب بکار گرفته می شوند. این روش   شامل ساخت مقطع در کارگاه، سپس انتقال این مقاطع و فرو بردن آن­ها در مکان مورد نظر و متعادل کردن یا مهار کردن لوله­ها می­باشد.

2-2- عملکرد تأسیسات زیرمینی طی رویداد زلزله

مطالعات بسیاری خسارت زلزله به تأسیسات زیرزمینی را به ثبت رسانده اند.ASCE  خسارت در منطقه لس آنجلس ناشی از زلزله سان فرناندو 1971 توصیف می کند.JSCE  عملکرد چندین سازه زیرزمینی شامل تونل های لوله­ای غوطه ور طی لرزش در ژاپن را توصیف می کند.  Dukeو Leeds، Steven ، Dowding  و Rozen، Owen   و Scholl ، Sharma   و Judd، Power  و دیگران، Kaneshiro  و دیگران، همگی مختصری از موارد تاریخی خسارت به تأسیسات زیرزمینی را ارائه داده اند. Owen  و Scholl کوشش Dowding  و Rozen را با 127 مورد تاریخی به روز در آوردند. Sharma   و Judd یک پایگاه داده وسیع از خسارت لرزه ای به سازه های زیرزمینی با استفاده از 192 مورد تاریخی گسترش دادند. Power و دیگران با 217 مورد تاریخی، تجدید نظر بیشتری انجام داده اند. مشاهدات کلی زیر در خصوص عملکرد لرزه ای سازه های زیرزمینی می­تواند صورت گیرد:

سازه های زیرزمینی نسبت به سازه هایی که روی سطح ساخته می شوند، در اثر زلزله متحمل خسارت کمتری می گردند.

هر چه عمق تونل بیشتر باشد، میزان خرابی در مقایسه با تونل های کم عمق، کمتر است. این امر را بطور طبیعی می توان به بهبود خواص مصالح با افزایش ناشی از سربار و زائل شدگی امواج زلزله با عمق مرتبط دانست.

سازه های زیر زمینی بنا شده در خاک در مقایسه با سازه های زیر زمینی بنا شده در سنگ های مقاوم، دچار خرابی بیشتری می شوند.

تونل های دارای پوشش و همچنین تونل هایی که در آنها تزریق انجام شده است نسبت به تونل های بدون پوشش در سنگ ایمن تراند. بطور کلی پایدارسازی زمین اطراف تونل و بهبود تماس پوشش با محیط بوسیله تزریق در کاهش خسارات مؤثر است.

تونل های تحت اثر بارهای متقارن که باعث بهبود اندر کنش میان پوشش و محیط اطراف تونل می گردد، در برابر زلزله پایدارترند. ضخیم کردن پوشش ممکن است منجر به افزایش نیروهای ناشی از زلزله در پوشش گردد.

خسارات ایجاد شده در حین زلزله را می توان به پارامترهایی همچون حداکثر سرعت و شتاب زمین بر مبنای بزرگی و فاصله از کانون زلزله مورد نظر مرتبط نمود.

مدت زمان حرکت قوی زمین در حین زلزله دارای اهمیت قابل توجهی است. چرا که ممکن است باعث ایجاد گسیختگی ناشی از تغییر مکان های بزرگ گردد.

حرکات با فرکانس بالا ممکن است باعث افتادن سنگ ها و قطعات بتنی در امتداد صفحه ضعیف شود. این نوع فرکانس ها که بسرعت با فاصله زائل می گردد، معمولاً در فاصله کمی از منبع زلزله ایجاد می شوند.

بسته به زاویه و نحوه برخورد موج زلزله به تونل این امواج می توانند تقویت شود. البته این زمانی است که طول موج بین یک تا چهار برابر قطر تونل باشد.

اگر زلزله موجب ناپایداری شیروانی های سنگی یا خاکی گردد، خرابی ناشی از آن می تواند در ورودی تونل ها قابل توجه باشد.

2-3- مطالعات موردی عملکرد لرزه ای سازه های زیرزمینی

در ادامه خلاصه ای از چند مورد تاریخی در زمینه عملکرد لرزه ای سازه های زیرزمینی ارائه شده است.

2-3-1- سازه­های زیرزمینی در ایالات متحده

2-3-1-1- سیستم حمل و نقل منطقه خلیج (BART)، سان فرانسیسکو

سیستم BART یکی از نخستین تأسیسات طراحی شده با ملاحظات بارگذاری لرزه ای بود. طی زلزله 1989 لوما پریتا، تأسیسات سیستم متحمل خساراتی نشد، در حقیقت بعد از زلزله در حال بهره برداری بوده است که این مهم اصولاً به این دلیل بوده است که سیستم تحت ملاحظات طراحی لرزه ای دقیق، طراحی شده است.