اثرات بارهای جانبی سیکلیک بر شمع‌ها در ماسه

اثرات بارهای جانبی سیکلیک بر شمع‌ها در ماسه

چکیده:

اثر بارهای جانبی تکراری بر انحرافات دو پایه حفاری شده در خلیج تمپا به طرز معناداری بیشتر از پیشبینی­های یک روش p-y هستند که استفاده رایجی در عمل دارد. دلایل اختلاف بین انحراف­های پیشبینی‌شده و سنجیده شده مورد بحث قرار می‌گیرند. دو روش برای پیشبینی اثر بارهای جانبی تکراری با استفاده از نتایج ۳۴ تست بار جانبی دوره‌ای برای کمیتسنجی پارامترهای مدل که برای رفتار شمع‌های در معرض بارگذاری جانبی تکراری مهم هستند، استفاده شد. دو روش رفتار بار جانبی دوره‌ای یک شمع از طریق زوال مقاومت خاک به صورت تابعی از تعداد دوره‌های بار، روش نصب شمع، چگالی خاک، و مشخصه بار دوره‌ای هستند. این دو روش از جنبه تلاش محاسباتی مورد نیاز برای انجام پیشبینی متفاوت هستند. روش اول برای محاسبه دستی و حساب سرانگشتی دارای بیشترین تناسب است و مبتنی بر یک مدل فونداسیون شاهتیر الاستیک با یک مدول عکس العمل خاک، ، است که به طور متناسب با عمق افزایش می‌یابد. روش دوم منحنیهای p-y استاتیک غیرخطی را برای استخراج یک منحنی p-y دوره‌ای اصلاح می‌کند. این دو روش یک ابزار ساده را برای تخمین اثرات بار جانبی دوره‌ای فراهم می‌آورند. 

مقدمه

کمیتسنجی اثرات بارهای جانبی دوره‌ای بر شمع‌ها در ماسه به خاطر وقوع بارهای جانبی دوره‌ای در طبیعت مهم هستند. باد، امواج، فشارهای زمین، و فشارهای آب، می‌توانند بارهای جانبی دوره‌ای را در معرض سازه‌های پشتیبانی شده با شمع قراردهند. روشهای پرکاربرد برای پیشبینی پاسخ شمعها به بارهای جانبی دوره‌ای برای دو پایه در تمپا بی فلوریدا ارزیابی شدند، و مشخص شد که رفتار ناشی از بارگذاری دوره‌ای را به شکلی نامناسب پیشبینی می‌کنند. با استفاده از اطلاعات این تستها و سوابق موردی دیگر، پارامترهایی که بر رفتار شمعهای در معرض بارهای جانبی دوره‌ای تاثیر می‌گذارند شناسایی شدند، و دو روش برای پیشبینی رفتار انحراف بار مطرح می‌شود.

در ۱۲ سپتامبر ۱۹۸۲، آزمایشهای بارگذاری استاتیک و تکراری بر روی دو پایه فراساحلی در تمپا بی در مجاورت پل Sunshine Skyway انجام شدند. پیشبینیهای رفتار پایه‌ها با استفاده از یک روش پیشنهادی توسط Reese و همکارانش مطرح شدند (Reese et al. 1974). این روش به این خاطر انتخاب شد که مبتنی بر نتایج تستهای بار جانبی مقیاس کامل بر روی شمعها در ماسه است و این روش تطابق منطقی‌ای با نتایج حاصل از دیگر تستهای بار بدون ابزار سنجشی دارد (Meyer and Reese 1979).

دو پایه در تمپا بی انحرافات ناشی از بارگذاری دوره‌ای بیشتر از پیشبینی­ها را با استفاده از یک روش p-y ذکر شده توسط Reese, et al. (1974) تجربه کردند. روابط انحراف بار  نشان داده شده در شکلهای ۱(a) و ۱(b) برای سیکل اول بارگذاری و برای ۵۰ سیکل بارگذاری مورد سنجش و پیشبینی قرار می‌گیرند. چند توصیف احتمالی برای تفاوتها بین انحراف پیشبینی‌شده و سنجیده‌شده مورد بررسی قرار گرفتند. با این حال، تفاوت­ها در ساخت و ساز، خصوصیات خاک، و مشخصه‌های بارگذاری برای تستهای انجام شده در تمپا بی و جزیره موستانگ (Reese et aL 1974) بیش از آن هستند که با نتایج از تنها دو سایت کمیتسنجی شوند؛ از اینرو، نتایج ۳۴ تست بار جانبی تکراری در ماسه مورد بررسی قرار گرفتند. دو روش ساده در اینجا برای فراهم­سازی پیشبینی اثرات بار جانبی دوره‌ای بر روی شمعها مطرح می‌شوند. این دو روش شامل اثرات بر روی مشخصه‌های بار دوره‌ای، تعداد دوره‌ها، روش نصب، و چگالی خاک هستند. این دو روش ابزاری را برای تخمین اثرات بارهای جانبی دوره‌ای بر روی شمعها در ماسه فراهم می‌آورد.

رفتار شمع‌هایی که به طور مکرر بارگذاری ‌شده‌اند

بحث کیفی رفتار سیکلیک یا دوره ای شمع ها

رفتار شمع عمودی در معرض بارهای جانبی تکراری به مشخصه‌های بار جانبی، ویژگیهای هندسی و ساختاری شمع، ویژگی های خاکی که در آن شمع تعبیه شده است، و تغییر در ویژگیهای خاک در زمانی که شمع به صورت مکرر بارگذاری شده باشد.

یک مدل ساده‌سازی‌شده شمع-خاک برای نمایش رفتار یک خاک و شمع برای اعمال یک بار دوره‌ای جانبی در سر یک شمع استفاده می‌شود. در این مدل، شمع الاستیک، با طول نامحدود، عمودی، و تعبیه‌شده در یک خاک غیرچسبنده فرض می‌شود. یک بار جانبی دوطرفه در سر شمع به صورت سینوسی با زمان در فرکانسی تغییر می‌کند که به اندازه‌ای پایین است که فقط اثرات بار تکراری مهم هستند (اثرات اینرسی حداقلی است) و هرگونه فشار آب منفذی تولید شده در خاک به سرعت انتشار می‌یابد. علاوه بر این، فرض می‌شود که خاک غیرچسبنده هیچ چسبندگی یا خزش معناداری را نشان نمی‌دهد. رفتار شمع برای چهار فاز در طی یک دوره از بار توصیف می‌شود. اثر هر ربع سیکل بار توصیف می‌شود و تاثیر سیکلهای بعدی ذکر می‌شود.

در طی اولین ربع سیکل، بزرگی بار جانبی از یک مقدار صفر تا یک بار افقی حداکثری  در یک جهت به سمت راست متغیر است. سر شمع، در پاسخ به بار اعمال شده، می‌چرخد و به راست برمی‌گردد. مقاومت در برابر انحراف شمع توسط خاک در امتداد سمت راست شمع فراهمسازی می‌شود در حالی که خاک در امتداد سمت چپ شمع با جریان با شمع تماسش را حفظ می‌کند. خاک پیرامون شمع ممکن است بسته به چگالی اولیه و وضعیت تنشش تغییر حجم دهد (Chang and Whitman 1988).

اثرات بارهای جانبی سیکلیک بر شمع‌ها در ماسه

در طی ربع سیکل دوم، بار جانبی از یک مقدار  به صفر کاهش می‌یابد، و سر شمع به سمت موقعیت اصلیش منحرف می‌شود. با گردش شمع به چپ، مقاومت خاک در امتداد سمت چپ شمع افزایش می‌یابد در حالی که مقاومت خاک در سمت راست کاهش می‌یابد. اگر فشار خاک در امتداد سمت راست به یک وضعیت فعال کاهش یابد، خاک غیرچسبنده جریان خواهد یافت و از ایجاد یک شکاف جلوگیری می‌کند، و بدین طریق تماس با سطح شمع را تضمین می‌کند. در رابطه با ربع سیکل اول بار، خاک غیرچسبنده می‌تواند بسته به چگالیش تغییر حجم دهد و وضعیت تنش در آن تغییر یابد.

جهت بار جانبی، ، و انحراف متناظر سر شمع برای ربع سیکل سوم معکوس می‌شوند. دامنه بار افقی از صفر به  تغییر می‌یابد که باعث می‌شود شمع به سمت چپ منحرف شود. شمع می‌تواند پیش از رسیدن به مکان اصلی سر شمع در برابر بارهای جانبی که با پشت شمع در طی ربع سیکل اول بار جریان می‌یافت مقاومت نماید. با نزدیک شدن بار به  ، شمع به چپ منحرف می‌شود در حالی که خاک با سمت راست شمع تماس خود را حفظ می‌کند و مانع از هرگونه فاصله شمع و خاک می‌شود.

پاسخ شمع و خاک در طی ربع سیکل چهارم مشابه، ولی برخلاف جهت، پاسخی توصیف شده در طی ربع سیکل دوم است. بسته به چگالی خاک و وضعیت تنش در خاک، تغییرات حجمی در خاک ممکن است رخ دهد.

اثر سیکلهای بیشتر بر انحراف حداکثری شمع و بر ممانهای خمشی درون شمع به تغییرات در ویژگیهای مکانیکی (استقامت، ضریب) و تجمیع کرنشهای دائمی در خاک بستگی دارد.

مشخصه‌های بار می‌توانند تاثیرگذاری بالقوه‌ای بر رفتار شمعهای در معرض بارهای جانبی دوره‌ای داشته باشند. اگر جابجایی دوره‌ای شمع عمدتا در یک جهت باشد، آنگاه اثرات تغییرشکل­های تجمعی تشدید خواهد شد. به عنوان مثال، بارگذاری دوره‌ای یک طرفه (بار از ۰ تا   بدون معکوس شدن جهت بار تغییر می‌کند) باعث القای کرنشهای دائمی­تر و تغییرشکلهای تجمعی بیشتری نسبت به شمعهای در معرض بارهای دوره‌ای دوطرفه می‌شود (بار از  تا   تا  تا  تغییر می‌کند).

جزئیات سازه‌ای شمع نیز ممکن است در رفتار یک شمع وقتی در معرض بارهای جانبی دوره‌ای قرار بگیرد نقش‌آفرین باشد. وقتی شمع بارگذاری شود، ممانهای تولید شده درون شمع سبب می‌شوند تا شمع خم شده و تنش و فشردگی درون شمع بر روی سطح مقطع تحریک شود. سطح مقطعهای فولادی معمولا در برابر ممان خمشی ماکسیمم پیشبینی شده در طراحی، الاستیک می‌مانند؛ از اینرو، سختی خمشی سطح مقطع فولاد برای تمام بزرگیها و سیکلهای بار بدون تغییر می‌ماند. با این حال، سختی خمشی بخشهای بتن تقویت‌شده با افزایش ممان و سیکلهای بار ناشی از ترک‌خوردگی پیش‌رونده سطح مقطع کاهش می‌یابند (Little and Briaud 1988). تغییرات در سختی خمشی برای سطح مقطعهای شمع تقویت‌شده‌ای که پس‌تنیده و یا پیش‌تنیده نیستند شدیدتر هستند زیرا تنشهای کششی بیشترین مقدار را دارند و شکلگیری ترک شیوع بیشتری دارد. از آنجا که انحراف یک شمع متاثر از تغییرات در سختی خمشی می­باشد، تاثیر این تغییرات بر عملکرد شمع باید یک ملاحظه طراحی باشد. اغلب، اثرات زوال در سختی خمشی ناچیز هستند زیرا تنها نسبت کوچکی از شمع ممانهای خمشی بزرگی را تجربه می‌کند. از اینرو تنها نسبت کوچکی از شمع زوال معنادار در سختی خمشی را تجربه می‌کند (Long and Reese 1982; Kramer and Heavey 1988)، و شمع در بارهای کاری تاثیرپذیری حداقلی دارد.

اثرات بارهای جانبی سیکلیک بر شمع‌ها در ماسه

جمع ­بندی

دو روش ساده برای تعیین اثر بارهای جانبی دوره‌ای بر روی شمعها ارائه می‌شوند. این دو روش از پارامترهای استخراج شده از نتایج ۳۴ تست بار جانبی، دوره‌ای و مقیاس‌کامل برای تعیین اثرات بارگذاری دوره‌ای استفاده می‌کنند. روش LISM یک راه‌حل شکل بسته را با استفاده از یک آنالیز BOEF با یک مدول عکس العمل خاک افزایشی خطی تنزل یافته از یک ضریب استاتیک بکارگیری می‌کند. روش DSPY مقاومت فراهم­سازی شده توسط یک منحنی p-y استاتیک معلوم را برای لحاظ نمودن اثرات بار جانبی دوره‌ای لحاظ نموده است. رویه DSPY را می‌توان به منحنیهای p-y استاتیک غیرخطی اعمال نمود؛ از اینرو، رویه‌های جاری برای پیشبینی منحنی­های p-y استاتیک را همچنان می‌توان مورد استفاده نمود، در حالی که روش DSPY را می‌توان برای تخمین اثر بارهای دوره‌ای اعمال نمود.

مهمترین پارامتر یافت شده برای حاکمیت بر رفتار شمع­ها در طی بارگذاری سیکلیک مشخصه‌های بار دوره‌ای هستند. فاکتورهای دیگر شامل روش نصب و چگالی خاک هستند.

دانلود مقاله اثرات بارهای جانبی سیکلیک بر شمع‌ها در ماسه