با توجه به شکل (۳-۲۰)، برای Z=1، ممـــان های خمشی برای حالت ظرفیـــت کامل تا عمق ۳/۸ متر از ممان های خمشی حالت نفوذ معکوس بیشتر می باشند، که این امر نشان دهنده شرایط بحرانی است. اما برای عمق های بیشتر از ۴ متر، حالت نفوذ معکوس دارای ممان های بزرگتری می باشد. دلیل این امر افزایش فشار برخاست، ناشی از افزایش عمق و عرض کف کانال می باشد. برای Z=1/5، تا عمق ۲/۲۵ متر ممان های خمشی حالت ظرفیت کامل بزرگتر می باشند، در حالی که از این عمق به بالا، حالت نفوذ معکوس، به علت افزایش ممان های خمشی، حالت بحرانی می باشد. برای Z=2، تا عمق ۲/۲ متر ممان های خمشی حالت ظرفیت کانال بزرگتر و برای عمق های بیشتر، نفوذ معکوس به علت افزایش ممان های خمشی حالت بحرانی می باشد. این محققین به منظور فائق آمدن به ممان های اِعمالی، یکی از روش های زیر را پیشنهاد کردند[۷]:

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۱- افزایش ضخامت پوشش بتنی یا استفاده از بتن مسلح به منظور افزودن مقاومت در برابر ممان های خمشی
۲- ایجاد اتصالات در محل های مناسب به منظور خنثی نمودن ممان های خمشی
به منظور بررسی اثرات محل قرار گیری اتصالات انقباضی- انبساطی بر روی بزرگی ممان های خمشی، یک تحلیل مناسب صورت گرفت و نتایج در شکل (۳-۲۱)، نشان داده شده اند. این شکل، تغییرات ممان های خمشی را در مقابل محل قرارگیری آنها بر حسب تابعی از عمق کانال نشان می دهد.
شکل (۳-۲۰): تغییرات ممان خمشی بصورت تابعی از عمق [۷]
مطابق شکل(۳-۲۱)، این نتیجه مشخص است که، ممان خمشی ماکزیمم، در یک سوم پایینی عمق کانال ایجاد می شود. این نقطه، بهترین محل برای ایجاد یک اتصال انبساطی- انقباضی می باشد. بر اساس نتایج حاصل از بررسی های اخیر، بزرگترین مقادیر ممان های خمشی در یک سوم پایینی عمق کانال تولید می شوند و بنابراین، ایجاد یک اتصال در این نقطه، ممان های خمشی در این نقطه را تا یک دهم حالتِ بدون وجود اتصالات، کاهش می دهد. شکل (۳-۲۱)، اثر محل قرارگیری اتصالات انقباضی طولی را بر روی ممان های خمشی برای سه عمق مختلف کانال نشان می دهد[۷].
شکل ( ۳-۲۱ ):تغییرات ممان خمشی در مقابل محل قرارگیری درزها بر حسب تابعی از عمق [۷]
برای تمام شیب های کناری تحت بررسی، این پارامتر بیشترین اثر را هنگامی دارد که کانال در ظرفیت کامل کار کند، و کمترین اثر را در حالت فروکش سریع دارد که در آن، فشار بالابرنده عامل اصلی در تعیین اندازه ممان های خمشــی می باشد. ایجاد اتصالات انبساطی – انقباظی در محل های مناسب در صفحات کناری کانال نیز اساساً ممان های خمشی را در صفحات بتنی تحتانی کاهش می دهد. برای کانالهای با عرض۳ تا۵ متر و با عمق کمتر از ۴ متر، استفاده از یک اتصال در خط مرکزی بستر^[۲۴] ، ممان های خمشی را تا مقدار قابل ملاحظه ای چنان کاهش می دهد که خطر گسیختگی پوشش کانال های با ضخامت بیشتر از ۲۰ سانتی متر قابل چشم پوشی خواهد بود[۷].
احمدی و همکاران (۲۰۰۹)، سپس به بررسی اثرات پارامترهای خاک بر ممان خمشی پرداخته و نتایج زیر را بدست آوردند[۷]:
الف: اثر مدول الاستیسیته بر ممان خمشی:
مدول الاستیسیته خاک می تواند از مقدار مینیمم ۲۰۰۰Kpa تا مقدار ماکزیمم۱۰۰۰۰۰Kpa تغییر کند. بنابراین، انتظار می رود که این پارامتر بطور قابل ملاحظه ای بر روی اندازۀ ممان های خمشی اثر خواهد داشت. محاسبات برای کانال های با شیب های کناری مختلف صورت گرفت. نتایج نشان می دهد که تخصیص مقادیر مختلف به در محدوده مذکور در بالا ممکن است تا ۴۵% تغییر در مقادیر مربوطۀ ممان های خمشی را باعث شود. شکل(۳-۲۲)، نتایج محاسبات تغییرات در مقابل را برای سه حالت عملکردی کانال دارای ۶ متر عمق و ۹ متر عرض کف و سه شیب کناری Z=1-1/5-2 را نشان می دهد، که و به ترتیب ممان های مربوط به مقادیر و می باشند. برای این محاسبه، نسبت پواسون برابر با مقدار ثابت ۰/۲ فرض شد. این تحلیل نشان می دهد که هرچه کانال ها کم عمق تر، مدول الاستیسیته اثر کمتری بر روی ممان خمشی خاک دارد.
شکل ( ۳-۲۲): اثر مدول الاستیسیته بر ممان خمشی [۷]
ب: اثر نسبت پواسون بر ممان خمشی:
نتایج محاسبات برای یک کانال با عمق ۶ متر نشان می دهد که در حالت نفوذ معکوس، افزایش مقدار نسبت پواسون از ۰/۲ به ۰/۴ ممان های خمشی را تا ۳۶% کاهش می دهد. به طریق مشابه، در سایر شرایط کاری، ماکزیمم اثر برای حالتهای “انتهای ساخت” و “ظرفیـــت کامل” ، به ترتیب برابر با ۷% و ۴% خواهد بود. به هر حال، این نتـــایج برای بزرگترین ابعاد کانـــال و بحرانی ترین شرایط مفروض در اینجا می باشد. بدیهی است که برای کانالهای دارای ابعاد کوچکتر، این اثر کمتر خواهد بود.
شکل ( ۳-۲۳ ): اثر نسبت پواسون بر ممان خمشی [۷]
سرانجام احمدی و همکاران (۲۰۰۹)، به این جمع بندی رسیدند که، توزیع ممان های خمشی اِعمالی بر روی پوشش صلب^[۲۵] بتنی کانال های آبیاری، طوری است که نواحی پایینی پوشش، مقادیر حداکثر ممان های خمشی را تحمل می کند. این در نتیجۀ افزایش تنش های کلی با افزایش عمق می باشد، که تنشهای افقی مربوطه را افزایش داده و بنابراین، ممان های خمشی موجود بر روی نواحی پایینی افزایش یافته، که در نتیجه حداکثر آن در محل تقاطع صفحه بتنی زیرین و صفحه بتنی کناری اتفاق می افتد. در حالت ظرفیت کامل، بعلت وزن آب، ماکزیمم ممان های خمشی در طول بخش مرکزی صفحه بتنی تحتانی اعمال می شود. بعلت وجود فشار هیدرولیکی آب، حداکثر ممان خمشی اعمالی بر روی صفحات کناری تقریبا در عمق یک سوم پایینی کانال اتفاق می افتد. با توجه به شکل (۳-۱۹)، هرگونه افزایش در “نسبت عرض کف^[۲۶] کانال به عمق” آن باعث افزایش در ممان های مربوطۀ اعمالی می باشد، که برای نسبت های بزرگتر عرض کف به عمق، دارای مقدار بیشتر می باشد و همچنین با توجه به شکل (۳-۲۰)، ثابت کردند که هرچقدر عمق کانال افزایش یابد، متناسب با آن ممان خمشی نیز افزایش می یابد و همچنین، ممان خمشی در انتهای مرحله ساخت هیچ تهدیدی برای پوشش نخواهد داشت و هرچقدر شیب دیواره بیشتر باشد، ممان های خمشی بیشتری بر روی آن به وجود می آیند. بحرانی ترین شرایط کاری مستقیماً به ابعاد کانال مربوط می شوند. طبق شکل (۳-۲۰)، برای Z=1، ممان های خمشی برای حالت ظرفیت کامل تا عمق ۳/۸ متر بزرگتر می باشد، و همینطور در حالت نفوذ معکوس برای عمق های بیشتر از ۴ متر. این در نتیجۀ فشار بالابرندۀ حاصل از عمق افزایــش یافته و عرض کف کانال می باشد. برای Z=1/5 ، بحـــرانی ترین شرایط مربوط است به حالت ظرفیـــت کامل برای عمق های تا ۲/۲۵ متر، در حالیکه برای کانال های عمیق تر، حالت نفوذ معکوس با توجه به ممان های خمشیِ افزایش یافته^[۲۷]، دارای بحرانی ترین شرایط می باشد. بعلاوه، برای Z=2، وضعیت بالا در عمق ۲/۲ متر اتفاق می افتد. به منظور کاهش اندازه ممان های خمشی، اتصالات انبساطی-انقباضی، بایستی در محل ها طوری قرار داده شوند که علاوه بر وظیفه معمول آنها، قادر به کاهش ممان های خمشی نیز باشند. ثابت شد که، برای کانالهای با عمق کمتر از ۴ متر، خطر گسیختگی پوشش می تواند از طریق ایجاد یک اتصال طولی در عمق معادل با یک سوم عمق کلی کانال از بستر، به حداقل برسد. برای کانالهای عمیق تر، علاوه بر این اتصالات، سایر اتصالات نیز باید در جایی که صفحه های بتنی تحتانی و کناری به هم می رسند و در خط مرکزی بستر ایجاد شوند. در این مدل سازی مقادیر مدول الاستیسیته و نسبت پواسون به ترتیب برابر با Kpa2000 و ۰/۲ می باشند. تخصیص سایر مقادیر به این پارامترها نشان داد که تغییرات آنها هیچ اثر قابل توجهی را بر روی ممان های خمشی نداشته و بنابراین، قطع نظر از نوع خاک، نتایج بررسی برای تمام انواع خاک معتبر می باشد. وجود فاصله خالی میان پوشش بتنی و بستر خاک بعلت سکون و اشباع خاک پس از پر نمودن کانال، که خود در نتیجۀ تراکم کم و یا چگالی طبیعی کم می باشد، در این مطالعه در نظر گرفته نشده است. این فاصله خالی اغلب بوسیله خارج نمودن مواد با کیفیت ، در حین شرایط فروکش سریع، بیشتر می شود.
۳-۴- جمع بندی مقالات:
پس از بررسی و مطالعه مقالات مربوطه، بخوبی مشخص می شود که اکثر محققین در مورد علل تخریب فیزیکی کانال ناشی از شرایط بهره برداری و کاهش سریع سطح آب، افزایش لنگر خمشی در پوشش بتنی، نحوه کاهش لنگر خمشی موجود، تأثیر پارامترهای مختلف مانند مدول الاستیسیته بر روند تغییرات لنگر، تأثیر خاک های متورم شونده در شرایط بهره برداری و نقش آن در تخریب پرداخته اند که این روند تحقیقاتی تا حدود زیادی هم منجر به ارائه راهکارهای مناسب از جمله: در نظر گرفتن تنش مؤثر برای حالت کاهش سریع سطح آب به عنوان یک تحلیل کاربردی، روش های تعمیر کانال در زمان بهره برداری، مشخص کردن تأثیر شرایط بهره برداری و یا کاهش سریع سطح آب بر روی شیب های جانبی، پوشش و ضریب اطمینان، ساخت پوشش به صورت درز دار و قرار دادن درزها در ایده آل ترین نقاط برای کاهش حداکثریه لنگر خمشی، شد. یکی از نکات اصلی که به عنوان خلاء تحقیقاتی اصلی به چشم می خورد، عدم بررسی اولیه هندسه پایدار کانال تحت شرایط ساخت و بهره برداری می باشد. بطور کل این فرایند می بایست قبل از ساخت و در هنگام طراحی به عنوان اصلی ترین مرحله در نظر گرفته شود، چراکه می توان با مشخص کردن تأثیر پارامترهای مختلف هندسه برروی پایداری و یافتن هندسه اولیه ایمن، خیلی از مشکلات ثانویه را برطرف کرد. در این حین شرایط ساخت و بهره برداری هم باید بصورت مجزا مورد بررسی قرار بگیرند.
۴-۱- مقدمه:
مدلسازی عددی یک ابزار تحلیل است و نباید جای تئوری حاکم مسئله و قضاوت مهندسی را بگیرد. این مدلسازی فهم طراح را از مکانیزم رفتاری مسئله با ارائه تصویر فیزیکی، به جای دادن ارقام خام و بیان کیفی از مسئله بالا می برد. مسائل ژئوتکنیک جزء مسائل با اطلاعات محدود هستند، در این حد که با کاهش یا افزایش اشتباه یکی از پارامترهای حاکم بر مسئله، نتایج حاصله بکلی دستخوش تغییر می شوند. در مسائل ژئوتکنیک برای مدلسازی نرم افزارهای متعددی مورد استفاده قرار می گیرند که از آن جمله می توان به PLAXIS، GEO STUDIO،FLAC وABAQUS اشاره کرد. در این پژوهش با توجه به عنوان پایان نامه از دو نرم افزاز PLAXIS و GEO STUDIO استفاده شده که در این بخش هر کدام به اختصار شرح داده می شوند. پس از آن صحت سنجی انجام پذیرفته و ارائه شده است.
۴-۲- معرفی نرم افزارها:
در این مرحله با معرفی پنجره های اصلی، گزینه ها و زیر گزینه های موجود در این پنجره ها برای هر دو نرم افزار PLAXIS و GEO STUDIO ، گام به گام مراحل مورد نیاز برای ساخت مدل ایده آل طی می شود. این مراحل برای نرم افزار PLAXIS عبارتست از:
۱- معرفی کلی نرم افزار ۲- گرافیک هندسه ورودی ۳- محاسبات ۴- خروجی ها ۵- منحنی ها
و برای نرم افزار GEO STUDIO عبارتست از:
۱- معرفی کلی نرم افزار ۲- گرافیک هندسه ورودی ۳- معرفی راه حل های محاسبه ضریب اطمینان ۴- مراحل حل برای تعیین ضریب اطمینان
۴-۲-۱- معرفی نرم افزار PLAXIS :
در زمینه تحلیل تنش کرنش با روش المان محدود برنامه‌های جامع و کلی زیادی مانند ANSYS و غیره وجود دارد. بنا به اظهار تهیه کنندگان، این برنامه‌ها بازه بسیار بزرگی از مسائل را تحت پوشش قرار می‌دهند. در زمینه مسائل ژئوتکنیکی نیز با توجه به شرایط رفتاری خاص و منحصر به فرد خاک (مصالح دارای رفتار چند فازی، فشار آب حفره‌ای اضافی، تحکیم و…) و سنگ این امر به وقوع پیوسته و برنامه‌های تخصصی نسبتاً زیادی تدوین شده است که اغلب آنها برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند (مانند سپری‌ها، تونل‌ها، مسائل جریان آب در خاک، سدها، کانال های انتقال آب و …) و بعضی نیز برای مسائل کلی ژئوتکنیکی نوشته شده‌اند. یکی از نرم‌افزارهایی که شکل عمومی دارد، PLAXISاست و با توجه به پیشرفت‌هایی که در زمینه عددی ایجاد می‌شود، درحال توسعه و به روز شدن مداوم است. نرم افزارهای المان محدود پیشرفته و از جمله PLAXIS برای تحلیل تغییر شکل ها و پایداری سازه ها و شیب ها در پروژه های مهندسی ژئوتکنیک بسیار کارامد می باشند. نرم افزار۲D PLAXIS، در شبیه سازی مسائلی که ساده سازی دو بعدی و فرض پیوستگی در آنها صدق می کند کاربرد دارد. این نرم افزار قابلیت تحلیل مسائل در محیط خاکی و محیط معدل سنگی (به شدت درزه دار) را دارد. از جمله قابلیت های اصلی آن می توان به تحلیل پایداری استاتیکی و دینامیکی شیب ها، تکیه گاه و بدنه سد ها و تونل ها، برهم کنش سازه و خاک، تحلیل هیدرولیک، تحکیم و هیدرومکانیک در مسائل ژئوتکنیک اشاره کرد. طبیعت اغلب مسائل مهندسی سه بعدی است (تنش کرنش و جابجایی ها در هر سه جهت تغیر می کند). با توجه به پیچیدگی روابط و مشکل بودن فرمول نویس در سه بُعد، یکسری فرض های ساده سازی تعریف و ارائه می شود.
الف) تنش صفحه ای …………….. Plain stress
ب) کرنش صفحه ای …………….. Plain strain
ج) تقارن محوری ……………….. Axisymmetry
شرایط کرنش صفحه ای در مهندسی ژئوتکنیک از اهمیت ویژه ای برخوردار است. مسائل مختلفی از جمله مقاطع خاکریزها و شیب ها، سدهای خاکی و دیوارهای حائل و …. را می توان با فرض کرنش صفحه ای () تقریب زد که در آن: ( کرنش نرمال در راستایz )، ( کرنش برشی در جهت x و عمود بر راستای z) و ( کرنش برشی در جهت y و عمود بر راستایz ). کانال های انتقال آب را نیز به دلیل طویل بودن در راستای بُعد z و ناچیز بودن اندازه در راستای دو بُعد دیگر x,y نسبت به بُعد z، می توان از فرض کرنش صفحه ای مدل کرد. شکل (۴-۱) بخوبی فرض کرنش صفحه ای را برای کانال های انتقال آب مشخـص می کند[۱۴].
Z
X
Y
شکل (۴-۱): کرنش صفحه ای[۱۴]
این نرم افزار بر اساس روش اجزاء محدود پایه گذاری شده و در هر مسئله ماتریس زیر را تشکیل داده و با تقسیم مدل به اجزاء کوچکتر به نام المان، این ماتریس را برای هر المان محاسبه و با جایگذاری در ماتریس کلی اقدام به حل می کند:
ماتریس بار (بارهای وارده داخلی و خارجی)
که در آن:
ماتریس سختی مدل
ماتریس جابجای (مجهولات)
هسته اصلی برنامه از چهار بخش تشکیل می‌شود:
۱- ورودی: معرفی هندسه، شرایط مرزی، تعریف خواص مصالح، مش بندی
۲- محاسبه: تغییرات در مدل، اعمال بارگذاری، حفاری و برآورد ضریب ایمنی و …
۳- خروجی: بررسی تغییرات پارامترهای خروجی
۴- منحنی‌ها: تعیین گراف از تغییرات پارامترها
۴-۲-۱-۱- گرافیک هندسه ورودی مدل:
وارد کردن لایه‌های خاک، سازه‌ها، مراحل ساخت، بارگذاری و شرایط مرزی براساس یک مرحله بسیار راحت انجام می‌گیرد. پنجره‌ی اصلی ورودی برنامه در شکل (۴-۲) همراه با معرفی بخش‌های که در این مدلسازی مورد استفاده قرار گرفته اند، بصورت مختصر آورده شده است.
۱- در مرحله اول برای ساخت و تکمیل هندسه مدل و ساختارهای مصنوعی در پروژه های ژئوتکنیک از: رسم خط، المان پلیت، مفصل و فنرهای دورانی، المان ژئوگرید، المان فصل مشترک، مهار گره به گره، مهار با انتهای ثابت و تونل می توان استفاده کرد.
۲- مرحله دوم شامل اعمال شرایط مرزی و بارگذاری می باشد. به عنوان تکنیک سریع در اعمال شرایط مرزی مدل از گزینه Standard Fixity برای مدل های نزدیک به سطح زمین می توان استفاده کرد. مرزهای قائم در جهت X به صورت غلطکی() ثابت شده و تنها اجازه جابجایی در جهت عمود را دارند. مرزهای افقی نیز که کمترین مقدار Y را دارند (مرز کف مدل)، در هر دو جهت ثابت می شوند (). همچنین برای ثابت کردن درجه آزادی چرخش یک المان پلیت که تا مرز امتداد یافته است، از گزینهFixities Rotationاستفاده می شود.
۳- مرحله سوم، اعمال بارگذاری به صورت تعریف جابجایی گسترده و یا تعریف بار می باشد. توزیع جابجایی را می توان به صورت تغییرات خطی یا ثابت در یک امتداد افقی، قائم و یا مایل زیر خط هندسی و در فضای داخلی مدل اعمال کرد. بار گسترده با واحد (KN/)، و یا نقطه ای را با واحد (KN/m)، به صورت توزیع خطی و یا ثابت روی خط هندسی و در فضای بیرون مدل می توان اعمال کرد. البته در مدل سازی این پروژه از این مرحله بدلیل نبود بار استفاده نشده است.