مدل سازی رفتار خاک های دانه ای نیمه اشباع به روش اجزا منفصل

در بررسی رفتار مهندسی خاک ها، در عمل حالات بسیاری وجود دارد که نمی توان برای تحلیل مساله از روابط مکانیک خاک کلاسیک استفاده کرد، زیرا علم مکانیک خاک کلاسیک براساس بررسی رفتار مهندسی خاک ها تنها در حالت کاملا اشباع پایه ریزی شده و این در حالی است که بسیاری از خاک های موجود در طبیعت کاملا اشباع نمی باشند. روش عددی اجزا منفصل(discrete element method) بر پایه مدل سازی اثر ذرات مجزا که با هم اندرکنش مکانیکی یا از نوع دیگر دارند و نتیجتا منجر به اثر ذرات بر روی همدیگر شده و نهایتا بر رفتار توده متشکل از ذرات تاثیر می گذارد. در این روش امکان محاسبه نیروهای بین ذرات وجود دارد که در هیچکدام از روش های عددی دیگر این توانایی وجود ندارد. بدست آوردن رفتار کلی مصالح از روی اندرکنش بین ذرات نقطه قوت این روش در مدل سازی رفتار مصالح دانه ای (خاک ها) براساس ساختار فیزیکی مسئله می باشد. این روش با توجه به ارتقای توان محاسباتی بطور روز افزون، مقبولیت بیشتری یافته و بعنوان یکی از محورهای تحقیقی بروز، در زمینه مکانیک خاک به حساب می آید. از جمله مدل سازی هایی که با روش dem امکان پذیر می باشد می توان به: مکانیسم تغییرشکل، پایداری توده سنگ، مبانی جریان در بین دانه های خاک و فروپاشی زمین و انواع دیگری از پدیده های ژئومکانیک اشاره نمود. خاک های نیمه اشباع در معرض اثرات مویینگی هستند. حضور آب در بین ذرات خاک و بواسطه آن اثر کشش سطحی آب، نوعی نیروی کششی بین ذرات خاک را به صورت پیوندهای مینسکی ایجاد می کند. روش dem توانایی شبیه سازی اثرات آب پیوند دهنده ذرات و محاسبه نیروهای ایجاد شده، بین اجزا منفصل مدل شده، ناشی از وجود مویینیگی در خاک را دارد. این نیروها تحت تاثیر عواملی نظیر درجه اشباع خاک، قطر ذرات، زاویه اتصال بین منیسک و ذره، فاصله بین ذرات و سایر عوامل می توانند قرار بگیرند. در این پایان نامه به مدل سازی یک محیط دانه ای نیمه اشباع با استفاده از روش اجزا منفصل و با در نظر گرفتن کشش بین ذرات ناشی از آب بین ذره ای و بررسی اثر رطوبت بر پارامترهای رفتاری خاک پرداخته می شود. در این تحقیق، هدف مدل سازی عددی رفتار مصالح دانه ای نیمه اشباع با استفاده از روش dem بگونه ای است که به توان بوجود آمدن و توزیع نیروی کششی حاصل از پل های مایع بین ذرات در درجه اشباع های مختلف در محدوده ممکن را مدل سازی نمود. از هدف های دیگر مورد نظر در این پروژه می توان به اعتبارسنجی این روش و مقایسه نتایج آن با نتایج آزمایش های کلاسیک اشاره کرد. بدین منظور از کد اجزا منفصل pfc2d استفاده شده و با بکارگیری آن آزمایش زهکشی نشده در یک محیط دانه ای ایده آل شده به صورت دو بعدی شبیه سازی خواهد شد. لازم به ذکر است که نرم افزار pfc2d بطور پیش فرض قابلیت تعریف منیسک بین ذرات و اعمال نیروی حاصل از آن را بر خاک نیمه اشباع نداشته و تنها قادر به مدل سازی ذرات خشک می باشد. بنابراین این کار با ایجاد تغییراتی در نرم افزار پایه و کد نویسی در زبان برنامه نویسی درونی نرم افزار (fish) و همچنین برنامه نویسی به زبان c++ و کامپایل آن به فرمت dll و فراخوانی آن در نرم افزار به منظور تهیه مدل تماسی مدنظر، امکان پذیر گردیده است. در شبیه سازی های انجام شده نمونه های شامل ذرات دایروی شکل، با شرایط اولیه مشخص ایجاد گردید. این نمونه ها در شرایط زهکشی نشده مورد آزمایش دو محوری قرار گرفته و تاثیر پدیده مویینگی بر پارامترهای معیار موهر کولمب بررسی شده است. رفتارهای مشاهده شده در شبیه سازی های انجام شده، منطبق با نتایج مورد انتظار بوده و نشان دهنده توانمندی روش ارائه شده در پیش بینی رفتار مکانیکی خاک های دانه ای نیمه اشباع در مسیر تنش دلخواه می باشد.