در تحقیق حاضر الگوریتم بهینه سازی سطح لغزش سه بعدی شیروانی ها به روش بیشترین شیب محلی برای پیداکردن سطح لغزش بحرانی با ضریب اطمینان کمتر مورد استفاده قرارگرفته است. این الگوریتم یک شیوه بهینه سازی ساده و در عین حال دقیق و کارآمد برای ارائه شکل واقعی تر توده های لغزش سه بعدی است. این فرآیند بهینه سازی از یک سطح لغزش بحرانی کروی اولیه برای شروع استفاده می کند و با بکارگیری یک رابطه پایداری سه بعدی که بطور همزمان تعادل نیرو و لنگر را در محاسبه ضریب اطمینان لحاظ می کند، به عنوان تابع هدف، طی چند مرحله با جابجایی مناسب گره ها، سطح لغزش غیرکروی و بحرانی جدید را معرفی می نماید. سطح گسیختگی پیشنهادی و توده لغزشی حاصل از آن انطباق بسیار زیادی با واقعیت داشته و دربردارنده ضریب اطمینان کمتری نسبت به سطح لغزش کروی است. شیوه جستجوی گرهی که در روش بیشترین شیب محلی بکار رفته است تحلیل و بهینه سازی سطح لغزش سه بعدی در خاکهای ناهمگن و در شرایط وجود آب زیرزمینی را با دقت بهتری امکان پذیر می سازد. این ویژگی می تواند بدلیل تغییر مشخصات خاک در شرایط واقعی شیب های خاکی در حالت سه بعدی به نتایج مناسب و قابل قبول منجر شود. همچنین شکل جدید سطح لغزش سه بعدی پس از انجام فرآیند بهینه سازی از نظر کینماتیکی موجه و منطقی می باشد. مقایسه نتایج حاصل از انجام این مطالعه با نتایج موجود در دیگر تحقیقات علمی نشان می دهد که فرآیند پیشنهادی ضمن برخورداری از مزایای سادگی و قابل فهم بودن، دارای دقت قابل ملاحظه ای می باشد و تحقیق انجام گرفته با توجه به بررسی همزمان حالت سه بعدی شیب بجای دو بعدی و مدل کردن و استفاده از مکانیزم لغزش غیرکروی بجای کروی برتری هایی نسبت به دیگر روشهای مشابه تحلیل پایداری شیب ها دارد.

روش های عددی همواره ابزاری مناسب جهت تحلیل انواع مدل ها و مسائل مختلف فیزیکی و مهندسی بوده اند. با کمک این روش ها می توان معادلاتی را که بر اساس رفتار این پدیده ها بدست آمده اند را تقریب زد. پیشینه استفاده از برخی روش های عددی قدیمی مانند روش اجزای محدود به دهه پنجاه میلادی باز می گردد. با گذشت زمان در کنار توسعه و بهبود روند حل این روش ها، روش های عددی جدیدتری نیز معرفی شده اند تا علاوه بر جبران برخی نقاط ضعف روش های قبلی، گامی به جلو در افزایش دقت تحلیل مسائل مختلف برداشته شود. روش های عددی بدون شبکه از روش های عددی جدید محسوب می شود که در دهه های اخیر معرفی شده اند. این روش ها به انواع مختلفی دسته بندی می شوند که بسته به روش موردنظر روند تحلیل متفاوت خواهد بود. در این روش ها معرفی محیط مسأله و تشکیل معادلات کلی با استفاده از گره های توزیع شده بر روی مرزها و درون ناحیه انجام می شود. این روش ها مزایای مهمی مانند پیوسته بودن نتایج تنش در آن ها، نبود مشکلات اعوجاج شبکه ها در تغییرشکل های بزرگ، عدم نیاز به شبکه بندی مجدد و موارد دیگر را به همراه دارد. روش گالرکین بدون شبکه یکی روش های مهم و پرکاربرد در این حوزه محسوب می گردد که مورد توجه زیادی قرار گرفته است. توابع شکل در این روش بر اساس تقریب کمترین مربعات متحرک (mls) ایجاد می شوند. همچنین شرایط مرزی ضروری در مسأله با روش های مختلفی مانند ضرایب لاگرانژ و ضرایب پنالتی اعمال می شوند. در این مجموعه ضمن معرفی انواع روش های عددی، بطور خاص روش گالرکین بدون شبکه و عوامل موثر در تحلیل با این روش بررسی شده است. در ادامه با معرفی نرم افزار mfree2d که بر مبنای روش های بدون شبکه ایجاد گردیده است، تحلیل تنش-کرنش مدل های مختلفی از توده خاک و تونل انجام گرفته و عوامل موثر مانند تأثیر تراکم توزیع گره ها در آن بررسی شده است، سپس این نتایج تحلیل با مقادیر مشابه که با استفاده از تحلیل به روش های اجزای محدود و تفاضل محدود حاصل شده است، مقایسه گردیده که همخوانی و دقت مناسب را نشان می دهد. همچنین در ادامه کد کامپیوتری نوشته شده با استفاده از برنامه matlab، جهت تحلیل تنش-کرنش دو بعدی و محاسبه نشست الاستیک خاک، معرفی شده و ضمن تشریح الگوریتم تحلیل، نتایج آن در مقایسه با روش اجزای محدود بررسی شده است. در پایان پس از نتیجه-گیری های نهایی، پیشنهادهایی جهت ادامه و توسعه این مجموعه ذکر شده است.

روش های تجربی، عددی یا تحلیلی و مشاهده ای ابزار های مختلفی برای طراحی های مهندسی تونل می باشند در گذشته طراحی لرزه ای تونل کمتر از سازه های سطحی مورد ملاحظه و توجه قرار می گرفت. در حالی که طراحی فضاهای زیر زمینی، بدون در نظر گرفتن بارهای لرزه ای منجر به ساخت سازه های غیر ایمن می گردد. در روش های تجربی علیرغم در نظر گرفتن پارامتر های متعدد برای طراحی سازه های زیر زمینی پارامتر لرزه ای مد نظر قرار نگرفته یا بسیار کلی بیان گردیده است. در این پایان نامه سعی شده است تا با تحلیلی عددی اثر لرزه خیزی روی تونل ها مورد بررسی قرار گیرد. نرم افزار مورد استفاده در تحلیل ها phase2 می باشد. در ابتدا اثر درزه ها در لرزه خیزی در سنگ های خوب (رفتار الاستیک) و ضعیف (رفتار پلاستیک) در حالت استاتیکی و شبه استاتیکی مورد توجه قرار گرفته است. سپس نتایج حاصل از نرم افزار با نتایج سیستم تجربی معادل سازی شده و اثر لرزه خیزی در سیستم تجربی مورد بحث قرار گرفته است. در پایان رابطه ای به منظور اعمال پارامتر لرزه ای در سیستم تجربی q ارائه شده است.

بررسی پیشینه موضوع اندرکنش شمع و تونل حاکی از آن است که تاکنون بیشتر محققان توجه خود را به بررسی تاثیر تونل بر شمع معطوف داشته اند، در حالیکه اثری که شمع های بارگذاری شده بر روی تونل های قطار شهری دارند نیز در محیط های شهری حائز اهمیت می باشد. این تحقیق در ارتباط با تحلیل عددی رفتار اندرکنشی شالوده های نیمه عمیق (شمع های پافیلی) و تونل قطار شهری به روش المان محدود می باشد. مدلسازی عددی به صورت سه بعدی و توسط نرم افزار abaqus انجام شده است. پارامترهای اصلی مورد بحث در بررسی پارامتریک شامل فاصله بین تونل و ردیف شمع های کناری، طول شمع ها و تعداد شمع ها می باشد. در این تحقیق، میزان تاثیر پارامترهای فوق الذکر بر روی نشست عمودی و جابه جایی افقی تونل، نیروی محوری و ممان خمشی وارد بر تونل مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج تحلیل ها نشان می دهد که افزایش طول شمع ها و همچنین کاهش فاصله بین تونل و شمع های مجاور باعث افزایش نشست تونل می شود. همچنین جابه جایی افقی تونل نیز با کاهش طول شمع ها و همچنین با افزایش فاصله بین تونل و ردیف شمع ها کاهش می یابد. تاثیر طول و فاصله شمع ها بر روی نیروی محوری و ممان خمشی وارد بر تونل نیز مشهود است، به این صورت که با افزایش طول شمع ها و همچنین کاهش فاصله بین تونل و ردیف شمع های کناری نیروی محوری و ممان خمشی وارد به تونل افزایش می یابد.

پایداری سازه های خاکی یکی از مهم ترین مسائل در مهندسی ژئوتکنیک است و از آنجایی که زلزله ها عامل بسیار مهمی در ناپایداری این سازه ها می باشد، بررسی و آنالیز دینامیکی سازه های خاکی بسیار حائز اهمیت است. یکی از این سازه های خاکی پرکاربرد، سدهای خاکی همگن کوتاه می باشند. این سدها که معمولاً توسط ژئوممبرین آب بند می شوند، جهت ذخیره آب و دیگر مایعات بسیار مناسب می باشند. این سدها به دلیل اینکه هزینه ی آن ها کم بوده و ساخت آن ها مشکل نمی باشد، نیازی به محاسبات مهندسی پیچیده ندارند و جهت اطمینان از ایمنی ژئوتکنیکی سد، تنها دانستن شیب های خاکریزها کافی می باشد. در این تحقیق تعدادی گراف تهیه شده که به استفاده کننده این امکان را می دهد تا بتواند ضریب اطمینان شیب های سدهای خاکی تا ارتفاع 10 متر در شرایط استاتیکی و شبه استاتیکی را فوری محاسبه کند. در این تحقیق همچنین یک مقایسه ی عددی بین روش های مختلف جهت آنالیز پتانسیل پایداری شیب ها هنگام وقوع زلزله انجام شده است.

پایدارسازی شیب های خاکی و پیشنهاد راهکارهای گوناگون، یکی از مسائل مطرح و مهم در مهندسی ژئوتکنیک است. استفاده از روش های عددی و تحلیلی در پایدارسازیِ شیب های خاکی به کمکِ شمع و یا ستون-سنگی، از روش های متداولی است که توسط محققین مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. بهینه یابی مکان شمع و یا ستون سنگی به منظور پایدارسازی شیب های خاکی با استفاده از روش های عددی و تحلیلی توسط محققین مختلف، منجر به نتایج متعددی شده است که این سوال را در ذهن طراح مطرح می کند که بهترین مکانِ واقعی برای نصب شمع و یا ستون سنگی کجاست؟ به نظر می رسد که جایِ مطالعات آزمایشگاهی برای این منظور خالی است که در این تحقیق به آن پرداخته می شود. مطالعات آزمایشگاهیِ انجام شده در این تحقیق قادر است که گرهِ ایجاد شده در نتایج مختلف و گاه متضاد تحلیل های عددی را برای یافتن مکانِ بهینه شمع باز کند. مطالعهِ آزمایشگاهی مذکور، برای شیب خاکیِ ماسه ای انجام شده است که توسط بارش اشباع می گردد و پس از اشباع شدن گسیخته شده است. با قرار دادن ستون سنگی در مکان های مختلف و اشباع کردن شیب خاکی توسط بارش، نتایج قابل توجه و معقولی بدست آمده است که می تواند راهگشای مناسبی برای طراحان باشد. تمام مدل های آزمایشگاهیِ انجام شده، توسط روش های تعادل حدی و اجزاء محدود نیز مدل سازی و مقایسه شده اند که تطابق خوبی با یکدیگر دارند.

پایدارسازی شیب¬های خاکی و پیشنهاد راهکارهای گوناگون، یکی از مسائل مطرح و مهم در مهندسی ژئوتکنیک است. استفاده از روش¬های عددی و تحلیلی در پایدارسازیِ شیب¬های خاکی به کمکِ شمع، از روش¬های متداولی است که توسط محققین مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. بهینه¬یابی مکان شمع به منظور پایدارسازی شیب¬های خاکی با استفاده از روش¬های عددی و تحلیلی توسط محققین مختلف، منجر به نتایج متعددی شده است که این سوال را در ذهن طراح مطرح می¬کند که بهترین مکانِ واقعی برای نصب شمع کجاست؟ به نظر می¬رسد که جایِ مطالعات آزمایشگاهی برای این منظور خالی است که در این تحقیق به آن پرداخته می¬شود. مطالعات آزمایشگاهیِ انجام شده در این تحقیق قادر است که گرهِ ایجاد شده در نتایج مختلف و گاه متضاد تحلیل¬های عددی را برای یافتن مکانِ بهینه شمع باز کند. مطالعهِ آزمایشگاهی مذکور، برای شیب خاکیِ ماسه¬ای انجام شده است که توسط بارش اشباع می¬گردد و پس از اشباع شدن تحت بارگذاری قرار می گیرد. با قرار دادن شمع در مکان¬های مختلف و اشباع کردن شیب خاکی توسط بارش و بارگذاری آن ها، نتایج قابل توجه و معقولی بدست آمده است که می¬تواند راهگشای مناسبی برای طراحان باشد. تمام مدل¬های آزمایشگاهیِ انجام شده، توسط روش-های تعادل حدی و اجزاء محدود نیز مدل¬سازی و مقایسه شده¬اند که تطابق خوبی با یکدیگر دارند.

تحلیل پایداری شیروانی های خاکی با استفاده از روش های تعادل حدی از پرکاربردترین روش های تحلیل است. مهم ترین گام در تحلیل به کمک روش های تعادل حدی، یافتن سطح لغزش بحرانی است. تعیین بحرانی ترین سطح لغزش از این جهت حائز اهمیت است که محاسبه ی ضریب اطمینان حداقل که معمولا هدف انجام تحلیل پایداری است در این سطح لغزش انجام می شود. شکل سطح لغزش در بسیاری از روش های تحلیل به صورت دایره ای در نظر گرفته می شود که دلیل عمده ی این فرض ایجاد سهولت در انجام محاسبات می باشد. مطالعاتی که تاکنون با موضوع تحلیل پایداری شیروانی ها و جستجو و یافتن سطح لغزش بحرانی انجام شده است به تدریج تکامل بیشتری یافته و تلاش دارد با حذف محدودیت ها و فاصله گرفتن از فرضیات ساده کننده، با رویکردهایی واقع گرایانه و علمی، سطح گسیختگی بحرانی غیردایره ای، دارای ضریب اطمینان حداقل را که انطباق بیشتری با رفتار شیروانی های خاکی در طبیعت و واقعیت دارد ارائه کند. از بین روش های پیشنهادی، روش های مبتنی بر مفهوم بهینه سازی برای تعیین سطح لغزش بحرانی به دلیل مزایای زیادی که دارند بیش از سایر روش ها و به طور گسترده ای در آنالیز پایداری شیروانی به کار می رود. در این پایان نامه به ارائه ی روشی نو برای بهینه سازی سطح لغزش غیردایره ای و یافتن کمترین مقدار ضریب اطمینان با استفاده از برنامه ی doss پرداخته می شود. doss برنامه ای است که به زبان فرترن نوشته شده است و بخش قابل ملاحظه ای از کار حاضر را به خود اختصاص داده است. این برنامه قادر است بحرانی ترین سطح لغزش دایره ای را با استفاده از روش جستجو و بحرانی ترین سطح لغزش غیردایره ای را با استفاده از روش بهینه سازی پیدا نماید. همچنین در صورتی که از شمع در مسلح سازی شیروانی استفاده شود این برنامه قادر به تحلیل شمع، و محاسبه موقعیت بهینه برای شمع می باشد. این برنامه برای تمام محیط های همگن و ناهمگن با تراز آب زیرزمینی، در دو حالت استاتیکی و شبه دینامیکی قابل کاربرد است. در ادامه با حل چندین مثال ، و مقایسه ی آن با نتایجِ حاصل از دیگر محققین و همچنین دیگر برنامه های موجود، کارایی و صحت روش پیشنهاد شده و همچنین دقت برنامه doss مورد بررسی قرار گرفته است.

پایدارسازی شیب های خاکی و پیشنهاد راهکارهای گوناگون، یکی از مسائل مطرح و مهم در مهندسی ژئوتکنیک است. استفاده از روش های عددی و تحلیلی در پایدارسازی شیب های خاکی به کمک شمع و یا ستون سنگی، از روش های متداولی است که توسط محققین مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. لکن درزمینه بهینه یابی طول شمع و یا ستون سنگی به منظور پایدارسازی شیب های خاکی کار زیادی صورت نگرفته است. به طوریکه جای مطالعات عددی و آزمایشگاهی در این زمینه خالی است که در این تحقیق بررسی می شود. از مطالعاتی که در گذشته در زمینه جایگاه قرارگیری شمع صورت گرفته نتایج متفاوتی به دست آمده است که بسته به روش مورد استفاده در تحلیل ها نتایج تغییر کرده است. اما در مورد طول گیرداری شمع ها غالباً یا طول شمع را نامحدود فرض کرده اند یا طول آن را بر اساس نسبت طول شمع بعد از سطح گسیختگی به فاصله بین سطح گسیختگی بحرانی تا سطح زمین مطرح کرده اند. در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از برنامه های اجزاء محدودی پلکسیس و ژئواسلوپ اثر برخی از پارامترهای تأثیرگذار در تثبیت خاکریزها با ستون سنگی بررسی گردد. با استفاده از این برنامه ها خاکریز مورد نظر در دو حالت تثبیت شده با ستون سنگی و بدون ستون سنگی با استفاده از المان های مثلثی 15 گره ای در حالت کرنش مسطح مدلسازی شده است. متغیرهای مورد مطالعه در این پژوهش شامل طول، قطر و وزن مخصوص مصالح ستون سنگی است و اثر هر یک بر ضریب اطمینان خاکریز ماسه ای همگن و دولایه که با ستون سنگی تثبیت شده مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین اثر محل بهینه قرارگیری شمع و طول فرورفتگی آن در لایه زیرین بر ضریب اطمینان و سطح گسیختگی بحرانی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج این بررسی ها برای حالت های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است. سپس تعدادی از مدل ها به صورت آزمایشگاهی نیز آزمون شده اند تا بدین گونه نتایج تحلیل های عددی صحت سنجی شوند. بررسی ها نشان می دهد بین ضریب اطمینان، طول شمع و قطر آن ارتباط منطقی برقرار است که طی فرمولی ارائه گردیده است. با استفاده از نتایج به دست آمده از تحقیق بهترین محل قرارگیری شمع در شیب و همچنین بهترین طول گیرداری ستون سنگی برای شیروانی همگن و شیروانی دولایه ارائه شده است. همچنین پارامتر وزن مخصوص مصالح ستون سنگی با ضریب اطمینان شیب نسبت مستقیم دارد این مسأله در قطرهای بیشتر ستون سنگی بارزتر است.

تحلیل پایداری شیروانی در مسائل مختلف مهندسی ژئوتکنیک از جمله خاکریزها، مقاطع جاده¬ها، معادن روباز، حفاری¬ها، کانال¬ها، محل¬های دفن زباله به کار می¬رود. یک مدل مناسب برای ارزیابی پایداری شیروانی می تواند کمک قابل توجهی در کاهش خطرات زمین شناسی شیب داشته باشد. روش تعادل حدی رایج¬ترین شیوه در آنالیز پایداری شیروانی است. در این روش، مسئله از نظر استاتیکی نامعین می باشد و فرضیاتی برای نیروهای برشی بین قطعه¬ای لازم است تا مساله از لحاظ استاتیکی معین گردد. براساس فرضیات مربوط به نیروهای داخلی و معادلات تعادل نیرو و لنگر، بیش از ده روش برای آنالیز پایداری شیروانی توسعه یافته است که مشهورترین آن¬ها شامل فلنیوس، بیشاب، جانبو، لاو و کارافه، اسپنسر، مورگنشترن – پرایس و ... می¬باشند. در این تحقیق یک روش تعادل حدی جدید در حالت دو بعدی و سه بعدی ارائه شده است که تمامی شرایط تعادل را تامین می کند. در این روش شکل سطح لغزش دایروی و قطعات در امتداد شعاع سطح لغزش لحاظ شده اند. نوآوری تحقیق حاضر در شکل قطعات به صورت قطاع است که موجب حذف شدن فرضیات متداول در روش تعادل حدی می گردد. معادلات تعادل نیرو و گشتاور، بدون هیچ گونه فرض ساده کننده ای مورد استفاده قرار گرفته اند بنابراین انتظار می رود که روش مذکور در محاسبه¬ی ضریب اطمینان از خطای کمتری برخوردار باشد. روش ارائه شده دو بعدی برای حالت¬های شبه دینامیکی و سه بعدی نیز بسط داده شده است. به منظور محاسبه¬ی ضریب اطمینان با استفاده از روش¬های پیشنهادی، سه مدل عددی با استفاده از زبان برنامه نویسی فرترن توسعه یافته است که جهت ارضا¬ی همزمانِ معادلات تعادل نیرو و گشتاور، از روش تکراری (روش سعی و خطا) استفاده می نمایند. به منظور ارزیابی روش پیشنهادی و کارآیی مدل توسعه داده شده چندین آزمون با شرایط مختلف انجام شده است که نتایج بدست آمده تطابق خوبی با دیگر روش¬ها دارد.

ایجاد تونلهای زیرزمینی تغییرات قابل ملاحظه ای در تنشهای توده سنگ ایجاد میکند به همین دلیل برای رسیدن به پایداری ضروری است تا تنشها و تغییر شکلها در توده سنگ به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در ایجاد یک تونل، پیچیدگیهای زیادی وجود دارد از جمله تغییرات فشار منفذی، رفتار پلاستیک، تغییر شکل پوشش و سازههای موجود. روشهای عددی یکی از روشهایی هستند که قابلیت تحلیل و بررسی چنین پیچیدگیهایی را دارند. از جمله روشهای عددی که در مهندسی تونل استفاده میشود روش اجزا محدود و تفاضل محدود میباشد که در این پایان نامه با استفاده از این روشها به تحلیل پرداخته میشود. هر روش عددی شامل یک تحلیل دوبعدی و یک تحلیل سه بعدی است که برای تصمیم به این که از کدام یک از این دو استفاده شود باید ملاحظاتی در نظر گرفته شود، زیرا با وجود اینکه ماهیت به صورت سه بعدی است اما در حالت کرنش مسطح تحلیل سه بعدی ضروری نیست و به جای آن یک مدل دوبعدی میتواند جایگزین شود. هدف در این پایان نامه مقایسه ی تحلیل دوبعدی و سه بعدی تونلها با استفاده از روشهای عددی و تاثیر آن بر مقدار q در حالت لرزه ای است. همچنین روابطی جدید برای ارتباط بین تغییر مکان های دو بعدی و سه بعدی در توده سنگ های مختلف پیشنهاد میگردد. مطابق با نتایج حاصل از تحلیلهای مختلف در توده سنگهای سالم، مقدار تغییر مکان اطراف تونل در حالت دو بعدی بزرگ¬تر از حالت سه بعدی است اما درتوده سنگهای ضعیف مقدار تغییر مکان اطراف تونل در حالت دوبعدی کمتر از حالت سه بعدی است. اگر برای طراحی یک تونل بر اساس استاندارد طراحی موجود تنها بارهای استاتیکی در نظر گرفته شود در این صورت دیوارهای کناری و سقف تونل، فاقد مهار برشی بوده و در اثر وقوع زلزله آسیب پذیر خواهند بود. بر این اساس علاوه بر تحلیل استاتیکی، تحلیل شبه دینامیکی و اثر هر یک از این تحلیلها بر روی نگهدارنده های تونل در حالت دوبعدی و سه بعدی بررسی خواهد شد.