اثر ناهمگونی بر تحکیم نهشته های رسوبی طبیعی

1 مقدمه مکانیسم شکل گیری نهشته های طبیعی منجر به ایجاد ناهمگونی ذاتی در خاک می شود. ناهمگونی ذاتی یکی از منابع عدم قطعیت در مسائل ژئوتکنیکی می باشد. درصد اطمینان به مقادیر پارامترهای خاک مورد استفاده برای مقاصد طراحی در مهندسی خاک و پی تحت، تاثیر مجموعه ای از عدم قطعیت ها قرار دارد. وجود عدم قطعیت ها و تاثیر قابل توجه آنها در ارتباط با طراحی از زمانهای گذشته مورد توجه قرار گرفته شده است (casagrande 1965). روشهای سنتی مهندس خاک و پی که بر مبنای تحلیلهای مشخصه و در نظرگرفتن پارامترهای ثابت برای خاک می باشد ، اصولاً در مرحله طراحی به ضریب اطمینان برای کاهش خطر پتانسیل کارکرد نامناسب (فروپاشی ، تغییرشکل بیش از حد و مانند آن) متکی است. عموماً ضریب اطمینان بین 2 تا 3 برای طراحی پی در نظر گرفته می شود (focht et al. 1985). اما ضریب اطمینان بالاتر، لزوماً میزان خطرپذیری کمتری را تضمین نمی کند به این دلیل که ممکن است اثر آن به دلیل وجود عدم قطعیت های بزرگتر در محیط طراحی تاثیرگذار نباشد. بنابراین، ضعف اساسی در روشهای سنتی در مواردی که اطمینان از ایمنی مورد انتظار است، کمبود وضوح در ارتباط بین روش (ضریب اطمینان) و هدف ( کاهش خطرپذیری طرح) می باشد. پیدایش کامپیوترهای با قابلیت بالا و ارزان در دو دهه اخیر کمک فراوانی برای توسعه و بکارگیری تحلیل های قابلیت اطمینان در علم مهندسی خاک و پی نموده است. تحلیل های قابلیت اطمینان چارچوب منطقی انتخاب ضریب اطمینان را بر اساس میزان عدم قطعیت و نتایج خرابی با استفاده از مفاهیم احتمالاتی فراهم می کند. برای این منظور کوششهایی در زمینه مدلسازی عدم قطعیت ها در مهندسی خاک و پی و بکارگیری آن در تحلیل های قابلیت اطمینان صورت گرفته است. در مهندسی خاک و پی تعدادی آیین نامه برای تحلیل های قابلیت اطمینان پیشنهاد شده است که از جمله آن ها می توان به phoon et al. (1995) ، berger et al. (1992) و barker et al. (1991) اشاره نمود. همچنین تحقیقات گسترده ای در مورد تغییرپذیری خصوصیات خاک و سنگ انجام گرفته است و جدول های راهنما در این زمینه ارائه شده است که از جمله آنها می توان phoon and kulhawy (1999 a,b) اشاره کرد. 1-1 بیان موضوع متداول است که یکی از محدودیت های مهم روش متداول تئوری تحکیم ، ثابت فرض نمودن ضریب تحکیم (c_v) می باشد. به منظور برطرف نمودن این محدودیت لازم است پروفیل پارامترهای نفوذپذیری (k) و تغییرشکل پذیری حجمی (m_v) با عمق در محاسبات لحاظ شود. بیشتر تحلیل ها در بحث تحکیم بر مبنای تحلیل های مشخصه و ثابت فرض نمودن پارامترهای خاک می باشد که متناسب با شرایط درجا و واقعی خاک نمی باشد. در بعضی موارد جدول های راهنمای تغییرپذیری خصوصیات خاک به سادگی در محاسبات تحلیل های قابلیت اطمینان بدون توجه مضاعف برای ارائه تغییرپذیری برای پروژه مدنظر استفاده می شود. برای این منظور لازم است با بررسی بیشتر در جهت تخمین دقیق تری از خصوصیات خاک محل تلاش نمود. مشکل اساسی در این مورد، کمبود داده ها می باشد. تحقیقات محلی بسیار گران است و بنابراین داده های کافی برای تحلیل های آماری منطقی بندرت امکان پذیر است. متداول است که نتیجه گیری ها بر مبنای تعداد اندکی از تستهای آزمایشگاهی مانند چند بار تست تحکیم است که برای تایید نتیجه گیری های گسترده در مورد خصوصیات آماری پارامترهای خاک کافی نمی باشد. بنابراین استفاده دقیق از داده های موجود درجای خاک و مدلسازی آنها در روشهای عددی ضروری به نظر می رسد. نرم افزار flac قابلیت بسیار خوبی در مدلسازی پدیده تحکیم دارد و با بکارگیری از روش تفاضلات محدود می تواند معادله تحکیم را با روش جفت شونده حل نماید که در آن اسکلت خاک بصورت یک جسم جامد الاستیک متخلل می باشد و مایع منفذی با آن جسم جامد با استفاده از شرایط تعادل و پیوستگی جفت شده است. پارامترهای نفوذپذیری (k) و تغییرشکل پذیری حجمی (m_v) نقش بسیار مهمی در تحکیم خاکهای غیرهمگن دارند و این دو خصوصیت خاک باید بصورت مستقل بررسی شوند و نباید همانند روشهای غیرجفت شونده در ضریب تحکیم (c_v) ترکیب شوند و سپس معادله تحکیم حل شود. 1-2 اهداف مطالعه این تحقیق به منظور بررسی اثر ناهمگونی پارامترهای تحکیم بر تحکیم نهشته های طبیعی و نشست تحکیمی آن ها می باشد. در مدلسازی عدم قطعیت های ذاتی خاک، پارامترهای ژئوتکنیکی دارای دو بخش مشخصه و تصادفی می باشند. در این مطالعه به اهمیت بخش مشخصه که بیانگر تغییرات مقدار میانگین می باشد، پرداخته می شود و پارامتر های آماری مولفه تصادفی که عبارتند از ضریب تغییرات و مقیاس نوسان و توزیع آماری بررسی می شود. همچنین روشی برای محاسبه نشست تحکیمی نهایی با استفاده از تحلیل های قابلیت اطمینان ارائه شده است. در این روش با استفاده از داده های آزمایش cptu و محاسبه پارامترهای آماری آن و تفسیر پارامترهای خاک با استفاده از همبستگی های موجود و همچنین با بکارگیری مباحث احتمالاتی ، نتایج نشست بر اساس احتمال خطرپذیری و درنظرگرفتن عدم قطعیت های موجود در سایت مورد نظر محاسبه می شود. 1-3 روش روش شبیه سازی مونت کارلو با تولید میدان تصادفی با تحلیل تفاضلات محدود به کار گرفته می شود. میدان تصادفی تولیدی با توزیع نرمال و لگاریتم نرمال توسط برنامه flac2d تولید و تحلیل های قابلیت اطمینان برای محاسبه درجه تحکیم متوسط و نشست نهایی تحکیم صورت می گیرد. برنامه های matlab و microsoft excel برای بدست آوردن پارامترهای آماری استفاده می شود. همچنین نرم افزار cpet-it برای تفسیر نتایج آزمایش cptu به کار گرفته می شود. 1-4 سازماندهی فصل ها فصل اوّل شامل مقدمه ، بیان موضوع و اهداف مطالعه و روش استفاده شده می باشد. در فصل دوم پیش زمینه موضوع مورد بررسی قرار می گیرد. بحث عدم قطعیت در مسائل ژئوتکنیکی و تقسیم بندی عدم قطعیت ارائه می شود. در ادامه مدل نمودن عدم قطعیت ذاتی خاک که شامل پارامترهای روند مشخصه، ضریب تغییرات، مقیاس نوسان و طول همبستگی می باشد، شرح داده می شود. همچنین بررسی ناهمگونی در آزمایش های درجا و خصوصیات آماری پارامترهای انجام می گیرد. در بحث تابع چگالی احتمال، توزیع های نرمال و نرمال لگاریتمی بررسی می شود. در پایان ضریب اطمینان و تحلیل های قابلیت اطمینان بیان می شوند. در فصل سوم بحث تحکیم به تفصیل شرح داده می شود. در ابتدا مقدمه و محاسبه نشست تحکیمی بیان شده است. در ادامه تئوری های تحکیم جفت شونده، غیرجفت شونده و سیستم لایه ای بررسی و با هم مقایسه می شوند. همچنین اثر تغییرپذیری پارامترهای تحکیم و خصوصیات آماری آن های بررسی می شود. پس از مروری بر روابط الاستیسیته ، روش تفاضل محدود و المان محدود با هم مقایسه می شود. در ادامه آشنایی با نرم افزار flac بیان می شود که در این بخش روش حل ، فرمولاسیون ریاضی، جریان پایه و جریان سریع اشباع شرح داده می شود. سپس مدل flac ارائه می شود. همچنین مدل مورد استفاده در این برنامه با حل بسته موجود اعتبارسنجی می شود. در فصل چهارم به استفاده از داده های cptu در بحث تحکیم می پردازیم. برای این منظور ابتدا آزمایش cpt معرفی می شود و مزایا و کاربردهای آن بیان می شود. توصیف خاک محل بر اساس ریسک و اثر آب حفره ای در ادامه مورد بررسی قرار می گیرد. گرافهای sbt و sbtn نرمالایزشده که برای تعیین پروفیل و نوع خاک کاربرد دارند ارائه می شود. همچنین تفسیر داده های cpt برای تخمین خصوصیات نفوذپذیری ، مدول تراکم پذیری حجمی و مدول برشی بیان می شود و نرم افزار cpet-it برای این منظور معرفی می شود. در ادامه یک مورد از داده هایcptu جهت مطالعه مبحث تحکیم معرفی و خصوصیات آماری آن بررسی می شود. در فصل پنجم به تحلیل قابلیت اطمینان نشست تحکیمی می پردازیم. در این بخش روش شبیه سازی مونت کارلو مورد استفاده در این مطالعه شرح داده می شود. نتایج نشست تحکیمی پس از آنالیز در نرم افزار flac برای 2000 آنالیز مونت کارلو ارائه می شود و محتمل ترین میزان نشست نهایی تحکیمی محاسبه می شود. همچنین بررسی کفایت تعداد شبیه سازی ها بررسی می شود. در این مطالعه روشی برای محاسبه نشست طراحی تحکیمی با استفاده از تحلیل قابلیت اطمینان ارائه می شود و مزایای این روش بیان می شود. در فصل ششم به نتیجه گیری مباحث مطرح شده ، محدودیت ها و پیشنهادات آتی پرداخته می شود.