در این پایان نامه پس از معرفی کلی خاکریزهای متکی بر شمع و روش اجرا، به صورت اجمالی به ارائه روشهای تحلیل و طراحی خاکریز های مسلح متکی بر شمع پرداخته شده است. در ادامه چند مورد مدلسازی استاتیکی با استفاده از نرم افزار abaqus ارائه شده و نتایج آنها با روشهای مرسوم تحلیل و طراحی مقایسه شده است. در فصول 3 و 4 با استفاده از نرم افزار 6.11های متکی بر شمع در شرایط بارگذاری استاتیکی و دینامیکی به صورت 3 بعدی مدل سازی شده است. نتایج تحلیل در شرایط بارگذاری استاتیکی نشان میدهد که سطح خاکریز هم در شمعهای انتها باربر و هم در شمعهای اصطکاکی، تغییر شکلهایی در حد مجاز را نشان می دهند. حال آنکه بارگذاری دینامیکی باعث تغییر شکلهای بزرگی در سطح خاکریز میشود. ژئوسنتتیک در سیستم خاکریزهای متکی برشمع در مکانیزم انتقال بار و کاهش حرکت جانبی خاکریز و افزایش ظرفیت باربری نقش مهمی را ایفا میکند. چنانچه روی شمعها ژئوسنتتیک قرار گرفته باشد، تاق در بدنه خاکریز تشکیل می شود و شکلگیری تاق باعث انتقال بار بین سرشمعها به نحو مطلوب شده و از نشست خاکریز جلوگیری میکند. افزایش سختی ژئوسنتتیک در حد متعارف سبب کاهش میزان نشست خاکریز میشود. فاصله سر شمعها در شکل گیری طاق در خاک و میزان نشست خاکریز نقش مهمی دارد. خاک زیر بستر ژئوسنتتیک در سیستم باربری و کاهش نشست خاکریز در شرایط بارگذاری استاتیکی نقش مهمی را بازی نمیکند و افزایش سختی آن در کاهش نشست خاکریز تاثیر مهمی ندارد. حال آنکه مصالح خاکریز در مکانیزم انتقال بار نقش مهمی را اجرا میکنند. لذا معمولا برای خاکریزها مصالح دانه ای با زاویه اصطکاک بالا پیشنهاد شده است. افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک خاکریز سبب شکلگیری تاق خاکریز در ارتفاع کمتری میشود و همین موضوع امکان ساخت خاکریزهایی با ارتفاع کم را ممکن میسازد.

هدف از انجام این پژوهش و روش تحقیق یکی از موارد اصلی استفاده از شمع ها تحمل بار جانبی است که از طریق سازه به آن وارد می شود، از این رو مطالعات و تحقیقات فراوانی روی آن انجام گرفته است. همچنین در این باره در آیین نامه ها و کتب مهندسی پی نیز مباحثی مطرح شده و برای طراحی شمع در مقابل بار جانبی وارده روابطی ارائه شده است. از آن جمله می توان به روابط «هانسن» و «برومز» اشاره کرد. برای محاسبه ظرفیت باربری جانبی شمع، سختی جانبی خاک محاسبه شده و از طریق روش های تحلیل برای هر شمع ظرفیتی بدست می آید. موضوع این پژوهش بررسی رفتار شمع ها بر اثر ایجاد گودبرداری در کنار آنها است. طبیعتا با ایجاد گودبرداری در کنار یک گروه شمع سختی جانبی خاک نیز دستخوش تغییرات وسیعی می شود. حرکت جانبی خاک نیز باعث ایجاد نیروهای جانبی در طول شمع می گردد. با این وجود روابط اشاره شده فوق کارایی خود را برای محاسبه ظرفیت باربری جانبی خاک از دست می دهد، زیرا دو فرض ابتدایی این روابط از بین رفته است. یکی اینکه سختی جانبی خاک تغییرات نامشخصی می کند، و دیگر اینکه بارهای وارده از طرف سازه وارد نمی شود و در طول شمع از طرف خاک وارد می گردد. بارهای قائم در شمع از طریق اصطکاک یا چسبندگی جداره شمع یا از طریق اتکایی نوک شمع به خاک منتقل می شود. یکی از عوامل تعیین کننده برای مقاومت جداره شمع فشار محدود کننده خاک است. با ایجاد گودبرداری در نزدیکی شمع فشار محدود کننده در طول شمع دچار تغییر و کاهش می گردد. بنابراین ظرفیت باربری جداری شمع نیز کاهش می یابد که این موضوع باعث ایجاد تغییر شکل های افقی و عمودی در شمع می گردد. در این زمینه نیز ادامه قدرت تحلیل روابط موجود با مشکل مواجه می شود. در این پژوهش ابتدا به بررسی کارهای انجام شده در این زمینه پرداخته شده است. علاوه بر برخی روش های تحلیلی ارائه شده و مدلسازی های عددی، آزمایش هایی نیز در این رابطه انجام شده است. اکثر این آزمایش ها توسط سانتریفیوژ در ابعادی بسیار کوچک تر از ابعاد واقعی شمع ها انجام شده است. یکی از مشکلات در انجام چنین آزمایش های نیاز به امکانات و هزینه های بالای آن است. محدودیت های موجود در این آزمایش ها نیز باعث می شود در بسیاری از موارد عملی نتوان از آن ها استفاده نمود. در ادامه این پژوهش سعی شده است که روش مدلسازی رایانه ای به وسیله نرم افزار abaqus در مقایسه با نتایج آزمایش های سانتریفیوژ صحت سنجی شود، تا در صورت اثبات صحت این مدلسازی های عددی بتوان برای موارد دیگر نیز از روش مدلسازی رایانه ای بهره جست. پس از بررسی های مقایسه ای ، مدل های جدیدی از گروه شمع ها در کنار گودبرداری های عمیق ساخته شده و نتایج تغییر شکل و لنگر خمشی شمع های آن در ادامه آمده است. هدف از انجام این پروژه نشان دادن قدرت تحلیل عددی برای جایگزینی با روش های مکانیکی از جمله آزمایش سانتریفیوژ است. در این پژوهش از نرم افزار abaqus با بکارگیری روش اجزاء محدود استفاده شده است. ساختار این گزارش فصل اول، مقدمه، شامل توضیحاتی کلی در رابطه با پی و شمع است و پس از آن مختصری از هدف و روش کار در این پژوهش بیان شده است. فصل دوم، مطالعات انجام شده؛ که در این فصل مطالعات انجام شده توسط دیگران در زمینه گودبرداری در کنار شمع گردآوری و بررسی شده است. فصل سوم، معادلات ساختاری در حل مسائل ژئوتکنیک؛ تئوری پلاستیسیته، پاسخ الاستیک و مدل پلاستیسیته موهر کولمب به همراه برخی معادلات در این رابطه، در این فصل آمده است. در ادامه این فصل، توضیحاتی درباره مدلسازی در abaqus آمده است، که برخی خصوصیات المان ها و سایر مسایل مدلسازی در این نرم افزار بطور خلاصه در این فصل گردآوری شده است. فصل چهارم، مدل های عددی در مقایسه با آزمایش های سانتریفیوژ؛ که در این فصل برخی از مدلهای ساخته شده در آزمایش های سانتریفیوژ که مدل آن با ابعاد واقعی توسط نرم افزار abaqus ساخته و تحلیل شده است، بررسی و شرح داده شده و نتایج آن آمده است. فصل پنجم، مدل های عددی جدید و نتایج آن، در این فصل بررسی شده است. این مدل ها شامل یک گروه شمع بدون کلاهک با تعداد شمع زیاد در خاک تک لایه رس نرم است، که بصورت اصطکاکی عمل می کند و یک گروه شمع بدون کلاهک با شکل مشابه که در خاک 2 لایه با لایه زیرین ماسه سخت مدلسازی شده و بصورت اتکایی عمل می کند. پس از این دو مدل، 2 مدل مشابه با کلاهک نیز شبیه سازی شده است. به هر چهار مدل بار قائمی معادل یک ساختمان 20 طبقه وارد شده و پس از آن در کنار آن ها اجرای یک گودبرداری عمیق مدلسازی شده است. نتایج حاصل از بارگذاری و گودبرداری در کنار آن ها نیز در این فصل آمده است. فصل ششم، نتیجه گیری و پیشنهادات؛ در این فصل نتایج حاصل از این پژوهش جمع بندی شده و پیشنهاداتی ارائه گردیده است.

هر ساله میلیون ها تن زباله جامد شهری در جهان تولید می شود و حتی با افزایش مقدار زباله های بازیافتی در کشورهای پیشرفته، بیشتر از نصف زباله به صورت دفن در محل مراکز دفن زباله مدفون می شود. تجزیه مواد آلی زباله ها منجر به تولید حرارت می شود. حرارت یکی از اصلی ترین محصولات در محل دفن زباله شهری در کنار شیرابه و گاز است. رفتار شیرابه و گاز توسط محققین زیادی مطالعه شده است ولی اطلاعات در زمینه تولید و اثر دما بر رفتار محل دفن زباله بسیار محدود است. دمای به وجود آمده در محل دفن زباله شهری نتیجه روند بیوشیمیایی و تجزیه مواد آلی موجود در زباله است. حداکثر دمای گزارش شده در محل های دفن زباله شهری 40 تا 65 درجه سانتیگراد بوده که در عمق میانی محل دفن زباله با ارتفاع کل 20 تا 60 متر بدست آمده است. در سال های اخیر افزایش علاقه در زمینه تحلیل حرارتی-هیدرو-مکانیکی مصالح خاکی به دلیل طیف گسترده عملیات های مهندسی مشاهده شده است. مطالعه رفتار محل دفن زباله شهری نیز به دلیل دارا بودن رطوبت و دمای بالا بهتر است با استفاده از تحلیل حرارتی-هیدرو-مکانیکی انجام گیرد. تغییرات دمایی می تواند موجب تغییر شکل فشار آب و فاز جامد شود که در نتیجه فشار آب حفره ای و تنش موثر تغییر پیدا می کند. همچنین دما می تواند منجر به ایجاد تغییراتی در جابجایی عمودی و کرنش های حرارتی در خاک ها شود. در این تحقیق محل دفن زباله شهری در آمریکا به صورت حرارتی-هیدرو-مکانیکی مدلسازی شده تا دما و اثرات حاصل از آن در نظر گرفته شود. نتایج مدلسازی نشان از کاهش جابجایی و انبساط لایه های مختلف در اثر اعمال دما است. همچنین دما موجب نوسانی شدن تنش ها در عمق هایی که پیشینه دمایی و ضریب انبساط بالاتری داشته شده اند، شده است. اعمال دما موجب بروز تغییراتی در فشار آب حفره ای نیز شده است. این تغییرات با پیشینه دمایی لایه مورد نظر، زمان، کرنش و ... ارتباط داشته، در نتیجه در اعماق مختلف نتایج متفاوتی تا قبل از اتمام ساخت مدفن بدست آمده است. با ثابت شدن دما فشار آب حفره ای در تحلیل با دمای بیشتر کم تر از تحلیل با دمای کم تر بدست آمده است. در این تحقیق همچنین اثر ضخامت پوشش خاکی در رفتار محل دفن زباله بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که علی رغم افزایش جابجایی در اکثر اعماق در مدل با پوشش بیشتر ولی با توجه به مقاومت برشی بالاتر لایه ها در این مدل ضریب اطمینان بدست آمده از روش المان محدود بیشتر از مدل با پوشش خاکی کمتر بدست آمده است. ضریب اطمینان بدست آمده در تحلیل حرارتی-هیدرو-مکانیکی نیز کمی بیشتر از تحلیل هیدرو-مکانیکی بدست آمده است.

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.