سالهاست که انرژی زمین گرمایی، که از گرمای قسمتهای داخلی زمین حاصل می گردد، به صورت بخار یا آب داغ در تولید الکتریسیته، گرمایش و فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. به طور کلی حوزه های زمین گرمایی به صورت یک سیکل دائمی گردش گرما و سیال هستند که سیال از حوزه های تغذیه یا به وسیله تزریق وارد منبع شده و از سوی دیگر به صورت آب داغ و بخار خارج می گردند و در حین بهره برداری صنعتی، سیال استفاده شده مجدداً از طریق چاههایی به منبع برگردانده می شوند. استخراج انرژی در سنگهای داغ و خشک hdr که اغلب در همه جا در اعماق زمین یافت می شود، از روشهای نوین استخراج انرژی زمین گرمایی است. این منابع به صورت طبیعی با رخدادهای لرزه ای یا به صورت مصنوعی با تحریک هیدرولیکی می توانند به یک ناحیه نفوذپذیر تبدیل گردند. آگاهی از شکل، اندازه و نفوذپذیری ناحیه شکست که به وسیله تحریک هیدرولیکی ایجاد می گردد برای ارزیابی عملی بودن پروژه و تعیین بهترین محل چاههای تزریق و تولید اهمیت زیادی دارد. از آنجایی که آزمایشهای تحریک هیدرولیکی که در اعماق زیاد انجام می شوند بسیار گران هستند، مدلسازی عددی نقش بسیار مهمی را ایفاء می کند. در مدلسازی کامل رفتار یک منبع hdr در درازمدت می بایست جریان هیدرولیکی در درزه ها و در بافت سنگ محیطی، انتقال انرژی گرمایی از طریق همرفت و هدایت و تغییر شکل الاستیک سنگ ناشی از تغییرات گرمایی و هیدرولیکی و تغییر در میدان تنش طبیعی سنگ مورد توجه قرار گیرد. از آنجا که تحریک هیدرولیکی عموماً بین چند ساعت تا چند روز به طول می انجامد و در مقیاس زمانی نسبت به گردش سیال در سیستم که در طول سالها صورت می پذیرد بسیار کوتاه است، در مدلسازی تحریک هیدرولیکی، فرآیند توامان هیدرومکانیکی، غالب خواهد بود. در این تحقیق سعی خواهد شد تا با استفاده از یک روش عددی مناسب، پاسخ مکانیکی سنگ به تحریک هیدرولیکی (رفتار توده سنگ درزه دار به افزایش فشار آب)، همچون ارتباط بازشدگی درزه ها با افزایش فشار آب و تغییر آن با زمان، تغییرات تنشهای نرمال وارد بر درزه، حداکثر فشار آب حفره ای در سیستم و مقادیر دبی خروجی در چاه تولید، مورد بررسی قرار گیرد. با استفاده از نتایج مذکور، پارامترهای موثر برای ارزیابی عملکرد هیدرولیکی منبع همچون مقاومت جریان، اتلاف سیال و تزریق پذیری منبع استخراج گشته و مورد تحلیل قرار می گیرد. پارامتری که آنالیز حساسیت بر روی آن صورت پذیرفته است، بازشدگی اولیه بوده و تغییرات حداکثر فشار آب حفره ای، دبی خروجی، مقاومت جریان، اتلاف سیال و تزریق پذیری برای بازشدگی های اولیه متفاوت مورد مطالعه قرار گرفته است.

با توجه به گسترش استفاده از تونل ها در نواحی شهری و لزوم استفاده از تونل ها در نواحی شهری به منظور برطرف نمودن مشکلات ترافیکی و نیز محدودیت دسترسی به منظور انجام حفاری ها در نقاط دور از دسترس، نیازمند استفاده از تونل های دسترسی می باشیم که با تونل اصلی مورد نظر متقاطع خواهند بود. با توجه به شرایط رفتاری تونل در ناحیه تقاطع، این نواحی دارای اهمیت بوده و به همین منظور نیازمند استفاده از مدل سه بعدی به منظور بررسی صحیح شرایط توزیع تنش در اطراف تقاطع خواهیم بود. با توجه به اینکه شرایط مرزهای مدل در بررسی رفتار تنش در اطراف تقاطع دارای اهمیت می باشد، بنابراین سعی می شود که ابعاد موثری از مدل تعریف شده که با بررسی نحوه تاثیر محدوده حفاری در شرایط تنش مرزها، فاصله مناسب را تعیین خواهیم نمود. همچنین با بررسی نوع اتصال سازه ی مهاری تونل اصلی و دسترسی در ناحیه تقاطع، نوع رفتار اتصال گیردار سازه و اتصال مفصلی آن بررسی شده که با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده شد با استفاده از اتصال مفصلی، امکان استفاده از سازه مهاری بهینه تر موجود می باشد و نیز به منظور تطبیق بیشتر خروجی ها و بررسی رفتار خاک، از داده های رفتار سنجی استفاده گردید و پارامترهای خاک مورد استفاده با توجه به آزمایش های درجا اصلاح گردید.

تعیین ظرفیت باربری شمع ها از جمله مسائل مهمی است که همواره ذهن مهندسین ژئوتکنیک را به خود معطوف داشته است. اثر عواملی نظیر ناهمسانی محیط خاک در برگیرنده یک شمع، اجرای شمع، جنس شمع و شکل آن، تخمین صحیح ظرفیت باربری یک شمع را با مشکل همراه می سازد. آزمایش بارگذاری شمع به عنوان یک روش قابل اعتماد، میتواند در مراحل مختلف تحلیل، طراحی و اجرای شمع به منظور تعیین ظرفیت باربری محوری شمع به کار رود. از طرفی، آزمایش بارگذاری شمع با وجود دقت بالا، هزینه های زیاد و زمان انجام طولانی را برای پروژه های عمرانی تحمیل می کند و همین مساله باعث ایجاد محدودیت هایی در انجام این آزمایش می شود. بدین ترتیب پذیرش تحلیل های عددی در مسائل ژئوتکنیکی به تدریج در حال افزایش می باشد. در این میان مدل سازی با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی روشی است که بر اساس داده ها و اطلاعات قبلی بوده و نیازی به ساده سازی و استفاده از ضرایب اطمینان بالا ندارد. در این تحقیق از دو نوع شبکه عصبی مصنوعی استفاده شده است. در ابتدا شبکه عصبی چند لایه پرسپترون، یکی از پرکاربردترین شبکه های عصبی، و در ادامه از شبکه های عصبی نروفازی بهره گرفته شد. در تمامی مدل ها از 4 پارامتر طول و قطر شمع، مدول الاستیسیته و زاویه اصطکاک داخلی خاک به عنوان ورودی و از ظرفیت باربری شمع به عنوان خروجی استفاده شده است. مدل ها از موفقیت قابل قبولی در پیش بینی ظرفیت باربری شمع ها بر خوردارند. برای افزایش میزان دقت در پیش بینی ظرفیت باربری، برای آموزش شبکه از آزمایش های واقعی شمع که در مرحله مطالعات ژئوتکنیک حوض خشک منطقه هرمزگان، توسط شرکت مهندسین مشاور پژوهش عمران راهوار صورت گرفته، استفاده شده است. با توجه نیاز به داده های بیشتر برای آموزش و تست شبکه، چندین آزمایش ظرفیت باربری شمع در ابعاد کوچک تر در آزمایشگاه انجام شد. برای انجام این آزمایشها از دستگاه ظرفیت باربری شمع، ساخته شده در دانشگاه تربیت مدرس، استفاده شد. مدل های مبتنی بر شبکه های عصبی، برخلاف مدل های رفتاری مرسوم توضیحی در مورد چگونگی اثر پارامتر های ورودی بر خروجی نمی دهند. در این تحقیق با آنالیز حساسیت بر روی ساختار بهینه مدل های معرفی شده در هر مرحله سعی شده است تا حدودی به این سوال پاسخ داده شود.

پایدارسازی دیواره گودبرداری های عمیق و نیمه عمیق در محیط شهری یکی از زمینه های مطالعاتی است که با توجه به کمبود فضای شهری و نیاز به گودبرداری جهت ایجاد محل توقف اتومبیل یا ایجاد فضای مناسب جهت کاربری انبار در مراکز تجاری از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. روش های گوناگونی جهت پایدارسازی دیواره گود ابداع شده است که با توجه به خصوصیات پروژه، نوع خاک، مشخصات سازه-های اطراف گود و درجه اهمیت آنها و همچنین اقتصادی بودن روش پایدارسازی و سایر پارامتر های دخیل در پروژه، یک نوع سیستم خاص را در خصوص هر پروژه لازم الاجرا می گرداند. با توجه به تجارب گذشته در سطح دنیا و همچنین ویژگی های منحصر به فرد سیستم میخکوبی، یکی از پرکاربردترین و مناسب ترین روش پایدارسازی دیواره گودبرداری عمیق و نیمه عمیق شهری می باشد. با بررسی های انجام شده بر روی پروژه های بزرگ اجرا شده در شهر تهران، مشخص گردید که عموماً طراحی و تحلیل سیستم میخکوبی، زمانبر و پرهزینه می باشد و تا حدودی نتایج این تحلیل ها به شدت به پارامتر های ژئوتکنیکی وابسته است و همچنین مقادیر و مشخصات اندازه گیری شده از محل پروژه با مقادیر پیش بینی شده در تحلیل ها و نرم-افزارها تفاوت داشته و عموماً تحلیل ها مقادیر بیشتری (در جهت اطمینان) نشان می دهند. از اینرو نیاز به انتخاب روش تحلیلی مناسب به گونه ای که مستقل از مدلهای رفتاری و روش مدلسازی باشد وجود دارد. بنابراین شبکه عصبی مصنوعی که توانایی ایجاد روابط غیر خطی در بین ورودیها و عدم لحاظ هرگونه فرض ساده کننده را دارا می باشد به عنوان یک راهکار، مورد بررسی قرار گرفته و زمینه انجام این تحقیق گردیده است. برای نیل به این هدف، بانک اطلاعاتی وسیعی نیز از پروژه های اجرا شده و یا در حال اتمام در شهر تهران (نظیر مجتمع تجاری- اداری نرگس، باران، مدنی، ارم مهستان و یاس جهت انجام این تحقیق گردآوری شده است. در این تحقیق دو نوع شبکه عصبی متفاوت چندلایه پرسپترون، نروفازی استفاده شده است. در تمامی مدلها سعی شده است که از پارامترهایی به عنوان پارامتر ورودی استفاده شود که اولاً بیشترین تاثیر را بر روی پارامتر خروجی شبکه داشته باشند و ثانیاً تعیین این پارامتر ها مستلزم انجام آزمایشات سنگین و یا صرف هزینه و زمان زیاد نباشد. در نهایت در تمامی آنها از 4 پارامتر ورودی و 1 پارامتر خروجی بهره گرفته شده است. شبکه های چند لایه پرسپترون از ساختار های متفاوت یک، دو و سه لایه پنهان با تعداد متناوب نورون شکل گرفته اند که در نهایت با مقایسه شاخص های خطا مناسبترین ساختار شبکه عصبی معرفی شده است. شبکه های نروفازی نیز در دو نوع مختلف تابع عضویت مثلثی و گاوسی در تعداد متفاوت استفاده شده و موفق ترین مدل ها نیز به همراه نتایج تحلیلی ارایه شده است. در انتها ساختار بهینه mlp و مدل شبکه نروفازی منتخب، در برابر داده های تجربه نشده قرار گرفت و موفقیت قابل قبولی در تعمیم و شبیه سازی از خود نشان داده است. مطابق آنچه که در این تحقیق نتیجه گردیده است مشخص می شود که شبکه های چند لایه پرسپترون قابلیت بیشتری نسبت شبکه های نروفازی داشته و شبکه پایدارتری می باشند.

عملکرد سازه های متکی بر شمع، هنگام زلزله های ویرانگر اخیر نیاز به افزایش تحقیق ها به منظور تجدیدنظر در آئین نامه های طرّاحی و مقرّرات ساختمان برای جلوگیری از زیان های فاجعه آمیز انسانی و اقتصادی احتمالی در آینده را تقویّت کرده است. همچنین خسارات وارد شده به فونداسیون های شمعی هنگام این زلزله ها، بر اهمیت درکِ sspsi (اندرکنش روسازه-شمع-خاک)، تأکید کرده است. می توان sspsi را به چهار وجه اساسی تقسیم بندی کرد: اندرکنش اینرسیال، اندرکنش سینماتیکی، اندرکنش فیزیکی و میرایی تابشی. این وجوه که تحلیل sspsi را پیچیده می کند، در روش های متداول تحلیل و طراحی فونداسیون های شمعی و سازه ها در نظر گرفته نمی شود؛ در حالی که بسته به پیکربندی گروه شمع، پروفیل خاک و فرکانس طبیعی روسازه، پاسخ سیستم ممکن است نسبت به شرایط واقعی دستِ کم یا دستِ بالا برآورد شده و در نتیجه معیار طرّاحی را به طور اساسی تغییر دهد. در تحقیق حاضر، پاسخ فونداسیون شمعی و روساز? یک ساختمان بلند مرتبه تحت بار لرزه ای و اثرات سینماتیکی و اینرسیال آن، بوسیل? برنام? المان محدود سه بعدی abaqus بررسی شده است. اهداف این تحقیق عبارت اند از: (الف) ایجاد یک مدل المان محدود از روساز? یک ساختمان بلند مرتب? دوازده طبقه با فونداسیون شمعی آن و خاک پیرامونی شمع ها که به درستی اندرکنش های سینماتیکی و اینرسیال یک سیستم کاملاً یکپارچه را مدل کرده و رفتار غیر خطّی خاک و روسازه، جداشدگی بین شمع و خاک، اتلاف انرژی و انتشار امواج را لحاظ کرده باشد؛ (ب) انجام یک تحلیل کاملاً یکپارچه روی مدل ایجاد شده برای ارزیابی اثر اینرسیال روی پاسخ سرشمع ها و اثر سینماتیکی روی پاسخ روسازه با اعمال حرکت زمین به مدل؛ و (ج) ارزیابی اثرات ضخامت کلاهک گروه شمع بر پاسخ سرشمع و روسازه. حرکت زلزله به شکل تاریخچ? زمانی شتاب بر سنگ بستر مفروض بر پای? شبک? المان محدود اعمال شد. برای ارزیابی اثرات اندرکنش سینماتیکی، پاسخ میدان آزاد خاک و پاسخ سرشمع ها حاصل از تحلیل سیستم گروه شمع-خاک با هم مقایسه شد. برای ارزیابی اثرات اندرکنش اینرسیال، پاسخ روسازه که از دو تحلیل کاملاً یکپارچه و تحلیل روسازه با اعمال پاسخ حاصل از تحلیل سیستم گروه شمع-خاک به عنوان تحریک پای? روسازه، به دست آمدند با هم مقایسه گردید. همچنین برای ارزیابی اثرات ضخامت کلاهک گروه شمع، پاسخ سرشمع و روسازه با استفاده از تحلیل کاملاً یکپارچه در سه ضخامت مختلف، باهم مقایسه شد. ملاحظه شد که اندرکنش سینماتیکی در خاک های همگن و خاک لایه ای که لای? نرم روی لای? سخت قرار گرفته باشد اثر زیادی ندارد، حال آن که در خاک لایه ای که لای? سخت روی لای? نرم قرار گرفته باشد اثر افزایشی قابل توجهی دارد. اندرکنش اینرسیال اغلب اثر پاسخ روسازه را در خاک همگن و لایه ای که لای? نرم روی لای? سخت قرار گیرد، بر حسب جابجایی نسبی، نیروی برشی، ممان خمشی و دامن? فوریه کاهش داده در حالی که در حدود پنجاه درصد موارد، اثر فوق را در خاک لایه ای که لای? سخت روی لای? نرم قرار گیرد، بر حسب پارامترهای مذکور افزایش می دهد. همچنین با افزایش ضخامت کلاهک گروه شمع، اثرات پاسخ سرشمع و روسازه افزایش می یابد.

شکستگی هیدرولیکی یکی از تکنیک های تحریک مخازن است که برای افزایش بازدهی مخازن نفتی مورد استفاده قرار می گیرد. مهمترین مسئله در روش شکستگی هیدرولیکی، پیش بینی صحیح هندسه شکستگی به منظور طراحی ایمن و بهینه این فرآیند می باشد. نحوه گسترش شکستگی هیدرولیکی در محیط های دارای لایه بندی، به شدت از وجود ناپیوستگی ها (لایه بندی، درزه ، گسل و ...) و خصوصیات آنها، پارامترهای مکانیکی توده سنگ و تنش های برجا تأثیر می پذیرد. بنابراین برای دستیابی به یک طراحی بهینه و همچنین ارزیابی صحیح از هندسه شکستگی هیدرولیکی، لحاظ کردن اثرات لایه بندی در مدلسازی های موجود ضروری است. در این پژوهش با بررسی فرآیند اندرکنش شکستگی هیدرولیکی با ناپیوستگی ها و فصل مشترک لایه ها، نحوه گسترش، انحراف و توقف آن به صورت تجربی و عددی مورد ارزیابی قرار گرفته است. بدین منظور، با انجام یک سری آزمایش بر روی نمونه های مکعبی که خود شامل ترکیبی از بلوک-های کوچک تر و یا به صورت چند لایه بودند، نحوه گسترش شکست هیدرولیکی در سلول سه محوره واقعی، با لحاظ کردن هر سه تنش اصلی مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به امکان تغییر چیدمان بلوک های کوچکتر نسبت به هم، شرایط آزمایش برای هر نمونه قابل کنترل بود؛ لازم به ذکر است که این نحوه طراحی برای اولین بار در مجموعه آزمایش های حوزه شکستگی هیدرولیکی مورد استفاده قرار گرفته است. در این آزمایش ها، با تغییر پارامترهای مقاومتی فصل مشترک بین بلوک ها، خصوصیات مکانیکی لایه ها، تنش های اصلی، گران روی سیال و نرخ تزریق، فرآیند گسترش شکستگی هیدرولیکی تحت تأثیر این پارامترها مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که با افزایش پارامترهای مکانیکی ناپیوستگی و در نتیجه عدم لغزش و بازشدگی آن، شکستگی می تواند از آن عبور کند، در حالی که کاهش پارامترهای مکانیکی منجر به لغزش و باز شدگی ناپیوستگی شده و در نتیجه انحراف شکستگی هیدرولیکی و یا توقف آن پدیده غالب می باشد. نتایج نشان می دهد که وجود میان لایه نفوذ پذیر یا پرشدگی تأثیرگذار، باعث کند شدن نوک ترک و افزایش تراوش و توقف شکستگی می شود، همچنین تغییر خصوصیات مکانیکی لایه های مجاور بر میزان نفوذ شکستگی هیدورلیکی در این لایه ها اثر گذاشته و می تواند رشد آن را به طور کامل متوقف نماید. در نمونه های بلوکی چند لایهنتایج نشان داد که با تغییر مکان لایه های سخت و نرم نسبت به یکدیگر، شکستگی هیدرولیکی از لایه سخت به لایه نرم نفوذ می کند در صورتی که در حالت معکوس رشد شکستگی متوقف شده و یا به صورت موضعی صورت می پذیرد. براساس هدف دوم پژوهش، به منظور بررسی بیشتر گسترش شکستگی هیدرولیکی و اندرکنش آن با ناپیوستگی های موجود، برنامه عددی (2dfpm) با مبنای المان مرزی (روش ناپیوستگی- جابجایی (ddm)) توسعه داده شد. مهمترین دلایل انتخاب ddm، عدم نیاز این روش به مش-بندی مجدد محیط در حین گسترش شکستگی هیدرولیکی و توانایی آن در مدلسازی ناپیوستگی ها و فرآیند لغزش و بازشدگی آنها تحت تأثیر تنش های محیطی بود. در راستای ارتقای این برنامه عددی و افزایش دقت محاسبات، از المان نوک ترک برای اندازه گیری فاکتور شدت تنش و المان-های سه گرهی کوادراتیک استفاده گردید. با استفاده از معیارهای مختلف گسترش شکستگی و الگوریتم توسعه ترک، مسیر گسترش شکستگی هیدرولیکی پیش بینی گردید و با استفاده از المان درزه و معیار موهر-کلمب، حالات مختلف بازشدگی، لغزش و چسبندگی کامل سطوح ناپیوستگی ها مدلسازی شد. با لحاظ کردن فرمولاسیون محیط های نیم صفحه و تمام صفحه قابلیت مدلسازی در محیط های ناهمگن نیز به این برنامه عددی افزوده شد. در ادامه با مدلسازی همزمان جریان سیال نیوتنی و تغییر شکل الاستیک محیط، امکان بررسی بهتر فرآیند گسترش شکستگی هیدرولیکی در مجاورت ناپیوستگی ها فراهم گردید. با مقایسه نتایج حاصل از برنامه عددی با مقادیر ناشی از حل تحلیلی و همچنین نتایج آزمایشگاهی، دقت و قابلیت این برنامه عددی مورد تأیید قرار گرفت. در ادامه با مدل سازی حالات مختلف وضعیت شکستگی هیدرولیکی نسبت به ناپیوستگی، عوامل موثر بر انحراف، توقف و عبور شکستگی هیدرولیکی با توجه به تنش های ایجاد شده بررسی شد و نقاط تنش اصلی حداکثر که به عنوان پتانسیل های شروع مجدد شکستگی هیدولیکی در آن سوی ناپیوستگی مطرح می باشند، مشخص گردیدند. در مجموع نتایج حاصل از روش عددی علت تفاوت موجود در گسترش شکست هیدرولیکی در محیط های لایه ای و در مجاورت ناپیوستگی ها را نسبت به گسترش آن در محیط های همگن تشریح می کند و قابلیت این برنامه عددی در مدلسازی فرآیند گسترش شکستگی هیدورلیکی را در چنین محیط هایی نشان می دهد.

با توسعه و گسترش شهرهای بزرگ و مسائل ترافیکی نیاز به وجود و احداث تونل ها در عمق های مختلف مورد توجه قرار گرفته است. تونل سازی، باعث ایجاد تغییر در نحوه تمرکز تنش در اطراف فضای حفاری شده، می شود. به طور معمول تحلیل پایداری بازشوهای زیرزمینی با استفاده از فرض کرنش صفحه ای انجام می پذیرد. اما برخی از قسمت های تونل مانند سطح خاکبرداری، تقاطع و نواحی که هندسه آنها به طور ناگهانی تغییر می یابد، می بایست به صورت سه بعدی تحلیل شوند. یکی از انواع تقاطع ، دوراهی ها می باشند. دوراهی به دو صورت طراحی می شود: تونل دسترسی به تونل اصلی منتهی می شود، تونل دسترسی از تونل اصلی انشعاب می گیرد. در این پایان نامه، به بررسی امکان مدل سازی دوبعدی دوراهی تونل صدر- نیایش پرداخته شده است. برای مدل سازی دوبعدی ابتدا می بایست بحرانی ترین مقطع تعیین گردد. این بررسی ها با استفاده از نرم افزارهای flac 3d و flac 2d و با بهره گیری از اطلاعات موجود از شرایط اولیه حاکم بر منطقه مورد مطالعه، از طریق مدل سازی سه بعدی و دوبعدی بر اساس دو مدل رفتاری موهر- کلمب و موهر-کلمب اصلاح شده سخت شونده/ نرم شونده در حالت استاتیکی انجام شده است. با توجه به نتایج حاصل از تحلیل، عمق روباره، ضخامت بتن پاشی، ایجاد پدیده قوس زدگی و اندازه دهانه مقطع عرضی در تعیین مقطع بحرانی تأثیرگذار است. در این پروژه مقطع بحرانی از لحاظ میزان ماکزیمم نشست سطحی زمین، در فاصله قطر بزرگ ترین دهانه تونل از مقطع انشعاب دوراهی قرار دارد که دارای بیشترین عمق روباره و کمترین ضخامت بتن پاشی است. میزان ماکزیمم تورم در کف مقطعی از تونل که دارای بزرگترین قطر دهانه می باشد، رخ داده است. در مدل سازی دوبعدی جهت اعمال تأثیر بعد سوم(خاکبرداری و نصب سیستم نگهداری) از فاکتور ترخیص تنش استفاده شده است. فاکتور ترخیص تنش با استفاده از نتایج حاصل از مدل سازی سه بعدی تعیین شده است. نتایج حاصل از تحلیل دوبعدی با در نظر گرفتن میزان مناسب فاکتور ترخیص تنش، با نتایج حاصل از رفتارسنجی و تحلیل سه بعدی هم خوانی قابل قبولی دارد.

برای بیان رفتار مصالح مهندسی از مدل های رفتاری متفاوتی استفاده می شود .طبق تعریف، سنگ های نرم به لحاظ مقاومتی، حد واسط خاک ها و سنگ های سخت هستند و برای خاک ها از مدل رفتاری سخت شونده بطور متداولی استفاده شده است. مدل خاک سخت شونده، یک مدل پیشرفته برای شبیه سازی رفتار انواع مختلف خاک های سخت و نرم است. با توجه به این که مطالعات انجام شده بیشتر روی رفتار مکانیکی سنگ های سخت متمرکز بوده و مطالعات کمی در مورد سنگ های نرم انجام شده است، بنابراین در این تحقیق این نوع سنگ بررسی شد. به عنوان مطالعه ی موردی سد سیاه بیشه انتخاب و نمونه هایی از مغار و ساختگاه این سد گرفته شد و آزمایش های سه محوری به دو روش، تک محوری، بارنقطه ای، تعیین rqd، پتروگرافی و برخی از آزمایش‎ های فیزیکی دیگر روی آن ها صورت گرفت. از آزمایش های انجام گرفته برخی از پارامترهای سنگ نرم مانند چگالی، نسبت تخلخل، مدول الاستیسیته، ضریب پواسون و برخی پارامترهای مدل سخت شونده سنگ نرم به دست آمد. در نهایت نتایج این آزمایش ها با مطالعات دیگری که بر روی این سد انجام شده بود مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. مطالعه ی حاضر بصورت آزمایشگاهی(کوچک مقیاس) انجام شد و پارامترهای چسبندگی، اصطکاک، مقاومت فشاری تک محوری، مدول های الاستیسیته ، پارامتر مدول سکانتی سخت شونده بدست آمد.

در این تحقیق، رفتار خزشی سنگ گرانیت اینادا با استفاده از مدل ذارت پیوسته سه بعدی با اتصالات موازی، به کمک مدل فرسایشی تنش مدلسازی گردید که در قالب روش المان مجزای pfc3d گنجانده شده است. مدل المان مجزا با ذرات پیوسته در سالهای اخیر محبوبیت زیادی برای مدلسازی سنگ های شکننده پیدا کرده است؛ و از بخاطر نوین بودن این روش، تاثیرات کامل ریزپارامترها بر روی پاسخ مدل کاملا مشخص نبوده و همچنین یک روند منسجم برای کالیبراسیون مدل با اتصالات موازی در دست نمی باشد. از طرف دیگر، مدلسازی رفتار خزشی سنگ گرانیت برای بررسی تغییر شکل سازه های ساخته شده در اعماق زمین و همچنین تحقیقات فراتر در زمینه خزش سنگهای شکننده، بعلت محدودیت زمان و امکانات آزمایشگاهی برای مدلسازی خزش از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در ابتدا رفتار کوتاه مدت سنگ گرانیت تحت آزمایشات تک محوره و سه محوره شبیه سازی شد. برای مدلسازی بهتر رفتار سنگ گرانیت از یک هندسه خوشه ای که دانه های با اشکال جدید را بوجود می-آورد استفاده شد. برای کالیبراسیون ریزپارامترهای مدل، از نتایج آزمایشات تک محوری بر روی نمونه-های آزمایشگاهی استفاده شد. سپس با استفاده از نتایج آزمایشات فشاری بر روی مدل و همچنین آزمایشات آزمایشگاهی تک محوره بر روی نمونه سنگ، کالیبراسیون رفتار خزشی انجام شد. نمودارهای خزش و همچنین الگوهای آسیب دیدگی و تشکیل ریزترک ها در مدل عددی بررسی شده و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردید. نتایجی که گرفته شد نشان دادند که ریزپارامتر نسبت سختی نرمال به سختی برشی اتصالات و ذرات با مدول الاستیسیته نسبت عکس و با نسبت پواسون بطور مستقیم متناسب می باشد. همچنین یک رابطه از درجه سه برای نسبت انحراف معیار مقاومتی به مقاومت متوسط و نسبت تنش شروع ترک به تنش نهایی بدست آمد. تاثیر ریزپارامتر اندازه خوشه ها بر روی مدل بررسی شده و مشاهده شد که این پارامتر بشدت بر روی نسبت مقاومت کششی به فشاری مدل تاثیر گذار بوده و با آن رابطه مستقیمی دارد. از پارامترهای آزمایش نیز، مشاهده شد که پارامتر نرخ کرنش تاثیر چشمگیری بر روی پاسخ مدل ندارد. بررسی تاثیر ریزپارامتر ضریب اصطکاک نشان داد که این ریز پارامتر در مقادیر کوچکتر از 1، بشدت بر روی پاسخ مدل تاثیرگذار است؛ به نحوی که با مدول الاستیسیته نسبت مستقیم، با ضریب پواسون نسبت عکس، با مقاومت فشاری مدل نسبت عکس داشته و بر روی مقاومت کششی مدل بی تاثیر است. همچنین مقادیر بزرگتر از 1، منجر به تبدیل رفتار نمونه مدل عددی، از یک رفتار شکننده و ترد به سمت رفتار نرم می گردد. آزمایشات تک محوره بر روی مدل، نشانده نتایج خوبی بین مدلسازی عددی و نمونه های آزمایشگاهی است. همچنین، تطابق خوبی در زمینه مدلسازی رفتار خزشی نیز در سنگ مشاهده گردید. در نهایت، نتیجه گرفته شد که روش المان مجزا با مدل فرسایشی تنش برای اتصالات موازی، می تواند بعنوان ابزار بسیار مناسبی برای مدلسازی رفتار وابسته به زمان و بررسی مکانیزم های آسیب دیدگی و ریزترک ها در سنگ ها بکار رفته و الگوهای ترک خوردگی و خزش و زمان گسیختگی را بخوبی پیش بینی نماید.

در جریان زلزله های گذشته روانگرایی و تغییرشکل های ناشی از آن آسیب های گسترده ای را به پی های شمعی وارد آورده است. این آسیب ها عمدتاً در مناطق ساحلی و یا زمین های شیبدار مشاهده شده است. بررسی مسئله روانگرایی جهت گسترش بنادر شمالی و جنوبی و اجرای سازه های ساحلی و فراساحلی در کشور ایران به دلیل قرار گرفتن در ناحیه ای با خطر لرزه خیزی بالا و وجود خاک قابل روانگرا در مناطق ساحلی از اهمیت ویژهای برخوردار است. اگرچه در سال های اخیر مطالعات زیادی به منظور شناخت جنبه های مختلف این پدیده صورت گفته است؛ اما هنوز عدم قطعیت های زیادی درباره تغییرشکل های جانبی خاک و اثرات آن بر پی های عمیق وجود دارد. در این تحقیق با استفاده ازتحلیل سه بعدی همبسته دینامیکی در حوزه زمان رفتار گروه شمع های محدود (1×2، 1×3، 2×2، 3×3) و نامحدود مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور با استفاده از نرم افزار اجزای محدود opensees sp v2.4 به بررسی تأثیر پارامترهای موثر نظیر تعداد شمع، شیب زمین، تراکم لایه روانگرایی، ضخامت لایه خشک سطحی، محتوای فرکانسی، فاصله شمع ها و جرم روسازه بر روی رفتار خاک وشمع مورد مطالعه قرارگرفته است. نتایج نشان می دهد که بیشتر این عوامل تأثیرگذار بر رفتار شمع و خاک در آیین نامه های طراحی موجود ( همانند(2002) jra) لحاظ نشده است و این موارد لزوم بازنگری روش های تحلیل و طراحی کنونی را آشکار می سازد. با بررسی تأثیر محتوای فرکانسی بر روی رفتار گروه شمع نامحدود مشاهده شده است که شاخص هایی که از جنس سرعت هستند مخصوصاً پارامتر cav و vsi تأثیر به سزایی بر روی رفتار خاک شمع دارند به طوری که با افزایش این پارامترها جابجایی خاک در میدان آزاد و کلاهک شمع افزایش می یابد. همچنین مقایسه نتایج مدل عددی این تحقیق با مشاهدات آزمایشگاهی مختلف نشان میدهد که روش عددی در صورت استفاده از مدل رفتاری مناسب و همچنین در نظر گرفتن پارامترهای مناسب برای خاک و شمع میتواند روش مطمئنی برای پیشبینی رفتار خاک و شمع از لحاظ کیفی و کمی باشد.

تونل ها در برابر زلزله از درجه ی ایمنی بالاتری نسبت به سازه های سطحی برخوردارند، لیکن حتی سطح پایینی از خسارت می تواند بر عملکرد آنها تأثیرگذار باشد. برخی از زلزله های اخیر مانند کوبه، چی چی و نیگاتا، به دلیل خسارات زیاد به تونل ها نشان دادند که این سازه ها نیز همواره تحت مخاطرات ناشی از وقوع زلزله می باشند. همچنین این خسارات لرزه ای نشان دادند که بیشتر تونل ها در مجاورت گسل احداث شده اند. حرکات زمین در نزدیک گسل شامل جابجایی دینامیکی ناشی از عبور امواج لرزه ای و جابجایی دائمی ناشی از یک لغزش استاتیکی می باشد. ویژگی های حرکت زمین در مجاورت گسل متفاوت از ویژگی های دور از گسل می باشند. حرکت در نزدیکی گسل می تواند شدید و دارای پالس های با پریود طولانی و تحت تأثیر مکانیزم های گسیختگی و جهت انتشار آن نسبت به محل و جابجایی دائمی زمین ناشی از لغزش گسل باشد. این دو پدیده ی آخر به ترتیب به اثرات جهت گیری گسیختگی و گام پرش اشاره دارند. در تحقیق حاضر، تغییر شکل و نیروهای داخلی لاینینگ، تحت دو اثر از زلزله نزدیک گسل شامل جابجایی دائمی ناشی از لغزش گسل و حرکات دینامیکی نزدیک گسل ناشی از اثرات جهت گیری گسیختگی، در دو حالت مجزا و با عملکرد مشترک به روش عددی در محیط خاک مطالعه شده است. تحت اثر لغزش دائمی گسل، نتایج نشان می دهند که مکانیزم گسل، بزرگای زلزله، و موقعیت تونل همگی اثرات قابل ملاحظه ای را بر نیروی های داخلی، جابجایی، و اعوجاج برشی مقطع تونل می گذارند. اثر گسل های معکوس بر نیروهای داخلی لاینینگ تونل بیشتر از گسل های نرمال می باشد. به استثنای بزرگاهای زلزله بزرگتر و یا برابر با 7 ریشتر، جابجایی مقطع تونل تحت اثر گسل معکوس بزرگتر از گسل نرمال است. تحت اثر گسل نرمال، اعوجاج برشی بوجود آمده برای مقطع تونل های واقع در بخش محرک گسل (hanging wall) بیشتر از آنهایی است که در بخش ثابت گسل (footwall) قرار گرفته اند، در حالیکه برای گسل معکوس، خلاف نتیجه مذکور می باشد. همچنین، فاصله ایمن تونل از نوک گسل به ازای تمام زوایای شیب گسل، تحت گسل نرمال کمتر از گسل معکوس است. زمانیکه تونل تحت اثر مشترک لغزش و زلزله های نزدیک به گسل می باشد، مشخصه هایی مانند شدت پالس، پریود موثر پالس، و محتوای فرکانسی از جمله ویژگی های موثر از حرکات پالسی شکل زمین می باشند که بر پاسخ نهایی لاینینگ تونل تاثیرگذارند. بر مبنای نتایج بدست آمده از اثر تحریک لرزه ای اولیه و اعمال جابجایی های دائمی پس از آن ناشی از لغزش گسل، در زلزله های با بیشینه شتاب زمین پایین (کمتر از g35/0)، نوع پالس بیشترین تاثیر را بر پاسخ نهایی لاینینگ تونل دارد که این به دلیل خصوصیات حرکات رفت و برگشتی در حرکات پالسی شکل می باشد. برای زلزله های با بیشینه شتاب زمین بالا (بزرگتر از g7/0) و به ازای مقادیر بزرگی از پارامترهای نزدیک گسل، هر دو عوامل نوع و پریود پالس بر پاسخ نهایی موثر می باشند. همچنین، برای بیشینه شتاب زمین به بزرگی g35/0، جابجایی نهایی مقطع تونل کاهش می یابد، درحالیکه برای زلزله های با بیشینه شتاب زمین به بزرگی g7/0 و g1، جابجایی نهایی مقطع افزایش می یابد که در نتیجه افزایش تنش و به دنبال آن افزایش کرنش های پلاستیک در خاک می باشد.

گسترش شهرها و نیاز عمده حمل و نقل درون شهری باعث گردیده تا در دهه اخیر تونل سازی در مناطق شهری توسعه فراوانی داشته باشد. یکی از عمده ترین مسایل و مشکلاتی که برای حفاری تونل در مناطق شهری وجود دارد مساله کنترل پایداری جبهه حفاری ، نشست های ناخواسته برای ساختمان های حساس مجاور مسیر و نیز مساله وجود آب های زیرزمینی در این مناطق باعث گردیده تا ماشین های حفاری پیشرفته tbm به عنوان یک راه حل موثر توصیه گردد. زیرا در کنار مباحث ایمنی حفاری از سرعت و نرخ پیشروی مناسبی نیز برخوردار می باشند . در تحقیق حال حاضر به بررسی نشست های طولی و عرضی ناشی از حفاری با دستگاه های حفاری tbm پرداخته شده است. نشست ناشی از حفاری در خاک های نرم و در عمق کم با استفاده از ماشین حفاری tbm تحت تاثیر پارامترهای زیادی می باشد که می توان به مشخصات هندسی تونل ، مشخصات کنترلی دستگاه حفاری، ویژگی های خاک ، سطح تراز آب زیرزمینی می توان اشاره کرد. در این تحقیق با توجه به ویژگی هایی که برای مدلسازی کامل حفاری به روش tbm در نرم افزارflac3d وجود داشته از این نرم افزار استفاده گردیده است. مدلسازی اولیه با هدف تعیین پارامترهای تاثیر گذار اصلی روی نشست انجام گردیده است که در مدلسازی انجام شده تمامی المان های دستگاه tbm مدلسازی گردیده است. مطابق تحلیل حساسیت انجام گرفته سه پارامتر قطر تونل ، فشار سینه کار و فشار تزریق بیشترین تاثیر را به خود اختصاص داده اند که در انتهای تحقیق از آن استفاده شده است. همچنین تاثیر مدل رفتاری مورد استفاده در نتایج به مقایسه سه مدل رفتاری متناسب با خاک پروژه، پرداخته ایم. بر این اساس مدل مورکلمب ، مدل سخت شونده و مدل کم کلی اصلاح شده با یکدیگر مقایسه شده اند که در این بین نتایج بدست آمده از روشmcc و hs بیشترین تطابق را با نتایج مانیتورینگ داشته اند ، نتایج مدل mc اختلاف فاحشی با نتایج واقعی نشان می دهند. این در حالی است که روش های تجربی و تحلیلی نیز قادر به تخمین نشست و توزیع آن با دقت کافی نمی باشند و استفاده از این روش ها تنها برای کنترل نتایج یا تحلیل اولیه توصیه می شوند. در انتهای تحقیق نیز با در اختیار داشتن اطلاعات حفاری مسیر خط 2 مترو مشهد در بازه ایستگاه های a2 تا d2 تحلیل رگرسیونی چندگانه ای انجام شده است که بر اساس آن متغیرهای مستقل فشار تزریق و فشار سینه کار بیشترین تاثیر را روی متغیر وابسته نشست حداکثر داشته اند که این موضوع صحت تحلیل حساسیت انجام شده در مرحله اول را اثبات کرده و با استفاده از رابطه تجربی بدست آمده می توان نشست در یک خاک با مشخصات مشابه و نیز پارامترهای حفاری یکسان را پیش بینی نمود.

چکیده برای درک رفتار مکانیکی سنگ در شرایط مختلف، از تفسیر نتایج آزمونهای آزمایشگاهی و صحرایی استفاده می گردد. یکی از اهداف اصلی آزمایشات، تعیین ویژگیهای تغییر شکل و مقاومت نمونه های سنگ تحت شرایط حاکم درمحل بوده و نحوه شکل گیری گسیختگی، تحت اثر آزمایش سه محوری، از موضوعاتی است که می تواند در کاربردهای مهندسی ژئوتکنیک مورد استفاده قرار گیرد. تغییر در فشار همه جانبه در آزمایش سه محوری باعث تأثیر در نتایج آزمایش و تغییر در الگوی شکست نمونه گشته و مطالعات آزمایشگاهی بر روی سنگ گرانیتی اینادا نشان می دهند که در تنشهای همه جانبه کم، صفحه شکست بصورت قائم (اسپیلیتینگ) و در تنشهای همه جانبه بیشتر، صفحه شکست به حالت مایل (گسیختگی برشی) تغییر خواهد کرد. در این پایان نامه، جهت بررسی تأثیر فشار همه جانبه بر آزمایش سه محوری، محیط سنگ را به صورت ذرات متصل به هم (bonded-particles method) در نظر گرفته و چنین مدلی با استفاده از روش المان مجزا و کُدنویسی در برنامه pfc3d شبیه سازی گردیده است. مدل مفروض دارای ذراتی هم اندازه ذرات سنگ مورد نظر (قطر 2 میلیمتر) بوده و بر خلاف حالت طبیعی آن، دارای ریزترکهای اولیه نمی باشد و هندسه مدل با نمونه آزمایشگاهی یکسان است. در زمان آزمایش و با اعمال تنش، ریزترکهای ایجاد شده تغییر شکل نداده و برای تشکیل ریزترکی بزرگتر، به یکدیگر نمی پیوندند. به منظور کالیبراسیون نتایج مدلسازی با آزمایش تک محوری، از روش تئوری ابعادی بهره گرفته و پارامترهای بی بعد موثر بر مدل تعیین و دو منحنی کالیبراسیون مدل بدست آمده است. برای مقایسه رفتار مکانیکی و الگوی شکست مدل و نمونه آزمایشگاهی در آزمونهای تک محوری و سه محوری با شرایط یکسان، خصوصیاتی از قبیل مدول الاستیسیته، ضریب پواسون و نیز میزان تنش ماکزیمم محوری مورد بررسی قرار گرفته است. جهت بررسی روند گسترش ریز ترکها در مدلسازی آزمایشات تک محوری و سه محوری با فشارهای همه جانبه متفاوت، تعداد ریزترکها تا لحظه گسیختگی گزارش و تغییر الگوی شکست با تغییر فشار همه جانبه، با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. عدد چگالی ترک در نتایج آزمایشگاهی با افزایش تنش محوری، از مقدار اولیه خود کاهش و در لحظه شکست تقریبا ثابت می باشد. نتایج حاصل از مدلسازی و مطالعات آزمایشگاهی در مورد تنش ماکزیمم محوری و ضریب پواسون از نزدیکی مناسبی برخوردار می باشد. مدول الاستیسیته حاصل از مدلسازی کمتر از مدول الاستیسیته آزمایشگاهی بوده و میزان اختلاف مشاهده شده در حدود 36 درصد می باشد. بنظر می رسد این اختلاف از عدم حضور ریزترکهای اولیه در مدل ناشی شده است. عدد چگالی ترک در مدلسازی دارای مقدار اولیه صفر بوده و در نزدیکی تنش شروع ترک، رشد پیدا کرده و این رشد در حوالی تنش ماکزیمم دچار افزایشی ناگهانی می گردد. این افزایش ناگهانی از رشد ناپایدار ریزترکها در حوالی تنش ماکزیمم ناشی می شود. در تمامی آزمایشهای تک محوری و سه محوری با تنشهای همه جانبه متفاوت، عدد چگالی ترک در لحظه گسیختگی در بازه ای ثابت قرار گرفته است که می تواند معیاری برای رخ دادن شکست در مدل باشد. مطالعات آزمایشگاهی نیز حاکی از قرار گیری عدد چگالی ترک دربازه ای ثابت در زمان گسیختگی نمونه می باشد.