فهرست مطالب

حداقل عمق پوشش خاکی بر روی پلهای خاکی- فولادی ۱

شکل ۴

تحلیل گسیختگی خاک بالای کانال: ۵

نتیجه گیری: ۱۴

۴- ارزیابی دقت اندازه گیری: ۱۵

۵٫ ۱٫ کلیات: ۱۶

۷٫ نتایج: ۱۸

میزان بار بخش پیرامون سازه پلهای خاکی- فولادی ۲۲

۱- معرفی: ۲۳

۲- میزان بار مدل دوبعدی: ۲۶

۲٫ ۲- مدل عددی: ۲۸

۴- نتیجه گیری: ۳۰

معرفی: ۳۲

نتیجه گیری: ۳۴

اندازه گیری نیروها در خاک: ۳۵

اندازه گیری های سازه: ۳۷

تفسیر داده ها: ۳۹

روش تحلیلی: ۳۹

نتیجه گیری: ۴۱

تحلیل نظری: ۴۴

ملاحظات گسیختگی: ۴۷

برنامه راه حل: ۴۹

نتیجه گیری: ۵۰

حداقل عمق پوشش خاکی بر روی پلهای خاکی- فولادی

خلاصه: پهنای خاکی- فولادی از قابهای فولادی موجودار و انعطاف پذیر پوشانده شده درون خاک دانه ای خوب متراکم ساخته شده اند.

طراحی آنها براساس اندرکنش ترکیبی میان فشارهای خاک و جابه جایی های دیواره کانال انجام می شود. گسیختگی سازه ممکنست به سبب گسیختگی برشی یا کششی در پوشش خاکی روی کانال فولادی آغاز شود. بکارگیری ملاحظات طراحی ارائه شده در آئین نامه های مختلف، مانند آئین نامه طراحی پلهای بزرگراه کانادا، در جلوگیری از برخی مشکلات مربوط به گسیختگی خاک روی پلهای خاکی- فولادی با در نظر گرفتن حداقل عمق پوشش خاکی روی تاج کانال با توجه به شکل هندسی آن،  موفقیت آمیز بوده است. با این وجود، الزامات آئین نامه موجود برای حداقل عمق پوشش جهت حداکثر دهانه به طول ۶۲/۷ متر و استفاده از قابهای سخت نشده با عمق اعوجاج ۵۱ میلیمتر، بسط داده شده اند. اثر طول دهانه های بزرگتر یا بکارگیری قابهای موجدار صلب تر، پیشتر بررسی نشده و موضوع این مقاله است. مطالعه حاضر، جهت بررسی مجدد گسیختگی های ممکن خاک به سبب بارهای زنده وارده در مرکز (یعنی بارهایی که بصورت متقارن، حدودا در وسط دهانه کانال وارد می شوند) یا بارهای زنده خارج از مرکز، از تحلیل اجزاء محدود استفاده می کند. این بررسی، مربوط به کانالهای دایروی با دهانه بزرگتر از ۲۴/۱۵ متر و قوسهای ۳/۲۱ متری با موجهای عمیق است. نتیجه حاصله این است که علاوه بر هندسه کانال، ابعاد واقعی دهانه نیز بایستی جهت تعیین عمق لازم برای پوشش خاکی مورد توجه قرار گیرد.

معرفی: پلهای خاکی- فولادی از قابهای فولادی موجدار و انعطاف پذیر پوشانده شده در خاک دانه ای خوب متراکم شده ساخته شده اند. این پلها با دهانه هایی به طول حداکثر ۶۲/۷ متر با استفاده از قابهای فولادی با عمق اعوجاج (موج) ۵۱ میلی متر ساخته شده اند در حالیکه بخشهای خاصی مانند سخت کننده ها برای دهانه های بزرگ بکار رفته اند. اخیرا، موجهای عمیق تری (در قابها) به اندازه ۱۴۰ میلیمتر (شکل ۱) ایجاد شده و برای سازه هایی با دهانه هایی کمتر از ۲۲ متر در استاندارد ASTM-A 796.A 796 M مورد استفاده قرار گرفته اند. (استاندارد ۱۹۹۹,ASTM).

طراحی پلهای خاکی- فولادی، بر اندرکنش ترکیبی میان فشارهای خاک و جابه

جائی¬های دیواره کانال، بنا نهاده شده است. (معیارهای) حدود طراحی و الزامات آئین نامه ای تعیین شده و به اثبات رسیده اند؛ به Abdel- sayed و همکاران (Adbel- Sayed) و همکاران، ۱۹۹۳) آئین نامه طراحی پلهای بزرگراه کانادا (۲۰۰۱ , CSA- CHBDC) و مشخصات استاندارد پلهای بزرگراه منتشر شده توسط آشتو (۲۰۰۱, AASHTO) مراجعه شود.

یکی از معیارهای گسیختگی برای چنین سازه هایی در شرایطی که پوشش خاکی روی مجرای فولادی کافی نباشد، گسیختگی خاک بخاطر برش و / یا کشش ایجاد شده در آن می باشد. بکارگیری ملاحظات طراحی ارائه شده شده در آئین نامه های مختلف، مانند آئین نامه طراحی پلهای بزرگراه (۱۹۹۲, OHBDC) Ontario، آشتو (آشتو، ۲۰۰۱) یا آئین نامه طراحی پلهای بزرگراه کانادا، در جلوگیری از برخی مشکلات مربوط به گسیختگی خاک روی پلهای خاکی- فولادی با در نظر گرفتن حداقل عمق پوشش خاکی روی تاج کانال، موفقیت آمیز بوده است.

 این الزامات، در اصل تجربی بوده و از آن پس، براساس تحلیل اجزاء محدود (۱۹۸۱, Hafez) با در نظر گرفتن شکل هندسی کانال و بارهای محوری، کامیون OHBDC جهت طراحی (شکل ۲)، اصلاح شوند (۱۹۸۳a, Abdel- Sagal, Hafez). در نتیجه، حداقل عمق پوشش مورد نیاز (h) در دومین ویرایش از (۱۹۸۳,OHBDC)OHBDC، بزرگترین مقدار از بین   یا   با حداقل مقدار ۶/۰ متر بود که براساس شکل ۳، D,S به ترتیب دهانه موثر و خیز (برآمدگی)  کانال هستند. با وقوف به دست وپاگیر بودن الزامات فوق بخصوص در مورد کانالهای دهانه کوتاه به شکل بیضی افقی، سومین ویرایش (۱۹۹۲,OHBDC) OHBDC شرط پیشین   را به   کاهش داد.

همچنین الزامات مشابهی در آئین نامه فعلی طراحی پلهای بزرگراه کانادا مشخص شده اند (۲۰۰۱,CSA-CHBDC) و در حال حاضر بدون توجه به نیمرخ اعوجاج صفحه، قابل استفاده برای تمام سازه های خاکی فولادی می باشند. هر چند، بایستی به این نکته اشاره نمود که تمامی الزامات برای حداقل عمق پوشش، برای حداکثر دهانه ۶۲/۷ متری و استفاده از قابهای سخت نشده با عمق اعوجاج ۵۱ میلیمتری ایجاد شده اند. تاثیر دهانه های بلندتر و / یا استفاده از قابهای موجدار صلب تر یا بیشتر مورد بررسی قرار نگرفته و موضوع این مقاله می باشد که به بررسی مجدد مسئله گسیختگی امکان پذیر در پوشش خاکی بعلت بار زنده واقع در مرکز یا خارج از مرکز که بر خاکریز اعمال می شود،

می پردازد. در اینجا گسیختگی پوشش خاکی برای کانالهای دایروی با دهانه های کوتاهتر از ۲۴/۱۵ متر و قوسهای ۳/۲۱ متری دارای، قابهایی با موجهای عمیق (شکل ۱) مورد بررسی قرار گرفته است. مشاهدات ارائه شده مبتنی بر نتایج تحلیل اجزاء محدود انجام شده توسط Hafez در دانشگاه وینزور (۱۹۸۱, Hafez) (به بخش بعدی مراجعه شود) و نیز بکارگیری آئین نامه جامع و عمومی ABAQUS [نرم افزار اجزاء محدود، نسخه ۱/۶ (۱۹۹۸)، R.I. , Providence, Sorenson, Karlssen, Hibbit] و در نظر گرفتن بار کامیون مطرح شده توسط ۱۹۹۲, OHBDC می باشند (شکل ۲).

شکل

شکل ۱- انواع قابهای کانال، ابعاد به میلیمتر بیان شده اند   موج استاندارد ۵۱ میلیمتری (۲ اینچی)، قاب (I)؛ (b) موج استاندارد ۱۴۰۰ میلیمتری، قاب (II)؛ (c) قابهای موجدار سخت شده؛ قاب (III)؛ و (d) قابهای موجدار سخت شده با پرکردگی بتنی، قاب (IV).

شکل ۲- بارهای محوری کامیون OHBDC برای طراحی (۱۹۹۲,OHBDC)، (a) نما (b) پلان

شکل ۳- تعریف و توضیح S,D برای اشکال مختلف سطح مقطع کانال، (a) دایره، (b) نیم قوس، (c) بیضی قائم، (d) بیضی افقی، (e) قوس Re-entrant و (f) قوس لوله ای

شکل ۴- مدل اجزاء محدود برای کانالهای دایروی (۱۹۸۱, Hafez).

شکل ۵- تعریف خروج از محوریت e برای موارد بارگذاری تحت بررسی، (a) در صورت اعمال یک بار محوری (b) در صورت اعمال یک بار محوری

پلهای خاکی- فولادی تحت بارگذاری، با در نظر گرفتن عوامل و بار اجرا و تغییر مجاز بار دینامیکی طراحی می شوند. همچنین ضوابط و معیارهای مختلفی از گسیختگی در خاکریز و قابهای فولادی مورد بررسی قرار میگیرد. (۲۰۰۱, AASHTO, 1992,OHBDC). با این وجود، هدف مقاله حاضر، به بررسی گسیختگی خاک بالاسری کانال محدود شده و تنها به توضیح استفاده از خاکریزهای دانه های مجاز و خوب متراکم شده می پردازد (۱۹۹۲,OHBDC). این مقاله، رفتار پوشش خاک کم عمق را مورد بررسی قرار داده و از الزامات عمومی و عملی برای حداقل عمق پوشش خاکی را بخصوص برای پلهای خاکی- فولادی با دانه های بزرگ ارائه می نماید. طراحی سازه ای دیواره های کانال و همچنین ظرفیت باربری خاک در حوزه بررسی حاضر نمی گنجد.

شکل ۶- سایر شکست برای مدل موهر- ؟

شکل ۷- نسبت   برای کانال دایروی،    قاب (I) و یک بارمحوری برابر

شکل ۸- نسبت   برای کانال بیضوی،  ، قاب (I) و یک بار محوری برابر

تحلیل گسیختگی خاک بالای کانال:

تحلیل اجزاء محدود انجام شده توسط Hafez:

Hafez (1981)، جهت تحلیل و بررسی سازه های خاکی- فولادی قرار گرفته تحت پوششهای خاکی با عمقهای متفاوت و شرایط بارگذاری عبور و مرور متحرک، روش اجزاء محدود را با در نظر گرفتن حالت تنش در پوشش خاکی و اندرکنش آن با قابهای فولادی به کار برد. شبکه کرنش صفحه ای اجزاء محدود شامل ۴ نوع عنصر، برای نشان دادن حدود سیستم خاک- سازه بکار گرفته شد در حالیکه دیواره فولادی موجودار توسط عناصر تیر معمولی جایگزین گردید خاک زیر SLهای (توضیح داده شده در شماره ۶) سازه بوسیله عناصر مثلثی ساده با کرنش ثابت، شبیه سازی می شود. عناصر (اجزاء) محدود درجه بالاتری با برآوردهای درجه دوم جابه جائی، در اطراف سازه بالاتر از خطوط SL آن، جائیکه شیب تنش حاصل از بارهای زنده، نسبتا تند است، بکار گرفته شده اند (شکل ۴).

شکل ۹- نسبت   برای کانال دایروی،  ، قاب I و یک بار محوری برابر

شکل ۱۰- مقطع عرضی نوعی برای کانالهای قوسی، نوع B,A

شکل ۱۱- تاثیر ضخامت قاب برگسیختگی خاک بالای کانالهای دایروی،   و دوبار محوری (۲ بار ۱۴۳ کیلونیوتنی) دو نسبتهای متفاوتی از

شکل ۱۲- تاثیر ضخامت قاب برگسیختگی خاک بالای کانالهای بیضوی،   و دوبار محوری (۲ بار ۱۴۲ کیلونیوتنی) در نسبتهای متفاوتی از   جهت بروز حالتهای ممکن اندرکنش بین دو ماده همانند لغزش، عناصر اندرکنش میان خاک و اجزاء آبرو تعریف شدند.

خاصیت مهم غیر خطی بودن: خاک همانند غیر خطی بودن رابطه تنش برشی و کرنش برشی برای عناصر اندرکنش در نظر گرفته می شود. روابط هیپربولیک تابع تنش برای عناصر خاک، بین تنش و کرنش بکار گرفته می شوند. شبکه اجزاء محدود، لایه به لایه ساخته می شود. چندین چرخه تکرار درهر تحلیل گنجانده شده تا نهایش خصوصیات خاک را بهبود بخشیده واز پس جدا شدگی یا لغزش بین خاک و دیواره های کانال برآید (در صورت بروز جدا شدگی یا لغزش میان خاک و دیواره های کانال، به مشکلی برخورد نکند) (۱۹۸۳a,b,Abdel-sayed,Hafez). بار زنده، بصورت محوری یا خارج از محور نسبت به وسط دهانه کانال (شکل ۵) در افزایشهایی مناسب بارهای زنده معادل، اعمال شد. (۱۹۸۳,Bakht, Abdel- Sayed).

گسیختگی هر جزء خاک، با توجه به ایجاد تنشهای کششی یا فراتر رفتن تنش برشی از حداکثر مجاز آن براساس معیار ؟- کولمب، تشخیص داده شد (شکل ۶). یک روش انتقال تنش برای از بین بردن تنشهای فراتر رفته از حدود مجاز بدون برهم زدن تعادل، بکار گرفته شد. انتشار گسیختگی در عناصر مجاور المان محدودی که در آن، گسیختگی خاک رخ داده، در بخشهای بعدی تحلیل، مورد بررسی قرار گرفته و تعیین شده است.

یک برنامه اجزاء محدود جهت پیش بینی حالت تنشهای موجود در خاک به سبب بارهای مرده و زنده و نیز برای تعیین مقدار بار زنده ای که بیشتر از سایر مقادیر، سبب گسیختگی خاک در اعمال مختلف پوشش خاکی می شود، ایجاد شد. خاکریز دانه ای و متراکم توصیه شده در اطراف و بالای کانال (۱۹۹۲, OHBDC)، توسط مدلی هیپربولیک (۱۹۷۴, Duncan, Wang) با درنظر گرفتن زاویه اصطکاک داخلی برابر  ، مدلسازی شد.

بار زنده انجام شده بر روی مدلهای سازه خاکی – فولادی تحت پوشش کم عمق، تایید شد (۱۹۸۱,Hafez) نتایج تحلیلی بدست آمده از این برنامه، با نتایج تجربی حاصله از آزمایشهای تحلیل انجام شده، پارامترهایی را برای کنترل عمق پوشش لازم جهت جلوگیری از گسیختگی خاک بالای کانال بنا نهاد (۱۹۸۳a,b,Abdel-Sayed,Hafez) این پارامترها شامل اندازه بارگذاری، برون محوری آن و شکل هندسی کانال هستند. براساس این تحلیل، الزامات حداقل عمق پوشش، براساس نسبت عمق پوشش خاکی به طول دهانه با در نظر گرفتن هندسه سطح مقطع کانال ایجاد شدند (۱۹۹۲,OHBDC). مجددا تاکید می گردد که این نسبتها را فقط می توان در مورد قابهای موجدار ۵۱ میلیمتری بکار گرفت و برای کانالهایی با دانه های بزرگتر از ۶۲/۷ متر یا سازه هایی یا قابهای مسلح معتبر نمی باشند.

شکل ۱۳- تاثیر ضخامت قاب برگسیختگی خاک بالای کانالهای دایروی:   و دوبار محوری (دوبار ۱۴۲ کیلونیوتنی) تحت چندین مقدار e

شکل ۱۴- تاثیر ضخامت قاب بر گسیختگی خاک بالای کانالهای بیضوی،   و دوباره محوری (دوبار ۱۴۲ کیلونیوتنی) تحت چندین مقدار e

تحلیل اجزاء محدود ABAQUS:

در راستای بسط تحلیل دوبعدی جهت در برگرفتن شکل و اندازه های متغیر، نویسندگان این مقاله، برنامه آئین نامه عمومی ABAQUS را بکار گرفتند. در اینجا، ویژگیهای اصلی المان خاک، رفتار توصیف شده توسط مدل موهر- کولمب، که جهت مدلسازی مواد براساس ضوابط و معیارها کلاسیک تسلیم موهر- کولمب بکار می رود، را دنبال می کنند. فرض بر این است که گسیختگی زمانی رخ می دهد که تنش برشی در هر نقطه از ماده، به مقداری برسد که بصورت خطی به تنش قائم در همان صفحه وابسته است. مدل موهر- کولمب براساس دایره مور برای حالتهای گسیختگی در صفحه تنشهای اصلی حداکثر و حداقل مبناگذاری شده است این مدل را می توان بصورت زیر نوشت:

این مدل را می توان بصورت زیر نوشت:

که در آن،  ، تنشهای اصلی حداکثر و حداقل هستند (کشش، مثبت فرض

می شود).

مشابه شرایط شکل ۶، خط گسیختگی با دایره موهر برخورد می کند با این حال جهت کاربرد عمومی، می توان خط گسیختگی را در تنش قائم صفر، به عنوان جزء چسبندگی درنظر گرفت. تحلیل انجام شده توسط برنامه ABAQUS، بار محوری مسبب گسیختگی خاک بالای کانال   را محاسبه می نماید. نسبت بار گسیختگی بار محوری طراحی   در سراسر مقاله بعنوان ضریب اطمینان در برابر گسیختگی خاک بالای کانال مطرح شده است. این مسئله، هدف اصلی این مقاله یعنی ارزیابی حداقل عمق خاک لازم جهت جلوگیری از گسیختگی خاک بالای کانال مطرح شده است. این مسئله، هدف اصلی این مقاله یعنی ارزیابی با حداقل عمل خاک لازم جهت جلوگیری از گسیختگی خاک بالای کانال را برجسته می نماید. این گسیختگی معیاری برای گسیختگی کلی در تمام سیستم سازه ای ترکیبی خاکی- فولادی تشکیل می دهد.

شکل ۱۵- نسبت   برحسب طول دهانه (S) برای کانالهای دارویی در ضخامتهای مختلف قاب و نسبت

شکل ۱۶- نسبت   برحسب طول دهانه (S) برای کانالهای قوسی، نوع B در ضخامتهای مختلف قاب و نسبت

شکل ۱۷- عمق خاک (h) بالای کانالهای دایروی در ضریب اطمینان ۷۵/۱

شکل ۱۸- عمق خاک (h) بالای کانالهای قوسی، نوع B، در ضریب اطمینان ۷۵/۱

جدول ۱- خصوصیات دیواره های SUPER-COP (نیمرخ  )

شعاع ژیراسون ممان اینرسی

مساحت

ضخامت دیواره