آب زیر زمینی، داده های ورودی، هیدرولیک

دانلود پایان نامه ارشد

ها، معتبر می باشد. این محققین بمنظور انجام محاسبات عددی، تحلیل المان محدود همراه با نرم افزار Ver.7.1.2 PLAXIS مورد استفاده قرار دادند. مدل موهر کلمب بعنوان مدل اساسی انتخاب شد و از المانهای مثلثی شش گره ای10 برای تحلیل استفاده گردید. برای مدلسازی رفتار پنل های پوشش بتنی، یک تئوری الاستوپلاستیک فرض شد. داده های ورودی ضروری برای معادلات تنش-کرنش حاکم و خواص خاک، به ترتیــب از سیستم طبقه بنـدی United States Bureau Reclamation (USBR) و Deutsches Institut fur Normung (DIN) استخراج شدند. از آنجاییکه مدول الاستیسیته خاک دارای بیشتـــــرین محدودۀ تغییر (از 2000 تا حدود 100000 کیلو پاسکال) بوده و همچنین نسبت پواسون نقشی اساسی در معادلات تنش- کرنش دارد، بنابراین، مقادیر آنها در ابتدا به ترتیب برابر با 2000Kpa و 2/0 فرض شد. داده های ضروری برای تعریف خواص پوشش بتنی، شامل وزن واحد حجم، مدول الاستیسیته و نسبت پواسون می باشد که مقادیرِ مورد استفاده در تحلیل، در جدول (3-4) داده شده است. به منظور بررسی اثر شرایط کاری مختلف، سه حالت متفاوت، یعنی انتهای مرحله ساخت11، کانال با ظرفیت کامل، و کاهش سریع12 سطح آب، در نظر گرفته شد.

جدول ( 3-4 ): خواص بتن پوشش [7]
Unit weight
(KN.m^(-3))
Modulus
of elastisity (MP)
Poisson ratio

Compressive strength
(KN.m^(-2))
Tensile strength
(KN.m^(-2))
23-25
2000-30000
0/2-0/25
25-300
30-40

در تعریف هندسه مقطع کانال، فرضیات زیر را در نظر گرفته شد: عرض لبه های کناری13، 4 متر (با فرض قابلیت دسترسی به service road) می باشد، لایه نفوذ ناپذیر 4 متر پایین تر از کف کانال می باشد، عمق کلی کانال در محدوده 0/5 تا 6 متر می باشد؛ شیب سه دیواره کناری به ترتیب برابر است با 1:1 ، 1:1/5 و 1:2 است، و 20% عمق کل کانال بعنوان پهلوی سطح آزاد14 در نظر گرفته شد، شکل (3-17). در حالت فروکش سریع، فرض می شود که سطح ایستایی آب15 در عمق H 0/2 از زیر سطح زمین، در فاصله 4 متری، واقع شده باشد. این امر، نتایج محافظه کارانه ای را برای ضریب ایمنی نتیجه می دهد. شرایطِ زهکشی شده16 برای هر دو حالت “انتهای ساخت” و “ظرفیت کامل”، فرض شد، در حالیکه شرایط زهکشی نشده17 بر حالت فروکش سریع حاکم است.

شکل (3-17): نمای کانال در حالت ظرفیت کامل [7]

استراتژی کلی در ابتدا، فرض کردن هندسه مدل (مقطع کانال و کناره ها) بدون پوشش بتنی و سطح آب زیر زمینی بسیار پایین تر از کف کانال می باشد. با انتخاب حالت بارگذاری گرانشی (از آنجا که سطح خاک افقی نمی باشد)، تنشهای اولیه در نتیجۀ وزن خاک در هر گره18 المان ها محاسبه شده و تغییر شکلهای غیر واقعی ظاهر شده در هندسه مدل حذف می شوند. به منظور مطالعه بر روی برهمکنش میان پوشش و خاک بستر، یک لایه بتنی فرض شد و محاسبات برای این حالت از سه حالت مذکور، یعنی انتهای مرحله ساخت19، صورت پذیرفت. برای حالت عملکرد دوم، یعنی ظرفیت کامل، فرض شد که سطح آب زیر زمینی20 در عمق 0/2H زیر زمین قرار گرفته باشد. قبل از پُر نمودن کانال، خاک زیرین خشک و وزن آب تنها یک نیروی عمودی اِعمال شده بر روی پوشش می باشد. پس از مدتی، نشست آب شروع شده و خاک بستر به تدریج اشباع و فشار آب نفوذی21 افزایش می یابد. واضح است که در چنین حالتی، بحرانی ترین شرایط در خلال یک ساعت اول بعد از شروع عملیات پُر نمودن می باشد، که در آن، خاک بستر هنوز خشک بوده و ممان خمشی حداکثر بعلت وزن آب، به پوشش های بتنی اِعمال می شود. بدیهی است که شرایط مفروض برای حالت ظرفیت کامل، تنها می تواند بمدت کوتاهی ادامه داشته باشد. در حالت سوم، یعنی فروکش سریع، عمق آب در کانال برابر با 20% عمق کانال فرض شد. نرخ نفوذ معکوس از کناره ها به داخل کانال طبق شرایط مرزی محاسبه شد، و جریانِ مربوطه، برای محاسبه فشار برخاست22 مورد استفاده قرار گرفت. محاسبات برای عمقهای مختلف کانال، از 0/5 تا 6 متر در فواصل 0/5 متری صورت گرفت. هدف بخش اول محاسبات، تعیین الگوهای تغییر شکل و اندازه ممان های خمشی وارد بر پوشش بود. برای این منظور، هیچ اتصالی در پوشش بتنی ایجاد نشده، بنابراین، پوشش بعنوان یک پوشش پیوسته23 مورد بررسی قرار گرفت[7].

شکل (3-18)، الگوی تغییر شکل و توزیع ممان های خمشی بر روی پوشش بتنی یک کانال با شیب عرضی 1:1/5 را برای سه نوع شرایط کاریِ اشاره شده، نشان می دهد.

شکل (3-18 ): نحوه توزیع ممان خمشی برروی پوشش [7]

نمودارهای شکل (3-19)، تغییرات ممان های خمشی را در مقابل نسبت عرض بستر به عمق کانال ، برای سه شرایط کاری داده شده و شیب های جانبی، نشان می دهد.

شکل (3-19): تغییرات ممان خمشی در برابر نسبت عرض بستر به عمق (B/H) [7]
همانگونه که از مقدار ممان های خمشی مشاهده می شود، فقط حالت “انتهای ساخت” هیچ تهدیدی را نشان نمی دهد. اما برای دو حالت دیگر، اندازه ممانهای خمشی زیاد بوده و پوشش، دچار شکستگی و تَرَک خواهد شد. به عنوان مثال، با توجه به شکل (3-19)، برای حالت فروکش سریع Z=2، و با فرض ثابت ماندن H=2 هر گونه افزایش B نسبت به H، باعث افزایش ممان خمشی می شود. حال برای H=4، با فرض ثابت ماندن این مقدار و افزایش B نسبت به H، باز هم ممان خمشی افزایش می یابد اما این بار تغییرات شدیدتر می باشد.

جدول ( 3-5 ): نتایج شکل (3-19) [7]
(m)H
(m)B
B/H
(KNm/m)M
4
8
2
200
4
6
1/5
100
4
4
1
50
4
2
0/5
20

در انتهای ساخت، تنها نیروی اِعمالی، وزن پوشش می باشد. وقتی کانل با آب پر می شود، نیروهای ناشی از آبِ منتقل شده نیز افزوده می شوند و در حالت فروکش سریع، فشار برخاست و فشار کناری در نتیجۀ نفوذ معکوس جریان نیز باید به حساب آورده شود. در نتیجه، جهت نیروها و ممان ها در مورد آخر، با دو مورد قبل متفاوت خواهد بود. مقایسه ممان های خمشی اعمالی به پوشش بتنی برای دو مورد دیگر، یعنی “ظرفیت کامل” و “نفوذ معکوس”، نشان می دهد که با در نظر گرفتن ابعاد کانال و شیب های کناری، یکی از این دو مورد می تواند بعنوان بحرانی ترین حالت تشخیص داده شود. شکل (3-20)، اندازه ممان های خمشی را بصورت تابعی از عمق کانال برای شیب های کناری 1:1 ، 1:1/5 و 1:2 نشان می دهد[7].
با توجه به شکل (3-20)، برای Z=1، ممـــان های خمشی برای حالت ظرفیـــت کامل تا عمق 3/8 متر از ممان های خمشی حالت نفوذ معکوس بیشتر می باشند، که این امر نشان دهنده شرایط بحرانی است. اما برای عمق های بیشتر از 4 متر، حالت نفوذ معکوس دارای ممان های بزرگتری می باشد. دلیل این امر افزایش فشار برخاست، ناشی از افزایش عمق و عرض کف کانال می باشد. برای Z=1/5، تا عمق 2/25 متر ممان های خمشی حالت ظرفیت کامل بزرگتر می باشند، در حالی که از این عمق به بالا، حالت نفوذ معکوس، به علت افزایش ممان های خمشی، حالت بحرانی می باشد. برای Z=2، تا عمق 2/2 متر ممان های خمشی حالت ظرفیت کانال بزرگتر و برای عمق های بیشتر، نفوذ معکوس به علت افزایش ممان های خمشی حالت بحرانی می باشد. این محققین به منظور فائق آمدن به ممان های اِعمالی، یکی از روش های زیر را پیشنهاد کردند[7]:
1- افزایش ضخامت پوشش بتنی یا استفاده از بتن مسلح به منظور افزودن مقاومت در برابر ممان های خمشی
2- ایجاد اتصالات در محل های مناسب به منظور خنثی نمودن ممان های خمشی
به منظور بررسی اثرات محل قرار گیری اتصالات انقباضی- انبساطی بر روی بزرگی ممان های خمشی، یک تحلیل مناسب صورت گرفت و نتایج در شکل (3-21)، نشان داده شده اند. این شکل، تغییرات ممان های خمشی را در مقابل محل قرارگیری آنها بر حسب تابعی از عمق کانال نشان می دهد.

شکل (3-20): تغییرات ممان خمشی بصورت تابعی از عمق [7]
مطابق شکل(3-21)، این نتیجه مشخص است که، ممان خمشی ماکزیمم، در یک سوم پایینی عمق کانال ایجاد می شود. این نقطه، بهترین محل برای ایجاد یک اتصال انبساطی- انقباضی می باشد. بر اساس نتایج حاصل از بررسی های اخیر، بزرگترین مقادیر ممان های خمشی در یک سوم پایینی عمق کانال تولید می شوند و بنابراین، ایجاد یک اتصال در این نقطه، ممان های خمشی در این نقطه را تا یک دهم حالتِ بدون وجود اتصالات، کاهش می دهد. شکل (3-21)، اثر محل قرارگیری اتصالات انقباضی طولی را بر روی ممان های خمشی برای سه عمق مختلف کانال نشان می دهد[7].

شکل ( 3-21 ):تغییرات ممان خمشی در مقابل محل قرارگیری درزها بر حسب تابعی از عمق [7]

برای تمام شیب های کناری تحت بررسی، این پارامتر بیشترین اثر را هنگامی دارد که کانال در ظرفیت کامل کار کند، و کمترین اثر را در حالت فروکش سریع دارد که در آن، فشار بالابرنده عامل اصلی در تعیین اندازه ممان های خمشــی می باشد. ایجاد اتصالات انبساطی – انقباظی در محل های مناسب در صفحات کناری کانال نیز اساساً ممان های خمشی را در صفحات بتنی تحتانی کاهش می دهد. برای کانالهای با عرض3 تا5 متر و با عمق کمتر از 4 متر، استفاده از یک اتصال در خط مرکزی بستر24 ، ممان های خمشی را تا مقدار قابل ملاحظه ای چنان کاهش می دهد که خطر گسیختگی پوشش کانال های با ضخامت بیشتر از 20 سانتی متر قابل چشم پوشی خواهد بود[7].
احمدی و همکاران (2009)، سپس به بررسی اثرات پارامترهای خاک بر ممان خمشی پرداخته و نتایج زیر را بدست آوردند[7]:
الف: اثر مدول الاستیسیته بر ممان خمشی:
مدول الاستیسیته خاک می تواند از مقدار مینیمم 2000Kpa تا مقدار ماکزیمم100000Kpa تغییر کند. بنابراین، انتظار می رود که این پارامتر بطور قابل ملاحظه ای بر روی اندازۀ ممان های خمشی اثر خواهد داشت. محاسبات برای کانال های با شیب های کناری مختلف صورت گرفت. نتایج نشان می دهد که تخصیص مقادیر مختلف به E در محدوده مذکور در بالا ممکن است تا 45% تغییر در مقادیر مربوطۀ ممان های خمشی را باعث شود. شکل(3-22)، نتایج محاسبات تغییرات E_1/E_2 در مقابل M_1/M_2 را برای سه حالت عملکردی کانال دارای 6 متر عمق و 9 متر عرض کف و سه شیب کناری Z=1-1/5-2 را نشان می دهد، که M_1 و M_2 به ترتیب ممان های مربوط به مقادیر E_1 و E_2 می باشند. برای این محاسبه، نسبت پواسون برابر با مقدار ثابت 0/2 فرض شد. این تحلیل نشان می دهد که هرچه کانال ها کم عمق تر، مدول الاستیسیته اثر کمتری بر روی ممان خمشی خاک دارد.

شکل ( 3-22): اثر مدول الاستیسیته بر ممان خمشی [7]

ب: اثر نسبت پواسون بر ممان خمشی:
نتایج محاسبات برای یک کانال با عمق 6 متر نشان می دهد که در حالت نفوذ معکوس، افزایش مقدار نسبت پواسون از 0/2 به 0/4 ممان های خمشی را تا 36% کاهش می دهد. به طریق مشابه، در سایر شرایط کاری، ماکزیمم اثر برای حالتهای “انتهای ساخت” و “ظرفیـــت کامل” ، به ترتیب برابر با 7% و 4% خواهد بود. به هر حال، این نتـــایج برای بزرگترین ابعاد کانـــال و بحرانی ترین شرایط مفروض در اینجا می باشد. بدیهی است که برای کانالهای دارای ابعاد کوچکتر، این اثر کمتر خواهد بود.

شکل ( 3-23 ): اثر نسبت پواسون بر ممان خمشی [7]

سرانجام احمدی و همکاران (2009)، به این جمع بندی رسیدند که، توزیع ممان های خمشی اِعمالی بر روی پوشش صلب25 بتنی کانال های آبیاری، طوری است که نواحی پایینی پوشش، مقادیر حداکثر ممان های خمشی را تحمل می کند. این در نتیجۀ افزایش تنش های کلی با افزایش عمق می باشد، که تنشهای افقی مربوطه را افزایش داده و بنابراین، ممان های خمشی موجود بر روی نواحی پایینی افزایش یافته، که در نتیجه حداکثر آن در محل تقاطع صفحه بتنی زیرین و صفحه بتنی کناری اتفاق می افتد. در حالت ظرفیت کامل، بعلت وزن آب، ماکزیمم ممان های خمشی در طول بخش مرکزی صفحه بتنی تحتانی اعمال می شود. بعلت وجود فشار هیدرولیکی آب، حداکثر ممان خمشی اعمالی بر روی صفحات کناری تقریبا در عمق یک سوم پایینی کانال اتفاق می افتد. با توجه به شکل (3-19)، هرگونه افزایش در “نسبت عرض کف26 کانال به عمق” آن باعث

پایان نامه
Previous Entries آسیب دیدگی، هیدرولیک Next Entries ساده سازی، مدل سازی، شبیه سازی