آب زیر زمینی، مطالعه موردی، مدل سازی

دانلود پایان نامه ارشد

پايه خاك قابل دسترسی است كه عبارتند از: مدول يانگ (E)، ضريب پواسون (υ)، زاويه اصطكاك داخلي (∅)، چسبندگي (C) و زاويه اتساع (Ψ) مصالح سنگريزه‌‌اي، فيلترها و بخش‌هاي دانه‌اي بستر با اين نوع رفتار مدل‌سازي شده‌اند.
همچنین يكي از شاخصه‌هاي مهم در خاك فشار آب حفره‌اي است. فشار آب حفره‌اي به ميزان بسياري بر رفتار خاك مؤثر است. براي اعمال اين مسئله سه نوع رفتار زهكشي شده، زهكشي نشده و عدم تأثير زهكشي، براي مصالح برحسب شرايط قابل تعريف است. برای دو خاک موجود در این پروژه از رفتار زهکشی شده استفاده شده است.

شکل (4-2): پنجره اصلی ورودی برنامه[14]

شكل (4-3): نظريه اصلی مدل موهر-کلمب کاملاً پلاستيک[14]
5- مرحله پنجم، مش بندی می باشد که به عنوان آخرین بخش اطلاعات ورودی نرم افزار است. نرم‌افزار PLAXIS به شكل كاملاً خودكار مش بندی را انجام مي‌دهد. اين امكان براي كاربرد وجود دارد كه مش بندی بخش خاص را با استفاده از گزینة Refine ريزتر كند. پالایش ابعاد مش به صورت زیر می باشد:
*- Global Coarseness : با این دستور میزان بزرگی کلی مش مدل را می توان تغییر داد.
*- Refine Global : تغییر میزان بزرگی کلی المان ها به اندازه یک پله مثلاً از متوسط به ریز تغییر می کند.
*- Refine cluster: با انتخاب یک فضای بسته محدود مشخص شده یک سطح ریزتر می شود.
*- Refine line : با انتخاب یک خط یا چند خط همزمان با استفاده از Shift می توان اطراف خطوط مورد نظر را ریزتر کرد.
*- Refine around point : با این دستور اطراف یک نقطه یا چند نقطه را می توان مش ریزتر ایجاد کرد.
در این پروژه برای مش بندی از میزان بزرگی Medium استفاده شده است. یک کلاستر کوچتر در اطراف شیب و کف مدل بدلیل آشفتگی و جابجایی بیشتر ایجاد شده که با استفاده از Refine cluster، مش آن قسمت ریزتر شده است. بهتر است ابتدا میزان بزرگی Coarseness، کم شود سپس Refine cluster، بعد پالایش در اطراف خطوط و در نهایت در اطراف نقاط انجام شود. بايد اضافه كرد كه نرم‌افزار از المان مستطيلي 6 گرهي و مثلثي 15 گرهي استفاده مي‌كند.

4-2-1-2- محاسبات:
بعد از تعیین هندسه، تخصیص خواص و مش بندی باید تنش اولیه محیط و شکل هندسی اولیه قبل از تغییرات (عوامل اصلی ایجاد کننده تنش) مشخص شود. اين امر نيازمند آن است كه نوع محاسبه و نوع بارگذاري تعيين شود. اين كارها در بخش محاسباتي برنامه انجام مي‌شود. همچنين اگر در مراحلي از پروژه‌، نيروها و يا شرايط اوليه تغيير كند، اين تغييرات قابل اعمال است. در پروژه‌هاي واقعي كارها به شكل مرحله ای انجام مي‌شوند. برنامه‌ي PLAXIS اين توانائي‌ را دارد كه محاسبات را به شكل مرحله‌اي انجام دهد. نمونه‌هائي از اين كارهاي مرحله‌اي عبارتند از: فعال شدن بار در زمان‌هاي مختلف با شدت‌هاي متفاوت، شبيه سازي مراحل ساخت يك پروژه نظیر خاکبرداری و نصب پوشش بتنی، دوره‌هاي زماني انجام تحكيم، محاسبه ضريب اطمينان و غيره. ساخت مرحله به مرحله فاکتوری است که كاربر را قادر مي‌سازد با فعال و يا غيرفعال كردن يك بخش از مدل و يا يك بار و يا تغيير در تراز آب، ساخت مدل را مطابق شرايط ساخت و بهره‌برداري شبيه سازي كند. اين كار باعث مي‌شود كه تنش ها و جابجايي‌هاي ايجاد شده به عنوان مثال در اثر ساخت يك سد و يا گود برداري‌هاي عميق در کانال ها به واقعيت نزديكتر باشد. در مسائلی مانند این پروژه که نیاز به گود برداری می باشد دو مد اصلی برای رسیدن به شرایط اولیه مدل وجود دارد:
الف) ایجاد فشار آب اولیه
ب) تعریف شکل هندسی و شرایط تنش مؤثر اولیه

الف) ایجاد فشار آب اولیه:
بدلیل محاسبه تنش مؤثر باید ابتدا شرایط فشار منفذی مدل را برآورد کرد. شرایط اولیه فشار منفذی به دو صورت زیر می باشد. بدلیل آنکه در حالت بهره برداری کانال در این پروژه از روش اول استفاده شده است تنها به شرح آن بسنده می شود[14]:
1- تعریف خط تراز آب زیرزمینی (Pheratic Level): فشار منفذی Pore pressure (فشار آب زیر زمینی در لایه های خاک) و فشارهای خارجی آب External Water pressure (فشار آب در کانال ها، پشت سدها و رودخانه ها) را می توان بر اســــاس خط تراز آب معرفــی کرد. در ایـــن پروژه در حالت بهره برداری سطح آب در کانال پر تا 0/8 H در نظر گرفته شده است. چنانچه در این پروژه سطح آب معرفی شده در قسمت 1 بعداً تغيير كند، در بخش محاسباتي تحت عنوان يك مرحله مي‌توان تراز جديد را واردكرد و سطح جديد آزاد آب را دوباره به دست آورد.
2- روش محاسبات جریان آب زیر زمینی (Calculation flow of groundwater)

ب) تعریف شکل هندسی و شرایط تنش مؤثر اولیه:
برای ایجاد شرایط اولیه تنش مؤثر در مدل و تعیین هندسه فعال اولیه مدل و غیر فعال کردن تمام بارها و المان های سازه ای و سازه های سطحی که در محاسبات شرایط اولیه حضور ندارند، دو روند کلی وجود دارد که بدلیل استفاده از روش جکی تنها به توضیح آن بسنده می شود[14]:
1- روش جکی (Procedure-K_0) با فرمول (K_0=1-sin⁡∅): برای حالتی است که سطح بالای مدل و لایه بندی ها بصورت افقی باشد. به این معنی است که وزن تمام لایه های خاک بالایی در شرایط اولیه تنش نقش دارند. در این پروژه بدلیل فرض اولیه در مسطح بودن زمین و تأثیر وزن تمام لایه های بالای در محاسبه تنش مؤثر از روش جکی استفاده شده است.

2- روش بارگذاری ثقلی (Gravity Loading) : برای حالتی است که سطح بالای مدل و لایه بندی ها بصورت غیرافقی باشد.

در بخش بعد تغيير شكل‌ها با انتخاب محاسبه پلاستيك يا محاسبه تحكيم يا محاسبة به روز شدن شبكه و يا محاسبة ديناميكي آناليز مي‌شوند. چهار دسته روش تحلیل موجود در این برنامه عبارتند از[14]:

*- تحلیل پلاستیک………….….. Plastic Calculation
*- تحلیل تحکیم Consolidation Calculation ……..
*- تحلیل ضریب ایمنی…..…………. C-phi reduction
*- تحلیل دینامیکی….…………… Dynamic Analysis

در گام های محاسباتی این پروژه از دو تحلیل پلاستیک برای مراحل تعریف کلی هندسه و تغییرات در آن و تحلیل ضریب ایمنی برای محاسبه عدد ضریب اطمینان استفاده شده است، بنابراین این دو تحلیل به صورت مختصر شرح داده می شوند:

الف) تحلیل پلاستیک:
در صورتي كه بخواهيم تغيير شكل را در حالت الاستوپلاستيك تحليل نمائيم، اين گزينه انتخاب مي‌شود. در اين حالت اثر تغيير شكل‌هاي بزرگ اعمال نمي‌شود و ماتريس سختي براساس هندسة تغيير شكل نيافته‌ي اوليه محاسبه مي‌شود البته اين آناليز براي بيشتر كارهاي مهندسي كفايت مي‌كند. اين‌ آناليز خزش دراز مدت در خاك‌هاي نرم را محاسبه نمي‌كند. اگر چنانچه بر يك خاك رسي اشباع يك بار سريع اعمال شود و شرايط نيز زهكشي شده باشد در آن صورت ميزان تغيير شكل حداكثر از نظر عددي با مقدار حاصل از آناليز حالت تحكيم برابر خواهد بود اما تاريخچه‌ي زماني چنين تحليلي مطابق واقعيت نيست.
*- تحلیل به روز شدن شبكه‌بندي (Updated Mesh):
از اين آناليز زماني كه بخواهيم اثر تغيير شكل‌هاي بزرگ را اعمال كنيم استفاده مي‌شود. بايد توجه داشت كه از اين آناليز زماني بايد استفاده كنيم كه حدس بزنيم تغيير شكل‌ها به اندازه‌اي است كه هندسه مدل را عوض كند. در اين آناليز ماتريس سختي براساس فرم جديد شبكه‌بندي دوباره حساب مي‌شود. به روز شدن شبكه‌بندي براساس فرمولي كه تعريف شده روي تنش‌هاي هم اثر مي‌گذارد كه اين فرمول متأثر از دوران المان‌هاست. براي اغلب مسائل مي‌توان از اثر تغيير شكل‌ها صرفنظر كرد مگر موارد خاصي مطرح باشد مثل آناليز خاك‌هاي مسلح، وقوع خرابي كلي در پي‌ها تحت بارهاي شديد و مطالعه پروژه‌هايي كه در آنها خاك دچار تغيير شكل‌هاي زياد شده است. بعد از اين آناليز به علت ساخت برنامه نمي‌توان آناليز تحكيم را انجام داد. اين آناليز زمان بيشتري نسبت به آناليز پلاستيك براي تحليل لازم دارد و بهتر است در موارد خاص از آن استفاده شود.

ب) ضریب اطمینان:
ضريب اطمينان معمولاً نسبت سربار لازم براي ايجاد حالت گسيختگي به سربار اعمال شده تعريف مي‌شود اين تعريف بيشتر برای پي‌ها مناسب است ولي براي خاكريزها و ديوارهاي حائل مناسب نيست. براي موارد آخري رايج‌تر آن است كه از پارامتر مكانيكي خاك استفاده شود. بدين شكل كه عبارتست از نسبت مقاومت برشي بسيج شده به حداقل مقاومت برشي مورد نياز براي تعادل(در فصل دوم به این بحث پرداخته شده است)، PLAXIS مطابق اين تعريف ضريب اطمينان را حساب مي‌كند. در شكل ( 4-4 ) پنجرة محاسباتي برنامه نشان داده شده است.

شکل (4-4): پنجره اصلی محاسبات برنامه [14]

4-2-1-3- خروجی:
بخش اصلي خروجي محاسبات المان محدود جابجايي در گره‌ها و ميزان تنش در نقاط تنش است. همچنين اگر چنانچه مدل المان محدود داراي عناصر سازه‌اي باشد، نيرو و تغيير شكل در اين المان‌ها محاسبه مي‌شود. این بخش از دو قسمت تغییر شکل ها و منحنی ها تشکیل شده است که دلیل کاربردی بودن در این پروژه به اختصار شرح داده می شوند.
الف) تغییر شکل ها:
در اين قسمت مي‌توان با گزينه‌هاي مناسبي كه در برنامه ‌در نظر گرفته شده است، شكل تغيير يافته مدل را به صورت‌هاي متفاوت در مقياس دلخواه ديد. اين مسئله كمك شاياني به كاربر در درك بصري مسئله مي‌كند. خروجي‌هايي كه قابل دستيابي هستند عبارتند از: تغيير شكل شبكه‌بندي، جابجايي كلي، جابجائي‌هاي قائم و افقي، ميزان افزايش جابجائي كل، ميزان افزايش جابجائي افقي و قائم، كرنش كل، ميزان افزايش كرنش، تنش‌هاي مؤثر تنش‌هاي كل، نقاط پلاستيك مدل، فشار آب حفره‌اي، فشار آب حفره‌اي اضافي، سطح تراز آب و خطوط جريان. علاوه بر اين‌ها براي عناصر سازه‌اي نيز خروجي وجود دارد.

4-2-1-4- منحنی ها:
در اين بخش مي‌توان منحني‌هاي مربوط به بار، جابجائي، تنش، كرنش و يا مسير تنش كرنش نقاط مدل را رسم كرد. نقاطي كه بايد منحني‌ مربوط به آنها رسم شود بايستي در قسمت محاسباتي برنامه مشخص گردند. در هر صفحه نمودار حداكثر 10 نمودار قابل رسم است و نيز مي توان از مدل‌هاي ديگر نيز منحني اضافه كرد. اعداد مربوط به نمودار نيز قابل دسترسي است و به راحتي مي‌توان آن را به ساير نرم‌افزارها مثل Excel كپي كرد.

4-2-2- معرفی نرم افزار GEO STUDIO:
آنالیز پایداری سازه های خاکی یکی از پر سابقه ترین آنالیز ها در مهندسی ژئوتکنیک محسوب می شود. پترسون در سال 1916 با آنالیز پایداری و مطالعه موردی در گوتنبرگ نشان داد که، سطح گسیختگی دایره ای بوده وتوده گسیختگی به تکه های زیادی تقسیم شده است. فلنیوس در سال 1936 یک روش ابتدایی را مبتنی بر تعادل حدی برای روش قطعات معرفی کرد که در اواسط 1954 توسط جانبو و بیشاب توسعه یافـت. با توسعه کــامپیوتر در سال 1960 امکان بکــار بردن روشهـای تکرار بر مبنای الگوهای ذکر شده فراهم شد و در نهایت این موضوع منجر به حل شدن معادلات پیچیده ای شد که توسط مُورگنسترن و پرایس در سال 1965 واسپنسر در سال 1967 شد. واضح است که روش توده برای برنامه نویسی و استفاده از روش تکرار مناسب نمی باشد. بنابراین توسعه روش قطعات راه حل مناسبی برای استفاده از روش تکرار و محاسبه پایداری شیب می باشد. نرم افزار GEO-STUDIOبر این اساس توسعه یافته و تاکنون مورد استفاده در اغلب پروژه های اجرایی می باشد. این نرم افزار شامل بخش های زیر می باشد[15] :

1- SEEP/W
2- SLOPE/W
3- SIGMA/W
4- QUAKE/W
5- TEMP/W
6- CTRAN/W
7- AIR/W
8- VADOSE/W

در این پروژه برای مدل سازی شرایط کاهش سریع آب و در نظر گرفتن پارمتر زمان و در آخر بدست آوردن ضریب اطمینان تحت شرایط کاهش سریع از دو بخش 1 و 2 نرم افزار استفاده می شود. به همین دلیل، فقط توضیح مختصری در مورد این روش ها ارائه می شود.
1- SEEP/W: یک نرم افزار مناسب برای مدلسازی مسائل تراوش می باشد، که اولین نسخة آن در سال 2000 توسط شرکت GEO-SLOPE، تهیه کننده

پایان نامه
Previous Entries ساده سازی، مدل سازی، شبیه سازی Next Entries نفوذپذیری، ضریب نفوذپذیری، آب زیر زمینی