نفوذپذیری، ضریب نفوذپذیری، آب زیر زمینی

دانلود پایان نامه ارشد

نرم افزارهای تخصصی مهندسی ژئوتکنیک به بازار عرضه شد. این نرم افزار قابلیت حل معادله تراوش را در حالت پایدار، ناپایدار و با تئوری جریان در محیط اشباع و غیر اشباع دارد. این نرم افزار از روش اجزاء محدود برای تحلیل مسائل استفاده می کند. SEEP، برای ساخت مدل از مفهوم اشیاء بهره می برد، که از ترکیب آنها با یکدیگر مدل ساخته می شود. این اشیاء عبارتند از: مدل هندسی، شرایط مرزی، مشخصات مصالح، مشخصات تحلیل و نتایج تحلیل. سه آیکون اصلی این نرم افزار بترتیب: Keyin برای تعیین مشخصــــات، Draw برای تخصیص مشخصات و Sketch برای کشیدن کارهای گرافیکی هستند که در این پروژه مورد استفاده قرار گرفته اند. در این نرم افزار امکان استفاده از تمام شرایط مرزی ممکن از قبیل هد کل، هد فشار، دبی و همچنین شرایط خروج آب از یک مسئلة تراوش وجود دارد. با توجه به اینکه این نرم افزار تحلیــل غیراشباع انجـــام می دهد، لذا امکان تعریـف تابـع نفوذپذیری در این نرم افزار وجود دارد. رابطة ضریب نفوذپذیری با فشار منفذی به صورت نقطه ای تعریف می شود و نرم افــــزار با استفاده از روش های برازش منحنـــی، یک منحنـــی به این نقاط برازش شده داده و در تحلیــــل از آنهـــــا استفـــــاده می کنـــــد. این نرم افــــزار در قسمت Material → Hydraulic Conductivity Function با اعمال K_sat در فشار صفر و تابع K_sat/100 ، در فشار -100 کیلوپاسکال تابع نفوذپذیـری را تعریف می کنـــد. همچنین تغییرات محتوای رطوبت حجمی خاک در قسمت Material → Vol. Water Content ، به صورت نقطه ای و یا تابع در بخش Function قابل اعمال است.
شکل (4-5-الف): تغییرات محتوای رطوبت حجمی خاک ب: منحنی خطی تابع تعریف شده برای تغییرات نفوذپذیری[15]

اعمـــــال شرایــــط مرزی مورد استــــفاده در این نـــــرم افـــــزار در قسمت Keyin → Boundary Conditions:، به دو صورت شرایط با سطح آب ثابـــــت بصورت Steady، و شرایط کاهش سریع سطح آب بصورت RDD ، قابل تعریف می باشد. در قســمت Steady، سطح آبی ثابت با توجه به عمق کانال در نظر گرفته می شود. مقدار آب منظور شده در این پروژه برابر با 0/8 H، (عمق کل) می باشد. شرایط RDD، در این بخش بصورت تعریف تابع قابل اعمال به نمونه می باشد. تابع در نظر گرفته شده در این پروژه بصورت زیر می باشد.
جدول (4-1): تابع کاهش سریع سطح آب[15]
H(m)
T(hr)
0/8 H
0
0/1 H
4

2- SLOPE/W : در سال 1977 توسط پروفسور فردلاند در دانشگاه ساسکاچوان کد نویسی و اجرا شد. اولین نسخه تجاری آن در یک کامپیوتر مرکزی نصب وامکان استفاده از آن فراهم شد. بعـــدها با گسترش کامپیوترهــــای شخصـی کدهای مربوطه در محیـط این کامپیوترها بازنویسی شده ودر سال 1983 به PC-SLOPE/W، تغییر نام داد. سپس با معرفی Windows توسط مایکروسافت و گرافیکی شدن برنامه ها SLOPE/W پا به عرصه گذاشت و روز به روز گسترده تر شد و در سال 2004 ورژن ششم این برنامه که یکی از زیر برنامه های GEO STUDIO می باشد پا به عرصه گذاشت. روش تعادل حدی در سال 1977 توسط فردلاند توسعه یافت. این روش بر پایه دو عدد ضریب اطمینان می باشد که یکی Fm (ضریب اطمینان مربوط به لنگر) و دیگری Ff (ضریب اطمینان مربوط به نیروی افقی) می باشد. البته لازم به ذکر است که ایده استفاده از دو ضریب اطمینان را برای اولین بار اسپنسر معرفی کرد. روش GLE با فرمول: f(x).λ X=E که در آن λ ضریب مقیاس بوده و f(x) تابعی است که به شکل های زیر می باشد تعریف می شود. دو نمونه الف و ب پر کاربرد ترین در نرم افزار می باشد.

الف ب

شکل(4-6): نمودارهای تابع f(x) [15]
برای محاسبه ضریب اطمینان در این بخش، معادلات و روش های زیادی بر مبنای روش قطعات توسعه یافته اند که اساس آنها یکی بوده و تفاوت آنها تنها در فرضیاتی بوده که انجام داده اند، که به شرح زیر می باشد [15]:
1- Fellenious : از تمامی نیروهای بین قطعه ای صرفنظر می کند وتنها روشی است که می توان بصورت دستی نیز انجام داد.
2- Bishop: بیشاب در سال 1950 در دانشگاه لندن روشی را بنا نهاد که طبق آن از نیروهای برش بین قطعات صرفنظر می شود.
3- Janbo: نیروی برشی بین قطعات برابر صفر بوده وضریب اطمینان با توجه به تعادل نیروهای افقی بدست می آید.
4- Spencer : هر دو نیروی بین قطعه ای اعم از برشی و عمودی را در نظر می گیرد با این فرض که نسبت نیروی برشی به نیروی عمودی بین قطعات برابر عدد ثابتی می باشد.
5- Morgenstern&price: مشابه روش اسپنسر بوده با این تفاوت که f(x) را می تواند توابع مختلفی در نظر بگیرد. با توجه به اینکه در این پروژه برای محاسبه ضریب اطمینان از این روش استفاده شده، فقط به شرح مختصری از این روش پرداخته خواهد شد.

شکل(4-7): ضریب اطمینان به روش مورگنسترن [15] شکل (4-8): پلیگون نیروها در روش مورگنسترن[15]

توضیح اینکه در نمودار f(x) ، مقدار تابع برای هر قطعه از روی نمودار قابل محاسبه است و میزان ضریب اطمینان کمتر از روش بیشاب می باشد، تعادل بهتری را از لحاظ نیروهای وارده شاهد بوده و به کاربر اجازه می دهد تا توابع متعددی را برای تحلیل انتخاب نماید.
6- Corps of engineers :
الف- در این روش ضریب مقیاس را برابر واحد در نظر گرفته وتابعf(x) را برابر با شیب خط واصل ابتدا وانتها منظور می نمایند ابتدا و انتهای شیب با استفاده از تعیین سطح لغزش بدست می آید.
ب- این روش شبیه به روش الف بوده با این تفاوت کهf(x) در آن برابر شیب طبیعی زمین می باشد، بدین ترتیب که در حالت افقی برابر صفر بوده و شیب به موازات آن می باشد.

7- Law-karafiath : مثل روش قبل بوده با این تفاوت که تابعی را که در نظر می گیرد به صورت زیر می باشد:
F(X)=((شیب بالای قطعه+شیب پایین قطعه))/2 (2-4)

8- Sarma : فرضیات اساسی این روش که متمایز از روش های دیگر است، این است که قطعات را بصورت بلوک های مختلف با زوایای مختلف فرض کرد که بدلیل پیچیدگی الگوریتم حل در این نرم افزار تنها از روش عمودی استفاده شده است و تابعی که استفاده کرده است بصورت زیر می باشد:
X= c×h+Etan⁡〖∅ 〗 (3-4)

که در آن h طول مؤثر، X نیروی برشی بین قطعه ای وارد از طرف چپ و راست و E نیروی افقی که بر قطعه وارد می شود (بین توده ای) می باشد. زمانی که 0=c مشابه روش اسپنسر می باشد. این روش نیز هم تعادل لنگر و هم تعادل نیرو را در نظر می گیرد و در آن تابع مشابه به مقاومت برشی خاک در نظر گرفته می شود.

4-2-2-1- مراحل حل برای تعیین ضریب اطمینان به ترتیب زیر می باشد:
1- از نیروهای بین قطعه ای E,X صرفنظر می شود. و با این فرض ضرایب اطمینان محاسبه می شود، که در این صورت ضرایب اطمینان برابر با روش فلنیوس می باشد.
2- 0=λ و در نتیجه نیروی برشی بین قطعه ای برابر با صفر می باشد. با این فرض مقادیر ضریب اطمینان محاسبه می شود. با توجه به شکل (4-9) هر گاه Fm محاسبه می شود، مطابق با روش بیشاب می باشد و هر گاه Ff محاسبه شود مطابق با روش جانبوی ساده شده می باشد.

شکل (4-9): نمودار ضریب اطمینان [15]

3- GLE مشتمل بر کلیه روش های است که نیروهای بین قطعه ای را هم در نظر می گیرد. برای در نظر گرفتن هر دو ضریب اطمینان بایستی ضریب مقیاس λ را طوری تعیین کرد که، مقدار مساوی برای هر دو ضریب اطمینان حاصل گردد که این کار با استفاده از تکنیک Rapid-solver، قابل اجرا می باشد. این تکنیک خیلی شبیه به روش نیوتن رافسون می باشد. الگوریتم حل نرم افزار بگونه ای است که λ اولیه را برابر 3/2 شیب ابتدا و انتها در نظر می گیرند و سپس مقادیر ضرایب اطمینان برای این مورد محاسبه می شود. اگر این دو ضریب اطمینان برابر بود از حلقه خارج شده و ضریب مقیاس قابل قبول می باشد وگرنه ضریب مقیاس دیگری را فرض کرده و شروع به محاسبه ضرایب اطمینان می کند. این کار تا زمانی ادامه می یابد که ضرایب اطمینان نیرو و لنگر با هم برابر شوند.
4- در این مرحله توابع مختلف نیز با استفاده از الگوریتم بالا برای محاسبه ضریب اطمینان بکار گرفته می شوند. در تمامی موارد ذکر شده فرض بر این بود که سطح لغزش مشخص می باشد. حال به بررسی نحوة ایجاد سطح لغزش واصول حاکم بر آن می پردازیم. انواع سطوح لغزش عبارتند از[15]:
الف- روش Grid & Radius
ب- سطح لغزش مرکب
پ- سطح لغزش کاملا تعریف شده
ت- بلوک های تعریف شده برای سطح لغزش
ث- روش Entry – Exit

از آنجای که در این پروژه از روش اول Grid & Radius استفاده شده است، بنابراین در این قسمت فقط به توضیح مختصر این روش بسنده می شود:

این روش یک روش ترسیمی برای تعیین مقطع لغزشی است که سطح لغزش را با ترسیم یک سری شبکه به عنوان Grid و یکسری خطوط به عنوان Radius مشخص می کند، بطوری که دایره ای به مرکز Grid و به شعاع Radius ترسیم می کند و سطح تقاطع دایره ها با شیب جداره تشکیل یک گوه گسیختگی می دهد و در نهایت با تحلیل پایداری آن با یکی از روشهای ذکر شده (در این پروژه مورگنسترن) میزان ضریب اطمینان آن گوه بدست می آید. با تکرار الگوریتم بالا میزان حداقل ضریب اطمینان بعنوان سطح گسیختگی در مقطع بحرانی در نظر گرفته می شود و به جای خطوط شعاعی می توان از نقطه و یا نقاط مبنای دیگری استفاده کرد که به شرح زیر می باشد:

شکل (4-10): موقعیت سطوح لغزش [15]
در این روش یک سری خطوط بر روی نقاط شبکه بوجود می آید که در واقع بیانگر خطوطی هستند که دارای ضرایب اطمینان یکسانی می باشند. نکته قابل تأمل در این خطوط به شرح زیر می باشد:
1- کانتورها بایستی همگرا بوده وگسستگی نداشته باشند.
2- نقطه ای که بعنوان ضریب اطمینان بحرانی در نظر گرفته می شود بایستی در میانه گره باشد.
3- این نقطه نبایستی بر روی کانتورها قرار بگیرد.
در واقع کانتورهای مربوطه نقش کنترلی بر میزان ضریب اطمینان وصحّت آن دارند.

4-2-2-2- معادله حاکم بر تعادل حدی :
برای مقاومت برشی خاک از معادله موهر کولمب استفاده شده است:
S=c^’+(σ_n-u) tan⁡〖∅^’ 〗 (4-4)

S : مقاومت برشی خاک
:σ_n تنش کل خاک
u : فشار حفره ای آب
∅^’ : زاویه اصطکاک داخلی
رايج ترين و متداولترين روش براي بيان مدل رفتاري خاك است كه به صورت زير تعريف مي شود:

τ=c+σ_n tan⁡∅ (5-4)

كه بصورت يك معادله خط راست مي باشد كه در اين معادله c بعنوان عرض از مبدا و∅ برابر شیب خط می باشد.

شکل(4-11): پوش گسیختگی [15]

پوش گسيختگي که در شکل (4-11) مشاهده می شود، اغلب از آزمايشات سه محوري بدست مي آيد كه مماس بر دواير موهر مي باشد. پارامتر هاي سه محوري هم بصورت تنش كل و هم بصورت تنش مؤثر مي باشد كه نرم افزار قابليت تفكيك اين دو را ندارد و بايستي هر كدام بصورت مجزا در نرم افزار تحليل شوند. از نقطه نظر آناليز پايداري شيب پارامترهاي مقاومتي مؤثر نتايج قابل قبولي را براي سطوح لغزش بحراني بدست مي دهد.

4-3- صحت سنجی:
در این بخش با توجه به اطلاعات موجود برای یک خاکریز با سطح آب زیر زمینی که در نرم افزار PLAXIS ، توسط طراحان اصلی این برنامه برای مثال آورده شده، اقدام به مدلسازی کرده و بحث صحت سنجی مورد بررسی قرار می گیرد.

4-3-1- معرفی خاکریز و پارامترهای ورودی:
برای مدلسازی خاکریز موجود که از دو خاک SOIL-1 و SOIL-2 تشکیل شده است از حالت کرنش مسطح استفاده می شود. اطلاعات ورودی در نرم افزار برای هر یک از این خاک ها در جدول (4-2) آمده است.

جدول

پایان نامه
Previous Entries آب زیر زمینی، مطالعه موردی، مدل سازی Next Entries ارزیابی پایداری، آب زیر زمینی، رسوب گذاری