فهرست مطالب

حداقل عمق پوشش خاكي بر روي پلهاي خاكي- فولادي 1

شكل 4

تحليل گسيختگي خاك بالاي كانال: 5

نتيجه گيري: 14

4- ارزيابي دقت اندازه گيري: 15

5. 1. كليات: 16

7. نتايج: 18

ميزان بار بخش پيرامون سازه پلهاي خاكي- فولادي 22

1- معرفي: 23

2- ميزان بار مدل دوبعدي: 26

2. 2- مدل عددي: 28

4- نتيجه گيري: 30

معرفي: 32

نتيجه گيري: 34

اندازه گيري نيروها در خاك: 35

اندازه گيري هاي سازه: 37

تفسير داده ها: 39

روش تحليلي: 39

نتيجه گيري: 41

تحليل نظري: 44

ملاحظات گسيختگي: 47

برنامه راه حل: 49

نتيجه گيري: 50

حداقل عمق پوشش خاكي بر روي پلهاي خاكي- فولادي

خلاصه: پهناي خاكي- فولادي از قابهاي فولادي موجودار و انعطاف پذير پوشانده شده درون خاك دانه اي خوب متراكم ساخته شده اند.

طراحي آنها براساس اندركنش تركيبي ميان فشارهاي خاك و جابه جايي هاي ديواره كانال انجام مي شود. گسيختگي سازه ممكنست به سبب گسيختگي برشي يا كششي در پوشش خاكي روي كانال فولادي آغاز شود. بكارگيري ملاحظات طراحي ارائه شده در آئين نامه هاي مختلف، مانند آئين نامه طراحي پلهاي بزرگراه كانادا، در جلوگيري از برخي مشكلات مربوط به گسيختگي خاك روي پلهاي خاكي- فولادي با در نظر گرفتن حداقل عمق پوشش خاكي روي تاج كانال با توجه به شكل هندسي آن،  موفقيت آميز بوده است. با اين وجود، الزامات آئين نامه موجود براي حداقل عمق پوشش جهت حداكثر دهانه به طول 62/7 متر و استفاده از قابهاي سخت نشده با عمق اعوجاج 51 ميليمتر، بسط داده شده اند. اثر طول دهانه هاي بزرگتر يا بكارگيري قابهاي موجدار صلب تر، پيشتر بررسي نشده و موضوع اين مقاله است. مطالعه حاضر، جهت بررسي مجدد گسيختگي هاي ممكن خاك به سبب بارهاي زنده وارده در مركز (يعني بارهايي كه بصورت متقارن، حدودا در وسط دهانه كانال وارد مي شوند) يا بارهاي زنده خارج از مركز، از تحليل اجزاء محدود استفاده مي كند. اين بررسي، مربوط به كانالهاي دايروي با دهانه بزرگتر از 24/15 متر و قوسهاي 3/21 متري با موجهاي عميق است. نتيجه حاصله اين است كه علاوه بر هندسه كانال، ابعاد واقعي دهانه نيز بايستي جهت تعيين عمق لازم براي پوشش خاكي مورد توجه قرار گيرد.

معرفي: پلهاي خاكي- فولادي از قابهاي فولادي موجدار و انعطاف پذير پوشانده شده در خاك دانه اي خوب متراكم شده ساخته شده اند. اين پلها با دهانه هايي به طول حداكثر 62/7 متر با استفاده از قابهاي فولادي با عمق اعوجاج (موج) 51 ميلي متر ساخته شده اند در حاليكه بخشهاي خاصي مانند سخت كننده ها براي دهانه هاي بزرگ بكار رفته اند. اخيرا، موجهاي عميق تري (در قابها) به اندازه 140 ميليمتر (شكل 1) ايجاد شده و براي سازه هايي با دهانه هايي كمتر از 22 متر در استاندارد ASTM-A 796.A 796 M مورد استفاده قرار گرفته اند. (استاندارد 1999,ASTM).

طراحي پلهاي خاكي- فولادي، بر اندركنش تركيبي ميان فشارهاي خاك و جابه

جائي¬هاي ديواره كانال، بنا نهاده شده است. (معيارهاي) حدود طراحي و الزامات آئين نامه اي تعيين شده و به اثبات رسيده اند؛ به Abdel- sayed و همكاران (Adbel- Sayed) و همكاران، 1993) آئين نامه طراحي پلهاي بزرگراه كانادا (2001 , CSA- CHBDC) و مشخصات استاندارد پلهاي بزرگراه منتشر شده توسط آشتو (2001, AASHTO) مراجعه شود.

يكي از معيارهاي گسيختگي براي چنين سازه هايي در شرايطي كه پوشش خاكي روي مجراي فولادي كافي نباشد، گسيختگي خاك بخاطر برش و / يا كشش ايجاد شده در آن مي باشد. بكارگيري ملاحظات طراحي ارائه شده شده در آئين نامه هاي مختلف، مانند آئين نامه طراحي پلهاي بزرگراه (1992, OHBDC) Ontario، آشتو (آشتو، 2001) يا آئين نامه طراحي پلهاي بزرگراه كانادا، در جلوگيري از برخي مشكلات مربوط به گسيختگي خاك روي پلهاي خاكي- فولادي با در نظر گرفتن حداقل عمق پوشش خاكي روي تاج كانال، موفقيت آميز بوده است.

 اين الزامات، در اصل تجربي بوده و از آن پس، براساس تحليل اجزاء محدود (1981, Hafez) با در نظر گرفتن شكل هندسي كانال و بارهاي محوري، كاميون OHBDC جهت طراحي (شكل 2)، اصلاح شوند (1983a, Abdel- Sagal, Hafez). در نتيجه، حداقل عمق پوشش مورد نياز (h) در دومين ويرايش از (1983,OHBDC)OHBDC، بزرگترين مقدار از بين   يا   با حداقل مقدار 6/0 متر بود كه براساس شكل 3، D,S به ترتيب دهانه موثر و خيز (برآمدگي)  كانال هستند. با وقوف به دست وپاگير بودن الزامات فوق بخصوص در مورد كانالهاي دهانه كوتاه به شكل بيضي افقي، سومين ويرايش (1992,OHBDC) OHBDC شرط پيشين   را به   كاهش داد.

همچنين الزامات مشابهي در آئين نامه فعلي طراحي پلهاي بزرگراه كانادا مشخص شده اند (2001,CSA-CHBDC) و در حال حاضر بدون توجه به نيمرخ اعوجاج صفحه، قابل استفاده براي تمام سازه هاي خاكي فولادي مي باشند. هر چند، بايستي به اين نكته اشاره نمود كه تمامي الزامات براي حداقل عمق پوشش، براي حداكثر دهانه 62/7 متري و استفاده از قابهاي سخت نشده با عمق اعوجاج 51 ميليمتري ايجاد شده اند. تاثير دهانه هاي بلندتر و / يا استفاده از قابهاي موجدار صلب تر يا بيشتر مورد بررسي قرار نگرفته و موضوع اين مقاله مي باشد كه به بررسي مجدد مسئله گسيختگي امكان پذير در پوشش خاكي بعلت بار زنده واقع در مركز يا خارج از مركز كه بر خاكريز اعمال مي شود،

مي پردازد. در اينجا گسيختگي پوشش خاكي براي كانالهاي دايروي با دهانه هاي كوتاهتر از 24/15 متر و قوسهاي 3/21 متري داراي، قابهايي با موجهاي عميق (شكل 1) مورد بررسي قرار گرفته است. مشاهدات ارائه شده مبتني بر نتايج تحليل اجزاء محدود انجام شده توسط Hafez در دانشگاه وينزور (1981, Hafez) (به بخش بعدي مراجعه شود) و نيز بكارگيري آئين نامه جامع و عمومي ABAQUS [نرم افزار اجزاء محدود، نسخه 1/6 (1998)، R.I. , Providence, Sorenson, Karlssen, Hibbit] و در نظر گرفتن بار كاميون مطرح شده توسط 1992, OHBDC مي باشند (شكل 2).

شكل

شكل 1- انواع قابهاي كانال، ابعاد به ميليمتر بيان شده اند   موج استاندارد 51 ميليمتري (2 اينچي)، قاب (I)؛ (b) موج استاندارد 1400 ميليمتري، قاب (II)؛ (c) قابهاي موجدار سخت شده؛ قاب (III)؛ و (d) قابهاي موجدار سخت شده با پركردگي بتني، قاب (IV).

شكل 2- بارهاي محوري كاميون OHBDC براي طراحي (1992,OHBDC)، (a) نما (b) پلان

شكل 3- تعريف و توضيح S,D براي اشكال مختلف سطح مقطع كانال، (a) دايره، (b) نيم قوس، (c) بيضي قائم، (d) بيضي افقي، (e) قوس Re-entrant و (f) قوس لوله اي

شكل 4- مدل اجزاء محدود براي كانالهاي دايروي (1981, Hafez).

شكل 5- تعريف خروج از محوريت e براي موارد بارگذاري تحت بررسي، (a) در صورت اعمال يك بار محوري (b) در صورت اعمال يك بار محوري

پلهاي خاكي- فولادي تحت بارگذاري، با در نظر گرفتن عوامل و بار اجرا و تغيير مجاز بار ديناميكي طراحي مي شوند. همچنين ضوابط و معيارهاي مختلفي از گسيختگي در خاكريز و قابهاي فولادي مورد بررسي قرار ميگيرد. (2001, AASHTO, 1992,OHBDC). با اين وجود، هدف مقاله حاضر، به بررسي گسيختگي خاك بالاسري كانال محدود شده و تنها به توضيح استفاده از خاكريزهاي دانه هاي مجاز و خوب متراكم شده مي پردازد (1992,OHBDC). اين مقاله، رفتار پوشش خاك كم عمق را مورد بررسي قرار داده و از الزامات عمومي و عملي براي حداقل عمق پوشش خاكي را بخصوص براي پلهاي خاكي- فولادي با دانه هاي بزرگ ارائه مي نمايد. طراحي سازه اي ديواره هاي كانال و همچنين ظرفيت باربري خاك در حوزه بررسي حاضر نمي گنجد.

شكل 6- ساير شكست براي مدل موهر- ؟

شكل 7- نسبت   براي كانال دايروي،    قاب (I) و يك بارمحوري برابر

شكل 8- نسبت   براي كانال بيضوي،  ، قاب (I) و يك بار محوري برابر

تحليل گسيختگي خاك بالاي كانال:

تحليل اجزاء محدود انجام شده توسط Hafez:

Hafez (1981)، جهت تحليل و بررسي سازه هاي خاكي- فولادي قرار گرفته تحت پوششهاي خاكي با عمقهاي متفاوت و شرايط بارگذاري عبور و مرور متحرك، روش اجزاء محدود را با در نظر گرفتن حالت تنش در پوشش خاكي و اندركنش آن با قابهاي فولادي به كار برد. شبكه كرنش صفحه اي اجزاء محدود شامل 4 نوع عنصر، براي نشان دادن حدود سيستم خاك- سازه بكار گرفته شد در حاليكه ديواره فولادي موجودار توسط عناصر تير معمولي جايگزين گرديد خاك زير SLهاي (توضيح داده شده در شماره 6) سازه بوسيله عناصر مثلثي ساده با كرنش ثابت، شبيه سازي مي شود. عناصر (اجزاء) محدود درجه بالاتري با برآوردهاي درجه دوم جابه جائي، در اطراف سازه بالاتر از خطوط SL آن، جائيكه شيب تنش حاصل از بارهاي زنده، نسبتا تند است، بكار گرفته شده اند (شكل 4).

شكل 9- نسبت   براي كانال دايروي،  ، قاب I و يك بار محوري برابر

شكل 10- مقطع عرضي نوعي براي كانالهاي قوسي، نوع B,A

شكل 11- تاثير ضخامت قاب برگسيختگي خاك بالاي كانالهاي دايروي،   و دوبار محوري (2 بار 143 كيلونيوتني) دو نسبتهاي متفاوتي از

شكل 12- تاثير ضخامت قاب برگسيختگي خاك بالاي كانالهاي بيضوي،   و دوبار محوري (2 بار 142 كيلونيوتني) در نسبتهاي متفاوتي از   جهت بروز حالتهاي ممكن اندركنش بين دو ماده همانند لغزش، عناصر اندركنش ميان خاك و اجزاء آبرو تعريف شدند.

خاصيت مهم غير خطي بودن: خاك همانند غير خطي بودن رابطه تنش برشي و كرنش برشي براي عناصر اندركنش در نظر گرفته مي شود. روابط هيپربوليك تابع تنش براي عناصر خاك، بين تنش و كرنش بكار گرفته مي شوند. شبكه اجزاء محدود، لايه به لايه ساخته مي شود. چندين چرخه تكرار درهر تحليل گنجانده شده تا نهايش خصوصيات خاك را بهبود بخشيده واز پس جدا شدگي يا لغزش بين خاك و ديواره هاي كانال برآيد (در صورت بروز جدا شدگي يا لغزش ميان خاك و ديواره هاي كانال، به مشكلي برخورد نكند) (1983a,b,Abdel-sayed,Hafez). بار زنده، بصورت محوري يا خارج از محور نسبت به وسط دهانه كانال (شكل 5) در افزايشهايي مناسب بارهاي زنده معادل، اعمال شد. (1983,Bakht, Abdel- Sayed).

گسيختگي هر جزء خاك، با توجه به ايجاد تنشهاي كششي يا فراتر رفتن تنش برشي از حداكثر مجاز آن براساس معيار ؟- كولمب، تشخيص داده شد (شكل 6). يك روش انتقال تنش براي از بين بردن تنشهاي فراتر رفته از حدود مجاز بدون برهم زدن تعادل، بكار گرفته شد. انتشار گسيختگي در عناصر مجاور المان محدودي كه در آن، گسيختگي خاك رخ داده، در بخشهاي بعدي تحليل، مورد بررسي قرار گرفته و تعيين شده است.

يك برنامه اجزاء محدود جهت پيش بيني حالت تنشهاي موجود در خاك به سبب بارهاي مرده و زنده و نيز براي تعيين مقدار بار زنده اي كه بيشتر از ساير مقادير، سبب گسيختگي خاك در اعمال مختلف پوشش خاكي مي شود، ايجاد شد. خاكريز دانه اي و متراكم توصيه شده در اطراف و بالاي كانال (1992, OHBDC)، توسط مدلي هيپربوليك (1974, Duncan, Wang) با درنظر گرفتن زاويه اصطكاك داخلي برابر  ، مدلسازي شد.

بار زنده انجام شده بر روي مدلهاي سازه خاكي – فولادي تحت پوشش كم عمق، تاييد شد (1981,Hafez) نتايج تحليلي بدست آمده از اين برنامه، با نتايج تجربي حاصله از آزمايشهاي تحليل انجام شده، پارامترهايي را براي كنترل عمق پوشش لازم جهت جلوگيري از گسيختگي خاك بالاي كانال بنا نهاد (1983a,b,Abdel-Sayed,Hafez) اين پارامترها شامل اندازه بارگذاري، برون محوري آن و شكل هندسي كانال هستند. براساس اين تحليل، الزامات حداقل عمق پوشش، براساس نسبت عمق پوشش خاكي به طول دهانه با در نظر گرفتن هندسه سطح مقطع كانال ايجاد شدند (1992,OHBDC). مجددا تاكيد مي گردد كه اين نسبتها را فقط مي توان در مورد قابهاي موجدار 51 ميليمتري بكار گرفت و براي كانالهايي با دانه هاي بزرگتر از 62/7 متر يا سازه هايي يا قابهاي مسلح معتبر نمي باشند.

شكل 13- تاثير ضخامت قاب برگسيختگي خاك بالاي كانالهاي دايروي:   و دوبار محوري (دوبار 142 كيلونيوتني) تحت چندين مقدار e

شكل 14- تاثير ضخامت قاب بر گسيختگي خاك بالاي كانالهاي بيضوي،   و دوباره محوري (دوبار 142 كيلونيوتني) تحت چندين مقدار e

تحليل اجزاء محدود ABAQUS:

در راستاي بسط تحليل دوبعدي جهت در برگرفتن شكل و اندازه هاي متغير، نويسندگان اين مقاله، برنامه آئين نامه عمومي ABAQUS را بكار گرفتند. در اينجا، ويژگيهاي اصلي المان خاك، رفتار توصيف شده توسط مدل موهر- كولمب، كه جهت مدلسازي مواد براساس ضوابط و معيارها كلاسيك تسليم موهر- كولمب بكار مي رود، را دنبال مي كنند. فرض بر اين است كه گسيختگي زماني رخ مي دهد كه تنش برشي در هر نقطه از ماده، به مقداري برسد كه بصورت خطي به تنش قائم در همان صفحه وابسته است. مدل موهر- كولمب براساس دايره مور براي حالتهاي گسيختگي در صفحه تنشهاي اصلي حداكثر و حداقل مبناگذاري شده است اين مدل را مي توان بصورت زير نوشت:

اين مدل را مي توان بصورت زير نوشت:

كه در آن،  ، تنشهاي اصلي حداكثر و حداقل هستند (كشش، مثبت فرض

مي شود).

مشابه شرايط شكل 6، خط گسيختگي با دايره موهر برخورد مي كند با اين حال جهت كاربرد عمومي، مي توان خط گسيختگي را در تنش قائم صفر، به عنوان جزء چسبندگي درنظر گرفت. تحليل انجام شده توسط برنامه ABAQUS، بار محوري مسبب گسيختگي خاك بالاي كانال   را محاسبه مي نمايد. نسبت بار گسيختگي بار محوري طراحي   در سراسر مقاله بعنوان ضريب اطمينان در برابر گسيختگي خاك بالاي كانال مطرح شده است. اين مسئله، هدف اصلي اين مقاله يعني ارزيابي حداقل عمق خاك لازم جهت جلوگيري از گسيختگي خاك بالاي كانال مطرح شده است. اين مسئله، هدف اصلي اين مقاله يعني ارزيابي با حداقل عمل خاك لازم جهت جلوگيري از گسيختگي خاك بالاي كانال را برجسته مي نمايد. اين گسيختگي معياري براي گسيختگي كلي در تمام سيستم سازه اي تركيبي خاكي- فولادي تشكيل مي دهد.

شكل 15- نسبت   برحسب طول دهانه (S) براي كانالهاي دارويي در ضخامتهاي مختلف قاب و نسبت

شكل 16- نسبت   برحسب طول دهانه (S) براي كانالهاي قوسي، نوع B در ضخامتهاي مختلف قاب و نسبت

شكل 17- عمق خاك (h) بالاي كانالهاي دايروي در ضريب اطمينان 75/1

شكل 18- عمق خاك (h) بالاي كانالهاي قوسي، نوع B، در ضريب اطمينان 75/1

جدول 1- خصوصيات ديواره هاي SUPER-COP (نيمرخ  )

شعاع ژيراسون ممان اينرسي

مساحت

ضخامت ديواره