• • سادگی مفاهیم، وجود درک فیزیکی و تبعیت از قوانین انتشار امواج

• • • قابلیت تعمیم روش به حالت‏های کلی نظیر فونداسیون مدفون در خاک لایه‏ای و تطابق مناسب با شرایط خاص مسئله مانند هم‏گرایی دو‏جانبه برای فونداسیون سطحی

  

• • دقت مهندسی مناسب: نتایج به‏دست‏آمده از مدل‏های مخروطی کمتر از ۲۰%± نسبت به نتایج دقیق خطا دارند. این حد خطا با توجه به این‏که پاره‏ای از عوامل ایجاد‏کننده‏ی خطا قابل حذف نمی‏باشند، برای کاربرد‏های مهندسی مناسب می‏باشد.

ضرورت تحقیق
استفاده از روش‏های حل دقیق، با توجه به دقت قابل قبول آن‏ها، کاربردی برای تمامی مدل‏ها نبوده و لذا به ناچار از شبیه‏سازی فیزیکی استفاده می‏گردد. در روش‏های عددی به‏طور مثال روش عددی اجزاء‏ محدود، با توجه به مسئله‏ی خاک نا‏محدود، این روش نمی‏تواند کارایی قابل قبولی داشته باشد. روش‏های دیگر عددی مثل اجزاء مرزی و یا استفاده از المان‏های بی‏نهایت گرچه مشکل خاک نامحدود را حل‏کرده‏اند ولی به علت پیچیدگی که در حل مسئله دارند، قابل کاربرد برای تمامی مسائل نیستند.
استفاده از لایه‏های ژئوسنتتیکی^[۴] برای تسلیح خاک روش نسبتا جدیدی در زمینه‏ی تسلیح خاک است. در این تحقیق، از لایه‏های ژئوسنتتیکی سلولی به نام ژئوسل برای تقویت خاک‎ها استفاده شده است که از طریق ایجاد محصورشدگی سبب بهبود رفتار خاک می‏شود. در این تحقیق خاک مسلح شده با ژئوسل به وسیله‏ی روش مخروط و تعریف توابع انتقال به‏صورت فیزیکی مدل‏سازی شده و تابع امپدانس خاک تعیین می‏گردد.
رویکرد مقاومت مصالح با بهره گرفتن از مخروط‏ها، روشی فیزیکی و ساده است که یک وضوح خوب فیزیکی را با ساده‏سازی فیزیک مسئله فراهم می‏کند و علیرغم دقت کم‏تر نسبت به روش‏های پیچیده و زمان‏بر عددی، تقریب خوب مهندسی را به‏دست می‏دهد. براساس یافته‏ها، این پایان‏ نامه اولین اثر در زمینه‏ی تحلیل پی واقع بر خاک مسلح است و در ادبیات موضوع تاکنون پژوهشی گزارش نشده است.
هدف پژوهش
هدف از این پژوهش، معرفی یک روش فیزیکی و ابزار تحلیلی ساده جهت تحلیل پی سطحی مستقر بر خاک مسلح با ژئوسل است. با روش مخروط می‏توان آثار لایه‏ای بودن خاک را با مورد بررسی قرار داد. به دست آوردن سختی دینامیکی پی مستقر بر خاک مسلح با بهره گرفتن از روش مخروط به ازای درجه‏ی آزادی قائم و همچنین بررسی اثر پارامتر‏های مختلف ِ مرتبط با مسلح‏کننده‎‏ی ژئوسل بر سختی دینامیکی پی سطحی از اهداف این تحقیق می‏باشد.
قلمرو پژوهش
در این پژوهش، از روش مخروط برای تحلیل رفتار پی سطحی مستقر بر خاک مسلح با ژئوسل استفاده شده است. فرض اساسی در این مدل‏سازی بر این است که صفحات موازی سطح آزاد خاک پس از اعمال بار نیز صفحه باقی می‏مانند و کرنش بر روی این صفحات ثابت باقی می‏ماند [۱]؛ هم‏چنین در مدل‏های مخروط بر‏خلاف حل دقیق، استقلال اجزاء مختلف حرکت اعم از جابه‏جایی افقی، قائم، چرخش و پیچش برقرار است [۳].
با بهره گرفتن از این مدل می‏توان انواع مختلف پی‏های سطحی و مدفون با تقارن محوری و با شکل‏های دلخواه را با در نظر گرفتن شعاع معادل مدل کرد. اما چنان‏چه پی تقارن محوری نداشته باشد، مدل کردن پی مسئله برانگیز خواهد بود. مانند حالتی که پی دارای شکل L مانند باشد. در این مدل پی صلب و بدون جرم فرض شده است. رفتار خاک نیز در این مدل الاستیک فرض می‏گردد.
ژئوسنتتیک استفاده شده برای تسلیح خاک ژئوسل می‏باشد که به صورت خاک معادل مدل‏سازی شده و در مدل مخروط با مشخصات خاص خود به‏کار رفته است.
روش انجام پژوهش
این پژوهش بر مبنای روش تقریبی مخروط انجام شده و کاربرد آن برای تحلیل خاک مسلح با ژئوسل مدنظر قرار گرفته است. لایه‏ی مسلح‏کننده با بهره گرفتن از یک مدل مرکب تجربی به صورت یک لایه‏ی خاک معادل در محاسبات وارد شده است. این خاک معادل بر مبنای مشخصات مصالح خاک و ماده‏ی سازنده‏ی ژئوسل، به صورت توامان، در نظر گرفته شده است. همچنین در این تحقیق جهت مدل‏سازی لایه‏های خاکی، انجام عملیات تکراری و انجام محاسبات از نرم‏افزار MATLAB^[5] استفاده شده است.
ساختار پایان نامه
در این پژوهش ابتدا در فصل دوم شرحی از مطالعات انجام شده در زمینه‏ی کاربرد ژئوسل به عنوان مسلح‏کننده در خاک و بررسی اندرکنش غشاء ژئوسل و خاک پرکننده‏ی آن ارائه خواهد شد. تاریخچه‏ی توسعه‏ی روش مخروط نیز در بخش دوم از فصل دوم خواهد آمد.
در فصل سوم مفاهیم مدل مخروط و ضرایب و اصلاحات مربوط به شرایط مختلف خاک و شرایط بارگذاری ارائه گردیده است. هم‏چنین در این فصل به منظور صحت‏سنجی و بررسی دقت روش مخروط، مقایسه‏ای بین نتایج به‏دست آمده از مدل‏های مخروط برای پی‏های سطحی با روش‏های دقیق انجام گرفته است.
در فصل چهارم روش مورد نظر برای آنالیز خاک مسلح شده با ژئوسل ارائه شده است. در مرحله‏ی اول با بهره گرفتن از مدل مخروط سختی دینامیکی پی مستقر بر نیم‏فضای همگن (خاک غیرمسلح) به ازای درجه‏ی آزادی قائم به‏دست می‏آید و در مرحله‏ی دوم خاک مسلح لایه‏ی خاک دارای مسلح‏کننده نیز به‏صورت یک لایه‏ی خاک معمول، مدل‏سازی شده و بدین صورت پی سطحی مستقر بر خاک مسلح با یک لایه ژئوسل برای درجه‏ی آزادی قائم تحلیل می‏شود. از مقایسه‏ی نتایج به‏دست آمده بهبود سختی دینامیکی نتیجه می‏شود.
در فصل پنجم از این تحقیق مطالعات پارامتریک بر روی خاک مسلح با ژئوسل انجام شده و اثرات تغییر پارامترهایی از قبیل محل قرارگیری لایه تسلیح کننده، سختی مواد سازنده آن، ضخامت و خصوصیات خاک پرکننده و… روی سختی دینامیکی خاک مسلح مورد بررسی قرار می‏گیرد. نهایتا در فصل ششم از این تحقیق، نتیجه گیری و جمع بندی ارائه شده و پیشنهاداتی برای کارهای آینده مطرح می‏شود.
مروری بر تاریخچه‏ی موضوع
مقدمه
این فصل مشتمل بر دو بخش است. در بخش اول به مطالعاتی که در زمینه‏ی کاربرد ژئوسل انجام گرفته، پرداخته شده است. بخش دوم این فصل، به تاریخچه‏ی کاربرد و توسعه‏ی روش تقریبی و فیزیکی مدل‏های مخروط می‏پردازد.
مروری بر تاریخچه و مطالعات انجام شده در زمینه‏ی کاربرد ژئوسل
در این بخش به بیان پیشینه و زمینه‏های مطالعاتی کاربرد ژئوسل برای تسلیح خاک پرداخته می‏شود. در قسمت اول انواع رایج و سیستم‏های معمول استفاده از ژئوسل معرفی می‏شود. سپس نمونه‏هایی از مطالعات انجام شده روی ژئوسل و خاک مسلح با آن به صورت آزمایشگاهی و آنالیز عددی و نتایج به دست آمده از این مطالعات شرح داده می‏شود.
سیستم‏‏های ژئوسل و کاربرد‏ها
توسعه‏ی مفهوم تسلیح خاک به وسیله‏ی محصور سلولی توسط مهندسین ارتش امریکا که مفهوم تثبیت مصالح دانه‏ای (ماسه‏ی ساحلی) تحت بارگذاری وسیله‏ی نقلیه را توسعه داده بودند، معتبر شد [۴].
این کار اولیه که در ایستگاه آزمایشی آبراهه‏های^[۶] مهندسی ارتش ایالات متحده انجام شد، به توسعه‏ی سیستم‏های ژئوسل منجر شد به گونه‏ای که از نظر تجاری قابل دسترس باشند. در این‏جا به دو نوع سیستم ژئوسل اشاره می‏شود. نوع اول شامل نوارهایی از ورق‏های پلیمری جوش شده به هم هستند که یک لایه از سلول‏های به هم پیوسته را تشکیل می‏دهند (شکل ۲-۱) این لایه‏های ژئوسل به طور کلی با عرض سلولی بین ۷۵ میلی‏متر و ۲۵۰ میلی‏متر و با ارتفاع‏های مشابه تولید می‏شوند [۵].
شکل ‏۲‑۱: سیستم ژئوسل ساخته شده از نوارهایی از ورق‏های پلیمری جوش شده به هم
نوع دیگر سیستم ژئوسل که در این‏جا به آن اشاره می‏شود، شامل رشته‏هایی از ژئوگرید به هم پیوسته است که به صورت سلول‏های سه‏بعدی شکل گرفته‏اند (شکل ۲-۲) ژئوسل‏های این نوع در ابعاد و اندازه‏های مختلفی بسته به نیاز پروژه به صورت دست‏ساز و کارخانه‏ای تولید می‏شوند. این نوع ژئوسل اغلب برای تسلیح فونداسیون خاکریز‏های واقع بر خاک‏های نرم و یا تشکیل پی سازه‏های دریایی به کار می‏روند [۶].
شکل ‏۲‑۲: سیستم ژئوسل ساخته شده از ژئوگرید؛ الف) شکل نمونه‏ی ژئوسل.ب)اتصال ژئوگرید‏ها [۷]
مطالعات انجام شده روی ژئوسل
در چند دهه‏ی گذشته مطالعات آزمایشگاهی زیادی روی اثر تقویتی ژئوسل انجام شده است. این مطالعات گستره‏ی گوناگونی از کاربرد‏ها و تنظیمات و روند‏های تجربی متفاوتی را مورد هدف قرار دادند.
رئا و میشل^[۷] (۱۹۷۸) یک سری آزمایشات آزمایشگاهی را به منظور تقویت ماسه با بهره گرفتن از شبکه‏ی سلول‏های ورقه‏ای گزارش دادند (شکل ۲-۳).
شکل ‏۲‑۳: تصویر شماتیک پیکربندی آزمایش توسط رئا و میشل [۸]
در این مطالعه اثر نسبت قطر محدوده‏ی بارگذاری به عرض سلول‏ها، نسبت عرض به ارتفاع سلول و سختی بستر برای یک لایه‏ی شبکه‏ی سلولی با ضخامت غشاء ۲/۰ میلیمتر و ارتفاع سلول ۵۱ میلی‏متر پر شده با ماسه‏ی کوارتزی یکنواخت با حداکثر تراکم ۸/۱۶ کیلونیوتن بر مترمکعب بررسی شده است. آزمایشات به صورت بارگذاری روی اتصال و بارگذاری روی سلول مطابق شکل ۲-۴ انجام شدند.
شکل ‏۲‑۴: نحوه‏ی قرارگیری صفحه‏ی بار در آزمایش‏های رئا و میشل [۸]
رئا و میشل (۱۹۷۸) نسبت بهینه ارتفاع ژئوسل به قطر سلول را برای یک پی دایره‏ای ۲۵/۲ گزارش دادند. آن‏ها مکانیزم تقویت ماسه با ژئوسل را نیز به صورت زیر تفسیر کردند: ماسه در برابر تغییر مکان‏های جانبی بزرگ محصور شده و محبوس است تا زمانی‏که از حد مقاومت کششی ژئوسل تجاوز شود. تنش در مسلح کننده به ماسه‏ی موجود در سلول‏ فشار وارد می‏کند و به ماسه سختی و مقاومت بیش‏تر می‏دهد [۸].
بوش و همکاران^[۸] (۱۹۹۰) استفاده از یک لایه‏ از ژئوسل ساخته شده از ژئوگرید پلیمری را به منظور تسلیح خاکریز واقع بر خاک نرم استفاده کردند. آن‏ها ساخت لایه‏ی ژئوسل متشکل از ژئوگرید پلیمری را به این صورت شرح دادند: حفره‏های سلولی با بهره گرفتن از مصالح دانه‏ای به گونه‏ای پر می‏شود که مصالح داخل حفره‏ها بتواند در برابر نیرو‏های وارده‏ی بعدی استحکام و مقاومت کافی را داشته باشد. از اعوجاج سلول‏ها با پرکردن دو ردیف از سلول‏ها تا نصف ارتفاعشان پیش از پر شدن یکی از آن دو، تا ارتفاع کامل جلوگیری می‏شود. به‏عبارت دیگر هیچ سلولی قبل از این‏که سلول مجاورش حداقل تا نصف ارتفاعش پر شود، تا ارتفاع کامل پر نمی‏شود [۶].
نتایج مشاهده شده‏ی یک کاربرد مشابه نیز توسط کولند و وانگ^[۹] ارائه شد. کولند و وانگ (۱۹۹۳) از شن کوچک‏تر از ۲۵ میلی‏متر به عنوان مصالح پرکننده و از ژئوگرید‏ها برای تشکیل دیواره‏های سلولی استفاده کردند. ابعاد حفرات سلول‏ها ۱۶ و ۲۸ میلی‏متر بود [۹].
مهایسکار و مندل^[۱۰] (۱۹۹۲- ۱۹۹۶) تاثیر یک لایه‏ی ژئوسل روی رس نرم را بررسی کردند [۱۰, ۱۱]. در این بررسی تاثیر شعاع و ارتفاع ژئوسل، مقاومت غشایی ژئوسل و چگالی نسبی ماده‏ی پرکننده مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه از ژئوسل سوزنی پانچ شده بافته نشده و بافته شده‏‏ی پر شده با ماسه با حداکثر تراکم ۱/۱۸ کیلونیوتن بر مترمکعب استفاده شده است. شکل ۲-۵ تصویر شماتیکی از این آزمایش را نشان می‏دهد. آن‏ها نتیجه گرفتند که ژئوتکستایل‏های با مدول بالا برای استفاده در ژئوسل‏ها مناسب هستند به این دلیل که به ترکیب مقاوم‏تر و سخت‏تر منجر می‏شوند [۱۰].
شکل ‏۲‑۵: تصویر شماتیک مدل آزمایشگاهی مهایسکار و ماندال [۱۰]
باتهرست و کرو^[۱۱] (۱۹۹۴) استفاده از سیستم‏های ژئوسل پلیمری برای ساخت سازه‏های وزنی منعطف را شرح دادند. آن‏ها آزمایشات تک محوری روی ستون‏های مرکب ماسه-ژئوسل و آزمایشات برشی روی سطح مشترک بین لایه‏های خاکی مسلح با ژئوسل انجام دادند. این آزمایشات به منظور به‏دست آوردن پارامترهای طراحی ساختار یک دیوار وزنی منعطف با بهره گرفتن از خاک مسلح با ژئوسل که مصالح پرکننده‏ی آن ماسه‏ی درشت است، انجام گرفتند [۵]. شکل ۲-۶ شمایی از این آزمایش را نشان می‏دهد.
شکل ‏۲‑۶: تصویر شماتیک مدل آزمایشگاهی باتهرست و کرو برای تست مقاومت برشی بین لایه‏های مسلح [۵]
کریشناسوامی و همکاران^[۱۲] (۲۰۰۰) آزمایشاتی را روی مدل آزمایشگاهی یک خاکریز واقع بر لایه‏ی مسلح ژئوسل قرار گرفته روی رس نرم انجام دادند (شکل ۲-۷). در این آزمایشات برای ساخت پی خاکریز واقع بر روش نرم، از ژئوسل‏های دارای الگوی چورن^[۱۳] و دیاموند^[۱۴] ساخته شده از ژئوگرید تک محوره و دو‏محوره استفاده شد (شکل ۲-۸). همچنین ماده‏ی پرکننده‏ی ژئوسل‏ها رس و ماسه رسی بودند. آن‏هاکریشناسوامی و همکاران (۲۰۰۰) نسبت بهینه ارتفاع به قطر حفرات ژئوسل، برای خاکریز حائل ساخته شده بر رس نرم را یک گزارش دادند [۱۲].