دانشگاه آزاد واحد شهرکرد
دانشکده فني و مهندسي
پايان نامه براي دريافت درجه كارشناسي ارشد (M.Sc)
در رشته مهندسي عمران- زلزله
عنوان :
برآورد نيروهاي طراحي سگمنت‌هاي بتني تونل‌ها تحت
بارهاي لرزه‌اي و ثقلي باتوجه به رفتار غيرخطي و اندركنش
آنها با محيط اطراف
استاد راهنما :
دکتر محمد علي رهگذر
استاد مشاور :
دکتر محسن ابوطالبي
نگارش :
سيد اميد موسوي احمدآبادي
شهريور 1391
بسمه تعالی
« يرفع الله الذين امنوا منكم و الذين اوتوالعلم درجات»
قرآن كريم
« دانشگاه آزاد اسلامی – واحد شهرکرد »
تأئیدیه صلاحیت علمی پایان نامه کارشناسی ارشد
عقايد و نظرات مطرح شده در این رساله مستقيماً به نگارنده آن مربوط است و اين دانشگاه آماده پذيرش پيشنهادهای منتقدین محترم مي‌باشد.
دكتر ابراهيم رحيمي
معاون پژوهش و فناوري دانشگاه آزاد اسلامي
واحد شهركرد
رساله تحصیلی آقاي سيد اميد موسوي احمدآبادي در جلسه مورخ 09/06/91 متشكل از استادان زير با درجه عالي و نمره 18 مورد تأييد قرار گرفت.
1-دكترمحمد علي رهگذراستاد راهنما امضاء
2- دكترمحسن ابوطالبياستاد مشاور امضاء
3- مهندسكيوان مصيبي استاد داور امضاء
دکتر مرتضي رئيسي
مدير گروه كارشناسي ارشد عمران
دانشگاه آزاد اسلامي – واحد شهرکرد
تعهد نامه
عنوان پایاننامه: برآورد نيروهاي طراحي سگمنت‌هاي بتني تونل‌ها تحت بارهاي لرزه‌اي و ثقلي باتوجه به رفتار غيرخطي و اندركنش آنها با محيط اطراف
اینجانب سيد اميد موسوي احمدآبادي دانشجوی کارشناسی ارشد رشته عمران گرايش زلزله دانشکده فني و مهندسي دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد تحت راهنمایی دكتر محمد علي رهگذر متعهد می‌شوم:
– نتایج ارائه شده در این پایاننامه حاصل مطالعات علمی و عملی اینجانب بوده، مسئولیت صحت و اصالت مطالب مندرج را به طور کامل بر عهده میگیرم.
– در خصوص استفاده از نتایج پژوهشهای محققان دیگر به مرجع مورد نظر استناد شده است.
– کلیه حقوق معنوی این اثر به دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد تعلق دارد. مقالات مستخرج از پایاننامه، به نام دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد(Islamic Azad University-Shahrekord Branch) به چاپ خواهد رسید.
– حقوق معنوی تمام افرادی که در دست آمدن نتایج اصلی پایاننامه تأثیر گذار بودهاند در مقالات مستخرج از آن رعایت خواهد شد.
– در خصوص استفاده از موجودات زنده یا بافتهای آنها برای انجام پایاننامه، کلیه ضوابط و اصول اخلاق مربوطه رعایت شده است.
09/06/91
سيد اميد موسوي احمدآبادي
مالکیت نتایج و حق نشر
کلیه حقوق معنوی این اثر و محصولات آن(مقالات مستخرج، برنامههای رایانهای، نرم افزارها و تجهیزات ساخته شده) به دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد تعلق دارد و بدون اخذ اجازه کتبی از دانشگاه قابل واگذاری به شخص ثالث نیست.
استفاده از اطلاعات و نتایج این گزارش نهایی بدون ذکر مرجع مجاز نیست.
معاونت پژوهش و فن آوري
به نام خدا
منشور اخلاق پژوهش
با ياري از خداوند سبحان و اعتقاد به اين كه عالم محضر خداست و همواره ناظر بر اعمال انسان و به منظور پاس داشت مقام بلند دانش و پژوهش و نظر به اهميت جايگاه دانشگاه در اعتلاي فرهنگ و تمدن بشري، ما دانشجويان و اعضاء هيات علمي واحدهاي دانشگاه آزاد اسلامي متعهد مي‌گرديم اصول زير را در انجام فعاليت هاي پژوهشي مد نظر قرار داده و از آن تخطي نكنيم:
1- اصل حقيقت جويي: تلاش در راستاي پي جويي حقيقت و وفاداري به آن و دوري از هرگونه پنهان سازي حقيقت.
2- اصل رعايت حقوق: التزام به رعايت كامل حقوق پژوهشگران و پژوهيدگان (انسان، حيوان و نبات) و ساير صاحبان حق
3- اصل مالكيت مادي و معنوي: تعهد به رعايت كامل حقوق مادي و معنوي دانشگاه و كليه همكاران پژوهش
4- اصل منافع ملي: تعهد به رعايت مصالح ملي و در نظر داشتن پيشبرد و توسعه كشور در كليه مراحل پژوهش
5- اصل رعايت انصاف و امانت: تعهد به اجتناب از هرگونه جانب داري غير علمي و حفاظت از اموال، تجهيزات و منابع در اختيار
6- اصل رازداري: تعهد به صيانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد، سازمان‌ها و كشور و كليه افراد و نهادهاي مرتبط با تحقيق
7- اصل احترام: تعهد به رعايت حريم‌ها و حرمت‌ها در انجام تحقيقات و رعايت جانب نقد و خودداري از هرگونه حرمت شكني
8- اصل ترويج : تعهد به رواج دانش و اشاعه نتايج تحقيقات و انتقال آن به همكاران علمي و دانشجويان به غير از مواردي كه منع قانوني دارد.
9- اصل برائت: التزام به برائت جويي از هرگونه رفتار غيرحرفه‌اي و اعلام موضع نسبت به كساني كه حوزه علم و پژوهش را به شائبه‌هاي غيرعلمي مي‌آلايند.
تقدیم به:
زيبا ترين واژه هاي هستي ام پـدر و مـادرم
و خواهر مهربانم
با تشکر از اساتيد گرامي
دكتر محمد علي رهگذر
دكتر محسن ابوطالبي
مهندس كيوان مصيبي
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده1
فصل اول « کلیات »
1-1 مقدمه3
1-2 بیان مسئله4
1-3 هدف از تحقیق5
1-4- متدلوژی تحقیق5
فصل دوم « ادبیات تاریخچه »
2-1 مقدمه 7
2-1-1 پایداری 7
2-1-2 جا به جایی های زمین و اثرات آن 9
2-1-3 کارائی سیستم نگهدارنده و پوشش دائمی 9
2-2 روش های تحلیل پوشش9
2-2-1 بارهای وارد بر پوشش تونل 9
2-2-1-1 فشار زمین 10
2-2-1-2 فشار آب 13
2-2-1-3 بار مرده 13
2-2-1-4 سربار 14
2-2-1-5 واکنش بستر 14
2-2-1-6 اثر زلزله15
2-3 تئوریهای تخمین مقدار بار وارد بر پوشش 17
2-3-1 تئوری ترزاقی 18
2-2-2 تئوری بلا (balla-1961) 21
فصل سوم « معادلات تعادل و حل آنها »
3-1 معادله اساسي رفتار ديناميكي25
3-2 حل معادلات ديناميكي تعادل27
3-2-1- بكار بستن طرح انتگرال در Plaxis28
فصل چهارم « مدل‌سازی عددی، ارائه نتایج، نتیجه گیری و طراحی»
4-1 مشخصات هندسی مدل33
4-2 مشخصات مصالح34
4-3 مشبندی مدل34
4-4 فازبندی و محاسبات36
4-4-1 فاز اول: محاسبه تنشهای برجا37
4-4-2 فاز دوم: حفاری تونل و نصب همزمان پوششها38
4-4-3 فاز سوم: محاسبه نیروی ایجاد شده در پوشش در اثر فشار خاک اطراف تونل39
4-4-4 فاز دوم: اعمال شتاب زلزله به سنگ بستر و محاسبه نیروها و تغییرشکل های ایجاد شده در تونل و خاک اطراف40
فصل پنجم « بحث و نتيجه‌گيري »
5-1 ارائه نتایج و مقایسه43
5-2 نیروهای ایجاد شده در پوشش تونل44
5-2-1بررسی نوع خاک و نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تاتونل در نیروهای داخلی پوشش‌ها46
5-2-2 طراحی پوشش های تونل48
5-2-3 جابه جایی ایجاد شده در سطح خاک و المان های پوشش تونل51
5-2-4 بررسی تراکم خاک ماسه‌ای و نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تاتونل در تاریخچه جا‌به‌جایی 52
5-2-4-1 بررسی میزان تحکیم خاک رسی و نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تاتونل در تاریخچه جا‌به‌جایی 60
منابع69
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1) مقادیر F_H و F_B و F_C براساس Ф 22
جدول 4-1) مشخصات هندسی مدل33
جدول 4-2) مشخصات کامل مصالح خاکی34
جدول 4-3) مقادیر nc جهت مش بندی35
جدول 5-1) مشخصات تونل های مدل سازی شده44
جدول 5-2) حداکثر نیروی برشی و لنگر خمشی ایجاد شده در مدلها46
جدول 5-3) طراحی برشی پوشش های بتنی تونل49
جدول 5-4) طراحی خمشی پوشش های بتنی تونل50
جدول 5-5) حداکثر جابه جایی قائم در سطح خاک و جداره تونل را در فاز سوم (اعمال انقباض) بیان می کند.51
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 2-1) مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن11
شکل 2-2 عملکرد فشار زمین بر روی پوشش ( λ ضریب فشار جانبی زمین، t و R_0 ضخامت و شعاع خارجی پوشش ) (3)12
شکل 2-3) فشار هیدرواستاتیک(Pw1فشار آب در تاج تونل و Re شعاع تا مرکز پوشش)13
شکل 2-4) عکسالعمل بستر مستقل از جابهجایی15
شکل 2-5) فرضیات تئوری فشار خاک ترزاقی 19
شکل 2-6) فشار خاک در عمق های بیشتر 20
شکل2-7 اصول تئوری بلا 22
شکل 3-1) تغيير نسبت ميرايي بحراني نرمال شده با فركانس زاويه اي26
شکل 4-1) مدلهای هندسی تونل در نرمافزار PLAXIS33
شکل 4-2) شکل کلی المان 15 گرهای مثلثی35
شکل 4-3) نمای کلی مشبندی تونل و محیط اطراف36
شکل 4-4) نمای تنش‌های برجای محاسبه شده توسط نرم افزار (سنگ بستر در عمق 10 متری)37
شکل 4-5) نمای تنش‌های برجای محاسبه شده توسط نرم افزار (سنگ بستر در عمق 100 متری)38
شکل 4-6) تونل حفاری شده و پوشش ها پس از نصب38
شکل 4-7) تغییر شکل های تونل پس از اعمال انقباض39
شکل 4-8) شتاب نگاشت زلزله Northridge40
شکل 4-9) شتاب نگاشت زلزله Chi Chi –Taiwan41
شکل 4-10) نمونه ای از تغییر شکل های تونل و خاک اطراف در اثر زلزله41
شکل 5-1) نمونه‌ی نمودار برش ایجاد شده در پوشش تونل تحت بار زلزله برای مدل T1045
شکل 5-2) نمونه‌ی نمودار خمش ایجاد شده در پوشش تونل تحت بار زلزله برای مدل T1045
شکل 5-3) دامنه فوریه زلزله های اعمالی الف- زلزله Northridge ب- زلزله Chi Chi47
شکل 5-4) دامنه فوریه زلزله های اعمالی الف- زلزله Northridge ب- زلزله Chi Chi50
شکل 5-5) محل قرارگیری نقاط کنترل جابه جایی51
شکل 5-6) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T152
شکل 5-7) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T152
شکل 5-8) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T253
شکل 5-9) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T253
شکل 5-10) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T354
شکل 5-11) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T354
شکل 5-12) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T455
شکل 5-13) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T455
شکل 5-14) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T556
شکل 5-15) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T556
شکل 5-16) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T657
شکل 5-17) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T657
شکل 5-18) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T758
شکل 5-19) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T758
شکل 5-20) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T859
شکل 5-21) تاریخچه جابه جایی افقی قائم کنترلی در مدل T859
شکل 5-22) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T960
شکل 5-23) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T960
شکل 5-24) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1061
شکل 5-25) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1061
شکل 5-26) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1162
شکل 5-27) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1162
شکل 5-28) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1263
شکل 5-29) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1263
شکل 5-30) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1364
شکل 5-31) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1364
شکل 5-32) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1465
شکل 5-33) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1465
شکل 5-34) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1566
شکل 5-35) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1566
شکل 5-36) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1667
شکل 5-37) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1667
چکیده
تونل ها و سازه های زیرزمینی از جمله سازه های پر اهمیت و رو به رشد در شرایط توسعه سازندگی کشورمان می باشند.اهمیت پرداختن به ضوابط و دستورالعمل های طراحی لرزه ای تونل ها با توجه به رشد چشمگیر ساخت و بهره برداری متروهای شهری نظیر متروی تهران، اصفهان، شیراز و… مشهود است. سازه تونل ها و ایستگاه های مترو که جزء سازه های زیرزمینی پر اهمیت محسوب می شوند، به خاطر حجم سنگین و وسعت مدل هندسی و همچنین تنوع بسیار زیاد در تکنیک های طراحی و اجرا، جزء دشوارترین طراحی های لرزه ای سازه ها محسوب می گردد. اثرات مدفونی سازه ها، فشار سرباره خاک، اندرکنش محیط خاک جداره ای با تونل، بارگذاری فشار آب منفذی و جریان آب، بارگذاری دینامیکی قطارها و واگن ها به دشواری این مدل سازی دینامیکی می افزاید. در این پژوهش از دیدگاه مهندسی زلزله به مدل سازی این سازه ها با رویکرد اندرکنش دینامیکی خاک وسازه می پردازیم. اندرکنش خاک وتونل به صورت مستقیم و در نرم افزار Plaxis مدل سازی شده است. مدل سازی تماما در فضای دوبعدی بوده است. پوشش تونل به صورت المان های بتنی لولا شده در نظر گرفته شده و مصالح خاکی در چهار نوع ماسه معمولی، ماسه متراکم، رس معمولی و رس پیش تحکیم یافته منظور شده است. همچنین سنگ بستر در دو عمق متفاوت 10 و 100 متر در نظر گرفته شد. در تحلیل دینامیکی نیز از دو نوع زلزله با محتوای فرکانسی متفاوت استفاده شده است. در پایان نیز به بررسی هر حالت در شرایط لرزه ای مختلف پرداخته شده است.
کلمات کلیدی: تونل، پوشش‌های تونل، اندرکنش خاک و سازه، مدلسازی اجزا محدود

فصل اول
« کلیات »

1-1 مقدمه
كشور ايران به عنوان يكي از مناطق زلزله خيز جهان همواره در طي ساليان گذشته در معرض زلزله هاي ويران كننده اي قرار داشته است. شرايط طبيعي و زمين شناسي ايران از نقطه نظر وقوع زلزله به طورجدي در دستوركار مهندسين و برنامه ريزان قرار گرفته است. با توجه به اينكه تونل هاي بسياري در مناطق زلزله خيز احداث شده و يا در دست ساخت قرار دارند، طراحي ايمن آنها در برابر زلزله از اهميت و جايگاه ويژه اي برخورداراست. بررسي دقيق پايداري لرزه اي تونلها از مسائل پيچيده در حوزه سازه ها است. تنوع خواص ديناميكي بدنه تونل و گوناگوني جنس و ضخامت خاک كه مي توانند در انتقال، تضعيف و تقويت امواج زلزله نقش اساسي داشته باشند، وجود يا عدم وجود گسل فعال در محدوده محور تونل، ويژگي هاي زلزله مانند فاصله مركز زلزله تا تونل، شدت و طول زمان وقوع زلزله، نوع و امتداد امواج رسيده به تونل و محتوي فركانسي امواج، همه از عواملي هستند كه درپاسخ ديناميكي تونل نقش به سزايي دارند.
به طور كلي تونلها، سازه هايي سه بعدي، عظيم، نا همگن، غيرايزوتروپ و غير ارتجاعي هستند كه در اندر كنش با شالوده و آب مخزن مي باشند. مدلهاي عددي كه بتوانند تمام عوامل فوق را در نظر بگيرند از پيچيدگي زيادي برخوردار خواهند بود. بسته به اينكه كدام يك از شرايط فوق به طور مشخص حاكم بر مسئله باشد مدل مي تواند آن پارامتر را ملحوظ نموده و به منظور يافتن رفتار واقعي تر تونل آنها را در نظر بگيرد. در سالهاي اخير پيشرفتهاي صورت گرفته در هر دو زمينه نرم افزار و سخت افزار كامپيوتر بسياري از اين مشكلات را خصوصا در زمينه مدل كردن هندسه سه بعدي بدنه تونلها و رفتار غير خطي و غير ارتجاعي خاك قابل حل نموده است. به همين نسبت پيشرفتهاي صورت گرفته در زمينه روشهاي آزمايشگاهي و صحرايي در ارزيابي خواص ديناميكي مصالح تونل و نتايج حاصل از آزمايش هاي ارتعاش اجباري تونلها و ثبت پاسخ تونلها در برابر زلزله هاي واقعي در جهت تصحيح و اعتبار بخشيدن به روشهاي عددي و تحليلي بسيار موثر بوده است.

1-2 بیان مسئله
با توجه به دامنه كاربرد تونلها در كشور لرزه خيز ايران، تحليل ديناميكي اين گونه تونلها از اهميت ويژه اي برخوردار است. روشهاي مختلفي تاكنون براي پيش بيني رفتار انواع مختلف تونلها توصيه و بكار رفته است. روش شبه استاتيكي كه بر مبناي تحليلهاي تعادل حدي قرار گرفته است، هر چند با كاربرد آسان و فرضيات ساده ايمني تونل را ارائه مي دهد، اما در كنار اين مزايا روش شبه استاتيكي، بعضاً مي تواند به نتايج بسيار بدبينانه نسبت به پايداري لرزه اي سازه منجر شود كه خود به ارائه طرحي غيراقتصادي ختم مي گردد.
امروزه با پيشرفت روزافزون و فراگيرشدن كامپيوتر، استفاده از روشهاي عددي در تحليل و طراحي تونلها در مقابل زلزله بمراتب از گذشته بيشتر شده است. انتخاب مدل رفتاري مناسب مهمترين فاكتور در آناليز با روشهاي اجزاي محدود يا تفاضل محدود تونلها، براي مدل كردن رفتار تنش كرنش پوشش مي باشد. به دليل اينكه رفتار خاك الاستيك خطي نيست، استفاده از چنين مدلهايي مي تواند به نتايج غيرايمن و غير اقتصادي منجر شود. همچنين در حين ساخت تونل و بعد از آن مسيرهاي مختلفي از تنش همراه با دوران جهت تنشهاي اصلي در خاكريز رخ مي دهند كه در نتيجه مدلهاي الاستيك غيرخطي نيز قادر به در نظر گرفتن وابستگي رفتار به مسير تنش كه در اثر رفتار غيرارتجاعي خاك حادث مي شود، نمي باشند. در همين راستا سعي مي شود در اين تحقيق پاسخ ديناميكي تونلها با استفاده از مدلهاي الاستوپلاستيك تحليل شود. نرم افزار اصلي مورد استفاده PLAXIS V8.5 مي باشد كه در حال حاضر بصورت گسترده اي در مسائل مكانيك خاك مورد استفاده قرار مي گيرد.

1-3 هدف از تحقیق
تونلها از جمله سازه هاي ژئوتكنيكي هستند كه گسيختگي در آنها مي تواند منجر به خسارات جبران ناپذيري گردد، از اينرو در طراحي آنها لازم است تمام كنترلها و حساسيتهاي لازم بعمل آيد. يكي از اين موارد، كنترل پايداري تونل در طول زلزله و بعد از آن ميباشد. بررسي دقيق پايداري تونلها در برابر زلزله از پيچيده ترين مسايل در حوزه سازه ها است. علت اين مسئله اين است كه مجموعه معلومات و روابط بين آنها در تحليل اين مسئله بسيار متنوع و متفاوت است. با توجه به وسعت كاربرد تونلها و همچنين لرزه خيزي كشور ايران، برآورد ايمني لرزه اي تونلها نقش ارزنده اي دارد.

1-4- متدلوژی تحقیق
در اين تحقيق پاسخ غير خطي پوشش تونل های حفاری شده با دستگاه TBM در برابر زلزله با استفاده از مدل موهر-کلمب كه يك مدل الاستوپلاستيك مي باشد، بدست مي آيد. با استفاده از اين روش پاسخ دو بعدي تونل در حالت کرنشهای صفحهای در برابر زلزله محاسبه مي شود. براي انجام تحليل ها از روش اجزاء محدود (F.E.M) و با استفاده از نرم افزار PLAXIS 8.5 Professional استفاده خواهد شد. در اين نرم افزار معادلات ديناميكي حركت با انتگرال گيري به روش نيومارك حل مي شود. براي انجام مطالعات موردي از اطلاعات موجود در راهنمای نرمافزار براي هندسه تونل و نوع و مشخصات مصالح آن استفاده مي شود.

فصل دوم
« ادبیات تاریخچه »

2-1 مقدمه
تونلسازی دارای سابقه بسیار طولانی است. سابقه ای که از ساخت غارها توسط انسانهای نخستین برای محافظت در برابر عوامل محیطی (سرما و گرما و…) شروع و در چند دهه اخیر همراه با توسعه صنعتی جوامع، رشد روز افزونی به خود گرفته است. در این بین لزوم بهینه سازی پوشش تونلها که ناشی از افزایش دانش مربوط به علوم زمین و اطلاعات آزمایشگاهی است بر هیچ کس پوشیده نیست. این موضوع از نقد پوشش تونلهای ساخته شده که عموماً عملکرد رضایت بخشی داشتند ولی طراحی جدار آنها کم و بیش محافظه کارانه بوده توسط پک و همکارانش (1969) و با توجه به نتایج اندازه گیریهای انجام شده شروع شد و امروزه با پیشرفت تکنولوژی ادامه دارد.[1]
از آنجا که اکثر تونلهای شهری در زمینهای نرم حفاری می‌شوند، سه نیاز اصلی طراحی و اجرای موفق یک تونل در خاک نرم را می توان به صورت زیر بیان نمود :

2-1-1 پایداری
اولین مسئله پیش از حفر تونل، بررسی پایداری آن می باشد. بررسی پایداری از این جهت که بتوان پیش بینی کرد قسمت های مختلف تونل از نظر پایداری در کدام یک از رده های زیر قرار می گیرد(2):
الف ـ برای همیشه پایدار است.
ب ـ تا مرحله نصب سیستم نگهداری دائم پایدار است.
ج ـ اصولاً پایدار نیست.
در صورتی که تمام یا قسمت هایی از تونل نیاز به سیستم نگهداری داشته باشد، باید این سیستم را تحلیل، طراحی و اجرا کرد.
در برخی از روشهای تحلیل مانند روشهای کرش و کرش اصلاح شده، فقط توده زمین به صورت یک محیط پیوسته در نظر گرفته می شود و میزان تغییر شکل ها و تنها در اطراف حفره مورد بررسی قرار می گیرد. به این گونه روشها، روشهای مبتنی بر بارگذاری خارجی گفته می شود. در نوع دیگر روشهای مبتنی بر بارگذاری خارجی، پوشش تونل به عنوان سازه ای که توسط فنرهای شعاعی و مماسی در اندرکنش با توده زمین هستند، در نظر گرفته می شوند. روشهای Metrogiprotrans و تیر بر بستر الاستیک از این نوعند.
در مقابل روشهای مبتنی بر بارگذاری خارجی، روشهایی وجود دارند که بر اساس تغییر شکلها و تنشهای ایجاد شده در اثر حفاری به وجود آمده اند. از جمله این روشها، روش همگرائی محصور شدگی می باشد که در آن بر خلاف روشهای گذشته به جای بارگذاری، تغییر شکلهای به وجود آمده در نتیجه باربرداری مورد بررسی قرار می گیرند(8).
با پیشرفت روشهای عددی و استفاده از کامپیوتر های با سرعت و قابلیت ذخیره سازی اطلاعات با حجم زیاد، تحلیل عددی تونلها با در نظر گرفتن مسئله سه بعدی حفاری، نحوه اجرای پوشش و با در نظر گرفتن مدلهای رفتاری مختلف توده زمین امکانپذیر شد، که البته جوابهای بدست آمده تفاوتهایی نیز با نتایج رفتار واقعی تونلها دارند. علت این امر تقریبهای اجتناب ناپذیر در پارامتر های مکانیکی توده زمین، نحوه تعامل توده زمین و پوشش از لحاظ میزان لغزش در مدلسازی تا واقعیت و… می باشند. بنابر این تنها اطلاعاتی که می تواند در این زمینه به ما کمک کنند. نتایج اندازه گیری هایی هستند که از رفتار واقعی تونل بدست می آیند.

2-1-2 جا به جایی های زمین و اثرات آن
احداث تونل در مناطق شهری نباید آسیبهای زیاد و غیر قابل قبولی به سازه های اطراف و بالای تونل برساند. قبل از ساخت، این جابه‌جایی‌ها باید تخمین زده شود و اثرات آنها بر روی سازه ها ارزیابی شود(15 و 16).

2-1-3 کارائی سیستم نگهدارنده و پوشش دائمی
پوشش تونل چه اولیه و چه نهایی، باید قابلیت تحمل نیروهای وارد بر آن را در طول عمر خود داشته باشد. بدین منظور می بایستی بارهای وارد بر پوشش تخمین زده شود.
حفاری در توده زمین باعث تغییرات تنش و ایجاد تغییر شکلها در محیط اطراف تونل می شود که رفتار تونل را تحت تأثیر قرار می دهد. با گذشت زمان روشهای زیادی برای تخمین تاثیز تونلسازی در خاک های نرم به وجود آمده است که می توان آنها را به روشهای تحلیلی، فرمولهای تجربی و مدلهای عددی پرداخته و محدودیت روشها معرفی شده اند.

2-2 روش های تحلیل پوشش
وقتی یک مهندس محاسب با مسئله تحلیل و طراحی جدار تونل مواجه می شود، ابتدا مقدار بارهای وارد بر تونل را جستجو می کند بارهای وارد بر پوشش تونل به دو دسته تقسیم می شوند.
یک قسمت بارهایی هستند که همواره می بایستی در نظر گرفته شوند و قسمت دیگر که به شرایط تونل و محیطی که در آن قرار گرفته است بستگی دارند.

2-2-1 بارهای وارد بر پوشش تونل
بارهای زیر را باید در طراحی پوشش تونل در نظر بگیریم.
الف ـ این بارها همواره باید در نظر گرفته شود:
1- فشار زمین
2- فشار آب
3- بار مرده
4- سربار
5- واکنش بستر
6- اثر زلزله
ب ـ اگر لازم است، بارهای زیر را نیز باید در نظر گرفت:
1- بارهای داخلی
2- بارهای در مرحله ساخت
3- بارهای ویژه
4- اثر تونل های مجاور
5- اثرات نشست
6- دیگر بارها

2-2-1-1 فشار زمین
شکل 2-1 مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن را نشان می دهد. فشار زمین باید مطابق با تحلیل مناسب تخمین زده شود. این تحلیل مناسب از نظر صاحب نظران مختلف، متفاوت است و دیدگاههای مختلفی ارائه شده که به روش های تحلیلی مختلف انجامیده است. برای مثال، فشار زمین باید به صورت شعاعی بر روی پوشش عمل کند و یا به فشارهای عمودی و افقی تقسیم شود. اگر تونل طراحی شده کم عمق باشد، فشار عمودی بر روی تاج تونل باید به صورت بار یکنواخت باشد و می تواند معادل فشار سربار باشد. اگر تونل عمیق باشد، فشار کاهش یافته، می تواند با فرمول ترزاقی بدست آید(3).
فشار افقی زمین نیز باید به صورت متغیر یکنواخت وارد بر مرکز پوشش از تاج تا کف باشد. مقدار آن نیز از ضرب فشار عمودی در ضریب فشار جانبی خاک بدست می آید. (شکل 2-2 (الف)). همچنین آن را می توان از فرمول پنتاگون نیز بدست آورد. (شکل 2-2 (ب)). مقدار ضریب فشار جانبی خاک مورد استفاده در طراحی باید بین فشار جانبی خاک در حالت سکون و فشار اکتیو خاک باشد. طراح باید بر اساس شرایط ساخت درباره مقدار آن تصمیم بگیرد.

شکل 2-1) مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن [3]

شکل 2-2 عملکرد فشار زمین بر روی پوشش ( λ ضریب فشار جانبی زمین، t و R_0 ضخامت و شعاع خارجی پوشش ) (3)

q_e=(q_e1+q_e2)/2 (2-1)
اگر تونل بالای سطح آب قرار داشته باشد:
q_e1=λ(p_e1+γt/2) (2-2)

q_e2=λ(p_e1+γ(2R_0-t/2)) (2-3)

و در صورتیکه سطح آب بالای تونل قرار داشته باشد:
q_e1=λ(p_e1+γ^’ t/2) (2-4)

q_e2=λ(p_e1+γ^’ (2R_0-t/2)) (2-5)

2-2-1-2 فشار آب
به عنوان یک قانون، فشار آب وارد بر پوشش باید به صورت فشار هیدرواستاتیک باشد (شکل 2-3). نتیجه فشار آب وارد بر پوشش نیروی شناوری است. اگر برآیند فشار عمودی خاک در تاج و بار مرده بزرگتر از نیروی شناوری باشد. تفاوت بین آنها به صورت فشار قائم در کف عمل می کند (واکنش بستر) و اگر نیروی شناوری بزرگتر از برآیند بار مرده و فشار قائم باشد، تونل شناور خواهد شد.
شکل 2-3) فشار هیدرواستاتیک(Pw1فشار آب در تاج تونل و Re شعاع تا مرکز پوشش)(3)
P_w1=γ_w H_w(2-6)
P_w=P_w1+γ_w R_c (1-cos⁡θ) (2-7)

2-2-1-3 بار مرده
بار مرده، بار قائم وارد بر مرکز ثقل مقطع عرضی تونل است و برای تونل دایروی از رابطه زیر بدست می آید:
P_g=W/2πR_c (2-8)
حال اگر مقطع مستطیلی باشد.
P_g=γ_c t (2-9)
که در آن W وزن پوشش در واحد متر در جهت طول تونل، Rc شعاع تا مرکز پوشش وγ_c وزن مخصوص بتن می باشد.

2-2-1-4 سربار
سربار باعث افزایش فشار خاک وارد بر پوشش می شود سربارها عبارتند از :
بار ترافیک جاده
بار ترافیک راه آهن
وزن ساختمان

2-2-1-5 واکنش بستر
واکنش بستر به موارد زیر تقسیم می شود.
1ـ عکس العمل مستقل از جا به جائی زمین مثل P_e2 در شکل (2-4).
2ـ عکس العمل وابسته به جا به جایی زمین
در مورد دوم، ضریب واکنش بستر به سختی زمین و ابعاد (شعاع) پوشش بستگی دارد. واکنش بستر محصول ضریب واکنش بستر و جا به جایی پوشش است که بر اساس سختی زمین و صلبیت پوشش تعیین می شود. در مدل کردن قابها عکس العمل بستر توسط فنرهای خطی در نظر گرفته می شود.
شکل 2-4) عکسالعمل بستر مستقل از جابهجایی (3)

2-2-1-6 اثر زلزله
وقوع زلزله به صورت پیامدهای مختلفی نظیر گسلش، رونگرایی، انتشار امواج زلزله، چگالش، تسونامی، زمین لغزش، اندرکنش سازههای مجاور و اندرکنش آب و سازه های هیدرولیکی در طبیعت ظاهر می شود. در این میان به طور عام پدیده هایی مانند گسلش، رونگرایی، انتشار امواج زلزله و حرکات تحت الارضی تهدید جدی تری برای سازه های مدفون به شمار می روند.
در هنگام زلزله به دلیل ناگهانی بودن تغییرمکان زیاد دو صفحه گسل نسبت به یکدیگر، تقاطع سازه های مدفون با صفحه گسل به عنوان یک منبع مهم انتقال نیرو تلقی می شود، لیکن تاکنون مطالعات گسترده ای در این خصوص صورت نگرفته است. در خصوص روانگرایی مطالعات Wang(1979) با استفاده از مدل ساده تیر-ستون بر بستر الاستیک با دو مقاومت متفاوت حاکی از وقوع کرنش های بسیار زیاد در سازه تونل در مجاورت خاک روانگرا انجام شده و در این خصوص مطالعات گسترده ای انجام نگرفته است(4).
در هنگام وقوع زلزله، امواج منتشره لرزش هایی به مدت چند ثانیه تا چند دقیقه ایجاد می کنند. در این خصوص لایه های خاک نظیر فیلتر عمل کرده، در فرکانس خاصی ارتعاشات را مستهلک و در فرکانس دیگری آنها را تشدید می کنند، لذا از جمله مشخصه های مهم لرزش زمین در طول یک سازه مدفون، غیر هم فاز بودن آنها در نقاط مختلف مسیر انتشار امواج می باشد که منجر به وقوع کرنش ها و انحناهای قابل توجهی در طول سازه می گردد. در این راستا لزوم توجه به پدیده اندرکنش خاک و سازه و به عبارتی میزان تبعیت سازه از خاک اطراف به عوامل متعددی نظیر نوع و جنس خاک، نوع موج منتشره و مشخصات هندسی و مکانیکی مقطع مدفون بستگی خواهد داشت(17).
شبیه سازی های آزمایشگاهی برای مطالعه و ارزیابی رفتار تونل های مدفون تحت اثر انتشار امواج زلزله، توسط He و Koizomi (2000) حاکی از انعطاف پذیری پوشش های بتن مسلح پیش ساخته و تبعیت رفتار آنها از رفتار خاک اطراف در جهت عرضی می باشد، لیکن در جهت طولی رفتار خاک به شدت متاثر از رفتار تونل می باشد.
نتایج مطالعات عددی نیز نشان می دهد که اندرکنش امواج منتشره در راستای عمود بر محور تونل سبب انحنای مقطع تونل و تمرکز تنش در جداره ها، سقف و کف مقطع می گردد. Kuesel(1968) با فرض عملکرد خاک به صورت تکیه گاه، عکس العمل ها را در قالب تعدادی فنر ارتجاعی خطی مدل نموده و معادله دیفرانسیل سازه تیر را به صورت زیر استخراج کرده است:
(2-10) EI (∂^4 u_t)/〖∂x〗^4 +K_h u_t=K_h u_y
که در آن :
u_t جابه جایی افقی سازه
u_y : جابه جایی فائم سازه
K_h : مدول بستر افقی محیط اطراف
EI : صلبیت مقطع تونل
باحل معادله فوق حداکثر نیروهای داخلی بدست خواهند آمد. در حالت دقیق تری با مدلسازی سازه تونل و محیط اطراف و اعمال مدل رفتاری مناسب و لحاظ پدیده اندرکنش در تحلیل دینامیکی، می توان درک بهتری از رفتار متقابل سازه و خاک نسبت به یکدیگر به دست آورد که هدف این پژوهش نیز همین امر است.
ز ـ بارهای وارده از داخل
بارهای ایجاد شده توسط تأسیسات موجود در سقف تونل یا بارهای وارد بر اثر فشار داخلی آب باید در اینجا محاسبه شوند.

2-3 تئوریهای تخمین مقدار بار وارد بر پوشش
برای تخمین بارهای وارد بر پوشش تونل جهت طراحی دو راه وجود دارد. یکی روش هایی هستند که عمق پوشش را در نظر نمی گیرند و دیگری نظریه هایی که شامل تعیین بار وارد بر پوشش با لحاظ کردن عمق می باشند. انتخاب یکی از این دو روش بستگی به سخت و یکپارچه بودن و یا شل بودن توده زمین دارد. در توده های سنگی یکپارچه و در مواردی که تنش از حد الاستیک تجاوز نمی کند، میزان بار وارد بر پوشش تحت تأثیر عمق سربار قرار نمی گیرد. بنابراین استفاده از تئوریهایی که از اثر عمق صرف نظر می کنند، کاملاً توجیه شده می باشد. بر عکس زمانی که تنش ها به محدوده پلاستیک وارد می شوند، اثر عمق نه تنها در تعیین بزرگی فشار توده بلکه در زمان مورد نیاز برای گسترش منطقه محافظ نیز فاکتور مناسبی است(2).
از آنجایی که در اکثر حفاری های تونل های شهری (کم عمق)، شاهد نشست زمین در اثر گسترش منطقه پلاستیک و رسیدن آن به سطح زمین هستیم(5)، لذا نظریه های تعیین بار وارد بر پوشش با در نظر گرفتن عمق سربار ملاک عمل خواهد بود با این وجود برخی از نظریه هایی که وابسته به عمق سربار نیستند نیز در عمق کم جوابهای نزدیک به واقعیت می دهند. به همین دلیل در قسمت های بعدی به بررسی برخی از آنها نیز پرداخته ایم.
2-3-1 تئوری ترزاقی
این تئوری به طور کلی برای خاک های دانه ای، خشک و بدون چسبندگی به وجود آمد ولی در مورد خاک های چسبنده نیز به خوبی می تواند تعمیم داده شود. با توجه به شرایط واقعی ترزاقی مقداری رطوبت را در خاک ماسه ای در نظر گرفت طوری که چسبندگی لازم را برای نگهداری قسمت قائم سینه کار در هنگام پیشروی به وجود آورد. طی حفاری و نصب پوشش اولیه، توده ماسه اطراف حفره دچار جا به جایی می شود که این جا به جایی ها برای به وجود آمدن صفحات لغزش که گسیختگی حتمی در آنها رخ می دهد، کافی است. بنابر این پهنای قسمتی از توده زمین که جا به جایی با زاویه 45+Ф/2 در صفحه گسیختگی رخ می دهد برابر است با. (شکل 2-5 )(3)
B=2[b/2+m tan⁡(45-Ф/2)] (2-11)
جا به جایی توده زمین به وسیله اصطکاک به وجود آمده در صفحات برشی قائم خنثی می شود. این صفحات مرزی در انتهای المان با پهنای B ترسیم شده اند. (شکل 2-5)
مقاومت برشی در امتداد این صفحات که در برابر جا به جایی ها مقاومت می کند، برابر است با:
τ=c+σ tanϕ=c+σ_h tanϕ (2-12)
با نوشتن رابطه تعادل نیروهای وارده بر نواری به پهنای B و ارتفاع dz در عمق z خواهیم داشت:
Bγdz=B(σ_v+dσ_v )-Bσ_v+2τdz (2-13)
با جایگذاری خواهیم داشت.
σ_h=Kσ_v (2-14)
τ=c+σ_h tanϕ=c+Kσ_v tanϕ (2-15)
Bγdz=B(σ_v+dσ_v )-Bσ_v+2cdz+2Kσ_v dz tanϕ (2-15)
(dσ_v)/dz=γ-2c/B-2Kσ_v tanϕ/v (2-15)

با فرض شرایط مرزی σ_v=q در عمق z=0 جواب معادله دیفرانسیل برابر خواهد شد با :
σ_v=B(γ-2c/B)/(2K tanϕ) (1-e^(-K tanϕ 2c/B) )+qe^(-K tanϕ 2c/B) (2-16)
برای c=q=0 داریم:
σ_v=Bγ/(2K tanϕ) (1-e^(-K tanϕ 2c/B) ) (2-17)
با جایگذاری عمق برابر با عمق سرباره، فشار توده زمین برابر می شود با :
σ_v=Bγ/(2K tanϕ) (1-e^(-K tanϕ 2H/B)



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید