بررسی عملکرد میکروشمع ها تحت اثر بار دینامیکی با به کارگیری مدل سطح مرزی برای شبیه سازی رفتار خاک

میکروشمع ها، شمع های جایگزینی حفّاری شده و تزریق شده با قطر کم (کوچکتر از 300 میلیمتر) هستند که در برابر بارهای جانبی و محوری مقاومت می کنند. این شمع ها معمولاً مسلّح هستند و می توانند به عنوان مولّفه ای برای مسلّح کردن توده مرکّب خاک و شمع به کار روند و یا به عنوان جایگزینی برای شمع های مرسوم باشند. چون مساحت نوک میکروشمع ها کوچک است بیشتر مقاومت ژئوتکنیکی آنها از طریق ظرفیت جداری تأمین می شود. میکروشمع ها به عنوان تکیه گاه سازه های مهم شهری شامل پل ها، بزرگراه ها، خطوط راه آهن و دیگر سازه ها به کار می روند و این سازه ها در معرض بارگذاری های رفت و برگشتی و تکرار شونده باد، موج و ترافیک هستند. بارگذاری دینامیکی اغلب به طور طبیعی بر حسب دامنه و فرکانس متغیر است و این تغییر منجر به بروز رفتارهای متفاوت در میکروشمع ها و درپی آن مکانیزم های شکست مختلف در آنها می شود. از این رو بایستی تأثیر بارگذاری دینامیکی بر چگونگی رفتار میکروشمع ها روشن شود. هدف از این تحقیق بررسی رفتار دینامیکی میکروشمع ها تحت اثر بارگذاری محوری دوره ای است. مطالعه رفتار میکروشمع ها بدون لحاظ کردن اندرکنش خاک ـ شمع امکان پذیر نیست. بدین منظور نیازمند یک مدل رفتاری هستیم که بتواند رفتار خاک را در مسیرهای تنش متفاوت به خوبی پیش بینی کند. در خاک های غیر چسبنده رفتار دوره ای و تنش- اتساع از مشخّصه های مهم رفتاری خاک هستند که بایستی در مدل ساختاری در نظر گرفته شوند. از آن جهت که مدل های الاستوپلاستیک در چارچوب پلاستیسیته کلاسیک، به دلیل استفاده از سطح تسلیم ثابت در فضای تنش، قادر به پیش بینی رفتار تناوبی خاک ها نمی باشند از مدل سطح مرزی توسعه داده شده توسط دافالیاس و منظری برای شبیه سازی رفتار خاک استفاده شده است. در این مدل ایده پلاستیسیته سطح مرزی و تئوری اتّساع row در قالب مفاهیم حالت بحرانی با یکدیگر ترکیب شده است. این مدل قادر است خصوصیات اصلی خاک های غیر چسبنده از قبیل اتساع وابسته به مسیر بارگذاری و تنش متوسّط، سخت شدگی و نرم شدگی و ناهسانگردی به وجود آمده را توصیف کند. با وارد کردن تانسور بافت در فرمول بندی اتّساع، تأثیر آرایش ساختاری بر پاسخ ماسه اشباع هنگام باربرداری در نظر گرفته شده است. علاوه بر این، برای یک خاک بخصوص، در هرگونه چگالی و فشار محصورکننده مجموعه واحدی از ثابت های مادّی مورد نیاز است. برای انتگرال گیری معادلات نموی تنش-کرنش مدل ساختاری از الگوریتم نیمه ضمنی اویلر استفاده شده است. طرح عددی ارائه شده در نرم افزار فرترن نوشته شده و به منظور صحّت سنجی نتایج حاصل از مدل رفتاری، آزمایش های مختلفی شبیه سازی و نتایج با داده های تجربی مقایسه شده است. از همین الگوریتم عددی در قالب زیربرنامه vumat در نرم افزار تجاری اجزاء محدد abaqus استفاده شده است. مقایسه نتایج نشان دهنده توانایی مدل رفتاری خاک در پیش بینی رفتار زهکشی شده و زهکشی نشده خاک ماسه ای است. به منظور بررسی رفتار میکروشمع ها تحت اثر بار دینامیکی قائم چندین مدل میکروشمع منفرد و گروهی توسعه داده شد و تأثیر عواملی همچون دامنه بار دینامیکی، میزان بار استاتیکی اوّلیه، فرکانس بارگذاری و وضعیت ماسه بر رفتار میکروشمع ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که فرکانس بارگذاری نقش مهمی در جابجایی به وجود آمده در میکروشمع دارد. همچنین هر چه بار استاتیکی اوّلیه بیشتر باشد میزان تغییر مکان میکروشمع ها تحت اثر بار دینامیکی بیشتر است.