نشریه زمین شناسی مهندسی

---

رشد و توسعه شهرهای بزرگ نیازمند استفاده از شبکه‌های زیرزمینی در ایجاد زیرساخت‌ها و تسهیلات حمل و نقل شهری است. ساخت تونل در زمین‌های نرم معمولاً جابجایی خاک را به دنبال دارد که می‌تواند تاثیر جدی در پایداری و سلامت سازه‌های موجود داشته باشد. به منظور کاهش این جابجایی‌ها به ویژه در نواحی شهری، مجریان در ساخت تونل‌ها بیش از پیش از ماشین‌های حفر تونل (TBM) استفاده می‌کنند. از اینرو در نواحی شهری، پیش‌بینی جابجایی‌های زمین ناشی از حفر تونل چالش بزرگ مهندسی به شمار می‌رود. در این مقاله به منظور پیش‌بینی جابجایی‌های خاک که در حین ساخت بخشی از تونل خط 3 متروی تهران با استفاده از ماشین حفاری EPB (فشار تعادلی زمین) ایجاد می‌شوند، از یک مدل عددی سه بعدی و نرم افزار ABAQUS استفاده شده است. این بررسی شامل اکثر مؤلفه‌های تونل‌سازی سپری مانند فشار سینه کار، فشار تزریق، ماشین حفاری و تماس اصطکاکی سپر و خاک است. نتایج نشان می دهد که نشست سطحی ماکزیمم در این قسمت 5/2 سانتیمتر است که 5/0 سانتیمتر از حد مجاز آن بیشتر می‌باشد. همزمان با نشست‌های سطحی جابجایی‌های افقی در داخل توده خاک به وجود می‌آیند، که در دو جهت افقی شکل متفاوتی داشته و با افزایش عمق افزایش پیدا می‌کنند.

---

تونل‌زنی در شرایط زمین‌شناسی و ژئوتکنیکی پیچیده مخصوصاً در نواحی شهری اغلب اجتناب‌ناپذیر است. آنالیز پایداری و تعیین میزان نشست سطحی زمین در پروژ‌ۀ واقعی تونل‌زنی سپری اهمیت خاصی دارند. هدف از این تحقیق تعیین فشاری است که از ریزش جبهۀ تونل یک تونل سطحی حفر شده به‌وسیله TBM متعادل کننندۀ فشار زمین (EPB) جلوگیری می‌کند. در این پژوهش به‌منظور بررسی تأثیر فشار جبهۀ کار بر رفتار تونل، از روش‌های تحلیلی و مدل­سازی عددی سه بعدی با نرم‌افزار ABAQUS استفاده شده است تا میزان فشار مؤثر بر رفتار جبهۀ تونل تخمین زده شود.  پارامتر مذکور با استفاده از داده­های مربوط به خط 2 متروی کرج محاسبه شده است. روش تحلیلی استفاده شده در این تحقیق عبارت است از: روش لکا- دورمیو (مرز بالایی) که بر پایۀ آنالیز حدی تنش استوار است و بر اساس مکانیسم شکست چند بلوکی انتقالی انجام شده است. هم‌چنین در مدل‌سازی عددیِ از مدل رفتاری موهر-کولمب استفاده شده، سپس نتایج حاصل از روش‌های تحلیلی و مدل‌سازی عددی مقایسه شده است. برطبق یافته‌های حاصل از این تحقیق، فشار به‌دست آمده از روش تحلیلی لکا- دورمیو، حداقل فشاری است که می‌توان بر جبهۀ تونل اعمال کرد.  هم‌چنین تحلیل نشان می‌دهد که با اعمال فشار به‌دست آمده از روش تحلیلی، جبهۀ تونل متروی کرج به احتمال زیاد پایدار می‌ماند و اجرای روش‌های پیش تحکیمی در این مقطع تونل لازم و ضروری به‌نظر نمی‌رسد

---

اغلب ساختمان­های مصالح بنایی در مقابل زلزله آسیب پذیرند و عموماً به به‌سازی و تقویت نیازمند هستند. استفاده از شاتکریت همراه با شبکه­ای از میلگرد، یکی از روش­های پرکاربرد برای مقاوم‌سازی دیوار­های ساختمان­های موجود بنایی است. در این تحقیق، به تأثیر خاک محل از نظر لرزه­ای، بر این شیوه به‌سازی توجه شده ­است. به‌این منظور، مدل سه‌بعدی سه ساختمان بنایی با نرم افزار ABAQUS تهیه شده­است. سپس این مدل­ها در حالت­های مبنا (بدون شاتکریت) در مقابل نگاشت­ زلزله­های طبس، بم و منجیل که در ایستگاه‌های مستقر بر خاک­های نوع I (طبق تقسیم‌بندی استاندارد 2800) ثبت شده­اند تحلیل شده­اند. همۀ زلزله­ها به‌صورت دو مؤلفه­ای در نظر گرفته شدند و محدودۀ تمرکز تنش­ها و نقاط آسیب­پذیر ساختمان­ها شناسایی شدند. سپس روش­های مختلف به‌سازی با شاتکریت (شامل تنوعی از نوارهای عمودی، افقی و مورب با عرض­های مختلف) در نقاط آسیب­پذیر در نظر گرفته شدند و تحلیل­های لرزه­ای قبلی تکرار شد. بهترین شیوه به‌سازی، افزایش سختی و مقاومت با کمک شاتکریت نوارهای افقی و عمودی اطراف بازشوی دیوارها تشخیص داده ­شد برای روشن شدن تأثیر نوع خاک بر کارآیی روش به‌سازی، یکی از ساختمان­ها در مقابل سه رکورد از زلزله طبس که بر ایستگاه­های مستقر بر خاک­های نوع I، II و III ثبت شده­ بودند، تحلیل شد و با مقایسه بین نتایج حاصل از تحلیل مدل­های تقویت شده و تقویت نشده، نشان داده ­شد که با تقویت سازه، ضمن افزایش ظرفیت سازه، نیاز لرزه­ای (برش پایه) افزایش می­یابد و در ساختمانی که روی زمین­ با خاک سخت­ (نوع I) قرار دارد افزایش نیاز لرزه‌ای بیش‌تر از زمین‌های نرم است. این امر موجب می شود، کارآیی روش به‌سازی در ساختمان‌هایی که روی زمین‌های با خاک­ سخت قرار دارند، کاهش ­یابد و توصیه می­شود روش به‌سازی با شاتکریت به‌صورت محدود و  در ترکیب با سایر روش­ها از جمله پس تنیدگی با کابل و ... که موجب افزایش مقاومت می­شوند اما سختی را افزایش نمی دهند، به‌کار رود.

---

    کوبش متوالی چکش شمع‌کوب بر سر شمع پیش ساخته برای نصب شمع در زمین را شمع‌کوبی ضربه‌ای می‌نامند. امروزه کاربرد وسیع روش شمع‌کوبی ضربه‌ای در اجرای پی‌های عمیق (شمع‌ها) غیرقابل انکار است؛ به‌طوری‌که در میان منابع تولید کننده ارتعاشات در زمین، شمع‌کوبی متداول‌ترین منبع تولید‌کننده ارتعاشات ساخت‌و‌ساز است. این ارتعاشات زمین در حین شمع‌کوبی مهم‌ترین عامل محدود‌کننده به‌کارگیری این روش است، از این رو، برای جلوگیری از خرابی سازه‌ای و حفظ آرامش ساکنین پیش‌بینی قابل قبول از دامنۀ ارتعاشات پیش از اجرای هر پروژه ضروری است. برای این منظور، بی‌تردید مدل‌سازی عددی سریع‌ترین، دقیق‌ترین و اقتصادی‌ترین گزینه است، اما تا به امروز مدل‌سازی روند صحیح نصب شمع یکی از مشکلات اصلی در مدل‌سازی عددی شمع‌کوبی بوده است. پژوهش حاضر تلاش دارد که با استفاده از نرم‌افزار اجزای محدود ABAQUS مدل‌سازی عددی عملیات شمع‌کوبی ضربه‌ای به‌طور موفقیت‌آمیز از سطح زمین تا عمق دلخواه بدون در نظرگیری فرضیات ساده‌کننده متداول محققان گذشته و با در نظرگیری جزئیات مشابه کارهای عملی، تطابق بهتر ارتعاشات نسبت به نتایج عددی گذشته با نتایج صحرایی بر حسب حداکثر سرعت ذره (PPV) نتیجه گردد.

---

در این پژوهش با استفاده از روش اجزاء محدود و به‌کارگیری نرم­افزار ABAQUS/CAE V۶.۱۳-۱ رفتار شمع­های متصل و غیرمتصل به کلاهک بررسی شده است و شرایط تنش، نشست و بار در خاک و شمع با یک‌دیگر مقایسه شده است. در حالت معمول استفاده از شمع ضمن کاهش مقدار بار انتقالی به خاک سطحی، منجر به کاهش نشست می­شود. در حالی که در شمع­های متصل به کلاهک در صورت وارد کردن یک لایه تغییرشکل‌پذیر بین دال و سرشمع توزیع فشار یک‌نواخت‌تری در قسمت زیرین دال ایجاد می­شود و عکس العمل­های تکیه­گاهی بین دال و سرشمع کاهش می­یابند. در این بررسی با لحاظ کردن خاک زیرین و لایه میانی به‌ترتیب از نوع ماسه و ماسه سیلیسی وضعیت نشست و تنش در خاک و مقدار بار شمع در حالت­های تک و گروه شمع، در دو حالت متصل و غیرمتصل به کلاهک بحث و بررسی شده است. نتایج نشان می­دهد با افزایش تعداد شمع، کاهش نشست در حالت متصل بیش‌تر از حالت غیرمتصل است. هم‌چنین اصطکاک جداری منفی در شمع­های غیرمتصل بر خلاف شمع­های متصل که در تمام طول شمع وجود دارد، در قسمتی از میانه طول شمع ایجاد می‌شود که دلیل آن نابرابر بودن نشست دال، شمع و خاک سطحی است. نیروی سرشمع­ها نیز در حالت متصل بیش‌تر از حالت غیرمتصل است که نشان‌دهندۀ تأثیر مثبت اجرای لایۀ میانی در کاهش بار و مقطع طراحی کوچک‌تر برای شمع است. به‌طورکلی نتایج بررسی­ها نشان می­دهد عملکرد شمع­های غیرمتصل به کلاهک از نظر نشست و باریری بهتر از نوع شمع­های متصل است. هم‌چنین در این تحقیق بررسی پارامتری در سیستم شمع غیرمتصل برای بهینه‌یابی ابعادی انجام شد که در نتیجه آن ضخامت ۱ متر برای لایه میانی، ضخامت ۶/۱ متر برای دال و قطر ۵/۰ متر و طول ۱۹ متر برای شمع به‌صورت بهینه به‌دست آمد.
 

---

تونل‎های تحت فشار با پوشش بتنی، منابعی از جریان نشت آب به توده‎سنگ دربرگیرنده خود هستند، از این‌رو، طی فرآیند آب‎گیری مقاومت کمی در برابر فشار نشت آب خواهند داشت و با افزایش فشار آب داخلی تونل، فشار نشت آب به توده‎سنگ منتقل خواهد شد. در این شرایط به‎واسطۀ درزه، ترک، منافذ و همۀ المان‎های توده‎سنگ از تمام جهات تحت تأثیر فشار نشت آب قرار می‎گیرند. این اندرکنش هیدرومکانیکی باعث تغییرات نفوذپذیری المان‎های توده‎سنگ طی فرآیند آب‎گیری می‎شود. بنابراین، تغییرات صورت گرفته در تنش منجر به تغییراتی در ضریب نفوذپذیری و توزیع مجدد میدان نشت می‌شود. از این رو، در این تحقیق از روش المان محدود به‌کمک نرم‎افزارABAQUS  برای مدل‎سازی این اندرکنش استفاده شده است. در این راستا از داده‎های تونل تحت فشار طرح سد و نیروگاه گتوند به‌عنوان مطالعۀ موردی بهره گرفته شده است. به‌منظور نزدیک‌کردن مدل به شرایط واقعی، تأثیر تغییرات نفوذپذیری پوشش بتنی و توده‌سنگ بر تغییر‌شکل‌ها و تنش‎های ایجاد شده در محیط با استفاده از کد USDFLD به مدل‎ اعمال شده است. نتایج مدل عددی نشان می‎دهد که به‌منظور کنترل نشت از تونل‎های تحت فشار با پوشش بتنی، ضخامت پوشش و آرایش مناسب میل‌گردها در پوشش بتنی در ممانعت از نشت بیش از حد مجاز از تونل نقش به‌سزایی را ایفا می‎کنند.