بررسی عملکرد میکروشمع‌ها تحت اثر بار دینامیکی با به‌کارگیری مدل سطح مرزی برای شبیه‌سازی رفتار خاک

STUDENT

DEGREE

YEAR

Micropiles are generally described as small diameter (maximum 300mm) drilled and grouted piles. They can withstand axial and lateral loads, while they can work as a component in a composite soil/pile mass or as a substitute for conventional piles. Due to their geometry, the load transfer mechanism for micropiles is mainly governed by shaft resistance rather than end bearing. Micropiles are being increasingly used in some structures which are subjected to different type of dynamic loadings. Dynamic loadings are often variable in nature in terms of amplitude and frequency that could result differing types of micropile behavior leading to variably failure mechanisms. This research aims to numerically investigate micropiles dynamic behavior under axial cyclic loading. Having a constitutive model that can simulate soil matrix behavior under different stress paths utilized in a given numerical technique is an essential task. For cohesionless soils, stress-dilatancy and cyclic behavior are among the important aspects of soil behavior states that should be accounted for in the constitutive model. A constitutive model based on the bounding surface plasticity originally proposed by Manzari and Dafalias (1997) was adopted in this research to simulate the dynamic behavior of the soil matrix. The model combines bounding surface plasticity and Row’s dilatancy theory within critical state concepts. Dilatancy is modeled by choosing a proper function for cohesionless soils. One can name some distinct features of the model as its capabilities to describe the principle aspects of cohesionless soils, such as mean stress and loading-path-dependent dilatancy, hardening and softening as well as initial and induced anisotropy. The effect of fabric formation on the unloading response of saturated sand was also taken into account having a fabric tensor incorporated into the dilatancy formulation. The model requires a unique set of material constants for a particular soil at a given density and confining pressure. A semi-implicit stress-point algorithm was used for the integration of the constitutive stress-strain rate equations. The proposed numerical scheme was coded in FORTRAN and used to simulate a variably monotonic and cyclic soil experiments for verification purposes. The same numerical algorithm was also commanded as a VUMAT file in a commercial FEM code (ABAQUS). Different numerical models for soil-micropile systems using ABAQUS/Explicit were developed to study the effect of parameters such as the amplitude and frequency of dynamic loading, magnitude of initial static loading and different states of sandy soil matrix on dynamic response of micropiles. The results indicated that loading frequency has important role in the microplies induced displacements. In addition, having the initial static load increased, more displacement will occur under dynamic loading.

میکروشمع‌ها، شمع‌های جایگزینی حفّاری شده و تزریق‌شده با قطر کم (کوچکتر از 300 میلیمتر) هستند که در برابر بارهای جانبی و محوری مقاومت می‌‌کنند. این شمع‌ها معمولاً مسلّح هستند و می‌توانند به عنوان مؤلّفه‌ای برای مسلّح کردن توده مرکّب خاک و شمع به کار روند و یا به عنوان جایگزینی برای شمع‌های مرسوم باشند. چون مساحت نوک میکروشمع ها کوچک است بیشتر مقاومت ژئوتکنیکی آنها از طریق ظرفیت جداری تأمین می‌شود. میکروشمع‌ها به عنوان تکیه‌گاه سازه‌های مهم شهری شامل پل‌ها، بزرگراه‌ها، خطوط راه‌آهن و دیگر سازه‌ها به کار می‌روند و این سازه‌ها در معرض بارگذاری‌های رفت و برگشتی و تکرار‌شونده 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 میکروشمع‌ها و درپی آن مکانیزم‌های شکست مختلف در آنها می‌شود. از این‌رو بایستی تأثیر بارگذاری دینامیکی بر چگونگی رفتار میکروشمع‌ها روشن شود. هدف از این تحقیق بررسی رفتار دینامیکی میکروشمع‌ها تحت اثر بارگذاری محوری دوره‌ای است. مطالعه رفتار میکروشمع‌ها بدون لحاظ کردن اندرکنش خاک ـ شمع امکان پذیر نیست. بدین‌منظور نیازمند یک مدل رفتاری هستیم که بتواند رفتار خاک را در مسیرهای تنش متفاوت به‌خوبی پیش‌بینی کند. در خاک‌های غیر چسبنده رفتار دوره‌ای و تنش- اتساع از مشخّصه‌های مهم رفتاری خاک هستند که بایستی در مدل ساختاری در نظر گرفته شوند. از آن جهت که مدل‌های الاستوپلاستیک در چارچوب پلاستیسیته کلاسیک، به دلیل استفاده از سطح تسلیم ثابت در فضای تنش، قادر به پیش‌بینی رفتار تناوبی خاک‌ها نمی‌باشند از مدل سطح مرزی توسعه داده شده توسط دافالیاس و منظری برای شبیه‌سازی 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 خاک‌های غیر‌چسبنده از قبیل اتساع وابسته به مسیر بارگذاری و تنش متوسّط، سخت‌شدگی و نرم‌شدگی و ناهسانگردی به‌وجود آمده را توصیف کند. با وارد کردن تانسور بافت در فرمول‌بندی 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 ثابت‌های مادّی مورد نیاز است. برای انتگرال‌گیری معادلات نموی تنش-کرنش مدل ساختاری از الگوریتم نیمه‌ضمنی اویلر استفاده شده است. طرح عددی ارائه‌شده در نرم‌افزار فرترن نوشته شده و به منظور صحّت‌سنجی نتایج حاصل از مدل رفتاری، آزمایش‌های مختلفی شبیه‌سازی و نتایج با داده‌های تجربی مقایسه شده است. از همین الگوریتم عددی در قالب زیربرنامه VUMAT در نرم‌افزار تجاری اجزاء محدد ABAQUS استفاده شده است. مقایسه نتایج نشان‌دهنده توانایی مدل رفتاری خاک در پیش‌بینی رفتار زهکشی‌شده و زهکشی‌نشده خاک‌ ماسه‌ای است. به منظور بررسی رفتار میکروشمع‌ها 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 میکروشمع‌ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که فرکانس بارگذاری نقش مهمی در جابجایی به‌وجود آمده در میکروشمع دارد. همچنین هر چه بار استاتیکی اوّلیه بیشتر باشد میزان تغییر مکان میکروشمع‌ها تحت اثر بار دینامیکی بیشتر است.