الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.
قیمت
قیمت این مقاله: 48000 تومان
(ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره
۷۱
کد مقاله
CVL71
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh
نام فارسی
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
نام انگلیسی
Use of Vacuum for the Stabilization of Dry Sand Slopes
دپارتمان مهندسی راه و ساختمان، معماری، و محیط زیست، دانشگاه میسوری، ایالات متحده دپارتمان مهندسی راه و ساختمان و محیط زیست، دانشگاه علوم و فناوری هنگ کنگ ژورنال ژئوتکنیک و مهندسی زمین – محیطی
مرجع به انگلیسی
Dept. of Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Missouri Univ. of Science and Technology; Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering
کشور
ایالات متحده – هنگ کنگ
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
چکیده
کاربرد خلأ به عنوان یکی از راهکارهای ترمیم شیروانی های خاک قرار گرفته در معرض از هم گسیختگی بالقوه تلقی می گردد. دو ویژگی مورد بحث در ارتباط با روش پیشنهادی شامل تئوری گردش جریان هوا در امتداد خاک های خشک و کارایی فرآیند خلأ برای ارتقای ثبات یا پایداری شیروانی های خاک می باشند. در این مبحث، نوعی ابزاره آزمایشی برای این مدل ارائه شده که با استفاده از آن و دو سری آزمایش اعمال می شود. یک سری از این آزمایشات در ارتباط با مشخص سازی توزیع فشار هوای منفذی در شیروانی های ماسه ای خشک می باشد و سری دوم شامل آزمایشات ثبات یا پایداری شیروانی ماسه ای خشک است. نتایج مشخص کننده آن هستند که حتی یک خلأ (فشار هوای منفذی منفی) به کوچکی -۰٫۴ kPa به طور معنی داری قابلیت افزایش پایداری شیروانی های مدل با ابعاد ۰٫۹ ´ ۰٫۵ ´ ۰٫۲۸ m (طول × پهنا × ارتفاع) را خواهد داشت. توزیع های فشار هوای منفذی در شیروانی های این مدل با استفاده از سیستم حل کننده معادله دینفرانسیل نسبی جزء محدود، یعنی FlexPDE، شبیه سازی شده است. قانون فیک و بقای جرم جهت فرمول بندی جریان هوا در امتداد ماسه های خشک بکار گرفته شده اند. در این راستا توافق خوبی بین نتایج تجربی و شبیه سازی های عددی حاصل آمده است. یک روتین کامپیوتری، تحت عنوان Slope-Air، برای آنالیز پایداری شیروانی با استفاده از روش ساده شده بیشاپ (Bishop) ارائه شده و به علاوه ویژگی های توزیع فشار هوای منفذی در این شیروانی ها نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. ضرایب محاسبه شده ایمنی شیروانی های مدل، به هنگام از هم گسیختگی / شکست، با نتایج حاصله از آزمایشات پایداری شیروانی مدل سازگار می باشند.
بسیاری از تحلیل های مرتبط با مهندسی ژئوتکنیک این مورد را در نظر می گیرند که خاک بصورت کاملاً اشباع شده می باشد یا آنکه هوای منفذی در خاک کاملاً متصل به اتمسفر است، و بدین روش میزان فشار هوای منفذی صفر تلقی می شود. چنین تحلیل هایی را نمی توان برای محدوده گسترده ای از مشکلات عملی که در آنها فشار هوای منفذی مساوی با فشار اتمسفری نمی باشد، نظیر تثبیت خلأ، بررسی متان هیدرات، و استخراج بخار خاک بکار گرفت.
در پاسخ به فشارهای هوای منفذی افزایش یافته در خاک، تنش نرمال کاهش یافته و بر این مبنا، مقاومت برشی و سفتی خاک به طور معنی داری کاهش می یابد (Wheeler و همکاران، ۱۹۹۱؛ Fredlund و Rahardjo، ۱۹۹۳؛ Duffy و همکاران، ۱۹۹۴). در نتیجه، ثبات یا پایداری کوتاه مدت شیروانی ها و یا ظرفیت بار پی ها کاهش یافته، و در عین حال دفرمه شدگی شیروانی نیز بیشتر خواهد شد. Fredlund و Rahardjo (1993) در انتهای فرایند ساخت و ساز یک سد اقدام به مشخص سازی فشار هوای منفذی آن نموده و ثبات و پایداری سد را مورد آنالیز و تجزیه و تحلیل قرار دادند. این موضوع مشخص شد که نادیده گرفتن تأثیر فشار هوای منفذی ممکن است منجر به تخمین بیش از حد حدوداً ۱۵ الی ۳۴% در ارتباط با ضریب ایمنی شود و از اینرو یک طراحی ناایمن را سبب می شود.
یک مطالعه اولیه جهت درک بهتر توزیع فشار هوای منفذی حاصل آمده به واسطه نقاط خلأ خارجی و تأثیر خلأ بکار گرفته شده در ارتباط با ثبات شیروانی ارائه شده است. این مطالعه اولیه اهداف ذیل را مدنظر قرار داده است: (۱) انجام تحلیل های عددی دو بعدی (۲D) جریان هوای حالت ثابت در ماسه خشک، (۲) بررسی تأثیر خلأ بر روی ثبات شیروانی های خاک و مشخص سازی تأثیر کاربرد یک روش تعادل محدود، و (۳) انجام روش های آزمایشی جهت تأکید تحلیل های عددی و ارزیابی کارایی تثبیت خلأ. تئوری های جریان هوا با توجه به خاک خشک، همراه با مکانیزم های کاربرد خلأ برای تثبیت ترانشه یا شیروانی خاک، و همچنین تحلیل ثبات شیروانی که مشخص کننده تأثیر فشارهای هوای منفذی می باشند از جمله مطالعات اولیه در این زمینه به شمار می آیند. متعاقباً یکسری از مدل های آزمایشی نیز جهت بررسی جریان حالت ثابت هوا در شیروانی های ماسه خشک و ثبات آنها با استفاده از فرایند خلأ انجام شد. در نهایت، تحلیل های عددی دو بعدی جهت شبیه سازی جریان ها در این مدل ها بکار گرفته شد، و تحلیل های ثبات شیروانی به منظور محاسبه ضرایب ایمنی شیروانی ها این مدل مورد استفاده قرار گرفتند.
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
شبیه سازی های عددی
تئوری جریان هوا در خاک های خشک
میزان جریان هوا در امتداد خاک را می توان در ارتباط با گرادیان فشار هوا بر مبنای قانون فیک خواند (Fredlund و Rahardjo، ۱۹۹۳)
مکانیزم هایی برای استفاده از خلأ در زمینه تثبیت شیروانی های خاک
خلأ قابلیت تثبیت شیروانی خاک از طریق دو مکانیزم را دارد که شامل افزایش مقاومت برشی خاک و شتاب زهکشی می شود. مقاومت برشی یک خاک اشباع نشده را می توان برحسب دو متغیر حالت ـ تنشی مستقل (s-ua) و (ua-uw) به شرح ذیل بیان داشت (Fredlund و همکاران، ۱۹۷۸):
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
تحلیل پایداری شیروانی با توجه به تأثیرات فشار هوای منفذی
Fredlund و Rahardjo (1993) یک روش تعادل حدی کلی را برای محاسبه ضریب ایمنی شیروانی های خاک، شامل اثر فشار هوای منفذی، ارائه نمودند. در یک فرمول بندی تعادل حدی عمومی، ضریب ایمنی به صورت “ضریبی که بر مبنای آن چسبندگی و ضریب اصطکاک را می بایست به منظور مشخص سازی شیروانی در یک حالت تعادل حدی حاصل آورد” تعریف می گردد (Duncan، ۱۹۹۶). سطح لغزشی را می توان به صورت مدور در نظر گرفت، البته با میزان اندکی انحراف، به استثنای آنکه از قابلیت های کنترل زمین شناختی بهره جوییم که مشخص کننده و محدود کننده سطوح لغزشی برای یک شکل غیر دایره ای می باشد (Duncan، ۱۹۹۶).
آماده سازی مواد و ابزارهای تجربی برای انجام آزمایشات مدل شیروانی
ابزارهای آزمایش مدل
یک جعبه قابل دوران برای انجام این مطالعه تجربی طراحی و ساخته شد. اجزای اصلی شامل جعبه آکریلیکی با قابلیت دوران (۱٫۲ ´ ۰٫۵ ´ ۰٫۴، طول × پهنا × ارتفاع)، یک پایه که جعبه بر روی آن قرار گرفته و قابلیت دوران می یابد، یک سیستم تأمین خلأ، و ابزارهای اندازه گیری. مدل شیروانی های خاک در این جعبه مشخص میگردد. در ابتدا از ماسه خشک جهت تشکیل این مدل و شبیه سازی شرایط حالت ثابت خلأ زهکشی شیروانی استفاده شد. حذف آب موئینه ای در جعبه مدل سبب متمایزسازی اثر خلأ بر روی تنش نرمال خالص شده و موجب حذف تأثیر مکش ماتریک می گردد. یک غشای لاتکسی یا لاستیکی نیز جهت پوشاندن بخش فوقانی شیروانی به منظور نگه داشتن کامل سیستم خلأ بکار گرفته شد.
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
خواص خاک و آماده سازی نمونه
از ماسه Leighton Buzzard یکنواخت (کسر E) جهت شکل دادن به شیروانی مدل استفاده شد. این خاک به صورت یکنواخت و ظریف و از ماسه سیلیکای خرد نشده با اندازه دانه در محدوده ای از ۰۹/۰ و ۱۵/۰ میلیمتر (جدول ۱) می باشد. از روش بارش خشک جهت آماده سازی مدل شیروانی ماسه ای استفاده شد. دو عامل اصلی بر روی چگالی ماسه تأثیر گذار می باشد که شامل سرعت ریزش توده یا جرم و همچنین ارتفاع ریزش می باشد (Takemura و همکاران، ۱۹۹۸؛ Ueno، ۱۹۹۸). سرعت ریزش با دقت با استفاده از یک چمچه کنترل شد. کالیبراسیون بین ارتفاع سقوط آزاد و چگالی نسبی نیز در چهار آزمایش مختلف سقوط آزاد از ارتفاع اعمال شد. میانگین مقادیر چگالی از این آزمایشات و نتایج حاصله در شکل ۱ نشان داده شده است. فاصله سقوط آزاد ۷۹۰ میلیمتری برای مهیا سازی نهایی مدل انتخاب شد. چگالی متناظر نسبی ماسه به میزان ۷۵% مشخص شد. بر مبنای نتایج آزمون سه محوری Cai (2001)، زاویه اصطکاک پیک برون یابی شده ماسه با چگالی نسبی ۷۵% به میزان تقریباً ۳۴ درجه مشخص شد. به علاوه چنین موردی به نظر به عنوان زاویه مؤثر اصطکاک داخلی، f¢، برای معادلات (۴) و (۵) می باشد. زاویه اصطکاک حالت بحرانی این ماسه نیز به میزان ۷/۲۹ درجه مشخص شد (Cai، ۲۰۰۱).
آزمایشات توزیع فشار هوای منفذی
آزمایشات توزیع فشار هوای منفذی در شرایط مرزی همانگونه که در شکل ۲ و جدول ۲ نشان داده شده است انجام شد. این شرایط مرزی از نقطه نظر مقدار حجم خلأ کاربردی، موقعیت منابع خلأ، و موقعیت تهویه به اتمسفر متفاوت می باشند. اطلاعات ثبت شده به هنگامی حاصل آمد که فشار هوای منفذی به یک حالت ثابت رسید (به طور متعارف کمتر از یک دقیقه).
آزمایشات پایداری شیروانی
در ابتدا، یک آزمایش مدل مرجع T1 انجام شد، که در آن شیروانی مربوطه قرار گرفته در معرض اتمسفر برحسب دوران جعبه مدل به حالت از هم گسیختگی یا شکست خود رسید. متعاقباً، یک آزمایش پایداری شیروانی با یک خلأ توزیعی یکنواخت داخل شیروانی خاک انجام شد (T2)، که در پی دو آزمایش شیروانی مرتبط با توزیع های فشار هوای منفذی غیر یکنواخت صورت گرفت (T3 و T4). در طی آزمایشات T2 و T3، یک فشار خلأئی مطلوب در ابتدا برای این مدل حاصل آمد. پس از آن توزیع های فشار هوای منفذی حالت ثابت نیز اندازه گیری شد، و متعاقباً مدل های مربوطه در مراحل مختلف تا حد فروپاشی یا تا زاویه شیروانی حداکثری (۵۸ درجه) تحت آزمایش نوسان و اعوجاج قرار گرفتند. افزایش زاویه شیروانی در هر مرحله تقریباً به میزان ۵ درجه مشخص شد. در آزمایش مدل T4، یک خلأ بزرگ (تقریباً ۱۵ kPa) در ابتدا برای این مدل اعمال شد. مدل مربوطه متعاقباً تا حد زاویه شیروانی ۴۵ درجه در مراحل مختلف افزایش یافته و پس از آن مقدار خلأ کاربردی در مراحل بعدی کاهش یافته تا آنکه شیروانی دچار فروپاشی یا شکست شود. شرایط آزمایش برای چهار آزمایش مدل پایداری شیروانی در جدول ۲ خلاصه شده است.
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
نتایج و مباحث
توزیع فشار هوای منفذی
شرط جریان دو بعدی از طریق برآورد فشارهای هوا در مختصات دو بعدی (۵۱/۰، ۰) و سه موقعیت مختلف نرمال به سطح دو بعدی (شکل ۲) کنترل شد. نتایج اندازه گیری های فشار هوای منفذی در شکل ۳ نشان داده شده اند. تفاوت های بین سه مقدار فشار در سه موقعیت نرمال بر سطح دو بعدی به میزان ۰٫۱ kPa برای آزمایش A1 و ۰ kPa برای آزمایشات A2 و A3 مشخص شدند. شرط جریان دو بعدی ایجادی به وسیله منبع خلأ نواری سوراخ دار نیز مورد ارزیابی قرار گرفت.
شکل ۳ (الف و ب) نشان دهنده توزیع های فشار هوای منفذی در خلأهای منبع -۴٫۰ و -۱٫۵۵ kPa به ترتیب می باشند. شرایط مرزی نیز به صورت یکسانی مشخص شد. ویژگی های فشار حاصله از نقطه نظر شکل مشابه ولی از نقطه نظر مقدار متفاوت می باشند. مقدار فشار هوا در تناسب با مقدار حجم خلأ کاربردی می باشد. علت بروز این رفتار به واسطه آن است که معادله (۲) به صورت معادله دینفرانسیل نسبی خطی می باشد. تا زمانی که شرایط مرزی تغییر نکنند، فشار حالت ثابت محاسبه شده در هر نقطه به صورت خطی در تناسب با فشار منبع خواهد بود. شکل ۳ همچنین معرف آن است که مقادیر فشار هوای اندازه گیری شده به طور کلی در توافق خوبی با مقادیر محاسبه شده می باشد. قانون فیک قابلیت کاهش جریان هوای حالت ثابت ماسه همگن خشک را خواهد داشت.
پایداری و ثبات شیروانی
زاویه شیروانی یا انحراف شیروانی مدل به وسیله زاویه بین بخش پایه شیروانی و بخش افقی (BSA) و همچنین زاویه بین سطح شیروانی و افق (SSA) مشخص می شود. SSA قبل از فروپاشی به عنوان مجموع BSA قبل از فروپاشی به شمار آمده و مشخص کننده زاویه شیروانی اولیه به میزان (۴/۱۸ درجه) می باشد.
آنالیز پایداری شیروانی
پایداری شیروانی های مدل دارای خمیدگی ها یا شیروانی های مختلف، همانگونه که در جدول ۲ نشان داده شده است، با استفاده از یک برنامه کامپیوتری، تحت عنوان Slope-Air، آنالیز شد. در آزمایش مدل T1، ضریب ایمنی محاسبه شده به میزان ۰۶/۱ در یک SSA ۳۲ درجه و ۰/۱ در یک SSA 34 درجه محاسبه شد، و سطح لغزشی پیش بینی شده به صورت مسطح گزارش شد. در شیروانی مدل آزمایشات T2، T3 و T4، مراکز سطوح لغزشی محتمل در ناحیه مشخص شده الی بخش فوقانی سمت چپ شیروانی ترسیم شد (شکل ۵). حداقل ضریب ایمنی متناظر با هر مرکز نیز از طریق متغیرسازی شعاع سطح لغزشی محتمل مشخص گردید. بنابراین، ویژگی های ضریب ایمنی در هر نقطه گرید در ناحیه خاص همانگونه که در شکل های ۵ (الف الی ج) نشان داده شده است حاصل آمدند. سطوح لغزشی بحرانی متناظر با حداقل ضریب ایمنی نیز مشخص شدند.
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
اثرات مرزی آزمایشات شیروانی مدل
جهت به حساب آوردن تأثیرات مرزی یا کرانه ای جانبی در آزمایشات شیروانی این مدل، یک آنالیز پایداری شیروانی سه بعدی بر روی هر کدام از مدل های آزمایشی (T2، T3 و T4) انجام شد. یک راه حل فرم بسته به وسیله Gens و همکاران (۱۹۸۸) برای خاک های چسبنده به صورت یک نقطه آغازین مرتبط با این تحلیل ارائه شد. این راه حل مشخص کننده آن است که مرزهای کناری این مدل به صورت سطوح عمودی می باشند، موردی که در این مطالعه نیز صحت دارد. ضریب ایمنی سه بعدی (F2) به عنوان یک تابع ضریب ایمنی دو بعدی (F3) به شرح ذیل مشخص می شود:
تلویحاتی در خصوص راهکارهای مهندسی
این مطالعه نسبت به بررسی اثرات خلأ بر روی پایداری شیروانی های خاک خشک اقدام می نماید. بر این مبنا خاک های اشباع نشده غالباً در این موارد مطالعاتی مدنظر می باشند، چه آنکه به صورت اولیه خاک ها تحت محیط شرایط طبیعی اشباع نشده باشند یا آنکه به طور ابتدا به ساکن اشباع شده گردیده، اما متعاقباً به هنگام کاربرد خلأ نااشباع شده اند. با توجه به کاربرد خلأ برای این منظور، میزان آب ـ خاک در ابتدا کاهش یافته، متعاقباً حالت تعادل نیز تقلیل یافته که با توجه به کاربرد خلأ در چرخه خشک سازی منحنی ویژگی های آب ـ خاک مد نظر می باشد (Fredlundو Xing، ۱۹۹۴). ماسه غالباً دارای رسانایی هیدرولیکی بالاتری در مقایسه با خاک رس می باشد، و بنابراین خلأ زودتر به حالت تعادل رسیده و تأثیر تثبیت شدگی سریعتر حاصل می شود. از طرف دیگر، درزگیری فرایند خلأ در ماسه بسیار مشکل می باشد. در صورتی که خاک های درشت دانه فوقانی وجود نداشته باشند، یک لایه درزگیر را می بایست بکار گرفت. توجیه آزمایشی برای شیروانی های خاک اشباع نشده با هر دو جریان هوایی و آب در این مبحث ارائه نشده است، اما آزمایشات مناسبی را می بایست قبل از کاربرد تکنیک جدید انجام داد.
کاربرد خلأ برای تثبیت شیروانی های ماسه خشک
نتیجه گیری
در این مقاله نتیجه گیری های ذیل را می توان حاصل آورد:
فرایند خلأ به عنوان راهکاری جهت نجات شیروانی های خاک پیشنهاد شده است که نشان دهنده بروز مشکلات و فروپاشی های قریب الوقوع می باشند. دو ویژگی روش پیشنهادی، جریان هوا در امتداد خاک های خشک و کارایی تثبیت خلأ مورد بررسی قرار گرفتند. آزمایشات توزیع فشار هوای منفذی و آزمایشات پایداری شیروانی در مقیاس فراهم شده به وسیله مدل های مورد نظر جهت بررسی این دو ویژگی بکار گرفته شده و راهکارهای عددی نیز به منظور آنالیز این مشکلات ارائه شده اند.
دو سری آزمایشات فشار هوای منفذی دو بعدی انجام شد. اولین سری آزمایشات بر مبنای حفظ موقعیت های منابع خلأ و تهویه آنها به اتمسفر بدون تغییر مدنظر بوده، در حالی که تغییر اندازه فشار خلأ نیز از جمله ویژگی های مورد نظر تلقی شده است. فشار هوای منفذی مشاهده شده در یک موقعیت خاص در شیروانی مدل به صورت تقریبی متناسب با سطح خلأ کاربردی می باشد. سری دوم آزمایشات از طریق تغییر شرایط مرزی ارائه شد. توزیع فشار هوای منفذی به میزان زیادی تحت تأثیر شرایط مرزی قرار دارد.
جریان هوای دو بعدی در امتداد ماسه خشک نیز به صورت عددی بر مبنای قانون فیک و قانون بقای جرم مورد اندازه گیری و شبیه سازی قرار گرفت. معادله دینفرانسیل نسبی غالب با استفاده از یک حل کننده جزء محدود، FlexPDE، حل شد. توزیع های فشار هوای منفذی در سطوح مختلف خلأ و سه شرط مرزی در توافق خوبی با موارد اندازه گیری شده در آزمایشات این مدل می باشند.
چهار سری از آزمایشات پایداری، شامل مدل های قرار گرفته در معرض خلأ یکنواخت و توزیع های خلأ غیریکنواخت، جهت بررسی تأثیر خلأ بر روی پایداری شیروانی های خاک، انجام شد. خلأ به میزان شدیدی سبب افزایش پایداری شیروانی های این مدل شده است. مدل T2، کاربرد یک خلأ یکنواخت -۰٫۴ kPa، سبب افزایش زاویه شکست شیروانی از ۳۴ به ۵۸ درجه گردیده است. در آزمایشات مدل T3 و T4، که در معرض خلأ های توزیعی بوده اند، شیروانی های این مدل نیز به میزان معنی داری تثبیت شدند، و بنابراین فروپاشی آنها در زوایای شیروانی بزرگتر ۴۵ و ۵۸ درجه به ترتیب تعیین گردید.
یک برنامه کامپیوتری، Slope-Air، جهت آنالیز پایداری شیروانی های خاک این مدل قرار گرفته در معرض جریان هوا، نوشته شد. روش ساده شده Mohr-Coulomb بخش ها و معیار استحکام ـ برشی مور ـ کولومب مورد استفاده قرار گرفت. فشار هوای منفذی توزیع شده در امتداد تحلیل جزء محدود نیز برای آنالیز پایداری شیروانی تعیین گردید. ضرایب ایمنی محاسبه شده در زمان فروپاشی یا شکست سازگار با نتایج حاصله از آزمایشات پایداری شیروانی این مدل می باشند.
این مطالعه فراهم آورنده یک چارچوب تئوریکی تحلیل عددی پایداری خاک شامل جریان هوا و آب می باشد. چارچوب مرتبط با شیروانی های خاک خشک با توجه به فشارهای هوا مورد بررسی و اعتبارسنجی قرار گرفت. توجیه متعاقب برای شیروانی های خاک اشباع نشده با توجه به جریان هوا و آب را نیز می بایست قبل از کاربرد این چارچوب انجام داد. این روش دارای محدوده گسترده ای از کاربردها در مهندسی ژئومحیطی و انرژی پاک، نظیر استخراج بخار خاک، منزوی سازی کربن دی اکسید و استخراج متان هیدرات می باشد.
لطفا به جای کپی مقالات با خرید آنها به قیمتی بسیار متناسب مشخص شده ما را در ارانه هر چه بیشتر مقالات و مضامین ترجمه شده علمی و بهبود محتویات سایت ایران ترجمه یاری دهید.
