۲۲۴۴۳پ
per
فرم فازی تحلیل همبسته محیط های متخلخل خاکی در شرایط جریان غیرخطی سیال منفذی تحت بارهای دینامیکی به روش المان محدود
Fuzzy form of Coupled Analysis of porous media with non linear pore fluid flow Subjected to Dynamic loading using Finite Element Method
/فریده حسین نژاد
: مهندسی عمران
، ۱۳۹۸
، افشاری
۲۱۸ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
مهندسی عمران،مهندسی آب
۱۳۹۸/۱۱/۰۵
تبریز
خاک محیطی متخلخل می‌صباشد که این ویژگی باعث بروز رفتاری متفاوت از رفتار جامدات در آن می‌صشود .در تحلیل محیطصهای متخلخل خاکی به دلیل چند فازی بودن محیط، نیاز به تحلیل همزمان محیط خاک و سیال و اتخاذ رویکرد تنش موثر در تحلیل‌صها می‌صباشد .این موضوع در تحلیل‌های دینامیکی اهمیت بیشتری می‌صیابد زیرا افزایش لحظه‌صای فشارصحفره‌صای در اثر تحریک دینامیکی می‌صتواند منجر به از دست دادن مقاومت برشی خاک شده و در نتیجه موجب ایجاد روانگرایی شود .معادلات بیوت که اندرکنش سیال و خاک را به طور همزمان در نظر می‌گیرند از کاربردی‌صترین روابط موجود در تحلیل‌ص روانگرایی محیطهای متخلخل می‌صباشند .اما به دلیل افزایش ناگهانی اضافه فشار در اثر تحریک لرزه‌صای و وقوع گرادیان‌صهای هیدرولیکی بالا، فرض جریان دارسی به کار رفته دراین معادلات مورد تردید قرار می‌صگیرد و امکان برقراری جریان غیردارسی محتمل می‌صشود .از طرفی تشکیلات‌ص خاکی ساختاری ناهمگن و ناهمسان دارند و از اینرو پارامترصهای محیطصخاکی را نمی‌صتوان با عدد مشخصی بیان نمود لذا نتایج حاصل از تحلیل با یک مقدار مشخص از پارامترصها، نمی‌صتواند نشان‌صدهنده طیف جواب‌صهای ممکن برای محیط خاکی باشد .استفاده از تئوری فازی می‌صتواند راه‌صحل مناسبی برای غلبه بر این محدودیت باشد و عدم قطعیت‌صهای موجود در پارامترصهای محیط خاکی می‌صتواند بوسیله اعداد فازی به حساب آورده شود .در بررسی حاضر ضمن استفاده از معادلاتu - pبرای مدلسازی محیط متخلخل و درنظرگرفتن جریان از نوع دارسی و غیردارسی)دارسی معادل(، برای در نظر گرفتن عدم قطعیت در تعریف پارامترهای محیط خاکی)محیط متخلخل(، مشخصات خاک در معادلات حاکم به صورت عدد فازی به کار رفته و فرم فازی معادلات اندرکنش جهت بررسی رفتار محیط متخلخل در نظر گرفته شده است .به منظور شبیه سازی عددی مدل نیز از روش المان محدود برای گسسته سازی مکانی و از روش بتای نیومارک برای گسسته سازی زمانی معادلات حاکم استفاده شده است .معادلات با نوشتن کدی در محیط فرترن حل شده و پاسخ سیال حفره ای و اسکلت جامد در بارگذاری دینامیکی در دو حالت جریان خطی و غیر خطی سیال بررسی شده است .لازم به ذکر است رفتار غیرخطی خاک نیز با مدل پاستور-زینکویچ-چان مدل می‌صشود .طبق نتایج حاصل در گرادیان های پایین هیچ گونه تمایزی بین مدل جریان سیال دارسی و غیر دارسی وجود ندارد، اما وقتی گرادیان‌ص فشار به اندازه کافی بزرگ باشد، بسته به استفاده از مدل دارسی یا غیر دارسی جریان سیال در تحلیل، نتایج متفاوت بوده و نتایج به دست آمده با استفاده از مدل جریان غیردارسی برای اضافه فشار حفره‌صای بالاتر از مقادیر مربوط به جریان دارسی است .همچنین با بررسی تاثیر مشخصات زلزله ورودی بر نوع جریان حاکم بر محیط متخلخل مشخص شد اختلاف بین نتایج دو نوع مدل دارسی و غیر دارسی با کاهش محتوای فرکانس رکورد ورودی افزایش می‌صیابد و افزایش حداکثر سرعت ( (PGVرکورد ورودی، باعث ایجاد جریان غیر دارسی در محیط متخلخل می شود .انجام پژوهش را می‌صتوان به سه بخش اصلی تقسیم نمود .در بخش اول، تحلیل فازی محیط متخلخل اشباع بوسیله معادلات همبسته و فرض رفتار الاستیک خاک مورد بررسی قرار می‌صگیرد .در بخش دوم، ابتدا مدل اجزای محدود توسعه داده شده برای تحلیل همبسته غیرخطی محیطصهای متخلخل اشباع با نتایج تجربی اعتبارسنجی شده و در ادامه بعد از توسعه مدل جهت در نظرگرفتن شرایط غیراشباع، جریان غیرخطی سیال نیز در معادلات همبسته در نظر گرفته شد .سپس با استفاده از این مدل، دو مدل رفتاری خطی و غیرخطی جریان سیال بواسطه تحلیل شکست سد سانفرناندو پایین دست طی زلزله ۱۹۷۱ سانفرناندو مقایسه شدند .و تأثیر جریان غیر دارسی بر پتانسیل روانگرایی و پاسخ دینامیکی سد مورد بررسی قرار گرفت .همچنین تاثیر محتوای فرکانسی حرکت ورودی بر نوع جریان سیال در تحلیل این سد بررسی شده است .در نهایت، در بخش سوم، تحلیل فازی محیط متخلخل اشباع بوسیله معادلات همبسته و فرض رفتار غیرخطی خاک ارائه شده است
The porous structure of the soil leads to its different behavior from continuum solids. In the analysis of porous soil environments due to the multi-phase media, it is necessary to analyze the soil and fluid environments simultaneously and adopt an effective stress approach in the analysis. This is especially important in dynamic analysis. Because the sudden increase in the excess pore pressure due to dynamic excitation can lead to loss of shear strength of the soil and thus cause liquefaction. Biot equations that consider interaction between fluid and soil simultaneously are among the most applicable relationships in the liquefaction analysis of the porous media. However, due to the sudden increase in excess pore pressure caused by seismic excitation and the occurrence of high hydraulic gradients, the Darcy flow assumption used in these equations is questioned and the possibility of non-Darcy flow is probable. On the other hand, due to inhomogeneous and anisotropic structure of soil matrix, it is not possible to define the soil parameters with the crisp numbers. Consequently analysis results that are obtained by only one specific crisp value for uncertain input parameters, cannot be representative for the whole spectrum of the possible results. To solve these limitations, application of fuzzy arithmetic proves to be a practical approach. Using fuzzy modeling approach, uncertainties of soil parameters are taken in to account by the fuzzy numbers. In the present study, while using u-p equations for modeling porous media and considering Darcy and non Darcy flow (equivalent Darcy equation), To consider the uncertainties in the definition of soil (porous media) parameters, the soil properties in the governing equations were applied as fuzzy numbers and the fuzzy form of interaction equations were considered to investigate the behavior of the porous medium. In order to numerical simulation of the model, finite element method, as well as a generalized Newmark scheme was applied to the spatial discretization of nonlinear governing equations and the time integration, respectively. This set of equations has been solved by developed FORTRAN finite element code; And the response of the pore fluid and the solid skeleton to the dynamic loading in both linear and nonlinear fluid flow conditions were investigated. It should be noted that nonlinear soil behavior was also modeled by Pastor-Zienkiewicz -Chan model. Based on the results, no difference was observed between Darcy and non-Darcy models of fluid flow in low gradients while the results are different depending on using Darcy or non-Darcy model of the fluid flow in the analysis when the pressure gradient was large enough. Additionally, the results of non-Darcy flow model were higher for the excess pore pressure compared to those of the Darcy flow model. Also, by examining the effect of input earthquake characteristics on the type of flow governing the porous media, it was found that the discrepancy between the results of the two types of Darcy and non- Darcy models increase by decrease of the frequency content of input earthquake. And increase of the maximum velocity (PGV) of the input record results in non-Darcy flow in the porous medium. Research can be divided into three main sections. In the first part, fuzzy analysis of the saturated porous media was investigated by coupled equations and assumed elastic behavior of soil. In the second part, first the developed finite element model for nonlinear coupled analysis of saturated porous media was validated with experimental results and then after developing the model to consider unsaturated conditions, nonlinear fluid flow was also considered in the coupled equations. Then using this model, the Darcy and non-Darcy flow models were compared through the dynamic analysis of the failure of lower San Fernando dam under 1971 earthquake and the effect of non-Darcy flow on the evaluated liquefaction potential and dynamic response of dam was investigated accordingly. Also the influence of the frequency content of the input motion on the type of fluid flow in the dam analysis was investigated too. Finally, in third section, fuzzy analysis of the saturated porous media by coupled equations through assumption of nonlinear soil behavior was presented
Fuzzy form of Coupled Analysis of porous media with non linear pore fluid flow Subjected to Dynamic loading using Finite Element Method
حسین نژاد، فریده
Hosseinejad, Farideh
کلاته، فرهود، استادراهنما
حاجی علیلوی بناب، مسعود، استادمشاور
مجتهدی، علیرضا، استادمشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
