عنوان

فشار وارد بر مجاری با مقطع مربعی مدفون در ترانشه و اجرا شده به روش ترانشه ناقص

پ۲۶۵۱۵

per

فشار وارد بر مجاری با مقطع مربعی مدفون در ترانشه و اجرا شده به روش ترانشه ناقص

ابراهیم حسن خانی

فنی و مهندسی عمران

۱۳۹۹

۱۹۱ص.

سی دی

دکتری

عمران ژئوتکنیک

۱۳۹۹/۰۷/۳۰

اجرای مجاری زیرزمینی، به منظور فراهم کردن راهی جهت انتقال آب و فاضلاب شهری و همچنین معبری جهت تردد عابرین، در سرتاسر دنیا متداول و مرسوم بوده و مقدار فشار وارد بر این مجاری به عنوان مهم¬ترین و ابتدائی¬ترین پارامتر در طراحی به شمار می¬رود. روش "استقرار مجرا در ترانشه ناقص" به عنوان تکنیکی در جهت کاهش مقدار فشار قائم وارد بر سقف مجاری مدفون، روشی شناخته شده می¬باشد و کاربرد این روش در محلی که مجرای زیرزمینی در زیر خاکریزهای با ارتفاع زیاد قرار دارند، باعث کاهش چشمگیر مقدار تنش وارد بر سقف آنها می¬گردد. در این روش، مجرا درون خاکریز قرار گرفته و در بالای آن ناحیه¬ای با مصالح فشردگی¬پذیر قرار داده می¬شود. تغییرشکل ناحیه فشردگی¬پذیر تحت اثر سربار باعث نشست ستون خاک قرار گرفته در بالای مجرا نسبت به خاک اطراف و انتقال تنش به این ناحیه، به علت بروز پدیده قوس می¬گردد. این انتقال تنش مقدار فشار وارد بر تاج مجرا را دچار کاهش نموده و الگوی توزیع تنش در اطراف مجرا دستخوش تغییر می¬شود. به عنوان روشی دیگر به منظور کاهش فشار قائم، می¬توان از اجرای مجاری در ترانشه نام برد. تحقیقات نشان داده است که بروز پدیده قوس در ترانشه¬ها میزان تنش قائم را کاهش می¬دهد. این کاهش تنش به علت توسعه تنش¬های برشی در دیواره ترانشه بر اثر اصطکاک موجود بین دیواره و مصالح خاکریز بوده که باعث انتقال مقداری از تنش قائم به دیواره-های ترانشه گردیده و مجرای قرار گرفته در ترانشه، تنش کمتری را در مقایسه با مقدار وزن ستون خاک بالای آن تجربه می¬نماید. در این مطالعه، با بهره¬گیری از مزایای دو روش بیان شده در کاهش مقدار تنش قائم وارد بر سقف مجرا، روشی معرفی می¬گردد که در آن لایه¬ای از ژئوفوم در بالای مجرای مدفون در ترانشه صلب قرار گرفته و سرباری به منظور شبیه¬سازی وزن خاکریز به آن اعمال می¬گردد. هدف از انجام این مطالعه بررسی ضریب اندرکنش خاک-مجرای اجرا شده به این روش تحت اثر سربار و مطالعه تاثیر پارامترهای مختلف بر این ضریب می¬باشد. ضریب اندرکنش به صورت نسبت فشار واقعی اعمالی به فشار حاصل از وزن سربار تعریف شده و در این مطالعه این ضریب در هر سه وجه بالائی، کناری و پائینی مجرای مدفون مورد مطالعه قرار می¬گیرد. همچنین به جهت مطالعه مقدار تنش انتقالی از ستون خاک بالای مجرا به اطراف آن، این موضوع نیز مورد توجه قرار گرفته است.مطالعات به صورت آزمایشگاهی و تحلیل عددی انجام شده است. ابتدا با استفاده از مدل فیزیکی و بررسی پارامترهای مختلف، میزان تنش وارد بر هر یک از وجوه مجرای مدفون تحت بررسی قرار گرفته که به این منظور اقدام به طراحی و ساخت یک جعبه آزمایش با قابلیت اعمال فشار سربار به منظور شبیه¬سازی فشار ناشی از خاکریز، شده و با ابزارگذاری مناسب در موقعیت¬های مورد مطالعه مقادیر فشار ثبت می¬گردد. در ادامه و با استفاده از نرم¬افزار آباکوس به بررسی مسئله طرح شده در این مطالعه پرداخته شده و تاثیر هر یک از عوامل در حوزه وسیع¬تر مورد ملاحظه قرار گرفته و در پایان نتایج به دست آمده از تحلیل¬ها به این روش ضمن مقایسه با دو روش دفن دیگر در قالب ضریب اندرکنش ارائه شده است. متغیرهائی که در مطالعات آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته¬اند شامل عرض مجرا، عرض ترانشه، ارتفاع ترانشه، مدول ارتجاعی ژئوفوم، عرض ژئوفوم و اصطکاک خاک-مجرای مدفون می¬باشد. در بخش تحلیل¬های عددی انجام شده علاوه بر متغیرهای ذکر شده، بررسی تاثیر متغیرهای هندسی دیگر نظیر ضخامت ژئوفوم و متغیرهای ژئوتکنیکی شامل مدول ارتجاعی و زاویه اصطکاک داخلی و زاویه اتساع خاک و همچنین زاویه سطح تماس ترانشه-خاک مورد توجه قرار گرفته است. نتایج حاصل نشان می¬دهد استفاده از روش مورد مطالعه مقدار فشار انتقالی به دیواره بالائی مجرای مدفون را تا 80 درصد کاهش داده اما به دلیل انحراف تنش از ستون خاک بالای مجرا به ستون¬های خاک کناری مقدار فشار وارد بر دیواره جانبی افزایش یافته که این افزایش فشار به دلیل وجود ترانشه در مقایسه با روش دفن در ترانشه ناقص کمتر می-باشد.تحت اثر فشار سطحی بیشترین و کمترین مقدار فشار به ترتیب به دیواره پائینی و بالائی مجرای مدفون منتقل شده که با تغییر ابعاد ژئوفوم قرار گرفته بر بالای مجرا می¬توان مقادیر فشار اعمالی را کنترل نمود. مشاهده نتایج آزمایشگاهی و عددی نشان می¬دهد که مقادیر فشار منتقل¬شده به دیواره جانبی مجرا مقداری بین فشار در حال سکون و فشار محرک بوده و همواره در روش مورد مطالعه ضریب اندرکنش برای این دیواره کوچکتر از یک می¬باشد. به طور کلی در مقایسه با دو روش دفن در ترانشه و دفن در ترانشه ناقص، مقادیر فشار اعمالی در روش معرفی¬شده (به استثنای مقدار فشار وارد بر دیواره جانبی در مقایسه با روش دفن در ترانشه) کمتر بوده که تاثیر وجود ژئوفوم در مقایسه با وجود ترانشه در این کاهش مقادیر فشار، بیشتر است

Abstract:Box conduits are commonly used as water and sewage transportation systems, passageways, and telecommunication utilities. To design these structures the applied pressure from the embankment should be determined. Where conduits are placed under high fills the applied pressure can damage the conduit and raise the cost of design and construction, so a few methods are considered to reduce the applied pressure. The Induced Trench Installation (ITI) is a technique that significantly reduces the transferred pressure to the buried conduit where it is placed under high embankments. In this method, the conduit is installed within the native soil while a zone of compressible materials is placed on top of it. Deformation of the compressible zone due to overhead weight and in situ surcharge causes the settlement of soil column located at the top of the duct relative to the adjacent soil prisms and results in the development of arching and reduction of transferred pressure to the buried duct. Another way to reduce vertical pressure is to install conduit in a trench, called Trench Installation (TI). Studies have shown that the arching in trenches reduces the amount of vertical stress down to the buried conduit. This pressure reduction is due to the development of shear stresses along the trench side walls which causes the buried conduit to experience less pressure compared to the soil weight and surcharge above.In this study, using the advantages of the two methods in reducing the amount of transferred pressure, a method has been introduced in which a layer of geofoam as a soft material is placed on top of the box conduit in a rigid trench while a surface pressure is applied on the backfill. This method is named as Trenched Induced Trench Installation (TITI). The purpose of this study is to investigate the applied pressure and the soil-conduit interaction coefficient in this method.Experimental and numerical analyses have been conducted to study the transferred pressure to the top wall, side wall, and bottom wall of the buried box conduit. For this purpose, a test box has been designed with the capability of applying surcharge pressure to simulate the embankment pressure. As well, using ABAQUS, the effect of geometrical and geotechnical parameters on pressure reduction has been considered in a wider range. Numerical analyses also aim to compare interaction coefficients for TI, ITI, and TITI. The results show that the TITI method reduces the amount of transfer pressure to the top wall of the buried conduit by 80%, but due to the deviation of stress from the soil prism above the conduit to the adjacent soil columns, the applied pressure on the side wall increases. Under the effect of surface pressure, the maximum and minimum values of pressure are transferred to the lower and upper walls of the buried duct, respectively, which can be controlled by changing the dimensions of the geofoam inclusion. In general, compared to the TI and ITI methods, the applied pressure in the TITI method is lower and the effect of geofoam inclusion is more highlighted compared to the presence of trench in pressure reduction.

Applied Pressure on Box Culverts Buried in Rigid Trenches Using Induced Trench Method

‏حسن خانی،

‏‏ ابراهیم

تهيه کننده

‏مرادی،

‏حلبیان،

‏‏ غلام

‏ امیرمهدی

استاد راهنما

استاد مشاور

‏ تبریز