Experimental Study of The Behavior of Geosynthetic Reinforced Soil Abutments Under The Effect of Loading Shape
Subject Areas : Special
1 - Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran
Keywords: Bridge Abutment, Reinforced Soil, Geosynthetics, Physical Modeling,
Abstract :
Using the reinforced soil method as a method to overcome the weak tensile strength of the soil with the help of metal or polymeric components with appropriate tensile strength is known as one of the fast and economical methods of stabilizing the slopes and building retaining walls. In this research, using physical modeling with high acceleration in a centrifuge, the behavior of reinforced soil abutments with a relatively high height under the effect of external overhead was evaluated. For this purpose, a reinforced soil slope with a height of 35 cm, equivalent to 1050 cm, was made in reality with a scale of 1:30 using a centrifuge and was subjected to loading at an acceleration of 30g. In the construction of reinforced soil walls, sandy soil and 6 layers of geosynthetic reinforcement with a thickness of 0.25 cm were used. The obtained results showed that the bearing capacity of foundations placed on reinforced soil abutments has a direct relationship with the shape of the foundation, and for foundations with the same width, the more the shape of the foundation changes from square to rectangular (the length of the foundation increases), the greater the bearing capacity. The final will be reduced. By examining soil reinforcement elements in different layers in terms of rupture and length increase, it was found that the rupture and increase is the highest for strip foundation and the lowest for square foundation. In other words, with an increase in the depth of the loading level, the impact of stress will increase and more reinforcing layers in depth will be affected by the loading
[1] J. JONES, Guide to Reinforced Fill Structure And Slope Design, 2002.
[2] B.R. Christopher, V. Elias, Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines, United States. Federal Highway Administration, 1997.
[3] N. Abu-Hejleh, J. Zornberg, T. Wang, J. Watcharamonthein, Monitored displacements of unique geosynthetic-reinforced soil bridge abutments, Geosynthetics International 9(1) (2002) 71-95.
[4] H.I. Ling, Y. Mohri, D. Leshchinsky, C. Burke, K. Matsushima, H. Liu, Large-scale shaking table tests on modular-block reinforced soil retaining walls, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental engineering 131(4) (2005) 465-476.
[5] A. Murali Krishna, A. Bhattacharjee, Seismic analysis of reinforced soil retaining walls, Geotechnical Design and Practice: Selected Topics (2019) 159-171.
[6] D. Raisinghani, B. Viswanadham, Centrifuge model study on low permeable slope reinforced by hybrid geosynthetics, Geotextiles and Geomembranes 29(6) (2011) 567-580.
[7] C. Yoo, S.-B. Kim, Performance of a two-tier geosynthetic reinforced segmental retaining wall under a surcharge load: full-scale load test and 3D finite element analysis, Geotextiles and Geomembranes 26(6) (2008) 460-472.
[8] W. Burwash, J. Frost, Case history of a 9 m high geogrid reinforced retaining wall backfilled with cohesive soil, Geosynthetics, Conference, 1991, Atlanta, Georgia, USA, 1991.
[9] R. Fannin, S. Hermann, Performance data for a sloped reinforced soil wall, Canadian Geotechnical Journal 27(5) (1990) 676-686.
[10] K. Yang, J. Zornberg, C. Liu, H. Lin, Stress distribution and development within geosynthetic-reinforced soil slopes, Geosynthetics International 19(1) (2012) 62-78.
[11] K.-h. Yang, Stress distribution within geosynthetic-reinforced soil structures, The University of Texas at Austin2009.
[12] E. Haza, P. Gotteland, J.-P. Gourc, Design method for local load on a geosynthetic reinforced soil structure, Geotechnical & Geological Engineering 18(4) (2000) 243-267.
[13] L. Wichter, P. Risseeuw, G. Gay, Large scale test on bearing behaviour of a woven reinforced earth, Proceeding of the 3rd International Conference on Geotextiles, Vienna, Austria, 1986, pp. 1073-1078.
[14] B. Thamm, B. Krieger, J. Krieger, Full scale test on a geotextile reinforced retaining structure: Proc 4th International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products, The Hague, 28 May–1 June 1990 V1 P3–8. Publ Rotterdam: AA Balkema, 1990, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Pergamon, 1991, p. A384.
[15] R. Bathurst, D. Walters, N. Vlachopoulos, P. Burgess, T. Allen, Full scale testing of geosynthetic reinforced walls, Advances in transportation and geoenvironmental systems using geosynthetics2000, pp. 201-217.
[16] J. Mitchell, M. Jaber, C. Shen, Z. Hua, Behavior of reinforced soil walls in centrifuge model tests, In: Proceedings of Centrifuge '88, Paris, France, 1988, pp. 259-271.
[17] D. Goodings, J. Santamarina, Reinforced earth and adjacent soils: centrifuge modeling study, Journal of geotechnical engineering 115(7) (1989) 1021-1025.
[18] A. Porbaha, D. Goodings, Geotextile reinforced cohesive slopes on weak foundations, Proceedings of Centrifuge, 1994, pp. 623-628.
[19] E. Guler, C. Ocbe, Centrifuge and full scale models of geotextile reinforced walls and several case studies of segmental retaining walls in Turkey, Emirates J Eng Res 8(1) (2003) 15-23.
[20] J.G. Zornberg, Performance of geotextile-reinforced soil structures, University of California, Berkeley, 1994.
[21] F. Arriaga, Responses of geosynthetic-reinforced structures under working stress and failure conditions, University of Colorado at Boulder, 2004.
[22] A. Sommers, B. Viswanadham, Centrifuge model tests on the behavior of strip footing on geotextile-reinforced slopes, Geotextiles and Geomembranes 27(6) (2009) 497-505.
[23] P. Aklil, W. Wu, Centrifuge model tests on foundation on geosynthetic reinforced slope [D], Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013 (2013).
[24] D.M. Wood, Geotechnical modelling, CRC press2014.
[25] L. Fuglsang, The application of the theory of modelling to centrifuge studies, Centrifuge in soil mechanics (1988).
[26] E. Shin, B. Das, Experimental study of bearing capacity of a strip foundation on geogrid-reinforced sand, Geosynthetics International 7(1) (2000) 59-71.
[27] TSR101, General technical specifications of the road 101, Geosynthetics in road construction, Plan and Budget organization, president of the Islamic Republic of Iran, Tehran, IRAN, 2013.
[28] J.G. Zornberg, N. Sitar, J.K. Mitchell, Performance of geosynthetic reinforced slopes at failure, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 124(8) (1998) 670-683.
[29] ASTM.D4595, Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method, ASTM (2017).
[30] T. Pham, S.M. Rahmaninezhad, A. Palma, T. Phan, T. Vu, Analytical Method for Predicting Lateral Facing Deflection of Geosynthetic-Reinforced Soil Abutment Walls, Geo-Congress 2023, 2023, pp. 345-358.
[31] A.B. Cerato, A.J. Lutenegger, Scale effects of shallow foundation bearing capacity on granular material, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 133(10) (2007) 1192-1202.
[32] D. Leshchinsky, G.F. Marcozzi, Bearing capacity of shallow foundations: rigid versus flexible models, Journal of Geotechnical Engineering 116(11) (1990) 1750-1756.
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی تحت اثر شکل بارگذاری
* بهزاد معین
* استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.
moein@znu.ac.ir
تاریخ دریافت: 05/06/1403 تاریخ پذیرش: 29/08/1403
چکیده
استفاده از فرآیند مسلح نمودن خاک بهعنوان روشي جهت برطرف ساختن ضعف مقاومت كششي خاك به كمك اجزاي فلزي يا پليمري با مقاومت كششي مناسب بهعنوان يكي از روشهای سريع و اقتصادي پايدارسازي شیروانیها و احداث ديوارهاي حائل شناخته ميشود. در این تحقیق با استفاده از مدلسازی فیزیکی با شتاب بالا در دستگاه سانتریفیوژ، رفتار کولههای خاک مسلح با ارتفاع نسبتاً بلند تحت اثر سربار خارجی مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور کولهای به ارتفاع 35 سانتیمتر معادل 1050 سانتیمتر در واقعیت با مقیاس 1:30 با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ساخته و تحت بارگذاری در شتاب g30 قرار گرفت. در این تحقیق از خاک دانهای و ششلایه مسلحکننده ژئوسنتتیکی استفاده گردید. نتایج بهدستآمده نشان داد، ظرفیت باربری پیهای قرار گرفته بر روی کولههای خاک مسلح ارتباط کاملاً مستقیمی با شکل پی داشته و برای پیهای با عرض یکسان هرچقدر شکل پی از مربع به شکل مستطیلی تغییر یابد (طول پی افزایش یابد) از میزان باربری نهایی کاسته خواهد شد. با بررسی المانهای مسلحکننده خاک در لایههای مختلف به لحاظ گسیختگی و افزایش طول مشخص گردید که گسیختگی و افزایش برای پی نواری بیشترین مقدار و در پی مربعی کمترین مقدار است. به بیان دیگر با افزایش سطح بارگذاری عمق تأثیر تنش بیشتر شده و لایههای مسلحکننده بیشتری در عمق تحتتأثیر بارگذاری قرار خواهند گرفت.
واژههای کلیدی: کوله پل، خاک مسلح، ژئوسنتتیک، مدلسازی فیزیکی.
نوع مقاله: علمی
نویسنده عهدهدار مکاتبات: بهزاد معین Moein@znu.ac.ir
|
دیوارهای خاک مسلح که بهصورت کوله در ساخت پلها مورداستفاده قرار میگیرد بهصورت ثقلی1 عمل کرده و بوسیله عملکرد اصطکاکی که میان مسلحکنندههایی که بین لایههای خاک قرار میگیرد باعث افزایش مقاومت برشی در خاک میشوند. اگرچه ابتدا از تسمههاي فلزي براي تسلیح خاک استفاده شد، ولی امروزه باتوجهبه دسترس بودن مصالح و بافتههاي پلیمري موسوم به ژئوسنتتیکها، استفاده از آنها در تسلیح خاک رواج بیشتري یافته است. دیوارهاي خاک مسلح از لحاظ فنی و هزینهاي مزایایی را نسبت به سازههای حائل بتن مسلح در مناطقی با شرایط شالوده ضعیف دارد. در این شرایط حذف هزینههاي لازم براي بهبود شالودهها از قبیل به کارگیري شمعها، موجب صرفهجویی به مقدار بیشتر از 50 درصد هزینه کل پروژه میشود. همچنین یکی از بزرگترین مزایاي دیوارهاي خاک مسلح انعطاف پذیري این دیوارها و توانایی آنها براي جذب تغییرشکلها به علت شرایط ضعیف خاک شالودهها میباشد. باتوجهبه عدم شناخت کامل رفتار شیروانیهای خاک مسلح ژئوسنتتیکی بررسی پاسخ رفتار این سازههای خاکی برای رسیدن به درک بهتر از مکانیسمهای گسیختگی و محتمل و بحرانی از اهمیت بسزایی برخوردار است. بمنظور شناخت رفتار دیوارهای خاک مسلح ژئوسنتتیکی، پژوهشگران تحقیقات زیادی در زمینههای تحلیلی، آزمایشگاهی و آزمونهای برجا انجام دادهاند. پژوهشهای آزمایشگاهی عمدتاً شامل، نمونههای کوچک خاک2 مسلح در آزمایشهای برش مستقیم، سه محوری و کرنش مسطح و مدلهای کوچک مقیاس و متوسط مقیاس سازههای خاک مسلح تحت بارگذاری مونوتونیک و یا لرزهای با استفاده از میز لرزه [2-4] و همچنین مدلهای کوچک مقیاس سازههای خاک مسلح در دستگاه سانتریفیوژ و همچنین مدلهای با مقیاس واقعی یا رفتارنگاری دیوارهای خاک مسلح در پروژه های واقعی میباشد.[5-8] تحقیقات انجام شده با استفاده از میز لرزه 
[9, 10] ، نشان میدهد مقاومتی که مسلحکنندهها حین وارد شدن بارهای ناگهانی از خود نشان می دهند بیشتر از مقاومتی است که حین آزمایشهای معمول با بارگذاری استاتیکی ثبت شده است. به عبارت دیگر مقاومت مسلحکنندههای ژئوسنتتیکی تابع تغییرات و یا نرخ سرعت بارگذاری و در نتیجه سرعت تغییرشکل میباشد.
محققین از تحلیل های صورتگرفته بر روی نتایج به دست آمده از آزمایشات با مقیاس واقعی جهت بهبود روش طراحی دیوارهای مسلح ژئوسنتتیکی استفاده نمودند.[11-14] بدلیل مشکلات و هزینه های زیاد تحقیقات تجربی در مقیاس واقعی از یک سو، و قابلیت مدلهای سانتریفیوژ در برقراری تشابه فیزیکی، لحاظ نمودن تنشهای واقعی در مدل برای رسیدن به درک صحیح از تغییرشکلپذیری و مکانیسم گسیختگی از سوی دیگر، امروزه پژوهشهای آزمایشگاهی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ جایگاه ویژهای را به خود اختصاص دادهاند. بررسیها بر روی مدلسازی دیوار خاک مسلح نشان داد، که گسیختگی به نوع مسلحکننده بستگی ندارد و همچنین روشهای طراحی موجود برای دیوارهای خاک مسلح محافظهکارانه بوده، زیرا شکست در مدل سانتریفیوژ در دو برابر شتاب محاسبه شده اتفاق افتاد.[15] در بررسی اثر خاک فونداسیون و خاک پشت دیوار بر رفتار دیوارهای خاک مسلح با استفاده از آزمایش سانتریفیوژ مشاهده گردید، که اثر نوع خاک بر پایداری کلی دیوارها کم میباشد و فونداسیون ساخته شده با خاک کم تراکم در رفتار دیوارهای خاک مسلح اثر خوبی داشته و استفاده از خاکهای چسبنده به جای سنگدانه معمولی در دیوارهای مسلح شده با ژئوتکستایل منجر به بروز رفتارهای مطمئن در سازه میگردد.[16] همچنین در خاکهای چسبنده، طول زیاد مسلحکنندهها باعث بهبود رفتار سازه شده و تغییرشکل های زیاد دیوار ناشی از کشیدگی و افزایش طول ژئوتکستایل ها میباشد نه بیرون کشیدگی آنها [17] در کل میتوان گفت، نتایج بدست آمده از آزمایشهای سانتریفیوژ شامل توصیف خرابی ها، نشستها، الگوهای خرابی مسلحکننده، محل سطح خرابی در ژئوتکستایل و تفسیر مکانیسم خرابی میباشد.[18-20] بررسی پژوهش های آزمایشگاهی صورتگرفته تاکنون درباره دیوارهای خاک مسلح نشان میدهد که باوجود گسترش روزافزون استفاده از مسلحکنندههای ژئوسنتتیکی در ساخت تودههای خاک مسلح بلند با ارتفاع زیاد در دو دهه اخیر، پژوهشگران رفتار سازههای خاک مسلح را در دستگاه سانتریفیوژ عمدتاً تحت اثر وزن سازه مورد بررسی قرار دادهاند.[21-23]
با مرور و بررسی تحقیقات قبلی صورتگرفته در خصوص موضوع این تحقیق، خلأ موجود در زمینه رفتار کولههای خاک مسلح تحت اثر سربار را میتوان بهوضوح دریافت؛ لذا در این تحقیق با مدل نمودن دیوار خاک مسلح به ارتفاع 35 سانتیمتر با ششلایه مسلحکننده در سانتریفیوژ که معادل دیواری به ارتفاع 1050 سانتیمتر در واقعیت است، رفتار دیوار خاک مسلح به ژئوتکستایل تحت بار خارجی مورد ارزیابی قرار گرفت.
1-2- دستگاه سانتریفیوژ و ضرایب تشابه
با استفاده از دستگاه سانتريفيوژ مدل ساخته شده در يک ميدان ثقل بالاتر از شتاب طبيعي زمين قرار ميگيرد. اين امر باعث افزايش تنشهاي ناشي از وزن تا حد تنشهاي واقعي ميگردد و لذا رفتار مدل مشابهت زيادي به رفتار واقعي پيدا ميکند. دستگاه سانتریفیوژ شامل موتور دوران، بازوی دوران و همچنین یک سبد حاوی مدل فیزیکی است. شکل 1، اجزای اصلی سانتریفیوژ مورداستفاده در این تحقیق را نشان میدهد.
[1] . Gravity
[2] . single element
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی.../ بهزاد معین 187 |
الف |
|
ب |
شکل 1. الف: اجزای اصلی سانتریفیوژ بازویی و ب: دستگاه سانتریفیوژ Actidyn C67 مورداستفاده
دستگاه سانتریفیوژ مورداستفاده در این تحقیق مدل Actidyn C67 ساخت فرانسه و مستقر در دانشگاه تهران میباشد که دارای شعاع 3 متر است و سطح سبد محل نصب مدل فیزیکی مساحت 100×80 سانتی مترمربع دارد. این دستگاه قادر است مدل به وزن 1500 کیلوگرم را بهشتاب 100g برساند.
بین تنشهای معادل در واقعیت نسبت به مدل سانتریفیوژ، یک مقیاس خطی برقرار است. در ساخت مدل سانتریفیوژ، ابعاد با ضریب 1/N مدل میشود و نیروهای حجمی گرانشی با ضریب N افزایش مییابند و تنشهای ناشی از نیروهای حجمی مشابه در مدل و نمونه واقعی برابر خواهند بود. سایر روابط مقیاس نیز باید بر پایه این ضرایب محاسبه میگردند. ضرایب مقیاس رایج در مدلهای سانتریفیوژ در جدول 1 ارائه شده است.
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی .../ بهزاد معین 188 |
پیشرفتهای اقتصادی و راهکارهای پذیرش.../ سیدامید آذرکسب و همکار 140 |
مقدار | واقعیت (شتاب جاذبه زمین) | مدل (شتاب اعمالی) |
طول (متر) | 1 | 1/N |
مساحت (مترمربع) | 1 | 1/N2 |
شتاب (متر بر مجذور ثانیه) | 1 | N |
تنش (کیلونیوتن بر مترمربع) | 1 | 1 |
نیرو (کیلونیوتن) | 1 | 1/N2 |
کرنش (درصد) | 1 | 1 |
سختی ژئوتکستایل (کیلونیوتن بر متر) | 1 | 1/N |
(N شتاب اعمالی توسط سانتریفیوژ به مدل ژئوتکنیکی) | ||
جعبه آزمایش مورداستفاده محفظهای به ابعاد داخلی 56×81 و ارتفاع 51 سانتیمتر از جنس فولاد میباشد. براي کنترل عرض جعبه آزمایش مسئله مهم تاثير مرزهاي صلب روي مکانيزم گسيختگي برشي خاك و ابعاد مورد نیاز مسلحکننده باتوجهبه بعد میباشد. براساس تحقیقات انجام شده بعد مورد نیاز مسلحکننده حدود 5 تا 6 برابر قطر پی میباشد.[26] باتوجهبه حداکثر بعد پی، طول و عرض داخلی جعبه آزمایش 80 و 40 سانتیمتر در نظر گرفته شد.
مصالح بکار رفته در این تحقیق، خاک دانهای از نوع ماسه است. ماسه مذکور، ماسه سیلیسی شکسته با دانهبندی یکنواخت هست. مشخصات فیزیکی ماسه و منحنی دانهبندی مصالح بکار رفته در ساخت مدل در جدول 2 و شکل 2 نشاندادهشده است.
جدول 2. مشخصات ماسه استاندارد مورداستفاده
مشخصات فیزیکی | مقدار |
توده ویژه دانههای جامد | 658/2 |
حداکثر تخلخل (درصد) | 943/0 |
حداقل تخلخل (درصد) | 597/0 |
ضریب یکنواختی | 87/1 |
ضریب خمیدگی | 88/0 |
زاویه اصطکاک داخلی (درجه) | 33/33 |
وزن مخصوص (کیلونیوتن بر مترمکعب) | 50/15 |
شکل 2. منحنی دانهبندی ماسه مورداستفاده در ساخت مدلها
در احداث کولههای خاک مسلح، عموماً از دو گروه مصالح مسلحكننده؛ الف) مصالح پلیمری، از خانواده ژئوسنتتيكها و ب) مصالح فلزی شامل تسمههاي فلزي استفاده ميشود. افزایش طول عمر مفيد، توجيه اقتصادي و اقبال طراحان به استفاده از مسلحکنندههای پلیمری، موجب افزایش استفاده از این نوع مسلحکنندهها شده است.[27] ابعاد ورقه های مسلحکننده 30 سانتیمتر عرض و 40 سانتیمتر طول میباشد که در شکل3. الف نشاندادهشده است و نسبت مقیاس مسلحکننده از نوع ژئوتکستایل در مدل سانتریفیوژ و واقعیت مطابق نمودار شکل3. ب میباشد.
|
|
الف | ب |
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی.../ بهزاد معین 189 |
جهت تعیین ضخامت و سایر مشخصات ژئوتکستایل نبافته (جدول 3) از نتایج دستورالعمل ASTM-D4549 استفاده شد.[29]
جدول 3. مشخصات عددی آزمایش کشش طولی ژئوتکستایل
مقدار | مشخصات ژئوتکستایل نبافته |
25/0 | ضخامت (میلیمتر) |
25/30 | مدول الاستیسیته (نیوتن بر میلیمترمربع) |
40/39 | وزن واحد سطح (گرم بر مترمربع) |
79 | بارکششی نهایی (نیوتن) |
27/5 | تنش نهایی (نیوتن بر میلیمترمربع) |
60/78 | کشش نهایی (میلیمتر) |
جهت رسیدن به ارتفاع محاسبه شده برای ساخت مدل کوله خاک مسلح، تراکم خاک بهصورت حجمی - وزنی کنترل گردید. ازاینرو ابتدا ساخت پی مدل با ارتفاع 50 میلیمتر و با استفاده از ماسه صورت گرفت، سپس بخشی از لایه مسلحکننده به ابعاد 40×30 سانتیمتر در بخشی از سطح مدل گسترده شده (شکل3.الف) و مصالح خاکی وزن شده روی آن پخش گردید و تا رسیدن خاک به ارتفاع مورد نظر که همان تراکم محاسبه شده است، کوبش ادامه پیدا کرد (شکل4.ج). جهت رسیدن به تراکم مورد نظر در هر آزمایش، بایستی خاک بهصورت لایه لایه ریخته شود. یعنی در یک حجم مشخص بایستی وزن مشخصی از خاک به طور یکنواخت ریخته و کوبیده شود.
|
|
الف | ب |
|
|
ج | د |
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی .../ بهزاد معین 190 |
جهت بالابردن دقت در رسیدن به تراکم موردنظر، لایهها به عمق 5/2 سانتیمتر در نظر گرفته شدند. با استفاده از بارش خشک و به کاربردن قیف با ثابت نگه داشتن ارتفاع ریزش ماسه در هر لایه، خاک ریخته شد و بعد از تسطیح و تراز کردن سطح با استفاده از کوبه استاندارد آزمایشگاه لایه کوبیده شد تا به حجم محاسبه شده برسد. بعد از آماده شدن هر لایه 5 سانتیمتری و پهن نمودن ژئوتکستایل، جهت مشاهده تغییرات وضعیت خاک زیر پی از ماسه رنگ شده در قسمت دیواره شفاف جعیه آزمایش استفاده شد. در کل جهت ساخت دیوارخاک مسلح با استفاده از ژئوتکستایل، مطابق دستورالعمل ارتش امریکا به شیوه دورپیچ عمل شد.[27]
برای اعمال بار افزایشی به مدل از میله متصل به جک هیدرولیکی کنترلی استفاده شد. سیستم بارگذاری موجود طوری طراحی شده است که توانایی تولید نیروی فشاری تا مقدار 5 تن را داشته باشد و نیز فضای کمی اشغال نماید. هنگامی که سبد حاوی مدل ساخته شده به چرخش در آمد و تنش ها در خاک به حد واقعی تنش ها در شرایط واقعی رسید (معادل 30 برابر شتاب جاذبه زمین)، میله متصل به جک هیدرولیکی نیرویی را با سرعت 72/1 سانتیمتر بر ثانیه اعمال مینماید. شکل 5، سیستم بارگذاری مورداستفاده در این تحقیق را نشان میدهد.
از دو نوع پی مربعی و پی مستطیلی با جنس فولاد یکسان در این تحقیق استفاده شده است. عرض های انتخاب شده بر اساس محدودیت ابعاد سبد ساننتریفوژ و جعبه آزمایش به گونه ایست که محدوده ی تاثیر گوه گسیختگی پی ها از مرزها تاثیر نگیرد. در آزمایشات قبلی که بر روی طیف وسیعی از ابعاد پی و دو نوع خاک ریزدانه یکنواخت و خوب دانهبندی شده انجام شده بود حداکثر طول گوه های گسیختگی پی از طرفین عرض پی به اندازه 25/3 برابر عرض بود. [31] همچنین در تحقیق دیگری میزان تاثیر گوه گسیختگی از کناره عرض پی در محدوه رابطه زیر توصیه شده است. [32]
|
که
طول گوه گسیختگی از لبه عرض پی و B عرض پی است. برایناساس در این تحقیق حداکثر نسبت فاصله آزاد لبه پی تا مرز به عرض پی حدود 4 است. در پیهای به کار گرفته شده در آزمایشهای لشچینسکی حداقل نسبت طول به عرض پی 4 است درحالیکه فرض پی نواری و تعیین ظرفیت باربری نواری و تعیین ظرفیت باربری پی با استفاده از رابطه ترزاقی صورتگرفته که در این تحقیق این نسبت حدود 5 است. ازآنجاکه فرض تحقیق برای پی صلب هست، صلبیت این پیها با انتخاب فولاد سخت و استفاده از سختکنندههای فولادی در بخشهای میانی پی تأمین شد. شکل 5 و شکل 6 مشخصات پیهای صلب مورداستفاده در این تحقیق را نشان میدهد.
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی.../ بهزاد معین 191 |
شکل 5. مشخصات پی مربعی جهت بارگذاری کوله خاک مسلح
شکل 6. مشخصات پی مستطیلی جهت بارگذاری کوله خاک مسلح
در این تحقیق، آزمایشها از ترکیب دو پارامتر اصلی ابعاد پی و فاصله پی با پارامترهای ثابت فاصله قائم مسلحکنندهها، جنس مسلحکنندهها، ارتفاع دیوار و زاویه شیب با سطح افق حاصل میشود. شکل 5 و شکل 6، هندسه عمومی مدلهای مورد بررسی را نمایش میدهد. پارامترهای ثابت و متغیر مدل در جدول 4 درج شده اند.
جدول 4. مشخصات عمومی آزمایشها
پارامترها | مقدار |
ارتفاع کوله خاک مسلح از سطح پی (میلیمتر) | 300 |
ارتفاع پی کوله خاک مسلح (میلیمتر) | 50 |
زاویه کوله خاک مسلح با سطح افق (درجه) | 70/78 |
فاصله لبه بیرونی پی از لبه شیروانی (میلیمتر) | 50 |
تعداد لایه مسلحکننده | 6 |
فاصله قایم مسلحکنندهها (میلیمتر) | 50 |
عرض مسلحکننده در کل لایهها (میلیمتر) | 400 |
طول برگشتی مسلحکننده در لایه بعدی (میلیمتر) | 50 |
تراکم نسبی لایههای ماسه (درصد) | 50 |
1-3- رفتار پی و لایههای مسلحکننده در طول آزمایش
در این تحقیق مدل آزمایش پی مربعیشکل Model Sq مطابق با مشخصات جدول 4 ساخته شد و تحت بارگذاری صفحه مربعیشکل به ابعاد 5/7 × 5/7 سانتیمتر و مساحت 25/56 سانتیمترمربع در شتاب g30 قرار گرفت. نمودارشکل 7 نیروی وارده نسبت به زمان را برای این آزمایش نشان میدهد. همان طوریكه ملاحظه ميگردد، ميزان نیرو زیر صفحه بارگذاری از لحظه شروع آزمایش تا لحظه اعمال بار (5/529 ثانیه) دارای مقدار صفر و نزدیک به صفر بوده و پس از اعمال بار، به مقدار حداکثر خود 277/317 کیلوگرم نیرو ميرسد، سپس دستگاه سانتریفیوژ با کاهش سرعت دوران به سمت کاهش شتاب حرکت میکند. نیروی وارده از جک در محدوده بارگذاری (5/529 تا 5/533 ثانیه) درشکل 7.ب نشان داده شده است.
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی .../ بهزاد معین 192 |
|
الف |
|
ب |
شکل 7. مشخصات نمودار نیرو – زمان آزمایش پی مربعیشکل Model Sq
الف: از شروع تا انتهای آزمایش و ب: در محدوده بارگذاری آزمایش
مشخصات اندازهگیری و محل گسیختگی مسلحکنندهها نشان میدهد که گسیختگی در لایه بالایی (لایه ششم) اتفاق افتاده و با کاهش ارتفاع دیوار خاک مسلح بهتدریج نیروی کمتری به مسلحکنندهها منتقل شده است (شکل
8). لایههای پایینی (لایه پنجم تا دوم) صرفاً دچار کشش شدند و لایه پایینی (لایه اول) بدون تغییر ظاهری مانده است.
آزمایش پی مستطیلی شکل Model Rec تحت بارگذاری صفحه مستطیلی شکل به ابعاد 5/22 × 5/7 و با 5 سانتیمتر فاصله لبه بیرونی پی از لبه شیروانی در شتاب g30 قرار گرفت. شکل 8 نمودار نیروی وارده نسبت به زمان را برای آزمایش نشان میدهد. همانطوریكه ملاحظه ميگردد، ميزان نیرو زیر صفحه بارگذاری از لحظه شروع آزمایش تا لحظه اعمال بار (6/491 ثانیه) دارای مقدار صفر و نزدیک به صفر بوده و پس از اعمال بار، به مقدار حداکثر خود 77/484 کیلوگرم نیرو ميرسد، سپس دستگاه سانتریفیوژ با کاهش سرعت دوران به سمت کاهش شتاب حرکت میکند. نیروی وارده از جک در محدوده بارگذاری (6/491 تا 6/494ثانیه) در شکل8. ب نشان داده شده است.
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی.../ بهزاد معین 193 |
|
الف. |
|
ب. |
شکل 8. مشخصات نمودار نیرو – زمان آزمایش پی مستطیلی شکل Model Rec
الف: از شروع تا انتهای آزمایش و ب: در محدوده بارگذاری آزمایش
در مدل آزمایش Model Rec از ششلایه مسلحکننده ژئوتکستایل در فواصل یکسان 5 سانتیمتری استفاده شده است. مشاهدات حاصل از گسیختگی مسلحکنندهها بعد از بارگذاری پی مستطیلی نشان میدهد که گسیختگی از لایههای بالایی (لایه ششم تا چهارم) شروع شده (شکل 8)
و با کاهش ارتفاع دیوار در بخش های پایینی (لایه سوم و دوم) لایهها صرفاً دچار کشش شده است. همچنین پایینترین لایه (لایه اول) بدون تغییر ظاهری باقی مانده است.
|
|
الف: مسلحکننده لایه ششم (بالاترین لایه) مدل پی مربعی | د: مسلحکننده لایه ششم (بالاترین لایه) مدل پی مستطیلی |
|
|
ب: چهارمین لایه مسلحکننده (لایه میانی) مدل پی مربعی | ه: چهارمین لایه مسلحکننده (لایه میانی) مدل پی مستطیلی |
|
|
ج: ششمین لایه مسلحکننده (پایینترین لایه) مدل پی مربعی | و: ششمین لایه مسلحکننده (پایینترین لایه) مدل پی مستطیلی |
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی .../ بهزاد معین 194 |
تأثیر شکل بارگذاری بر جابهجاییهای افقی نهایی رویه دیوار کوله در شکل 10 مورد بررسی قرار گرفته است. این جابجاییها در آخرین مرحله بارگذاری ثبت شدهاند.
چنانچه ملاحظه میشود با ثابتبودن فاصله بار از لبه شیروانی، جابهجاییهای افقی به طور متوسط برای پی مستطیلی بیشترین مقدار و پی مربعی کمترین مقدار را دارد. همانطوریکه مشاهده میشود بیشترین جابجایی افقی در بخش دو سوم میانی ارتفاع کوله پل رخ داده است.
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی.../ بهزاد معین 195 |
شکل 10. نمودار نهایی جابجایی افقی رویه دیوار
در این تحقیق تغييرات شکل صفحه بارگذاري در رفتار کوله خاک مسلح در مدلسازی سانتریفیوژ بررسی شده است. در مطالعه حاضر شیروانی مسلح شده با ژئوتکستایل توسط دو پی با عرض یکسان و شکلهای متفاوت مربعی و مستطیلی بهصورت کرنش کنترل شده تا رسیدن به گسیختگی و باربری نهایی بارگذاری شده است. باتوجهبه تحقیق ارائه شده پارامترهایی از جمله فاصله پی از لبه شیروانی خاک مسلح در فاصله 5 سانتیمتر برای کوله خاک مسلح کاملاً یکسان بررسی و مکانیزم گسیختگی، ظرفیت باربری، شرایط مسلحکنندهها قبل و بعد از گسیختگی و سطح گسیختگی به وجود آمده آنالیز گردید. نتایج حاصل از این تحقیق به شرح زیر است.
· ظرفیت باربری پیهای قرار گرفته بر روی کولههای خاک مسلح ارتباط کاملاً مستقیمی با شکل پی داشته و برای پیهای با عرض یکسان هرچقدر شکل پی از مربع به شکل نواری تغییر یابد (طول پی افزایش یابد) از میزان ظرفیت باربری نهایی کاسته خواهد شد.
· نوع نمودارهای بار نشست در پیهای مختلف نشان میدهد با تغییر شکل پی از مستطیل به مربعی نوع گسیختگی از کلی به گسیختگی پانچ تغییر میکند.
· بررسی جابهجاییهای افقی نهایی دیوار در ترازهای مختلف نشان میدهد که با ثابتبودن فاصله پی از لبه شیروانی، جابهجاییهای افقی به طور متوسط برای پی مستطیلی بیشترین مقدار و پی مربعی کمترین مقدار را دارد.
· با بررسی المانهای مسلحکننده خاک در لایههای مختلف به لحاظ گسیختگی و افزایش طول، مشخص گردید که بهطورکلی گسیختگی و افزایش طول ژئوتکستایلها و همچنین عمق سطح گسیختگی شیروانی برای پیهای با عرض یکسان در شکل مستطیلی بیشترین مقدار و در پی مربعی کمترین مقدار است. به بیان دیگر با افزایش سطح بارگذاری عمق تأثیر تنش بیشتر شده و لایههای مسلحکننده بیشتری در عمق، تحتتأثیر بارگذاری قرار خواهند گرفت.
منابع
1. B.R. Christopher, V. Elias, Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines, United States. Federal Highway Administration, 1997.
2.N. Abu-Hejleh, J. Zornberg, T. Wang, J. Watcharamonthein, Monitored displacements of unique geosynthetic-reinforced soil bridge abutments, Geosynthetics International 9(1) (2002) 71-95.
3.H.I. Ling, Y. Mohri, D. Leshchinsky, C. Burke, K. Matsushima, H. Liu, Large-scale shaking table tests on modular-block reinforced soil retaining walls, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental engineering 131(4) (2005) 465-476.
4.A. Murali Krishna, A. Bhattacharjee, Seismic analysis of reinforced soil retaining walls, Geotechnical Design and Practice: Selected Topics (2019) 159-171.
5. D. Raisinghani, B. Viswanadham, Centrifuge model study on low permeable slope reinforced by hybrid geosynthetics, Geotextiles and Geomembranes 29(6) (2011) 567-580.
6.C. Yoo, S.-B. Kim, Performance of a two-tier geosynthetic reinforced segmental retaining wall under a surcharge load: full-scale load test and 3D finite element analysis, Geotextiles and Geomembranes 26(6) (2008) 460-472.
7. W. Burwash, J. Frost, Case history of a 9 m high geogrid reinforced retaining wall backfilled with cohesive soil, Geosynthetics, Conference, 1991, Atlanta, Georgia, USA, 1991.
8.R. Fannin, S. Hermann, Performance data for a sloped reinforced soil wall, Canadian Geotechnical Journal 27(5) (1990) 676-686.
9.K. Yang, J. Zornberg, C. Liu, H. Lin, Stress distribution and development within geosynthetic-reinforced soil slopes, Geosynthetics International 19(1) (2012) 62-78.
10.K.-h. Yang, Stress distribution within geosynthetic-reinforced soil structures, The University of Texas at Austin2009.
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی .../ بهزاد معین 196 |
12.L. Wichter, P. Risseeuw, G. Gay, Large scale test on bearing behaviour of a woven reinforced earth, Proceeding of the 3rd International Conference on Geotextiles, Vienna, Austria, 1986, pp. 1073-1078.
13.B. Thamm, B. Krieger, J. Krieger, Full scale test on a geotextile reinforced retaining structure: Proc 4th International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products, The Hague, 28 May–1 June 1990 V1 P3–8. Publ Rotterdam: AA Balkema, 1990, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Pergamon, 1991, p. A384.
14.R. Bathurst, D. Walters, N. Vlachopoulos, P. Burgess, T. Allen, Full scale testing of geosynthetic reinforced walls, Advances in transportation and geoenvironmental systems using geosynthetics2000, pp. 201-217.
15.J. Mitchell, M. Jaber, C. Shen, Z. Hua, Behavior of reinforced soil walls in centrifuge model tests, In: Proceedings of Centrifuge '88, Paris, France, 1988, pp. 259-271.
16.D. Goodings, J. Santamarina, Reinforced earth and adjacent soils: centrifuge modeling study, Journal of geotechnical engineering 115(7) .198(9) 1021-1025.
17. A. Porbaha, D. Goodings, Geotextile reinforced cohesive slopes on weak foundations, Proceedings of Centrifuge, 1994, pp. 623-628.
18. E. Guler, C. Ocbe, Centrifuge and full scale models of geotextile reinforced walls and several case studies of segmental retaining walls in Turkey, Emirates J Eng Res 8(1) (2003) 15-23.
19. J.G. Zornberg, Performance of geotextile-reinforced soil structures, University of California, Berkeley, 1994.
20. F. Arriaga, Responses of geosynthetic-reinforced structures under working stress and failure conditions, University of Colorado at Boulder, 2004.
21. A. Sommers, B. Viswanadham, Centrifuge model tests on the behavior of strip footing on geotextile-reinforced slopes, Geotextiles and Geomembranes27. 505-497 (2009) (6).
22. P. Aklil, W. Wu, Centrifuge model tests on foundation on geosynthetic reinforced slope [D], Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013(2013).
23. B. Moein, M. Khodaparast, A.M. Rajabi, Effect of footing geometry on the slope of reinforced soil during centrifuge modeling, Arabian Journal of Geosciences 15(5) (2022) 425.
24. D.M. Wood, Geotechnical modelling, CRC press2014.
25. L. Fuglsang, The application of the theory of modelling to centrifuge studies, Centrifuge in soil mechanics (1998).
26. E. Shin, B. Das, Experimental study of bearing capacity of a strip foundation on
geogrid-reinforced sand, Geosynthetics International 7(1) (2000) 59-71.
27. TSR101, General technical specifications of the road 101, Geosynthetics in road construction, Plan
مطالعه تجربی رفتار کولههای خاک مسلح ژئوسنتتیکی.../ بهزاد معین 197 |
28. J.G. Zornberg, N. Sitar, J.K. Mitchell, Performance of geosynthetic reinforced slopes at failure, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 124(8) (1998) 670-683.
29. ASTM.D4595, Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method, ASTM (2017).
30. T. Pham, S.M. Rahmaninezhad, A. Palma, T. Phan, T. Vu, Analytical Method for Predicting Lateral Facing Deflection of Geosynthetic-Reinforced Soil Abutment Walls, Geo-Congress 2023, 2023, pp. 345-358.
31. A.B. Cerato, A.J. Lutenegger, Scale effects of shallow foundation bearing capacity on granular material, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 133(10) (2007) 1192-1202.
32. D. Leshchinsky, G.F. Marcozzi, Bearing capacity of shallow foundations: rigid versus flexible models, Journal of Geotechnical Engineering 116 (1990) (11) 1756-1750.