مدلسازی عددی در ژئوتکنیک و سازه

وبلاگی در زمینه نکات جالب مدلسازی در عمران علاقمندان برای دریافت مطالب رمز دار با پرداخت هزینه می توانند آنرا دریافت نمایند .

Numerical Analysis of the Seepage
نویسنده : رضا حیدری - ساعت ٩:۱٧ ‎ق.ظ روز ۱۳٩۱/٥/٢٦
 

آنالیز عددی تراوش آب در سد خاکی ناهمگن

نویسنده : رضا حیدری – کارشناس ارشد عمران ( رشته خاک و پی )

چکیده :

درکل دو روش برای تحلیل مسایل ژئوتکنیکی وجود دارد که یکی روش تحلیلی و دوم روش عددی است . لازم به ذکر است که مسایل ژئوتکنیکی در سه گروه کلی قرار می گیرند . گروه اول مسایل کرنش مسطح که مسایلی هستند که در آنها یک بعد مدل بسیار بزرگ است مثل دیوارهای حایل و سپری ها و سدها با طول زیاد . گروه دوم مسایل تقارن محوری که مسایلی هستند که به علت هندسه متقارن فقط قسمتی از مساله مدل می شود و در  نهایت نتیجه به کل مدل تعمیم داده می شود که البته این کار بایستی با دانش کافی و تحلیل دستی مساله ( در صورت ممکن بودن ) صورت گیرد . در این گونه مسایل تقارن هم در هندسه و هم در بارگذاری می باشد یعنی هر دو شرط بایستی برقرار باشد . گروه سوم مسایل سه بعدی کامل می باشد که به علت عدم داشتن شرایط مسایل گروه اول و دوم و یا مطالعه حالتی خاص و یا عدم حصول نتیجه ای خاص در مدلسازی از آن استفاده می شود که از آن جمله می توان به محاسبه تنش و عکس العمل خاک درمدلسازی حفاری ها در اطراف قسمت تزریق شده انتهای مهارها در مدلسازی ها اشاره نمود . در این حالت به طور یقین ارزیابی نیروی پیش کشیدگی مهار زمینی امکان پذیر نیست . لازم به ذکر است که این نوع تحلیل مشکل و پرهزینه است . برخی از مسایل حالت خاصی دارند یعنی کرنش مسطح بوده و متقارن نیز می باشند که در این حالت تحلیل و مدلسازی در حالت کرنش مسطح و فقط برای نیمی از مدل  انجام می شود . دراین بررسی  بر آن شدم که  به منظور ادامه بحث تراوش آب در خاک به بررسی تحلیل عددی تراوش در یک سد خاکی ناهمگن و بررسی پارامترهای مختلف روی آن بپردازم . موارد بررسی شده شامل تاثیر نوع المان در نتایج وهمچنین مقایسه تاثیر استفاده از سپر آب بند درزیر سد و پتوی رسی در بالادست و پایین دست درکاهش نشت اززیر سد می باشد . لازم به ذکراست که در این بررسی از نرم افزار ژئوتکنیکی المان محدود ((Phase2)) به منظورتحلیل تراوش استفاده گردیده است . لازم به ذکر است که قبلا این بررسی با استفاده از نرم افزار seep/w انجام گردیده است .

نتایج حاصله بیانگر این موضوع  است که استفاده از المان های 8 گرهی مربعی با آرایش المان بندی یکنواخت نتایج مناسبی  را در  بر داشته است . از طرفی استفاده از  پتوی رسی به جای سپر  نتایج بهتری را در کاهش دبی نشت از زیر سد غیر همگن در برداشته است . این مساله از نظرتئوری درست است اما ازدید مدلسازی عددی نیز این موضوع بررسی گردید که نتیجه حاصله تایید گردید .                                         

مقدمه :

خاکها دارای فضاهای خالی مرتبط به هم هستند که لوله های نازک پیچ و خم داری را تشکیل می دهند که آب می تواند در آنها جریان یابد . اندازه متوسط این لوله ها به پوکی خاک بستگی دارد که خود میزان آسانی یا دشواری تراوش آب در خاک را تعیین می نماید . امکان محاسبه مقدار آبی که در خاک جریان می یابد و نیروهای مربوط به این جریان برای طراحی سازه های مختلف در مهندسی عمران مانند سدهای خاکی _ سدهای بتنی _ دیوارهای حایل اهمیت بسزایی دارد . آنچه که در محاسبه و تحلیل عددی تراوش مهم است و این یک اصل در تمام تحلیل های عددی تراوش است ضریب نفوذ پذیری خاک است که بنا به تعریف مقیاسی است از راحتی حرکت یک سیال در یک جسم متخلخل . این ضریب به اندازه متوسط حفرات خاک و توزیع اندازه ذرات و شکل ذرات و ساختار خاک مربوط می شود . برای مثال نسبت نفوذ پذیری ماسه به رس می تواند تا حد 1000000 باشد . در این مقول پارامتر بسیار مهمی که در تعیین دبی نشت بایستی مورد توجه قرار گیرد این ضریب می باشد . در تعیین این ضریب از آزمایشهای آزمایشگاهی مختلفی استفاده می گردد که عبارتند از :  

   آزمایش نفوذ پذیری با بارآبی ثابت برای تعییین ضریب نفوذپذیری خاکهای درشت دانه .

آزمایش نفوذ پذیری با بارآبی متغیر برای تعیین ضریب نفوذپذیری خاکهای ریزدانه .

تعیین غیر مستقیم ضریب نفوذ پذیری با آزمایش تحکیم .

تعیین غیر مستقیم  ضریب نفوذ پذیری باآزمایش مویینگی افقی .

به عنوان راهنما می توان از جدول زیر نیز در تعیین این ضریب استفاده نمود :            

 ( جدول 1 ) مقادیر ضریب نفوذپذیری

ضریب نفوذپذیری ( میلیمتربرثانیه)

نوع خاک

10 تا 1000

شن درشت

0.01 تا 10

شن ریز و ماسه درشت و متوسط

0.0001 تا 0.01

ماسه ریز و لای سست

0.00001 تا 0.0001

لای متراکم و لای رس دار

0.00000001 تا 0.00001

رس لای دار و رس

در اینجا به این موضوع اشاره می شود که انتخاب پارامترهای مناسب به عنوان مهمترین گام در تحلیل ها محسوب می شود . ممکن است ضریب نفوذ پذیری خاکی در جهات افقی و عمودی  متفاوت باشد که اصطلاحا خاک غیر همسان نامیده می شود و یا خاکهای چند لایه با ضرایب نفوذپذیری متفاوتی داشته باشیم که اصطلاحا خاک غیر همگن نامیده می شود که در شرایطی خاک ممکن است  غیر همسان و غیر همگن باشد که در این صورت ترسیم شبکه جریان بسیار دشوار خواهد بود . لذا استفاذه از روش های عددی می تواند راه حلی مفید و مناسب جهت حل این مسایل باشد . از طرفی انتخاب و استفاده از نرم افزاری مناسب نیز گام دوم در رسیدن به موفقیت در تحلیل مسایل خواهد بود . در این بررسی به تحلیل آنالیز حرکت آب در خاک سد خاکی ناهمگن با استفاده از روش المان محدود شامل تاثیر نوع المان در نتایج وهمچنین مقایسه تاثیر استفاده از دیوار آب بند درزیر سد و پتوی رسی در بالادست و پایین دست سد به طور جداگانه پرداخته شده  است .                                                                           

تشریح مساله :

یک سد خاکی ناهمگن را در نظر گرفته که دارای عرض تاج 8 متر است و دارای دوعدد فیلتر روی پوسته بالادست وپایین دست می باشد .در زیر مقطع سد سپری به طول 33 متر داریم خصوصیات مصالح به کار رفته در جدول زیر ارایه شده است . با فرض ارتفاع آب مخزن برابر 120 متر از کف فونداسیون در بالادست و 62 متر درپایین دست می خواهیم اهداف ذیل را بررسی نماییم .                                                                                    

تعیین دبی یا نرخ جریان با استفاده از روش المان محدود با المانهای مختلف .

ترسیم شبکه جریان با استفاده از روش المان محدود .

تاثیر وجود سپری در زیر سد در کاهش نشت از زیر سد .

استفاده از پتوی رسی و تاثیر آن در کاهش نشت از زیر سد .

مقایسه نتایج استفاده از سپر و پتوی رسی در کاهش نشت .

لازم به ذکر است که مساله با استفاده از نرم افزار Seep/w تحلیل و بررسی شده است و دبی در حالت وجود سپر 0.00024171 مترمکعب برثانیه به دست آمده است . هدف این بررسی تکمیل بررسی های انجام شده روی مساله می باشد .

مشخصات مصالح درذیل امده است :

جدول (1) – مشخصات مصالح

نفوذ پذیری (متربرثانیه)

مصالح

0.0000001

هسته

0.0001

فیلتر

0.001

پوسته

0.0000001

سپر

0.00001

پی

 

. روش عددی : استفاده از نرم افزار المان محدود  Phase2

 

 

( جدول 2 ) نتایج تحلیل عددی با نرم افزار

نوع المان

تعداد المان

دبی ( متر مکعب بر ثانیه )

درصد خطا

graded-3noded triangles

60

0.00026203

8.406768

graded-6noded triangles

60

0.00022303

7.728269

graded-4noded quadrilaterals

60

0.00025713

6.379546

graded-8noded quadrilaterals

60

0.00017029

29.54781

uniform-3noded triangles

1500

0.00022786

5.730007

uniform-6noded triangles

1500

0.0002079

13.98784

uniform-4noded quadrilaterals

1500

0.00022734

5.945141

uniform-8noded quadrilaterals

1500

0.00024051

0.496463

     

0.496463

همانطور که دیده می شود نتیجه استفاده از المان 8 گرهی مربعی با آرایش المان بندی یکنواخت  به نتیجه ای نزدیک و مورد قبول  با کم ترین درصد خطامنجر شده است .      

                                                                                                    

        ( شکل 1 ) مدل مش بندی شده                

( شکل 2 ) ترسیم خطوط جریان و بردارهای جریان توسط نرم افزار

( شکل 3 ) دبی محاسبه شده توسط نرم افزار بر حسب متر مکعب بر ثانیه               

   تاثیر وجود سپری و پتوی رسی در کاهش نشت از زیر سد :

دبی بدون وجود پتوی رسی یا سپر 0.00049964
دبی در صورت وجود سپر 0.00024051
دبی در صورت وجود پتوی رسی به ضخامت 1 متر 0.00017956

همانطور که مشاهده می شود دبی نشت در صورت وجود پتوی رسی کمترین مقدار خود را داراست . در ادامه اشکال مربوط به مدلسازی در حالت اخیر را می توانیم ببینیم .

( شکل 4 ) مدلهای مش بندی شده

(شکل 5 ) ترسیم شبکه جریان و بردارهای جریان توسط نرم افزاردر حالت وجود پتوی رسی در بالادست و پایین دست

(شکل 6 ) دبی محاسبه شده توسط نرم افزار بر حسب متر مکعب بر ثانیه

جمع بندی و نتیجه گیری :  

 

دراین بررسی  بر آن شدم که  به منظور ادامه بحث تراوش آب در خاک به بررسی تحلیل عددی تراوش در یک سد خاکی ناهمگن و بررسی پارامترهای مختلف روی آن بپردازم . موارد بررسی شده شامل تاثیر نوع المان در نتایج وهمچنین مقایسه تاثیر استفاده از سپر آب بند درزیر سد و پتوی رسی در بالادست و پایین دست درکاهش نشت  از زیر  سد می باشد . لازم  به ذکر است  که در این بررسی از نرم افزار ژئوتکنیکی Phase2به منظور تحلیل عددی تراوش استفاده شده است . نتایج حاصله بیانگر این موضوع  است که استفاده از المان های 8 گرهی مربعی با آرایش المان بندی یکنواخت نتایج مناسبی  را در  بر  داشته است . از طرفی استفاده از سپر یا پتوی رسی منجر به کاهش قابل ملاحظه مقادیر نشت اززیرسد شده است . با بررسی نتایج حاصله مشاهده گردید که استفاده از پتوی رسی تاثیر قابل ملاحظه ای در کاهش نشت نسبت به سپر داشته است .                                            

 (( لطفا ضمن مطالعه این مطالب نظرات خود را به آدرس میل و یا وبلاگ زیر ارسال نمایید و احیانا زمینه های مطالعاتی و نتایج کارهای تحقیقاتی و نرم افزاری خود را نیز برایم ارسال نمایید. ما همواره کار علمی و گروهی را دوست داریم . متشکرم ))

rhrh1920@hotmail.com   

http://www.ggsd.persianblog.ir/   

http://www.gg.blogfa.com/