عنوان پایان‌نامه
مطالعه عددی تاثیر حفرات ناشی از آبشستگی زیرسطحی در مجاورت تونل های شهری
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مکانیک خاک وپی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1745;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 56565
- تاریخ دفاع
- ۰۵ اسفند ۱۳۹۱
- دانشجو
- مسعود میدانی
- استاد راهنما
- علی فاخر, سیدتقی امید نائینی
- چکیده
- ساخت و سازهای زیرسطحی مانند حفر تونل¬های مترو و یا راه در محیط¬های شهری، مسیر دائمی جریان آب¬های زیرسطحی را تغییر می¬دهند. در بدترین حالت، آب با جابه¬جایی و شستن بخشی از دانه¬های توده خاک، در درون آن مجراهایی را ایجاد و آن¬را از نظر مقاومتی سست می¬کند. به این پدیده آبشستگی زیرسطحی و به خاک¬هایی که وقوع این پدیده در آنها محتمل است ناپایدار داخلی گفته می¬شود. خاک شهر تهران در بسیاری از مناطق ناپایدار داخلی بوده و مستعد آبشستگی زیرسطحی می¬باشد. با حفر تونل در این¬گونه خاک¬ها از یک طرف و همچنین معیوب بودن شبکه آبرسانی شهری و وجود قنات¬های قدیمی از طرف دیگر، احتمال بروز آبشستگی زیر سطحی بالا رفته و با ادامه این روند ممکن است حفراتی در پشت پوشش تونل¬ها ایجاد شوند. علاوه بر این، عدم تزریق تحکیمی مناسب در پشت پوشش تونل در هنگام ساخت آن، می¬تواند حفراتی را در پشت پوشش تونل ایجاد کند. این حفرات نیز می¬توانند بر اثر گذشت زمان بر اثر آبشستگی زیرسطحی بزرگ¬ شوند. با اینکه در برخی منابع از این پدیده به عنوان یکی از عوامل آسیب در تونل¬ها نام برده شده است و نمونه¬های آسیب دیده در جهان نیز به ثبت رسیده است، ولی میزان تحقیقات و مطالعات صورت گرفته بر روی آن اندک بوده و بیشتر تحقیقات بر روی ماهیت پدیده بوده است و اینکه این حفرات چه اثراتی را بر روی پوشش خواهند گذاشت به صورت کامل و دقیق مطالعه نشده است. لذا لازم است مطالعات بیشتری در مورد آن انجام شود. هدف این تحقیق، بررسی اثرات حفرات تشکیل شده پشت پوشش تونل¬های شهری بر رفتار سازه¬ای آنها است. برای این منظور روش مدلسازی عددی با استفاده از نرم¬افزار اجزا محدود مورد استفاده قرار گرفت. حفرات در دو شکل، سه اندازه و در دو محل¬ مختلف از تونل مدلسازی شده و اثرات آنها در دو حالت استاتیکی و دینامیکی مورد بررسی قرار گرفت. برای هرچه بیشتر کاربردی کردن نتایج مطالعه، دو نمونه از تونل¬های در دست ساخت شهر تهران با شکل¬های مقطع متفاوت بررسی شدند. نمونه اول تونل نیایش با مقطع نعل اسبی و نمونه دوم تونل خط هفت متروی تهران با مقطع دایره¬ای می¬باشد. نتایج حاصل از مدلسازی¬ها نشان داد که حفرات تشکیل شده در پشت پوشش تونل در محل تاج آن منجر به تغییر علامت لنگر خمشی پوشش در آن محل می¬شوند. با بزرگتر شدن اندازه حفره میزان این تغییرات نیز بیشتر می¬شود. در طرف مقابل، حفرات تشکیل شده در محل کناره پوشش، موجب افزایش مقدار لنگر در نقطه زیر حفره می¬شوند. میزان افزایش مقدار لنگر با بزرگتر شدن اندازه حفره بیشتر می¬گردد. میزان تغییرات به حدی است که احتمال خرابی در تونل¬ها محتمل است. در تونل¬های نعل اسبی، اگر حفره تشکیل شده در محل کناره پوشش مساحتی بزرگتر از 1.5 درصد مساحت مقطع تونل داشته باشد و یا طول تماس آن با پوشش بیش از 5.3 درصد محیط تونل باشد، لازم است نسبت به برآورد دقیق ابعاد آن اقدام شود. در این تونل¬ها، حفرات تشکیل شده در پشت تاج پوشش تا مساحت 4.5 درصد مساحت مقطع تونل و یا طول تماس با پوشش تا 9 درصد محیط پوشش با اینکه تغییراتی در مقادیر لنگر خمشی ایجاد می¬کنند، با این حال مشکلی برای عملکرد سازه¬ای پوشش ایجاد نمی¬کنند. در تونل¬های دایره¬ای، اگر حفره تشکیل شده در محل تاج پوشش مساحتی بزرگتر از 1.5 درصد مساحت مقطع تونل داشته باشد و یا طول تماس آن با پوشش بیش از 5.5 درصد محیط تونل باشد، لازم است نسبت به برآورد دقیق ابعاد آن اقدام شود. در این تونل¬ها، حفرات تشکیل شده در پشت کناره تونل خطرناک¬ترین حفرات بوده و حتی در کوچکترین اندازه حفرات نیز مشکلاتی را در عملکرد سازه¬ای پوشش ایجاد می¬کنند. تفاوت رفتار پوشش تحت تاثیر این حفرات در حالت استاتیکی و دینامیکی بدین شکل بود که، میزان افزایش لنگر و تنش¬ها در حالت دینامیکی به حدی است که در صورت طراحی پوشش تونل برای بارهای دینامیکی، بروز خرابی و مشکلات سازه¬ای در عملکرد پوشش قابل پیش¬بینی است. بنابراین پر کردن حفرات پشت پوشش تونل به عنوان بخشی از مقاوم¬سازی لرزه¬ای تونل¬ها توصیه می¬شود. نتیجه دیگر این مدلسازی¬ها ارتباط میان مساحت حفره و طولی از پوشش است که تماس خود با خاک را از دست داده است. می¬توان اینطور بیان کرد که برای حفره¬های هم مساحت، حفره¬ای مخرب¬تر است که در آن طول بیشتری از پوشش تماس خود با خاک را از دست داده است.
- Abstract
- A known mode of deterioration in tunnels is the formation of erosion voids on the outer surface of the tunnel linings. These are usually caused by the ingress of groundwater thorough cracks in the tunnel lining. The presented study evaluates the effect of voids on the circumferential stresses in a tunnel lining. Static and dynamic elasto-plastic finite element analysis are performed to study these effects. The role of other factor such as voids size, voids locations, voids shape and the tunnel cross section, are also investigated. For illustration, the presented analysis are performed for two case of under-construction tunnel in Tehran. Results indicated significant changes in earth pressure and circumferential stresses in the lining in the close vicinity of the voids. These changes greatly depend on the location of the voids. The results show a decrease in the magnitude of bending moment due to the voids located at the crown, and for bigger voids moment can reverse sign. This change in the sign of bending moment happened with smaller voids in dynamic analysis and it is very dangerous for tunnel and surrounding buildings. In the other hand, voids at the springline leads to increase in the magnitude of bending moment and for large size of voids, moment change is more than twice. The above mentioned results suggest that effort should be done for preventing any growth of voids near tunnels lining. This goal is accessible by the use of proper construction methods and systematic inspection of tunnels during operation. Keywords: Erosion voids, Tunnel lining, Bending moment, Dynamic analysis
