عنوان پایان‌نامه
بررسی رفتار زهکشی نشده خاک دانه ای به روش اجزای مج
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مکانیک خاک وپی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 34937;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1007
- تاریخ دفاع
- ۲۷ شهریور ۱۳۸۶
- دانشجو
- ماهان لامعی
- استاد راهنما
- علی اصغر میرقاسمی
- چکیده
- در این رساله ابزاری عددی جهت بررسی رفتار زهکشی نشده خاک دانه‌ای در مقیاس دانه‌ها ارائه شده است. این ابزار بر اساس روش اجزای مجزا بنا شده است و در آن علاوه بر دانه‌های خاک، سیال حفره‌ای نیز به صورت اجزای مجزا مدل می‌شود. شرایط تحلیل از نوع کرنش مسطح می‌باشد و لذا تحلیل دوبعدی است. با این حال، خصوصیات نمونه و حفرات در راستای عمود بر صفحه تحلیل، در محاسبات وارد می‌شوند. در این مدل، دانه‌های خاک بیضی‌گونهایی هستند که یک صفحه اصلی‌شان همواره در صفحه تحلیل باقی می‌ماند. سیال حفره‌ای به صورت تعداد زیادی سیلندر نسبتا کوچک مدل شده که به طور قرینه در بالا و پایین دانه‌های خاک قرار دارند و هر کدام به نوبت معرف جرم ثابتی از سیال و معرف حجم ثابتی از حفره‌ها می‌شوند. این سیلندرها با تصویرشان روی صفحه تحلیل که یک دایره است مشخص می‌شوند. وضعیت سینماتیکی این سیلندرها که شعاع و مکانشان پیوسته در پاسخ به اغتشاش محیط تغییر می‌کند، شاخص متوسطی از وضعیت سینماتیکی سیال داخل سیلندر است. پایان‌نامه شامل مرور مبسوط ادبیات فنی آزمایشگاهی و عددی درباره رفتار بزرگ‌مقیاس و کوچک‌مقیاس خاک دانه‌ای است. ابزار تحلیل خاک دانه‌ای اشباع با ویرایش یک برنامه اجزای مجزای موجود برای مدلسازی خاک خشک، حاصل شده است. مشخص شد که برای مدلسازی توزیع فشار حفره‌ای به نحو مطلوب لازم است مجموع حجم سیلندرهای سیال حدود 1.3 برابر حجم حفرات باشد. با معرفی یک فشار مبدا، فشار حفره‌ای خام بدست آمده بر اساس نیروی اندرکنش سیلندرهای مایع، به فشار نسبی تبدیل شده و در سطح مناسب تنظیم شده است. برای کنترل رفتار بزرگ‌مقیاس مدل ارائه شده در پایان‌نامه، روش «حجم ثابت» نیز به برنامه اضافه شده و نمونه‌ها به هر دو روش ارائه شده در این پایان‌نامه و روش حجم ثابت تحت برش زهکشی نشده قرار گرفت و تطابق مطلوبی مشاهده شد؛ بعلاوه، نمودارهای حاصل از روش این پایان‌نامه پس از رسیدن مسیر تنش به خط حالت پایا منطقی‌تر از نمودارهای حاصل از روش حجم ثابت هستند. توزیع فشار آب حفره‌ای حین برش زهکشی نشده نیز محاسبه و ترسیم شد. الگوی فشار استاتیکی پایداری که نشانگر گرادیان متوسط ناشی از تغییرشکل نمونه باشد مشاهده نشد که علت آن کوچکی نمونه و نیز حاکم بودن الگوهای گذرا در مدل است. مشاهده شد که الگوهای توزیع فشار دینامیکی به صورت انتشار موج در سیال، ناشی از تحریکات مرزی و یا تحریکات ناشی از بازچینشهای اتفاقی دانه‌های خاک داخل نمونه نیز پدید می‌آید. علت این امر در نظر گرفتن خواص دینامیکی سیال از قبیل جرم و سختی و نیز وارد شدن شکل حفرات به صورت سه‌بعدی در شبیه‌سازی است. اگر این خواص در نظر گرفته نشوند الگوهای توزیع فشار حاصل، صرفا نشانگر متوسط جابجایی دانه‌ها خواهند بود و نه با سرعت انتقال اغتشاش در سیال بلکه با سرعت اعمال کرنش به نمونه و سرعت متوسط جریان آب حفره‌ای تغییر می‌کنند. مشاهده شد که بطور خاص، برای سیالات با ویسکوزیته در حد آب، ]در نمونه با ابعاد کوچک[ الگوی فشار پایدار پدید نمی‌آید زیرا سرعت متوسط آب حفره‌ای زیاد است و گرادیان پایداری تشکیل نمی‌شود، اما الگوهای فشار دینامیکی پدید می‌آیند. این الگوهای دینامیکی حتی در سرعت اعمال کرنش خیلی پایین هم در اثر بازچینشهای اتفاقی دانه‌های خاک پدید می آیند و سرعت انتشارشان مستقل از سرعت اعمال کرنش است. تداخل دینامیکی این الگوها می‌تواند نمونه را به سمت چینشهای ناپایدار و در نهایت روانگرایی هدایت کند. در انتهای پایان‌نامه کاربردهای تحقیقی ابزار توسعه داده شده در این پایان‌نامه جهت تحقیقات آتی برشمرده شده است.
- Abstract
- A numerical framework is developed for simulation of undrained granular soil behavior. It is based on the discrete element method and both the soil particles and pore water are represented by discrete elements. The model is plain strain and thus the analyses are two dimensional; however geometrical properties of the soil particles and pore space in the direction perpendicular to plain of analyses is incorporated in the model. The soil particles are represented by ellipsoids that two of their semi-axes remain in the plain of analyses. The pore fluid is represented by several fluid cylinders which symmetrically place on top and bottom of soil particles. These fluid cylinders are characterized by their image on the plain of analysis which would be a circle. Kinematics of these cylinders, whose radius and height continuously changes due to movement of soil particles, is an average indicator of kinematics of the fluid inside the cylinder. The thesis begins with a thorough review of experimental and laboratory literature on macro-scale and micro-scale behavior of granular soils. An existing code for discrete element simulation of dry granular soil is modified to develop a two phase simulation code based on theory presented here. It was found that in order to model the pore pressure distribution appropriately, total volume of cylinders must be about 1.3 times the pore space. In addition, by introducing a base pressure, the initial pore pressure calculated based on the interaction of fluid cylinders is converted to relative pressure of desired level. The "constant volume" method is also developed in the new code in order to verify the macro-scale response of the new model. It was observed that the shear diagrams obtained by the two models are in good agreement; and further, the new model works better for very loose states and after the stress path reaches the steady state line. Pore pressure distribution during undrained shearing is also analyzed and visualized. A steady pore pressure pattern did not appear. That is due to small size of the sample, and dynamic transient pore pressure patterns. These dynamic patterns are generated by boundary excitations and by random rearrangements in soil particles across the specimen. The dynamic patterns appeared in the new model due to direct incorporation of dynamic properties of the pore fluid (density, bulk modulus, and damping). Furthermore, the pore shapes are formed by three-dimensional shape of the soil particles. By ignoring those properties, only consolidation-like steady pore pressure patterns could be determined that reflect average soil particle movements. It is demonstrated that, for the specific soil gradation used and for viscosity of water, damping is low and transient pore pressure patterns dominate. Even in very low loading rates, dynamic patterns are generated due to stress waves in soil particles. Dynamic patterns propagate fast, and independent of loading rate. Dynamic pressure patterns may superimpose each other and generate local high or low transient pore pressures; causing rearrangements in soil particles which may initiate deformations ultimately leading to liquefaction in a loose specimen.
