چکیده

 تکانش زمین لرزه تأثیر قابل توجهی بر پاسخ زیرساخت‌های دفن شده دارد؛ با این حال، هیچ مطالعه‌ای بر رفتار لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن شده تحت تکانش زمین لرزه انجام نشده است. این مقاله پاسخ تراورسی لوله‌های پلی‌وینیل کلرید بدون پلاستیک دفن شده تحت تکانش زمین لرزه تراورسی را بررسی می‌کند. یک مدل المان محدود قوی برای انجام این تحقیق استفاده شده است. تأثیر قطر لوله‌ها، ارتفاع خاک بستر، شتاب زمین اصلی، وزن خاک بستر، مکان لایه سنگ، و فرکانس اصلی زمین لرزه بررسی شده است تا برای درک بهتری از پاسخ لرزه‌ای این لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن شده ارائه شود. نتایج نشان داد که تکانش زمین لرزه به طور قابل توجهی فشار دیوار لوله، لحظه خمش دیوار لوله، و تغییر قطر عمودی را افزایش می‌دهد. نتایج همچنین نشان داد که افزایش ارتفاع خاک بستر یا شتاب زمین اصلی به طور قابل توجهی پاسخ زمین لرزه لوله دفن شده را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، مشخص شد که وزن خاک بستر بر پاسخ زمین لرزه لوله تأثیر قابل توجهی ندارد. با این حال، مکان تکانش زمین لرزه مشخص شد که تأثیر قابل توجهی بر پاسخ لرزه‌ای لوله دارد؛ هر چه لایه سنگ نزدیکتر به سطح خاک باشد، پاسخ لرزه‌ای بیشتری خواهد داشت. در نهایت، نتایج نشان داد که افزایش فرکانس اصلی تکانش زمین لرزه باعث کاهش پاسخ لرزه‌ای لوله می‌شود. نتایج گزارش شده در این تحقیق بسیار مفید برای تولیدکنندگان لوله‌های پلاستیک، مهندسان طراحی خطوط لوله، و پژوهشگران علاقه‌مند به پاسخ زیرساخت‌های دفن شده هستند.

کلمات کلیدی: زمین لرزه · لوله‌های دفن شده · تجزیه و تحلیل زمین لرزه · شتاب زمین اصلی 

مقدمه

در چهار دهه گذشته، تلاش‌های فراوانی توسط محققان زیادی صورت گرفته است تا درک کنند که لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده تحت شرایط بارگذاری مختلف چگونه رفتار می‌کنند. این تلاش‌های مستمر، درک جامعی از تأثیر نیروهای فشرده‌سازی ، پشتیبانی از قوس لوله ، ارتفاع بازپر کردن ، بار ترافیکی ، حفره‌های فرسایشی، حفاری‌های نزدیک و اشباع خاک بر پاسخ لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده را به دست داده است. این درک جامع از پاسخ لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده به طراحان کمک کرده است تا درک کنند این لوله‌های پلاستیکی تحت شرایط بارگذاری مختلف چگونه شکست می‌خورند و طراحی‌های بهتری را برای این دارایی‌های حیاتی ممکن ساخته است.

اخیراً، بسیاری از موارد شکست سازه‌های زیرزمینی به اثر زلزله‌ها مرتبط دانسته شده است. علاوه بر این، تعداد زیادی از مطالعات بر تأثیر قابل توجه لرزش‌های زلزله بر پاسخ لوله‌های بتنی دفن‌شده، کانال‌های مستطیلی بتنی دفن‌شده و تونل‌های دفن‌شده گزارش کرده‌اند. زلزله‌ها دو نوع تغییر شکل زمین را ایجاد می‌کنند: تغییر شکل موقت زمین و تغییر شکل دائمی زمین. تغییر شکل موقت زمین توسط امواج لرزه‌ای مسافرتی ایجاد می‌شود، در حالی که تغییر شکل دائمی زمین توسط مایع‌شدگی خاک، رانش زمین و بالا آمدن‌های تکتونیکی ایجاد می‌شود. با این حال، یک بررسی گسترده ادبیات توسط نویسنده نشان داده است که تعداد زیادی از مطالعات در مورد پاسخ لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده که در معرض تغییر شکل موقت زمین قرار دارند، وجود دارد، جایی که تمرکز مطالعات قبلی تنها بر روی اثر حرکات گسل (یعنی تغییر شکل دائمی زمین) ناشی از لرزش زلزله بوده است، بدون اینکه مطالعه‌ای گزارش کند که لوله‌های انعطاف‌پذیر چگونه به تغییر شکل موقت زمین پاسخ می‌دهند. بنابراین، شکاف‌های قابل توجهی در ادبیات وجود دارد که می‌توان آن‌ها را در سؤالات زیر خلاصه کرد:

1. لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده چگونه به تغییر شکل موقتی زمین (لرزه‌های زمین‌ساختی) پاسخ می‌دهند؟
2. چه پارامترهایی بر پاسخ لرزه‌ای لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده تأثیر می‌گذارند؟

بنابراین، این تحقیق با هدف ارائه افزودنی مفید به ادبیات، با استفاده از یک مدل دو بعدی محکم از عناصر محدود برای بررسی پارامترهایی که بر رفتار عرضی لوله پلی‌وینیل کلراید بدون افزودنی (uPVC) دفن‌شده (که یک لوله انعطاف‌پذیر است) تحت تأثیر لرزه‌های زمین‌ساختی می‌پردازد، آغاز شده است. این مطالعه همچنین گزارش می‌دهد در مورد تأثیر پیچیدگی مدل مشخصه خاک بر نتایج تولید شده با استفاده از تحلیل عناصر محدود (FEMA).

مدل عنصر محدود

 یک مدل دو بعدی عنصر محدود با استفاده از نرم‌افزار تجاری عنصر محدود PLAXIS 2D ساخته شده است تا مشکل این مطالعه را تجزیه و تحلیل کند. شبکه مدل توسعه یافته در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر این، اصطلاحات بخش‌های لوله نیز در شکل 1 برای درک واضح از بقیه مقاله نشان داده شده است.

همانطور که از شکل 1 مشخص است، یک مدل به عرض 20 متر در این مطالعه استفاده شده است. عرض این مدل پس از انجام یک تحلیل حساسیت برای بررسی تأثیر گستردگی مدل بر نتایج انتخاب شده است. عرض مدل عنصر محدود نیز مطابق با معیارهای پیشنهادی توسط زانگ و لیو است، که بیان می‌کند نسبت عرض مدل به عرض آبراهه/تونل نباید کمتر از 12 باشد. علاوه بر این، شکل 1 همچنین نشان می‌دهد که عمق مدل (D)  برابر با 20 متر در نظر گرفته شده است؛ این به این دلیل است که لایه سنگ در عمق 20 متری از سطح بالایی خاک در نظر گرفته شده است. با این حال، برخی تحلیل‌ها با عمق‌های مختلف مدل (یعنی مکان‌های مختلف لایه سنگ) انجام شده‌اند، که در بخش نتایج بحث خواهد شد. علاوه بر این، همانطور که در مقدمه بیان شد، تقلید از شرایط واقعی در میدان مطلوب بود. بنابراین، روش‌شناسی مراحل تحلیل طراحی شده است تا با در نظر گرفتن تأثیر حفاری و پر کردن خندق، قبل از انجام تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، این هدف را محقق سازد. بنابراین، FEMA  به شرح زیر انجام شده است:

1. تنش‌های درجا خاک بومی در مرحله اول تعیین می‌شوند.
2. حفاری خندق در مرحله دوم شبیه‌سازی می‌شود. این مرحله به چندین گام تقسیم شده است، که در هر گام یک لایه خاک با ضخامت 0.1 تا 0.3 متر حفاری شده است.
3. لوله در مرحله سوم نصب می‌شود. این کار با فعال‌سازی عناصر لوله انجام شده است.
4. پر کردن خندق حفاری شده در مرحله چهارم انجام می‌شود. باز هم، این مرحله به چندین گام تقسیم شده است، که در هر گام یک لایه خاک با ضخامتی نه بیشتر از 0.3 متر اضافه شده است.
5. تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی در مرحله نهایی انجام می‌شود تا اثر لرزه‌های زمین‌ساختی بر پاسخ لوله دفن‌شده مدل‌سازی شود. این کار با فعال‌سازی شتاب تجویز شده نشان داده شده در شکل 1 و تغذیه مدل با یک سابقه شتاب واقعی انجام می‌شود. (سوابق استفاده شده در تحلیل‌ها در شکل 2 نشان داده شده‌اند.)

شکل ۲ – سوابق شتاب زلزله‌ها و نتایج تحلیل تبدیل فوریه از لرزش‌های زلزله‌ای که در این مطالعه استفاده شده‌اند.

تحلیل دینامیکی با گام زمانی 0.004 ثانیه انجام می‌شود. این گام زمانی بر اساس کوچکترین طول موج و بر اساس ارتفاع متوسط عنصر تعیین شده است .

تحلیل مراحل 1 تا 4 با محدود کردن حرکت افقی انتهای چپ و راست مدل انجام شده است، مشابه با مطالعات گذشته که از تحلیل عنصر محدود دو بعدی استفاده کرده‌اند. علاوه بر این، از حرکت افقی و عمودی کف مدل جلوگیری شده است؛ این تکنیک برای مدل‌سازی لایه سنگ بسیار رایج است. همچنین، شرایط مرزی برای تحلیل دینامیکی نیز با توجه به مطالعات قبلی در ادبیات در نظر گرفته شده است، جایی که مرزهای جذبیPLAXIS  در انتهای چپ و راست مدل، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، اختصاص داده شده‌اند. این تکنیک برای شبیه‌سازی گستردگی نامحدود اطراف چپ و راست مدل استفاده شده است، تا از بازتاب موج‌های برشی به داخل مدل جلوگیری شود. مرزهای جذبی در PLAXIS 2D بر اساس فرمول‌بندی پیشنهادی توسط لیسمر و کولمایر است، جایی که این فرمول‌بندی بر ایده‌ای بنا شده است که تنش‌های برشی و عادی در اطراف چپ و راست مدل توسط یک میراگر جذب می‌شوند، با استفاده از معادلات 1 و 2.

σ _n = -C₁ρV_pů_x     (1)                            τ = -C₂ρV_sů_y     (2)

جایی که ( σ _n ) تنش عادی است؛ ( C₁ ) و ( C₂ ) ضرایب آرامش هستند که در PLAXIS برای افزایش دقت میراگر استفاده می‌شوند؛ (ρ) چگالی خاک است؛ (V_p) سرعت موج فشاری است؛ (ů_x) سرعت در جهت افقی است؛ (τ) تنش برشی است؛ (V_s) سرعت موج برشی است؛ (ů_y) سرعت در جهت عمودی است. مفید است بدانیم که مقادیر ( C₁ ) و ( C₂ ) به ترتیب برابر با 1.0 و 0.25 در نظر گرفته شده‌اند؛ این مقادیر، مقادیر پیش‌فرض توصیه شده توسط دستورالعمل PLAXIS 2D هستند.

در مدل برای شبیه‌سازی خاک از پانزده عنصر گره‌ای استفاده شد، در حالی که برای مدل‌سازی لوله از پنج عنصر صفحه‌ای گره‌ای استفاده شد. برای مش کردن خاک ترانشه و خاک اطراف ترانشه از عناصری با اندازه ۰.۰۲ متر و برای مش کردن بقیه دامنه خاک از عناصری با اندازه ۰.۶۰ متر استفاده شد؛ این اندازه‌های عنصر بر اساس یک مطالعه قبلی توسط نویسنده کافی تشخیص داده شد. این اندازه مش همچنین شرایط انتشار موج را برآورده می‌کند. عناصر رابط برای مدل‌سازی تعامل بین خاک و لوله دفن‌شده استفاده شده‌اند؛ ضریب کاهش در استحکام عناصر رابط به ۰.۷ تنظیم شده است، همانطور که توسط Zhou و همکاران پیشنهاد شده است، که نتایج حاصل از PLAXIS 2D را با نتایج آزمایش‌های میدانی انجام‌شده روی لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده تأیید کرده‌اند. علاوه بر این، میرایی عددی نیز برای تضمین یک راه‌حل پایدار با معرفی پارامترهای ریلی در تحلیل استفاده شده است. میرایی ماده نیز در نظر گرفته شده است، همانطور که در بخش بعدی بیشتر بحث خواهد شد.

لازم است ذکر شود که روش تحلیل استاتیک (یعنی ساخت مرحله‌ای) مشابه با روش تأیید شده‌ی Kang و همکاران،  Elshimi و Moore  و Zhou و همکاران است. علاوه بر این، روش تحلیل دینامیکی غیرخطی مشابه با روش تأیید شده‌ی Abuhajar و همکاران، Tsinidis  و همکاران،  Patil و همکاران، Bakr، وAlzabeebee است. بنابراین، نتایج حاصل از مدل توسعه‌یافته تأیید شده و می‌توان با اطمینان از آن‌ها برای نتیجه‌گیری و ارائه توصیه‌های طراحی استفاده کرد.