تأثیر ارتفاع پشتی

در این بخش، از ثبت زلزله Upland برای مطالعه تأثیر ارتفاع پشتی (H) بر پاسخ لرزه‌ای لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن شده استفاده شده است. شکل 6 a-حداکثر تغییر قطر عمودی را پس از پایان پر کردن خندق (که در ادامه مقاله به عنوان استاتیک نامیده می‌شود) نشان می‌دهد، و حداکثر مقدار تولید شده به دلیل لرزش زلزله (که از این پس به عنوان زلزله نامیده می‌شود) در شکل 6b-، برای تمام قطرهای مورد بررسی در مطالعه نشان داده شده است. علامت منفی در شکل 6a و b به معنای کاهش قطر عمودی لوله است. در شکل a-6 نشان داده شده است که تغییر قطر عمودی با افزایش ارتفاع پشتی اندکی افزایش می‌یابد، و سپس با افزایش مداوم ارتفاع پشتی اندکی کاهش می‌یابد؛ با این حال، ارتفاع پشتی که پس از آن تغییر قطر عمودی شروع به کاهش می‌کند ثابت نیست، و به قطر لوله بستگی دارد. این روند رابطه به دلیل افزایش سفتی خاک با افزایش ارتفاع پشتی است؛ این افزایش در سفتی خاک پشتیبانی اضافی به لوله اضافه می‌کند و تأثیر وزن اضافی خاک را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. با این حال، در مورد زلزله (شکل 6-b)، تغییر قطر عمودی با افزایش ارتفاع پشتی به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. برای قطر خارجی 0.4 متر، افزایش درصدی تغییر قطر عمودی برابر با 180٪، 283٪، 443٪، و 784٪ برای ارتفاع‌های پشتی 1.0 متر، 2.0 متر، 3.0 متر، و 4.0 متر است، به ترتیب. برای قطر خارجی 0.7 متر، افزایش درصدی تغییر قطر عمودی برابر با 335٪، 258٪، 288٪، و 374٪ برای ارتفاع‌های پشتی 1.0 متر، 2.0 متر، 3.0 متر، و 4.0 متر است، به ترتیب. سپس، برای قطر خارجی 1.4 متر، افزایش درصدی تغییر قطر عمودی برابر با 67٪، 106٪، 184٪، و 241٪ برای ارتفاع‌های پشتی 1.0 متر، 2.0 متر، 3.0 متر، و 4.0 متر است، به ترتیب. این افزایش‌های قابل توجه به دلیل کاهش سفتی خاک ناشی از تنزل از لرزش زلزله است. کاهش سفتی خاک پشتیبانی ارائه شده توسط خاک به لوله را کاهش می‌دهد، و بنابراین تأثیر بیشتری از ارتفاع پشتی بر تغییر شکل لوله ایجاد می‌کند. شکل 7 a-و b حداکثر نیروی دیواره توسعه یافته در دیواره لوله برای تمام موارد مورد بررسی در این تحقیق و برای هر دو مورد استاتیک شکل a-7 شکل b-7 را ارائه می‌دهد. شکل 7a- نشان می‌دهد که افزایش ارتفاع پشتی نیروی دیواره لوله را به دلیل افزایش فشار خاک بالای لوله افزایش می‌دهد.مقایسه شکل‌های ۷a و b به وضوح نشان می‌دهد که حداکثر نیروی رانش به دلیل لرزش زلزله به شدت افزایش یافته است. باز هم، این امر ناشی از کاهش پشتیبانی خاک که به لوله ارائه می‌شود به دلیل کاهش سفتی خاک که تحت تأثیر اثر زلزله ایجاد شده است.

 شکل‌های ۸a-و b رابطه بین حداکثر لحظه خمشی دیواره لوله (BM) و ارتفاع پشتی را برای هر دو حالت استاتیک و زلزله ارائه می‌دهند. این شکل‌ها افزایش چشمگیری در حداکثر لحظه خمشی به دلیل افزایش ارتفاع پشتی و اثرات لرزش زلزله را نشان می‌دهند. علل آن افزایش وزن خاک بالای لوله برای حالت استاتیک (شکل ۸(a-، و کاهش سفتی خاک به دلیل کاهش سفتی برای حالت زلزله(شکل 8-b است.

شکل 7 تأثیر ارتفاع پرکننده بر حداکثر نیروی فشاری دیواره لوله برای: a) حالت استاتیک؛ و  b) حالت زلزله

تأثیر شتاب زمینی اوج

تأثیر شتاب نهایی زمین (PGA) با مقیاس‌بندی ضبط زلزله اپلند برای تولید دو ضبط اضافی مورد بررسی قرار گرفته است؛ یکی با PGA 0.1 g و دیگری با PGA 0.6 g. این تکنیک همچنین توسط ابوهاجر و همکاران و الزابیبی در مطالعه تحقیقاتی‌شان استفاده شده است. شکل 9a–c  اثر ترکیبی ارتفاع پر کردن پشت و PGA را بر حداکثر فشار دیواره لوله، حداکثر لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی به ترتیب نشان می‌دهد. مورد لوله‌ای با قطر خارجی 0.4 متر برای تولید این نتایج استفاده شده است. از شکل‌ها واضح است که افزایش PGA به طور قابل توجهی فشار دیواره لوله، لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی را افزایش می‌دهد. درصد افزایش از 4٪ تا 107٪ برای فشار دیواره لوله، 52٪ تا 581٪ برای لحظه خمش دیواره لوله و 65٪ تا 2203٪ برای تغییر قطر عمودی متغیر است. این افزایش‌های عظیم می‌تواند با کاهش پشتیبانی ارائه شده به لوله همزمان با افزایش PGA توجیه شود. مهم‌تر اینکه، شکل‌ها ضرورت در نظر گرفتن PGA مورد انتظار از لرزش زلزله را برای طراحی بهتر لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن شده در مناطق زلزله‌خیز را نشان می‌دهند.

شکل 8. تأثیر ارتفاع پر کردن پشت بر حداکثر لحظه خمش دیواره لوله (BM) برای: a) حالت استاتیک؛ و b) زلزله

شکل 9. تأثیر شتاب نهایی زمین (PGA) بر پاسخ لرزه‌ای لوله uPVC: اa) حداکثر فشار دیواره لوله؛ b) حداکثر لحظه خمش دیواره لوله؛ و ج) تغییر قطر عمودی

تأثیر وزن خاک پر کردن پشت

تأثیر وزن خاک پر کردن پشت با در نظر گرفتن دو خاک ماسه‌ای با چگالی‌های نسبی 50٪  (RD50) و 80٪ (RD80)  مورد مطالعه قرار گرفته است. برای تمام این تحلیل‌های جدید، خاک ماسه‌ای با چگالی نسبی 90٪ (RD90)  به عنوان خاک پشتیبانی کننده لوله در نظر گرفته شده است؛ این رویکرد به دلیل تأکید استانداردهای طراحی بر ارائه پشتیبانی بسیار خوب به لوله انعطاف‌پذیر اتخاذ شده است. ضبط زلزله اپلند در تحلیل‌های این بخش استفاده شده است. علاوه بر این، لوله‌ای با قطر خارجی 0.4 متر در این بخش در نظر گرفته شده است. نتایج تحلیل‌های انجام شده در این بخش و نتایج تحلیل‌های قبلی (یعنی با RD90 به عنوان خاک پر کردن پشت) جمع‌آوری شده و در شکل 10 a–c برای مقایسه نشان داده شده است. شکل 10a–c  تأثیر ترکیبی ارتفاع پر کردن پشت و وزن خاک پر کردن پشت را بر حداکثر فشار دیواره لوله، حداکثر لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی به ترتیب نشان می‌دهد. از شکل‌ها واضح است که تأثیر وزن خاک پر کردن پشت بر پاسخ لرزه‌ای لوله جزئی است، با حداکثر تغییر درصدی 6٪. این تأثیر جزئی به دلیل کاهش سفتی خاک اطراف لوله به عنوان وزن خاک پر کردن پشت بالای لوله کاهش می‌یابد؛ بنابراین، هر افزایش/کاهش در وزن خاک پر کردن پشت همراه با افزایش/کاهش در پشتیبانی خاک به لوله است.

تأثیر موقعیت لرزش زلزله

تأثیر موقعیت لرزش زلزله با ساخت مدل‌هایی با عمق‌های مختلف برای شبیه‌سازی مواردی با ضخامت‌های مختلف رسوبات خاک بالای لایه سنگ مورد بررسی قرار گرفته است. عمق‌های جدید 10 متر، 30 متر، و 40 متر بوده‌اند؛ جایی که هر عمق (D) موقعیت متفاوتی از لایه سنگ را شبیه‌سازی می‌کند (یعنی ضخامت‌های مختلف رسوبات خاک). ضبط زلزله اپلند در تحلیل‌ها برای این عمق‌های جدید استفاده شده است و نتایج با مدل استفاده شده در بخش‌های قبلی (یعنی مدل با عمق 20 متر) مقایسه شده‌اند. علاوه بر این، تحلیل‌های انجام شده در این بخش برای موردی با ارتفاع پر کردن پشت 1.0 متر و لوله‌ای با قطر خارجی 0.4 متر بوده است. شکل 11 a–c تأثیر موقعیت لرزش زلزله (یعنی موقعیت لایه سنگ) را بر فشار دیواره لوله، لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی به ترتیب نشان می‌دهد. ارقام نشان‌دهنده افزایش قابل توجهی در فشار دیواره لوله، لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی برای موردی با عمق 10 متر در مقایسه با سایر عمق‌ها هستند. این رفتار به دلیل افزایش قابل ملاحظه در شتاب به عنوان ضخامت رسوبات خاک (یعنی عمق مدل) کاهش می‌یابد. این افزایش شتاب، کرنش خاک را بالا می‌برد و در نتیجه به دلیل کاهش سفتی خاک، پشتیبانی خاک ارائه شده به لوله کاهش می‌یابد. همچنین از ارقام واضح است که پاسخ لرزه‌ای لوله با افزایش ضخامت رسوبات خاک کاهش می‌یابد؛ این به این دلیل است که شتاب رسیده به خاک اطراف لوله‌ها با افزایش ضخامت رسوبات خاک به دلیل میرایی مواد خاک کاهش می‌یابد.

کاهش شتاب، کرنش خاک اطراف لوله را کاهش می‌دهد و در نتیجه پشتیبانی ارائه شده توسط خاک به لوله افزایش می‌یابد. با این حال، واضح است که کاهش در حداکثر فشار دیواره لوله، حداکثر لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی با افزایش ضخامت رسوبات خاک غیرخطی است؛ این به دلیل تعامل پیچیده بین میرایی مواد خاک و ضخامت رسوبات خاک است. به طور خلاصه، می‌توان نتیجه گرفت که موقعیت منبع زلزله تأثیر غیرخطی بر پاسخ لرزه‌ای لوله دارد. بنابراین، موقعیت لایه سنگ بسیار مهم است و باید توسط طراحان در نظر گرفته شود تا طراحی خوبی که شرایط واقعی در میدان را منعکس می‌کند، امکان‌پذیر باشد.

شکل 10. تأثیر وزن خاک پر کردن پشت بر پاسخ لرزه‌ای لوله uPVC دفن شده: a) حداکثر فشار دیواره لوله؛ b) حداکثر لحظه خمش دیواره لوله؛ و c) تغییر قطر عمودی

شکل 11. تأثیر موقعیت لایه سنگ بر پاسخ لرزه‌ای لوله‌ای که زیر ارتفاع پر کردن پشت 1.0 متر دفن شده است: a) فشار دیواره لوله؛ b) لحظه خمش دیواره لوله؛ و c) تغییر قطر عمودی

تأثیر فرکانس لرزش زلزله

همانطور که قبلاً در مقاله ذکر شده است، تأثیر فرکانس لرزش زلزله با استفاده از ضبط‌های مختلف زلزله (زلزله اپلند، زلزله لوما پریتا و زلزله نورثریج) مورد بررسی قرار گرفته است. ضبط‌های این لرزش‌های زلزله در شکل 2a، c و e نشان داده شده‌اند. زلزله اپلند دارای فرکانس غالب 2.8 هرتز، زلزله لوما پریتا دارای فرکانس غالب 0.66 هرتز و زلزله نورثریج دارای فرکانس غالب 0.93 هرتز بوده است. با این حال، مهم است که بیان شود که نمی‌توان به طور ضمنی تأثیر فرکانس لرزش زلزله را بررسی کرد زیرا دامنه فرکانس زلزله تغییر می‌کند، همانطور که در شکل 2b، d و f نشان داده شده است. با این حال، استفاده از فرکانس غالب نشان‌دهنده تأثیر فرکانس لرزش زلزله است. همچنین باید توجه داشت که برخی از مطالعات در ادبیات از ضبط‌های شتاب‌های هارمونیک مصنوعی برای بررسی صریح تأثیر فرکانس لرزش زلزله استفاده کرده‌اند، با این حال، نویسنده تصمیم گرفته است از ضبط‌های واقعی استفاده کند زیرا این ضبط‌ها بینشی در مورد پاسخ لرزه‌ای واقعی لوله ارائه می‌دهند. موردی با ارتفاع پر کردن پشت 1.0 متر و قطر خارجی 0.4 متر در تحلیل‌های این بخش استفاده شده است. شکل 12a–c تأثیر فرکانس لرزش زلزله را بر فشار دیواره لوله، لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی به ترتیب نشان می‌دهد. از ارقام بسیار واضح است که زلزله‌های نورثریج و لوما پریتا نتایج بسیار نزدیکی تولید کرده‌اند. علاوه بر این، فشار دیواره لوله، لحظه خمش دیواره لوله و تغییر قطر عمودی ناشی از زلزله‌های لوما پریتا و نورثریج بیشتر از آن‌هایی است که با استفاده از زلزله اپلند تولید شده‌اند؛ این بدان معناست که فرکانس غالب تأثیر قابل توجهی بر پاسخ لرزه‌ای لوله دارد. همچنین، می‌توان از این نتایج نتیجه گرفت که کاهش فرکانس غالب، پاسخ لرزه‌ای را افزایش می‌دهد. این می‌تواند با فشردگی ضمنی خاک ناشی از لرزش زلزله توجیه شود، جایی که افزایش فرکانس به معنای بیشتر دور در ثانیه است؛ بنابراین، فشردگی خاک اضافی برای فرکانس بالاتر (دور بیشتر در ثانیه) رخ می‌دهد. فشردگی اضافی به معنای پشتیبانی بهتر برای لوله انعطاف‌پذیر است و این پشتیبانی بهتر پاسخ لرزه‌ای کمتری تولید می‌کند. ارزش ذکر دارد که مشاهدات مشابهی توسط ابوهاجر و همکاران ثبت شده است که تأثیر فرکانس غالب بر پاسخ لرزه‌ای کولورت‌های بتنی دفن شده را بررسی کرده‌اند.

شکل ۱۲ تأثیر فرکانس لرزش زمین‌لرزه بر پاسخ زمین‌لرزه لوله‌ای به قطر ۰.۳ متر که زیر ۱.۰ متر بازپر کننده دفن شده است: a) حداکثر نیروی فشاری دیواره لوله  b) حداکثر لحظه خمشی دیواره لوله؛و c) تغییر قطر عمودی.

نتیجه‌گیری

 پاسخ عرضی لوله‌های uPVC دفن‌شده که در معرض لرزش زمین‌لرزه قرار گرفته‌اند، در این مطالعه به طور کامل با استفاده از FEMA غیرخطی و مدل سختی کوچک تنش خاک سخت‌شونده بررسی شده است که مدلی است که به طور دقیق پاسخ دینامیکی خاک ماسه‌ای خشک را شبیه‌سازی می‌کند. این مطالعه بر تأثیر مدل مزدوج خاک، قطر لوله، ارتفاع بازپر کننده، شتاب زمینی اوج، وزن خاک بازپر کننده، مکان و فرکانس لرزش زمین‌لرزه متمرکز شده است. این تحقیق نتایج جدیدی ارائه داده و نشان داده است که لوله‌های uPVC دفن‌شده چگونه به لرزش زمین‌لرزه پاسخ می‌دهند. موارد زیر خلاصه‌ای از یافته‌های اصلی این تحقیق را ارائه می‌دهد:

1. مدل الاستیک خطی و مدل الاستیک پلاستیک کامل Mohr–Coulomb، نیروی فشاری دیواره لوله، لحظه خمشی دیواره لوله و تغییر قطر عمودی ناشی از اثر لرزش زمین‌لرزه را دست‌کم می‌گیرند؛ زیرا این مدل‌ها کاهش مدول برشی خاک را در نظر نمی‌گیرند. بنابراین، مدلی که کاهش مدول برشی را در نظر بگیرد برای مدل‌سازی قوی پاسخ لرزه‌ای لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده مورد نیاز است، زیرا رفتار این لوله‌ها به شدت تحت تأثیر سختی خاک اطراف قرار دارد.
2. پاسخ لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده به شدت تحت تأثیر لرزش زمین‌لرزه قرار دارد، زیرا نتایج این مطالعه افزایش قابل توجهی در نیروی فشاری دیواره لوله، لحظه خمشی دیواره لوله و تغییر قطر عمودی را نشان داده است.
3. افزایش ارتفاع بازپر کننده، تأثیر لرزش زمین‌لرزه بر پاسخ لرزه‌ای لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده را افزایش می‌دهد. این به دلیل کاهش سختی خاک ناشی از لرزش زمین‌لرزه است (یعنی کاهش پشتیبانی خاک ارائه شده به لوله). این کاهش باعث می‌شود که لوله به فشار خاک بالاتر ناشی از افزایش ارتفاع بازپر کننده، پاسخ دهد.
4. افزایش شتاب زمینی اوج لرزش زمین‌لرزه، به طور چشمگیری نیروی فشاری دیواره لوله، لحظه خمشی دیواره لوله و تغییر قطر عمودی را افزایش می‌دهد؛ این همچنین با کاهش پشتیبانی خاک از لوله به دلیل کاهش سختی با افزایش شتاب مرتبط است.
5. وزن خاک بازپر کننده تأثیر قابل توجهی بر پاسخ لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده که در معرض لرزش زمین‌لرزه قرار دارند، ندارد. این به دلیل تأثیر قابل توجه سختی خاک اطراف لوله توسط وزن خاک بازپر کننده بالای لوله است؛ بنابراین، هر افزایش/کاهش در وزن بازپر کننده با افزایش/کاهش در پشتیبانی خاک از لوله همراه است.
6. مکان لرزش زمین‌لرزه (یعنی ضخامت رسوبات خاک) تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر پاسخ لرزه‌ای لوله دارد. هرچه لرزش زمین‌لرزه به لوله نزدیک‌تر باشد، پاسخ لرزه‌ای لوله بیشتر است. این رفتار با افزایش تنش خاک اطراف لوله همزمان با نزدیک شدن لرزش زمین‌لرزه (یعنی مکان لایه سنگ) به لوله مرتبط است. این افزایش در تنش خاک، سختی خاک پشتیبانی کننده از لوله را کاهش می‌دهد و منجر به افزایش نیروی فشاری، لحظه خمشی بالاتر و تغییر قطر عمودی بیشتر می‌شود.
7. افزایش فرکانس غالب لرزش زمین‌لرزه، پاسخ لرزه‌ای لوله را کاهش می‌دهد. این به دلیل افزایش سختی خاک ناشی از افزایش فشردگی ضمنی خاک است که توسط افزایش فرکانس لرزش زمین‌لرزه ایجاد می‌شود.
8. مهم است که نتایج گزارش‌شده در این تحقیق برای تولیدکنندگان لوله‌های uPVC، مهندسان طراحی خط لوله، متخصصان و پژوهشگرانی که به پاسخ بلندمدت زیرساخت‌های دفن‌شده علاقه‌مند هستند، بسیار مفید است.