فهرست مطالبشماره و عنوان مطالبصفحه فصل اول: کلیات پژوهش1-1- مقدمه.............21-2- بيانمسئله.........171-3- اهدافتحقيق.......181-3-1- اهدافكلي.....181-3-2- اهدافجزئي.....18 فصل دوم: تئوریهای مربوط به فشار جانبی خاک روی دیوار حائل2-1- مقدمه..........202-2- فشارجانبيخاكدرحالتسكون........212-3- نظريهفشارخاكرانكين......242-3-1- فشار جانبی محرک خاك رانكين.......252-3-2- فشار جانبي مقاوم خاك رانكين........272-4- نظريهفشارخاككولمب......312-4-1- فشار جانبي محرك خاك كولمب......302-4-2- فشار جانبيمقاومخاككولمب.......342-4-3- روشترسيميمحاسبهفشارخاكمحرككولمب.........................................................................................................352-4-4- روشترسيميمحاسبهفشارمحركخاكباخاک‌ریزچسبنده......................................................................................382-5- فشارجانبيخاكبر اساسروشهايتحليلسايرمحققان................................................................................................432-6- فشارجانبيخاكبر اساسوزن توده...............................................................................................................................44 فصل سوم: تئوری آرچینگ ترزاقی3-1- مقدمه....................................................................................................................................................................................473-3- تئوری آرچینگ.................................................................................................................................................................50 فصل چهارم: آزمایشات و مدلسازی عددی4-1- مقدمه....................................................................................................................................................................................594-2- مشخصات خاک مصرفی..................................................................................................................................................594-2-1- منحنی دانهبندی..........................................................................................................................................................594-2-2- محاسبه زاویهی اصطکاک داخلی ()........................................................................................................................614-2-3- محاسبه وزن مخصوص ().......................................................................................................................................624-3-مشخصات مدل فیزیکی....................................................................................................................................................634-4- مدلسازی آزمایشگاهی.....................................................................................................................................................644-4-1- ارتفاع 15 سانتیمتر.......................................................................................................................................................644-4-2- ارتفاع 20سانتیمتر........................................................................................................................................................724-4-3- ارتفاع 25 سانتیمتر........................................................................................................................................................784-4-4- مقایسه نتایج به‌دست‌آمده از آزمایشات…..…..............................................................................................................844-4-5- بررسی درصد کاهش فشار در پشت دریچه…..............................................................................................................874-5- مدلسازی عددی..............................................................................................................................................................91 فصل پنجم: بحث و نتیجهگیری5-1- بحث و نتیجهگیری..............................................................................................................................................................975-2-پیشنهادات..............................................................................................................................................................................98فهرست منابع و مآخذ......................................................................................................................................................................99فهرست جدولهاشماره و عنوان جدول صفحهجدول 2-1: ضرایب فشار جانبی محرک خاک (کاکو و کریزل، 1948)........................................................................................43جدول 4-1: نتایج آزمایش دانهبندی……...................................................................................................................................60جدول 4-2: محاسبه ضریب یکنواختی و دانهبندی........................................................................................................................61جدول 4-3:محاسبه وزن مخصوص ()..................................................................................................................................63 فهرست شکلهاشماره و عنوان شکل صفحه شکل 1‑1: آرچینگ محرک.......................................................................................................................................................5شکل 1-2: تراکم پذیر بودن سازه نسبت به خاک...........................................................................................................................5شکل 1-3: آرچینگ مقاوم.........................................................................................................................................................6شکل 1-4: تراکمپذیر بودن خاک نسبت به سازه..............................................................................................................................7شکل 1-5:(a) جریان خاک به سمت تونل کمعمق زمانی که تسلیم در توده خاک رخ میدهد....................................................9شکل 1-5:(b)پروفایل تنش قائم در خاک موجود در بالای تونل................................................................................................9شکل 1-6: تسلیم شدن در خاک به دلیل حرکت رو به پایین در پایه............................................................................................9شکل 1-7:(a) ناحیه تسلیم در خاک زمانی که تونل در عمق بزرگی قرار میگیرد، (b) پروفایل تنش قائم در خاک موجود در بالای تونل.............................................................................................................................................................................................10شکل 1-8: شمعهای ردیفی........................................................................................................................................................11شکل 1-9: شمعهای مماس به هم................................................................................................................................................11شکل 1-10: نمایی از شمع دیوارها.............................................................................................................................................12شکل 1-11: (a) توزیع یکنواخت فشار محرک زمین، که به‌طور پیوسته به دیوار اعمال میشود. (b) توزیع مثلثی میباشد که گاهی اوقات به شمع سرباز دیوارها وارد میشود................................................................................................................................12شکل 1-12: الف) دیوار حائل وزنی، ب) دیوار حائل نیمه وزنی .................................................................................................13شکل 1-13: دیوار حائل طرهاي..................................................................................................................................................14شکل 1-14: ديوارحائلپشت‌بنددار................................................................................................................................................15شکل 1-15: اندرکنش خاک و سازه هنگام زلزله.........................................................................................................................16شکل 2-1: فشار جانبی خاک روی دیوار حائل در شرایط سکون................................................................................................22شکل 2-2: الف) حالات تنش قبل و بعد از گسیختگی، ب) تنش وارد بر المان در حالت سکون، ج) گسیختگی در حالت محرک، د) گسیختگی در حالت مقاوم..................................................................................................................................................................26شکل 2-3: تنشهای وارد بر خاک پشت دیوار در المانی از خاک…...........................................................................................28شکل 2-4: گوه گسیختگی در تئوری کولمب برای تعیین نیروی جانبی وارد بر دیوار….............................................................32شکل 2-5: الف) شرایط مفروض برای گوه گسیختگی کولمب، ب) محل تلاقی نیروها از O نمیگذرد و تعادل لنگرها ارضا نمیشود، ج) مثلث نیروها برای تعیین نیروی محرک……......................................................................................................................32شکل 2-6: گوه گسیختگی برای محاسبه نیروی جانبی وارد بر دیوار در تئوری کولمب..................................................35شکل 2-7: حل کولمان برای فشار محرک خاک……................................................................................................................36شکل 2-8: چندضلعی نیرو برای تعیین نیروی محرک در گوه گسیختگی خاک چسبنده….......................................................38شکل 2-9: روش گوه آزمایشی برای تعیین نیروی محرک در خاک‌ریز چسبنده..........................................................................42شکل 2-10: پارامترهای مربوط به روش کاکو و کریزل...............................................................................................................44شکل 3-1: گسیختگی در ماسه چسبنده قبل از آرچینگ (a)، گسیختگی به دلیل حرکت رو به پایین مقطعی نازک و دراز از لایهای از ماسه (b)، توسعه دادن جزئیات دیاگرام (a); (c)، گسیختگی برشی در ماسه به دلیل تسلیم ساپورت جانبی با دوران حول بالا..........................................................................................................................................................................................................50شکل 3-2:دیاگرام فرض شده برای محاسبه فشار ماسه بین دو سطح عمود لغزش…..............................................................51شکل 3-3: نمایشی از نتایج محاسبات........................................................................................................................................53شکل 3-4: نمایشی از نتایج محاسبات........................................................................................................................................55شکل 4-1: منحنی دانهبندی......................................................................................................................................................60شکل 4-2: آزمایش تعیین زاویه اصطکاک داخلی ()..............................................................................................................62شکل 4-3: (الف)، پرسپکتیوی از ابعاد باکس (ب)، نمایی از دریچههای باکس...…....................................................................64شکل 4-4: آزمایش با ارتفاع 15 سانتیمتر....................................................................................................................................65شکل 4-5: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 2 سانتیمتری..........................................................66شکل 4-6: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 4 سانتیمتری..........................................................66شکل 4-7: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 6 سانتیمتری..........................................................67شکل 4-8: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 8 سانتیمتری..........................................................67شکل 4-9: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 50 سانتیمتری…..................................................68شکل 4-10: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 2 سانتیمتری.......................................................69شکل 4-11: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 4 سانتیمتری…..................................................69شکل 4-12: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 6 سانتیمتری.......................................................70شکل 4-13: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 8 سانتیمتری........................................................70شکل 4-14: گسیختگی خاک با ارتفاع 15 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 50 سانتیمتری....................................................71شکل 4-15: نمونهای از شکل گسیختگی......................................................................................................................................71شکل 4-16: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 2 سانتیمتری........................................................72شکل 4-17: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 4 سانتیمتری........................................................73شکل 4-18: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 6 سانتیمتری........................................................73شکل 4-19: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 8 سانتیمتری........................................................74شکل 4-20: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 50 سانتیمتری......................................................74شکل 4-21: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 2 سانتیمتری........................................................75شکل 4-22: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 4 سانتیمتری........................................................75شکل 4-23: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 6 سانتیمتری........................................................76شکل 4-24: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 8 سانتیمتری........................................................76شکل 4-25: گسیختگی خاک با ارتفاع 20 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 50 سانتیمتری......................................................77شکل 4-26: گسیختگی خاک ناشی از جابجایی دریچه.................................................................................................................78شکل 4-27: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 2 سانتیمتری........................................................79شکل 4-28: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 4 سانتیمتری........................................................79شکل 4-29: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 6 سانتیمتری........................................................80شکل 4-30: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 8 سانتیمتری.......................................................80شکل 4-31: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 50 سانتیمتری......................................................81شکل 4-32: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 2 سانتیمتری........................................................81شکل 4-33: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 4 سانتیمتری........................................................82شکل 4-34: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 6 سانتیمتری........................................................82شکل 4-35: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 8 سانتیمتری........................................................83شکل 4-36: گسیختگی خاک با ارتفاع 25 سانتیمتر ناشی از جابجایی دریچه 50 سانتیمتری......................................................83شکل 4-37: مقایسه سطح گسیختگی برای ارتفاع 15 سانتیمتری................................................................................................84شکل 4-38: مقایسه سطح گسیختگی برای ارتفاع 20 سانتیمتری................................................................................................85شکل 4-39: مقایسه سطح گسیختگی برای ارتفاع 25 سانتیمتری................................................................................................85شکل 4-40: مقایسه سطح گسیختگی برای ارتفاع 15 سانتیمتری................................................................................................86شکل 4-41: مقایسه سطح گسیختگی برای ارتفاع 20 سانتیمتری................................................................................................86شکل 4-42: مقایسه سطح گسیختگی برای ارتفاع 25 سانتیمتری................................................................................................87شکل 4-43: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچهبرای ارتفاع 15.............................................................................................88شکل 4-44: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچهبرای ارتفاع 20...........................................................................................88شکل 4-45: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچهبرای ارتفاع 25..........................................................................................89شکل 4-46: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچهبرای ارتفاع 15............................................................................................89شکل 4-47: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچهبرای ارتفاع 20............................................................................................90شکل 4-48: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچهبرای ارتفاع 25............................................................................................90شکل 4-49: مشبندی صورت گرفته توسط نرمافزار.....................................................................................................................91شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 2 سانتیمتری......................................................................................92شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 4 سانتیمتری......................................................................................93شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 6 سانتیمتری......................................................................................94شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 8 سانتیمتری......................................................................................94 فهرست علائم اختصاریعلامت اختصاریمفهومزاويه اصطكاك داخلي خاكcچسبندگیزاویه اصطکاک بین خاک و دیواروزن مخصوص مصالحوزن مخصوص خشک طبیعیوزن مخصوص خشک حداقلنیروی رانش محرک وارد بر دیوارنیروی رانش مقاوم وارد بر دیوارتنش در حالت سکونتنش در حالت محرکتنش در حالت مقاومتنش قائمتنش افقیتنش اصلی حداکثرتنش اصلی حداقلتنش برشیuفشار آب حفرهایضریب فشار جانبی خاک در حالت سکونضریب فشار جانبی خاک در حالت محرکضریب فشار جانبی خاک در حالت مقاومضریب فشار جانبی خاکPIنشان خمیریOCRنسبت پیش تحکیمHارتفاع دیوارhارتفاع هر نقطه دلخواه از پای دیوارzعمق خاک پشت دیوارWوزن گوه گسیختگیLepطول مؤثر خاک‌ریز پشت دیوارEضریب ارتجاعی خاکجابجایی حدی دیوار در حالت مقاوممجموع جابجایی دورانی و انتقالی دیوارجابجایی دیوار در اثر دورانجابجایی انتقالی دیوارxنسبت جابجایی دیوار به جابجایی حدیزاویه بین شعاع اولیه با هر شعاع از اسپیرال لگاریتمیشعاع اولیه اسپیرال لگاریتمیشعاع اسپیرال لگاریتمیشعاع میانی یا منصف اسپیرالمساحت اسپیرال لگاریتمیمساحت گوه گسیختگیمؤلفههای مرکز سطح اسپیرال لگاریتمیزاویه بیندیوار و شعاع اسپیرال لگاریتمیزاویه گوه گسیختگی در پای دیوارزاویه گوه گسیختگی با افق در ارتفاع دیوارزاویه بین صفحه اصلی حداقل با افقطول گوه گسیختگی در تراز فوقانیبازوی لنگر نیروی وزنبازوی لنگر نیروی وارد بر دیوارnaضریب محل اثر نیرو (به‌دست‌آمده از هندسه دیوار)ضریب محل اثر نیرو (به‌دست‌آمده از توزیع تنش جانبی)فشار قائم خاکفشار افقی خاکبرآیند فشار جانبی وارد بر دیوار فصل اول:کليات پژوهش 1-1- مقدمهوجود هرگونه سازه در داخل تودهی زمین باعث تغییر در توزیع تنش[1] در محل شده و انتظار میرود که این تغییر نیرو بر سازه تأثیر بگذارد. علاوه بر این زمین واقع در مجاورت یک سازه میتواند تا حد زیادی ظرفیت باربری آن را در مقایسه با سازهی مشابه غیرهمدفون افزایش دهد. در طراحی سازههایی از قبیل تونلها، گودالها، مجاری آبهای زیرزمینی و غیره نمیتوانند از آییننامههای موجود برای سازههایی که بر روی زمین احداث می‌شوند، تبعیت کنند. سه عامل اصلی برای تصمیمگیری این‌که چه سطح از تنش تغییر میکند (مک نالتی[2]، 1965): خواص فیزیکی سازه، رفتار بار-تغییرشکل سازه، خواص زمین اطراف سازه به‌خصوص قابلیت انتقال نیروها میتوان اشاره کرد. این روند که باعث میشود، تنشها بر یا به اطراف سازهی مدفون شده در خاک از میان تنشهای برشی ناشی از جابجاییهای مرتبط انتقال پیدا کنند پدیده قوسی یا همان Arching گویند. 1-1-1-پیشینه تحقیقپدیده قوسی[3] حدود 150 سال پیش شناخته شد. تحقیقات در این زمینه به‌صورت پراکنده و اغلب نسبت به یک ناحیهی خاص که از اهمیت ویژهای در آن نقطه زمانی داشته است، میباشد. پدیده قوسی در بسیاری از مسائل ژئوتکنیک وجود دارد. درحالی‌که پدیده قوسی در ابتدا در زمینهی غیره ژئوتکنیکی شناخته شده و مورد بررسی قرار گرفته است. در حدود سال 1800 مهندسان نیروی نظامی فرانسه اقدام به طراحی مخزن سیلو نمودند (فلد[4]، 1948). آن‌ها یافتند که قسمت انتهایی سیلو فقط بخشی از وزن کل مصالح بالای آن را حمل میکند و دیوارهای کناری در معرض نیروی بیشتری نسبت به آنچه که انتظار میرفت، قرار دارند. آزمایشات نشان دادند که اگر مقطع کوچکی از قسمت انتهایی جدا شده و به پایین حرکت کند، نتیجه میشود که نیروی وارده به مقطع بسته به ارتفاع مصالح داخل مخزن دارد. آن‌ها نتیجه گرفتند، یک قوس در بالای مقطع جابجا شده، شکل میگیرد. بعد از سال 1800 این دانش از رفتار در مخزن سیلوها در طراحی سیلوها برای مصالح دانهای و سایر مصالح ذرهای به کار برده شد. در محدودهی سال 1910 پروژه مهم زهکشی زمین در میدوست جریان یافت (اسپانگلر و هندی[5]، 1973). مهندسان یافتند که بسیاری از لولههای زهکش پس از نسب و ریختن خاک، دچار شکست شدهاند. آنسون مارستون، تحقیقات وسیعی در دانشگاه ایالت آیووا در رابطه با نیروهای وارده بر لولههای دفن شده در زمین انجام داد و دریافت که به دلیل انعطاف‌پذیر بودن لولهها و همچنین روند نسب، مقدار نیرو تغییر میکند؛ که این تغییر به پدیده قوسی نسبت داده شد. در سال 1920 تا 1930 اهمیت آرچینگ در اطراف تونلها شناخته شد؛ که این از آزمایشات متعددی که حتی امروزه نیز مورد استفاده قرار میگیرد حصول گردید (سزچی[6]، 1996). در 1936 ترزاقی با انجام آزمایش‌هایی تئوری آرچینگ را مطرح کرد. در سال 1960 زمانی که وزارت دفاع آمریکا حمایت قابل‌توجهی از تحقیقات در زمینه اندرکنش خاک-سازه کرد. تکنیکهایی برای طراحی سختتر استحکامات نظامی نیاز شد و شناخته شد که پدیده قوسی این امکان را میدهد که از زیر، زمین برای محافظت از حملات نظامی هستهای که باعث نابودی کلیه سازههای سطحی میشود، بهره برد؛ که اغلب این تحقیقات را سیمپسون در سال 1964 در زمینه اندرکنش خاک-سازه ارائه داد.امروز با گذشت بیش از 50 سال از ارائه تئوری آرچینگ به دلیل اهمیت این پدیده در طراحی سازهای و مسائل ژئوتکنیکی در سازههای مدفون هنوز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد.در ایران نیز دکتر مسعود مکارچیان با ساخت دستگاه اندازه‌گیری نيروي قوس زدگي، این پدیده را در مصالح ماسهای مورد بررسی قرار داد. درنهایت شاخص قوس زدگی با توجه به میزان دانسیته نسبی مصالح ماسهای و نیز ارتفاع نمونه خاک در سلول آزمایش ارائه شد. همچنین دکتر جمشید صدر کریمی در سال 1389 در دانشگاه تبریز این پدیده را در حالتی که شکل دریچهها دایره و با قطرهای متفاوت بوده، مورد بررسی قرار داد تا تأثیر شکل دریچه و ابعاد آن بر پدیده قوسی را به دست آورد.