عمران

پایان نامه دکتری خاک و پی :آنالیز انتشار موج در خاک های دانه ای با استفاده از روش المان …

آنالیز انتشار موج در خاک­های دانه­ای با بهره گرفتن از روش المان­های مجزا

بهمن ۹۳

 
 
متن پایان نامه :
چکیده
در این پژوهش از روش المان مجزا برای آنالیز انتشار موج و بررسی عوامل موثر بر سرعت موج در خاکهای دانه­ای استفاده شده است. روش المان­های مجزا به سبب امکان تهیه نمونه ­های کاملاً مشابه و بررسی اثر تغییرات یک پارامتر معین بر روی رفتار نمونه ­ها حائز اهمیت است. همچنین این روش درکی از تغییرات رخ داده در مقیاس میکرو از مصالح دانه­ای بدست می­دهد که با سایر روش­های آزمایشگاهی و عددی قابل حصول نیست. به منظور مدل­سازی، نمونه ­ها از مجموعه متشکل از دیسک­ها با دانه­بندی مشخص برای مطالعات دو بعدی ایجاد شده ­اند. از نرم افزار PFC 2D برای انجام شبیه­سازی و آنالیزهای مربوطه استفاده شده است.

دانلود مقاله و پایان نامه

مطالعات در زمینه انتقال موج فشاری در خاک­های دانه­ای توسط محققین مختلف انجام شده است. آن­ها به بررسی میزان تاثیر عوامل مختلف بر سرعت انتشار موج پرداختند. فاکتورهایی مانند: عرض نمونه، نسبت میرایی، شکل ذرات، چیدمان ذرات، فرکانس ارتعاش، قطر و سختی سطح ذرات، فشار یا عمق پارامترهایی هستند که بیشتر مطالعات و شبیه­سازی­های محققین مختلف معطوف به آن­ها بوده است. با وجود تحقیقات قابل توجه انجام شده بر روی انتشار موج و پارامترهای موثر بر آن، هنوز عوامل مختلفی وجود دارند که ممکن است بر انتشار موج در خاک­های دانه­ای تاثیرگذار باشند، که به بررسی میزان تاثیر آن­ها بر فرآیند انتشار موج پرداخته نشده است. به همین جهت، در این تحقیق میزان تاثیر ضریب اصطکاک ذرات، تخلخل مجموعه ذرات، دانسیته ذرات، ضریب غیر یکنواختی اندازه دانه­ها و دانه بندی مجموعه ذرات بر سرعت انتشار موج بررسی شده است. متغیرهای مورد استفاده جهت بررسی عوامل فوق عبارتند از تغییرات تخلخل نمونه خاک در حین اعمال موج، سرعت ذرات، نمایش زنجیره نیروهای تماسی و همچنین متوسط عدد تماسی هر نمونه خاک و نیروهای نامتعادل کننده می­باشند.
نتایج این مطالعه حاکی از آن است که ارتباط مستقیمی بین تعداد تماس­های مجموعه ذرات و سرعت انتشار موج وجود دارد. همچنین خواص مصالح مانند دانسیته ذرات از مهمترین پارامترهای تاثیرگذار بر سرعت موج می­باشند.
واژه‌های کلیدی:
المان مجزا- سرعت موج- تخلخل- اصطکاک- دانه بندی خاک



فهرست
فصل اول مقدمه

مقدمه۱

 

فصل دوم روش المان‏های مجزا

۲-۱-مقدمه۴
۲-۲-مایکرومکانیک محیط‏های دانه‏ای۵
۲-۳-روش المان‏های مجزا۶
۲-۴-چرخه محاسبات۶
۲-۵-الگوریتم تعیین نیروهای بین ذره‏ای۷
۲-۶-اعمال معادله حرکت۱۱
۲-۷- شرایط مرزی۱۳
۲-۷-۱- شرایط فضای تناوبی۱۳
۲-۷-۲- شرایط مرزی صلب۱۴
۲-۷-۳- شرایط مرزی هیدرواستاتیکی۱۴
۲-۷-۴- شرایط مرزی جاذب انرژی۱۵
۲-۸-نتیجه گیری۱۵

فصل سوم بر تحقیقات گذشته

۳-۱-مقدمه۱۷
۳-۲-مدل سازی انتشار موج برشی در خاک دانه­ای۱۸
۳-۲-۱-انتشار موج برشی در ستون خاک با بستر صلب۲۱
۳-۲-۲-انتشار موج برشی در ستون خاک با شرایط مرزی جاذب انرژی در بستر۲۹
۳-۳-مدل سازی انتشار موج فشاری در خاک دانه­ای با بهره گرفتن از DEM۳۴
۳-۳-۱-بررسی اثر عرض نمونه در انتشار موج۳۴
۳-۳-۲-بررسی اثر میرایی ویسکوز در انتشار موج۳۷
۳-۳-۳-بررسی اثر شکل ذرات در انتشار موج۳۸
۳-۳-۴-بررسی اثر چیدمان ذرات در انتشار موج۳۹
۳-۳-۵-بررسی اثر فرکانس در انتشار موج۴۰
۳-۳-۶-بررسی اثر قطر ذرات در انتشار موج۴۴
۳-۳-۷-بررسی اثر ضریب اصطکاک ذرات در انتشار موج۴۶
۳-۳-۸-بررسی اثر فشار در سرعت انتشار موج۴۸
۳-۳-۹-بررسی اثر branch vector در انتشار موج۵۰
۳-۳-۹-۱-مدل سازی محیط دانه­ای خشک۵۱
۳-۳-۹-۲-مدل سازی محیط دانه­ای سیمانته شده۵۵
۳-۴-نتیجه گیری۵۹

 

فصل چهارم مراحل مدلسازی و کالیبراسیون

۴-۱-مقدمه۶۱
۴-۲- تولید ذرات۶۱
۴-۳-اعمال شرایط مرزی و اولیه۶۲
۴-۴- انتخاب مدل تماسی۶۳
۴-۴-۱-مولفه­های رفتاری۶۳
۴-۴-۱-۱-سختی۶۳
۴-۴-۱-۲-لغزش۶۴
۴-۴-۱-۳-رفتارهای چسبندگی۶۴
۴-۴-۲-مدل هرتز۶۴
۴-۴-۳-نتیجه گیری۶۵
۴-۵-اختصاص دادن خواص به مصالح۶۶
۴-۶-میرایی۶۶
۴-۶-۱-میرایی محلی۶۷
۴-۶-۲-میرایی ویسکوز۶۷
۴-۷-مشخص کردن گام زمانی جهت تحلیل و استفاده از روش density scaling۶۸
۴-۸-شرایط مرزی جاذب انرژی و بارگذاری۶۹
۴-۸-۱- بارگذاری۷۲
۴-۹-صحت سنجی (کالیبراسیون مدل)۷۳
۴-۹-۱-آزمایشات انجام شده توسط Stephen R.Hostler (2005)۷۳
۴-۹-۲-نتایج بدست آمده توسط Stephen R.Hostler (2005)۷۵
۴-۹-۳-نتایج بدست آمده از شبیه سازی۷۶
۴-۱۰-نتیجه گیری۷۶

 

فصل پنجم بررسی اثر پارامترهای مختلف بر سرعت موج

۵-۱-مقدمه۷۸
۵-۲-بررسی نحوه انتقال موج در مصالح دانه­ای۷۸
۵-۳-بررسی اثر میزان تخلخل بر سرعت انتشار موج۸۳
۵-۳-۱-بررسی تغییرات عدد متوسط تماسی بر سرعت انتشار موج۸۳
۵-۳-۲-بررسی تغییرات تخلخل برای نمونه ­های مختلف۸۵
۵-۳-۳-بررسی تغییرات میانگین نیروهای تماسی برای نمونه ­های مختلف۸۸
۵-۳-۴-بررسی تغییرات نیروهای نامتعادل کننده در طی اعمال موج۹۰
۵-۳-۵-بررسی تغییرات تنش در جهت­های افقی و قائم۹۱
۵-۳-۶-بررسی تغییرات سرعت ذرات در طی اعمال موج۹۳
۵-۴-بررسی اثرسختی سطح ذرات بر سرعت انتشار موج۹۷
۵-۴-۱-بررسی تغییرات عدد متوسط تماسی بر نمونه ­ها۹۷
۵-۴-۲-بررسی تغییرات سرعت۱۰۰ 
۵-۵-بررسی اثر دانسیته ذرات بر سرعت انتشار موج۱۰۰ 
۵-۶-بررسی اثر میزان غیر یکنواختی دانه­ها (PDI) بر سرعت انتشار موج۱۰۳ 
۵-۶-۱-تعریف ضریب غیر یکنواختی دانه­ها (PDI)۱۰۳ 
۵-۷- بررسی میزان تاثیر دانه بندی خاک بر سرعت انتشار موج۱۰۶ 
۵-۸-نتیجه گیری۱۱۳ 
    

 

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات

۶-۱-نتیجه گیری۱۱۴
۶-۲-پیشنهادات۱۱۵

مراجع

مراجع۱۱۶




 
 
فهرست اشکال

 

شکل ۲-۱- یک ذره در تماس با سایر ذرات در تعادل استاتیکی۵
شکل ۲-۲- مراحل مختلف مدل‌سازی مجموعه ذرات با بهره گرفتن از روش DEM در یک گام زمانی۷
شکل ۲-۳ – دو ذره‏‏ی کروی در تماس با هم۸
شکل ۲-۴- اندرکنش ذره – ذره۹
شکل ۲-۵- الف) تغییرات نیرو – تغییرمکان برای نیروی مماسی تماس، ب) تغییرات نیرو – تغییرمکان برای نیروی نرمال تماس۱۰
شکل ۲-۶- صفحه تماس و نیروی مماسی تماس۱۰
شکل ۲-۸ – شرایط مرزی هیدرواستاتیکی و تماس ذره با صفحه مرزی(Ng, 2002)۱۵
شکل۳-۱-مجموعه شبیه سازی شده در DEM El Shamy Zamaniو ۲۰۱۱۲۰
شکل۳-۲-پروفیل تخلخل اولیه سه نوع خاک مورد استفاده در شبیه سازی Zamaniو El Shamy (2011)۲۰
شکل۳-۳-تاریخچه زمانی شتاب افقی محاسبه شده در محل­های مشخص شده در مرکز توده خاک و و برای حالت­های a: ، b: ، و c: ،( Zamaniو El Shamy (2011))۲۲
شکل۳-۴-نتایج DEM برای حلقه­های تنش-کرنش برای سه نوع خاک در عمق ۴ متری زیر سطح( Zamaniو El Shamy (2011))۲۳
شکل۳-۵-تغییرات مدول برشی در زمان لرزش در عمق ۴ متری زیر سطح و و برای حالات a: ، b: ، و c: ،( Zamaniو El Shamy (2011))۲۴
شکل۳-۶-مشخصات دینامیکی خاک محاسبه شده برای سه نمونه در عمق ۴ متری زیر سطح a: منحنی مدول برشی کاهش یافته، b: منحنی نسبت میرایی برای حالت ( Zamaniو El Shamy (2011))۲۵
شکل۳-۷-مشخصات دینامیکی خاک محاسبه شده a: منحنی مدول برشی کاهش یافته، b: منحنی نسبت میرایی برای حالت با بهره گرفتن از نتایج DEM در عمق­های متفاوت( Zamaniو El Shamy (2011))۲۶
شکل ۳-۸-پروفیل­های محاسبه شده، a: مدول­های برشی در کرنش کم، b: سرعت موج برشی برای توده­های خاک متفاوت( Zamaniو El Shamy (2011))۲۷
شکل۳-۹-پروفیل فاکتور دامنه شتاب برای انواع خاک در فرکانس ۳ هرتز و دامنه شتاب­های a: 0.01g، b: 0.1g، c: 0.4g( Zamaniو El Shamy (2011))۲۷
شکل ۳-۱۰-مقایسه نتایج DEM و SHAKE در شتاب ( Zamaniو El Shamy (2011))۳۱
شکل ۳-۱۱-تاریخچه زمانی شتاب افقی محاسبه شده در محل عمق­های تعیین شده برای حالت ، a: بستر الاستیک و فرکانس ۱ هرتز، b: محیط نامحدود و فرکانس ۱ هرتز، c: بستر الاستیک و فرکانس ۳ هرتز، d: محیط نامحدود و فرکانس ۳ هرتز( Zamaniو El Shamy (2011))۳۲
شکل ۳-۱۲-پروفیل دامنه شتاب برای حالت ، a: و فرکانس ۱ هرتز، b: و فرکانس ۳ هرتز،( Zamaniو El Shamy (2011))۳۳
شکل ۳-۱۳-نتایج DEM برای حلقه­های تنش-کرنش سیکلی برای در عمق ۴ متری زیر سطح، a: بستر سنگی صلب و فرکانس ۱ هرتز، b: بستر الاستیک و فرکانس ۱ هرتز، c: محیط نامحدود و فرکانس ۱ هرتز، d: بستر سنگی صلب و فرکانس ۳ هرتز، e: بستر الاستیک و فرکانس ۳ هرتز، f: محیط نامحدود و فرکانس ۳ هرتز( Zamaniو El Shamy (2011))۳۳
شکل ۳-۱۴-شکل هندسی مدل Constantine N. Tomasو همکاران (۲۰۰۹)۳۴
شکل ۳-۱۵-تعریف زمان رسیدن اولین موج( Constantine و همکاران (۲۰۰۹))۳۶
شکل ۳-۱۶-سرعت موج گروهی P در مقابل فرکانس برای نسبت­های H/B مختلف، ، B/d=25 و ( Constantine N. Tomasو همکاران (۲۰۰۹))۳۶
شکل ۳-۱۷-سرعت موج گروهی P در مقابل برای نسبت­های H/B مختلف، ، B/d=25 و ( Constantine N. Tomasو همکاران (۲۰۰۹))۳۷
شکل ۳-۱۸-سرعت موج گروهی P در مقابل برای نسبت­های میرایی ویسکوز متفاوت، B/d=25، H/B=2 و ( Constantine N. Tomasو همکاران (۲۰۰۹))۳۷
شکل ۳-۱۹-میرایی موج با عرض­های متفاوت (Williams و همکاران (۲۰۰۸))۳۸
شکل ۳-۲۰-محدوده تماس، کانتورهای تنش برشی در شکل­های متفاوت(Williams و همکاران (۲۰۰۸))۳۹
شکل ۳-۲۱-چیدمان­ها و نیروهای تماسی متفاوت(Williams و همکاران (۲۰۰۸))۴۰
شکل ۳-۲۲-سیگنال­های به وجود آمده در نتیجه حرکت دیواره چپی سلول شبیه سازی نشان داده شده است. سیگنال ورودی، فشار در دیواره چپی با خط پر و فشار در دیوار راستی با خط چین نشان داده شده است. منحنی­های بالا از اندازه ­گیری­های انجام شده در ۲۰ ذره بالای بستر بدست آمده و منحنی­های پایین از اندازه ­گیری­های انجام شده در ۵۰ ذره بالای بستر بدست آمده است. (Stephen R. Hostler (2005))۴۱
شکل ۳-۲۳-فاصله فازی بین فشار خروجی (دیوار راستی) و تغییر مکان دیوار چپی. (Stephen R. Hostler (2005))۴۲
شکل ۳-۲۴-سرعت فازی محاسبه شده از فاصله فازی. (Stephen R. Hostler (2005))۴۳
شکل ۳-۲۵-دامنه فشار ثبت شده در دیواره چپی سلول شبیه سازی. هر نقطه میانگین ۵ شبیه سازی مستقل است. (Stephen R. Hostler (2005))۴۴
شکل ۳-۲۶-سرعت موج گروهی P در مقابل فرکانس برای قطرهای مختلف ذرات، ، H/B=2 و ( Constantine N. Tomasو همکاران (۲۰۰۹))۴۵
شکل ۳-۲۷-سرعت موج گروهی P در مقابل برای قطرهای مختف ذرات، ، H/B=2 و ( Constantine N. Tomasو همکاران (۲۰۰۹))۴۵
شکل ۳-۲۸-سرعت موج اندازه گیری شده توسط Hostler (2005) برای قطرهای مختلف۴۶
شکل ۳-۲۹-زنجیره تک بعدی از ذرات بیضوی (Shukla (1993))۴۷
شکل ۳-۳۰-نتایج بدست آمده از آنالیز اثر سختی سطح ذرات در سرعت نشر موج (Shukla (1993))۴۷
شکل ۳-۳۱-بافت معمول در مصالح دانه­ای (Martin H. Sadd و همکاران ۱۹۹۹)۵۱
شکل ۳-۳۲-قانون تماسی هیستریک غیر خطی۵۲
شکل ۳-۳۳-مجموعه شدیداً غیر ایزوتروپیک، ۸۸۲ ذره، نسبت تخلخل ۰٫۴۳ و عدد تماس برابر با ۲٫۸۷(Martin H. Sadd و همکاران ۱۹۹۹)۵۳
شکل ۳-۳۴-مجموعه غیر ایزوتروپیک ضعیف، ۱۰۴۲ ذره، نسبت تخلخل ۰٫۲۵ و عدد تماس برابر با ۴٫۱۷ (Martin H. Sadd و همکاران ۱۹۹۹)۵۵
  
شکل ۳-۳۵-طرح شماتیک مدل چسبندگی تماسی(Martin H. Sadd و همکاران ۱۹۹۹)۵۶
شکل ۳-۳۶-مدل تصادفی ایجاد شده برای ذرات سیمانته شده(Martin H. Sadd و همکاران ۱۹۹۹)۵۷
شکل ۳-۳۷-پراکندگی بافت سیمانته شده برای مدل­های قائم و افقی(Martin H. Sadd و همکاران ۱۹۹۹)۵۸
شکل۴-۱-نمایی از مجموعه ذرات۶۲
شکل۴-۲- چگونگی برقراری ارتباط بین ذره- ذره یا ذره- مرز۶۳
شکل ۴-۳-رفتار نیرو-تغییر مکان برای تماسی که در یک نقطه اتفاق می­افتد۶۴
شکل۴-۴-نمایش سرعت ذرات در زمان اعمال موج در شرایط ثابت تکیه گاهی۷۱
شکل۴-۵-نمایش سرعت ذرات در زمان اعمال موج در شرایط جاذب انرژی۷۱
شکل۴-۶-نحوه اعمال بارگذاری به مجموعه ذرات۷۳
شکل ۴-۷- نمایی شماتیک از دستگاه جهت آزمایش انتشار موج۷۴
شکل ۴-۸– فاصله فازی بین سیگنال­ها در دو مبدل به فاصله ۴۰ میلی­متر در برابر فرکانس برای دو شتاب (خط ممتد) و (خط چین) نشان داده شده است.۷۵
شکل ۴-۹–فاصله فازی در مقابل فرکانس ارتعاش موج۷۶
شکل۵-۱-نمایش زنجیره نیروها در محیط­های دانه­ای۷۹
شکل ۵-۲- نمایش شبکه زنجیره نیروهای تماسی بین ذرات در مدل سازی انجام شده در کار حاضر۸۰
شکل ۵-۳-الف) نمایش نیروهای تماسی در ۱۵۰ امین گام بارگذاری۸۱
شکل ۵-۳-ب) نمایش نیروهای تماسی در ۳۰۰ امین گام بارگذاری۸۱
شکل ۵-۳-ج) نمایش نیروهای تماسی در ۴۵۰ امین گام بارگذاری۸۲
شکل ۵-۳-د) نمایش نیروهای تماسی در ۶۰۰ امین گام بارگذاری۸۲
شکل۵-۴-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای تخلخل ۰٫۱۵ و CN=3.7۸۳
شکل۵-۵-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای تخلخل ۰٫۱۸ و CN=3. 5۸۴
شکل۵-۶-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای تخلخل ۰٫۲ و CN=3.2۸۴
شکل۵-۷-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای تخلخل ۰٫۲۳ و CN=3.04۸۵
شکل۵-۸-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۱۵ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۸۶
شکل۵-۹-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۱۸ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۸۶
شکل۵-۱۰-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۲ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۸۷
شکل۵-۱۱-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۲۳ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۸۷
شکل۵-۱۲-نمایش تغییرات میانگین نیروهای تماسی با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۱۵ (محور افقی زمان و محور قائم میانگین نیروهای تماسی می­باشد)۸۸
شکل۵-۱۳-نمایش تغییرات میانگین نیروهای تماسی با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۱۸ (محور افقی زمان و محور قائم میانگین نیروهای تماسی می­باشد)۸۹
شکل۵-۱۴-نمایش تغییرات میانگین نیروهای تماسی با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۲ (محور افقی زمان و محور قائم میانگین نیروهای تماسی می­باشد)
 
۸۹
شکل۵-۱۵-نمایش تغییرات میانگین نیروهای تماسی با زمان برای نمونه با تخلخل ۰٫۲۳ (محور افقی زمان و محور قائم میانگین نیروهای تماسی می­باشد)۹۰
شکل۵-۱۶-نمایش تغییرات نیروهای نامتعادل کننده (unbalanced force) با زمان (محور افقی زمان و محور قائم میانگین نیروهای تماسی می­باشد)۹۱
شکل۵-۱۷-نمایش تغییرات تنش در جهت افقی با زمان (محور افقی زمان و محور عمودی تنش در جهت افقی می­باشد)۹۲
شکل۵-۱۸-نمایش تغییرات تنش در جهت قائم با زمان (محور افقی زمان و محور عمودی تنش در جهت قائم می­باشد)۹۲
شکل۵-۱۹-نمایش تغییرات سرعت ذرات در مدت زمان اعمال بارگذاری۹۴
شکل۵-۲۰-نمایش انتقال موج فشاری به ذره (به فاصله ۱۰ سانتی­متر از کف نمونه) در نمونه با تخلخل ۰٫۱۵ (مجور افقی زمان و محور قائم سرعت ذره می­باشد)۹۵
شکل۵-۲۱- نمایش انتقال موج فشاری به ذره (به فاصله ۱۰ سانتی­متر از کف نمونه) در نمونه با تخلخل ۰٫۱۸ (مجور افقی زمان و محور قائم سرعت ذره می­باشد)۹۵
شکل۵-۲۲- نمایش انتقال موج فشاری به ذره (به فاصله ۱۰ سانتی­متر از کف نمونه) در نمونه با تخلخل ۰٫۲ (محور افقی زمان و محور قائم سرعت ذره می­باشد)۹۶
شکل۵-۲۳- نمایش انتقال موج فشاری به ذره (به فاصله ۱۰ سانتی­متر از کف نمونه) در نمونه با تخلخل ۰٫۲۳ (مجور افقی زمان و محور قائم سرعت ذره می­باشد)۹۶
شکل۵-۲۴-نمایش تغییرات سرعت با تخلخل۹۷
شکل۵-۲۵-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با ضریب اصطکاک ۰٫۱ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۹۸
شکل۵-۲۶-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با ضریب اصطکاک ۰٫۳ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۹۸
شکل۵-۲۷-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با ضریب اصطکاک ۰٫۵ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۹۹
شکل۵-۲۸-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه با ضریب اصطکاک ۰٫۷ (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۹۹
شکل۵-۲۹-نمایش تغییرات سرعت با ضریب اصطکاک۱۰۰
شکل۵-۳۰-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای و عدد متوسط تماسی برابر با CN=3.5۱۰۱
شکل۵-۳۱-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای و عدد متوسط تماسی برابر با CN=3.5۱۰۱
شکل۵-۳۲-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای و عدد متوسط تماسی برابر با CN=3.5۱۰۲
شکل۵-۳۳-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای و عدد متوسط تماسی برابر با CN=3.5۱۰۲
شکل۵-۳۴-نمایش تغییرات سرعت با دانسیته۱۰۳
شکل۵-۳۵- نمونه ای از monodisperse یا یکنواخت۱۰۴
شکل۵-۳۶- نمونه ای از polydisperse یاغیریکنواخت۱۰۴
شکل۵-۳۷-نمایش تغییرات سرعت با PDI۱۰۶
شکل۵-۳۸-منحنی دانه بندی خاک A، Cc=0.92 و Cu=2.0۱۰۷
شکل۵-۳۹-منحنی دانه بندی خاک B، Cc=0.88 و Cu=12.6۱۰۷
شکل۵-۴۰-منحنی دانه بندی خاک C، Cc=1.6 و Cu=6.1۱۰۸
شکل۵-۴۱-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای خاک C و عدد متوسط تماسی برابر با CN=3.7۱۰۹
شکل۵-۴۲-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای خاک A و عدد متوسط تماسی برابر با CN=3.4۱۰۹
شکل۵-۴۳-نمایش زنجیره­های نیروهای تماسی (Contact Force Chains) برای خاک B و عدد متوسط تماسی برابر با CN=3.2۱۱۰
شکل۵-۴۴-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه A (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۱۱۱
شکل۵-۴۵-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه B (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۱۱۱
شکل۵-۴۶-نمایش تغییرات تخلخل با زمان برای نمونه C (محور افقی زمان و محور قائم تخلخل می­باشد)۱۱۲
شکل۵-۴۷- نمایش تغییرات سرعت موج در خاک های A,B,C۱۱۳

 
 
فهرست جداول

جدول۳-۱-فاکتورهای دامنه محاسبه شده برای شبیه سازی DEM و روش تحلیلی( Zamaniو El Shamy (2011))۲۸
جدول۳-۲-دامنه شتاب نسبت به حرکات خروجی محاسبه شده از شبیه سازی DEM و روش تحلیلی( Zamaniو El Shamy (2011))۳۲
جدول ۳-۳-پارامترهای موج برای انتشار از طریق زنجیره ذرات (Williams و همکاران (۲۰۰۸))۳۸
جدول ۳-۴-سرعت­های موج بدست آمده توسط محققین مختلف در مصالح دانه­ای۴۹
جدول۳-۵-نتایج شبیه سازی توسط DEM(Martin H. Sadd و همکاران ۱۹۹۹)۵۸
جدول۴-۱-پارامترهای شبیه سازی۶۶
جدول ۴-۲-مشخصات ماده مورد آزمایش۷۴

 
 
 
 

 

 
 
 

 

 

فصل اول

مقدمه

 
 
 
 
مصالح دانه‏ای از ذراتی مجزا تشکیل شده‏اند که رفتار ماکروسکوپی پیچیده‏ای در برابر بارهای خارجی از خود نشان می‏دهند. خاک‏ها نیز مصالحی متشکل از ذرات با اندازه‏های مختلف می‌باشند و رفتار آنها‏ به وسیله نیروهای بین این ذرات تعیین می‏شود. با این وجود، این ویژگی آنها معمولاً در مدل‏سازی‌ها مورد توجه قرار نمی‏گیرد. نیروهای بین ذرات خاک شامل نیروهای ناشی از شرایط مرزی، نیروهای بین ذره‏ای (نیروهای تماسی) می‏باشند که تعادل نسبی بین این نیروها سبب آشکار شدن جنبه‌های مختلف رفتار خاک می‏شود.

پدیده انتشار موج نقش اساسی در مسائل مختلف دینامیکی مانند اندرکنش لرزه­ای خاک و سازه، روانگرایی و ارتعاش پی بازی می­ کند. درک اثرات محلی ساختگاه بر حرکات قوی زمین و ارزیابی پاسخ و تغییر شکل زمین در مقابل حرکات قوی برای سازه­ها و تاسیسات حیاتی از اهمیت زیادی برخوردار است. مطالعه انتشار موج در مصالح دانه­ای کاربردهای مهم صنعتی هم دارد. مصالح دانه­ای برای جذب موج­های ضربه­ای در مدت انتقال تجهیزات سنگین و برای ایزوله کردن تجهیزات حساس از لرزش­های زمین استفاده می­شوند. آن­ها همچنین در ساخت مولفه­های سرامیک که نیاز به متراکم سازی دینامیکی پودرهای سرامیک است، کاربرد دارند. در تمامی این کاربردها نیاز است تا سرعت موج و ماهیت انتشار آن در مصالح دانه­ای، مطالعه شود.
تحقیقات در زمینه انتقال موج فشاری در خاک­های دانه­ای توسط محققین مختلف انجام شده است. آن­ها به بررسی میزان تاثیر عوامل مختلف بر سرعت انتشار موج پرداختند. فاکتورهایی مانند: عرض نمونه، نسبت میرایی، شکل ذرات، چیدمان ذرات، فرکانس ارتعاش، قطر و سختی سطح ذرات، فشار یا عمق پارامترهایی هستند که بیشتر مطالعات و شبیه­سازی­های محققین مختلف معطوف به آن­ها بوده است. با وجود تحقیقات قابل توجه انجام شده بر روی انتشار موج هنوز پارامترهایی وجود دارند که ممکن است بر انتشار موج در خاک­های دانه­ای تاثیرگذار باشند و میزان تاثیر آن­ها بر فرآیند انتشار موج بررسی نشده است.
هدف اصلی از این تحقیق بهره­ گیری از یک تکنیک عددی (DEM) جهت ساده سازی و شیبه سازی پدیده پیچیده انتشارامواج درخاک است. از آنجاکه هنوز عوامل موثر در انتشار موج وجود دارند که تا کنون یا مورد بررسی قرار نگرفته­اند و یا به طور جامع و مفصل مورد توجه واقع نشده­اند، این انگیزه را ایجاد کرد تا بتوان با ادامه دادن تحقیق در این زمینه به بررسی برخی از این عوامل و میزان تاثیرگذاری آن­ها پرداخت. تا بتوانیم پدیده انتشار موج دریک خاک واقعی را مدل نموده و بدون نیاز به انجام آزمایشات پرهزینه و زمان بر ژئوفیزیکی درمحل و یا درآزمایشگاه بتوان سرعت انتشار امواج را با دقت کافی محاسبه نمود. با بررسی­های انجام شده و پیشنهاداتی که محققین مختلف در مطالعات خود ارائه داده­اند، در مطالعه حاضر به بررسی اثر پارامترهایی مانند: ضریب غیر یکنواختی اندازه دانه­ها (PDI)، دانه بندی خاک، ضریب اصطکاک، تخلخل، دانسیته بر سرعت موج پرداخته شده است. از روش المان­های مجزا به صورت دو بعدی جهت آنالیز ها استفاده شده است. لازم به ذکر است که مدل­سازی ها با بهره گرفتن از نرم افزار PFC2D صورت پذیرفته است.
مطالب این پایان‏ نامه در ۶ فصل ارائه شده است. فصل اول، مقدمه بوده و به معرفی مطالعه و ویژگی‏های آن پرداخته است. فصل دوم به مرور فرمولاسیون روش المان‏های مجزا و مقدماتی از میکرومکانیک محیط‏های دانه‏ای می‏پردازد. در فصل سوم، تحقیقات انجام شده به روش المان‏های مجزا بر انتشار موج برشی و فشاری در مصالح دانه‏ای مورد بررسی قرار گرفته و زمینه‏هایی که نیاز به تحقیقات بیشتر دارد، معرفی شده است. در فصل چهارم، به بررسی مراحل و چگونگی مدلسازی پرداخته شده است. در ضمن در همین فصل صحت سنجی مدل سازی انجام شده نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل پنجم به بررسی پارامترهای موثر بر سرعت انتشار موج پرداخته شده است. علل و میزان تاثیر این پارامترها بر سرعت انتشار موج بررسی و نتایج آن در انتهایی هر بخش به صورت نموداری ارائه شده است. در نهایت، اهم نتایج حاصل از این پژوهش در فصل ششم ارائه و جمع‏بندی گردیده است.


 

99