ارزیابی عددی عوامل مؤثر بر جابه‌جایی و دوران لرزه‌ای دیوار حائل وزنی در قیاس با روش‌های تحلیلی و تجربی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران ، ایران

چکیده

سادگی در ساخت و سهولت اجرایی از مهمترین مزایای کاربرد دیوارهای حائل وزنی است. یکی از موضوعات مهم در طراحی دیوارهای حائل بر اساس عملکرد، تخمین جابه‌جایی، دوران و پیش‌بینی رفتار آن تحت بار زمین‌لرزه است. پیش‌بینی مقدار جابه‌جایی و دوران ایجادشده ناشی از زمین‌لرزه، یکی از پیچیده‌ترین مراحل طراحی لرزه‌ای دیوارهای حائل وزنی با مصالح بنایی در مهندسی ژئوتکنیک است. این موضوع از پیچیدگی‌های خاصی برخوردار است و محققان با ارائه روش‌های مختلف تحلیل پایداری، تغییرمکان و دوران دیوار حائل را ارزیابی می‌کنند. هدف از این تحقیق مقایسه نتایج حاصل از تحلیل عددی با دیگر روش‌های تحلیلی و تجربی استفاده شده مهندسان در طراحی بر اساس عملکرد دیوارهای حائل وزنی است. در این تحقیق دیوار حائل وزنی ذوزنقه‌ای شکل که از مصالح بنایی ساخته شده است به روش عددی و با مدلسازی در نرم‌افزار آباکوس تحت تأثیر نیروی زمین‌لرزه قرار گرفته و تأثیر عوامل مختلف بررسی می‌شود. میزان و شدت تغییرمکان و جابه‌جایی دیوار ناشی از زمین‌لرزه در تراز بالادست و پایین‌دست امتداد قائم دیوار استخراج شده و متعاقب آن میزان و نحوه دوران لرزه‌ای دیوار ارزیابی و تخمین زده می‌‌شود. در ادامه نتایج این بررسی با داده‌ها و روابط تجربی و تحلیلی دیگر محققان مقایسه شده است. در این بررسی پارامترهای مختلف تحت زمین‌لرزه‌ای مشخص ارزیابی شده است که شامل تأثیر اصطکاک کف دیوار، مشخصات فیزیکی و مکانیکی خاکریز پشت دیوار و همچنین هندسه دیوار شامل قاعده کف و ارتفاع دیوار است؛ هرچند شدت و مدت زمین‌لرزه نیز بسیار تاثیرگذار است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of factors effective on seismic deflection and rotation of gravity retaining wall compared to the empirical approach

نویسندگان [English]

  • Saeed Ghaffarpour Jahromi
  • Sepideh Zolfaghar
Department of Civil Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Retaining walls are designed to withstand lateral earth and water pressures, the effects of surcharge loads, and the self-weight of the wall and, in special cases, earthquake loads in accordance with the general principles specified in this section. Retaining walls are constructed for a certain service life based on consideration of the potential long-term effects of material deterioration on each of the material components comprising the wall. Permanent retaining walls are designed for a minimum service life of 50 years. Temporary retaining walls should be designed for a minimum service life of 5 years. Gravity retaining walls rely on their self-weight to resist lateral earth pressures. Analysis of the seismic behavior of gravity retaining walls during earthquake loading is a quite complex task. Seismic wall movements can occur as sliding or rotational displacements. In some cases, only one of these displacements can be dominant and for some of them, both sliding and rotation can occur. Foundation soil deformability, backfill, wall stiffness, and input record motion as the main variables used in the analysis of walls are subjected to a strong earthquake. The analysis of the seismic stability of walls retaining backfill soil is based on the following assumptions: (1) the wall–soil system is long enough for ignoring the end effects (plane strain condition); (2) the soil is homogeneous, dry, and cohesion-less; (3) the retaining wall is subjected only to horizontal displacements; (4) the seismic action is uniform horizontally distributed in the whole mass of the system; and (5) the failure wedge is a plain. Furthermore, the upper bound limit analysis is based on the assumption that soil will be deformed according to the associated flow rule and the convexity of the soil yield condition. In the following analysis, we assumed that these conditions are met. For many decades, the seismic analysis of retaining walls has been based on the simple extension of Coulomb’s limit equilibrium analysis, which has become widely known as the Mononobe-Okabe method. The method modified and simplified by Seed and Whitman has prevailed mainly because of its simplicity and the familiarity of engineers with the Coulomb method. Designing walls for stability against earthquake risks in seismic zones is done through the analysis of the seismic behavior of the soil-structure system. The methods established using newmark sliding block procedure are based on forces (pseudo-static and pseudo-dynamic) and allowable displacements. These methods are frequently used in the seismic design. Dynamic analysis of retaining walls can also be done by finite-element methods. ABAQUS is among the computer programs that suite for finite-element analysis. In this study, a series of finite elements were carried out in ABAQUS in order to find out typical wall movements including rotation and lateral top and base displacements. This research presents that many variables such as maximum acceleration, properties of foundation and backfill soils, and characteristics of the wall affect the seismic behavior. Design charts were derived from the numerical analyses to predict both lateral displacements at base and top. The proposed charts consider the most relevant factors in the system response. The result obtained can be used to develop an optimum design procedure for gravity retaining walls.

کلیدواژه‌ها [English]

  • gravity retaining wall
  • lateral earth pressure
  • seismic displacement
  • seismic rotation
  • finite elements methods
  • empirical approach
بازیار، م.، و رابطی مقدم، م.، 1389، تحلیل عددی تغییرشکل ماندگار دیوار حایل- مطالعه موردی: چهارمین کنفرانس بین المللی مهندسی ژئوتکنیک و مکانیک خاک، تهران، ایران.
مداح، م.، طاهریان، ح.، نیکخواه شهمیرزادی، م.، و جلیلی، م.، ۱۳۹۳، تخمین دوران لرزه ای دیوار حایل وزنی در خاک‌های ماسه‌ای: اولین کنفرانس ملی مکانیک خاک و مهندسی پی، تهران، دانشکده عمران دانشگاه شهید رجایی.
Carrubba, P., and Pavanello, P., 2011, Equivalent loading for seismic response analysis of Newmark’s block: Rivista Italiana di Geotecnica, 32(3), 32-45.
Choudhury, D., and Nimbalkar, S. S., 2008, Seismic rotational displacement of gravity walls by pseudodynamic method: International Journal of Geomechanics, 8(3), 169-175.
Coulomb, C. A., 1776. Essai sur une application des regles des maximis et minimis a quelques problemes de statique relatifs a l'architecture: Memoires de l'Academie Royale pres Divers Savants, 7 (in France).
Elms, D. G., and Richards, R., 1979, Seismic design of gravity retaining walls: Bulletin of the New Zealand National Society for Earthquake Engineering, 12 (3) 26-51.
European Committee for Standardization, EN 1997-1, 2004, E. Eurocode 7, Geotechnical design, Part 1: general rules, Brussels, CEN.
Kamal, M. H. I. I., 2015, Seismic displacement of gravity retaining walls: Housing and Building National Research Center Journal, 11(2), 224-230.
Mononobe, N., Matsuo, H., 1929, On the determination of earth pressure during earthquake: World Engineering Congress, Tokyo, 4(1), 177-185
Nadim, F., and Whitman, R., 1983, Seismically induced movement of retaining walls: Journal of Geotechniq Engineering, 109(7), 915-931.
Newmark, N. M., 1965, Effects of earthquakes on dams and embankments: Geotechnique, 15(2), 139–160.
Pain, A., Choudhury, D., and Bhattacharyya, S. K., 2016, Seismic rotational displacement of retaining walls, a pseudo-dynamic approach: Innovative Infrastructure Solutions, 1(22) 1-8.
Rankine, W., 1857, on the stability of loose earth: Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 147.
Scott, R., and Steedman, A., 1998, Seismic design of cellular cofferdams: International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, University of Missouri, Rolla.
Shi, H., Jinxin, G., and Yanqing, Zh., 2016, Seismic rotational displacements of gravity quay walls considering excess pore pressure in backfill soils: Journal of Earthquake Engineering, 4(2), 1-16.
Whitman, R. V., and Liao, S., 1985, Seismic design of retaining walls, Misc. Paper GL-85-1: US Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississippi.
Yingwei, W., and Shamsher, P., 2011, Seismic displacements of rigid retaining walls: International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, Missouri University of Science and Technology.