تحلیل تنشی تونل‏ های سطحی در خاک‏های لایه‌ای با استفاده از روش اجزای مرزی نیم‌صفحه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشگاه آزاد اسلامی واحد زنجان

2 کارشناس‌ارشد ژئوتکنیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد زنجان

3 استادیار، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکز

چکیده

در این مقاله، با استفاده از روش اجزای مرزی  نیم‌صفحه، محیط‌های لایه‌ای خاک شامل تونل‌های سطحی مورد تحلیل قرار گرفته ­اند. در استفاده از روش مذکور، وجه میانی لایه‌ها و پیرامون تونل نیاز به مش‌بندی دارند. بنابراین، از جمله مهمترین مسائل موجود در مطالعات پیشین مبتنی بر اجزای مرزی محیط کامل که نیاز به گسسته‌سازی سطح صاف زمین و مرزهای بریده شده مفروض در دوردست است، به­خوبی برطرف شده است. ضمن تحلیل چند مثال و صحه‌گذاری نتایج حاصل با برخی پاسخ‌های تحلیلی در دسترس، طی یک مطالعه‌ی عددی، فرمول‏بندی این روش برای یک محیط دولایه خاک با تونل دایره‌ای زیرزمینی توسعه داده شده و اثر پارامترهایی نظیر عمق احداث تونل و خروج از مرکزیت بار سطحی بر الگوی تنشی محیط خاک مطالعه شده است. نتایج حاصل نشان می‌دهد که روش اجزای مرزی نیم‌صفحه در مدل‏سازی محیط‌های لایه‌ای از قابلیت بالایی برخوردار است. روش پیشنهاد شده می‌تواند جایگزین مناسبی برای روش­های پیشین اجزای مرزی، به­ ویژه در مدل‏سازی مسائل مختلف در حوزه‌ی مهندسی ژئوتکنیک، باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Stress Analysis of Shallow Tunnels in the Multi-layered Soils Using Half-plane BEM

نویسندگان [English]

  • Mehdi Panji 1
  • B. Ansari 2
  • J. Asgari Marnani 3
1 Assistant Professor, Faculty of Civil Eng., Islamic Azad Univ., Zanjan Branch, Iran
2 MSc. in Geotech. Eng., Islamic Azad Univ., Zanjan Branch, Iran
3 Assistant Professor, Faculty of Civil Eng., Islamic Azad Univ., Tehran Branch, Iran
چکیده [English]

In this paper, a computational scheme called half-plane boundary element method (BEM) was proposed for analyzing multi-layered soil media. In this method, it is only required to discretize the interface layers and boundaries of the tunnel. Therefore, one of the important challenges in the previous studies on the full-plane BEM, which considered fictitious limited boundaries and discretizing the smooth ground and underground boundaries' surfaces, was improved as well. After analyzing several examples and verifying the results with existing analytical responses, some parametric studies were presented for a two-layer soil including underground circular tunnel, located in the second layer and subjected to uniform internal pressure. The results showed that the proposed half-plane BEM has great capability in modelling the multi-layered soils. This method can be particularly used for modelling the geological problems in the field of soil mechanics and related sciences vis-a-vis traditional full-plane BEM scheme.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Half-plane BEM
  • Multi-layered media
  • Tunnel
  • Stress analysis
Loganathan, N. and Poulos, H. G. 1998. “Analytical prediction for tunneling induced ground movements in clays”. J. Geotech. Geoenviron. Eng., 124(9): 846-856.
Gioda, G. and Locatelli, L. 1999. “Back analysis of the measurements performed during the excavation of shallow tunnel in sand”. Int. J. Num. Analyt. Methods Geomech., 23: 1407-1425.
Lee, K. M. and Rowe, R. K. 1991. “An analysis of three-dimensional ground movements: The Thunder Bay tunnel”. Can. Geotech. J., 28: 25-41.
Verruijt, A. 1998. “Deformations of an elastic half plane with a circular cavity”. Int. J. Solids Struc., 35: 2795-2804.
Augarde, C. E. and Burd, H. J. 2001. “Three-dimensional finite element analysis of lined tunnels”. Int. J. Num. Analyt. Methods Geomech., 25(3): 243-262.
Garner, C. D. and Coffman, R. A. 2013. “Subway tunnel design using a ground surface settlement profile to characterize an acceptable configuration”. Tunnel. Underground Space Technol., 35: 219-226.
Mollon, G., Dias, D. and Soubra, A. 2009. “Probabilistic analysis of circular tunnels in homogeneous soil using response surface methodology”. J. Geotech. Geoenviron. Eng., 135(9): 1314-1325.
Chen, C. Y. and Martin, G. R. 2002. “Soil–structure interaction for landslide stabilizing piles”. J. Comp. Geotech., 29(5): 363-386.
عسگری مارنانی، ج. و پنجی، م. 1386. "روش اجزای مرزی (تئوری و کاربرد) ". چاپ اول، انتشارات نیوشانگار، تهران.
Banerjee, P. K. and Butterfield, R. 1981. “Boundary Element Method in Engineering Science”. McGraw-Hill, London.
Xiao, B. and Carter, J. P. 1993. “Boundary element analysis of anisotropic rock masses”. J. Eng. Anal. Boundary Element, 11: 293-303.
Yang, L. and Sterling, R. L. 1989. “Back analysis of rock tunnel using boundary element method”. J. Geotech. Eng., 115(8): 1163-1169.
 عسگری مارنانی، ج. و پنجی، م. 1385. "رفتار شالوده‌­های نواری روی خاک‌­های رسی تحت بار‌های برون از محور". نشریه انجمن راه و ساختمان ایران، 29: 34-44.
 پنجی، م.، عسگری مارنانی، ج.، علی­الهی، ح.، کوهساری، ح. و آدم پیرا، م. 1391. "بررسی پارامترهای مؤثر بر رفتار تنشی تونل­های کم عمق دوبُعدی با استفاده از روش اجزای مرزی". پژوهشنامه‌ی حمل و نقل، 10: 17-28.
Panji, M., Asgari Marnani, J. and Tavousi Tafreshi, Sh. 2011. “Evaluation of effective parameters on the underground tunnel stability using BEM”. J. Struc. Eng. Geotech., 1(2): 29-37.
Melan, E. 1932. “Der spannungszustand der durch eine einzelkraft in innern beanspruchten halbscheibe”. Z Angew Math. Mech., 12: 343-346.
Mindlin, R. D. 1936. “Force at a point in the interior of a semi-infinite solid”. Physics, 7: 195-202.
Telles, J. C. F. and Brebbia, C. A. 1980. “Boundary element solution for half-plane problems”. J. Solid Struc., 12: 1149-1158.
پنجی، م.، عسگری مارنانی، ج. و انصاری، ب. 1394. " تحلیل لوله‌های مدفون انتقال آب با استفاده از روش اجزای مرزی نیم‌صفحه". نشریه سد و نیروگاه‌های برق‌آبی ایران، 2(4): 22-33.
Brebbia, C. A. and Dominguez, J. 1992. “Boundary Element Introduction Course”. Second edition, Southampton Computational Mechanics Publications.
Poulos, H. G. and Davis, E. H. 1991. “Elastic Solution for Soil and Rock Mechanics”. University of Sydney, Second edition, John Wiley & Sons.
Li, S. C. and Wang, M. B. 2008. “Elastic analysis of stress-displacement field for a lined circular tunnel at great depth due to ground loads and internal pressure”. J. Tunnel. Underground Space Technol., 23: 609-617.