الاستجابة الديناميكية للأنفاق تحت تأثير أحمال الزلازل

"الملخــــــص

المنشآت الهامة مثل المنشآت تحت الأرضية الواقعة فى مناطق معرضة لنشاط زلزالى يجب أن تقاوم كلاً من الأحمال الناجمة عن الزلازل و الأحمال الدائمة. وحديثاً نتيجة للدراسات التى تمت على أنفاق تعرضت لأضرار نتيجة لاهتزاز زلزالى أو إزاحات نتيجة لصدع زلزالى، أصبح هناك اهتمام متزايد بأخطار الزلازل على المنشآت تحت الأرضية.

فى هذا البحث تم وضع خطوة إبداعية نحو حل للتحليل الزلزالى للمنشآت تحت الأرضية. وتم ذلك بإعداد نموذج متقدم لطريقة العناصر المحددة للتحليل الديناميكى اللا-خطى لكل من المجال الحر ونظام التربة مع النفق ليتضمن مميزات جديدة. حيث تم استخدام نموذج ماسنج الممتد والذى يمثل أهم عاملين يميزان سلوك التربة (اللا-خطية والتخلفية) بعد تحديثه ليحاكى كل مسارات الإجهاد والانفعال غير المنتظمة والتى قد تنتج من الحمولات الزلزالية. الخواص الاستاتيكية والديناميكية للتربة تم اختيارها بعناية من بين العديد من العلاقات المنشورة. تغير خواص التربة مع العمق تم أخذه فى الاعتبار. تم استخدام نظام التكامل خطوة-بخطوة فى التحليل الديناميكى. تم اختبار صلاحيه برنامج الحاسب الآلى المعد لحل مسائل الديناميكا بدقة. للوصول لتحليل شامل (استاتيكى وديناميكى) تم اقتراح طريقتين باستخدام طريقة العناصر المحددة لتحليل المنشأ تحت أحمال الجاذبية طبقاً لطريقة تنفيذه. العوامل الرئيسية المؤثرة على حساسية شبكة العناصر المحددة (أبعاد العنصر والاشتراطات عند الحدود) تم دراستهم بعناية. 

المنشأ المستخدم فى هذه الدراسة العددية يتكون من نفق دائرى منفرد بأقطار تتغير من 6.0 إلى 10.0م ومحاط بطبقة رمل ( لها ثلاثة حالات من التكثيف) سمكها من 30.0 إلى 50.0م فوق الطبقة الصخرية السفلى. مركز النفق على عمق من 7.0 إلى 19.0م تحت سطح الأرض. يتراوح سمك تبطين النفق من 0.3 إلى 0.7م. مصدر الحث الديناميكى (المؤثر على سطح طبقة الصخر السفلى) هو تاريخ صناعى لعجلة التسارع مع الوقت أُحدث بواسطة عبد المتعال (1999).

الرسالة تعرض خلاصة للطرق الحالية المستخدمة للتحليل الزلزالى للمنشآت تحت الأرضية والنماذج المستخدمة للتربة فى التحليل الديناميكى. اعتمادا على نتائج هذه الرسالة أمكن تقديم أهم الاستنتاجات والتوصيات الآتية نحو التأثير الزلزالى لكل من المجال الحر ونظام التربة مع النفق: 

1-      يجب أخذ تأثير الزلازل على النفق أثناء التصميم الإنشائى لتبطين النفق.

2-      تركيبة طريقة نيومارك مع طريقة هوبلت أو طريقة نيومارك (المشتتة) مع استخدام خطوة وقت صغيرة ومعامل تقارب صغير جداً وجدت مناسبة للتغلب على مشاكل الاستقرار والتقارب والدقة التى تظهر أثناء الحل الديناميكى اللاخطى لمسائل الديناميكا.

3-      بصفة عامة يحدث تضخيم للحركة الزلزالية مع الارتفاع الرأسى عن من مصدر الإثارة عند طبقة الصخر نحو سطح الأرض.

4-      الزيادة المستمرة فى اجهادات القص المتولدة اثناء الحركة الزلزالية لا تصاحبها زيادة مستمرة فى انفعالات القص. القيمة القصوى لإنفعالات القص تبدأ فى النقصان بعد عمق معين.

5-      قيم القوى الداخلية المتولدة فى تبطين النفق تتأثر بدرجة واضحة بشدة الأحمال الزلزالية. بينما شكل توزيع هذه القوى وشكل الإنبعاج تقريباً نمطى.

6-      هناك علاقة مباشرة بين إجهادات وانفعالات القص المتولدة فى المجال الحر والقوى الداخلية المحدثة فى تبطين النفق عند تعرض النظامين لنفس الحركة الزلزالية.

7-      بصفة عامة أقصى قيمة لعزوم الإنحناء تظهر بتبطين النفق نتيجة الحركة الزلزالية عندما يكون عمق النفق يتراوح من 10-15م مهما كان سمك طبقة الرمل.

8-      ضغط التربة المحيطة على تبطين النفق نتيجة تحميله الزلزالى يمكن تمثيله بأربع قوى قص تعمل على إعطائه شكل بيضاوى ويصاحبها أربع قوى عمودية قطرية. بالنسبة للنفق المرن (ذى الإنبعاجات الكبيرة) القوى العمودية تعمل مضادة لقوى القص مسببة نقص بالقوى الداخلية. اتجاهات القوى العمودية يُعكس فى حالة النفق الجاسئ.

9-      لم يظهر فصل عمودى اثناء الحركة الزلزالية عند السطح الفاصل بين التربة المحيطة وجسم النفق. وحتى شدة احمال الزلازل المعتبرة توافق القص عند السطح الفاصل لازال محققاً.

10-     الأضرار الناجمة من الزلازل يمكن ربطها بأقصى عجلة تسارع لسطح الأرض وتزداد مع ظروف التربة السيئة.

11-     استخدام نفق بسمك صغير للتبطين سيجذب قوى داخلية أقل من التبطين الجاسئ، ولكن سيكون له انبعاجات أكبر وسيؤدى إلى تضخيم أكبر فى حركة التربة المحيطة. هذا التضخيم يزداد مع عمق النفق وقطره.

12-     معادلات وانج (1993) وبنزين (2000) لحالات اللا-إنزلاق يمكن استخدامهما بالخصائص التى وضعت بهذا البحث (والتى ضمت تأثير اللا-خطية والتخلفية فى سلوك التربة ووضعت معاملات التصحيح) لحساب قيم عزوم الإنحناء والقوى العمودية المحدثة بتبطين النفق. ولا يتم التوصية بإستخدام معادلات بنزين (2000) لتعيين القوى العمودية حيث أنها تعطى قيماً قليلة بدرجة واضحة حتى فى حالة اللا-إنزلاق.

13-     تحت تأثير أحمال الجاذبية يعتمد سلوك منشأ النفق أساساً على طريقة الإنشاء ونسبة الجساءة بين النفق والتربة المحيطة وعمق النفق تحت سطح الأرض."