تأثیر اختلاط عمیق شبکه‌ای بر کاهش پتانسیل روانگرایی در خاک ماسه‌ای اشباع: مدل سازی سه بعدی غیرخطی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی و فناوری، دانشگاه مازندران، بابلسر

10.22034/ceej.2025.63522.2381

چکیده

یکی از پرکاربردترین روش‌های موجود برای بهسازی خاک روانگرا روش اختلاط عمیق شبکه‌ای (DSM) است. اجرای این نوع بهسازی موجب افزایش سختی برشی و به تناسب آن باعث کاهش کرنش‌های بزرگ برشی در خاک و کم شدن پتانسیل رونگرایی خواهد شد. در اکثر پژوهش‌های گذشته برای برآورد میزان اثر کاهندگی پتانسیل روانگرایی RCSR، مدل‌سازی بر مبنای اجزای محدود خطی انجام پذیرفت که در آن اثرات اضافه فشار آب حفره‌ای و روانگرایی لحاظ نشده است. در این پژوهش با مدل‌سازی سه‌بعدی به ­کمک نرم‌افزار متن‌باز OpenSeesSP، برای بالا بردن سرعت پردازش استفاده شده است. رفتارهای خاک و شبکه‌ DSM به ­صورت غیرخطی و با مدل پیشرفته دراکر- پراگر چندسطحی شبیه‌سازی شده است. اثراتی نظیر فاصله بین شبکه (5 و 10 متر) و مدول برشی نسبی خاک و روش اختلاط عمیق شبکه‌ای (3/13 و 25) بر میزان ضریب کاهنده تنش برشی،  و ضریب نسبی شتاب  تحت بار هارمونیک بررسی و مقایسه شده است. نتایج مدل‌سازی غیرخطی نشان می‌دهد که افزایش فاصله شبکه از 5 متر به 10 متر با هر دو مدول برشی نسبی باعث افزایش تقریباً 300 درصدی  می‌شود. همچنین افزایش مدول برشی نسبی از 3/13 به 25 باعث کاهش ناچیزی در مقادیر  شد. از طرفی، لحاظ کردن رفتار غیرخطی خاک و روش اختلاط عمیق شبکه‌ای، موجب کاهش مقادیر  در فواصل شبکه پایین شده است؛ ولی در عوض مقدار  افزایش زیادی یافته‌ و در سطح زمین حدوداً به 5/2 هم رسیده است. این در حالی‌ است که مقدار  در حالت خطی، کمتر از یک است. روابط ارائه شده در پژوهش‌های قبلی برای تخمین Rrd محافظه­ کارانه است. اما در مقادیر  به ­دلیل عدم مدل‌سازی درستی از روانگرایی در مدل خطی اختلاف زیادی دیده می‌شود و درنهایت مقادیر RCSR پایین‌تری تخمین زده شد که در جهت عدم اطمینان است. همچنین، مدل‌های غیرخطی در عمق‌های میانی و پایینی خاک، کاهش قابل‌توجهی در  نسبت به حالت خطی نشان دادند. این نتایج نشان می‌دهد که لحاظ کردن رفتار غیرخطی خاک و اضافه فشار آب حفره‌ای در مدل‌سازی، دقت تحلیل را افزایش داده و موجب طراحی محافظه‌کارانه‌تر در پروژه‌های بهسازی خاک می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of Deep Soil Mixing Grid on the Reduction Coefficient in the Liquefiable Soil: 3D Nonlinear Modeling

نویسنده [English]

  • Ali Asgari
Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering and Technology, University of Mazandaran, Babolsar, Iran
چکیده [English]

The Deep Soil Mixing (DSM) grid method is among the most effective techniques for mitigating soil liquefaction, as it enhances shear stiffness and thereby reduces large shear strains and liquefaction potential. Previous studies mostly estimated the reduction factor of liquefaction potential (RCSR) using linear finite element models, where excess pore water pressure and liquefaction effects were neglected. In this study, a three-dimensional nonlinear numerical analysis was conducted using OpenSeesSP, incorporating the advanced multi-surface Drucker–Prager model to simulate soil and DSM grid behavior. The influence of grid spacing (5 m and 10 m) and relative shear modulus (13.3 and 25) on the shear stress reduction factor (Rrd) and the relative acceleration ratio (Ra max) under harmonic loading was investigated. Results indicated that increasing grid spacing from 5 m to 10 m led to nearly a 300% rise in Rrd, while a higher shear modulus produced only a slight decrease in Rrd. Moreover, considering nonlinear soil behavior reduced Rrd at small grid spacing but significantly increased Ra max, reaching approximately 2.5 at the ground surface, compared to less than one in the linear model. The findings suggest that previous empirical relations for Rrd were conservative, yet Ra max estimates in linear models significantly underestimated the impact of liquefaction. Overall, the results highlight that incorporating nonlinear soil behavior and excess pore water pressure in numerical modeling enhances analytical accuracy and leads to more conservative designs in soil improvement projects.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Liquefaction
  • Deep soil mixing (DSM) grid
  • Ground improvement
  • Reduction factor
  • Nonlinear behavior

مراجع

Asgari A, Ahmadtabar Sorkhi SF, “Wind turbine performance under multi-hazard loads: Wave, wind, and earthquake effects on liquefiable soil”, Results in Engineering, 2025, 26, 104647. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.104647
Asgari A, Oliaei M, Bagheri M, “Numerical simulation of improvement of a liquefiable soil layer using stone column and pile-pinning techniques”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2013, 51, 77-96. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2013.04.006
Asgari A, Ranjbar F, Bagheri M, “Seismic resilience of pile groups to lateral spreading in liquefiable soils: 3D parallel finite element modeling”, Structures, 2025, 74, 108578. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2025.108578.
Biot MA, “Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media”, Journal of Applied Physics, 1962, 33 (4), 1482-1498. https://doi.org/10.1063/1.1728759.
Chen W-F, Mizuno E, “Nonlinear analysis in soil mechanics”, Elsevier Amsterdam, 1990.
Dehghanbanadaki A, Rashid ASA, Ahmad K, Yunus NZM, Motamedi S, “Deep soil mixing stabilisation of peat: a review of small-scale and 1g physical modelling test results”, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2023, 82 (5), 175, 1-15. https://doi.org/10.1007/s10064-023-03187-3 
Elgamal A, Lu J, Forcellini D, “Mitigation of liquefaction-induced lateral deformation in a sloping stratum: Three-dimensional numerical simulation”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2009, 135 (11), 1672-1682. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000137 
Elgamal A, Yan L, Yang Z, Conte JP, “Three-dimensional seismic response of Humboldt Bay bridge-foundation-ground system”, Journal of Structural Engineering, 2008, 134 (7), 1165-1176. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2008)134:7(1165)
Elgamal A, Yang Z, Parra E, “Computational modeling of cyclic mobility and post-liquefaction site response”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2002, 22 (4), 259-271. https://doi.org/10.1016/S0267-7261(02)00022-2.
Elgamal A, Yang Z, Parra E, Ragheb A, “Modeling of cyclic mobility in saturated cohesionless soils”, International Journal of Plasticity, 2003, 19 (6), 883-905. https://doi.org/10.1016/S0749-6419(02)00010-4.
Hamada M, Wakamatsu K, “Ground displacement and strain caused by soil liquefaction during the 1995 Hyogoken-Nambu earthquake”, Post-Earthquake reconstruction strategies: NCEER-INCEDE center-to-Center project, 1997, 75-86.
Hasheminezhad A, Bahadori H, “On the deep soil mixing method in the mitigation of liquefaction-induced bearing capacity degradation of shallow foundations”, Geomechanics and Geoengineering, 2022, 17 (1), 334-346. https://doi.org/10.1080/17486025.2020.1755460
Ibsen LB, Asgari A, Bagheri M, Barari A, “Response of monopiles in sand subjected to one-way and transient cyclic lateral loading”, Advances in Soil Dynamics and Foundation Engineering, 2014, 312-322. https://doi.org/10.1061/9780784413425.032.
Kitazume M, Takahashi H, “Centrifuge model tests on effect of deep mixing wall spacing on liquefaction mitigation”, Proceedings of the 7th International Conference on Urban Earthquake Engineering & 5th International Conference on Earthquake Engineering, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan, 2010.
Law HK, Lam IP, “Application of periodic boundary for large pile group”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127 (10), 889-892. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2001)127:10(889)
Lu J, Elgamal A, Yang Z, “OpenSeesPL: 3D lateral pile-ground interaction user manual (Beta 1.0)”, Department of Structural Engineering, University of California, San Diego, 2011.
McKenna F, Mazzoni S, Fenves G, “Open system for earthquake engineering simulation (OpenSees) software version 2.2. 0”, University of California, Berkeley, CA. Available from http://opensees. berkeley. edu, 2011.
Moradi P, Khalili HD, Arvin MR, “Deep Soil mixing columns as settlement-reducing elements in sandy Soils: A Numerical Study”, International Journal of Geomechanics, 2023, 23 (4), 04023015. https://doi.org/10.1061/IJGNAI.GMENG-7983
Nguyen T, Rayamajhi D, Boulanger R, Ashford S, Lu J, Elgamal A, Shao L, “Effect of DSM grids on shear stress distribution in liquefiable soil”, GeoCongress 2012: State of the Art and Practice in Geotechnical Engineering: 2012, 1948-1957.
Nguyen TV, Rayamajhi D, Boulanger RW, Ashford SA, Lu J, Elgamal A, Shao L, “Design of DSM grids for diquefaction remediation”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2013, 139 (11), 1923-1933. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000921.
Parra-Colmenares EJ, “Numerical modeling of liquefaction and lateral ground deformation including cyclic mobility and dilation response in soil systems”, Rensselaer Polytechnic Institute, 1996.
Rayamajhi D, “Shear reinforcement effects of discrete columns in liquefiable soils”, 2014.
Rayamajhi D, Nguyen T, Ashford S, Boulanger R, Lu J, Elgamal A, Shao L, “Effect of discrete columns on shear stress distribution in liquefiable soil”, GeoCongress 2012: State of the Art and Practice in Geotechnical Engineering: 2012, 1908-1917.
Rayamajhi D, Nguyen TV, Ashford SA, Boulanger RW, Lu J, Elgamal A, Shao L, “Numerical study of shear stress distribution for discrete columns in liquefiable soils”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2014, 140 (3), 04013034. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000970.
Satizabal JI Baez, “A design model for the reduction of soil liquefaction by vibro-stone columns”, University of Southern California, 1995.
Seed HB, Idriss IM, “Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential”, Journal of the Soil Mechanics and Foundations division, 1971, 97 (9), 1249-1273. https://doi.org/10.1061/JSFEAQ.0001662
Shaghaghi MM, Kani IM, Yousefi H, “The seismic behavior of block type deep soil mixing”, Latin American Journal of Solids and Structures, 2021, 18 (6), 1-17. https://doi.org/10.1590/1679-78256439
Yin K, Xiao T, Luo H, Zou H, Zhang L, “Probabilistic modeling of offshore deep cement mixing improved ground”, Computers and Geotechnics, 2023, 156, 105266. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2023.105266
Zhang D, Wang A, Ding X, “Seismic response of pile groups improved with deep cement mixing columns in liquefiable sand: shaking table tests”, Canadian Geotechnical Journal, 2022, 59 (6), 994-1006. https://doi.org/10.1139/cgj-2020-0505
Zhang X, Zhu H, Jiao Z, Cen Z, “Lattice-shaped ground improvement by mixing soil and alkali-activated slag for liquefaction mitigation”, Case Studies in Construction Materials, 2022, 17, e01445. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e01445
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست
دوره 55، شماره 120 - شماره پیاپی 120
پاییز 1404
آذر 1404
صفحه 89-98

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار