مروری بر روند توسعه محفظه‌های‏ برشی لایه‌ای در مدل‌سازی فیزیکی مسائل ژئوتکنیک لرزه‌‏ای

مد‏ل‏ سازی فیزیکی به‌عنوان یکی از روش‏ های آزمایشگاهی در مهندسی ژئوتکنیک کاربرد گسترده‏ ای دارد. از این‌ روش برای مطالعه رفتار لرزه‏ ای زمین‏ های مسطح و شیب‏دار، خاک‏های مسئله ‏دار مانند رس‏ های نرم و رمبنده، خاکریزها، دیوارهای حائل، خاک‏ های مستعد روانگرایی و نیز سیستم‏ های خاک- سازه نظیر پی‏ های سطحی و عمیق و روش‏ های بهسازی آن استفاده می‏ شود. در مدل‏ سازی فیزیکی سیستم‏ های خاک- سازه که در دو حالت  g1 در محیط گرانشی زمین و یا ng با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ بر روی میز لرزان انجام می‏ شود، نمی‏ توان خاک را به‌صورت مستقیم بر روی عرشه میز قرار داد. از این‌رو، به یک محفظه برای نگهداری مدل خاک- سازه بر روی میز لرزان به‌منظور بازتولید تنش‏ های محصور کننده‏ ستون خاک در واقعیت و نیز شبیه‏ سازی تنش‏ های ایجاد شده در حین اعمال تحریک دینامیکی نیاز است. با ساخت اولین محفظه مدل در دهه 1950 میلادی، مد‏ل‏ سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک وارد عصر نوینی شد. از آن زمان، محققین بسیاری سعی در ساخت و توسعه محفظه ‏های مدل با توجه به اهداف پژوهشی خود کردند و بدین‌ترتیب انواع محفظه‏ ها با اهداف و ویژگی‏ های متنوع توسعه یافتند. در پژوهش حاضر که به‌صورت یک مطالعه مروری است، ابتدا تاریخچه مدل‏ سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک به‌طور مختصر بیان شده است. سپس روند توسعه انواع محفظه‏ های مدل و شرایط مرزی ایده‏آل برای شبیه ‏سازی ستون خاک در واقعیت و شرایط مرزی محفظه برشی لایه ‏ای به‌طور جامع تشریح شده است. در میان محفظه ‏های ساخته شده در ادبیات فنی، محفظه برشی لایه‏ ای به دلیل دقت مناسب در مدل ‏سازی شرایط مرزی ستون خاک، توانایی شبیه‌سازی شرایط میدان آزاد خاک و ایجاد امکان حرکت آزادانه ستون خاک بدون اعمال اصطکاک قابل توجه، به پرکاربردترین نوع محفظه در چند دهه اخیر تبدیل شده است. محفظه‏ های برشی لایه‏ ای ساخته شده در مراکز معتبر پژوهشی داخلی که در ادبیات فنی موجود هستند به همراه مشخصات اصلی از جمله ویژگی‏ های مدل‏ سازی، جزئیات طراحی و شرایط مرزی به‌تفصیل در این تحقیق بررسی شده است.

development of laminar shear beam (lsb) containers in physical modeling of geotechnical earthquake problems: a review

physical modelling experiments at 1 g via shaking table or augmented gravitational field (ng) with geotechnical centrifuge are powerful tools that have been widely used to investigate the seismic behaviour of various earthquake-related problems in recent decades. it is an established method for verifying design hypothesis, realization failure mechanisms, and gaining an insight into complex geotechnical problems including liquefaction-induced phenomena and their mitigation techniques, level or inclined grounds, problematic soils, retaining walls and embankments, and soil-structure systems such as shallow or pile foundation system through the use of appropriate similitude laws. while element tests are frequently used to obtain dynamic soil parameters, they fail in providing realistic observations of how soil and structures interact in reality. thus, physical modelling is a better approach to understanding the behaviour of a wide range of geotechnical problems where large deformations occur such as liquefaction, lateral spreading, or landslide. however, geotechnical models cannot be directly mounted on shaking tables due to the requirements of confinement. to properly model the ground in full or reduced-scale physical modelling tests, a model container is required to hold the soil in place and provide confining stresses. replication of the semi-infinite extent of the ground in a finite dimension model soil container could raise challenging issues; the undesirable effects of the container’s artificial boundaries could affect the obtained results by altering the stress-strain field of the soils through reflected p-waves along other superfluous waves within the model. in the current study, a comprehensive literature review on the advancement of physical modelling in geotechnics has been carried out. in this regard, a brief historical development of shaking tables and geotechnical centrifuge apparatus was outlined. further, different types of developed model containers were explored. additionally, vital criteria and requirements of an ideal container for carrying out seismic model tests at 1 g shaking table or ng centrifuge experiments were thoroughly discussed. in particular, the development of laminar shear beam (lsb) containers as well as key properties in terms of detail design, construction, and particular usage in designated projects was presented in this paper. in the end, the recently fabricated lsbs were examined nationwide providing key properties and features in their design procedures. among all types of developed model containers, lsbs are the most common containers due to their accuracy in reproducing one-dimensional (1d) ground response in seismic conditions. the lsb allows free movement of soil column during shaking without imposing significant boundary effects and is able to maintain 1d soil column behaviour. moreover, the use of lsbs enables the modelling of large strain modelling problems. comparative studies by numerous researchers have confirmed that lsbs are the most advanced and efficient type of soil container in modelling soil-structure systems.