این مطالعه در بر گیرنده مدلسازی عددی تغییر شکلهای بزرگ حاصل از برخورد جسم صلب به سطح نمونه است. دو برنامه اجزا محدود با تعدادی مدل رفتاری و الگوریتم محاسباتی به کار رفته است و ماسه به عنوان مادهای الاستوپلاستیک مدل میشود.
همانطور که توسط پارن و رودریگز گزارش شد، ضربات در تراکم دینامیکی به دو صورت میتواند مدل شود:
به وسیله اعمال دادههای شتاب ثبت شده از کارهای عملی به عنوان یک تاریخچه شتاب به محیط پیوسته شامل خاک و وزنه
به وسیله فرمولاسیون عددی برای محاسبه اندر کنش وزنه و سطح ماسه با یک سرعت اولیه
هر دو روش نتایج رضایت بخشی میدهد. با اعمال یک شتاب یا بار ثبت شده، از محاسبات زیاد اجتناب میشود و مسئله ساده تر از آن خواهد شد که بخواهیم اندر کنش واقعی را محاسبه کنیم. از طرفی شتاب ثبت شده همواره در دسترس نیست و این محدودیت استفاده از تاریخچه شتاب است و آن را غیر کاربردی میکند.
استفاده از روش اندر کنش نتایج ماکزیمم تنشهای بیشینه به دست آمده از آزمایشگاه را تولید میکند، ولی زمان تماس را نیز کوتاهتر از آنچه در واقعیت است نشان میدهد که میتواند به دلیل محدودیت مدلهای خاک و فرمولاسیون ریاضی اندر کنش باشد.
3-7-2 پن و سلبی (2002) [29]
در این مطالعه تراکم دینامیکی خاکهای سستتحت اثر بارهای دینامیکی به صورت عددی و با استفاده از نرم افزار ABAQUS شبیه سازی شده است. در این تحقیق برخورد وزنه با سطح زمین به دو روش در مدلسازی عددی وارد شده است. روش اول استفاده از منحنیهای نیرو زمان است که از منحنی شتاب زمان اقتباس شده است، که بر پایه موج نیم سینوسی میرا شده میباشد. در روش دوم فرض بر برخورد جسم صلب (وزنه) به سطح زمین است و بنابراین ورودی مدل سرعت اولیه سقوط آزاد در گرههای مربوط میباشد.
مدل پلاستیک غیر همراه موهر کولمب که در کتابخانه ABAQUS موجود است، در این تحقیق استفاده شده است. در این مطالعه روش تنش کل انتخاب شده و فشار آب حفرهای در نظر گرفته نشده است؛ همچنین اثر جابجایی بزرگ مقیاس در نظر گرفته شده است.
محاسبات نشان داد که شتاب اوج ذره معادل 2g برای روش منجنی نیرو زمان در عمق 8 متر و برای روش برخورد جسم صلب در عمق 5/9 متر حاصل میشود. در مورد عمق دهانه هر دو روش مقادیر کمتری نسبت به مشاهدات در عمل نشان میدهند. با افزایش تعداد ضربات و متراکم شدن خاک عمق تأثیر افزایش مییابد زیرا در منحنی نیرو زمان ماکزیمم آن افزایش مییابد.
3-7-3 گو و لی (2002) [30]
در این مطالعه ماکزیمم تراکم دینامیکی با استفاده از آنالیز اجزا محدود دو بعدی و با فرمولاسیون تغییر شکلهای بزرگ دینامیکی و یک مدل رفتاری کلاهک دار مطالعه شده است. ارزیابی صحت میزان بهبود خاک، با مقایسه نتایج مدل با اندازه گیریهای تراکم نسبی که اوشیما و تاکادا (1998)[22] از آزمایشهای سانتریفیوژ خود به دست آوردند انجام شد. این مطالعه با استفاده از برنامه اجزا محدود CRISDYN انجام گرفته است که فرمولاسیون به روز شده کرنشهای بزرگ برای مسائل دینامیکی را برای انعکاس کرنشهای بزرگ در حین ضربه را داراست.
نتایج این مطالعه نشان داد که استفاده از دادههای آزمایش فشاری تک بعدی برای تعیین پارامترهای مدل رفتاری، پیش بینی خوبی از کارهای آزمایشگاهی و صحرایی میدهد.
3-8 شبیه سازی اثر برخورد کوبه با سطح زمین
چگونگی مدلسازی تنش ایجاد شده در اثر برخورد کوبه با سطح زمین، یک مسئله اساسی در مدلسازی روند تراکم دینامیکی است. تحقیقات متعددی در زمینه درک بهتر مکانیزم برخورد کوبه با سطح خاک انجام شده است. روشهای استفاده شده برای مدلسازی اثرات برخورد کوبه و زمین را میتوان به سه دسته کلی تقسیم بندی کرد.
3-8-1 مدل سازی برخورد با استفاده از تنش
اندازهگیریهای انجام شده در سایت و آزمایشگاه بیانگر آن است که تاریخچه زمانی شتاب یا تنش وارده به سطح خاک به صورت یک پالس تقریباً مثلثی است که متعاقب آن یک سری پالسهای دیگر با شدت کمتر نیز مشاهده میشود [5].
نتایج این تحقیقات بیانگر آن است که شدت و مدت تنش سطحی وارده به عوامل متعددی نظیر جرم و شکل وزنه، ارتفاع سقوط، خصوصیات خاک، لایه بندی خاک و سطح آب زیر زمینی بستگی دارد.
مدلهای تحلیلی متعددی برای مدلسازی تنش در سطح خاک ناشی از برخورد کوبه پیشنهاد شده است. از جمله میتوان به اسکات و پیرس (1975)[31] و ماین و جونز (1984)[5] اشاره کرد. در این تحقیقات سعی شده است تنش سطحی ناشی از ضربه در شرایط مختلف مانند خاک اشباع یا غیر اشباع، دانهای یا چسبنده، با استفاده از یک مدل تحلیلی مناسب پیش بینی گردد. نتایج به دست آمده با اندازه گیریهای انجام شده در سایت یا آزمایشگاه مقایسه شده است. با استفاده از یک مدل مناسب میتوان اثر برخورد وزنه با سطح خاک را با تاریخچه زمانی تنش سطحی ایجاد شده در زیر وزنه جایگزین کرد. سپس با انجام تحلیل مناسب میتوان اثرات تنش سطحی مزبور در توده خاک و تغییر مکانهای ایجاد شده را به دست آورد. از آنجا که تنش سطحی ایجاد شده در زیر وزنه به پارامترهای مختلفی بستگی دارد؛ شبیه سازی تنش سطحی ناشی از برخورد وزنه پیچیده است. برخی از محققین تلاش کردند تابعی استاندارد برای شکل منحنی نیرو زمان تعریف کنند. اسکات یک منحنی نیم سینوسی میرا را پیشنهاد کرده است.
لازم به ذکر است که با استفاده از این روش، مشکلات عددی ناشی از سختیهای متفاوت خاک و وزنه و تمرکز تنش در گوشههای وزنه مرتفع خواهد شد.
3-8-2 مدلسازی برخورد وزنه با استفاده از فرمولاسیون تماس بین دو یا چند جسم
دقیقترین روش برای مدلسازی برخورد وزنه، استفاده از فرمولاسیون تماس بین دو یا چند جسم میباشد. مسئله تماس یکی از مسائل خطی مشکل است. مسائل تماس از تماس بدون اصطکاک و تغییر شکلهای کوچک تا مسائل با اصطکاک و تغییر شکلهای بزرگ را شامل میشود. با وجود یکسان بودن فرمولاسیون، حل مسئله در حالت تغییر شکلهای بزرگ بسیار مشکلتر از حالت تغییر شکلهای کوچک است. با استفاده از این روش، غیر خطی بودن مسئله محدود به غیر خطی بودن مصالح و هندسه نمیشود و غیر خطی بودن ناشی از شرایط تماس را نیز شامل میگردد، که بر پیچیدگی مسئله میافزاید.