Analysis of Influencing Factors on Earth Pressure in Finite Soil and Excavation Deformation Based on Orthogonal Tests

तकनीकी सारांश: ऑर्थोगोनल परीक्षणों के आधार पर परिमित मृदा (Finite Soil) में पृथ्वी दबाव और उत्खनन विरूपण को प्रभावित करने वाले कारकों का विश्लेषण

समस्या विवरण
जैसे-जैसे शहरी विकास मौजूदा संसाधनों के अनुकूलन की ओर बढ़ रहा है, महानगरों में उत्खनन परियोजनाएं तेजी से "परिमित मृदा" (finite soil) स्थितियों का सामना कर रही हैं, जहाँ प्रतिधारण संरचनाएं (retaining structures) मौजूदा इमारतों या भूमिगत सुविधाओं के निकट होती हैं। इन परिदृश्यों में, उत्खनन और कठोर सीमा के बीच का मृदा द्रव्यमान सीमित होता है। शास्त्रीय पृथ्वी दबाव सिद्धांत (रैंकिन और कूलम्ब), जो अर्ध-अनंत (semi-infinite) मृदा स्थान का अनुमान लगाते हैं, अब लागू नहीं होते हैं। परिमित मृदा स्थितियों के तहत, फिसलन सतह (slip surface) बाधित होती है, जो अक्सर एक बहु-खंडीय बहुभुज रेखा या मिश्रित वक्र बनाती है, जिससे गैर-रेखीय सक्रिय पृथ्वी दबाव वितरण होता है और पारंपरिक भविष्यवाणियों की तुलना में काफी कम परिणामी बल उत्पन्न होता है। डिजाइन में अर्ध-अनंत धारणाओं पर निर्भर रहने से प्रतिधारण संरचनाएं अत्यधिक रूढ़िवादी हो सकती हैं, या इसके विपरीत, भार अनुमान त्रुटियों के कारण अनियंत्रित विरूपण हो सकता है। इसके अतिरिक्त, मौजूदा शोध अक्सर कठोर दीवार गति मोड या एकल-कारक संवेदनशीलता विश्लेषण पर केंद्रित होता है, जिसमें त्रि-आयामी स्थान में बहु-कारक युग्मन प्रभावों की व्यवस्थित समझ का अभाव है, विशेष रूप से शेनझेन में पाई जाने वाली ग्रेनाइट अवशेष मृदा जैसी विशिष्ट भूवैज्ञानिक स्थितियों के लिए।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन शेनझेन के चेगोंगमियाओ इंटरचेंज स्टेशन को एक केस स्टडी के रूप में उपयोग करता है, जिसमें ABAQUS परिमित तत्व सॉफ्टवेयर का उपयोग करके 2D और 3D संख्यात्मक सिमुलेशन के संयोजन का प्रयोग किया गया है।

• मॉडलिंग: अध्ययन परिमित मृदा विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए संख्यात्मक मॉडल स्थापित करता है। धारणाओं में मृदा के लिए मोहर-कुलम्ब यील्ड मानदंड (Mohr-Coulomb yield criterion), संरचनाओं के लिए रैखिक लोचदार गुणधर्म (linear elastic constitutive laws), और भूजल प्रभावों का अपवर्जन शामिल है। मॉडल एक नियोजित उत्खनन और एक आसन्न मौजूदा इमारत (ज्यामितीय प्रभावों को अलग करने के लिए शून्य स्व-भार के रूप में सरल बनाया गया) के बीच की अंतःक्रिया का अनुकरण करता है।
• ऑर्थोगोनल प्रयोगात्मक डिजाइन: दो अलग-अलग सेटों में ऑर्थोगोनल प्रयोग (L9 सरणी) किए गए थे:
  1. पृथ्वी दबाव विश्लेषण: चार कारकों की जांच तीन स्तरों पर की गई: उत्खनन गहराई, परिमित मृदा चौड़ाई, आंतरिक घर्षण कोण, और संसंजन (cohesion)। मूल्यांकन मानदंड पृथ्वी दबाव तीव्रता था।
  2. विरूपण विश्लेषण: नींव के गड्ढे के विरूपण को प्रभावित करने वाले चार कारकों का विश्लेषण किया गया: डायफ्राम दीवार एम्बेडमेंट अनुपात (embedment ratio), दीवार की मोटाई, क्षैतिज स्ट्रट अंतराल (horizontal strut spacing), और ऊर्ध्द्य स्ट्रट अंतराल (vertical strut spacing)। मूल्यांकन मानदंड अधिकतम क्षैतिज दीवार विस्थापन और अधिकतम जमीनी सतह सेटलमेंट थे।
  3. युग्मित विश्लेषण (Coupled Analysis): तीसरे सेट के ऑर्थोगोनल परीक्षणों ने पिछले दोनों सेटों के कारकों को संयोजित किया ताकि मृदा स्थितियों और प्रतिधारण संरचना मापदंडों के बीच अंतःक्रिया की जांच की जा सके (एम्बेडमेंट अनुपात, दीवार की मोटाई, परिमित मृदा चौड़ाई, और उत्खनन गहराई)।
• डेटा विश्लेषण: कारकों की संवेदनशीलता रैंकिंग निर्धारित करने के लिए रेंज विश्लेषण का उपयोग किया गया। पृथ्वी दबाव और विरूपण के लिए मात्रात्मक भविष्यवाणी सूत्र प्राप्त करने के लिए बहुभिन्नरूपी गैर-रेखीय प्रतिगमन विश्लेषण (SPSS का उपयोग करके) का उपयोग किया गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम
अध्ययन कई मात्रात्मक निष्कर्ष और भविष्य कहने वाले उपकरण प्रदान करता है:

• पृथ्वी दबाव संवेदनशीलता: परिमित मृदा पृथ्वी दबाव को प्रभावित करने वाले कारकों की संवेदनशीलता क्रम है: उत्खनन गहराई > परिमित मृदा चौड़ाई > आंतरिक घर्षण कोण > संसंजन। पृथ्वी दबाव तीव्रता उत्खनन गहराई और मृदा चौड़ाई के साथ सकारात्मक रूप से सह-संबंधित है, और आंतरिक घर्षण कोण एवं संसंजन के साथ नकारात्मक रूप से सह-संबंधित है। एक भविष्य कहने वाला समीकरण स्थापित किया गया: $S = 50.404 + 2.010A + 1.709B - 0.310C - 0.250D$ (जहाँ A-D संबंधित कारकों का प्रतिनिधित्व करते हैं)।
• विरूपण संवेदनशीलता: नींव के गड्ढे के विरूपण के लिए, सबसे महत्वपूर्ण कारक डायफ्राम दीवार की मोटाई है, जिसके बाद एम्बेडमेंट अनुपात, क्षैतिज स्ट्रट अंतराल और ऊर्ध्द्य स्ट्रट अंतराल का स्थान आता है। दीवार की मोटाई बढ़ाना विरूपण नियंत्रण के लिए सबसे प्रभावी उपाय के रूप में पहचाना गया है। अध्ययन एम्बेडमेंट अनुपातों के लिए एक "प्रभावी महत्वपूर्ण गहराई" (लगभग 0.65–0.9) को नोट करता है, जिसके बाद विरूपण कमी में और अधिक गहराई देने से लाभ कम होने लगता है।
• युग्मित अंतःक्रिया: परिमित मृदा और प्रतिधारण संरचना मापदंडों के संयुक्त प्रभाव का विश्लेषण करते समय, विरूपण के लिए संवेदनशीलता क्रम रहता है: दीवार की मोटाई > एम्बेडमेंट अनुपात > परिमित मृदा चौड़ाई > उत्खनन गहराई। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि परिमित मृदा स्थितियों के तहत, अंतिम विरूपण पर मृदा चौड़ाई और उत्खनन गहराई का "अतिरिक्त विफलता प्रभाव" (additional failure effect) काफी कमजोर हो जाता है क्योंकि वास्तविक सक्रिय पृथ्वी दबाव कम होता है।
• डिजाइन अनुकूलन: प्रतिगमन विश्लेषण के आधार पर, लेखक विशिष्ट परिमित मृदा चौड़ाई और उत्खनन गहराई के तहत प्रतिधारण संरचना मापदंडों (दीवार की मोटाई बनाम एम्बेडमेंट अनुपात) के लिए एक "अनुकूलन मिलान तालिका" प्रस्तावित करते हैं। यह तालिका इंजीनियरों को ऐसे मापदंडों का चयन करने की अनुमति देती है जो विरूपण नियंत्रण मानकों को पूरा करते हैं और संभावित रूप से निर्माण लागत को कम करते हैं।

महत्व
यह शोध पत्र मौजूदा इमारतों के निकट नींव के गड्ढों के डिजाइन के लिए एक सैद्धांतिक आधार और इंजीनियरिंग संदर्भ प्रदान करने का दावा करता है। ऑर्थोगोनल परीक्षणों के माध्यम से परिमित मृदा निकायों में पृथ्वी दबाव के तंत्र और उनके उत्खनन विरूपण पर प्रभाव को व्यवस्थित रूप से स्पष्ट करके, यह अध्ययन बहु-कारक युग्मन और लचीली प्रतिधारण दीवार विरूपण मोड के संबंध में वर्तमान अनुसंधान की कमियों को दूर करता है। प्राप्त मात्रात्मक भविष्यवाणी सूत्र और प्रस्तावित अनुकूलन मिलान तालिका अर्ध-अनंत धारणाओं पर आधारित अत्यधिक रूढ़िवादी डिजाइनों से हटने का एक तरीका प्रदान करती है, जिससे सीमित शहरी वातावरण में अधिक किफायती और सुरक्षित प्रतिधारण संरचना डिजाइन सक्षम होती है।