دستاوردهاي اخير در طراحي بهينه ژئوتکنيکي پي هاي عميق (2)

استفاده از نتايج آزمايشات درجا (1) در تعيين توان باربري شمع ها
 

به عنوان مکمل روش استاتيکي و با توجه به اين که آزمايشات درجاي رايج SPT (2) و CPT (3) اطلاعات پيوسته اي از خصوصيات خاک بر حسب عمق فراهم مي کنند، مي توان از نتايج آن ها که عمدتاً به صورت تجربي مي باشد در تعيين توان باربري شمع ها استفاده نمود. از آن جا که در اکثر مطالعات ژئوتکنيکي و شناسايي هاي محلي مربوط به پروژه هاي عمراني استفاده از آزمايش SPT اجتناب ناپذير است، استفاده از نتايج اين آزمايش در تعيين ظرفيت باربري شمع ها مورد توجه مهندسان محاسب مي باشد.
در صورت استفاده از نتايج SPT براي ظرفيت باربري شمع، ضريب اطمينان تا 4 توصيه مي شود. فرم کلي روابط تعيين ظرفيت باربري شمع ها بر اساس نتايج آزمايش SPT به صورت زير مي باشد:

مقاومت واحد جداره ي شمع بر حسب KPa
A: ضريب تناسب بين مقاومت واحد جداره اي شمع و متوسط مقدار N در جداره ي شمع
مقاومت واحد کف شمع بر حسب MPa
B: ضريب تناسب بين مقاومت واحد کف شمع و متوسط مقدار N در حوالي کف شمع
مقادير مربوط به فاکتورهاي A و B، پيشنهادي توسط برخي محققان در جدول 5 ارائه شده است.
همچنين تغييرات مقاومت هاي واحد کف و جداري براي يک سري شمع در خاک هاي مختلف دانه اي بر حسب عمق اندازه گيري شده براي چندين مورد عملي در شکل 3 نشان داده شده است. همان طور که از اين شکل پيداست، مقادير متوسط مقاومت اصطکاکي و جداري شمع با افزايش مقدار N حاصل از آزمايش SPT يا به عبارتي ميزان تراکم خاک ها افزايش مي يابد.
بر خلاف SPT، استفاده از نتايج آزمايش درجاي CPT در تعيين ظرفيت باربري شمع به خصوص در خاک هاي دانه اي شل و نسبتاً متراکم و همچنين خاک هاي ريزدانه ي نرم تا سقف بسيار رايج است. به عبارتي مي توان از کاربردهاي اوليه و مهم CPT به تعيين توان باربري شمع اشاره نمود و آن را با توجه به اندازه گيري مقاومت نوک و جداري حين نفوذ در زمين به عنوان يک مدل فيزيکي از شمع قلمداد کرد. آزمايش نفوذ مخروط به سرعت در حال تبديل به مشهورترين نوع آزمايش هاي درجا مي باشد. اين بدان علت است که CPT يک آزمايش سريع و اقتصادي بوده و به طور پيوسته اطلاعاتي را از لايه بندي زمين شناسي و ارزيابي خصوصيات خاک به دست مي دهد. آزمايش با توجه به استاندارد ASTM D-3441 (سيستم هاي مکانيکي) ASTM D5778 (سيستم هاي الکتريکي و الکترونيکي) انجام شده و شامل فرستادن ميله ي استوانه اي فولادي با نرخ ثابت mm/s 20 به داخل زمين و اندازه گيري مقاومت نفوذي مي باشد. پنترومتر استاندارد داراي نوک مخروطي با زاويه ي رأس 60 درجه، قطر بدنه ي 7/35 ميليمتر و غلاف اصطکاکي با سطح مقطع cm2 150 مي باشد. مقاومت نوک را با qc و مقاومت جداري را با Fs نشان مي دهند. همچنين، استاندارد ASTM قطر بزرگ تر mm 7/43 براي بدنه ي ميله را نيز پيشنهاد مي نمايد (شکل 4).
از آزمايش CPT مي توان در رس هاي بسيار نرم تا ماسه هاي متراکم استفاده نمود. ولي هنوز اين آزمايش براي شن ها يا عوارض سنگي مناسب نمي باشد. علاوه بر اين، دقت و توانايي دستگاه هاي نفوذ مخروطي CPTu در اندازه گيري qc و fs و u به کاربرد اين امکان را مي دهد که ميزان فشار آب حفره اي اضافي شده (u) در طي آزمايش نفوذ مخروط را اندازه گيري نمايد. لذا با استفاده از نتايج آزمايش CPTu، مي توان ظرفيت باربري شمع را بر مبناي تنش هاي مؤثر به دست آورد. نمونه اي از دانه هاي حاصل از CPT در شکل 5 ارائه شده است.
روش هاي تعين ظرفيت باربري شمع بر اساس نتايج آزمايش CPT و يا ديگر آزمايشات درجا به دو دسته تقسيم مي گردند: روش هاي مستقيم و روش هاي غيرمستقيم. در روش غيرمستقيم پارامترها و مشخصات مکانيکي خاک از نتايج آزمايش CPT تعيين مي گردد، سپس با استفاده از اين پارامترها و روابط تحليل استاتيکي، ظرفيت باربري شمع تعيين مي گردد. اما در روش هاي مستقيم بين نتايج آزمايش CPT و ظرفيت باربري شمع يک رابطه ي مستقيم نتايج آزمايش CPT و ظرفيت باربري شمع يک رابطه ي مستقيم ارائه مي گردد. در اغلب اين روش ها براي تعيين مقاومت کف شمع از مقادير مقاومت نوک مربوط به آزمايش CPT يعني qc استفاده شده است، اما براي تعيين مقاومت واحد جداري شمع، هم از مقادير مقاومت نوک qc و هم از مقادير مقاومت اصطکاکي Fs مربوط به آزمايش CPT، استفاده شده است.
بررسي ها توسط (Bruiad, 1988) بر روي 98 مورد عملي و (Eslami & Fellenius, 1997) بر روي 102 مورد عملي نشان مي دهد که روش هاي مستقيم مبني بر نتايج CPT با دقت مناسب و قابل قبولي ظرفيت باربري شمع ها را پيش بيني مي کنند. در جدول 4 تعدادي از روابط ارائه شده براي تعيين ظرفيت باربري يک شمع بر اساس نتايج آزمايش CPT، ارائه شده است.

تعيين ظرفيت باربري با روش هاي استاتيکي
 

آزمايش بارگذاري استاتيکي شمع را مي توان مستقيم ترين و کامل ترين روش تعيين ظرفيت باربري يک شمع دانست. به دليل وجود موارد عدم اطمينان متعدد در روند آناليز و طراحي شمع ها، انجام شدن اين آزمايش بر روي شمع هاي در ابعاد واقعي به صورت يک امر ضروري در اکثر پروژه هاي مهم درآمده است. در چنين مواردي به دليل وجود شرايط واقعي حاکم بر سيستم خاک – شمع، پاسخ سيستم در برابر بار وارده بر شمع، مشابه شرايط واقعي است. عملاً براي پروژه هايي حاوي پي هاي عميق که در خاک هاي مسأله دار اجرا شده، متراژ شمع مصرفي زياد و نيز پروژه از اهميت به سزايي برخوردار بوده و يا تجارب کمي از پروژه هاي مشابه در منطقه در دسترس باشد انجام شدن آزمايش بارگذاري در پروژه اجتناب ناپذير است.
اهداف آزمايش بارگذاري عبارت اند از:
1- تعيين توان باربري تک شمع و يا گروه
2- تعيين جابه جايي تک شمع و يا گروه تحت بار سرويس
3- کنترل توان باربري مفروض و مقايسه ي آن با مقدار واقعي
4- کسب اطلاعات در خصوص چگونگي مقادير انتقالي توسط جدار و کف شمع
5- تدقيق و کاهش ضريب اطمينان و صرفه جويي در هزينه ي پي سازي پروژه هاي کلان
بارگذاري توسط يک جک هيدروليکي و سيستم بارمرده انجام مي شود که در مورد استفاده از جک هيدروليکي، يک سيستم عکس العملي متشکل از چند شمع کششي، که عکس العمل جک از طريق يک يا دو تير متقاطع به آن ها منتقل مي شود، تأمين مي گردد. همچنين سيستم بارگذاري شده باشد. مطابق ASTM-D 1143 ، ظرفيت سيستم کنترل کننده ي عکس العمل جک حداقل 25 درصد بيش از ميزان بار وارده بر شمع بايد باشد. شکل 6، شمايي از آزمايش بارگذاري استاتيکي بر روي شمع را نشان مي دهد.
نتايج به دست آمده از آزمايش بارگذاري شمع به صورت يک نمودار بار –تغيير مکان، همانند شکل 7، ارائه مي شود. براي حصول مقاومت نهايي و يا بار مجاز معمولاً نتايج آزمايش بارگذاري تفسير مي گردد. طبق تعريف يک شمع زماني به گسيختگي کامل مي رسد که تحت يک بار ثابت يا افزايش اندک بار، مقدار جابه جايي شمع به سرعت زياد شود. (منحني A از شکل 7) اما در اغلب اوقات، نمودار بار نشست به دست آمده از آزمايش بارگذاري به گونه اي است که تعريف فوق را براي ظرفيت باربري نهايي ارضا نمي کند (منحني B از شکل 7). در چنين حالت هايي است که مسأله ي تفسير نتايج آزمايش بارگذاري مطرح مي گردد.
يکي از معمول ترين روش هاي تعيين ظرفيت باربري نهايي شمع، در اين حالت ها بدين صورت است که دو بخش مستقيم نمودار بار – نشست را که بخش اول آن نشان دهنده ي تغيير شکل الاستيک و بخش دوم آن مؤيد تغيير شکل پلاستيک شمع است، امتداد مي دهند که محل تلاقي اين دو خط، ظرفيت باربري نهايي شمع را نشان مي دهد. اين بار حدي يا نهايي به گونه اي حاصل مي شود که به ميزان زيادي به قضاوت اپراتور و مفسر وابسته بوده و همچنين انتخاب مقياس محورهاي بار – تغيير مکان نيز مي تواند مفهوم بار حدي يا نهايي را تغيير دهد. به طور کلي، حصول بار نهايي تفسير شده از نتايج آزمايش بارگذاري بايد بر اساس يک قاعده ي رياضي و تعريف شده باشد که نتيجه ي حاصل از آن تکرارپذير بوده و مستقل از ضوابط مربوط به مقياس و قضاوت شخص تفسير کننده باشد.

تعيين ظرفيت باربري با روش هاي ديناميکي
 

هنگامي که ضربه ي چکش در حين عمليات شمع کوبي به سرشمع نواخته مي شود، شمع قدري در زمين فرو مي رود از عوامل مؤثر بر ميزان فرو رفتن شمع در زمين به ازاي هر ضربه، عبارت از سختي شمع، مقاومت و سختي خاک در اطراف جداره ي شمع در اعماق مختلف و همچنين در کف و پاين تر از آن و ميزان انرژي وارده مي باشند. لذا ميزان فرو رفتن شمع در خاک به ازاي هر ضربه ي چکش با انرژي وارده مشخص، مي توان شاخصي از مقاومت خاک باشد به عبارت ديگر به ازاي هر ضربه ي چکش يک آزمايش بارگذاري ديناميکي روي شمع صورت مي پذيرد، اما تفاوت آن با آزمايش بارگذاري استاتيکي در آن است که به علت ماهيت ديناميکي ضربه ي وارده، اثر جرم و ميرايي نيز در رفتار مجموعه ي شمع و خاک اطراف مؤثر است. همچنين تست هاي ديناميکي برخي از معضلات آزمايشات استاتيکي از قبيل وقت گير بودن، پرهزينه بودن و عدم امکان انجام اغلب آزمايشات استاتيکي موجود در حيطه هاي دريايي را ندارد. در نتيجه مي توان با حل کلي معادله ي حرکت براي سيستم بر حسب ميزان فرو رفتن شمع در خاک، معادل ظرفيت باربري استاتيکي شمع را محاسبه نمود.
توجه به اين نکته در دهه هاي گذشته دست اندرکاران طراحي و اجراي عمليات شمع کوبي را بر آن داشت تا از قوانين ضربه ي نيوتن براي تخمين ظرفيت باربري شمع در حين عمليات استفاده نمايند. فرض فوق بدان معني است که در حين اعمال ضربه، انرژي وارده توسط چکش به شمع به طور همزمان به نوک شمع نيز اثر کرده و لذا فرمول هايي به نام فرمول هاي ديناميکي شمع به عنوان جسم واحد صلب فرض شده که يکپارچه پس از اعمال ضربه به پايين حرکت مي کند. در صورتي که عملاً حالت انعطاف پذيري مطرح مي باشد.
تجارب حاصل از شمع کوبي نشان داد که انتقال انرژي به انتهاي شمع به طور همزمان صورت نگرفته و پس از اعمال هر ضربه، موج طولي در شمع ايجاد شده که زمان زيادتري نسبت به اعمال ضربه براي رسيدن به کف شمع و انعکاس از آن داشته، پس مي توان سيستم شمع – خاک – چکش در حين شمع کوبي را توسط تئوري انتشار موج در يک محيط محيط يک بعدي مدل نمود. Smith, 1960 اولين راه حل عددي معادله ي فوق را با استفاده از يک مدل ساده براي سيستم شمع - خاک - چکش از روش تفاضل هاي محدود راي تحليل تغيير مکان هاي شمع تحت ضربه ي چکش پيشنهاد نمود. وي در سال 1960 کاربرد روش معادله ي موج يا WEAP (4) را براي تحليل شمع و شمع کوب به طور مبسوط شرح داد. در مدل عددي Smith شمع و سيستم کوبش به صورت عناصر مجاز در نظر گرفته شده که اجزا شمع به صورت وزنه هاي معادل در نظر گرفته شده که با فنرهايي با سختي مشخص به هم مرتبط هستند (شکل 8).
اما اين روش نيز داراي نقاط ضعفي است که عبارت اند از:
1- دشواري در برآورد صحيح ميزان انرژي وارده از طرف چکش به شمع
2- تخمين پارامترهاي مناسب بر اي خاک در اعماق مختلف مانند ضريب ميرايي جدار و نوک شمع
به منظور رفع نقيصه هاي موجود در روش تحليل معادله ي موج، تلاش هايي در راستاي تکميل به کارگيري آناليز معادله ي موج صورت پذيرفت که منجر به انجام آزمايشات ديناميکي گرديد. يکي از متداول ترين اين آزمايشات، آزمايش ديناميکي شمع يا PDA (5) مي باشد که نصب سنسورهايي در نزديکي سرشمع، مقادير نيرو و سرعت (شتاب و کرنش) وارده ي ناشي از ضربه ي چکش را مستقيماً اندازه گيري مي کنند. مکمل آزمايش PDA انجام تحليلي انطباق سيگنال است که در واقع تحليلي شبيه به WEAP مي باشد. با اين تفاوت که ورودي هاي اوليه ي برنامه، نتايج آزمايش PDA است. با استفاده از نتايج اين تحليل مي توان اطلاعات مبسوط تري از توزيع تنش و نيرو در امتداد طولي شمع به دست آورده و در نتيجه مقاومت هاي جداري و نوک را به تفکيک محاسبه نمود. يکي از برنامه هاي تجاري موجود براي اين منظور برنامه ي CAPWAP (6) است.
کاربرد آزمايشات در تفسيرهاي ديناميکي نه تنها براي شمع هاي کوبيدني، بلکه در سال هاي اخير براي شمع هاي ريختني و يا حتي شافت هاي درجاي متکي بر سنگ نيز کاربرد داشته و به عنوان آلترناتيو مناسبي براي آزمايشات بارگذاري استاتيکي جهت تعيين باربري و تفکيک اصطکاک جداري و مقاومت کف مطرح و نتايج مطلوبي را نيز به همراه داشته است.

الف) فرمول هاي ديناميکي
 

در کنار روابطي که ظرفيت باربري شمع را با استفاده از روش هاي تحليل استاتيکي به دست مي دهند، روابطي وجود دارند که به کمک آن ها مي توان ظرفيت باربري نهايي شمع را در حين کوبش کنترل نمود که اين روابط به فرمول هاي شمع کوبي يا روابط ديناميکي مشهورند و از اهميت عملي بالايي برخوردارند. با فرض اين که در حين اعمال ضربه، انرژي وارده توسط چکش به شمع به عنوان جسم صلب به طور هم زمان به کف شمع نيز اثر نموده، فرمول هاي ديناميکي جهت تعيين ظرفيت باربري شمع ارائه گرديد.

W = وزن چکش
H= ارتفاع سقوط چکش
Eh = انرژي اسمي وارد به سر شمع
Ru = توان باربري نهايي شمع
S = ميزان نفوذ در هر ضربه

ب) روش تحليل معادله ي موج
 

در مراحل ابتدايي توسعه ي شمع کوبي تصور مي شد که قوانين ضربه ي نيوتن براي مدل نمودن شمع کوبي کاربرد داشته باشد. فرض فوق بدان معني است که در حين اعمال ضربه، انرژي منتقل شده توسط چکش به شمع، به طور هم زمان به انتهاي شمع (نوک شمع) نيز اثر کرده و لذا فرمول هاي شمع کوبي قابل توجه و متفاوتي توسط محققين مختلف ارائه شد. تحليل کوبش (7) به منظور شبيه سازي کوبش واقعي شمع بوده و نتايج حاصل از آن به صورت يک مجموعه ي گراف هايي که شامل تعداد ضربات – ظرفيت باربري نسبت به عمق و يا ظرفيت باربري بر حسب عمق مي باشند، ارائه مي گردند. در واقع تعدادي تحليل براي عمق هاي مختلف صورت گرفته و نتايج به صورت شکل 9 مي باشند.

ج) تست هاي ديناميکي PDA
 

اندازه گيري هاي ديناميکي مقادير نيرو و سرعت جهت تخمين رفتار سيستم کوبش، شمع و خاک حين کوبش ويا کوبش مجدد مورد استفاده قرار مي گيرد. تحليل گر شمع کوبي با استفاده از اندازه گيري مقادير نيرو و سرعت مي توان مقادير ظرفيت باربري، عملکرد شمع کوب و ميزان انرژي انتقال يافته به شمع، تنش هاي ايجاد شده در شمع حين کوبش، آسيب ديدگي شمع حين کوبش و پارامترهاي ورودي تحليل معادله ي موج را محاسبه نمايد.
ابزاربندي سيستم تحليل گر شمع کوبي شامل دو شتاب سنج، دو کرنش سنج، تحليل گر شمع کوبي، اسيلوسکوپ و Channel cassette recorder مي باشد که در شکل 10 نشان داده شده است. شتاب سنج ها و کرنش سنج ها معمولاً به فاصله ي دو برابر قطر شمع پايين تر از راس نصب مي گردند. سيگنال هاي فرستاده شده از هر گيج در يک کابل اتصال که از شمع يا کلاهک آويزان است، جمع آوري مي گردد. يک کابل اصلي، سيگنال ها را به تحليل گر شمع کوبي که روي زمين قرار گرفته منتقل مي کند. شماتيک تحليل گر شمع کوبي در شکل 10 نشان داده شده است. تحليل گر شمع کوبي براي هر ضربه ي چکش، سيگنال هاي آنالوگ کرنش و شتاب را به اطلاعات ديجيتال نيرو و سرعت بر حسب زمان تبديل مي کند. مسيرهاي موج در حين کوبش بر روي اسيلوسکوپ نمايش داده مي شوند. بدين ترتيب کيفيت اطلاعات قابل ارزيابي بوده و در صورت لزوم تصحيح مي گردند. همچنين به منظور امکان انجام تحليل هاي بيش تر روي اطلاعات در هر زمان، سيگنال هاي نيرو، سرعت و شتاب بر حسب زمان به طور دايمي روي نوار مغناطيسي يا ديجيتالي ذخيره مي گردند. تحليل گر شمع کوبي همچنين برخي از پارامترهاي ديناميکي را براي هر ضربه بر روي کاغذ چاپ مي کند. اين پارامترها عبارت اند از: حداکثر نيروي فشاري و کششي اندازه گيري شده در محل اندازه گير، حداکثر انرژي منتقل شده به شمع عبوري از محل اندازه گير، تخمين ظرفيت باربري استاتيکي شمع توسط روش Case.
قبل از آماده نمودن شمع جهت کوبش مي توان با نصب يک شتاب سنج به آن و کوبيدن آن توسط يک چکش دستي، سرعت موج در شمع را اندازه گيري نمود. هر مرتبه که موج تنش از محل نصب شتاب سنج روش شمع عبور مي کند، يک پيک شتاب مثبت قابل ملاحظه است. حاصل تقسيم دو برابر طول شمع بر فاصله ي زماني بين دو پيک شتاب، سرعت انتشار موج در شمع را نشان مي دهد.

استفاده از روش Case جهت تعيين ظرفيت باربري
 

تحليل گر شمع کوبي با استفاده از حل به روش بسته ي انتشار يک بعدي موج، مقاومت هاي کل استاتيکي و ديناميکي در برابر کوبش را محاسبه مي کند. محاسبه ي اين مقدار توسط رابطه ي پايه ي روش Case مطابق رابطه ي 17 صورت مي گيرد:

که در آن RTL مقاومت کل (شامل مقاومت هاي استاتيکي و ديناميکي)، FT1 مقدار نيرو در زمان 1 (زمان ضربه)، FT2 مقدار نيرو در زمان 2

پس از زمان ضربه)، VT1 مقدار سرعت در زمان 1، VT2 مقدار سرعت در زمان 2، M جرم شمع، C سرعت موج در شمع و L طول شمع مي باشند. مقاومت ديناميکي ناشي از ميرايي توسط رابطه ي 18 قابل محاسبه است:

که در آن Jc فاکتور بي بعد ميرايي Case و Vt سرعت نوک شمع مي باشد. با تخمين مقاومت ديناميکي، ظرفيت باربري شمع، RSP، از رابطه ي زير محاسبه مي شود:

گرچه تخمين ظرفيت باربري توسط روش PDA بسيار مفيد است اما دقت نتايج به دست آمده از اين روش به انتخاب مناسب فاکتور ميرايي Case براي خاک موجود در محل دارد. بهترين روش انتخاب فاکتور ميرايي Case ايجاد همبستگي بين نتايج روش PDA و آزمايش بارگذاري استاتيکي (که تا گسيختگي انجام شده باشد) و يا استفاده از تحليل CAPWAP است. شکل 11 يک مثال ساده از نحوه ي محاسبه ي ميزان انرژي انتقال يافته در شمع را نشان مي دهد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1-In-situ Tests
2- Standard Penetration Test
3- Cone Penetration Test
4- Wave Equation Analysis Program
5- Pile Driving Analyser
6- Case Pile Wave Analysis Program
7- Driveability Analysis
 

منبع: ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.