دستاوردهاي اخير در طراحي بهينه ژئوتکنيکي پي هاي عميق (3)

د) روش تحليل انطباق سيگنال (CAPWAP)
 

در تحليل شمعکوبي سه مقدار نامعلوم وجود دارند که عبارت اند از: نيروهاي موجود در شمع، تغيير مکان هاي شمع و شرايط پيراموني شمع. در صورتي که دو مقدار از سه مقدار فوق مشخص شوند، مقدار سوم قابل محاسبه خواهد بود. CAPWAP يک برنامه ي کامپيوتري است که از رکوردهاي نيرو و سرعت به دست آمده از تحليل گر شمع کوبي استفاده مي کند. اين برنامه مي تواند با استفاده از مقادير معين نيرو و تغيير مکان و همچنين يک مهندس با تجربه، شرايط پيراموني شمع را با انجام سعي و خطا توسط روش انطباق سيگنال تعيين نمايد. شرايط پيراموني شامل ظرفيت باربري شمع، توزيع مقاومت خاک، تغيير مکان گسيختگي و ضرايب ميرايي خاک مي باشد.
پارامترهاي ورودي برنامه ي CAPWAP عبارت اند از: مدل پيوسته ي شمع، رکورد سرعت در رأس شمع، مدول مفروض براي خاک شامل توزيع مقاومت خاک، مقادير تغيير مکان هاي گسيختگي و ضرايب ميرايي براي هر يک از المان هاي خاک در جدار و انتهاي شمع. برنامه ي CAPWAP با استفاده از مقادير فوق رکورد نيرو در رأس شمع را محاسبه مي کند. رکورد محاسبه شده ي نيرو با رکورد اندازه گيري شده ي نيرو که در سايت شمع کوبي توسط تحليل گر شمع کوبي به دست آمده، مقايسه مي گردد. با انجام سعي و خطا و قضاوت مهندسي، پارامترهاي خاک بايد طوري تنظيم شوند که انطباق کامل بين رکودهاي محاسبه شده و اندازه گيري شده حاصل گردد. مدل CAPWAP و فرآيند سعي و خطا در شکل 12 نشان داده شده است.

برنامه ي CAPWAP در هر سعي کيفيت انطباق را ارزيابي مي کند. کيفيت انطباق از حاصل جمع مقادير مطلق اختلاف هاي نسبي بين مسيرهاي موج اندازه گيري شده و محاسبه شده نيرو به دست مي آيد. عدد کيفيت انطباق براي هر يک از اين چهار محدوده به دست مي آيد. چهار محدوده اي که انطباق مسير موج نيرو در اين محدوده ها صورت مي گيرد به طور شماتيک در شکل 13 نشان داده شده است. يک نمونه از فرآيند سعي و خطا جهت انطباق مسيرهاي موج در شکل 14 نشان داده شده است.
همان طور که از شکل 15 پيداست، بهترين انطباق بين مسيرهاي موج اندازه گيري شده و محاسبه شده حاصل شده است. جهت بررسي دقت و منحصر به فرد بودن مدل خاک به اين ترتيب عمل مي شود که ابتدا مسير موج نيروي اندازه گيري شده به عنوان پارامتر ورودي به برنامه ي CAPWAP معرفي مي گردد. سپس ميزان انطباق بين مسيرهاي موج سرعت اندازه گيري شده و محاسبه شده در راس شمع مورد برسي قرار مي گيرد. برنامه ي CAPWAP پس از ايجاد بهترين انطباق بين مسيرهاي موج، پارامترهاي مدل خاک را تعيين مي کند. اين پارامترها شامل ظرفيت باربري شمع، توزيع مقاومت اصطکاکي در عمق، تغيير مکان هاي گسيختگي و ضرايب ميرايي مي باشند.

برنامه ي CAPWAP همچنين توانايي انجام مدل سازي بارگذاري استاتيکي شمع را با استفاده از مدل شمع، توزيع مقاومت خاک و تغيير مکان هاي گسيختگي دارا مي باشد. نحوه ي مدل سازي آزمايش بارگذاري استاتيکي به اين ترتيب است که بار به طور تدريجي به رأس شمع اعمال شده و مقادير نفوذ المان هاي شمع و مقادير مقاومت استاتيکي متناظر با آن ها محاسبه مي گردد. با انجام اين تحليل، منحني مدل سازي شده ي بار – تغيير مکان رأس شمع به دست مي آيد. مقاومت استاتيکي به دست آمده از روش CAPWAP براي المان هايي از شمع که تحت نيروهاي پس ماند کششي قرار دارند، کوچک تر از مقدار واقعي است. بنابراين توزيع مقاومت به دست آمده از روش CAPWAP تحت نيروهاي پسماند قرار مي گيرد ولي مقاومت استاتيکي کل تحت تأثير نيروهاي پس ماند قرار نمي گيرد (Authier and Fellenius, 1983).

برآورد نشست و تغييرات بار – تغيير مکان شمع ها
 

از آن جا که يکي از اهداف به کارگيري پي هاي عميق عبور از لايه هاي نشست پذير سطحي، اتکاي فونداسيون بر لايه ي سفت و متراکم و يا کنترل نشست براي روسازه مي باشد، لذا برخلاف پي هاي سطحي محاسبات نشست براي پي هاي عميق و يا شمع ها در مقايسه با تعيين ظرفيت برابري و يا طراحي سازه اي از اهميت کم تري برخوردار است. معهذا در برخي شرايط ممکن است با نشست ها و موارد غير عادي به شرح زير رو به رو بوده که بايد آن ها را به دقت ارزيابي و برآورد نشست مربوط به پي عميق را انجام داد.
- روسازه نسبت به نشست ها حساس مي باشد.
- پي عميق داراي قطر بزرگ بوده و بخش مهمي از ظرفيت شمع مربوط به مقاومت کف باشد.
- از کف زمين به پايين لايه هاي با نشست پذيري بالا وجود داشته به خصوص اين که يکي از اين لايه ها در حوالي زير کف شمع واقع باشد.
- نيروهاي کششي به سمت پايين ممکن است در طول عمر سازه فعال شوند (خاک اطراف شمع نشست نموده و موجب تحميل اصطکاک جداري رو به پايين به شمع شود).
- مهندس سازه جهت اعمال عکس العمل شمع بر روسازه در ملاحظات اندرکنش زير سازه – روسازه از فنرهاي معادل استفاده نموده و بنابراين نيازمند ميزان جابه جايي هاي شمع تحت بار وارده از ستون ها و اجزاي رو سازه مي باشد.

- پس از اجراي شمع و سرشمع، جهت محوطه سازي، دسترسي ها و ساير ملزومات در اطراف بناي احداثي، خاکريزي شده که موجب نشست خاک اطراف شمع مي گردد.
روابط متعدد تئوريک و تجربي جهت نشست شمع هاي تک و گروهي پيشنهاد شده است. اما از آن جا که عمدتاً در پروژه ها، از شمع ها به صورت گروهي استفاده مي شود، ممکن است در حالاتي خاک اطراف و کف شمع نشست پذير بوده و موجب بروز اصطکاک منفي در شمع شده که متعاقباً اثرات قابل توجهي بر روي مقاومت سازه اي و نيز در نهايت نشست پذيري شمع ها دارد. نشست گروهي شمع ها با استفاده از روش متحد و عملکرد بلوکي با استفاده از پي معادل فرضي گروه شمع ها مورد ملاحظه قرار مي گيرد. مدل پيشنهادي ترزاقي و پک ارائه شده در شکل 16 بر اين مبناست که در حد فاصل زير سرشمع تا کف شمع در عمق معادل 2D/3 با فرض يک پي گسترده معادل (جهت توزيع بارهاي سرويس و يا دائمي و يا ديگر بارها با شيب 2 به 1) به محاسبه ي نشست در لايه هاي زير چنين رقومي پرداخته که نشست گروه شمع اطلاق مي گردد.
بر مبناي تحليل کلي فوق و در روش متحد پيشنهادي توسط Fellenius, 1990 , CFEM, 1992 رقوم توزيع بار جهت محاسبات مربوط به نشست گروه شمع اصطلاحاً صفحه ي خنثي ناميده مي شود و مکاني است که در آن سطح، نشست خاک اطراف و شمع معادل مي گردد. در بالاتر از آن نشست خاک بيش از شمع و در پايين تر از آن نشست شمع بيش از خاک است (شکل 16).
جهت توجيه صفحه ي خنثي (1)، درنظر گرفتن جابه جايي شمع نسبت به خاک و يا خاک نسبت به شمع به طور نسبي مورد ملاحظه قرار مي گيرد که در حالت اول اصطکاک مثبت و در حال دوم که شمع توسط خاک اطراف به پايين کشيده مي شود اصطکاک جداري منفي (2) مطرح مي شود. شرط تعادل نيروها ايجاب مي کند که برآيند کليه ي نيروهاي وارد به شمع در شرايط استاتيکي برابر صفر باشند. اصطکاک منفي ايجاد شده در قسمت بالايي شمع موجب ايجاد نيرويي در شمع شده که مقدار آن از صفر در سرشمع به مقدار ماکزيمم خود در عمق به تعادل مي رسد (نقطه اي در عمق که جهت تنش اصطکاکي از منفي به مثبت در شمع تغيير مي کند). در زير عمق تعادل، به علت مقاومت اصطکاکي مثبت و مقاومت انتهايي، بار محوري شمع کاهش مي يابد.

در هر شمع، بارهاي مرده ي وارد به سرشمع و اصطکاک منفي جداري از يک سو و مقاومت اصطکاکي مثبت و مقاومت انتهايي از سوي ديگر در تعادل با يکديگرند. محل تعادل اين نيروها در طول شمع صفحه ي خنثي ناميده شده و عمقي از شمع است که تنش برشي جدار شمع از منفي به مثبت تغيير علامت مي دهد. در اين عمق تغيير مکان نسبي بين شمع و خاک برابر صفر است.
معمولاً صفحه ي خنثي پايين تر از وسط شمع قرار دارد و در حالت خاصي که انتهاي شمع روي توده ي سنگي قرار داشته باشد، صفحه ي خنثي در نقطه ي انتهايي شمع واقع مي شود. در مورد يک شمع شناور (صرفاً متکي بر مقاومت اصطکاکي و انتهايي) در يک خاک همگن و با افزايش خطي مقاومت اصطکاکي (rs) در طول شمع، صفحه ي خنثي در نقطه اي به اندازه ي 3/1 طول مدفون شمع در خاک، بالاتر از انتهاي شمع قرار مي گيرد. هر چه مقاومت انتهايي بزرگ تر باشد صفحه ي خنثي در عمق بيش تري از سرشمع قرار مي گيرد. از طرف ديگر هر چه بار مرده ي وارده به سرشمع بزرگ تر باشد، صفحه ي خنثي در عمق کم تري از سرشمع قرار مي گيرد. چنانچه آزمايش بارگذاري استاتيکي روي شمع انجام شود، با افزايش تدريجي بار، صفحه ي خنثي به تدريج به سمت بالا حرکت کرده تا بالاخره در لحظه ي گسيختگي به سطح خاک برسد (شکل 17).
همان طور که در شکل 17 نشان داده شده است، نيروي اصطکاکي منفي Qn، در بالاي صفحه ي خنثي ايجاد مي شود و مقدار آن از انتگرال گيري اصطکاک منفي واحد سطح در طول شمع به دست مي آيد. به طور مشابه، مقاومنت کل اصطکاکي مثبت در زير صفحه ي خنثي، Rs، با انتگرال گيري از مقاومت اصطکاکي مثبت واحد سطح در طول شمع به دست مي آيد. همچنين در شکل 17، چگونگي تغيير محل صفحه ي خنثي با تغيير بار وارده ي Qd نشان داده شده است.
شکل 18، چگونگي تغيير محل صفحه ي خنثي را با تغيير وارده Qd به سرشمع نشان مي دهد. توجه شود که مقدار نيروي اصطکاک منفي نيز با تغيير مقدار Qd تغيير مي کند. همچنين توزيع و تغييرات نيروي اصطکاک منفي نيز در تغيير جاي صفحه ي خنثي مؤثر است. همان طوري که در شکل 18 مشاهده مي شود نشست خاک و شمع در محل صفحه ي خنثي برابر است. به علاوه در محل صفحه ي خنثي بيش ترين بار سازه اي را در شمع داريم که در ملاحضات طراحي سازه اي به کار گرفته مي شود.
همان گونه که ملاحظه گرديد، مکانيسم توزيع نيرو در شمع و نشست خاک و شمع به هم وابسته و اندرکشي بوده زيرا تغيير بار وارده به شمع محل صفحه ي خنثي را تغيير داده و تغيير محل صفحه ي خنثي، مقدار نيروي ماکزيمم در شمع و نيز توزيع بار دائمي جهت تعيين نشست را تغيير مي دهد.

در مجموع براي محاسبه ي نشست گروه شمع مراحل گام به گام زير را داريم:
1- تعيين محل صفحه ي خنثي که مي توان از رابطه ي تعادلي مجموع بار مرده و اصطکاک منفي از يک طرف و مجموع مقاوم کف و اصطکاک مثبت را در نظر گرفت. در شرايط خاک هاي همگن معمولاً در 3/1 ارتفاع از کف مي توان جاي آن را در نظر گرفت (همان مدل ترزاقي و پک).
2- توزيع بارهاي دائمي گسترده با شدت Q0 از صفحه ي خنثي نسبت به عمق با روش تقريبي 2 به 1 يا روش تئوريک بوسينسک و يا وسترگارد ابعاد سرشمع به قرار B و L بوده و BXL/ (بارهاي دائمي)=q0 مي باشد.
3- محاسبه ي نشست با استفاده از روابط متداول در مکانيک خاک و مهندسي پي و يا استفاده از روش هاي پيشنهادي جانبو به صورت لايه به لايه تا جايي که بتوان از آثار تنش هاي وارده صرف نظر نمود (10 درصد q0 در اعماق زير صفحه ي خنثي و يا معادل 5 درصد تنش مؤثر).
4- با توجه به اين که تعيين محل صفحه ي خنثي با فرض بسيح کامل مقاومت انتهايي انجام شده لازم است مقدار جابه جايي در کف شمع کنترل شده که اگر کم تر از 5 درصد قطر شمع باشد محاسبات تکرار و مقدار کم تري براي مقاومت انتهايي در نظر گرفته شود. تا با جاي جديد صفحه ي خنثي محاسبات را تکرار نمود.
5- نشست گروه شمع برابر مجموع مقدار نشست به دست آمده مربوط به صفحه ي خنثي به علاوه ي فشردگي الاستيکي شمع مي باشد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- Neutral Plane
2- Negative Skin Resistance
 

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