پايه هاي سنگ دانه اي متراکم، رويکردي نو براي مقاوم سازي بستر پي ها (1)

خلاصه
 

نياز روزافزون به ساخت و ساز در حواشي شهرها و وجود خاک ضعيف و نامناسب در چنين مناطقي باعث گرديده است تا مهندسان ژئوتکنيک و سازه براي تقويت و تسليح خاک در محل به عنوان تکيه گاه شالوده هاي متعارف به فن آوري سنتي و اتکاي آن ها بر بسترهاي مقاوم با حجم بالاي خاک برداري يا جايگزيني خاک نامرغوب محل با خاک ريز مرغوب مهندسي، و يا طراحي شالوده هاي عميق همراه با دال هاي کف سازه اي مستلزم صرف هزينه و وقت زياد مي باشد. انتخاب نوع پي تحت تأثير عملکرد نشست درازمدت، مديريت بارهاي لرزه اي، ضوابط اجراپذيري محلي، و صرفه جويي وقت و هزينه ها قرار دارد. استفاده از پايه يا ستون سنگ دانه اي کوبيده شده به عنوان تکيه گاه پي هاي سطحي متعارف يک رويکرد در حال گسترش است. آشنايي با مفاهيم اساسي طراحي مورد استفاده در اين فن آوري بهبود زمين، به مهندسان عمران امکان مي دهد تا پي هاي سطحي متعارف متکي بر زمين بهبود يافته را با رفع پيچيدگي کلي و کاهش زمان و هزينه ي پروژه، طراحي نمايند. دراين مقاله عملکرد، قابليت اجرا و هزينه هاي پايه ي سنگ دانه اي کوبيده شده مورد بحث و بررسي قرار گرفته است.
کليد واژه ها: پايه ي سنگ دانه اي متراکم، بهبود زمين، پي هاي سطحي.

مقدمه
 

براي نواحي و شرايط بارگذاري مختلف، مهندسان قادر به انتخاب گزينه ي مناسب از ميان چندين سيستم پي رايج هستند. اما در مواجهه با محوطه هاي خاک ضعيف تنها گزينه هاي محدودي دارند. اجراي شمع بتني چه به صورت کوبشي و چه به صورت در جاريز با افزايش هزينه ها و محدوديت هاي اجرايي روبه رو مي باشد و لذا مهندسان مجبور شده اند سيستم هاي پي ديگري مدنظر قرار داده و طراحي نمايند. شيوه هاي متنوع بهبود زمين نظير خاکبرداري حجيم و جايگزيني با خاکريز مهندسي، ستون هاي سيماني، پايه هاي سنگ دانه اي کوبيده شده، ستون هاي سنگي ارتعاشي جايگزين و تزريق تراکمي اين امکان را به مهندسان مي دهد تا راه حل مناسب براي شرايط محلي خاص را پيدا نمايند.
با شباهت بسيار به خاکبرداري حجيم جايگزين شده با خاکريز مهندسي، اجراي پايه ي سنگ دانه اي کوبيده شده (RAP) (2) يک نوع فن آوري مبتني بر همان اصول است؛ يعني برداشتن خاک ضعيف و آن گاه بهبود سختي، مقاومت آن و قابليت حمل ايمن بارهاي شالوده. اجراي پايه ي سنگ دانه اي سنبه کوب مي تواند به عنوان حفاري گسسته و جايگزيني با سنگدانه ي متراکم (خاکريزي مهندسي) تلقي شود
(Farrell et al 2004)، با فهم فرايند طراحي و اجراي پايه ي سنگ دانه اي فشرده، بينش مفيدي از اين شيوه ي بهبود زمين مي تواند حاصل شود. اين مقاله بر آن است شرح مختصري از اجراي اين روش براي بهبود باربري شالوده هاي متعارف را ارائه دهد.

زمينه ي گسترش پايه هاي سنگ دانه اي کوبيده شده
 

روش پايه هاي سنگ دانه اي توسط فوکس (Fox) در اواسط دهه ي 1980 ابداع گرديد و کاربرد آن جهت تقويت پي ها در طول دهه ي گذشته مقبوليت زيادي به دست آورده است.
اصول طراحي و روش اجراي خاص سيستم پايه هاي سنگ دانه اي توسط محققان بسياري از جمله لاتون و همکاران (Lawton et al 1994)، ويسمن و همکاران (Wissmann et al 2000)، هندي و فوکس (Handy & Fox 2002) و وايت و همکاران (White 2007)، مورد ارزيابي قرار گرفته است [Pham & White 2007]. همچنين فرايند ساخت پايه ها و تنش هاي به وجود آمده به واسطه ي کوبش و همچنين تراکم خاک اطراف پايه ي تحت کوبش به عنوان عوامل تأثيرگذار بر رفتار پايه ها توسط هندي (Handy 2001) و وايت و همکاران (White 2001) مورد بررسي قرار گرفته است. در رابطه با کوبش پايه ها در خاک هاي با درصد اشباع بالا و امکان وقوع روان گرايي ضمن شرح فرايند کوبش، تحقيقاتي نيز توسط هندي و وايت (Handy & white 006)2 صورت گرفته است.
در رابطه با بررسي رفتار پايه ها پس از بارگذاري و چگونگي توزيع بار در پايه ها مطالعاتي توسط (White & Suleiman 2006) صورت گرفته است. نتايج اين تحقيق در قالب نمودارهايي مي تواند به منظور طراحي اين پايه ها مورد استفاده قرار گيرد. تحقيقات مفصل تري در رابطه با تأثير نوع خاک بر رفتار پايه ها توسط شيلد و همکاران (Shield et al 2004) ليليس و همکاران (Liliis et al 2004) ارائه شده است. در مطالعات صورت گرفته توسط شيلد، رفتار پايه ها در خاک هاي ماسه اي مورد بررسي قرار گرفته است. در اين مطالعات که بر اساس نتايج 19 آزمايش بارگذاري در خاک هاي ماسه اي مي باشد، ضمن اشاره به رفتار پايه ها در خاک هاي ماسه اي، به ضرورت استفاده از غلاف در اجراي پايه ها در اين نوع از خاک ها اشاره شده است. در تحقيقات صورت گرفته سنگ دانه اي واقع در خاک هاي رسي مورد بررسي قرار گرفته است. لاتون و همکاران (Lawton et al 1994) مطالعاتي در رابطه با ظرفيت برکنش اين پايه ها انجام داده اند. در اين مطالعات سيستم هاي خاصي به منظور ايجاد ظرفيت برکنش در پايه ها ارائه شده است. در ادامه ضمن شرح مختصري از اجرا و ملاحظات طراحي، عملکرد، قابليت اجرا و هزينه هاي پايه ي سنگ دانه اي کوبيده شده به نقل از مرجع (Farrell et al 2004) مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد.

شکل 1: روند اجراي پايه ي سنگ دانه اي سنبه کوب:
 

A حفره چاه هاي RAP (شافت) به قطر 60 تا 90 سانتي متر
B سنبه کوب کردن سنگ شکسته 2 اينچي به داخل پياز تحتاني
C سنبه کوب کردن سنگ شکسته 75/0 تا 5/1 اينچي در لايه هاي 25 سانتيمتري تا تراز cm 15+cm30+ نسبت به کف پي

اجراي پايه ي سنگدان هاي سنبه کوب (PAR)
 

براي برداشتن خاک نرم و ضعيف اجزاي منفرد RAP نوعاً به قطر متوسط cm75 حفاري گرديده و تا عمق هايي در بازه ي 2 تا 10 متر با به کارگيري روند ساخت ساده ي نشان داده شده در شکل 1 اجرا مي شوند.
ابزار سنبه کوبي متشکل از يک دستگاه حفاري هيدروليکي 20 تني مجهز به يک کوبه ي انقطاعي هيدروليکي 5/1 تني و يک سنبه ي پخ دار مخصوص با پخ مي باشد، شکل 2 را ملاحظه نماييد. کوبه ي هيدروليکي انرژي معادل 1300 تا 2600 کيلوژول در تقريباً 400 ضربه در دقيقه به سنبه منتقل مي نمايد.

بعد از حفاري، با عمليات سنبه کوبي با فرکانس زياد، لايه اي از سنگ شکسته در ته چاه متراکم مي گردد، اين بخش معمولاً به حباب يا «پياز تحتاني» موسوم است. در خاک ضعيف، مقداري در حدود
سنگ شکسته مي تواند کوبيده شود تا پياز تحتاني پايدار گردد. هنگامي که پياز تحتاني پايدار گرديد، بقيه ي شافت پُر مي شود. ابزار سنبه کوب لايه هاي نازک سنگ شکسته را به اطراف شافت حفر شده کوبيده و به طور شعاعي در خاک مجاور جاي مي دهد. تأثير خالص اين کار، افزايش در مقاومت و سختي توده ي خاک تا فاصله اي معادل قطر RAP از کناره ي خاک است (Pit et al. 2003).
در مقايسه با ستون هاي خاک - سيمان يا پايه هاي بتني، اجراي RAP خاک ته شافت را متراکم نموده و نيز خاک اطراف را به طور شعاعي به سمت بيرون شافت فشرده مي سازد. از اين رو RAP نه تنها عضوي سازه اي در داخل خاک ضعيف ايجاد مي کند، بلکه خاک مجاور را نيز اصلاح مي نمايد. اين روند باعث ايجاد ظرفيت باربري اتکايي بالاتر و نيز اصطکاک محوري بيش تر در اطراف هر پايه ي RAP خواهد شد.
در اين جا مي توان بين عملکرد ميلگرد ساده (صاف) و ميلگرد آجدار در بتن مسلح مقايسه اي انجام داد. ميلگرد ساده داراي چسبندگي خوب و قدري اصطکاک در بتن است، در حالي که ميلگرد آجدار داراي چسبندگي خوب و اصطکاک خيلي بيش تري در بتن است. يک پايه ي RAP شبيه ميلگرد تسليح کننده آجدار در خاک بهبود يافته عمل مي کند.

جدول 1: مدول سختي RAP و ظرفيت باربري مرکب مجاز براي تخمين هاي طراحي اوليه

1- براي اجزا RAP حامي شالوده هاي منفرد با حداقل نسبت سطح 30 درصد (1988 Fox & Cowell).

طراحي پي متعارف
 

طراحي پي هاي متعارف متکي بر خاک يا خاکريز بهبود يافته اي RAP، نسبت به طراحي پي هاي واقع بر خاک مرغوب نهشته ي طبيعي يا خاکريز مهندسي هيچ تفاوتي ندارد. لازم است مهندس سازه شناخت کافي در رابطه با رفتار خاک بهبود يافته ي RAP داشته و طراحي را براي فشار باربري مناسب پي انجام دهد.
در عمل، هر RAP طوري طراحي مي شود تا به صورت يک پايه ي سخت در توده ي خاک مسلح عمل نموده و اکثر بار اعمالي شالوده و / يا بارهاي دال کف را جذب کند در حالي که خاک بين اين اجزا تنها بخشي از بار اعمالي را تحمل مي نمايد. متداول ترين شرايطي که حاکم بر طراحي شالوده ي RAP است حمل بار شالوده مستقيماً به اجزا RAP و يا شالوده هاي متکي بر خاکريز مهندسي واقع بر اجزا RAP را شامل مي گردد، شکل 3 را ملاحظه نماييد.
جايي که پي ها در تماس با اجزا RAP هستند، شالوده به نحوي طراحي مي شود که مستقيماً به RAP و خاک اصلاح شده مرتبط شود. از اين رو، يک ظرفيت باربري بالا، نوعاً دو تا چهار برابر فشار مجاز خاک اصلاح نشده (Hall et al. 2002)، براي تعيين اندازه ي شالوده مورد استفاده قرار مي گيرد. ابعاد شالوده بر مبناي ترکيب بارهاي آيين نامه اي تعيين گرديده و به طراح / سازنده ي RAP ابلاغ مي گردد. آن گاه بر اساس اين طرح ريزي، مهندس سازه ضخامت و فولاد لازم را بر اساس اصول متعارف طراحي سازه هاي بتن آرمه تعيين مي نمايد. در مواردي که شالوده ها در تماس مستقيم با اجزا RAP نيستند، ابعاد آن ها بر اساس فشار باربري مجاز خاکريز مهندسي تعيين مي گردد. طراحي شالوده هاي متکي بر RAP در دو دسته ي مجزا قرار مي گيرد:
1) شالوده هاي با بارگذاري سنگين بر اجزايي با فواصل کم تر از سه برابر قطر RAP قرار مي گيرند و به صورت شالوده هاي منفرد يا دال هاي کوچک بين قاب ها و ديوارهاي برشي طراحي مي شوند. ابعاد کف (پلن) اين شالوده ها مي بايست پوشش کامل اجزا RAP را ايجاد نموده و داراي نسبت تعويض سطح RAP حداقل 30 درصد باشد.
2) شالوده هاي پيوسته (نواري) متکي بر اجزا RAP در فواصلي بيش از 3 برابر قطر قرار مي گيرند و ممکن است لازم باشد به طور سازه اي بين اجزا RAP پل بزنند. بدين لحاظ براي شرايط خاک ضعيف، شالوده پيوسته مي تواند با به کارگيري سختي فلزي اجزا RAP و خاک اصلاح نشده، به صورت تير بر بستر کشسان طراحي گردد.
خواص اساسي مورد نياز براي طراحي شالوده ي متعارف شامل مدول سختي RAP يعني (kg) و فشار باربري مرکب مجاز (qc) هستند. اين خواص اصولاً از آزمايش نفوذ استاندارد (Nspt) و خواص مقاومت برشي زهکشي نشده (su) خاک اصلاح نشده به دست مي آيند و به خوبي در متون تخصصي شرح داده شده اند (Lawton 1994, Fox & Cowell 1998, Wissmann 1999, Minks 2001, Majchrzak et al. 2004) همان طور که بعداً بحث شده است، اين مقادير با آزمايش هاي مدول بار تمام مقياس در محوطه هر پروژه تأييد مي شوند. مقادير طراحي اوليه براي kg و qc در جدول 1 ارائه شده اند.

ظرفيت هاي نهايي
 

بسته به دانسيته و مقاومت خاک اصلاح نشده يا خاکريز، ظرفيت باربري نهايي قائم به پايه ي RAP مي تواند در دامنه ي 435 تا kN 1305 باشد. با افزودن يک مهار سازه اي فولادي طراحي شده ي خاص، RAP مي تواند در برابر برکنش ايجاد شده توسط زلزله و باد نيز مقاومت نمايد. (Lawton 2000, Caskey 2001, Wissmann et al. 2001) پايه ي برکنشي rap مي تواند به نحوي طراحي شود تا در برابر نيروي برکنش تا kN 870 مقاومت نمايد. در عمل، معمولاً ظرفيت هاي برکنش نهايي 435 تا kN 650 مشخص مي شوند.
از آن جا که RAP متشکل از سنگ شکسته ي بسيار متراکم است لذا مقاومت لغزشي بالايي در برابر بارهاي جانبي ارائه مي دهد. در نتيجه، شالوده هاي متکي بر اجزا RAP داراي مقاومت بالاتري در برابر نيروهاي لغزشي جانبي هستند (Lawton 2000, Wissmann et al 2001) توده ي خاک RAP ضرايب اصطکاک نهايي بين 8/0 تا 1/1 به دست مي دهد، که به کل کف شالوده اعمال مي گردد. براي تعيين مقادير مجاز طراحي، ضرايب ايمني مناسب اعمال مي شود.

نشست
 

نشست شالوده ي متکي بر RAP با مدل نمودن آن به صورت صفحه ي صلب متکي بر سيستمي از فنرهاي سخت RAP و فنرهاي نرم خاک برآورد مي گردد، و فرض مي شود که اجزاي سخت RAP و خاک نرم به طور يکنواخت نشست مي نمايند (Handy 2001)، شکل 4 را ملاحظه نماييد. براي جابه جايي يکسان، سر پايه ي RAP داراي تنش هاي متمرکزي متناسب با نسبت سختي RAP به خاک طبيعي (اصلاح نشده) است. در عمل، نسبت هاي سختي RAP به خاک طبيعي در محدوده ي 10 تا 50 است.
نشست کل شالوده از طريق افزودن نشست بخش بالايي به نشست بخش پاييني محاسبه مي گردد، شکل 5 را ملاحظه نماييد. نشست بخش بالايي توسط تقسيم تنش RAP بر سختي آن به دست مي آيد. نشست بخش پاييني با به کارگيري مکانيک خاک کلاسيک محاسبه مي گردد. شرحي از محاسبات طراحي RAP را مي توان در مراجع مجکرزاک و همکاران (Majchrzak et al 2004) و نيز پيت و همکاران (pitt et al 2003) پيدا نمود.

تکيه گاه دال کف
 

تکيه گاه دال کف نيز از موارد مهم و مفيد کاربرد اجراي RAP است که در محوطه هاي خاک ضعيف مورد استفاده قرار مي گيرد. دال کف انبار کالا يا مرکز توليد يا بارهاي سطحي 7kPa يا بالاتر تا kPa 5/37 مي تواند طراحي گردد تا روي اجزاي RAP در گِل هاي نرم ساحلي يا خاکريز ضعيف کنترل نشده در دهنه 3 تا 5 متر پل بزند. اين طرح در مقايسه با شمع پرهزينه و دال سازه اي متکي بر تيز ترازبندي بسيار مناسب تر و اقتصادي تر است. شکل 6 را ملاحظه نمائيد. دال متکي بر RAP يا به صورت دال روي تراز زمين و يا دال سازه اي دسته بندي مي شود و اين به ضخامت خاکريز بين دال و اجزاي RAP بستگي دارد. طراحي دال سازه اي (تسليح کننده ي «فعال») هنگامي مورد نياز است که اين دال مي بايست فاصله ي خالي بين اجزاي RAP را پل بزند. بحثي راجع به اين مورد را مي توان در مرجع مينکس و همکاران پيدا نمود (Minks et al 2003).

شکل 6: شرايط حاکم بر دال هاي متکي بر RAP
 

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