عملکرد
 

اجراي RAP اطمينان افزاينده اي در مهندسان نسبت به عملکرد سيستم پي، تحت هر دو شرايط بارهاي استاتيکي و بارهاي ديناميکي، فراهم مي آورد. سختي به خوبي مشخص ساخت RAP و عملکرد نشست از دلايل عمده ي اين اعتماد رو به رشد هستند.
سختي به خوبي معين ساخت RAP توسط موارد زير اثبات شده است:
1- آزمايش هاي بارگذاري تمام مقياس در کارگاه.
2- نظم و سادگي ساخت. هر سطل سنگ RAP حجمي معادل دو بالاروي 30 سانتي متراکم شده را دربر مي گيرد، که لايه هاي متراکم شده ي نازک براي هر پايه ي نصب شده را تضمين مي نمايد.
3- گمانه زني حجيم در هر پايه ي RAP براي مهندس ژئوتکنيک مسجل مي سازد که محوطه ي ساخت و ساز توسط گمانه هاي شناسايي خاک به خوبي معرفي شده است.

سختي معين
 

در حين اجراي RAP در لايه هاي خاک متوسط تا سفت، کوبه ي هيدروليکي سنگ شکسته را با تغيير شکل جانبي متوسطي در داخل خاک جاي خواهد داد، و در لايه هاي خاک نرم و ضعيف، سنگ شکسته با تغيير شکل جانبي زيادي در داخل خاک جاي خواهد گرفت، و اين منجر به افزايش اصلاح خاک در جاي مورد نياز خواهد شد. در نتيجه، لايه هاي خاک نرم و ضعيف ناشناخته توسط حجم هاي سنگ بالاتر (خورند سنگ بيش تر) بهبود مي يابد. اين بهبود از طريق نتايج چندين آزمايش بار مدول در نواحي خاک نرم ثابت شده است.
آزمايش هاي بار مدول تمام مقياس سختي فنري اتکايي (مدول سختي، kg) اجزاي RAP را اندازه گيري مي کنند. آزمايش مدول RAP به طور کلي طبق استاندارد آزمايش بارگذاري شمع (ASTM D 1143) با اصلاحاتي ويژه ي اجراي RAP انجام مي شود. از آن جا که پارامترهاي طراحي بر مبناي داده هاي آزمايش بار تمام مقياس هستند، رفتار RAP به خوبي شناخته شده است، و اين داده ها مي تواند براي طراحي آيين نامه اي متعارف يا طراحي مبتني بر عملکرد مورد استفاده قرار گيرد.
پايه ي فشاري تا 120 درصد تنش بيشينه ي سر پايه ي RAP بارگذاري مي شود تا مدول سختي اندازه گيري شود و آن گاه تا 200 درصد بارگذاري مي گردد تا ظرفيت باربري نهايي کاذب به دست آيد (شکست در منحني بار - تغيير شکل) مجموعه ي ابزار آزمايش را در شکل 7 ملاحظه نمائيد. اگرچه هدف از آزمايش مدول، تأييد مدول سختي مورد استفاده در محاسبات طراحي است، در عين حال اين آزمايش ها مي توانند بينش مفيدي نيز در رابطه با چگونگي رفتار RAP در خاک هاي مختلف به دست دهند. در حين آزمايش بارگذاي، سازوکار گسيختگي RAP مي تواند از طريق شاخص هاي نصب شده در ته و وسط پايه ي RAP شناسايي شود. همان طور که در شکل 8 نشان داده شده است، ميله ي شاخص تنها اندکي جابه جا شده است در حالي که تغيير شکل هاي سر پايه ي RAP در تنش بيش از MPa 175 (ksf 25) افزايش يافته اند. اين رفتار دلالت بر آن دارد که در تنش هاي بالاتر RAP به جاي فرو رفتن اندکي به سمت بيرون متورم مي گردد (Majchrzak et al 2004). تحدب جانبي رفتار ارجح و «حالت حدي» مناسبي براي RAP است.

عملکرد برکنش
 

پايه ي برکنشي RAP تقريباً يکسان با پايه ي باربر فشاري تنها اجرا مي گردد با اين تفاوت که در حين اجراي پايه ي با قابليت حمل برکنش، يک مهار صفحه ي پايه در پياز تحتاني قرار داده مي شود. اين مهار سازه اي فولادي متشکل از چهار ميلگرد تمام آجدار برجسته شماره ي 7#، (MPa 517) هر يک با مقاومت نهايي کمينه ي kips 60 (kN 260) مي باشد، خواص سازه اي اين ميلگرد را در شکل 9 ملاحظه نماييد.

شکل 7: عکس مجموعه ابزار آزمايش مدول RAP
 

شکل 8: نمودار نتايج آزمايش مدول، محوطه ي کارگاهي دوبلين
 

شکل 9: خواص ميلگرد تمام آجدار برجسته
 

شکل 10: نمونه پايه ي برکنشي RAP
 

ته کليه ي اين ميلگردها به يک صفحه ي فولادي A36 گالوانيزه شده ( با غوطه وري داغ) به ضخامت يک اينچ پيچ مي گردد. اين مجموعه توسط پوشش افشان هاي پلي يوريثان (Polyurethane) در اتصالات پيچ شده و روي تمام صفحه پايه محافظت مي شود، شکل 10 را ملاحظه نماييد. سر کليه ي ميلگردها صفحات باربر مربعي 4 اينچي قرار مي گيرد، که مهاربندي لازم در شالوده را فراهم مي آورند. براي منظور نمودن قابليت اعتماد دراز مدت، ميلگردها بيش از اندازه بوده و به روش غوطه وري داغ گالوانيزه شده و آن گاه توسط پلي اتيلن فشرده به ضخامت 25mm محافظت مي شوند، پوشش پلي اتيلن توسط بتونه قيري انعطاف پذيري محکم به ميلگرد چسبانده شده است. شکل 10 را ملاحظه نماييد. اين کار به طور موثري انتقال رطوبت و اکسيژن به فولاد که لوازم خوردگي هستند را حذف مي نمايد.
نتايج آزمايش برکنش در شکل 11، تکرارپذيري در سختي پايه ي برکنشي RAP درخاک نرم بعد از دو نوبت اعمال بار دوره اي چند گانه را نشان مي دهد. اين آزمايش بر مبناي ASTM D389 روش آزمايش بار برکنش سريع شمع، در محوطه پروژه اي در ساکرامنتو (Sacramento) انجام شده است. شرايط خاک در اين ناحيه لاي ماسه دار سست و رس لاي دار نرم بوده و تا عمق 5/5 متري قرار دارد. مقادير Nحاصل از آزمايش SPT در خاک لاي ماسه دار و رس لاي دار بين 2 تا 5 ضربه قرار دارند.
براي اين آزمايش خاص، پايه ي برکنشي گسيخته نشد. اما به طور کلي رفتار پايه برکنشي RAP مشابه رفتار پايه بتني رنگي شکل است، از اين حيث که تحت برکنش با رسيدن ظرفيت باربري پايه ي به حد نهايي، تدريجاً شروع به بالا آوردن توده ي بزرگي از خاک در سطح زمين مي نمايد(Lawton 2000). توجه نماييد که تقريباً 50 درصد تغيير شکل کشسان اوليه مربوط به کشيدگي فولاد بوده که به خوبي در محدوده کشساني بيان شده مي باشد. اين پايه ي برکنشي بعد از اعمال دوره هاي تنش چندگانه، سختي خطي را حفظ مي نمايد.

کنترل نشست
 

در رابطه با طراحي شالوده، به نظر مي رسد مهندسان سازه با فشارهاي باربري (مقاومت) آشنايي بيش تري داشته، و با مدول بستر (سختي) کم تر آشنا هستند. گاهي مهندس سازه با اين مساله مواجه است که با استفاده از فشارهاي باربري متوسط براي طراحي، گزينه نياز به بهبود زمين تکيه گاه پي را دنبال کند يا در عوض با انتخاب فشار باربري کم تر، شالوده هاي بزرگ يا سيستم پي عميق با دال سازه اي را به کار گيرد. صرفه نظر از رويکرد انتخابي، سازه هاي فوقاني مي بايست از جنبه هاي نشست هاي کل و نشست هاي تفاضلي بين ستون هاي مجاور محافظت گردد.
طراحي و اجراي RAP منجر به کاهش در هر دو نشست کل و نشست تفاضلي مي گردد (Majchrzak et al 2004). در اين جا اين سوال مطرح مي شود که کنترل نشست تفاضلي تا چه اندازه مهم است؟ يک قاب خمشي دو دهانه ي بتني را در نظر بگيريد که ستون مياني آن داراي جا به جايي تفاضلي 75/. اينچ باشد. براي طول دهانه و ابعاد متعارف، اين نشست به تنهايي مي تواند لنگري معادل 40 درصد لنگر تسليم را در تيرها ايجاد نمايد.
براي ارائه ي تصوير درازمدتي از کنترل نشست RAP، دو سازه ي 6 طبقه، يکي در ساکرامنتو (Sacramento) و ديگري در دوبلين (Dublin)، به لحاظ نشست مورد پايش قرار گرفته و در مرجع ماجکرزاک و همکاران (Majchrzak et al 2004) به تفصيل مورد بحث قرار گرفته اند. اين مطالعات موردي کنترل نشست يکنواخت خوبي در نواحي با خاک رس نرم تا سفت، امتداد يافته تا عمق 9 متري، را نشان مي دهند. در هر دو پروژه، پي هاي RAP با عمق متوسط 7/6 تا 9 متري جايگزين شمع هاي کوبشي 23 و 20 متري گرديدند.
در ساکرامنتو موقعيت 12 ستون با بار مرده وزني به اضافه بارهاي زنده در دامنه ي 138 تا kips 835 و دو ديوار برشي بار مرده وزني به اضافه بارهاي زنده در دامنه ي 1200 تا kips 1800 در هر سمت، مورد زمان در شکل 12 رسم شده اند. نتايج دلالت بر آن دارند که نشست هاي پي در دامنه 0/3 تا 0/8 اينچ قرار داشتند که هم مقدار بيشينه و هم متوسط اين مقادير کوچک تر از برآوردهاي طراحي هستند (Majchrzak et al 2004).
در پروژه دوبلين، چندين مکان از جمله ستون هاي وزني با بارهاي مرده و زنده در دامنه kips 3000 تا kips600 و دال هاي قاب خمشي با مجموع بار مرده و زنده 1500 kips تا 2300kips مورد اندازه گيري قرار گرفتند. نتايج قرائت هاي نشست شالوده برا ي محوطه دوبلين در برابر زمان در شکل 12 رسم گرديده اند. نشست هاي واقعي ثبت شده در دامنه 0/3 تا 0/7 اينچ قرار داشتند که هم مقدار بيشينه و هم مقدار متوسط کوچک تر از برآوردهاي طراحي هستند.

قابليت اجرا
 

عملکرد تکرارپذير ارائه شده توسط اجراي RAP نتيجه ي مستقيم فن آوري هاي ساده ي نصب و کنترل کيفيت آن ها مي باشد. استفاده از سنگ شکسته معمولي موجود در معادن سنگ محلي به حفظ کيفيت اجراي RAP اجرا شده کمک مي نمايد. همچنين استفاده از مهارهاي فولادي سازه اي با طراحي ويژه، عملکرد تکرارپذير اجزاي برکنشي RAP را نيز تضمين مي نمايد.
از منظر پيمانکار، ساخت پي هاي سطحي متعارف بر روي خاک بهبود يافته بسيار ساده از اجراي کلاهک هاي شمع يا کلاهک هاي پايه و تيرهاي ترازبندي است. در برخي موارد که جايگزين خاکبرداري حجيم با خاکريز مهندسي توصيه شده است ولي ته گود برداري پايين تر يا نزديک به سفره ي آب زيرزميني است، استفاده از RAP مي تواند نياز به سيستم پيچيده بي آب سازي گود را مرتفع سازد.
به خاطر بهبود ايجاد شده در خاک هاي اصلاح نيافته يا خاکريزهاي کنترل نشده ي مجاور، اجزاي RAP هميشه نيازي به ادامه تا لايه ي خاک محکم عميق ندارند، که اين ويژگي مشکلات اجرا را کاهش مي دهد. همچنين اين جنبه، سيستم RAP را براي اکثر شرايط خاک نرم و ضعيف قابل کاربرد مي سازد. سرعت ساخت براي سيستم اجزاي RAP حدود 40 تا 60 پايه در روز است. اين سرعت اجراي RAP، به پيمانکاران اجازه مي دهد تا خاکبرداري شالوده را زودتر شروع نموده، بناي سازه ي فوقاني را زودتر از پروژه ي پي عميق به سمت بالاي تراز زمين گسترش دهند.

از ديدگاه کنترل کيفيت، شبيه هر سيستم پي ديگري، اجراي RAP توسط مهندس ژئوتکنيک تحت نظارت و آزمايش قرار مي گيرد. علاوه بر انجام آزمايش هاي بارگذاري مدول، نفوذ مخروط ديناميکي روزانه و پايدارسازي تحتاني، نماينده ي کارگاهي مهندس ژئوتکنيک عمق هاي حفاري، متوسط زمان سنبه کوبي هر لايه، انواع سنگدانه ها در هر لايه، ضخامت متوسط لايه، و شرايط غيرمعمول پيش آمده در شافت هاي حفاري شده را نيز ثبت مي نمايد. کنترل کيفيت RAP مشابه کنترل کيفيت پايه ي بتني است، با اين تفاوت که اجراي RAP، انجام يک آزمايش بارگذاري تمام مقياس در هر کار را دربر مي گيرد. بحث مشروحي از آزمايش کنترل کيفيت براي اجراي پايه ي سنگ دانه اي سنبه کوب شده را مي توان در گزارش ICBOES ملاحظه نمود (2002).
به خاطر اندازه ي نسبي ابزار اجراي RAP، محدوديت هاي بالاسري به ندرت پيش مي آيد. همچنين محوطه هاي فشرده ي شهري در نواحي مسکوني توجه خود را به اين روش فني معطوف کرده اند زيرا اجراي RAP سرو صداي کمي ايجاد مي نمايد. برخلاف ارتعاشات پيوسته ي ناشي از کوبش شمع هاي بتني، ارتعاشات ناشي از اجراي RAP در فاصله ي 3 متري از کوبه، کم تر از 2/0 اينچ در ثانيه هستند. براي محوطه هاي شهري خط صفر زمين، اجزاي RAP مي توانند در فاصله 5/5 متري از ساختمان موجود اجرا شوند، که اين ويژگي نياز به شمع زني را مرتفع مي سازد.
تنها محدوديت اجراي RAP عمق آن است. به همين دليل اجراي RAP به عنوان «سيستم پي متوسط» نام گرفته است. رس هاي نرم تحکيم عادي يافته يا خاک هاي با قابليت روانگرايي که تا بيش از عمق 10 متري گسترش يافته اند، به واسطه ي محدوديت هاي ابزاري نمي توانند با اين روش اصلاح شوند. در حالي که عميق ترين اجزاي RAP اجرا شده در حدود 11 متري زير سطح زمين هستند، 90 درصد اجزاي RAP داراي عمق کم تر از 6 متر هستند. به علاوه، براي شرايط خاک حفره دار و نيز ماسه اي سست، گاهي از غلاف موقت (CASING) استفاده مي گردد.
 

ساخت و ساز سبز
 

اجزاي RAP را مي توان با افزودن يا جايگزيني با بتن بازيافتي و سنگ دانه ي بازيافتي ارتقا بخشيد. در سال 2003، شرکت ساختماني DPR دفتر منطقه اي خود در ساکرامنتو را کامل نمود و به علت استفاده از مصالح بازيافتي محلي در اجراي پي RAP جايزه ي مدال نقره را از شوراي ساختمان سبز آمريکا (USGBC 2004) دريافت نمود. اين اولين پروژه ي خصوصي در درّه ي مرکزي (Central Valley) بود که توانست چنين افتخاري را کسب نمايد. در واقع سيستم پي RAP به عنوان پي با مشخصه هاي ساختماني سبز يا دوستدار محيط زيست شناخته شده است.

جنبه هاي اقتصادي
 

در حالي که هر سيستم ساختماني اصولاً توسط عملکرد و قابليت اجرايي آن مورد داوري قرار مي گيرد، اين سيستم به کار گرفته نخواهد شد مگر آن که نفع اقتصادي نيز براي مالک فراهم نمايد. سيستم پي RAP در بيش از 10000 پروژه ي دولتي و خصوصي در آمريکا به کار برده شده است که بيش از 75 درصد آن ها در کاليفرنيا بوده است. چون بسياري از پروژه هاي دولتي هزينه هاي پيشنهادي براي مناقصه هاي پايه و گزينه هاي مناقصه را منتشر کرده اند، لذا مي توانند نمونه هايي از اين که چه مقدار صرفه جويي با اجراي پي هاي سطحي متعارف متکي بر RAP محقق شده است را فراهم نمايند.
سه پروژه ي مختلف اجرا شده در دانشگاه کاليفرنيا در داويس (UCD) را در نظر بگيريد: 1) براي سازه ي پارکينگ ورودي غربي، پايه هاي سنگدانه کوبيده شده گزينه ي پيشنهادي در برابر پايه هاي بتني زنگي شکل بود. طبق اسناد دولتي، صرفه جويي گزارش شده براي اجراي RAP نسبت به پايه هاي بتني زنگي شکل 950000 دلار بود. 2) در ساختمان دانشکده ي علوم رياضي، اجراي RAP با صرفه جويي گزارش شده 145000 دلار در برابر پايه هاي بتني مستقيم رقابت نمود. 3) در مرکز فعاليت هاي تفريحي، شرکت مک کارثي (McCarthy) با به کارگيري اجزاي RAP به جاي پيشنهاد خاکبرداري حجيم 3 متري و جايگزيني آن با خاکريز مهندسي، يک صرفه جويي 300000 دلاري را گزارش نمودند.

 

نتيجه گيري ها
 

اجراي RAP يک شيوه ي بهبود زمين براي اتکاي پي هاي سطحي متعارف است که در ميان جوامع مهندسي ژئوتکنيک و سازه به خوبي مورد پذيرش قرار گرفته است. همان طور که در اين مقاله نشان داده شد، با وجود RAP براي حمل ايمن بارهاي دال کف و پي به رس نرم، ماسه و لاي سست، خاکريزهاي بدون نظارت و به طور کلي محوطه هاي خاک ضعيف و سست، مهندسين گزينه ي مطمئن ديگري در اختيار دارند. با شالوده هاي متکي بر RAP، مهندسان مي توانند از سادگي طراحي، مشخصه هاي عملکرد دراز مدت خوب، اجراپذيري اثبات شده، و قابليت رقابت اقتصادي اطمينان پيدا نمايند.
اجراي RAP در آمريکا و به ويژه در کاليفرنيا به طور موفقي در حال گسترش به پروژه هاي بخش دولتي و خصوصي مي باشد. مطالعات موردي پيش گفته نشان مي دهند که استفاده از تسليح خاک RAP به عنوان بستر اتکاي شالوده هاي با ظرفيت باربري بالا در چارچوب استانداردهاي اجرايي يکسان با سيستم هاي پي عميق و سطحي متعارف، منجر به صرفه جويي در هزينه ها مي گردد. در نهايت توصيه مي گردد اين تجربه ي موفق در بهبود خواص مهندسي زمين براي مقاصد پي سازي در ايران نيز مورد توجه و استفاده قرار گيرد.
تشکر و قدرداني: بر خورد لازم مي دانم از آقاي مهندس نعيمي فر براي همکاري در جست و جوي منابع و تهيه ي پيش نويس پيشينه ي موضوع قدرداني نمايم.

پي‌نوشت‌ها:
 

2- Farrell Design-Build Companies, Inc. (January 1999). Block 224 Parking Garage Geopier Design and Constraction Recommendations. Acramento, CA.
3- Farrell lDesign-Build Companies, Inc. (June 2000). Corporate Headquarters Geopier Design-BuildSubmittal. Dublin. CA.
4- Farrell T. et al. "Rammed Aggregate Pier Design and Construction in California-Performance. Constructability, and Economics" SEACO 2004 CONVENTION PROCEEDINGS, pp. 147-154.
5- Fox, N.S. and Cowell, M.J. (1998). Geopier Foundation and Soil Reinforcement Manual. Geopier Foundation Company, Inc., Scottsdale, Arizona.
6- Hall, K.M., Wissmann, K.J., Caskey, J.M., and FitzPatrick, B.T. (2002). "Soil reinforcement used to arrest bearing capacity failure at a steel mill." Proceedings, 4th International Conference on Ground Improvement. Kuala Lumpur, Malaysia, 26-28 March.
7- Handy, R.L. (2001). "Does Lateral Stress Really Influence Settlement." ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Vol. 127, No.7.
8- Handy R.L. and White D.J. "Stress Zone Near Displacement Piers: I. Plastic and Liquefied Behavior" J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.132, No.1,2006pp.54-62.
9- Handy R.L. & White D.J., "Stress Zone Near Displacement Piers: IIRadial Cracking and Wedging." J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 132, No.1, 2006, pp.63-71.
10- ICBOES Report ER-5916 (Reissued September 1, 2002) ICBO Evaluation Service, Inc. 5360 Workman Mill Road, Whittier, California 90601. www.icboes. Org.
11- Lawton, E.C., and Fox, N.S. (1994). "Settlement of structures supported on marginal or inadequate soils stiffened with short aggregate piers." Vertical and Horizontal Deformations of Foundations and Embankments, A.T. Yeung and G.Y. Fello (Editors), American Society of Civil Engineers, 2, 962-74.
12- Lawton, E.C., Fox, N.S. Fox, and Handy, R.L. (1994). "Control of settlement and uplift of structures using short aggregate piers. "In-Situ Georgia. 121-132.
13- Lawton, E.C. (2000). "Performance of Geopier Foundations During Simulated Seismic Tests at South Temple Bridge on Interstate 15. Salt Lake City, Utah. "Final Reort, No. UUCVEEN 00-03, University of Utah. Salt Lake City Utah.
14- Lillis C. etal. 2004."Compression and Uplift of Rammed Aggregate Piers in Clay." GeoSupport Conference, January 29-31.
15- Majchrzak, M., Lew, M., Sorensen, K., and Farrell, T. (2004). "Settlement of Shallow Foundations Constructed lOver Reinforced Soil: Design Estimates vs. Measurements."Proceedings, Fifth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, April 13-17, 2004, New York, NY.
16- Minks, A.G., Wissmann, K.J., Caskey, J.M., and Pando, M.A. (2001). "Distribution of Stresses and Settlements Below Floor Slabs Supported by Rammed Aggregate Pirs." Proceedings, 54th Canadian Geotechnical Conference. Calgary, Alberta. September 16-19.
17- Pham T.V. and. White D.J. "Support Mechanisms of Rammed Aggregate Piers. I: Experimental Results", J. Geotechnical and Geoenviromental Engineering, Vol.133, No. 12, 2007, pp.1512-1521.
18- Pham T. V. and. White D. J. “Sopport Mechanisms of Rammed Aggregate Piers. I: Experimental Results” ,J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.133,No.12,2007,pp.1503-1511.
19- Pitt, J.M, White, D,.J., Gaul, A., Hoevelkamp, K. (2003). Highway Applications For Rammed Aggregate Piers In lowa Soils. Lowa DOT Project TR - 443.
20- Shields C.S. et al. 2004. "Modulus Load Test Results for Rammed Aggregate Piers in Granular Soils." GeoSupport Conference, January 29-31.
21- USGBC (2004) DPR-ABD Office Building, LEED#0480.LEED Version 2 Certification Level: Silver.
http://www.usgbc.org/Docs/Certified Projects / Cert¬_Reg IIS. pdf.
22- White D.L. et al. 2001. "Lateral Earth Pressure lInduced by Rammed Aggregate Piers." Proceedings, 53rd Annual Canadian Geotechnical Conference, Montreal, Canada.
23- Wissmann, K.L. (1999). "Technical Bulletin No. 2_Bearing Capacity of Geopier – Supported lFoundation Systems." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.
24- Wissmann, K.L., and Fitzpatrick, B.T., and lLawton, E.C. (2001). "Technical Bulletin NO. 3- Geopier Uplift Resistance." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.
25- Wissmann, K.L., and Fitzpatrick, B.T., and Lawton, E.C. (2001). "Technical Bulletin No. 4- Geopier Lateral Resistance." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.
 

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