بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
افزايش ظرفيت باربري شمع هاي کوبشي در خاک هاي رسي با گذشت زمان
خلاصه
افزايش ظرفيت باربري محوري شمع با گذشت زمان را Set Up مي گوييم . علاوه بر محو فشار آب حفره اي اضافي، عوامل ديگري همچون سالخوردگي خاک و خزش نيز از عوامل Set Up ، مي باشند. اين پديده مي تواند منجر به افزايش بسيار چشم گير ظرفيت باربري شمع شود. در اين تحقيق ، پس از معرفي Set Up و عوامل تاثير گذار بر آن ، با تحليل نتايج آزمايشات بارگذاري شمع هاي کوبيده شده در خاک هاي رسي ، نقاط ضعف روابط تجربي موجود براي تخمين Set Up معرفي شده و راهکارهايي به منظور اصلاح اين ضعف ها، ارائه شده است .
کلمات کليدي: Pile Set Up، شمع ، ظرفيت باربري محوري، افزايش زمان مند، خاک رسي
١. مقدمه :
آزمايشات آزمايشگاهي و صحرايي، نشان مي دهند که خاک، رفتاري زمان مند از خود نشان مي دهد. بر اثر برخي پروسه هاي زمان مند همچون سالخوردگي، مقاومت برشي و سختي خاک با گذشت زمان افزايش مي يابد[١و٢]. هنگامي که شمع در خاک نفوذ مي کند، خاک، عمدتاً به طور شعاعي در اطراف بدنه ي شمع ، جابه جا مي شود؛ البته ممکن است جابه جايي قائم نيز در اطراف بدنه ي شمع ، به وجود آيد. Randolph(1979)، شعاع تاثير کوبش شمع در خاک هاي رسي را تا حدود ٢٠ برابر شعاع شمع ، مي داند. هنگامي که خاک اطراف شمع ، دچار جابه جايي و دست خوردگي مي شود، فشار آب حفره اي اضافي به وجود مي آيد و تنش موثر در آن محدوده ، کاهش مي يابد. ميزان افزايش فشار آب حفره اي، در اعماق مختلف ، يکسان است [ ٣] و در فاصله اي برابر قطر از شمع ، مي تواند از تنش سربار موجود نيز بيشتر شود [٤]. با گذشت زمان ، فشار آب حفره اي اضافي پديد آمده ، کاهش مي يايد. ميزان اين کاهش ، در هر نقطه با توان دوم فاصله ي آن نقطه از شمع ، رابطه ي عکس دارد [٥ ]. زمان لازم براي محو فشار آب حفره اي اضافي به وجود آمده ، با اندازه ي بعد افقي شمع ، متناسب است [٣]. با گذشت زمان و با محو فشار آب حفره اي اضافي، تنش موثر زياد شده و در نتيجه ، ظرفيت باربري محوري شمع نيز افزايش مي يابد. افزايش ظرفيت باربري محوري شمع با گذشت زمان را Set Up مي گوييم . نتايج آزمايشات و مطالعات انجام شده ، نشان مي دهد به طور کلي اين پديده به دو دليل رخ مي دهد:
١- افزايش مقاومت برشي خاک
٢- افزايش تنش مؤثر افقي وارد برشمع
تحقيقات انجام شده ، نشان مي دهد که بخش عمده ي Set Up تنها در بدنه ي شمع ، رخ مي دهد [٦و٧ ]. همچنين ديده شده است که هر چه قطر شمع ، بيشتر باشد، Set Up ديرتر رخ مي دهد[ ٨].
ظرفيت باربري شمع در خاک هاي ريزدانه ، ممکن است حتي تا ١٢ برابر ظرفيت باربري در پايان کوبش اوليه نيز، افزايش يابد[ ٩]. آهنگ و ميزان Set Up ، به ترکيبي از چند عامل ، بستگي دارد که ميزان تاثير هر يک از آن ها، هنوز به طور دقيق ، شناخته نشده است . آنچه مشخص است ، افزايش ظرفيت باربري شمع با گذشت زمان ، ارتباط تناتنگي با افزايش زمان مند خصوصيات مقاومتي خاک دارد. هم چنان ، باور عمومي اغلب مهندسان ژئوتکنيک آن است که SET UP ، به طور عمده ، در نتيجه ي محو فشار آب حفره اي اضافي پديد مي آيد. با اين وجود، بسياري از بررسي هاي انجام شده در سال هاي اخير، نشان مي دهد که محو فشار آب حفره اي اضافي، نمي تواند سبب افزايش قابل توجه ظرفيت باربري شمع در زمان هاي طولاني چند ماهه و حتي چند ساله در اين خاک ها شود در تحقيقات بسياري، سالخوردگي خاک (Soil Ageing) نيز به عنوان يکي از عوامل مهم تاثير گذار بر Set Up، معرفي شده است [ ١و٦و٧و٨و١٠]. سالخوردگي خالص ، به عنوان تغيير خواص خاک، تنها به دليل گذشت زمان ، معرفي شده است [١١] ؛ بنابراين تغييرات زمان مند تنش ، جزء اين دسته ، قرار نمي گيرند. در تحقيقات انجام شده ، علاوه بر محو فشار آب حفره اي اضافي و سالخوردگي خاک، عوامل شيميايي همچون سيمانه شدن ذرات در سطح تماس ذرات ، و خوردگي شمع هاي فلزي نيز به عنوان ديگر عوامل پديد آورنده ي Set Up ذکر شده اند که البته به نظر نمي رسد که تاثير آن ها، قابل توجه باشد .
در بسياري از تحقيقات انجام شده ، نشان داده شده است که افزايش دراز مدت ظرفيت باربري شمع ، به طور عمده در طول بدنه ي شمع و بيشتر در قسمت هاي پايين بدنه ، رخ مي دهد[ ١٢ و ١٣].
در طراحي شمع ها، پيش بيني مناسب و دقيق ظرفيت باربري، از اهميت بسياري برخوردار است ، زيرا مي تواند منجر به استفاده از شمع هاي کمتر و با طول و ابعاد کمتر شود. اکثر روش هاي طراحي شمع که امروزه مورد استفاده قرار مي گيرند، افزايش ظرفيت باربري با گذشت زمان را در نظر نمي گيرند و در حقيقت ، از تمام ظرفيت باربري شمع ، استفاده نمي کنند؛ بنابراين شناخت عوامل موثر بر افزايش ظرفيت باربري شمع وچگونگي تغييرات اين پديده و به کارگيري آن ها در طراحي شمع ها، مي تواند سبب کاهش هزينه ها، به ويژه در پروژه هاي بزرگ شود. اگر شمع ها را چند ماه و يا چند سال پيش از اعمال بار نهايي در زمين بکوبيم ، مي توانيم تعداد شمع ها را کاهش دهيم و يا از شمع هاي با ابعاد کوچکتري استفاده کنيم .
٢. تغييرات تنش وارد بر شمع با گذشت زمان
در اثر کوبش شمع در مجاورت شمع کوبيده شده نيز، تنش موثر افقي وارد برشمع ، افزايش مي يابد؛ زيرا قوس خاک (Soil Arch) پديد آمده در اطراف آن ، ناپايدار بوده و با نيروي ناشي از کوبش شمع جديد، از بين مي رود. اين افزايش تنش افقي وارد بر شمع ، منجر به افزايش ظرفيت باربري شمع ، مي شود. تحليل نتايج حاصل از ثبت تنش هاي افقي وارد بر شمع در زمان هاي مختلف ، نشان دهنده ي افزايش تنش وارد بر شمع ، در نتيجه ي وادادگي تنش (Stress Relaxation) مي باشد. نتايج آزمايشات ، نشان مي دهد که آهنگ افزايش تنش افقي در هر عمق ، تقريباً متناسب با تنش عمودي موجود در آن عمق است . يکي از بهترين تحقيقات انجام شده در خصوص افزايش تنش موثر وارد بر بدنه ي شمع با گذشت زمان ، که در بر گيرنده ي اندازه گيري تنش وارد بر شمع در زمان هاي مختلف است ، توسط Ng و همکاران (١٩٨٨)، انجام شده است . نتيجه ي اين تحقيق ، نشان داده است که آهنگ افزايش تنش موثر افقي وارد بر شمع ، بلافاصله پس از پايان کوبش شمع ، بيشتر از زمان هاي بعدي بوده است و با گذشت زمان ، اين آهنگ ، کاهش يافته است . افزايش تنش موثر وارد بر شمع ، رابطه ي لگاريتمي با زمان سپري شده نسبت به پايان کوبش دارد. افزايش تنش موثر، وابسته به عمق موردنظر بوده و درتمام اعماق ، يکسان نبوده است . آزمايشات و تحليل هاي انجام شده ، نشان مي دهد که افزايش ظرفيت باربري بدنه ي شمع با گذشت زمان را نمي توان تنها به افزايش تنش افقي وارد برشمع ، نسبت داد؛ به اين دليل که افزايش ظرفيت باربري با گذشت زمان ، به طور واضح از افزايش تنش افقي وارد برشمع بيشتر است .
٣. مکانيزم set up
به طور کلي، مکانيزم Set Up را مي توان به سه فاز مختلف ، تقسيم نمود. دو فاز اول ، وابسته به تنش مؤثر مي باشند و فاز سوم ، مستقل از تنش مؤثر است [١٥].
١) مکانيزم وابسته به تنش مؤثر
١-١ ) آهنگ غيرخطي محو فشار آب حفره اي اضافي ( فاز١ ) به دليل دست خوردگي زياد خاک در اثر کوبش شمع ، آهنگ محو فشار آب حفره اي اضافي نسبت به لگاريتم زمان ، در ابتدا خطي نمي باشد و تا مدت زماني پس از پايان کوبش ، غيرخطي مي باشد. در اين مرحله ، که فاز اول Set Up مي باشد، آهنگ Set Up با آهنگ محو فشار آب حفره اي اضافي، متناسب است و اين آهنگ ، نسبت به لگاريتم زمان ، غيرخطي مي باشد. فاز اول Set Up ، معمولاً به دوره ي افزايش ظرفيت باربري در چند دقيقه پس از کوبش شمع ، اطلاق مي گردد
مدت زمان فاز اول Set Up ، به نوع خاک و شمع ، بستگي دارد؛ هرچه نفوذ پذيري خاک و شمع ، کم تر باشد و حجم خاک جابه جا شده بيشتر باشد، اين مدت زمان ، بيشتر خواهد بود. در خاک هاي چسبنده ، اين آهنگ ، مي تواند براي چند روز، غير خطي باقي بماند
١-٢) آهنگ خطي محو فشار آب حفره اي اضافي ( فاز٢
پس از گذشت مدتي از کوبش شمع ، آهنگ محو فشار آب حفره اي اضافي، نسبت به لگاريتم زمان ، خطي مي شود. در برخي از روابط تجربي موجود براي پيش بيني Set Up، زمان خطي شدن آهنگ تغييرات فشار آب حفره اي اضافي، با (t0) نشان داده مي شود. دراين مرحله نيز، تنش موثر افقي و قائم خاک، افزايش مي يابد و خاک دچار تحکيم شده و مقاومت برشي آن افزايش مي يابد
در خاک هاي چسبنده ، اين فاز، مي تواند چندين ماه و حتي چندين سال به طول بيانجامد.
٢) مکانيزم مستقل از تنش موثر
٢-١) سالخوردگي خاک ( فاز٣
از نظر تئوريک ، تحکيم اوليه ي خاک، تا مدت زمان بسيار زيادي، ادامه مي يابد، ولي عملاً، زماني فرا مي رسد که آهنگ محو فشار آب حفره اي اضافي، کند مي شود و مي توان اين زمان را زمان پايان تحکيم اوليه دانست . تحکيم ثانويه که مستقل از تنش موثر است ، پس از پايان تحکيم اوليه ، ادامه پيدا مي کند.
با توجه به اينکه آهنگ Set Up با آهنگ محو فشار آب حفره اي اضافي، متناسب است ، بنابراين با پايان تحکيم اوليه ، آهنگ Set Up کند مي شود؛ به گونه اي که مي توان گفت Set Up وابسته به تنش موثر، به پايان مي رسد. مشاهدات و آزمايشات انجام شده نشان مي دهد که Set Up ، پس از پايان تحکيم اوليه نيز ادامه مي يابد. بنابراين مطمئناً بخشي از Set Up ، به ميزان تنش موثر، وابسته نيست ؛ به اين بخش از Set Up ، سالخوردگي(Soil Ageing) مي گويند.
سالخوردگي خاک، تغييرات زمان مند خصوصيات خاک، تحت تنش موثر ثابت مي باشد و هم در خاک هاي ريزدانه و هم در خاک هاي درشت دانه ، مشاهده شده است . اثرات سالخوردگي، سبب افزايش مدول برشي خاک ، سختي و اتساع پذيري، و کاهش تراکم پذيري (Compressibility)
خاک، مي شود. اثرات سالخوردگي، سبب بهبود خواص خاک هاي داراي مواد آلي مي شوند و به طور خطي با لگاريتم زمان ، افزايش مي يابند.
لازم به ذکر است که مرز زماني مشخصي، ميان سه فاز ذکرشده وجود ندارد و به عنوان مثال ، فاز سوم مي تواند قبل از اتمام فاز دوم نيز، شروع شود.
همچنين اگر لايه هاي خاک در امتداد بدنه ، متفاوت باشند، در يک زمان مشخص ، لايه هاي مختلف ، ممکن است فازهاي مختلفي از Set Up را تجربه کنند.
٤. تاثيرنوع شمع بر ميزان Set Up
پديده ي Set Up در تمام انواع شمع ها (چوبي، فلزي، لوله اي با انتهاي باز و يا بسته ، بتني و...) گزارش شده است . با افزايش ابعاد سطح مقطع شمع ،آهنگ Set Up کم مي شود[ ١٦]. با توجه به اين که نفوذپذيري شمع هاي چوبي از ساير شمع ها بيشتر مي باشد، در اين شمع ها، زمان کمتري براي محو فشار آب حفره اي اضافي نياز است ؛ بنابراين ، احتمالاٌ در اين شمع ها Set Up با سرعت بيشتري، رخ مي دهد[ ١٧]. شمع هاي بتني، نسبت به شمع هاي فلزي، Set Up بيشتري از خود نشان مي دهند؛ که علت آن ، بيشتر بودن ضريب اصطکاک فصل مشترک شمع - خاک، در اين شمع ها نسبت به شمع هاي فلزي مي باشد
٥. روابط تجربي پيش بيني کننده ي ميزان Set Up
مشهورترين و پرکاربردترين رابطه ي موجود براي پيش بيني ميزان Set Up ، رابطه ي پيشنهاد شده توسط Skov وDenver (١٩٨٨) مي باشد.
در اين رابطه ، فرض شده که رابطه ي Set Up و لگاريتم زمان ، خطي مي باشد
که در اين رابطه ،
Qt : ظرفيت باربري محوري شمع در زمان t پس از پايان کوبش شمع
Q0 : ظرفيت باربري محوري شمع در زمان t0
A : ضريبي که به نوع خاک و شمع ، بستگي دارد و
t0 : زمان مبنا پس از پايان کوبش اوليه ، برحسب روز، مي باشد
در اين رابطه ، t0 (زمان مبن )، زماني است که درآن ، سرعت محو فشار آب حفره اي اضافي، يکنواخت مي شود. ( زماني که رابطه ي محو فشار آب حفره اي اضافي با لگاريتم زمان ، خطي شود) در حالت ايده آل ، اندازه گيري مداوم ظرفيت باربري در زمان هاي نزديک به هم ، براي تعيين مقدار دقيق t0 ، لازم است . با توجه به اينکه در اغلب موارد، امکان انجام اين اندازه گيري ها، ميسر نمي باشد، t0 با توجه به اطلاعات موجود، حدس زده مي شود. t0 به نوع خاک و اندازه ي شمع ، بستگي دارد؛ هرچه قطر شمع بزرگتر باشد، t0 نيز بيشتر خواهد بود [١٦].
بر اساس پيشنهاد Denver &Skov براي خاک ها ي رسي، 1=to روز و 0.6=A مي باشد. ضريب A، تابعي از جنس خاک، جنس شمع ، نوع ، اندازه و ظرفيت آن بوده و مستقل از عمق وچگونگي محو فشار آب حفره اي اضافي مي باشد. لازم به ذکراست که مقدار A ، تابعي از زمان مبنا (t0) مي باشد و اين ٢ پارامتر، مستقل از يکديگر نبوده ودر انتخاب مقدار A ، بايد به زمان t0 توجه شود. براي به دست آوردن مقادير A وt0 با توجه به نوع خاک لايه هاي مختلف ، لازم است توزيع مقادير Set Up، در امتداد بدنه ي شمع را داشته باشيم .Camp وParmar (١٩٩٩) ،با بررسي مقادير ظرفيت باربري شمع هاي بتني پيش تنيده و شمع هاي با سطح مقطع H، t0 را برابر ٢ روز، پيشنهاد نموده اند؛ ولي در عين حال ، گفته اند که انتخاب 1=t0 روز نيز، منطقي به نظر مي رسد. Bullock و همکاران (2005a,b) ، محدوده ي تغييرات A را براي افزايش ظرفيت باربري بدنه ي شمع هاي کوبيده شده در دانشگاه فلوريدا، با فرض ١ =to روز، از٠.١٢ تا ٠.٣٢ و ميانگين آن را برابر ٠.٢١ معرفي کرده اند. Bullock(2008)، محدوده ي ضريب A براي بدنه ي شمع را با فرض ١ =to روز، از ٠.١ تا ٠.٨ مي داند. Svinkin و
