بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادی شکل و نمودار مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
بررسی عوامل مؤثر در نفوذ و کوبیدن شمعها در زمین
چکیده
تعیین طول شمع و عمق استقرار آن در خاک به کمک روابط استاتیکی ، جز در حالت وجود بستر سنگی یا لایـه مقاوم در عمق مشخص تا حدودی مشکل می باشد . روابط استاتیکی درتخمین عمق استقرار شمع دارای درمحدودیتهایی ارتباط با تعیین مقادیر پارامتر های برشی و نیز انتخاب مدل گسیختگی مناسب می باشند . آزمایش بارگذاری نیز که پـس از کوبیدن شمع تا عمق مورد نظر و اعمال یک مجموعه بار معین بر روی آن انجام می گیرد، پر هزینه بوده و اجـرای آن در همه سایتها با معضلاتی همراه است . آزمایش ها و روشهای دینامیکی قابلیت پاسخگویی در مورد عمق نفوذ شـمع و مناسـب بودن سیستم شمعکوب انتخابی را دارند، اما مشکل اساسی در استفاده آنها جهت تخمین عمق نفوذ ، هزینه زیـاد اسـتفاده از این ابزارها و نیاز به نیروی ماهر و متخصص جهت استفاده صحیح از دستگاههای آزمایش می باشـد، بعـلاوه اینکـه ظـرفیت باربری شمع ها را قبل از کوبش نمی توان تعیین نمود. با توجه به این توضیحات و ازآنجایی که آزمـایش هـای صـحرایی SPT , CPT جهت اطلاع از وضعیت خاک منطقه کمابیش در تمامی پروﮊه ها انجام می گیـرند و ایـن نکتـه کـه ایـن آزمایش ها قبل از کوبیدن شمع انجام می شوند ، می توان از اطلاعات مربوط به آنها در ارزیابی چگونگـی نفـوذ و کوبـش شمع در زمین استفاده نمود . از اینرو تعداد ٧ سایت که در مجموع در آنها بیش از ٢٠٠ شمع در طولی بین ١٠ الی ٣٠ متـر کوبیده شدند ، بررسی و مواردی که در آنها حداقل یکی از نتایج CPT یا SPT بـه همـراه منحنـی مقـاومت کوبـیدن یانتایج آزمایش بارگذاری شمع وجود داشت انتخاب گردید . نتایج بررسی نشانگر انطباق مناسب مقادیر عـددی حاصـل از آزمایش های درجا و مقاومت کوبیدن شمع که پس از کوبش رسم می گردد ، می باشد . این در حالی است کـه آزمـایش های فوق در مقایسه با آزمایش های دینامیکی و روشهای آن ارزانتر انجام می شوند و کار با تجهیزات آنها آسـان و نیـاز بـه مهارت خاصی ندارد. در ضمن به کمک نتایج این آزمایشها می توان در خصوص استراتژی شمعکوبی ، آرایـش شـمع در پلان و عمق استقرار آن اظهار نظر نمود.
کلیدواﮊه ها : ظرفیت باربری ، شمعکوب ، آزمایش بارگذاری ، آزمایش صحرایی درجا ، نفوذ شمع .
١ـ مقدمه
به طور کلی عوامل مؤثر در شمعکوبی رامی توان به سه بخش اصلی اثرات سیستم شمعکوبی ، اثر شمع و اثر خاک تقسیم بندی کرد. در بررسی عوامل فوق ، خاک منطقه از آن جهت که کمتر از دو عامل دیگر در اختیار طراح می باشد ، از اهمیت بیشتری برخوردار است ، بــدین معنی که سـیستم شـمعکوبی و شـمع انتخابی توسط طراح مشخص می گردد، ولی شرایط خاک بستر از جمله پارامترهایی است که طراح امکان اعمال کمترین تغییر در آن را نسبت به عوامل دیگر دارد . بعبارتی طراح می تواند با تغییر در شمعکوب و شمع انتخابی ، نفوذ به داخل خاک را تا حدی میسر سازد ، ولی برای یک نوع خاک ، اعمال انرﮊی بیشتر و یا تغییر درابعاد و نوع شمع انتخابی پس از ابعاد هندسی مشخص، دیگر نمی تواند ادامه نفوذ را ممکن سازد ، دراین حالت یا نیروی زیاد شمعک وب به شمع آسیب می رساند ویا خودشمع براثر لاغری بیش ازحد دچارآسیب وخرابی سازهای میگردد.لذاسعی میشود با بررسی روشهای مختلف استاتیکی ودینامیکی تعیین ظرفیت باربری، روشی مناسب انتخاب گرددکه تاحدودی پاسخگوی این مشکل باشد .
٢ ـ روشهای رایج در طراحی شمع
الف ) روش استاتیکی
از روشهای متداول تعیین ظرفیت بار بری کف و جداره شمع ، تحلیل استاتیکی و استفاده از روابط ارایه شده توسط محققین در این زمینه می باشد .اساس تمام روابط براین اصل استوار است که ظرفیت باربری شمع مجموعی از مقاومت انتهایی و مقاومت جداره آن می باشد که سهم هر یک براساس نوع خاک ، وضعیت لایه ها ، عمق بستر یا لایه مقاوم و موارد دیگر تأمین می گردد . برای استفاده از این روابط مطالعات ﮊئوتکنیکی وگرفتن نمونه در محل اجرای پروﮊه و آزمایش های صحرایی انجام می گیرد و پارامترهای مقاومت برشی خاک تعیین می گردد و با استفاده از نمودارهای موجود ضرایب ظرفیت باربری جهت تعیین مقاومت نوک و جداره شمع محاسبه می گردد .
ب ) آزمایش بارگذاری شمع
یکی از روشهای قابل اعتماد در تعیین ظرفیت باربری ، آزمایش بارگذاری شمع است ، که شامل کوبیدن شمع تا عمق طراحی و اعمال یک مجموعه بار معین می باشد ، با انجام این آزمایش و رسم دقیقوبا مقیاس منحنیبار ـ تغییرمکانو پیداکردنمجانبیبرایآن ظرفیت باربری تعیین می گردد .
ج ) روابط دینامیکی کوبش
اساس روابط کوبش آن است که ظرفیت باربری خاک برای شمع مستقیماﹰ تابع مقاومتی است که شمع در مقابل فرورفتن در زمین تحت اثر ضربه نشان می دهد . در اثر سقوط چکش روی سر شمع و انتقال قسمتی از انرﮊی جنبشی به آن ، سر شمع حرکت می کند ، این حرکت به تمام طول شمع منتقل می شود و انرﮊی ناشی از این حرکت صرف فرورفتن نوک شمع در خاک می گردد . با توجه به اصل بقای انرﮊی روابط مختلفی ارائه شده است ولی از آنجائی که برای استفاده از روابط کلی کوبش فرضیاتی جهت ساده کردن در نظر گرفته می شود واین فرضیات معمولاﹰ ناشی از تجربیات شخصی مؤلف می باشدو با توجه به تنوع خاکها و شرایط شمعکوبی در هر منطقه ، می توان از این روابط جهت تخمین های اولیه ظرفیت باربری و در هنگام اجرا استفاده نمود.
د ـ روش دینامیکی
با استفاده از آنالیز و آزمایش های دینامیکی ، ظرفیت باربری پـی هـای عمـیق تعییـن مـیگـردد، خصوصاﹰ اینکه با پیشرفت های اخیر چه به لحاظ سخت افزاری و چه به لحاظ نرم افزاری نتایج حاصـله بـه واقعیت نزدیکتر می باشند . با استفاده از نرم افزار آنالیز معادلـه مـوج (WEAP) کـه براسـاس انتقـال مـوج تنش حاصل از ضربه شمعکوب و تحلیل به حالت اجزای محدودمیباشد، میتوان بهمناسببـودن سیسـتم شمعکوبی ونیز میزان نفوذ شمع به داخل خاک پیبرد ]١. [ از طرفی آزمـایش هـای تخصصـی دینـامیکی نظیر PDA می توانند اطلاعات ورودی نرم افزار ها را تأمین کنند .بطور کلـی روشـهای دینـامیکی نتـایج دقیقی را در اختیار می گذارند ولی مشکل اصلی در استفاده از این روش این است که انجام آزمایش ها و روشهای دینامیکی جهت تعیین ظرفیت باربری پس از کوبیدن شمع بداخل خاک امکان پذیر می باشـد و از طرفی هزینه تجهیزات مربوطه و نرم افزارهای آن زیاد و استفاده از دستگاههای آزمایش نیـاز بـه کـاربر ماهر و متخصص دارد و تحلیل نتایج خروجی برنامه بسیار مهم می باشد . شایان ذکر است در صورتی کـه اطلاعات اولیه ورودی برنامه خطای کوچکی داشته باشد ، تغییرات روی خروجی برنامه بیشتر خواهد بـود و به راحتی قابل تشخیص نمی باشد . اگر چه با تلفیق تحلیل معادله موج و نیز آزمایش های دینامیکی ایـن مشکلات تا حدودی بر طرف شده، اما استفاده از این امکانات پیشرفته هنوز همگانی نشده است .
٣ـ بررسی امکان استفاده از نتایج آزمایش های صحرایی SPT , CPT
اگر چه برخی از روشهای مذکور قابلیت و دقت لازم را در پیش بینی ظرفیت باربری شمع دارنـد ولی از آنجائی که پس از کوبیدن شمع انجام مـی شـوند ،نمـی توانـند تخمینـی از وضـعیت نفـوذ پـیش از کوبش ارائه دهند . می دانیم که مطالعات ﮊئوتکنیک و گرفتن نمونـه از عمـق جهـت تعییـن پـارامتر هـای مقاومت برشی خاک پیش از کوبیدن شمع برای مشخص شدن لایه بندی ، وضعیت و نـوع خـاک منطقـه انجام می گیرند ، لذا امکان استفاده از دیاگرام qC حاصل از آزمایش CPT و یـا N حاصـل از آزمـایش
SPT در مقابل عمق برای تخمین عمق نفوذ و توقف شمع کوبیدنی در خاک با توجـه بـه انجـام ایـن دو آزمایش در اکثر پروﮊه ها، مورد بررسی قرار می گیـرد . از طـرفی کارهـایی توسـط محققیـن مخـتلف در زمینه عمق لازم جهت کوبیدن شمع با توجه به اینکه به ظرفیت باربری مورد نظر برسد، انجـام شـده اسـت.
بر این اساس مخروط دستگاه CPT به عنوان مدلی از شمع در مقیاس کوچک پذیرفته شد و بیـنمقـاومت نوکمخروط ومقاومت انتهایی شمعرابطه مستقیم دیده شد ]٢ . [ همچنین مطالعات تئوری و آزمایشگاهی بر روی ظرفیت باربری شمعها با مقایسه نتـایجCPT وآزمـایش بـارگذاری شـمع انجـام شـد، نتـایج نشـان دهنده مطابقت بهترروشCPT نسبت به روش استفاده ازتحلیل استاتیکی وفرمولهایظرفیت باربری بـود ]٣. [ بـر این اساس ظرفیت باربری شمع بااستفاده ازنتایج CPT برای ١٠٢ شمع تعیین گردید
٤ ـ موارد عملی
به جهت بررسی معیارCPT یا SPT در تعیین عمق نفوذ و امکان استفاده از نتایج آنها ، اطلاعـات ٧ سایت که در مجموع در آنها بیش از ٢٠٠ شمع در طولی بین ١٠ الی ٣٠ متر کوبـیده شـده و بـیش از ٥٠ آزمایش SPT , CPT و ٣٠ آزمایش بارگذاری شمع انجـام شـده بـود ، جمـع آوری گـردید کـه از ایـن مجموع ، مواردی که حداقل یکی از نتایج CPT یا SPT به همراه منحنی مقـاومت کوبـیدن یانتـایج آزمـایش بارگذاری شمع وجودداشت ، انتخاب شد ]٥ . [ در این قسمت به چند نمونه از مواردفوق اشاره می شود .
الف ) سایت شماره ١
در اثر زمین لرزه ای کـه در سـال ١٩٨٩ در California رخ داد بخشـی از بزرگـراه جنوبـی ایـن ایالت که بر روی شمع قرار گرفته بود ، آسیب دید ]٦. [ پس از این مطالعاتی در خصوص تعییـن ظـرفیت باربری انجام شد . آزمایشCPT در٨ نقطه انجام گرفت . پروفیل عمومی خاک منطقه در شکل (١ ـ الف) و نتیجه آزمایش CPT در یکی از نقاط در شکل (١ـ ب) مشاهده می گردد .
(الف ) (ب ) ( ج )
شکل ١ : الف ـ پروفیل عمومی خاک ، ب ـ نتایجآزمایشکوبیدنCPT درنقطه (B-8) ، ج ـ منحنی مقاومت شمع
تعداد ضربات لازم برای یک فوت نفوذ در زمین در مقابل عمق در شکل (١ ـ ج) نشان داده شده است . با ورودبهلایه ماسه متراکم تعدادضربات لازم بهسرعت افزایش می یابدودراواسط این لایه به ٥٠ ضربه بـرای یک فوت نفوذمی رسد.نتایج برای دوشمع فولادی به قطر ١٦ وضخامت جداره ٥/٠ اینچ ارایه شده است .
ب ) سایت شماره ٢
در محل احداث سـد جدیـد در ناحیـه Alton روی رودخانـه Mississippi در سـال ١٩٨٥ در آمریکا تعدادی آزمایش بارگذاری انجام شد ]٧. [ پـروفیل عمـومی خاک منطقه عمـوماﹰ از ماسـه بد دانـه بندی شده تشکیل شده است . آزمایش CPT برای سه نقطه (B-6A),(B-12),(B-22) انجام شـد . نتـایج آزمایش CPT درشکل (٢ ـ الف) و نتایج آزمایش SPT درمقابل عمق درشکل (٢ ـ ب ) دیده می شود .
شمع تعـداد ضـربات لازم بـرای یـک فـوت نفـوذ در مقـابل عمـق در شـکل (٢ ـ ج) دیـده مـی شـود ، در مجاورت لایه سنگی تعداد ضربات افزایش می یابد و با ورود به آن در عمق ٦٠ فوتـی عمـلاﹰ مقـدار نفـوذ ناچیز می گردد.
