بخشی از مقاله
خلاصه
اجرا شمعهای درجاریز همواره با سؤالاتی پیرامون کیفیت و یکپارچگی محصول نهایی روبرو است، چراکه در این نوع شمعها سازه شمع همزمان با حفاری در داخل خاک شکل میگیرد. مشکلاتی از قبیل باریک شدگی و عدم دستیابی به طول نهایی، از مهمترین موارد احتمالی است. این مسئله باعث میشود تا مهندسینصرفاً بهشرط استفاده از یک تست کنترل یکپارچگی مناسب، تمایل به استفاده از این نوع شمعها داشته باشند. در این تحقیق، نتایج میدانی یک تست تشخیص سلامت شمع - PIT - ارائهشده است. علاوه بر آن، انتشار موج در طول شمع با استفاده از روش معادله موج و با کمک نرمافزار MATLAB شبیهسازی شده است.
در این مدل، بهمنظور شبیهسازی ضربه چکش، یک پالس مصنوعی سرعت به بالاترین المان شمع اعمال میشود و سرعت در همان المان، برای بررسی اثر تغییرات شرایط زمین و همچنین محل و نوع نقصهای احتمالی، کنترل میشود. لازم به ذکر است با کمک یک نرمافزار شبیهساز تست تشخیص سلامت شمع - PIT - ، نقصهای مصنوعی در شمع ایجادشده و نمودارهای سرعت در سر شمع نیز استخراجشده است. نتایج حاصل نشان میدهد که شبیهسازی عددی انجامشده، با نتایج میدانی و نتایج حاصل از نرمافزار شبیهساز انطباق دارد.
1. مقدمه
سالها است که شمعهای درجاریز بهصورت بسیار گستردهای در پروژههای عمرانی مورداستفاده قرار میگیرند. این دسته از پیهای عمیق از طریق حفر زمین با استفاده از متههای مخصوص و پر کردن آن با بتن ساخته میشوند. به عبارت دیگر ابتدا زمین حفر شده، حفرهی موردنظر برای پایداری دیوارهها و جلوگیری از ریزش آن - در صورت عدم استفاده از غلاف - با دوغاب بنتونیت پر میشود و درنهایت با کمک لوله ترمی این دوغاب با بتن جایگزین میشود. این شیوهی احداث میتواند با مشکلاتی از قبیل باریک شدگی شمع به علت ریزش خاک دیواره، مخلوط شدن بتن و دوغاب بنتونیت و یا مخلوط شدن خاک با بتن همراه باشد. ازاینرو مهندسین تمایل چندانی به استفاده از این نوع شمعها ندارند، مگر آنکه با روشی بتوان سلامت و یکپارچگی این شمعها را بعد از اجرا تائید کرد، چراکه مشکلات یاد شده میتواند ظرفیت باربری شمع را تا حد زیادی کاهش دهد.
در آزمون کنترل یکپارچگی شمع که بهاختصار به آن PIT نیز گفته میشود، روش کار به این صورت است که با استفاده از یک چکش دستی یک پالس دینامیکی کرنش کوچک به سر شمع اعمال میشود و سرعت در همین محل نیز با استفاده از یک شتاب سنج به دست میآید. این پالس کرنش کوچک یک موج کرنش کوچک را تولید میکند که در طول شمع منتشر میشود که در محلهایی که تغییراتی در ویژگیهای بتن مصرفی، سطح مقطع شمع و یا سختی خاک اطراف شمع وجود داشته باشد، این موج بازمیگردد. با استفاده از این ویژگی، در صورت ترسیم نمودار سرعت نسبت به زمان، میتوان محل عیوب احتمالی در شمع را شناسایی کرد. البته باید توجه داشت همانطورکه گفته شد، منشأ امواج برگشتیصرفاً وجود باریک شدگی در جدارهی شمع نیست که این مسئله موجب میشود تا برای تشخیص امواج برگشتی ناشی از مقاومت خاک جداره از امواج برگشتی ناشی از کاهش سطح مقطع و یا کیفیت کم بتن، نیازمند یک مفسر باتجربه باشیم.
در این تحقیق با استفاده از نرمافزار Matlab و روش معادله موج، انتشار موج در طول شمع شبیه سازی شده است. درواقع با استفاده از اعمال یک پالس مصنوعی سرعت به بالاترین المان شمع، ضربهی چکش شبیهسازی میشود و همزمان سرعتهای مربوط به همین المان نیز کنترل میشود.
اثر عیوب احتمالی و تغییر سختی لایههای خاک در طول جداره شمع، بر روی سیگنالهای برگشتی سرعت بررسی میشود و نتایج حاصل از برنامه شبیهسازی کامپیوتری، نتایج میدانی و همچنین نتایج استخراجشده از یک نرمافزار شبیهساز آزمایش PIT، باهم مقایسه میشوند تا بتوان با استفاده از نتایج حاصل از این مقایسه در موارد واقعی تفسیر دقیقتری از شرایط شمع انجام داد.
.2 روش معادله موج
استفاده از معادله موج یکبعدی برای تحلیل فرآیند شمع کوبی منصوب به Smith - 1960 - میباشد.[1] با توجه به اینکه در آزمایش کنترل یکپارچگی نیز با انتشار موج در طول شمع مواجه هستیم، برای شبیه سازی این آزمایش نیز میتوان از مدلهای ارائه شده برای کوبش شمع استفاده کرد. در مدل Smith - 1960 - که در شکل 1 نیز نشان دادهشده است شمع به قطعات مجزایی تقسیم شده که بهوسیلهی فنرهایی که نماینده سختی محوری شمع هستند، به یکدیگر متصل میشوند. رفتار خاک نیز با استفاده از یک سری فنر و میراگر مدلسازی میشود که فنرها در این حالت بهصورت الاستو-پلاستیک کامل عمل میکنند و سختی آنها با استفاده از نسبت حداکثر مقاومت استاتیکی خاک به حداکثر تغییر مکان الاستیک 2Q تعیین میشود. ضریب میرایی نیز بهمنظور مدلسازی رفتار ویسکوز خاک مورد استفاده قرار میگیرد و مقاومت نهایی در برابر حرکت از رابطه 1 محاسبه میشود.
در این تحقیق از مدل توسعه یافته تری نسبت به نمونهی اولیه Smith - 1960 - که توسط Lee et al. 1988 ارائه شده، استفاده شده است.[2] نمای شماتیک این مدل نیز در شکل 1 و در طرف چپ تصویر قابل مشاهده است. در این مدل سعی شده تا رفتار خاک به شکلی منطقیتر شبیهسازی شود. درواقع اصلیترین تفاوت این مدل و مدل Smith - 1960 - در شیوهی مدلسازی خاک است.
همچنان فرض بر این است که فنرها رفتار الاستو-پلاستیک کامل دارند. مقاومت خاک در طول جدارهی شمع با استفاده از تئوری الاستو-دینامیک Novak et al. 1978 محاسبه میشود.[3] مقادیر ضرایب میرایی و سختی در طول جداره - به ازای واحد طول شمع - بهصورت زیر ارائه شده است.
که در آن Gs مدول برشی خاک، r0 شعاع شمع و s جرم مخصوص خاک میباشد. همچنین مقاومت در نوک شمع نیز با استفاده از یک دیسک صلب با لرزش قائم بر روی سطح یک فضای نیمه الاستیک تخمین زده شده است .[4] ضرایب سختی و میرایی خاک در نوک شمع نیز بهصورت روابط زیر ارائه میشود.
.3 تخمین طول شمع
در مواردی ممکن است به دلیل خطای انسانی و یا استفاده ناصحیح از لوله ترمی شمعهای درجاریز به طول نهایی خود نرسند که این مسئله میتواند ظرفیت باربری نهایی شمع را کاهش دهد. لذا تعیین طول واقعی شمع از اهمیت بالایی برخوردار است و این مسئله با استفاده از تست یکپارچگی شمع ممکن مییاشد. البته این روش در تشخیص طول شمعهای بلند و با نرخ لاغری زیاد نیز با محدودیتهایی مواجه است. این مسئله ناشی از جذب انرژی ضربه بهوسیله خاک و میرا کردن پاسخ آن استمعمولاً. در تشخیص محل نوک شمع، از آزمایش PIT برای مواردی که نسبت طول به قطر شمع کمتر از 30 باشد میتوان بهره برد
اگر مشکلات یادشده در مرحلهی اجرا شمع رخ ندهد و شمع طول طراحی خود را بهصورت کامل به دست آورد انتظار میرود تا در زمان 2L C پس از ضربه شاهد بازگشت سیگنالها یا همان افزایش و یا کاهش سرعت در نمودار سرعت- زمان سر شمع باشیم. در این رابطه L طول شمع و C سرعت موج فشاری در شمع میباشد که از رابطه زیر محاسبه میشود.که در این رابطه نیز E مدول الاستیک مصالح شمع و جرم مخصوص آن میباشد. درواقع برای بازتاب نوک شمع، مشاهدهی هر دو نوع پالس مثبت و یا منفی سرعت، حتی برای دو شمع اجرا شده در یک سایت، محتمل است. شکل 2 نمونهای از این مسئله را برای دو شمع اجرا شده در یک سایت نشان میدهد. علت این مسئله را میتوان با تغییر سختی خاک نوک شمع در یک بازهی وسیع و مشاهدهی نمودار سرعت - زمان سر شمع دریافت
