بخشی از مقاله
طراحي شمع ها براساس نتايج آزمايش CPTu و آزمايش ديناميکي در سازه هاي فراساحل ، مطالعه موردي بر روي هشت شمع اجرا شده در پل ميانگذر درياچه اورميه
خلاصه
اين مقاله قابليت کاربرد پنج روش مبتني بر نتايج آزمايش CPTu در تعيين ظرفيت باربري هشت شمع کوبشي اجرا شده در پروژه پل ميانگذر درياچه اورميه در مقايسه با ظرفيت باربري اندازه گيري شده حاصل از نتايج آزمايش ديناميکي کوبش شمع ، PDA به عنوان آزمايش مبنا مورد بررسي و ارزيابي قرار مي دهد. نتايج حاصل از ارزيابي هاي مختلف نشان مي دهد که در حالت کلي روش هاي مبتني بر نتايج CPTu از دقت کافي جهت محاسبه ظرفيت باربري شمع ها برخوردار مي باشند. بنابراين در حالت کلي تلفيق آزمايش درجاي CPTu با آزمايش ديناميکي کوبش شمع جهت طراحي شمع ها از جنبه ظرفيت باربري در سازه هاي دريائي مي تواند مورد ملاحظه مهندسين طراح قرار گيرد.
کلمات کليدي: ظرفيت باربري، محيط دريائي، شمع هاي کوبشي، آزمايش ديناميکي،آزمايش نفوذ سنج مخروطي CPTu
١. مقدمه
پي هاي عميق يا شمع ها در محيط هاي دريايي، به عنوان فونداسيون ، انتخاب ارجح مي باشند. يکي از مهم ترين عوامل موثر در پايداري و استحکام سازه هاي دريايي اجزاي مربوط به فونداسيون آنها است که اغلب به صورت شمع هاي کوبشي فولادي، مورد استفاده قرارمي گيرند. از آنجايي که شمع هاي کوبشي براي سازه هاي دريائي در صورت پايدار نبودن باعث خرابي آنها مي گردند، در نتيجه ارزيابي ظرفيت باربري شمع ها حائز اهميت بوده و لازم است که شمع ها با دقت مناسبي طراحي شوند و در عين حال به علت صعوبت و سختي و نيز هزينه هاي بالا، تعداد و عمق بهينه اي براي استقرار شمع ها مي بايست انتخاب گردد. تعيين ظرفيت باربري شمع ها از روش هاي مختلفي از قبيل : آناليز استاتيکي، آزمايش ديناميکي، آزمايش بارگذاري شمع و استفاده از نتايج آزمايش هاي درجا قابل حصول مي باشد. با در نظر گرفتن اين نکته که از روش هاي مختلف محاسبه ظرفيت باربري شمع ها مبتني بر روش هاي تحليل استاتيکي پاسخ هاي بسيار متفاوتي حاصل شده ، حتي تا چندين برابر با هم متفاوت مي باشند، در نتيجه بايستي روش يا روش هاي مکملي جهت کنترل و محاسبه ظرفيت باربري شمع ها با هدف طراحي اقتصادي تر مقاطع و طول شمع ها ارائه نمود. در اين راستا آزمايش CPT و CPTu به عنوان يک روش مکمل مي تواند در تحليل ظرفيت باربري محوري شمع مورد استفاده قرار گيرد. شباهت دستگاه نفوذ سنج مخروطي يا پنترومتر با ساختمان يک شمع ، دقت بالا و قابل ملاحظه تجهيزات الکتريکي دستگاه CPTu که امکان اندازه گيري همزمان فشارآب حفره اي (U2) را به همراه مقاومت نوک (qc) و جداره مخروط (fs) ميسر مي سازد، بعلاوه دست نخورده بودن خاک در حين آزمايش ، از جمله عواملي هستند که انجام اين آزمايش را در محيط هاي داراي خاک ريز دانه نرم تا متوسط با اقبال روز افزوني در طراحي شمع ها مواجه ساخته است .
روش هاي متعددي جهت استفاده از نتايج اين آزمايش براي محاسبه ظرفيت باربري شمع ها ارائه شده است . تحقيقات انجام شده در اين زمينه حاکي از آن است که روابط مختلف ارائه شده براي استفاده از نتايج آزمايش CPT و CPTu نيز پاسخ هاي متفاوتي را ارائه مي دهند، که اين مهم محققين را به سوي بهگزيني اين روش ها با توجه به مقايسه آنها با نتايج حاصله از آزمايش هايي نظير بارگذاري استاتيکي و يا معادلات موج (CapWap) رهنمون مي سازد. با توجه به ميسر نبودن انجام آزمايش بارگذاري شمع در محيط هاي دريائي به دليل صعوبت و سختي کار در اين نوع محيط ها، استفاده از آزمايش هاي ديناميکي در حين کوبش شمع براي تحليل ظرفيت باربري شمع ها انتخاب ارجح بوده ، که يکي از ساده ترين و اقتصادي ترين روش ها جهت حصول اطمينان در مورد محاسبات انجام يافته مي باشد.
با توجه به اهميت موضوع در اين مقاله ، هشت شمع کوبشي فولادي اجرا شده در پروژه پل ميانگذر درياچه اورميه مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفت و ميزان تطابق روش هاي مختلف با آزمايش کوبش شمع تعيين گرديد، تا بدينوسيله قابليت و ميزان کفايت روش هاي CPT و CPTu مورد ارزيابي قرار گيرد. براي اين منظورنتايج ظرفيت باربري حاصله ازروش هاي مبتني برآزمايش CPT وCPTu، با نتايج حاصل از آزمايش کوبش شمع ، PDA، توسط روش هاي آمار و احتمال مورد بررسي وارزيابي قرار گرفتند.
2. مروري بر روش هاي محاسبه ظرفيت باربري شمع
عليرغم پيشرفت چشمگير علم مکانيک خاک و مهندسي ژئوتکنيک در دهه هاي اخير، همچنان تعيين ظرفيت باربري شمع ها با دشواري هايي همراه است . خواص فيزيکي و مکانيکي منحصر به فرد خاک از قيبل : ناهمگوني، ناهمساني، وجود آب ، استعداد خزش ، تنوع مختلف خاک در طبيعت ، رفتار پيچيده تنش - کرنش از يکسو و تنوع شمع ها از لحاظ جنس مصالح ، شکل مقطع ، روش هاي ساخت و استقرار و ساير موارد از سوي ديگر موجب پيچيدگي اندرکنش المان سازه اي شمع و خاک اطراف آن مي گردد. لذا مدل کردن چنين شرايط پيچيده اي که متغير هاي مختلفي در آن دخالت دارند، به سادگي ميسر نيست . در همين راستا پژوهشگران متعددي در دهه هاي گذشته تلاش در جهت ارائه روابط تئوريک ويا تجربي مختلفي براي تعيين ظرفيت باربري نموده اند، که از آنها اغلب به نام روش تحليل استاتيکي ياد مي شود[١]. براي مثال مي توان به روش هاي توصيه شده در آيين نامه مهندسي پي کانادا، (CFEM)[2] و آيين نامه موسسه نفت امريکا،(API)[٣] اشاره نمود. تحقيقات انجام شده توسط محققين مختلف نشان مي دهد که از روش هاي مختلف محاسبه ظرفيت باربري شمع ها مبتني بر روش هاي تحليل استاتيکي پاسخ هاي بسيار متفاوتي حاصل شده ، حتي تا چندين برابر با هم متفاوت مي باشند. در اين مورد مي توان به مطالعات انجام گرفته توسط (١٩٨٩) Funegard &Tand [٤] اشاره نمود. در نتيجه بايستي روش يا روش هاي مکملي جهت کنترل و محاسبه ظرفيت باربري شمع ها با هدف طراحي اقتصادي تر مقاطع و طول شمع ها ارائه کرد. در اين راستا آزمايش درجاي CPT وCPTu به عنوان يک روش مکمل مي تواند در تحليل ظرفيت باربري محوري شمع مورد استفاده قرار گيرد. روش هاي مختلفي توسط محققين در مورد استفاده از نتايج آزمايش CPT وCPTu براي محاسبه ظرفيت باربري شمع ارائه شده است ، که مي توان به روش هاي (1978 &1975 )Nottingham &5[ Schmertmann ]،1979( )Beringen &6[ DeRuiter ]،Gianeselli &Bustamante (١٩٨2) [٧]، (١٩٨2) Fakhroo &Tumay [٨]و (١٩٩٧) Fellenius &Eslami [٩] اشاره نمود. تحقيقات انجام شده در اين زمينه حاکي است که روابط مختلف ارائه شده براي استفاده از نتايج آزمايش CPT وCPTu نيز پاسخ هاي متفاوتي را ارائه مي دهند. براي مثال & Briaud (١٩٨٨) Tucker [١٠] و (2٠٠٧) Abu-Farsakh &Titi [١١] به مقايسه و ارزيابي ظرفيت باربري شمع هاي محاسبه شده با استفاده از نتايج آزمايش CPT وCPTu با نتايج اندازه گيري شده از آزمايش بارگذاري استاتيکي شمع پرداخته اند. (١٩٨٨) Tucker &Briaud [١٠] به ارزيابي ٦روش محاسبه ظرفيت باربري با استفاده از نتايج آزمايش CPT با ظرفيت اندازه گيري شده از بارگذاري شمع بر روي ٩٨ شمع مختلف پرداختند، ارزيابي ها نشان داد که روش بوستامانته و جيانسيلي (١٩٨2) در مقايسه با ساير روش ها بهترين تطابق را با ظرفيت باربري اندازه گيري شده از بارگذاري شمع دارا مي باشد. مطالعات انجام شده توسط (2٠٠٧) Abu-Farsakh &Titi [١١] که بر روي ٣٥ شمع کوبشي بتوني پيش تنيده درمنطقه لوييزيانا انجام يافته ، نشان مي دهد که روش هاي بوستامانته و جيانسيلي (١٩٨2)، درويتر و برينگن (١٩٧٩) و اشمارتمان (١٩٧٨) از تطبيق بهتري در مقايسه با ساير روش ها برخوردار هستند.
آزمايش بارگذاري شمع يک آزمايش با مقياس واقعي، دقيق وجامع براي تخمين ظرفيت باربري شمع بوده ، که امروزه کاربرد گسترده اي در مطالعات ژئوتکنيکي دارد، اما استفاده از اين آزمايش در محيط هاي دريائي به خصوص در مناطق عميق تر آن ، اغلب غير ممکن و غير اقتصادي مي باشد، لذا استفاده از روشي سريع ، اقتصادي و مطمئن جايگزين که بتواند تخمين خوبي از ظرفيت باربري شمع ارائه داده و در محيط هاي آبي عميق دريا قابل اجرا باشد، لازم و ضروري مي نمايد. يکي از اين روش ها که امروزه مقبوليت زيادي يافته و به صورت گسترده در مطالعات ژئوتکنيکي به کار مي رود، آزمايش کوبش شمع ، PDA مي باشد. مطالعات اندکي درباره ارزيابي ظرفيت باربري شمع ها بوسيله آزمايش کوبش شمع وجود دارد، که مي توان به مطالعه صورت گرفته توسط (١٩٨٨) Plesiotis &Haustrofer [١2] اشاره نمود. اين مطالعه بر روي ٣ شمع کوبشي، که بر روي آنها آزمايش کوبش شمع انجام يافته ، انجام پذيرفته است . نتايج بيانگر اين نکته است که روش اشمارتمان (١٩٧٨) بهترين جواب را در مقايسه با ساير روش ها، از خود نشان مي دهد.
٣. محاسبه ظرفيت باربري شمع با استفاده از نتايج آزمايش CPT وCPTu
در حالت کلي ظرفيت باربري محوري شمع از رابطه زير به دست مي آيد:
که در رابطه فوق ، Qu ظرفيت باربري نهائي شمع ، Qt مقاومت کل کف ، Qs مقاومت کل اصطکاکي، qb ظرفيت باربري کف ، At سطح مقطع کلي کف شمع ، fi ظرفيت باربري جداري، Asi سطح جانبي شمع مي باشد[١٣]. روش هاي متعددي جهت محاسبه ظرفيت باربري شمع با استفاده از نتايج آزمايش CPT وCPTu وجود دارد. در حالت کلي اين روش ها به دو دسته تقسيم مي شوند:
الف ) روش غير مستقيم : در اين روش پارامتر ها و مشخصات مکانيکي خاک از قبيل چسبندگي و زاويه اصطکاک داخلي، از نتايج آزمايش CPT وCPTu تعيين شده ، سپس با استفاده از اين پارامترها و روابط تحليل استاتيکي، ظرفيت باربري شمع تعيين مي گردد.
ب ) روش مستقيم : در اين روش بين نتايج آزمايش CPT وCPTu و ظرفيت باربري شمع ها يک رابطه مستقيم ارائه مي گردد. در اغلب اين روش ها براي تعيين مقاومت کف شمع از مقادير مقاومت نوک مربوط به آزمايش CPTu يعني qc استفاده شده است . اما براي تعيين مقاومت واحد جداري شمع ، هم از مقادير مقاومتي نوک شمع qc و هم از مقادير مقاومت اصطکاکي fsمربوط به آزمايش CPTu استفاده مي گردد[١].
در اين تحقيق از روش هاي مستقيم مبتني بر نتايج آزمايش CPT وCPTu زير استفاده شده است :
١) روش Nottingham &Schmertmann 2) روش DeRuiter &Beringen ٣) روش Gianeselli &Bustamante ٤) روش Fakhroo &Tumay ٥) روش Fellenius &Eslami خلاصه روش ها در جدول شماره ١ نشان داده شده اند.
٤. موارد عملي جمع آوري شده [١٤]
١.٤.اطلاعات مربوط به ساختگاه پروژه پل ميانگذرشهيد کلانتري - شمال غرب ايران - درياچه اورميه
کاهش طول مسير بين دو شهر تبريز و اورميه در شمال غرب کشور از دير باز مطرح بوده است . بعد از پيروزي انقلاب ، ايده اتصال دو ساحل شرقي و غربي درياچه از طريق احداث خاکريز از دو سمت درياچه به طور جدي در دستور کار وزارت راه وترابري قرار گرفت . با اجراي اين پروژه مسير بين تبريز- اورميه از ٣٠٠ کيلومتر به 120 کيلومتر تقليل مي يافت . براي انجام اين پروژه ، کم عرض ترين بخش درياچه به طول ١٥ کيلومتر در نظر گرفته شد. خاکريزي از دو سمت ساحل غربي و شرقي آغاز گرديد و حدود١٣.٥ کيلومتر از آن از دو سمت خاکريزي گرديد، ولي در بخش مياني به علت وجود لايه هاي ضخيم خاک هاي ريز دانه و حساس ، ادامه کار به علت لغزش خاکريزي ميسر نشد و حدود ١.٣ کيلومتر حد فاصل دو خاکريز به همين صورت باقي ماند. در نهايت در سال ١٣٨١ مطالعات ژئوتکنيکي توسط شرکت مهندسين مشاور ماندرو با نظارت انيستيتو ژئوتکنيک نروژ
(NGI)آغاز شد. در اين راستا براي اخذ اطلاعات پروفيل خاک و پارامتر هاي آن از آزمايش CPTu استفاده گرديد و در طول مسير٨ گمانه توسط اين دستگاه حفر شد و اطلاعات مربوط به آنها ثبت گرديد. اجراي پروژه به شرکت صنايع دريائي ايران (ايران صدرا) واگذار گرديد. اين پل که در نوع خود کم نظير مي باشد، به طول ١.٣ کيلومتردر٣ باند مجزا براي حمل و نقل جاده اي و ريلي در حد فاصل دو خاکريز در١٩ دهانه اجراشده ، طولاني ترين دهانه مربوط به دهانه وسطي در طول ١٠٠ بوده که به صورت پل قوسي فلزي اجرا مي شود، که در زمان نگارش اين مقاله مراحل نصب نهائي خود را طي مي کند. در اجراي اين پل بيش از ٤٠٠ شمع درمجموع با طولي بالغ بر٣٠کيلومتر براي پايه هاي پل اجرا گرديده است .
2.٤.اطلاعات مربوط به شمع هاو پروفيل خاک
در اين مقاله ظرفيت باربري ٨ شمع کوبشي فولادي ته باز با مقطع دايروي از شمع هاي اجرا شده در پل ميانگذر درياچه اورميه مورد بحث و برررسي قرار گرفتند. کليه شمع هاي موجود به صورت دايروي بوده و سطح مقطع در طول شمع ثابت مي باشند. جنس همگي آنها فولادي بوده و نحوه نصب و اجرا کوبشي است . قطر شمع ها٨١٣ ميليمتر و عمق مدفون آنها٦٦ و٧٥ متر مي باشد. در مجموع ٠.٨ کيلومتر شمع مورد بررسي قرار گرفته است .
همگي آزمايش ها توسط دستگاه پيزوپنترومترالکتريکي (CPTu) انجام شده و فشار آب حفره اي در همه موارد ثبت شده است . براي نمونه يک گراف گمانه آزمايش (CPTu) به همراه پروفيل خاک گمانه مربوطه به روش اسلامي - فلنيوس که توسط برنامه UniCone تحليل شده و شکل شماتيک شمع هاي اجرا شده در طول هاي متفاوت و مقطع عرضي آنها در شکل ١مربوط به شمع شماره ٥ نشان داده شده است . در کليه موارد در نزديکي محل اجراي شمع ها، آزمايش پيزوپنترومتر (CPTu) انجام شده و در حين کوبش شمع ها نيز آزمايش ديناميکي کوبش شمع (PDA) بر روي هر ٨شمع انجام گرفته و نتايج ظرفيت باربري نهايي شمع ها اخذ گرديدند. ظرفيت باربري کل شمع ها حاصل از آزمايش ديناميکي بين ٤٧٠٠ تا ٨٠٠٠ کيلونيوتن است . خلاصه اطلاعات جمع آوري شده در جدول 2 ارائه شده است ، که شامل شماره شمع ، نام و شماره پروژه ، محل پروژه ، نام شمع ، شکل مقطع عرضي شمع ، ابعاد شمع (طول ، قطر و ضخامت ديواره )، ظرفيت باربري استاتيکي شمع حاصل از نتايج آزمايش کوبش شمع (PDA) مي باشد.در طي سه دهه اخير روش هاي متعددي توسط محققين براي طبقه بندي لايه هاي مختلف خاک با استفاده از نتايج آزمايش (CPTu) ارائه شده است ، که از جمله مي توان به (١٩٨٨)Campanella &Robertson [١٥] و (2٠٠٤)Fellenius &Eslami [١٦] اشاره نمود. رابرتسون و کامپانلا(١٩٨٨) اولين کساني بودند که بر اساس نتايج مقاومت نوک تصحيح شده براي فشار آب حفره اي، نموداري براي طبقه بندي خاک ارائه نمودند. اخيرا اسلامي و فلنيوس (2٠٠٤) روش جديدي براي طبقه بندي خاک ها بر اساس نتايج آزمايش (CPTu) ارائه نموده اند. طبق اين روش خاک ها به پنج گروه ١. رس هاي حساس و يا سيلت 2. رس و يا سيلت ،٣.سيلت رس دار و يا رس سيلت دار،٤. ماسه سيلت دار و يا سيلت ماسه دار و
٥. ماسه و يا ماسه شن دار طبقه بندي مي شوند. در اين مقاله براي طبقه بندي خاک براساس نتايج آزمايش (CPTu) از اين دو روش استفاده شده است .
براي اين منظور از برنامه UniCone استفاده گرديد. بر اساس اين روش اغلب خاک هاي مورد مطالعه از خاک هاي رسي نرم و حساس و رس و رس سفت و بقيه از سيلت و سيلت ماسه دار تشکيل شده است . شکل ١ پروفيل خاک حاصل از نتايج آزمايش CPTu براي شمع شماره ٥ را ارائه مي نمايند.
٣.٤. اطلاعات آزمايش ديناميکي کوبش شمع
هنگامي که ضربه چکش در حين عمليات شمع کوبي به سر شمع نواخته مي شود، شمع قدري در زمين فرو مي رود. از جمله عوامل موثر بر ميزان فرو رفتن شمع به ازاي هر ضربه ، سختي شمع و مقاومت و سختي خاک در اطراف جداره شمع در اعماق مختلف و همچنين در نوک شمع و پايين تر از آن است . لذا ميزان فرو رفتن شمع در خاک به ازاي هرضربه چکش با انرژي وارده مشخص ، مي تواند شاخصي از مقاومت خاک باشد. دراين حالت مي توان با حل معادله حرکت براي سيستم ، بر حسب ميزان فرو رفتن شمع در خاک، ظرفيت باربري استاتيکي معادل شمع را محاسبه نمود[١]. از اين ايده در طي چند دهه گذشته براي محاسبه ظرفيت باربري شمع ها استفاده شده است ، که امروزه از آن به عنوان آزمايش هاي ديناميکي ياد مي گردد. يکي از متداول ترين اين آزمايش ها، آزمايش ديناميکي کوبش شمع ، PDA است که با استفاده از نصب سنسور هايي در نزديکي سر شمع ، مقادير نيرو و سرعت ناشي از ضربه چکش مستقيما اندازه گيري مي شوند. در نتيجه مي توان برآورد بسيار دقيقتري از انرژي وارده به سر شمع به ازاي هر ضربه داشت .
با استفاده از نتايج آزمايش PDA از نوع کرنش بزرگ مي توان ظرفيت باربري استاتيکي کل شمع را در حين شمع کوبي تعيين نمود[١٧]. اين آزمايش در حين نصب شمع هاي مورد مطالعه بر روي آنها انجام يافته واز نتايج آنها در ارزيابي هاي مختلف صورت گرفته به عنوان آزمايش مبنا استفاده شده است . در شکل 2 نتايج تحليل انطباق سيگنال توسط نرم افزار CapWap براي تعيين ظرفيت باربري شمع ها، که داده هاي اوليه و خام آن نتايج آزمايش ديناميکي PDA مي باشد، براي شمع هاي شماره ٥ نشان داده شده است .
٥. برنامه کامپيوتري UniCone
UniCone يک برنامه کامپيوتري تخصصي در زمينه محاسبه ظرفيت باربري قائم شمع ها با استفاده از نتايج آزمايش CPTu مي باشد که در سال 2٠٠2م توسط فلنيوس ، اينفانت و اسلامي در کانادا بسط و توسعه يافته است . اين برنامه قادر است ظرفيت باربري شمع را به شش روش اروپائي، فرانسوي، اشمارتمان ، مايرهوف ، توماي - فخرو و اسلامي - فلنيوس به تفکيک مقاومت جداره و نوک به صورت گرافيکي و جدول نشان دهد. اين برنامه همچنين قابليت نمايش نتايج آزمايش CPTu را به صورت گرافيکي شامل مقاومت نوک، مقاومت جداره ، فشار آب حفره اي و فشار آب حفره اي معادل و نسبت اصطکاکي را دارا مي باشد، اين برنامه هم چنين قادر است ، لايه هاي مختلف خاک را بر اساس نتايج آزمايش CPT وCPTu به دو روش (١٩٨٣) Campanella &Robertson و(2٠٠٤) Eslami-Fellenius، هم به صورت جدول و هم به صورت گرافيکي در کنار گراف نتايج آزمايش CPTu نمايش دهد[١٨]. در اين مقاله در محاسبه ظرفيت باربري نهائي شمع هاي موجود و نيز طبقه بندي خاک ها از اين برنامه کامپيوتري استفاده گرديده است .
