بخشی از مقاله
معرفی بانک اطلاعاتی دانشگاه صنعتی امیرکبیر متشکل از رکوردهای آزمایش بارگذاری شمعها و دستگاه نفوذ مخروط- AUT- CPT&Pile Data Bank
خلاصه
استفاده از بانکهای اطلاعاتی ژئوتکنیک با توجه به نقش مهم آنها در بهبود مطالعات ژئوتکنیک و صرفهجویی در هزینه و زمان پروژهها، در حال گسترش است. هدف اصلی از ایجاد این بانکها مدیریت و تفسیر دادهها، ارزیابی و بهینهسازی روشهای طراحی و توسعهی روشهای نوین میباشد. با توجه به این مسئله که استفاده از پیهای عمیق برای سازههای مهم واقع بر زمینهای مسئلهدار امری اجتنابناپذیر است و اینکه استفاده از این پیها، علیرغم افزایش ایمنی، معضلات اجرایی و افزایش هزینه را برای پروژهها به دنبال دارد، استفاده از تجارب موجود از سیستمهای مختلف پیهای عمیق و عملکرد آنها میتواند موجب تقویت به کارگیری اصولی این پیها توام با بهینهسازی در هزینه ها و زمان گردد. همچنین با توجه به اینکه آزمایش نفوذ مخروط اطلاعات مناسبی را به ویژه در نهشتههای نرم تا متوسط در اختیار قرار میدهد، همواره به عنوان یک ابزار کارا در طراحی شمعها مورد توجه است. در این مقاله به معرفی نمونههایی از بانک های اطلاعاتی پیهای عمیق و آزمایش CPT که بین سالهای 1988 تا 2111 جمعآوریشدهاند، پرداختهشده است. یک بانک اطلاعاتی جدید شامل اطلاعات 558 شمع به همراه نتایج آزمایش CPT انجامشده در مجاورت شمعها معرفیشده است و مشخصات و طبقهبندی دادههای این بانک اطلاعاتی بیان شده است.
.1 مقدمه
بانک اطلاعاتی یا پایگاه داده، مجموعهای از دادههایی است که به نحوی منطقی به یکدیگر مرتبطاند و به منظور بازیابی اطلاعات در مواقع نیاز طراحی میشوند.
با توجه به نقش مهم بانکهای اطلاعاتی ژئوتکنیک در بهبود مطالعات ژئوتکنیک و صرفهجویی در هزینه و زمان پروژهها، استفاده از این بانکها در حال گسترش است. هدف اصلی از ایجاد بانکهای اطلاعاتی در مهندسی ژئوتکنیک مدیریت و تفسیر دادهها، ارزیابی و بهینهسازی روشهای طراحی و توسعهی روشهای نوین میباشد. بانکهای اطلاعاتی گوناگونی در مهندسی ژئوتکنیک وجود دارد که ازجمله آنها میتوان به پایگاه اطلاعاتی آزمایش بارگذاری شمعها ، آزمایش بارگذاری شمع تحت بار جانبی، دیوارهای حائل و جابجایی زمین در اثر حفاریهای عمیق، آزمایشهای درجا، مشخصات گمانههای منطقهای و ... اشاره کرد،که در میان آنها بانکهای اطلاعاتی پیهای عمیق توسعه زیادی پیداکرده است.
تعیین ظرفیت باربری پیهای عمیق همواره از چالشهای مهندسین ژئوتکنیک بوده است. به دلیل پیچیدگی در رفتار ذاتیخاک، طول نسبتاً زیاد اینگونه سیستمهای پیسازی و مواجه با لایههای متعدد خاک با رفتار گوناگون را میتوان از پیچیدگیهای موجود نام برد. همچنین با توجه به اینکهاساساً کاربردیپ های عمیق در خاکهای مسئلهدار یا بارهای بزرگ است، بنابراین اغلب در پروژههای حائز اهمیت از آنها استفاده میشود. علاوه بر این به دلیل هزینه بالای این پیها که نیاز به مصالح زیاد، نیروی انسانی متخصص و ماشینآلات سنگین دارد، تلاش در جهت بهبود دقت در طراحی و اجرای اینگونه سیستم پیسازی از اهمیت ویژهای برخوردار است.
روشهای تعیین ظرفیت باربری محوری شمعها را میتوان به چهار دسته کلی زیر تقسیم نمود: روشهای تحلیل استاتیکی، استفاده مستقیم از نتایج آزمایشهای درجا، آزمایش بارگذاری استاتیکی، روشهای دینامیکی آنالیز استاتیکی بهعنوان رایجترین روش در تعیین توان باربری شمعها شناخته میشود، اگرچه دارای محدودیتها و مشکلاتی در فرضیات و تعیین پارامترهای مقاومتی خاک میباشد. آزمایش بارگذاری استاتیکی علیرغم اینکه بین روشهای تخمین ظرفیت باربری دقیقترین روش است، اما به دلیل صعوبت اجرا و پرهزینه بودن جز در پروژههای بزرگ توجیه اقتصادی ندارد. لذا این روش بیشتر به عنوان مبنایی برای مقایسه روشهای مختلف تعیین ظرفیت باربری استفاده میشود. روشهای دینامیکی نیز همانند آزمایش بارگذاری استاتیکی یک روش کنترل هستند؛ اما کاربرد اصلی آنها عمدتاً در شمعهای کوبشی است. نامشخص بودن آثار ضربه چکش و همچنین تغییرات مقاومت خاک در شرایط زمان کوبیدن شمع و زمان بارگذاری سازه باعث شبهاتی در تعیین ظرفیت باربری میشود بهعلاوه ظرفیت تخمینی شمع تا وقتیکه شمع در زمین کوبیده نشود قابل حصول نیست.
اشکالات و محدودیتهای موجود در روشهای مختلف و بهخصوص در روشهای آزمایشگاهی باعث شد تا آزمایشهای درجا بهعنوان مکمل آزمایشهای آزمایشگاهی در تعیین طراحیها بهکار برده شوند. از میان آزمایشهای درجا، استفاده از نتایج آزمایش نفوذ مخروط CPT) و (CPTu به دلایلی همچون سادگی، سرعت مناسب، ثبت نتایج پیوسته در عمق، شباهت آزمایش به یک شمع تحت بار محوری و دقت قابلتوجه، گسترش زیادی در طراحی پیهای عمیق پیداکرده است.
در این مقاله به معرفی نمونههایی از بانکهای اطلاعاتی پیهای عمیق و آزمایش نفوذ مخروط که بین سالهای 1988 تا 2111 جمعآوریشدهاند، پرداختهشده است. همچنین به منظور ارزیابی روشهای تعیین ظرفیت باربری استاتیکی شمعها با استفاده از نتایج آزمایش نفوذ مخروط یک بانک اطلاعاتی جدید شامل اطلاعات 558 شمع به همراه نتایج آزمایش نفوذ مخروط انجامشده در مجاورت شمعها معرفیشده است و مشخصات و طبقهبندی دادههای این بانک اطلاعاتی بیان شده است.
.2 معرفی بانکهای اطلاعاتی پیهای عمیق و آزمایش :CPT
· [1] Briaud (1988)
در مجموع تعداد 98 شمع در این بانک مورد استفاده قرارگرفته است. شمعها شامل 64 شمع بتنی با مقطع مربع به ابعاد 36 تا 46 سانتیمتر، 27 شمع با مقطع H و 7 شمع درجا ریز دایرهای با قطر 31 تا 41 سانتیمتر است. طول شمعها از 3 تا 25 متر متغیر است و میانگین طول شمعها 1222 متر میباشد. هیچیک از شمعها ابزار گذاری نشدهاند و مقادیر بارهای نهایی بین 317 تا 2891 کیلو نیوتن با میانگین 1213 کیلو نیوتن است.
این بانک به منظور ارزیابی عملکرد 13 روش تعیین ظرفیت باربری و نشست شمعها بر پایهی نتایج آزمایش نفوذ استاندارد، نفوذ مخروط، فشارسنجی و فرمولهای دینامیکی جمعآوریشده است.
· اسلامی و فلنیوس [2] (1997)
این بانک شامل نتایج 112 مورد عملی از شمعهای قرارگرفته تحت آزمایش بارگذاری استاتیکی که در سایتهای مختلف اجرا شدهاند به همراه پروفیل حاصل از آزمایش CPT در محل اجرای شمع است. دادهها مربوط به 41 سایت از 13 کشور است. خاک سایتها شامل رسوبات رسی، سیلت و ماسه است. بیشتر اندازهگیریهای CPT در فاصله عمودی 311 میلی متر و کمتر است. اکثر شمعها دارای سطح مقطع مربع یا دایره هستند و مصالح آنها فولاد و بتن است. روش اجرای کلیه شمعها بهجز 11 شمع کوبشی است. محدودهی عمق گیرداری شمعها 5 تا 67 متر، قطر شمعها 211 تا 911 میلیمتر و ظرفیت آنها 81 تا 8111 کیلو نیوتن میباشد.
در این بررسی یک روش تعیین ظرفیت باربری شمعها بر اساس دادههای آزمایش CPTu ارائه و به همراه 5 روش تعیین ظرفیت باربری شمعها بر اساس دادههای آزمایش CPT مورد ارزیابی و مقایسه قرارگرفته است.
· Schneider (2008) (ٌ[3] (UWA
این بانک به منظورارزیابی تعدادی از روشهای تعیین ظرفیت باربری با استفاده از آزمایش CPT مورد بررسی قرارگرفته است. تعداد 77 آزمایش بارگذاری شمع در این بانک موجود است که کلیه آنها شمعهای اجرا شده در خاکهای ماسه ای سیلیسی هستند. پروفیل دادههای آزمایشها در بازههای 121 متر در عمق یا کمتر قرائتشدهاند. کلیه شمعها اجراشده از نوع کوبشی ضربهای هستند و عمدهی آنها دارای ظرفیتی کمتر از 5 مگا نیوتن هستند. طول شمعها بین 5 تا 81 متر است و غالب آنها قطر کمتر از 81 سانتیمتر دارند. در اغلب دادهها زمان بین نصب و آزمایش بارگذاری کمتر از 4 هفته است.
· [4] Abu-Farsakh & Titi (2004)
این بانک شامل 35 شمع بتنی پیشتنیده ( PPC2 ) با مقطع مربعی است. عمق گیرداری شمعها بین 9 تا 38 متر و بعد مقطع آنها بین 356 تا 762 میلیمتر متغیر است. از میان 35 شمع، 26 شمع در خاک رس و 9 شمع در خاکهای لایهای اجراشدهاند. کلیه شمعهای این بانک قبل از رسیدن به بار حداکثر به گسیختگی رسیده اند. آزمایشهای بارگذاری با حداقل زمان دو هفته پس از اجرای شمعها انجام شده اند.
در این مطالعات عملکرد 8 روش تعیین ظرفیت باربری با استفاده از نتایج CPT بر روی شمعهای بتنی پیشتنیده اصطکاکی مورد بررسی قرارگرفته است. علاوه بر این 8 روش، ظرفیت شمعها از دو روش تحلیل استاتیکی نیز محاسبه شدهاند.
· [5] Van Dijk & Kolk (2010)
مجموعهای از 33 شمع لولهای فولادی کوبشی به همراه نتایج آزمایش CPT آنها از 15 ساختگاه، برای ارائهی یک روش تعیین ظرفیت باربری شمعهای دریایی اجراشده در رس در این بانک مورد استفاده قرار گرفتهاست. مقادیر مقاومت نوک مخروط qc، فشار آب منفذی u2 و فشار آب منفذی در حالت تعادل u0 در بازههای 121 متر در عمق تعیین شدهاند. ظرفیت نهایی شمعها در آزمایشهای بارگذاری، حداکثر مقاومت اندازهگیری شده در طول آزمایش در نظر گرفته شده که مقدار آن برای وزن مؤثر شمع اصلاحشده است. وزن مؤثر شمع، تفاضل وزن کل شمع و وزن خاک جابجا شده میباشد.
· حسینی و اسلامی [6] (1389)
این بانک به منظور بررسی قابلیت کاربرد 5 روش مبتنی بر نتایج آزمایش CPT و CPTu در تعیین ظرفیت باربری شمعها در محیطهای دریایی ایران تشکیل شدهاست. تعداد شمعهای موجود در این بانک 13 مورد است که از سه ساختگاه مختلف پروژهی میانگذر شهید کلانتری در دریاچهی ارومیه، حوزهی نفتی ابوذر و حوزه نفت و گاز پارس جنوبی خلیج فارس جمعآوری شدهاست.
کلیه 13 شمع مورد استفاده در این بررسی با مقطع دایرهای و با انتهای باز میباشند و سطح مقطع آنها در طول شمع ثابت است. جنس همگی آنها فولادی و نحوه ی اجرا کوبشی است. قطر شمعها بین 685 تا 913 میلیمتر و عمق مدفون آنها بین 41 تا 85 متر متغیر است. برای هر شمع در نزدیکی محل اجرای آن آزمایش پیزوپنترومتر انجام شدهاست که در تمامی آنها از پیزوپنترومتر الکتریکی استفاده شدهاست. در این بانک ارزیابیها در مقایسه با نتایج آزمایش دینامیکی کوبش شمع صورت گرفتهاست. ظرفیت باربری حاصل از آزمایش دینامیکی شمعها بین 4711 تا 16511 کیلونیوتن است. بر اساس طبقهبندی خاک انجام شده نزدیک به 91 درصد خاکهای مورد مطالعه خاکهای رسی نرم و حساس، رس و رس سفت و بقیه سیلت و سیلت ماسهدار و شن- ماسه هستند.
· حسنی [7] (1389)
دادههای موجود در این بانک، شامل اطلاعات 71 شمع از 12 کشور میباشد که عمق مدفون شمعها از 525 تا 67 متر متغیر است. به کمک دادههای این بانک اطلاعاتی یک مدل هوش مصنوعی تعلیم داده شده و از آن در ارزیابی ظرفیت باربری پیهای عمیق استفاده شده است. به این منظور شش شبکه مختلف آموزش دیده و سپس مورد ارزیابی قرار گرفتند. در نهایت نتایج بهترین مدل با 5 روش دیگر تخمین ظرفیت باربری مورد مقایسه قرار گرفتهاست.
.3 مشخصات بانک اطلاعات جمعآوری شده (AUT- CPT&Pile Data Bank)
به منظور ارزیابی روشهای تعیین ظرفیت باربری استاتیکی شمعها یک بانک اطلاعاتی شامل 558 شمع از 29 کشور جمعآوری شدهاست. اکثر دادهها واقع در ایالات متحده است؛ شکل 1 توزیع شمعهای جمعآوریشده را دنیا نشان میدهد. همچنین نام کشورها و فراوانی شمعها در هر کشور در جدول1 ارائه شدهاست.
کلیه دادهها دارای نتایج آزمایش بارگذاری و همچنین نتایج آزمایش نفوذ مخروط (CPT) میباشند. نتایج آزمایش CPT به یکی از چهار حالت مقاومت نوک مخروط((qc به تنهایی، مقاومت نوک و جدار (fs)، مقاومت نوک و فشار آب حفرهای (u) و یا مقاومت نوک، جدار و فشار آب حفرهای میباشد. فراوانی هریک از این حالات در شکل2 نشان داده شدهاست. همچنین با استفاده از نتایج CPT طبقهبندی رفتاری خاک انجام شده است، که بر این اساس دادههاعمدتاً شامل محدوده وسیعی از خاکهای رسی، سیلتی و ماسهای هستند.
آزمایشهای بارگذاری شامل آزمایش بارگذاری محوری استاتیکی Head-Down) و (O-Cell ، آزمایش بارگذاری دینامیکی PDA) و (CAPWAP و یا آزمایش استاتنامیک است. در اکثر دادهها نتایج دارای نمودار کامل بارگذاری میباشد و در برخی تنها ظرفیت نهایی شمع گزارش شدهاست. فراوانی هریک از این حالات در شکل3 نشان داده شدهاست.
