بخشی از مقاله
چکیده: آزمایش کنترل یکپارچگی شمع - Pile Integrity Test - ، PIT، بر روي بیش از 30 مورد از شمعهاي اجرا شدة قدیمی اسکلههاي 10 و 14 پست در بندر امام خمینی به منظور برآورد طول آنها انجام شده است. اسکلههاي 10 و 14 پست در مجاورت هم و به طول تقریبی 5000 متر و پهناي 55 متر در اواسط دهه 70 میلادي احداث شدهاند.
شمعهاي اجرا شده از نوع بتنی پیشتنیده کوبشی، تولید شده به روش سانتریفیوژ و به قطر 800 میلیمتر است. هدف اصلی از انجام آزمایشهاي PIT برآورد طول شمعهاي اجرا شده، به ویژه در ردیفهاي نزدیکتر به سمت پهلوگیري کشتی، به منظور ارزیابی گسترش ظرفیت اسکلههاي 10 و 14 پست بندر امام خمینی بوده است. قبل از انجام عملیات این نگرانی وجود داشت که با توجه به نسبت بالاي طول به قطر شمعها که در محدودة 30 تا 50 برآورد میشد، اخذ نتیجه مطلوب امکانپذیر نباشد.
اما علیرغم مشکل فوق و همچنین مشکل دسترسی مستقیم به راس شمعها، نتایج رضایتبخشی بدست آمد. علل اصلی در موفقیت نتایج، یکپارچه بودن شمعها و عدم وجود اتصال، کیفیت بالا و همگنی بتن شمعها و توخالی بودن آنها را میتوان برشمرد. طول شمعها در محددة 25 الی 40 متر و میانگین 33 متر حاصل شد که براي اهداف افزایش ظرفیت اسکله مناسب بود.
-1 مقدمه
همانند سایر سازهها، مقاومسازي و یا ارتقاء ظرفیت بهرهبرداري اسکلههاي قدیمی در بنادر مختلف کشور از جمله برنامههاي عمرانی بیش از یک دهه گذشته بوده و همچنان تداوم دارد. با توجه به قدمت حداقل 30 الی 40 ساله این اسکلهها، اطلاعات و نقشههاي“چونساخت” - As-Built - آنها معمولا در دسترس نیست. لذا در برداشت و ارزیابی وضعیت موجود اسکله، از جمله اطلاعات مهم و کلیدي طول شمعهاي اجرا شده در نقاط مختلف اسکله است.
طول کل شمع یک اسکله معمولا در سه بخش بالاي سطح آب، بین تراز سطح آب تا شروع زمین و بخش مدفون در خاك است. مشکل اصلی در تعیین طول کل شمع، کسب اطلاعات از بخش مدفون شمع در خاك میباشد. آزمایشهاي غیرمخرب موسوم به “آزمایش دینامیک شمع” در این راستا راهگشا هستند. آزمایشهاي دینامیکی شمع به دو نوع “آزمایشهاي کرنش بالا” و “آزمایشهاي کرنش پایین” تقسیم میشوند.
آزمایش دینامیکی کرنش بالا که به آزمایش - Pile Driving Analyzer - PDA موسوم است در حین کوبش شمعهاي پیشساخته با چکش شمعکوب و یا با اعمال ضربه چکش شمعکوب بر روي شمعهاي اجرا شده به منظور کنترل ظرفیت باربري، تنشهاي ایجاد شده در شمع در حین کوبش، راندمان چکش شمعکوب و همچنین ارزیابی کنترل کیفیت و آسیبهاي احتمالی شمع انجام میشود. براي این منظور حسگرهاي مختلفی در نزدیکی رأس شمع نصب میگردد که اطلاعات حاصل از ضربه چکش را به سیستم ضبط اطلاعات یا دستگاه PDA منتقل مینماید.
اما در آزمایشهاي کرنش پایین ضربه تنها توسط یک چکش دستی مخصوص به رأس شمع وارد شده و موج کرنشی حاصله از طریق یک حسگر شتاب نگاشت به سیستم ثبت اطلاعات منتقل میگردد. با پردازش و تحلیل موج حاصل از ضربات چکش میتوان وضعیت یکپارچگی پروفیل طول شمع را از لحاظ هندسی و کیفیت مصالح ارزیابی نمود. از طرف دیگر، چنانچه نوع مصالح شمع معلوم باشد - مثلا بتن یا فولاد - میتوان با اندازهگیري دقیق زمان رفت و برگشت موج کرنشی پس از اعمال ضربه، نسبت به طول شمع قضاوت نمود. براي اطلاعات مبسوطتر راجع به تستهاي دینامیک شمع میتوان به فخاریان و فیضی - 1386 - مراجعه نمود.
آزمایشهاي غیر مخرب در فونداسیونهاي شمعی جهت ارزیابی پیوستگی فیزیکی آنها از حدود دهه 80 میلادي به ویژه در آمریکاي شمالی بصورت عادي انجام میشود . - Cunha, 2008 - در این میان تعیین طول پیهاي عمیق از اهمیت خاصی برخوردار است. روشهاي متعددي براي تعیین طول شمعها وجود دارد. انتخاب روش و برنامه آزمایش بستگی به اطلاعات مورد نیاز، نوع فونداسیون، نوع خاك و شرایط دسترسی به فونداسیون دارد . - Sack et al., 2008 -
به هر دلیلی که نیاز به مشخصات فونداسیون داشته باشیم، واضح است که قابلیت اطمینان، سرعت و هزینه روش آزمایش مهم خواهد بود. روشهاي متعددي جهت ارزیابی فونداسیونهاي نامشخص وجود دارد. این روشها یا بر پایه انتشار موج کرنش - تنش - استوارند - مانند روش کرنش پایین - و یا روشهاي مافوق صوت میباشند. از جمله روشهایی که بر پایه موج تنش استوارند میتوان از روشهاي Surface Sonic Echo - SE - ، Impulse Response - IR - و Spectral Analysis of Surface Wave - SASW - نام برد.
روش Parallel Seismic - PS - را میتوان از جمله روشهاي مافوق صوت براي فونداسیونهاي نامشخص دانست. دیگر روشهاي مافوق صوت مانند روش Cross-hole Sonic Logging - CSL - و یا Single-hole Sonic Logging - SSL - با برنامهریزي قبلی و قرار دادن یک لوله از جنس PVC یا فولادي در شمع انجام میشود. براي مواردي که به یک ارزیابی سریع و ارزان از فونداسیون نیاز داریم روشهاي کرنش پایین مطلوب میباشند. محدودیت این روشها احتیاج به دسترسی به قسمتهاي بالایی فونداسیون - یا بطور ایدهآل سر شمع - بوده و نیز این روشها براي شمعهاي خیلی بلند و لاغر مناسب نیستند.
در مورد نسبت طول به قطر شمعهایی که میتوان با این روش آزمایش کرد اطلاعات متفاوتی در دسترس است. بطور مثال Rausche and Likins - 1993 - نسبت طول به قطر را براي خاكهاییبا مقاومت نسبتاً بالا حدود 30 پیشنهاد کردهاند. در چین آیین نامه JGJ 106-2003 که یک کد براي آزمایش فونداسیونهاي شمعی ساختمانها است، این نسبت را بین 30 تا 50 پیشنهاد میکند.
البته واضح است در هر مورد نتایج آزمایشهاي انجام شده و بررسی سیگنالهاي بدست آمده نشان میدهد که آیا روش قابل استفاده خواهد بود یا سیگنال مشخصی از نوك شمع بدست نمیآید. در عین حال آزمایش PIT بنا به اظهار محققین ابزاري مناسب براي کنترل طول و کیفیت جدار شمع است . - White et al., 2008 - همچنین مقالات مختلفی تاکنون براي تعیین طول شمع با این روش منتشر شده است که از جمله میتوان به Morgano - 1996 - و Massoudi and Teferra - 2004 - اشاره نمود.
در این مقاله بکارگیري روش PIT در تعیین طول شمعهاي اسکلههاي 10 و 14 پست بندر امام خمینی پرداخته شده است. شمعهاي این اسکلهها از نوع سانتریفیوژ و با قطر خارجی 800 میلیمتر است که در اواسط دهه 70 میلادي اجرا شدهاند. تعداد 30 شمع از مجموع هر دو اسکله در نقاط مختلف طی عملیات ویژهاي آزمایش شد و با انجام تحلیلهاي مربوطه طول شمعها برآورد شد. نسبت طول به قطر شمعها در این مطالعه در محدودة 30 تا 50 است و دسترسی مستقیم به راس شمعها نیز وجود ندارد. لذا چالش اصلی این بود که آیا بکارگیري آزمایش PIT پاسخگو خواهد بود؟ روند انجام عملیات، تحلیلهاي مربوطه و نتایج حاصله و همچنین بحث در مورد دقت آنها در این مقاله پرداخته شده است.
-2 آزمایش کنترل یکپارچگی شمع - PIT -
آزمایش ارزیابی یکپارچگی شمعها - PIT - یک روش موثر در تعیین محل آسیبدیدگی شمعهاي بتن درجا و کوبیدنی محسوب میشود. با توجه به اینکه انجام این آزمایش به برنامهریزي قبلی و نصب لولههاي دسترسی نیاز ندارد، بر روي کلیه شمعهاي بتنی پس از نصب آنها قابل انجام است. با توجه به کاهش قابل ملاحظه هزینه انجام این آزمایش، استفاده از آن به شدت رو به گسترش است.
گرچه یک مهندس باتجربه با یک نگاه اجمالی به نتایج بدست آمده ممکن است بتواند راجع به وضعیت کلی شمع اظهار نظر نماید، اما لازم است نتایج این آزمایش به دقت مورد ارزیابی قرار گیرد. پیشرفتهاي اخیر صورت گرفته در نحوة انجام تحلیل نتایج این آزمایش، با هزینههاي منطقی استفاده از تفسیرهاي غیراستدلالی - حسی - را کاهش داده است.
در صورتی که لولههاي دسترسی در شمعهاي مشکوك از لحاظ یکپارچگی به منظور انجام آزمایش CSL و یا SSL نصب نشده باشند - نصب لولههاي دسترسی مستلزم برنامهریزي قبلی و هزینههاي اضافی است - ، هزینه ارزیابی شمعها میتواند به شدت افزایش یابد. انجام عمل مغزهگیري هر شمع نیز علاوه بر گران بودن کار مشکل میباشد. حتی در صورت انجام آن، به علت کوچک بودن ابعاد نمونه گرفته شده، آسیب دیدگیهاي موضعی در بعضی اعماق قابل تشخیص نخواهد بود. بنابراین تنها روش عملی، استفاده از آزمایش یکپارچگی شمع است.
این آزمایش به علت سادگی و ارزان بودن، در صورت نیاز میتواند جهت ارزیابی کلیه شمعهاي موجود در یک سایت مورد استفاده قرار گیرد. در اغلب موارد یک نمونه آماري از شمعها جهت انجام این آزمایش انتخاب میشود. در صورت سالم بودن این شمعها انجام این آزمایش متوقف میشود. اما در صورت وجود نقطه ضعف در تعدادي از این شمعها، تعدادي آزمایشهاي اضافی بر روي شمعهاي مجاور آنها صورت میگیرد. انتخاب شمعهاي مورد آزمایش میتواند با توجه به مشاهدات اجرائی و یا به بصورت تصادفی صورت گیرد.
-1-2 ابزار مورد نیاز جهت انجام آزمایش یکپارچگی شمع
ابزار مورد نیاز جهت انجام آزمایش یکپارچگی شمع عبارتند از: چکش دستی - که ممکن است داراي سنسور اندازهگیري نیرو نیز باشد - ، سنسور حرکتی و دستگاه تحلیلکننده - شکل . - 1 سنسور حرکتی معمولا از نوع شتابنگاشت است که با انتگرالگیري نسبت به زمان به سرعت قابل تبدیل است.
-2-2 روش انجام آزمایش یکپارچگی شمع و تفسیر نتایج
با اعمال ضربه توسط چکش دستی به رأس شمع، موج فشاري با کرنش کم در شمع ایجاد میشود. هنگامی که این موج فشاري پائین رونده به تغییر مقطع یا تغییر خواص در طول شمع برخورد میکند، یک موج کششی بالارونده در شمع ایجاد میشود که این پالس توسط سنسور نصب شده در رأس شمع احساس میشود. رکوردهاي سرعت و همچنین انعکاسهاي ایجاد شده از نوك شمع و یا از محل گسستگیها بصورت گرافیکی رسم میشود. اطلاعات فوق در دیسک سخت نیز ذخیره میشوند. محل آسیب دیدگی براساس میزان سرعت موج در شمع و وسعت منطقه آسیب دیده با توجه به بزرگی انعکاس ایجاد شده تخمین زده میشود.
هنگامی که ضربه به راس شمع نواخته میشود، یک فشردگی لحظهاي در رأس شمع ایجاد شده و موجب حرکت ذره به سمت پایین در سطح فوقانی شمع میگردد. این فشردگی ناشی از نیروي ضربه چکش، F، است که موجب حرکت رو به پایین ذره با سرعت V میگردد. این حرکت ذرهاي به صورت موج کرنش - یا تنش - فشاري به سمت پایین در طول شمع منتشر میگردد.
سرعت انتشار این موج کرنشی، c، تابع خواص و جنس شمع است. در فولاد سرعت این موج 5130m/s است. اما در بتن سرعت موج تنش، c، داراي محدودهاي بین 3000m/s تا 4500m/s است. رابطه c با خواص مصالح شمع از معادله - 1 - تبعیت میکند: که در آن E مدول الستیک شمع و جرم مخصوص آن است. موج فشاري پایین روندة تنش چنانچه در طول مسیر حرکت خود در استوانه شمع به تغییر در امپدانس شمع برخورد نماید، انعکاسی ایجاد کرده و موج انعکاس یافته پس از طی مسیر در رأس شمع توسط حسگر نصبشده ثبت میگردد. امپدانس مقطع شمع، Z، تابعی از خواص الاستیک و سطح هندسی شمع است.
زمانی که طول میکشد تا انعکاسات ناشی از تغییرات امپدانسی یا انعکاسی در نوك شمع به سطح فوقانی در رأس شمع بازگردد تابعی از فاصله رأس شمع تا نقطعه انعکاس موج و همچنین سرعت انتشار موج است. بنابراین با توجه به ثابت بودن سرعت موج در طول شمع میتوان زمان را به طول یا مسافت تبدیل نمود. هر یک از دو حالت زیر توسط مهندس انجام آزمایش ممکن است بکار گرفته شود:
-1 فرض شود که طول شمع دقیقا مشخص است و در نتیجه سرعت انتشار موج از زمان رفت و برگشت موج به نوك شمع و انعکاس رو به بالا محاسبه میگردد.
-2 اگر طول شمع معلوم نباشد، باید سرعت موج را با توجه به جنس مصالح شمع فرض نمود و بعد طول شمع را با توجه به زمان رفت و برگشت موج از انعکاس نوك شمع محاسبه نمود. در نتیجه دقت اندازهگیري طول شمع به دو عامل بستگی خواهد داشت. اول اینکه سرعت معقولی براي انتشار موج فرض گردد. دوم آنکه انعکاس واضحی از نوك شمع حاصل گردد.
