بخشی از مقاله
-1 مقدمه
به طور کلی محاسبه و پیشبینی نشست شمع ها پیچیده است. این مسئله به خاطر تغییر ماهیت خاك در هنگام احداث شمع و نیز به دلیل عدم آگاهی از نحوه توزیع نیرو در جداره و نوك شمع میباشد. از این رو روابطی که براي نشست شمعها مطرح شده است، بیشتر تجربی میباشند. برخی از نتایج آزمایش بارگذاري در ماسه در تحقیقات مختلفی ارائه شده و قابل دسترسی است.
Omer و همکاران [1] با کمک یک آنالیز تحلیلی - تجربی روشی را جهت محاسبه نشست و توزیع تنش در جداره شمع ارائه نمودند. آنها این روش را بر مبناي نتایج بارگذاري 10
شمع به دست آوردند. Fellenius و [2] Ochoa با انجام آزمایش بارگذاري بر روي 4 شمع در دو گروه با ابعاد مشابه، ظرفیت باربري جداره و نیز توزیع نیرو در جداره شمع را مورد بررسی قرار دادند. آنها در این آزمایش نشست شمع را در بار مجاز اندازهگیري نمودند و با این آزمایش پروژه موردي ساخته شده را کنترل نمودند. [3] Castelli یک روش تقریبی را جهت محاسبه نشست شمع منفرد و در نتیجه نشست گروه شمع، پیشنهاد نمود. او در این روش، رفتار غیرخطی اندرکنش خاك-
شمع را با کمک تابع هیپربولیک بار- انتقال مدل سازي کرده و
با کمک مقایسه نتایج محاسباتی با نتایج حاصل از بارگذاري شمع در محل مقایسه نموده که سازگاري خوبی مشاهده گردید. Cooke و [4] Whitaker با آزمایش روي شمعهاي داراي پدستال نشان دادند که مقاومت نهایی جداره با نشستی به اندازه
0/5 تا 1 درصد قطر بدنه شمع اتفاق میافتد و این در حالی است که مقاومت نهایی نوك با نشستی معادل 10 تا 15 درصد قطر نوك شمع رخ میدهد. این مسئله براي شمعهاي کوتاه حائز اهمیت است. [5] Vesic و Sharma و [6] Joshi نشان دادند که در خاك ماسه اي مقدار نشستی که به ازاي آن جداره شمع به ظرفیت نهایی خود میرسد، بدون توجه به نوع شمع و ابعاد آن، از 0/2 اینچ بیشتر نمیشود. [7] Randolph با کمک آزمایش بارگذاري به همراه مدلسازي عددي و روش بار- انتقال نشان داد که مقاومت جداره به ازاي نشست 0/5 تا 2 درصد قطر شمع به حداکثر خود میرسد، ولی مقاومت نوك به ازاي 5 تا 10
درصد نشست به حداکثر خواهد رسید. بنابر این جداره شمعها خیلی زودتر از نوك آنها به ظرفیت نهایی خود میرسد. مکانیزم انتقال بار به مقدار بار و ابعاد شمع نیز بستگی دارد. شکل (1)
نمونهاي از منحنیهاي توزیع بار را نشان می دهد. جهت تعیین نحوه درست توزیع بار میبایست از آزمایش بار گذاري به همراه نصب گیجهاي اندازهگیري در جداره و نوك شمع استفاده نمود.
* نویسنده مسئول دریافت 91/8/5 پذیرش 92/3/21
/ 36 نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 43، شماره 4، زمستان 1392، پیاپی 73 مطالعه آزمایشگاهی و ...
شکل -1 نمودار توزیع نیرو در جداره و نوك شمع کوبشی
Francis) و همکاران [10] و ([5] Vesic
بنابر این با توجه به توضیحات فوق، در گذشته به طور کلی نشست را از روشهاي نیمه تجربی و تجربی محاسبه مینمودند.
امروزه با توسعه کامپیوتر محاسبه نشست و توزیع بار به روش بار- انتقال، روش محاسبه نشست بر اساس تئوري الاستیسیته با کمک معادلات [8] Mindlin براي بارگذاري روي سطح یک محیط نیمه بینهایت که توسط Poulos و [9] Davis ارائه شد
و نیز روشهاي عددي مانند روش المانهاي محدود انجام
میشود که در ادامه به برخی از این روشها اشاره می شود.
یکی از دقیقترین روشهاي ارزیابی نشست شمعها، انجام آزمایش بارگذاري شمع در محل میباشد که در پروژههاي با اهمیت بیشتر توجیهپذیر خواهد بود. در این مطالعه با کمک آزمایش بارگذاري فشاري شمعها نشست شمعها اندازهگیري و
سپس با برخی از روشهاي محاسبه نشست مقایسه می گردد.
-2 روشهاي محاسبه نشست شمعها
[11] Meyerhof رابطه زیر را براي محاسبه نشست شمعها
در ماسه پیشنهاد نمود:
(1) db ρ
30F
که db قطر شمع در نوك و F ضریب اطمینان بزرگ تر از 3 در بار نهایی میباشد. واحد این دو پارامتر یکسان است.
طبق پیشنهاد [5] Vesic براي مقاصد طراحی نشست شمع را مطابق رابطه (2) میتوان به سه مؤلفه تقسیم نمود:
St Ss S p S ps (2)
که St نشست کل شمع در بالاي آن، Ss نشست محوري خود شفت و Sp نشست مربوط به نوك شمع در اثر باري که به نوك منتقل شده و Sps نشست مربوط به جداره شمع در اثر باري که به آن منتقل شده میباشد.
نشست Ss از رابطه (3) به دست میآید:
Ss ( Q pa αsQ fa )L /( Ap E p ) (3)
که Qpa بار واقعی منتقل شده به نوك شمع در سطح بار کمتر از بار مجاز، Qfa بار واقعی منتقل شده به جداره شمع در سطح بار کمتر از بار مجاز، L طول شمع، Ap سطح مقطع شمع، Ep مدول الاستیسیته شمع و αs هم عددي است که به نحوه توزیع بار در جداره شمع بستگی دارد. [5] Vesic مقدار αs را برابر 0/5 براي توزیع یکنواخت و سهمی و 0/67 را براي توزیع مثلثی (صفر در بالاي شمع و حداکثر در نوك شمع) پیشنهاد نمود. Sharma و [6] Joshi نشان دادند که نشست کل به مقدار αs حساس نیست و براي مقاصد طراحی انتخاب هر مقدار αs عدد قابل قبولی را به دست میدهد.
بر مبناي روابط تئوري و تجربی که بین مشخصات خاك و مقاومت نهایی نوك (qp) شمع در تعدادي از پروژه ها گزارش شده است، [5] Vesic روابط زیر را براي محاسبه مؤلفههاي دیگر نشست پیشنهاد نمود:
(4) S p C p Q pa /( Bq p )
(5) S ps C s Q fa /( D f q p )
که Cp ضریب تجربی و بدون بعد است و به نحوه احداث شمع و میزان تراکم خاك بستگی دارد. [5] Vesic مقدار این ضریب را براي ماسه سست تا متراکم در شمعهاي بتنی درجا بین 0/09 تا
0/18 و در شمعهاي کوبشی بین 0/02 تا 0/04 پیشنهاد کرده است. qp ظرفیت باربري نهایی نوك شمع از جنس نیرو بر واحد سطح، B قطر شمع و Df طول مدفون شمع میباشد. Cs از رابطه
(6) به دست میآید:
D f / B ).C p (6) C s ( 0.93 0.16
/ 37 نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 43، شماره 4، زمستان 1392، پیاپی 73 مطالعه آزمایشگاهی و ...
لازم به ذکر است که در روابط اخیر فرض شده که لایه مقاوم باربر خاك به اندازه حداقل 10 برابر قطر شمع از نوك شمع پایینتر قرار گرفته است.
AL-Homoud و همکاران [12] با در اختیار داشتن نشست شمعهاي بتنی درجاي حاصل از آزمایش بارگذاري، روابط [5] Vesic و Poulos و [9] Davis را مورد ارزیابی قرار دادند.
آنها با کمک ارزیابی پارامتریک و آنالیز برگشتی، ضرایب تجربی موجود در این روابط را بررسی نمودند و نشان دادند که این روشها مقدار نشست را دست بالا تخمین می زند. روش دیگري که براي ارزیابی نشست شمعها مورد استفاده قرار میگیرد، روش اجزاء محدود یا المانهاي محدود می باشد. توضیحات کامل روش المانهاي محدود توسط [13] Zienkiewicz و Desai و Abel [14] و کاربرد آن در ژئوتکنیک توسط Desai و Christian [15] ارائه شد. استفاده از این روش در مورد شمعها توسط چندین محقق بیان شد. [16] Desai براي شمعها در ماسه، رفتار خاك را به صورت منحنی هیپربولیک در نظر گرفته و براي جداره از المانهاي مرزي خاصی استفاده نمود. در نظر گرفتن رفتار هیپربولیک براي خاك توسط محققین دیگري نیز دنبال شد و نتیجه جالبی که از این تحقیقات به دست آمد، این بود که با وجود رفتار غیر خطی تنش-کرنش، رفتار بار- نشست شمع تا باري فراتر از نصف بار گسیختگی به صورت خطی میباشد. این مطلب نشان میدهد که با قبول رفتار الاستیک خاك در محدوده بار مجاز شمع و با انتخاب مدول الاستیسیته مناسب میتوان پیشبینی خوبی از منحنی بار - نشست شمعها داشت.
امروزه با کمک نرمافزارهاي عددي میتوان مدلسازي شمعها را انجام داده و نشست شمعها را مورد ارزیابی قرار داد.
زمانی که براي خاك رفتار الاستیک در نظر گرفته میشود، انتخاب مدول الاستیسیته خاك معمولاً دشوار است. براي تخمین این پارامتر روابط متعددي بیان شده است. Schmertmann [17] رابطه (7) را جهت تعیین مدول الاستیسیته ماسه با کمک نتایج آزمایش نفوذ استاندارد پیشنهاد نمود:
Es 766 N (7)
این مقاله نشان می دهد که با کمک آزمایش بارگذاري شمع و با فرض اینکه خاك رفتار الاستیک را در محدوده بار مجاز تجربه میکند، می توان مدول الاستیسیته خاك را با کمک آنالیز برگشتی تخمین زد.
-3 مشخصات خاك محل
در این تحقیق شهر ساحلی سرخرود به عنوان محل انجام آزمایش انتخاب گردید. این منطقه طبق تقسیمات زمین شناسی کشور در زون گرگان- رشت واقع شده است. از نظر رسوبات زمین شناسی شامل رسوبات دوره پالئوژن و دوره چهارم زمین شناسی میباشد. خاك این منطقه یک نهشته ساحلی میباشد. از این رو تحت اثر حرکات تلاطمی آب قرار داشته است و این حرکات باعث شکل دادن و تولید این نهشته ساحلی شده است.
به همین دلیل در فاصله قابل ملاحظه اي از دریا خاكها ساختار نسبتاً منظمی از لحاظ دانسیته نسبی و استحکام دارند. البته در برخی از نقاط ممکن است این نظم با ورود نهشته هاي رودخانهاي از بین برود.
از آنجا که بررسی اثر آب زیرزمینی مورد بحث قرار نخواهد گرفت، از این رو محل آزمایش و زمان انجام آن به گونه اي انتخاب شده است که تراز آب زیر زمینی پایینتر از نوك شمعها قرار گیرد. در هنگام انجام آزمایش تراز آب زیر زمینی درحدود 5
متر از سطح زمین قرار گرفته است.
در این تحقیق دو دسته آزمایشات محلی و آزمایشـگاهی بـر روي خاك محل انجام پذیرفت. از جمله آزمایش درصـد رطوبـت طبق استاندارد ASTM D 2216-98، آزمـایش تعیـین چگـالی دانهها طبق استاندارد ASTM D 854، آزمایش دانهبندي با الک طبق استاندارد ASTM D 422، آزمایش طبقهبنـدي خـاك بـه روش یونیفاید طبق استاندارد ASTM D 2487 و آزمایش برش مســتقیم طبــق اســتاندارد [18] ASTM D 3080 بــر روي نمونههایی که در هنگام حفاري شمعها تهیه شـده اسـت، انجـام شده است. منحنی دانهبندي خـاك در عمـق 1 متـري در شـکل
(2) نشان داده شده است.
