ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع (Static Pile Load Testing)

آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع (Static Pile Load Testing)

مقدمه

هنگامی که به دلیل نشست های زیاد بر روی خاک سست و یا مشکلات محیطی امکان استفاده از پی های سطحی وجود ندارد راه حل جایگزین استفاده از پی های عمیق یا شمع می باشد. با توجه به مکانیزم انتقال بار توسط شمع، بار وارده توسط اصطکاک جدار و مقاومت نوک به خاک وارد می گردد. طراح با استفاده از داده های به دست آمده با استفاده از آزمایش های برجا یا آزمایشگاهی، نوع و طول شمع را مشخص می کند. برای بررسی ظرفیت باربری شمع در محل از انواع آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ مانند آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع استفاده می شود.

تعیین ظرفیت باربری پی های عمیق با استفاده از روش های زیر انجام می شود:

  • روش های تحلیل استاتیکی مبتنی بر پارامترهای مقاومت برشی
  • کاربرد مستقیم نتایج آزمایش های درجا: مانند SPT و CPT
  • آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع (Static Pile Load Test)
  • روش های دینامیکی
    • فرمول های دینامیکی
    • تحلیل معادله موج: WEAP
    • تحلیل انطباق سیگنال: CAPWAP

آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ به صورت دینامیکی و استاتیکی می باشد که در این مقاله به بررسی آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع پرداخته می شود.

 برای اطمینان از طراحی و کیفیت مناسب شمع ها می توان از آزمایش هایی برای اندازه گیری ظرفیت باربری شمع استفاده کرد. برای به دست آوردن ظرفیت باربری شمع می توان از آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ که آزمایش های استاتیکی شمع یکی از آن هاست بهره برد. بعد از انجام آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ و به دست آوردن مقاومت شمع در صورت لزوم، طرح ابتدایی اصلاح می شود تا کاربری لازم فراهم گردد. بهتر است آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ در فاز طراحی انجام شود ولی معمولا در فاز اجرا صورت می گیرد. ماهیت کلی آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ بسیار ساده بوده و با استفاده از مکانیزمی که بسته به دسترسی، روش ها و تجهیزات متفاوت است نیروی قابل توجهی را به صورت گسسته یا پیوسته به سر شمع وارد کرده و مقادیر تغییر مکان قائم سر شمع را ثبت می کند. نتایج و داده ها را برای مقادیر بار متناظر با هر تغییر مکان در نمودار بار-تغییر مکان ثبت نموده و طبق روش های متفاوتی که وجود دارد مقدار ظرفیت باربری نهایی شمع پیش بینی و آزمایش می گردد. در این میان بسته به شرایط، بعضا شمع مورد نظر به گسیختگی، نشست بیش از حد، اتمام ظرفیت جک و … می رسد.

هدف از انجام آزمایش آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع

از آنجایی که روابط ارائه شده برای محاسبه ظرفیت باربری شمع با توجه به خاک و شرایط محیطی تهیه شده است یکی از دقیق ترین روش ها برای به دست آوردن ظرفیت شمع آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع می باشد. به دلیل وجود موارد عدم اطمینان متعدد موجود در روند آنالیز و طراحي شمع ها، انجام آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ بر روی شمع، حصول اطمینان از بیشتر بودن ظرفیت نهایی شمع در اجرا نسبت به مقاومت اسمی شمع ( مقاومت فشار، مقاومت جانبی، مقاومت کششی) که برای طراحی مورد استفاده قرار گرفته است، می باشد. هنگامی که آنالیز دینامیکی شمع در کنار آزمایش استاتیکی بر روی شمع انجام می شود نتایج دقیق تری حاصل می گردد.

عملا برای پروژه هايي که حاوی:

  • پي های عمیق و اجرا شده در خاک مسئله دار
  • شمع های با متراژ مصرفي زياد
  • پروژه هایی که از اهمیت به سزایی برخوردار هستند
  • تجارب کمي از پروژه های مشابه در منطقه در دسترس باشد

انجام آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ در پروژه اجتناب ناپذير می باشد. هرچند انجام آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ باعث افزایش هزینه در پروژه می شود اما در شرایطی می تواند هزینه ی نهایی پروژه را کاهش دهد.

توصیه نامه ی FHWA در شرایط زیر استفاده از آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع را مناسب می داند:

  • هنگامی که پروژه ابعاد وسیعی داشته باشد و شرایط لایه بندی خاک و نوع شمع ها مشابه باشند که در این صورت صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ایجاد می شود. 
  • هنگامی که نسبت به ایمنی بارگذاری در پروژه به دلیل شرایط غیر معمول محیط و کارگاه شک و ابهام وجود داشته باشد.
  • هنگامی که شرایط سنگ یا خاک در محل های مختلف تغییرات زیادی داشته باشد.
  • هنگامی که بار طراحی نسبت به بارهای طراحی متداول، بزرگ تر باشد. 
  • هنگامی که به دلیل گیرش یا رهایی، ظرفیت باربری خاک در طول زمان تغییر کند.
  • در صورت استفاده از نوع و یا روش جدیدی در اجرای شمع هایی که قبلا تجربه ی استفاده از آن ها وجود ندارد.
  • در صورتی که از شمع های موجود برای تحمل بارهای بیشتر از مقدار طراحی استفاده شود. 
  • برای به دست آوردن مقادیر ظرفیت کششی و جانبی خاک

همراه با آزمایش استاتیکی شمع می توان با استفاده از آنالیز دینامیکی شمع نسبت به فرضیات استفاده شده در طراحی، اطمینان حاصل کرد. با استفاده از آنالیز دینامیکی شمع، مقاومت خاک، بازده و عملکرد چکش و تنش های ایجاد شده در شمع را هنگام کوبش می توان به دست آورد.

بارگذاری استاتیکی شمع - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه
بارگذاری استاتیکی شمع

آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع

اهداف آزمایش بارگذاری شمع به شرح زیر است:

  • تعیین توان باربری تک شمع و یا گروه شمع
  • تعیین جابجایی تک شمع و یا گروه تحت بار سرویس (بار بدون ضریب)
  • کنترل توان باربری مفروض و مقایسه ی آن با مقدار واقعی
  • کسب اطلاعات در خصوص چگونگی مقادیر انتقالی توسط جداره و کف شمع
  • تدقیق و کاهش ضریب اطمینان و صرفه جویی در هزینه ی پی سازی پروژه های کلان

برای انجام آزمایش بارگذاری استاتیکی با استفاده ازشمع های تکیه گاه، یک یا تعدادی جک هیدرولیکی بار محوری را به سر شمع آزمایش وارد می کنند. در صورتی که بار وارد شده به صورت فشاری باشد شمع های تکیه گاهی دچار کشش شده و اگر بار وارده به سر شمع آزمایش کششی باشد شمع های تکیه گاه تحت فشار قرار می گیرند. با استفاده از ابزارگذاری مناسب می توان تغییر مکان های شمع آزمایش و شمع های تکیه گاهی را به صورت دقیق برداشت کرد. برای انجام آزمایش بارگذاری استاتیکی پنج عدد شمع (چهار شمع تکیه گاه و یک شمع آزمایش) مورد استفاده قرار می گیرد.

در آزمایش بارگذاری استاتیکی، نوع شمع و روش اجرا باید همانند شرایط اجرای شمع های اصلی باشد. بارگذاری شمع ها باید حداقل تا ۲ برابر بار سرویس ادامه داشته باشد، هرچند بهتر است تا مرحله ی گسیختگی کامل این بارگذاری ادامه یابد. آزمایش های کنترلی پس از اتمام اجرا معمولا به منظور کنترل کیفیت و بازرسی و اطمینان از صحت اجرا به ازای هر ۲۵۰ الی ۳۰۰ شمع یک آزمایش انجام می شود.

بار لازم برای اعمال به شمع را می توان با استفاده از روش های مختلف فراهم کرد. مکانیزم های اعمال بار بر روی شمع به شرح زیر است:

مکانیزم بارگذاری شمع يا گروه شمع توسط جک هيدروليكی و ايجاد عكس العمـل به وسـيله قاب مهارشده

همانطور که از ماهیت آزمایش پیداست به منظور وارد کردن نیرو، به یک نیروی عکس العمل نیاز است که در اینجا این نیرو توسط چند شمع با عملکرد کششی اصطکاکی در اطراف شمع اصلی تامین می شود. جک نیرو را با تکیه دادن و مهار کردن به تیرهایی که در انتها به شمع های فرعی متصل هستند وارد می کند. شمع اصلی مورد آزمایش به درون خاک رانده می شود و تغییر مکان ها ثبت و ضبط می گردند.

اعمال نیرو توسط جک هیدرولیکی و قاب - آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌
اعمال نیرو توسط جک هیدرولیکی و قاب – آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌

آزمایش بارگذاری استاتیکی با جک هیدرولیکی- ایستاسازه
آزمایش بارگذاری استاتیکی با جک هیدرولیکی

مکانیزم بارگذاری شمع يا گروه شمع توسط جـک هيـدروليكی و ايجـاد عكـس العمـل به وسيله ی سكو

در این روش برای تامین تکیه گاه جک و نیروی عکس العمل از جعبه ی سنگین و وزین و یا سکو استفاده می شود و وزن ناشی از این وسایل استحکام و ثبات کافی برای راندن شمع و اعمال نیروی بار را فراهم می کند.

مکانیزم بارگذاری شمع يا گروه شمع به طورمستقيم به وسيله وزنه های معين

در این روش که مشابه روش پیشین است برای تامین تکیه گاه جک و نیروی عکس العمل از وزنه های یکسان و مشخصی  استفاده می شود و وزن آن ها جک را قادر می سازد تا شمع را به داخل خاک فرو راند.

آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ - اعمال نیرو توسط وزنه-شرکت عمرانی ایستاسازه
اعمال نیرو توسط وزنه

بارگذاری در آزمایش استاتیکی شمع به روش های زیر انجام می شود:

روش های بارگذاری آزمایش استاتیک شمع
روش های بارگذاری آزمایش استاتیک شمع

بارگذاری سریع: یکی از روش های انجام آزمایش بارگذاری شمع می باشد که لازم الاجراست. در این روش بارگذاری در هر بازه بارگذاری باری معادل ۵ درصد بار گسیختگی به شمع وارد می شود. هر بازه ی بارگذاری به صورت پیوسته و بلافاصله بعد از قرائت جابجایی ناشی از بارگذاری قبل اعمال می شود. نموهای بارگذاری تا گسیختگی شمع ادامه می یابد. مدت زمان هر بازه ی بارگذاری نباید کمتر از ۴ دقیقه و بیشتر از ۱۵ دقیقه طول بکشد. بعد از اتمام آزمایش لازم است بار روی شمع توسط ۵ الی ۱۰ گام از روی شمع برداشته شود و مانند زمان های بارگذاری هر گام نباید کمتر از ۴ دقیقه و بیشتر از ۱۵ دقیقه طول بکشد.

بارگذاری آهسته: یک روش اختیاری در آزمایش بارگذاری شمع می باشد. در این روش شمع در صورتی که به گسیختگی نرسد به مقدار ۲ برابر بار طراحی برای شمع و ۱.۵ برابر برای گروه شمع بارگذاری می شود. در این روش در هر گام ۲۵ درصد بار طراحی به شمع اعمال می شود. هر گام بارگذاری تا زمانی که نرخ جابجایی محوری از ۰.۲۵ میلیمتر بر ساعت بیشتر نشود روی شمع باقی می ماند. نهایت زمان بارگذاری باید به ۲ ساعت محدود شود. پس از رسیدن به بیشینه ی بارگذاری که باید حداکثر در مدت ۱۲ ساعت انجام شود، هنگامی که جابجایی محوری شمع در مدت ۱ ساعت بیشتر از ۰.۲۵ میلیمتر نباشد شروع به باربرداری می کنیم. در غیر اینصورت  بیشینه بار باید به مدت ۲۴ ساعت بر روی شمع باقی بماند. در صورتی که هنگام بارگذاری گسیختگی رخ دهد لازم است تا بار گسیختگی یا بیشینه بار ممکن بر روی شمع باقی بماند تا زمانی که جابجایی محوری کل برابر ۱۵ درصد قطر یا عرض مقطع شمع شود. بعد از تکمیل شدن بارگذاری نهایی، در گام های معادل ۲۵ درصد بار بیشینه و فاصله ی ۱ ساعت بین گام ها بار از روی شمع برداشته شود.

بارگذاری اضافه بر بارگذاری استاندارد: این روش یک روش اختیاری در آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع می باشد. پس از بارگذاری و باربرداری به روش توضیح داده شده در قسمت بارگذاری آهسته، شمع مجددا توسط گام های بارگذاری معادل ۵۰ درصد بیشینه بار، بارگذاری می شود و بین هر گام ۲۰ دقیقه فاصله ایجاد می شود. سپس بار اضافه در گام هایی معادل ۱۰ درصد بار طراحی شمع یا گروه شمع تا زمان رسیدن به بیشینه بار مورد نیاز یا گسیختگی به شمع اعمال می شود. بین گام های بارگذاری ۲۰ دقیقه فاصله باید رعایت شود. اگر شمع گسیخته شود باید آزمایش تا رسیدن به نشست معادل ۱۵ درصد قطر یا عرض شمع ادامه یابد. اگر شمع گسیخته نشود بار نهایی به مدت ۲ ساعت به شمع وارد می شود و سپس در ۴ گام با فصله زمانی ۲۰ دقیقه بین هر گام بار از روی شمع برداشته می شود.

بارگذاری مرحله ای در فواصل زمانی مساوی: این روش در آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع اختیاری است. در این روش مانند روش بارگذاری آهسته مراحل طی می شود با این تفاوت که در هر گام بارگذاری ۲۰ درصد بار طراحی شمع یا گروه شمع اعمال می شود و بین گام های بارگذاری ۱ ساعت فاصله است. سپس در طی باربرداری نیز بین گام های باربرداری ۱ ساعت فاصله رعایت شود.

بارگذاری با نرخ نشست ثابت: این روش در آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع اختیاری است. در این روش بار به نوعی تغییر می کند تا نرخ نشست شمع برای خاک چسبنده بین ۰.۲۵ تا ۱.۲۵ میلیمتر بر دقیقه و برای خاک دانه ای بین ۰.۷۵ تا ۲.۵ میلیمتر بر دقیقه باشد. سپس بارگذاری تا زمانی که به مقدار ۱۵ درصد میانگین قطر شمع یا عرض شمع در زمین فرو رود یا دیگر فرو نرود ادامه می یابد. سپس بارگذاری از روی شمع برداشته می شود.

در روش سیکلی: که بارگذاری بر روی شمع تا گسیختگی شمع انجام می شود و بارگذاری به صورت نرخ های یکسان بارگذاری و باربرداری به شمع اعمال می شود. با توجه به شیوه ی انجام آزمایش در زمان بسیار کوتاهی انجام می شود. بار آزمایش می تواند باعث فعال شدن تمام مقاومت شمع و خاک می شود. مقاومت اندازه گیری شده المان های دینامیکی را در بر نخواهد داشت و ظرفیت باربری نهایی شمع برای حد گسیختگی مشخص می شود.

بارگذاری با نشست های مرحله ای ثابت: این روش در آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع اختیاری است. در این روش ابتدا مقداری بار به شمع وارد می شود تا سر شمع به اندازه تقریبا ۱ درصد قطر شمع جابجا شود. لازم است تا بار به گونه ای به شمع وارد شود تا نشست شمع در هر مرحله ثابت باشد. تا زمانی که نرخ تغییرات بارگذاری برای ثابت نگه داشتن نشست کمتر از ۱ درصد باشد نیازی به افزایش بار نیست. بارگذاری شمع تا زمانی که نشست به ۱۵ درصد قطر شمع برسد ادامه می یابد. سپس بار نهایی در ۴ گام از روی شمع برداشته می شود.

در انتهای آزمایش، داده های بارگذاری و جابجایی، برداشت شده و یک نمودار بار- جابجایی برای آزمایش رسم می شود. بار نهایی را می توان از روی منحنی و داده های برداشت شده به دست آورد. در نهایت نتایج آزمایش بیانگر مناسب بودن طرح اولیه و اجرای شمع است و یا نیاز به تغییر و طراحی مجدد شمع ها را نشان می دهد. برای تحلیل نتایج آزمایش روش های مختلفی وجود دارد که در ادامه نام برخی از این روش ها آورده شده است:

روش های تحلیل نتایج آزمایش بارگذاری استاتیک
روش های تحلیل نتایج آزمایش بارگذاری استاتیک

روش Davisson در سال ۱۹۷۲ ارائه شد. در این روش نمودار بار- جابجایی به دست آمده از آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع برای تحلیل ظرفیت شمع استفاده می شود. در این روش بر روی یک منحنی بار جابجایی یک خط با شیب EA/L شمع و با فاصله ی d از مرکز مختصات رسم می شود. فاصله ی d از رابطه ی زیر به دست می آید که در آن b برابر قطر شمع می باشد:

قطر شمع بر حسب اینچ:

d=0.15+b/120

قطر شمع بر حسب میلیمتر: 

d= 4+ b/120

محل تقاطع خط رسم شده با نمودار نیرو – جابجایی برابر ظرفیت باربری شمع است.

آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ - روش Davisson offset limit
روش Davisson offset limit

روش Hansen برای تحلیل ظرفیت باربری شمع استفاده می شود. در این روش به شکل مستقیم از منحنی بار – جابجایی آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ استفاده می شود. برای استفاده از روش Hansen لازم است در کنار منحنی حاصل از آزمایش منحنی دیگری نیز رسم شود. برای رسم این منحنی لازم است تا مجذور جابجایی تقسیم بر بار مربوط به همان جابجایی بر اساس جابجایی رسم شود. معادله خط منحنی رسم شده مشخص شده و سپس بار نهایی با استفاده از روابط زیر به دست می آید:

فرمول بارگذاری استاتیکی 1

مجذور جابجایی تقسیم بر بار مربوط به همان جابجایی:

فرمول بارگذاری استاتیکی 2

روابط بالا بار و جابجایی نهایی شمع را مشخص می کنند که در آن C1 شیب خط منحنی جابجایی می باشد و C2 عرض از مبدا خط منحنی  می باشد.

روش Hansen - شرکت مهندسی ایستا سازه

روش Chin-Kondner  در سال ۱۹۷۰ ارائه شد. در این روش منحنی بار تقسیم بر جابجایی – جابجایی رسم می شود.

در این روش نیز مانند روش Hansen با استفاده از خط رسم شده می توان باربری نهایی شمع را محاسبه کرد:

فرمول بارگذاری استاتیکی 3

در معادله ی بالا Qu  برابر ظرفیت نهایی شمع و C1 برابر شیب خط  می باشد.

آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ - روش Chin-Kondner
روش Chin-Kondner

در روش DeBeer  منحنی بار – جابجایی در مقیاس لگاریتمی رسم می شود. نقطه ای که در آن شیب نمودار تغییر می کند برابر با ظرفیت باربری نهایی شمع است.

آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌ - روش DeBeer - شرکت ایستاسازه
روش DeBeer – آزمایش‌ بارگذاری شمع‌‌

استانداردهای مربوط به آزمایش بارگذاری استاتیکی

استانداردهای مربوط به انواع آزمایش های بارگذاری استاتیکی
استانداردهای مربوط به انواع آزمایش های بارگذاری استاتیکی شمع

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

سایر مقاله ها

خاک های رمبنده (Collapsible Soil)

در طبیعت خاک هایی هستند كه تحت تنش یكسان، با [...]


بیشتر بخوانید

ظرفیت باربری پی (Bearing Capacity of Foundation)

خاک باید بدون آنکه دچار گسیختگی برشی شود، توانایی تحمل [...]


بیشتر بخوانید

نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)

پی (شالوده یا فونداسیون) یک سازه وزن زیادی دارد و [...]


بیشتر بخوانید

ابزار دقیق در مهندسی ژئوتکنیک (Instruments in geotechnical engineering)

ابزار دقیق در مهندسی ژئوتکنیک (Instruments in geotechnical engineering) ابزار [...]


بیشتر بخوانید