ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - دستورالعمل اندازه گیری بر جای تغییر شکل سنگ با آزمایش بارگذاری صفحه ای با صفحات تغییر شکل پذیر ( (PLT) Plate Load Test)

تعیین سختی سنگ ها و مشخصات شکل پذیری برجای آنها یکی از متغیرهای تعیین کننده در طراحی پروژه های مختلف است. به همین دلیل آزمون های آزمایشگاهی و آزمایش های صحرایی مختلفی در این زمینه طراحی شده است. علاوه بر این موضوع با توجه به تاثیر قابل توجه درزه ها در ویژگی های مختلف سنگ، آزمون های برجا از اهمیت ویژه تری نسبت به آزمون های آزمایشگاهی برخوردار است. آزمایش بارگذاری صفحه در سنگ ها، یکی از رایج ترین آزمایش های برجایی است که در این زمینه به مهندسین برای دستیابی به خصوصیات مقاومتی سنگ کمک می کند. در این مقاله سعی شده است تا مخاطب با دستور العمل آزمایش بارگذاری صفحه ای با صفحات تغییر شکل پذیر به نحوی مناسب آشنا شود.

پروژه جمشیدیه – سی و دوم یکی از پروژه های پایدارسازی گود شرکت عمرانی و مهندسی ایستاسازه است که یکی از مهمترین چالش های آن مواجهه با حجم قابل توجه سنگ در مراحل مختلف گودبرداری است که نمونه ای از تصاویر آن در ادامه مقاله قابل مشاهده می باشد.

مواجه شدن با سنگ در پروژه های گودبرداری -پروژه جمشیدیه
مواجه شدن با سنگ در پروژه های گودبرداری – پروژه جمشیدیه – سی و دوم شرکت ایستاسازه

هدف از آزمایش بارگذاری صفحه ای با صفحات تغییر شکل پذیر در سنگ


با انجام آزمایش به روش بارگذاری صفحه ای (PLT)، ضریب تغییر شکل پذیری بر جای توده سنگ تعیین می شود. لازم به ذکر است این دستور العمل بر پایه آیین نامه ASTM D43 تدوین شده است.


اهمیت و موارد استفاده


در آزمایش بارگذاری صفحه ای (PLT) Plate Load Test از بارگذاری سطحی استفاده می شود و اغلب با عناوین مختلف مانند Plate Braring Test (PBT)، Plate Jacking Test (PGT) و Uniaxial Jacking Test (UJT) شناخته می شود. در این آزمایش دو ناحیه، هرکدام با قطری بین 0.4 تا 1 متر به طور هم زمان، در نقطه مد نظر تحت بارگذاری قرار می گیرد. تغییر شکل توده سنگ در ازای گمانه هایی که در پشت ناحیه بارگذاری و وسط صفحات مربوط حفر شده، اندازه گیری می شود. اطلاعات به دست آمده از بارگذاری مرحله ای با گام های افزایشی و بارگذاری سیکلی، برای محاسبه ضرایب تغییرشکل پذیری و ضریب ارتجاعی (مدول الاستیسیته) در بارگذاری و باربرداری استفاده می شود. متغیرهای خزشی توده سنگ از نمودارهای جا به جایی در برابر زمان به دست می آید. علاوه بر این برای ارزیابی اثرات ناهمسان گردی نیز می توان از تغییر راستای بارگذاری در جهت دلخواه استفاده نمود. با این وجود در تونل ها توصیه می شود که بار جک ها در صفحه ای عمود بر محور تونل آزمایشی، اعمال شود.


تجهیزات


برای اندازه گیری بر جای تغییر شکل سنگ با آزمایش بارگذاری صفحه ای با صفحات تغییر شکل پذیر باید از تجهیزات زیر استفاده شود:


  • تجهیزات لازم برای انجام آزمایش شامل امکاناتی است که برای آماده سازی محل آزمایش حفاری گمانه ابزاربندی شده و پیمایش آن، اندازه گیری تغییر شکل سنگ، ثبت داده های آزمایش و انتقال اجزای مختلف به محل آزمایش ضروری است. در تصویر زیر نمونه ای از تجهیزات مورد استفاده در این آزمایش نمایش داده شده است.
نحوه قرارگیری تجهیزات در داخل فضای زیرزمینی در آزمایش تغییر شکل سنگ
نحوه قرارگیری تجهیزات در داخل فضای زیرزمینی در آزمایش بارگذاری صفحه ای

  • تجهیزات آماده سازی محل آزمایش از ابزار حفاری مانند دریل ها و چکش های حفاری تشکیل شده است. البته ذکر این نکته ضروری است که استفاده از آتش کاری جهت آماده سازی سطح بر اساس آیین نامه غیر مجاز می باشد.
  • دستگاه حفاری گمانه استفاده شده برای ابزاربندی باید تا حد امکان قابلیت مغزه گیری از اعماق دست کم 10 متری را داشته باشد. چند نوع از ابزار مشاهده گمانه برای بررسی وضعیت سنگ در گمانه ابزاربندی جهت مقایسه و تطبیق ویژگی های زمین شناسی با مغزه به دست آمده از گمانه ها، مورد نیاز می باشند.
  • ابزار اندازه گیری تغییر شکل معمولاً شامل یک کشیدگی سنج گمانه ای چند نقطه ای (Multiple Position Borehole Extensometer) برای هر گمانه ابزاربندی و نیز یک وسیله برای اندازه گیری قطر تونل می باشد. کلیه ابزارها باید دارای دقت و حساسیت کافی و متناسب با تغییر شکل های پیش بینی شده باشند. عدم دقت کافی نتایج و خطای قابل توجه ( بیش از 0.01) می تواند سبب بی اعتبار شدن نتایج آزمایش شود.
  • یکی از اجزای بسیار مهم در این آزمایش سیستم بارگذاری است. این سیستم باید قابلیت بارگذاری یکنواخت به دو صفحه عمود بر جک را داشته باشد. جک های تخت و ستون های نگهدارنده نیز باید توان تحمل و حفظ بیشینه بار یکنواخت مطلوب را با ضریب اطمینان کافی داشته باشد. علاوه بر این پمپ هیدرولیکی به کار رفته در آزمایش با متعلقات آن نظیر شیرآلات، سنجشگرها (گیج ها) و لوله ها باید تحمل فشار اعمال شده در حین انجام آزمایش را داشته و بتواند بارهای مورد نظر را با دقت %3 در مدت زمان آزمایش اعمال و حفظ نماید.

مراحل انجام آزمایش


الف) آماده سازی محل


جهت آماده سازی سطح سنگ جهت انجام هر چه دقیق تر آزمایش باید با استفاده از تیشه و دریل عملیات لق گیری سنگ ها در محدوده مورد آزمایش صورت بگیرد تا سنگ های سست از آن محوطه پاکسازی شود. محدوده پاکسازی معمولاً 1.5 تا 2 برابر سطح آزمایش در نظر گرفته می شود تا از اثر توده سنگ اطراف در نتیجه آزمایش تا حد امکان جلوگیری شود. دو سطح آزمایش باید موازی هم بوده و مرکز آن ها در یک راستا و در صفحاتی عمود بر ستون های نگهدارنده قرار گیرند. در صورت نیاز به آتش کاری برای آماده سازی اولیه، باید عملیات به گونه ای انجام شود که این سطوح از هر گونه آسیب مصون بماند.


  • در ادامه مراحل آماده سازی محل آزمایش، دو گمانه برای ابزار سنجی در دو طرف جک در راستای محور ستون نگهدارنده حفاری می شود.

با توجه به بررسی صورت گرفته از مغزه حاصله از گمانه موجود، مختصات نقاط برای نصب ابزارهای اندازه گیری تعیین می شود. موقعیت نقاط گیرداری ابزار اندازه گیری باید به گونه ای باشد که بر روی درزه ها و در نقاط تغییر مناطق ساختاری یا تغییرات زمین شناسی قرار نگیرد. برای سنجش تغییرشکل ها نیاز به یک نقطه ثابت می باشد تا تغییرشکل نقاط نسبت به آن سنجیده شود. این نقطه معمولاً باید کم و بیش در 6 برابر قطر صفحه بارگذاری در زیر سطح سنگ قرار گیرد. در حالت کلی دیگر نقاط درگیر روی MPBX باید در منطقه تنش حداکثر یعنی بین سطح سنگ و نقطه ای به فاصله تقریبی 3 برابر قطر جک در پشت سطح انتخاب شوند. نمونه ای از نحوه انتخاب و ارتباط نقاط درگیر با شرایط ساختاری توده سنگ در شکل زیر نشان داده شده است.

نحوه تعیین موقعیت نقاط درگیر نسبت به شرایط زمین شناسی توده سنگ
نمونه ای از نحوه تعیین موقعیت نقاط درگیر نسبت به شرایط زمین شناسی توده سنگ در گمانه ابزاربندی

روش انجام آزمایش


الف) پس از آماده سازی محل و حفر گمانه ها، مهندسین امر موظفند تا از مناسب بودن عملکرد الکترونیکی و مکانیکی تجهیزات موجود اطمینان حاصل نمایند. این کنترل نیز یک بار دیگر پس از نصب اجزای بارگذاری باید صورت بگیرد. در نهایت کلیه وسایل مکانیکی، الکترونیکی و هیدرولیکی پس از بتن ریزی و نصب کامل تجهیزات و پیش از اعمال اولین افزایش بار کنترل شوند.

ب) آزمایش ها باید به طور پیوسته و شبانه روزی، بر پایه مقادیر بار تعیین شده از قبل در محل صورت بگیرد. افزایش بار نیز باید به شکلی منظم و هماهنگ با دیدگاه طراحی انجام شود.

ج) برای به دست آوردن داده های مطلوب، لازم است در هنگام انجام آزمایش، تغییر شکل سنگ با ابزار خودکار به طور پیوسته و یا با فواصل زمانی مناسب ثبت شود. درصورت استفاده از سیستم ثبت ناپیوسته حداقل 4 قرائت در هنگام اولین ساعت بارگذاری یا باربرداری باید توسط فردی که مسئولیت انجام آزمایش را بر عهده دارد صورت بگیرد.

د) حداکثر فشار آزمایش، شمار سیکل ها تا رسیدن به بیشترین فشار و شمار آزمایش های فشار در هر سیکل بر حسب شرایط آزمایش تعیین خواهد شد. تعداد رفت و برگشت بارگذاری و باربرداری برای این آزمایش در این آیین نامه 5 عدد پیشنهاد شده است. در هر باربرداری فشار تا اندازه فشار نصب کاهش یافته و دوباره افزایش می یابد. فشار حداکثر در هر سیکل، طی پنج پله، حاصل خواهد شد. در شکل های زیر به ترتیب نمونه ای از یک چرخه بارگذاری، نمونه ای از زمان بندی یک آزمایش معمولی نمایش داده شده است.

تغییر شکل سطح سنگ به صورت تابعی از فشار بارگذاری
تغییر شکل سطح سنگ به صورت تابعی از فشار بارگذاری
تغییر شکل سطحی سنگ برحسب زمان در آزمایش بارگذاري صفحه ای
تغییر شکل سطحی سنگ برحسب زمان در آزمایش بارگذاری صفحه ای

محاسبات


  • تغییرشکل های اندازه گیری شده در چرخه های مختلف بارگذاری برای محاسبه ضریب تغییر شکل با استفاده از رابطه مناسب به کار می رود. برای ساده سازی، می توان برای تخمین رفتار توده سنگ در شرایط واقعی ساختگاه از رابطه مبتنی بر نظریه الاستیسیته استفاده نمود.
  • در شرایط فشار با پراکنش یکنواخت در یک سطح دایره ای، جابه جایی نقاط زیر مرکز سطح بارگذاری به کمک رابطه زیر محاسبه می شود:

آزمایش بارگذاری صفحه ای

در این رابطه متغیرها عبارتند از:


wz = جابه جایی در راستای اعمال فشار (میلی متر)

 Z = فاصله از سطح بارگذاری تا نقطه ای که در آن جا به جایی محاسبه می شود، (میلی متر)

q = فشار (مگاپاسکال)

a = شعاع ناحیه بارگذاری

E = ضریب ارتجاعی (مگاپاسکال)

ϑ = نسبت پواسون

در روی سطح سنگ،  z = 0 بوده و رابطه بالا به شکل زیر تغییر می یابد:

فرمول 1 آزمایش بارگذاری صفحه ای

در صورت استفاده از صفحه دایره ای در دو طرف جک، تاثیر ناحیه بارگذاری نشده در مرکز باید کسر شود.


فرمول 3 آزمایش بارگذاری صفحه ای

در این رابطه :


a1 = شعاع داخلی جک تخت یا شعاع سوراخ (میلی متر)

a2 = شعاع خارجی جک تخت (میلی متر)

پس از جایگذاری و ساده سازی رابطه بالا خواهیم داشت:

فرمول 4 آزمایش بارگذاری صفحه ای

با محاسبه مقادیر WZ1 و WZ2 در نقاط Z1 و Z2 می توان مقدار ضریب ارتجاعی را با استفاده از رابطه زیر محاسبه نمود:

فرمول 3 آزمایش بارگذاری صفحه ای

گزارش نتایج


گزارش آزمایش باید موارد زیر را شامل شود:


  • توضیحات کامل زمین شناسی محل آزمایش شامل جنس سنگ، پیمایش مغزه، شرایط ناپیوستگی ها در سطح و در عمق، عکس مغزه های به دست آمده، تصاویر محل های آماده سازی شده برای آزمایش به همراه توصیف عوارض و تبعات ناشی از آتش کاری
  • توضیح تجهیزات استفاده شده در آزمایش همراه با عکس آن در محل نصب، میزان دقت و حساسیت کلیه ابزار اعمال فشار و ابزار تغییرشکل و داده های واسنجی برای همه تجهیزات
  • ارائه اطلاعات خام آزمایش در قالب جدول
  • ترسیم منحنی تغییر شکل بر حسب فشار (از اطلاعات این نمودار برای ترسیم منحنی های تنش-کرنش، محاسبه ضرایب مختلف و تعیین ویژگی های برگشت پذیری استفاده می شود.)
  • ترسیم نمودار تغییر شکل برحسب زمان (از این نمودار برای مطالعه خزش در نمونه سنگ استفاده می شود.)
  • رسم منحنی های تغییر شکل برحسب عمق مبنا (این منحنی تغییر شکل برای تعیین نواحی آنومالی با مدول کم تر یا بیش تر از مقدار میانگین استفاده می شود.)
  • مدول محاسبه شده، برای حل مسائل طراحی مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

منابع:

1) نشریه شماره 737 سازمان برنامه و بودجه کشور “دستورالعمل انجام آزمون های آزمایشگاهی و صحرایی مکانیک سنگ”

2) Agharazi, Alireza & Tannant, Dwayne & Jafari, Ahmad. (2008). Stress and tunnel geometry effects on deformation modulus derived from plate load tests.


در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

سایر مقاله ها

ماشین آلات تراکم خاک (Soil Compaction Equipment)

به مجموعه تجهیزات مورد استفاده برای افزایش چگالی خاک، ماشین [...]


بیشتر بخوانید

تراکم خاک چیست؟ (?What is Soil Compaction)

تراکم خاک (Soil Compaction)، به عنوان یکی از مراحل ثابت [...]


بیشتر بخوانید

دستورالعمل تعیین تنش برجا و ضریب تغییر شکل پذیری با استفاده از روش جک تخت (Flat Jack Method)

با انجام آزمایش جک تخت (Flat Jack)، تنش بر جای [...]


بیشتر بخوانید

میلگرد چیست؟ مشخصات و کاربرد انواع میلگرد چیست؟ (?What is Rebar)

میلگرد مخفف (میله تقویت کننده) است که به پروفیلی با [...]


بیشتر بخوانید