تخمین و برآورد ظرفیت باربری محوری شمع ها از ابتدای ایجاد رشته مهندسی ژئوتکنیک همواره یک چالش بوده است. در سال های اخیر، تعیین ظرفیت باربری شمع ها از داده های آزمایش برجا به عنوان مکمل تحلیل استاتیکی و دینامیکی توسط مهندسین ژئوتکنیک مورد استفاده قرار گرفته است. آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) کماکان رایج ترین آزمایش برجا در مهندسی ژئوتکنیک است و تعیین ظرفیت باربری شمع توسط SPT یکی از اولین کاربردهای این آزمایش است. از سوی دیگر گرایش به استفاده از روش های عددی در مسائل ژئوتکنیکی روز به روز در حال افزایش است و استفاده از محاسبات اجزا محدود در طراحی پی ها با استقبال فراوانی مواجه شده است. نوشتار حاضر رویکردهای مختلف برای تخمین و برآورد ظرفیت باربری شمع ها را از داده های SPT توضیح داده و آن را با روش عددی مقایسه کرده است. سپس مقایسه بین نتایج روش عددی و تجربی ارائه و مورد بحث قرار گرفته است.
معرفی
برآورد و تخمین ظرفیت باربری محوری شمع ها به عنوان موضوعی با بیشترین عدم قطعیت در طراحی پی شناخته می شود. چندین روش و رویکرد برای غلبه بر عدم قطعیت اشاره شده توسعه داده شده است. این روش ها شامل برخی فرضیات ساده کننده یا رویکردهای تجربی با توجه به لایه بندی خاک، اندرکنش خاک – شمع و توزیع مقاومت خاک در طول شمع است. بنابراین، این روش ها مقادیر کمّی و مفیدی را در طراحی شالوده (فونداسیون) ارائه نمی کنند. ظرفیت باربری شمع ها را می توان با 5 رویکرد تعیین کرد:
تحلیل استاتیکی (static analysis)
تحلیل دینامیکی (dynamic analysis)
آزمایش دینامیکی (dynamic testing)
آزمایش بارگذاری شمع (pile load test)
آزمایش برجا (in-situ testing)
دستورالعمل های طراحی مبتنی بر تحلیل استاتیکی، اغلب استفاده از مفهوم عمق بحرانی را توصیه می کنند. با این حال، مفهوم عمق بحرانی ایده آل سازی است که دارای بنیان نظری و تجربی قابل اعتماد نیست و در تضاد با قوانین فیزیکی است. روش های تحلیل دینامیکی بر اساس مکانیک موج برای سیستم چکش – شمع – خاک است. عدم قطعیت بر اثر ضربه چکش و همچنین تغییر در مقاومت خاک نسبت به شرایط در زمان کوبش شمع و همچنین در زمان بارگذاری، باعث عدم قطعیت در تعیین ظرفیت باربری می شود. روش های آزمایش دینامیکی فقط توسط یک فرد با تجربه قابل استفاده است و تخمین ظرفیت باربری پیش از کوبش شمع در دسترس نیست. آزمایش بارگذاری شمع بهترین روش برای تعیین ظرفیت باربری شمع است ولی این نوع آزمایش ها معمولا هزینه و زمان زیادی لازم دارد که برای پروژه های معمولی یا کوچک توجیه اقتصادی ندارد. در سال های اخیر، کاربرد استفاده از نتایج آزمایش برجا در طراحی ژئوتکنیکی افزایش یافته است. این موضوع به دلیل توسعه سریع ابزارهای آزمایش برجا و درک بهتر از رفتار خاک است.
روش های مورد استفاده در تعیین ظرفیت باربری
آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) کماکان متداول ترین آزمایش برجا است. همچنین SPT رایج ترین روش آزمایش صحرایی است که برای به دست آوردن ایده در مورد مشخصات لایه بندی در زمین یک پروژه اتخاذ شده است. این آزمایش در عین سادگی یکی از قابل اعتمادترین روش ها از دیدگاه مهندسان اجرایی نیز است. این آزمایش در حد فاصل اواخر دهه 1920 و اوایل دهه 1930، با استفاده از یک نمونه گیر با قطر خارجی 51 میلیمتر که توسط وزنه ای 63.5 کیلوگرمی با سقوط آزاد از 760 میلیمتر درون خاک نفوذ می کند، استانداردسازی گردید. ضربات مورد نیاز برای نفوذ نمونه گیر به اندازه 300 میلیمتر، بعد از نفوذ اولیه 150 میلیمتر اولیه، به عنوان عدد نفوذ استاندارد نامیده می شود. این روش تنها با اعمال تغییرات جزئی در سطح بین المللی پذیرفته شده است. تعداد ضربه ها برای هر یک از سه نفوذ 150 میلیمتری باید جداگانه ثبت شود. جدا از کاربردهای اصلی آن در مورد خصوصیات خاک، مقادیر عدد نفوذ استاندارد به طور گسترده برای طراحی پی سازه ای و سایر سازه های خاکی به ویژه برای ظرفیت باربری محوری شمع ها استفاده شده است. تعیین ظرفیت باربری شمع توسط SPT یکی از اولین کاربردهای این آزمایش است که شامل دو رویکرد اصلی مستقیم و غیر مستقیم می باشد. روش های مستقیم مقادیر عدد نفوذ استاندراد N را با استفاده از تعدادی عوامل اصلاح کننده به کار می برند. روش های غیرمستقیم از مقادیر زاویه اصطکاک داخلی و مقاومت برشی زهکشی نشده که توسط مقادیر اندازه‌گیری شده و با روش های مختلف تخمین زده می شوند، استفاده می کنند. در میان این دو رویکرد، روش مستقیم به علت سهولت محاسبات بیشتر مورد پذیرش است. در مطالعه حاضر، روش های مستقیم معمول مبتنی بر SPT مطابق جدول زیر برای برآورد ظرفیت باربری محوری شمع استفاده شده است.
تعیین ظرفیت باربری محوری شمع با استفاده از عدد نفوذ استاندارد (مطالعه موردی)
با اجرای یک گمانه 15 متری در شهر بابل واقع در شمال ایران (شکل 1)، وضعیت لایه بندی خاک (مطابق شکل 2) شناسایی شده است. سطح آب زیرزمینی در 1.5 متری سطح زمین قرار دارد. میانگین وزن واحد حجم خاک 1.93 گرم بر سانتی متر مکعب و میانگین مدول الاستیسیته آن 90 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. شکل 3 تغییرات مقادیر عدد نفوذ استاندارد سایت این پروژه را با عمق نشان می دهد.
بر اساس داده های SPT فوق، یک مساله فرضی در نظر گرفته شد و ظرفیت باربری شمع درجاریز به طول 7 متر و قطر 1 متر توسط روش های مذکور مطابق جدول زیر تعیین گردید.
صحت سنجی
به منظور انجام اعتبار سنجی، یک آزمایش بارگذاری شمع در آلمان مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. آزمایش بارگذاری، رفتار بار – نشست یک شمع را بررسی کرد. 4.5 متری فوقانی خاک لایه زیر سطحی از سیلت و پس از این لایه تا اعماق زیاد از رسوبات دوره سوم متشکل شده است. این رسوبات، خاک رس سخت با پلاستیسیته زیاد و شبیه به رس فرانکفورت، با درجات متفاوتی از پیش تحکیمی است. سطح آب زیرزمینی حدود 3.5 متر زیر سطح زمین قرار دارد. شمع در نظر گرفته شده دارای قطر 1.3 متر و طول 9.5 متر است. شمع به طور کامل داخل خاک رس پیش تحکیم یافته واقع شده است. سیستم بارگذاری شامل دو جک هیدرولیکی است که بر یک تیر وارد می شود. این تیر توسط 16 انکر (مهاری) پشتیبانی می گردد. این انکرها (مهاری ها) به صورت قائم در عمق بین 15 تا 20 متر زیر سطح زمین و در فاصله حدود 4 متری از شمع آزمایشی اجرا شده اند تا اثرات متقابل بین شمع آزمایشی و انکرها را به حداقل برسانند. در مرحله بعدی آزمایش بارگذاری انجام شد. بارگذاری اعمال شده افزایش پیدا کرد تا نرخ تغییرات نشست قابل صرف نظر کردن شود. آزمایش بارگذاری شمع با مشخصات معرفی شده توسط El Mosalamy در خاک رس فرانکفورت انجام شده است که به منظور صحت سنجی روش عددی مورد استفاده به کار گرفته شده است. شکل زیر به صورت شماتیک این آزمایش را نشان می دهد.
در اشکال بعدی میان نتایج به دست آمده توسط مدلسازی عددی در مطالعه حاضر و نتایج حاصل از آزمایش انجام شده توسط El Mosalamy مقایسه ای به عمل آمده است. این مقایسه تطابق قابل قبولی را میان نتایج موجود نشان می دهد.
تعیین ظرفیت باربری شمع توسط 3D FOUNDATION PLAXIS
در این بخش ظرفیت باربری شمع ذکر شده در قسمت قبلی، توسط نرم افزار PLAXIS 3D FOUNDATION تعیین می شود. این نرم افزار یک برنامه سه بعدی مبتنی بر روش اجزا محدود است که به طور ویژه برای تجزیه و تحلیل سازه های فونداسیون، از جمله فونداسیون سازه های دریایی (off-shore) است. به منظور تجزیه و تحلیل رفتار تک شمع، ابتدا یک مدل ساخته شده است. در مدلسازی ابعاد هندسه مدل 50 در 50 متر فرض گردید. المان شمع با استفاده از المان حجمی واقع در مرکز هندسه مدل، مدلسازی شده است. فصل مشترک (Interface) خاک و شمع در امتداد طول شمع مدلسازی شده است. مش تولید شده برای شمع به طول 7 متر و قطر 1 متر توسط نرم افزار به شکل زیر است:
نمودار تنش بر حسب نشست شمع که توسط نرم افزار اجزا محدود مورد استفاده تحلیل شده، در شکل زیر ارائه شده است.
ظرفیت باربری شمع در نظر گرفته شده توسط این نرم افزار 1200 کیلو نیوتن به دست آمده است. شکل زیر مقایسه ای میان روش های مختلف و مطالعه حاضر را نشان می دهد.
نتیجه گیری
تعیین ظرفیت باربری شمع ها از موضوعات جذاب مهندسی ژئوتکنیک است. ماهیت پیچیده زمینی که شمع ها در آن اجرا می گردد و فقدان مدل های تحلیلی مناسب برای برآورد ظرفیت باربری محوری شمع از دلایل اصلی تمایل مهندس ژئوتکنیک به ادامه تحقیقات بیشتر در این زمینه است. روش های مستقیم پیش بینی ظرفیت باربری برای شمع ها بر اساس داده های آزمایش برجا، خصوصا با استفاده از عدد SPT توسعه داده شده که کاربرد آنها نیز در سال های اخیر افزایش پیدا کرده است. در این تحقیق با تجزیه و تحلیل شمع توسط روش اجزا محدود (FEM) و مقایسه آن با روش های رایج، تلاش گردید تخمین معقولی برای ظرفیت باربری شمع به دست آید. نتایج نشان می‌دهد که در این مطالعه موردی، ظرفیت باربری پیش‌بینی شده با روش Bazaraa & Kurkur بسیار نزدیک به ظرفیت باربری به دست آمده از روش اجزا محدود (FEM) است. همچنین روش Meyerhof مقدار ظرفیت باربری را دست پایین و روش Shariatmadari ظرفیت باربری را بیش از مقدار واقعی برآورد می کند. بنابراین مقدار 1200 کیلونیوتن می تواند پیش بینی خوبی برای ظرفیت باربری شمع درجاریز در نظر گرفته شده با مشخصات خاک ارائه شده و طول 7 متر و قطر 1 متر باشد.
منبع:
Shooshpasha, Issa, Ali Hasanzadeh, and Abbasali Taghavi. “Prediction of the axial bearing capacity of piles by SPT-based and numerical design methods.” Geomate Journal 4.8 (2013): 560-564.
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
- تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
- ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
- پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
- تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
- ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
- شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
- خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
- سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
- دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار ABAQUS
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
- ژئوفیزیک (Geophysics)
- آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
- روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
- آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
- آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
- سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
مطالب مرتبط :
