The influence of group effects on micropile behaviour – Jaw Molendijk

ریز شمع (میکروپایل) توسط پروفسور F. Lizzi در دهه 1950 در ایتالیا معرفی شد. در ابتدا ریز شمع ها برای پروژه های بهسازی استفاده گردید. پس از جنگ جهانی دوم بسیاری از پایه ها باید بازسازی می شدند. ریز شمع ها به عنوان شمع هایی با قطر نسبتاً کوچک تقریباً 200 میلی متر تا 300 میلی متر تعریف می شوند. در نتیجه نسبت طول به قطر در ریز شمع ها زیاد است. به طور کلی، ریز شمع ها از میلگرد فولادی و بدنه دوغاب تشکیل شده است که در حین یا پس از نصب، تحت فشار قرار می گیرد. میکروپایل ها بر اساس روش نصب به چند گروه تقسیم می شوند. نوع طبقه بندی ریزشمع ها در هر کشور یا منطقه به دلیل روش های مختلف نصب و استفاده از ریزشمع ها برای کاربردهای مختلف، متفاوت است. تحقیق بررسی شده در کتاب تاثیر عملکرد گروهی ریز شمع ها بر روی رفتار آن ها مربوط به عملکرد هلندی است و به همین دلیل به روش طبقه بندی ریز شمع هلندی که دارای پنج گروه مختلف است اشاره می شود:

نوع A: یک غلاف دوتایی برای فرآیند حفاری استفاده می شود. تزریق دوغاب برای این نوع ریزشمع ها تحت فشار انجام می گیرد.

نوع B: برای فرآیند حفاری از یک غلاف منفرد استفاده می شود. در این گروه از ریزشمع ها نیز تزریق می تواند تحت فشار صورت گیرد.

نوع C: ریزشمع هایی که بدون غلاف نصب می شوند، دوغاب سر تا سر میلگرد فولادی تزریق می شود.

نوع D: برای حفاری در این گروه از ریزشمع ها از مته های مارپیچ استفاده می شود. در مرحله تزریق نیز از مخلوط خاک و دوغاب برای بهبود عملکرد مجموعه استفاده می گردد.

نوع E: در این دسته از میکروپایل ها، غلاف تحت ویبره به داخل خاک نفوذ کرده و تا عمق مورد نظر ادامه می یابد.

هدف تحقیق

هدف اصلی این تحقیق بررسی تاثیر عملکرد گروهی ریز شمع ها بر روی رفتار آن ها است. بنابراین سوال اصلی تحقیق بررسی شده در این کتاب را می توان به صورت زیر تدوین نمود:

“چگونه استفاده از ریزشمع ها به صورت گروهی بر استحکام و سختی ریزشمع ها در بارگذاری محوری و کششی تأثیر می گذارد؟”

برای مدلسازی عددی ریز شمع ها در این تحقیق از نرم افزار ژئوتکنیکی FEM PLAXIS استفاده شده است. از آنجایی که تاثیر عملکرد گروهی، یکی پدیده سه بعدی است در این تحقیق هم از مدلسازی دو بعدی و هم از مدلسازی سه بعدی بهره گرفته شده است. برای پاسخ به سوال اصلی ابتدا به چند سوال فرعی زیر پاسخ داده می شود.

1. مدل مناسب برای آرایش تکی میکروپایل ها تحت بارگذاری محوری و کششی چیست؟
2. چگونه فاصله ریزشمع بر اندازه اثر گروه تأثیر می گذارد؟
3. چگونه می توان اثرات نصب را در مدلسازی لحاظ نمود؟
4. مدل سه بعدی مناسب چه ویژگی هایی باید داشته باشد؟
5. چگونه می توان یافته های تحقیق را تایید کرد و در آیین نامه طراحی گنجاند؟

همانطور که در ابتدا گفته شد، ریزشمع ها، شمع هایی هستند که در محل ساخته می شوند و قطر نسبتاً کمی (حداکثر 0.3 متر) دارند. در دستورالعمل های فعلی، عامل اثر گروهی میکروپایل ها و اندرکنش بین ریزشمع ها در قالب یک گروه شمع معرفی شده است.

تاثیر این عامل از تحقیقات با شمع های پیش ساخته کوبشی سرچشمه می گیرد. با این حال، تنها تعداد محدودی از تحقیقات متمرکز بر اثرات گروه شمع برای ریزشمع‌ های تحت بارگذاری محوری کششی وجود دارد. در کتاب تاثیر عملکرد گروهی ریز شمع ها بر روی رفتار آن ها، یک روش عددی برای بررسی اثرات گروهی برای ریزشمع های بارگذاری محوری کششی ارائه شده است.

ابتدا یک مدل ریز شمع با آرایش تکی به صورت دو بعدی و سه بعدی با کمک نرم افزار روش المان محدود ژئوتکنیکی PLAXIS ایجاد و توسعه داده شده است. در این مدل، تنها فاز تزریق تحت فشار فرض می شود که به طور قابل توجهی بر شرایط خاک در محل، تأثیر می گذارد. مشخصه های مدل مانند اندازه، مقدار و رفتار توده خاک از اطلاعات موجود در یک مطالعه موردی در آمستردام هلند به دست آمده است. در این مورد شش آزمایش برای تعیین بار شکست شمع انجام شده است. در مدل‌سازی در حالت دو بعدی در شرایط کرنش مسطح،  برای مدلسازی میکروپایل در مدل تکی از ردیف ‌هایی با المان تیر به شکل مدفون در خاک تشکیل شده است. رفتار بار – تغییر مکان این مدل همبستگی رضایت ‌بخشی را با رفتار بار – تغییر مکان اندازه‌گیری شده در آزمایش‌ های بار شمع انجام شده نشان می‌دهد. پس از توسعه یک مدل دو بعدی ریز شمع در آرایش تکی، مدل نهایی سه بعدی میکروپایل ها در حالت تکی با عناصر حجمی ارائه شده است. در مدل سه بعدی تک شمع، شبیه سازی فاز تزریق در ریز شمع ها انجام گرفته است.

در حقیقت این مدلسازی ها برای این است که تعیین ویژگی های مختلف ریز شمع که وابسته به سختی و ظرفیت باربری خاک ها می باشد، در تعیین اثر گروهی ریز شمع ها امری بسیار مهم بوده و مدلسازی های بعدی که در آن میکروپایل به صورت گروهی مدل شده است را تحت تاثیر قرار می دهد.

با مدل‌سازی فاز تزریق با فشار، ظرفیت ریز شمع و سختی آنها با دقت بیشتری مدل‌سازی می شوند. برای تایید نتایج مدلسازی سه بعدی، داده های به دست آمده از مدلسازی، با نتایج و نمودارهای بار – تغییر مکان به دست آمده از آزمایش های میدانی مقایسه می شود. این مقایسه در این تحقیق انجام شده است و نتیجه حاصل، نشان از مطابقت نتایج تولید شده از مدل سه بعدی تک شمع با داده های میدانی دارد. مش بندی استفاده شده در مدل سه بعدی با کمک نتایج به دست آمده از مدل سازی دو بعدی انتخاب شده است و از دقت کافی برخوردار است.

در مدلسازی سه بعدی، شش مدل گروهی مختلف توسعه داده شده است. این مدل‌ های گروه شمع برای یک شرایط عملی در یک گود ساختمانی در نظر گرفته شده اند که در آن شمع‌ های متعدد به صورت گروهی بسیج شده اند. در سه مدل از این شش مدل، فاصله مرکز تا مرکز ستون ها در گروه شمع متفاوت بوده و مدلسازی در دو نوع خاک، یکی خاک با سختی استاندارد و دیگری در خاکی با سختی بالا توسعه داده شده است. سه فاصله مختلف اتخاذ شده برای مدلسازی ها عبارتند از D5، D10و D15.

با استفاده از نتایج این مدلسازی ها، در حقیقت تأثیر سختی خاک و فاصله گروه شمع بر ظرفیت هر میکروپایل و سختی سکانتی (Secant Stiffness) در 70 درصد سطح گسیختگی، 0.7 = K _sec؛ تعیین می‌شود.

در کنار موارد ذکر شده قبلی، مکانیسم گسیختگی غالب نیز به ازای هر یک از فاصله های مذکور نیز تعیین گردیده است. میزان کاهش ظرفیت ریزشمع های منفرد برای فواصل D5 و D10  نسبت به فاصله D15 به ترتیب 50 درصد و 23 درصد می باشد. به ازای مقدار سختی سکانتی 0.7، مجدداً مقادیر کاهش ها مورد ارزیابی قرار گرفته شده و به ازای فاصله D5 نسبت به فاصله D15، مقدار کاهش برای خاک استاندارد 8 درصد و برای خاک با سختی بیشتر 4 درصد اندازه تعیین گردید. با مقایسه مقدار کاهش در D10 و D15 در ازای سختی سکانتی 0.7، سختی قابل توجهی در سختی در دو نوع خاک با سختی های مختلف، مشاهده نگردید. از منظر نوع مکانیسم گسیختگی، در D5 و D10 گسختگی از نوع پلاگ ولی در D15 گسیختگی غالب از نوع لغزشی بوده است.

در این مدلسازی نیز مشابه تقریباً تمامی مدلسازی های دیگر، برخی مفروضات و ساده سازی ها لحاظ گردیده است. نمونه ای از این موارد در مدلسازی پیش رو عبارتند از:

1. خاک با سه لایه همگن با مدل رفتاری سخت شونده، مدل سازی شده است.
2. مشخصات ورودی مدل‌ ها با همبستگی شرایط در محل آزمایش نسبت به یک سایت مجاور که در آن تحقیقات محلی بیشتری انجام شده است، تعیین می شوند.
3. عناصر حجمی استفاده شده برای ریز شمع ها در شرایط الاستیک مدل شده است.
4. سختی دوغاب استفاده شده در نرم افزار به نحوی تعیین شده است که پس از نصب به مقدار حداکثر خود برسد.
5. اثرات نصب، مثبت فرض شده است و ریزشمع ها در بالای بدنه دوغاب تحت فشار بارگذاری می شوند.
6. مدل گروهی با داده های میدانی تأیید نشده است.
7. در مدل ها همه شمع ها به طور همزمان نصب می شوند و بار کششی اعمال شده برای هر شمع در گروه برابر است.
8. فاصله داخلی گروه ‌های شمع با اثر گروه همبستگی منفی دارد و سختی خاک تأثیر معنی داری بر اثر گروه ندارد.
9. روش مدل‌سازی فعلی متفاوت از استانداردهای هلندی است، پس از اعتبارسنجی مدل گروه شمع، مکانیسم گسیختگی غالب برای گروه‌ های شمع با فاصله D10 می‌تواند در استانداردها تنظیم شود، اما ایمنی بیشتری برای این محاسبه باید لحاظ گردد.

برای تحقیقات آتی توصیه می شود که از آزمایش های مدلسازی فیزیکی نظیر مدلسازی با سانتریفیوژ که در آن اثرات مقیاس و سختی خاک به خوبی لحاظ می شود، استفاده شود تا نتایج آن با نتایج تحقیق پیش رو مقایسه گردد. با تحقیق بیشتر همچنان می توان شرایط مرزی و مش بندی تعیین شده برای مدل سازی در PLAXIS را بهبود بخشید. برای تعیین اثرات نصب، بهتر است مدلسازی های بیشتری صورت بگیرد. در نهایت می توان کارایی مدل را با کاهش تعداد نقاط پلاستیکی و یا استفاده از مدل خاک موهر کلمب Mohr-Coulomb برای محاسبات حالت حدی بهبود بخشید.