جک کردن شمع های جابجا شده ( displacement piles) و مزیت آن نسبت به شمع های کوششی (بالاخص) و حفر شده (bozed) (کمتر)- در فونداسیون

مقدمه
قدرت و سختی یک فونداسیون شمع تحت تاثیر روش نصب آن قرار دارد. تکنیک های مدرن ساخت شمع منجر به عملکرد بهبود یافته در فونداسیون می شود برای سود جستن از این عملکرد بهبود یافته، روش های طراحی باید اصلاح شوند تا تأثیر روش ساخت را در مقاومت و سختی شمع دربر گیرند. در واقع استفاده از شمع های کمتر کمک به اقتصادی بودن طرح می کند و نیز زمان طرح و ضربه های محیطی کاهش می یابند.

در این پروژه من در مورد جک کردن شمع های جابجا شده ( displacement piles) و مزیت آن نسبت به شمع های کوششی (بالاخص) و حفر شده (bozed) (کمتر) تحقیق کرده ام.
در یک مقاله در مورد یکی از روش های جک کردن شمع ها سعنی روش (pzess – in) تحقیق شده که برای جک کردن شمع ها بر نیروی عکس العمل نیاز دارد که آنرا از شمع های دیگری که در زمین اند می گیرد. این ماشین ها را در شکل ۱ نمایش داده ام که یک نمونه از این ماشین هاست که در آن مقاله ی از این ماشین استفاده شده و مشخصات خاص خود را دارد (در مقاله ی اصلی به جزئیات آمده).

یکی از مزیت های شمع های جک شده نسبت به سایرین این است که سر و صدا لرزش های آنها نیست و در محیطی با ضربه زنی کمتر به اطراف و در نتیجه تأثیر پذیری کمتر از اطراف کار می کند، که بهتر از روش های سنتی کوش و چکش های لرزاننده خواهد بود.
یکی از موارد برتری این روش و در واقع ماشین های جک زنی که در واقع بیش از ۴۰% از توجه مقاله ی اول را به خود اختصاص می داد این بود که در این روش به خاطر ویژگی این ماشین ها در که مقاله آمده، و نیز ویژگی خود روش جک زنی می توان شمع ها را در فواصل مرکز به مرکز برابر با قطر شمع که در واقع مماس کردن آنهاست، قرارداد که موجب برهم کنش بین شمع ها می شود که باعث جلوگیری از کاهش مقاومت و سختی شمع می شود.

در یک مقاله ی دیگر (مقاله ی سوم) علت انتخاب این بود که در واقع برتری این روش بعد از اثبات در شرایط آزمایش، در کشور هنگ کنک آزمایش شده است. در واقع شرایط این کشور طوری است که باید از لرزش و سر و صدا جلوگیری کرد و همین موضوع سبب کاهش استفاده از روش های قدیمی می شود. در واقع همین برتری باعث شده که روش جک کردن به عنوان یک روش و گزینه جدی به شرکت های ساختمانی توصیه شود.

یک کمبود مهم در روش های قبلی
یکی از اشکال های مهم در روش های قبلی این بوده که این روش ها به خاطر یک سری دلایل که در زیر به اختصار به آنها اشاره می شود، در مورد شمع های جک شده ناکافی به نظر می رسد.
۱ ) سختی محوری شمع در شمع های نصب شده با جک از شمع های رایج ممکن است متفاوت باشد.
۲ ) روش های طراحی کنونی هنوز برای شمع های نصب شده در فاصله های نزدیک (که فاصله ی محور تا محور آنها برابر با یک قطر باشد)، تست نشده اند.
در این پروژه برداشت های مقالات را برای این موضوع ها دنبال کردم که در واقع یک مقاله به موضوع دوم اشاره دارد و در حالت کلی هر ۳ مقاله، همگی به موضوع اول اختصاص دارند.
روش های موجود

روش UWA – ۰۵ به عنوان یک روش برای استفاده اند آرمایش نفوذ مخروط ( Cane penet ation test ) CPT برای تخمین ظرفیت شمع به کار می رود.
فرم های ساده شرطی روش UWA – ۰۵ برای ایجاد رابطه بین مقاومت پایه و میله [ S : shagt ; b : base ] ( Qs & . Qb) برای یک شمع لوله ی ته بسته (شکل ۲ – ۳ ) با مقاومت CPT اصلاح شده ی qt به ترتیب عبارتند از :
: معادله ۱
: معادله ۲

که در فرمول های بالا :
: زاویه ی اصطکاک بین خاک و میله شمع
a : ضریب تجربی کالیبره شده
b : ضریب تجربی کالیبره شده
: ضریب تجربی کالیبره شده

در واقع تنها مورد که از روش UWA – ۰۵ مورد تأیید است این است که برای تعیین مقادیر پارامترهای مورد نیاز تجربی، باید اعداد بسیار زیاد به دست آمده کالیبره شوند.
برای تعیین این پارامترها، باید دقت شود که مقدار آنها به نوع خاک بسیار وابسته است و باید در مقدار کالیبره شده ی آنها نوع خاک هم لحاظ شود.
تأثیر زهکشی و سطح آب زیرزمینی در مقاومت برشی

یک عامل مهم که تقریباً در هر سه مقاله خصوصاً در مقاله ی اول و کم شدیدتر در مقاله ی دوم ذکر شده بود، زهکشی خاک آزمایش بود.
در آزمایش انجام شده در مقاله اول ذکر شده که به علت نوع آب و هوای موجود اصلاحاتی روی نتایج آزمایش صورت گرفته ودر واقع این اثر را درنظر گرفته اند.
در مقاله ی دوم اصلاحات شدیدتری را درنظر گرفته اند و جداول و نمودارهایی در واقع به علت این پدیده در شمع ها اشاره کرده که به وجود آمدن فشار آب حفره ای است.
ولی در این مقاله به عامل مهم دیگری نیز اشاره شده که در واقع به این عامل شدت می بخشد که همان سرعت جک زنی شمع است. در این آزمایش تأثیر سرعت جک زنی شمع آورده شده است :
عین مقاله
برای مثال فشار آب اضافی حرفه ای مثبت که توسط تراکم زهکشی شده موضعی خاک زیر پایه ی شمع تولید می شود، فشار مؤثر در خاک اطراف شمع را کاهش خواهد داد و بنابراین مقاومت برش را کاهش خواهد داد.
در شکل ۴ – ۲ می بینیم که عملیات نصب شمع انجام شده چگونه مقاومت طولانی مدت را نسبت به مقاومت اولیه آن کاهش می دهد.
در این کار پارامترهای سرعت نصب (V) و ویژگی های خاک، ch (ثابت تحکیم افقی)، و قطر شمع اهمیت دارند.
تأثیر سرعت در میزان مقاومت در آزمایش های هنگ کنگ هم آمده است به طوری که در شرح آزمایش می خوانیم.

حداکثر ضربه در چرخه های جک زنی و حداکثر آهنگ نفوذ شمع به ترتیب ۸/۱ متر و ۸/۱ میلی متر بر دقیقه بودند.
و در جایی دیگر از مقاله حتی به یک موضوع مهم استفاده می شود که حداکثر نیروی جک زنی تا وقتی سرعت نفوذ شمع در خاک کمتر از mm 5 در ۱۵ دقیقه باشد اهمیت دارد (اتحادیه ی خانه سازان هنگ کنگ؛ ۲۰۰۴).

البته مشخص است که میزان ضریب ویسکوزیتر هم در تفاوت مقاومت برش مؤثر خواهد بود ولی آزمایش ها نشان می دهد که مهمترین عامل همان عامل زهکشی است.
تأثیر زهکشی بر مقاومت خاک در طولانی مدت
زهکشی موضعی عامل اصلی کاهش ظرفیت شمع خواهد بود. خزش و کهنگی و فساد هم می توانند موجب کاهش ظرفیت شمع با مرور زمان باشد ولی دوباره عامل زهکشی عامل مهمتری پیدا شد.

شرایط زمینی آزمایشها :
مقالات ۱ و ۲ را طوری انتخاب کردم که محل آزمایش آنها یکسان باشد، ولی خوب بر روی دو چیز متفاوت کار می کنند. در این سایت اکثراً ماسه خاک را تشکیل میداد، ولی در برخی لایه ها سیلت نیز وجود داشت. ترتیب لایه ها در شکل ۲ – ۱ نشان داده شده است.

آزمایش های دوم در همان سایت و با در نظر گیری این مهم صورت گرفته بود. که بر عکس اوّلی در ناحیه ای صورت بگیرد که کلیه ی خاک آن دست نخورده باشد. ولی خاک هنگ کنگ که یک آزمایش عملی تر بود، متشکل از لایه های ته نشست دریایی و رسوبات آبرفتی بود ولی در کل لایه ترکیبی از ماسه های ریز تا درشت همراه با مقادیر زیادی صدف های متلاشی شده بود. قسمت های پایین هم از CDG ( گلانیت کاملاً متلاشی شده ) بود که در کل در شکل ۱ – ۳ آمده اند. نمودار ضربات SPT نیز در همان شکل ۱ – ۳ آمده اند.

علت های پیش بینی شده برای دلیل تفاوت بین شمع های جک شده و کوبیده شده
روش نصب به علت تأثیر در رفتار خاک های کناری، در رفتار شمع به شکل کاملاً مشهودی تأثیر دارد. در ماسه رفتار این دو نوع شمع کاملاً متفاوت است. یکی از این تفاوت ها ایجاد تنش های Beazing در خاک هایی است که شمع های جک شده در آنها به کار رفته اند.

سه علت می توان برای علت این اختلافات حدس زد :
– تنش های پس ماند ( cesidual st cess)
– خستگی اصطکاکی ( Gciction fatigue)
– سوراخ شدگی خاک (

Soil plugging)
تنش های پیمانه
درنظر نگرفتن این تنش ها که به خاطر ترام الاستیک خاک و بازگشت خاک زیر شمع حادث می شوند، موجب این می شود که در درنظرگیری تنش های پاشنه ی شمع دچار سهل انگاری شویم ولی به طور کاملاً عکس در درنظرگیری مقاومت بدنه، محکم کاری ناخواسته ای صورت گیرد. این تنش ها خصوصاً در شمع های جک شده مقداری بیشتر دارند. که در ادامه خواهد شد.
خستگی اصطکاکی
مراکز مقاومتی که شمع در یک ماسه ی داده شده می تواند تحمل کند و با نفوذ نوک شمع به لایه های پایین تر کاهش می یابد. اثبات شده که تاریخچه ی سهم بردن دوره ای عناصر خاک در سطح خاک یا شمع در طی مراحل نصب، خستگی اصطکاکی را کنترل می کند.

سوراخ شدگی خاک
عامل مهم سوم در تفاوت شمع های کوبیده شده و جک شده است. نشان داده شده است که تنش های افقی اندازه گرفته شده حول میله ی یک شمع جک شده بیش از مقدار ان حول شمع کوبیده شده است. اثرات موثر گسترش سوراخ شدگی خاک در طی جک زدن نسبت به کوبیدن، به عنوان یک دلیل بر ای این حادثه عنوان می شود.
تجهیزات شمع ها
در شمع های کلیه ی مقالات، از سلول های بارسنج استفاده شده بود که در بین سرشمع و دستگاه شمع کوب نصب می شد.
در برخی از انها وسیله ای نصب شده بود که مبدل فشار آب حفره ای بود و فشار آب حفره ای را در نزدیکی پایه ی شمع اندازه می گرفتند.
شمع های مخصوص برای اندازه گیری تنش های پس ماند توسط کرنش سنج های ROCTEST از نوع لرزاننده ی سیم (سیم لرزان) برای اندازه گیری کرنش مجهز شده بودند. که مکانیزم ساده ای برای کرنش خمش صورت گرفته بود که در دو سمت مخالف شمع در هر سطح کرنش

سنج نصب شده بود و متوسط آنها اندازه گرفته می شد و با آنالیز وفق داده می شد.
برای اندازه گیری مقاومت محوری از سلول های کالیبره شده ای استفاده شده که با اعمال اصلاح برای درنظر گرفتن وزن شمع و افت هیدرولیکی مقاومت را به روش هیدرولیکی به دست می آوردند.
روش های پیش آنالیز
درست است که روش مخصوص برای شمع های جک شده وجود ندارد ولی به هر حال این پروژه می خواهد همخوانی روش های موجود برای شمع های کولش را با نتایج شمع های جک شده مقایسه کند.

از دو روش این کار انجام شد. اول از طریق داده های نرم افزار RATZ و دیگری روش UWA – ۰۵ که در قبل هم از آن بحث شده بود.
۱ ) RATZ
این برنامه مدل های سهمی را برای پاسخ مقاوما محور داخلی و پایه برای یافتن و محاسبه نشست بار حاصله در سر شمع با هم ترکیب می کند.
مدل سهمی علاوه بر ts ، به Gopez (سختی اولیه ی مؤثر خاک) نیز دارد تا تخمین زده شود.
شیب اولیه منحنی ، توسط رنداف و رس ۱۹۷۸ , ( Randol ph & wzoth ) ، از طریق حل الاستیک، برابر با حاصل شده است.

منحنی با qbG و wbG متناظر با ان تخمین زده می شود که qbG به نوعی، مقاومت پایه ی نهایی باید باشد.
برای این فخرنیه شیب اولیه برابر خواهد بود با :
البته پاسخ الاستیک حاصل که سختی اولیه و تعریف شده توسط یک ضریب اصلاح و کمتر شد که در آن Rs , Rb برابر پایه (base) و بدنه ی اصلی (shaGt) درنظر گرفته شده اند.
قسمت پلاستیک نشست به صورت انحراف سهمی از سختی اولیه نشان داده شده و Rs , Rb همزمان با افزایش نسبی در نشست یک عنصر شمع نسبت به نشست های اضافی حاصل از نشست کلر دسته شمع های کناری محاسبه می شوند.
در ضمن چون هیچ اطلاعاتی از وضعیت دقیق بارگذاری در دست نیست فرض بر این است که باربری هر شمع در گروه های شمع، با بقیه یکسان است.

در این نرم افزار نشست اطراف میله توسط حد الاستیک رنداف و رس تخمین زده شده در حالی که نشست اطراف پایه توسط راه حل سوراخ شدگی صلب الاستیک (elastic zigid punch) تقریب زده شده است.
یک نکته ی مهم در استفاده از RATZ برای شمع های گروهی بود که برای به کار بردن شمع تکر Scale می شده وجود فاکتورهای عمکلرد متقابل و Scale کردن qe تنها تفاوت در استفاده از RATZ در شمع های تکی و گروهی بود.
۲ ) UWA – ۰۵ :
این روش در مقدمه به نسبت خوبی توضیح داده شده است. این روش

دو فرمول دارد که به صورت خلاصه و راحت تر شده در مقدمه امده اند.
۳ ) MTD :
نتایج اعداد حاصل :
۱ ) نصب شمع در ماسه (جک شده)
این اعداد حاصل از نصب ۴۳ شمع در جدول ۱ – ۱ و شکل ۲ – ۱ آمده اند. این اعداد نیروی جک کردن در مرحله ی کرش نهایی نصب شمع اند.
البته یک سری تغییرات شایان توجه در Qinstall ( در حدود ) آشکار است و می تواند به خاطر تغییرات در محل آزمایش باشد. در واقع قسمت شرقی مقاومت کمتری داشت.
البته باران در گزارش ها ذکر شده، که خود عاملی در بروز فشار آب حفره ای است و در واقع عاملی برای برند کاهش در مقاومت شمع خواهد بود، همان طور که در قبل آورده شد.
یک نکته ی مهم هم، این است که در گزراش نصب آمده بود که نصب با سرعت D.2 میلی متر در دقیقه صورت گرفته است.
۲ ) تست با بروری شمع های تنها (جک شده)

سه بار آزمایش نشان دادکه شکست plugging ، جاری حدود ۷۷ تا ۸۱ کیلونیوتن و در نشستی حدود ۳ میلیمتر (D 3%) رخ می دهند، شکل ۴ – ۱ یک نتیجه ی نادر این بود که شمع های ۶٫۸۵ , ۵٫۸۵ متری به ظرفیت های یکسان رسیدند، چون qc بین نموهای ۵/۵ و ۷ متر کاهش یافت (شکل ۲ – ۱).
Qinstall نیز در عملیات بارگذاری دوباره حاصل می شد که نشان می داده که نیروی نصب در زمین های ماسه ای یک نشانگر خوب برای ظرفیت فرو ریختن در شرایط زمین زهکش است.
ولی یک نتیجه ی دیگر دقت خوب ( حدود ) جواب های روش MTD اصلاح شده بود که برای شمع های تنها جواب های قابل قبولی می داد.

۳ ) گروه شمع های جک شده
آزمایش ها نشان می داد که این ها سختی کمتری داشتند و در حدود باری حدود ۹۰% از بار فروریختن، قبل از نشست ۷۰ میلی متر (D 10%) حاصل می شد. حتی برای گروه های ۱۲ تایی شمع ها (شکل ۳ – ۱).
یک ضریب بازده برای مقاومت گروه، (معادله ۳) که با مقادیر نزدیک به واحدف در تمام موارد مشهود بود، که برای هر شمع در لحظه ی شکست نیروی نصب اولین شمع را می کرد :
در ضمن مشاهده شده که بلوک خاک ضمیمه شده در طی شکست در داخل لوله ی تیوبی شکل به سمت پایین حرکت کرده است.
۴ ) نگاه کلی به تفاوت شمع های جک شده در ماسه و سیلت و اثرات فشار آب حفره ای
شکل ۷ – ۲ نشان دهنده ی آزمایش های صحرایی بر روی شمع های، جک شده است.
مقاومت پایه ی اندازه گیری شده در بین آزمایش های تقریباً ثابت به نظر می رسد که نشان دهنده ی یکنواخت بودن سایت آزمایش است. اگرچه یک تغییر نسبتاً شدید در مقاومت میله هست. مطالعات دیگر نشان می دهد که مقاومت میله به تفاوت های کوچک در عملیات نصب خیلی حساس است.
هم مقاوما میله و هم مقاومت پایه یک تفاوت آشکار بین ماسه و سیلت می دهند شکل ۸ – ۲ نتایج آزمایش های روش شمع های نصب شده با سرعت های نصب متفاوت را نشان می دهد.
فشار آب حفره ای اندازه گیری شده توسط مبدل های نصب شده در شمع های مجهز شده نیز فشار اضافی مثبت را نشان می داد. که با توضیحات قبلی با کا

هش مقاومت نصب سازگاری دارد.
آزمایش تشکیل سوراخ های خاک (soil plugging)
در طی نصب شمع های آزمایش H شکل فضاها (خالی بین جان های شمع ها تشکیل شد. در این مطالعات عمق اندازه گرفته شده فضاهای خالی با استفاده از یک نوار با یک میلگرد در نوک، همگی ۴ متر بود که برای هر دوی شمع های جک شده و کوبیده شده با طول های ۸/۳۴ متر یکسان بود.)
اگرچه soil plugging به عنوان یک عامل اساسی برای رفتار متفاوت شمع های کوبیده شده و جک شده ی لوله ای درنظر گرفته شده بود ولی تفاوت ایجاد شده توسط سوراخ شدگی خاک در شمع های کوبیده شده و جک شده ی H شکل در این مطالعه، انتظار می رود که کوچک باشد.
تا اینجا اکثر بارنگذاری ها هیدرولیکی بودند، ولی چون در عنوان آزمایش های زیر به طور اکسید به استاتیکی اشاره شده، این چند مورد را جدا می آورم.
نتایج بارگذاری استایک
منحنی بار نشست برای شمع های کوش و جک شده :
در این آزمایش شمع های کوش با اسم ۱B1-4 و جک شده با اسم RTP-1 آورده شده اند.
یک آزمایش بارگذاری برروی شمع های جک شده ۷ , RJP-1 روز بعد از رسیدن به عمق ۸/۳۴ متر انجام شد. یک بارگذاری روی همان شمع ۷ روز بعد از اینکه از عمق ۸/۳۴ متری به عمق ۷/۵۵ متری کوبیده شد و یک آزمایش بارگذاری بر روی شمع مرجع کوش (۱B1-4) که تا عمق ۶/۵۵ متری یک ضرب کوبیده شده بود، سه روز بعد از کوبیدن کامل آن انجام شدند.
انجام این آزمایش ها با قوانین وزارت ساختمان (۲۰۰۲) انجام شده بود. نحوه ی بارگذاری ایستاتیکر اینگونه بود که در مرحله اول بار P (بار طراحی اسمی) و در مرحله دوم بار (۲P) اجرا شدند که بار طراحی ۳۰% مقاومت مقطع شمع و برابر با ۲qsokn برای شمع های جک شده و ۳۵۴KN برای شمع های کوبیده شده بود.
بار حداکثر ۲P برای ۷۲ ساعت در مرحله ای دوم باقی ماند. در نهایت در مرحله ی سوم شمع تا حد باربری نهایی بارگذاری شد، که البته اگر شکست قبل از باربری نهایی رخ می داد، قابل پیش گیری نبود.

در شکل ۳ – ۳ منحنی های بار شکست برای این شمع ها که مقاطع H شکل هستند هم داشتند با توجه به اینکه ۱B1-4 , RTP-1 به ترتیب همان شمع های جک شده و کوبیده شده اندف رسم شده است.
یک مشاهده ی جالب
گویا شخصی به اسم داویسون یک معیار حد نهایی شکست دارد. براساس این معیار ظرفیت شمع های ۱B1-4 , RTP-1 ، ( که شمع جک شده ی RTP-1 فقط تا عمق ۸/۳۴ منظور است )به ترتیب برابر می شوند با ۲٫۷P . 2.9P که در این تحقیق یک نکته ی جالب دیده شد :
شمع های جک شده ی RTP-1 که تا عمق ۸/۳۴ متری جک شده بودند، در طی دو مرحله کوش وصل شدن به میله های فلزی دیگر برای رسیدن به عمق ۶/۵۵ متر، دربار ۲٫۷P شکسته ن

شدند.
ولی منحنی بار – نشست برای شمع های جک شده ی RTP-1 خیلی سخت از منحنی بار نشست شمع های امتداد یافته ی RTP-1 است. با این حال، نشست شمع جک شده، در لحظه ی نهایی که بار شکست وارد می شد، به طور ناگهانی افزایش یافت.