طراحی بهینه ی ژئوتکنیکی پی های عمیق (3)

د) روش تحلیل انطباق سیگنال (CAPWAP)
 

در تحلیل شمعکوبی سه مقدار نامعلوم وجود دارند که عبارت اند از: نیروهای موجود در شمع، تغییر مکان های شمع و شرایط پیرامونی شمع. در صورتی که دو مقدار از سه مقدار فوق مشخص شوند، مقدار سوم قابل محاسبه خواهد بود. CAPWAP یک برنامه ی کامپیوتری است که از رکوردهای نیرو و سرعت به دست آمده از تحلیل گر شمع کوبی استفاده می کند. این برنامه می تواند با استفاده از مقادیر معین نیرو و تغییر مکان و همچنین یک مهندس با تجربه، شرایط پیرامونی شمع را با انجام سعی و خطا توسط روش انطباق سیگنال تعیین نماید. شرایط پیرامونی شامل ظرفیت باربری شمع، توزیع مقاومت خاک، تغییر مکان گسیختگی و ضرایب میرایی خاک می باشد.
پارامترهای ورودی برنامه ی CAPWAP عبارت اند از: مدل پیوسته ی شمع، رکورد سرعت در رأس شمع، مدول مفروض برای خاک شامل توزیع مقاومت خاک، مقادیر تغییر مکان های گسیختگی و ضرایب میرایی برای هر یک از المان های خاک در جدار و انتهای شمع. برنامه ی CAPWAP با استفاده از مقادیر فوق رکورد نیرو در رأس شمع را محاسبه می کند. رکورد محاسبه شده ی نیرو با رکورد اندازه گیری شده ی نیرو که در سایت شمع کوبی توسط تحلیل گر شمع کوبی به دست آمده، مقایسه می گردد. با انجام سعی و خطا و قضاوت مهندسی، پارامترهای خاک باید طوری تنظیم شوند که انطباق کامل بین رکودهای محاسبه شده و اندازه گیری شده حاصل گردد. مدل CAPWAP و فرآیند سعی و خطا در شکل 12 نشان داده شده است.

برنامه ی CAPWAP در هر سعی کیفیت انطباق را ارزیابی می کند. کیفیت انطباق از حاصل جمع مقادیر مطلق اختلاف های نسبی بین مسیرهای موج اندازه گیری شده و محاسبه شده نیرو به دست می آید. عدد کیفیت انطباق برای هر یک از این چهار محدوده به دست می آید. چهار محدوده ای که انطباق مسیر موج نیرو در این محدوده ها صورت می گیرد به طور شماتیک در شکل 13 نشان داده شده است. یک نمونه از فرآیند سعی و خطا جهت انطباق مسیرهای موج در شکل 14 نشان داده شده است.
همان طور که از شکل 15 پیداست، بهترین انطباق بین مسیرهای موج اندازه گیری شده و محاسبه شده حاصل شده است. جهت بررسی دقت و منحصر به فرد بودن مدل خاک به این ترتیب عمل می شود که ابتدا مسیر موج نیروی اندازه گیری شده به عنوان پارامتر ورودی به برنامه ی CAPWAP معرفی می گردد. سپس میزان انطباق بین مسیرهای موج سرعت اندازه گیری شده و محاسبه شده در راس شمع مورد برسی قرار می گیرد. برنامه ی CAPWAP پس از ایجاد بهترین انطباق بین مسیرهای موج، پارامترهای مدل خاک را تعیین می کند. این پارامترها شامل ظرفیت باربری شمع، توزیع مقاومت اصطکاکی در عمق، تغییر مکان های گسیختگی و ضرایب میرایی می باشند.

برنامه ی CAPWAP همچنین توانایی انجام مدل سازی بارگذاری استاتیکی شمع را با استفاده از مدل شمع، توزیع مقاومت خاک و تغییر مکان های گسیختگی دارا می باشد. نحوه ی مدل سازی آزمایش بارگذاری استاتیکی به این ترتیب است که بار به طور تدریجی به رأس شمع اعمال شده و مقادیر نفوذ المان های شمع و مقادیر مقاومت استاتیکی متناظر با آن ها محاسبه می گردد. با انجام این تحلیل، منحنی مدل سازی شده ی بار – تغییر مکان رأس شمع به دست می آید. مقاومت استاتیکی به دست آمده از روش CAPWAP برای المان هایی از شمع که تحت نیروهای پس ماند کششی قرار دارند، کوچک تر از مقدار واقعی است. بنابراین توزیع مقاومت به دست آمده از روش CAPWAP تحت نیروهای پسماند قرار می گیرد ولی مقاومت استاتیکی کل تحت تأثیر نیروهای پس ماند قرار نمی گیرد (Authier and Fellenius, 1983).

برآورد نشست و تغییرات بار – تغییر مکان شمع ها
 

از آن جا که یکی از اهداف به کارگیری پی های عمیق عبور از لایه های نشست پذیر سطحی، اتکای فونداسیون بر لایه ی سفت و متراکم و یا کنترل نشست برای روسازه می باشد، لذا برخلاف پی های سطحی محاسبات نشست برای پی های عمیق و یا شمع ها در مقایسه با تعیین ظرفیت برابری و یا طراحی سازه ای از اهمیت کم تری برخوردار است. معهذا در برخی شرایط ممکن است با نشست ها و موارد غیر عادی به شرح زیر رو به رو بوده که باید آن ها را به دقت ارزیابی و برآورد نشست مربوط به پی عمیق را انجام داد.
- روسازه نسبت به نشست ها حساس می باشد.
- پی عمیق دارای قطر بزرگ بوده و بخش مهمی از ظرفیت شمع مربوط به مقاومت کف باشد.
- از کف زمین به پایین لایه های با نشست پذیری بالا وجود داشته به خصوص این که یکی از این لایه ها در حوالی زیر کف شمع واقع باشد.
- نیروهای کششی به سمت پایین ممکن است در طول عمر سازه فعال شوند (خاک اطراف شمع نشست نموده و موجب تحمیل اصطکاک جداری رو به پایین به شمع شود).
- مهندس سازه جهت اعمال عکس العمل شمع بر روسازه در ملاحظات اندرکنش زیر سازه – روسازه از فنرهای معادل استفاده نموده و بنابراین نیازمند میزان جابه جایی های شمع تحت بار وارده از ستون ها و اجزای رو سازه می باشد.

- پس از اجرای شمع و سرشمع، جهت محوطه سازی، دسترسی ها و سایر ملزومات در اطراف بنای احداثی، خاکریزی شده که موجب نشست خاک اطراف شمع می گردد.
روابط متعدد تئوریک و تجربی جهت نشست شمع های تک و گروهی پیشنهاد شده است. اما از آن جا که عمدتاً در پروژه ها، از شمع ها به صورت گروهی استفاده می شود، ممکن است در حالاتی خاک اطراف و کف شمع نشست پذیر بوده و موجب بروز اصطکاک منفی در شمع شده که متعاقباً اثرات قابل توجهی بر روی مقاومت سازه ای و نیز در نهایت نشست پذیری شمع ها دارد. نشست گروهی شمع ها با استفاده از روش متحد و عملکرد بلوکی با استفاده از پی معادل فرضی گروه شمع ها مورد ملاحظه قرار می گیرد. مدل پیشنهادی ترزاقی و پک ارائه شده در شکل 16 بر این مبناست که در حد فاصل زیر سرشمع تا کف شمع در عمق معادل 2D/3 با فرض یک پی گسترده معادل (جهت توزیع بارهای سرویس و یا دائمی و یا دیگر بارها با شیب 2 به 1) به محاسبه ی نشست در لایه های زیر چنین رقومی پرداخته که نشست گروه شمع اطلاق می گردد.
بر مبنای تحلیل کلی فوق و در روش متحد پیشنهادی توسط Fellenius, 1990 , CFEM, 1992 رقوم توزیع بار جهت محاسبات مربوط به نشست گروه شمع اصطلاحاً صفحه ی خنثی نامیده می شود و مکانی است که در آن سطح، نشست خاک اطراف و شمع معادل می گردد. در بالاتر از آن نشست خاک بیش از شمع و در پایین تر از آن نشست شمع بیش از خاک است (شکل 16).
جهت توجیه صفحه ی خنثی (1)، درنظر گرفتن جابه جایی شمع نسبت به خاک و یا خاک نسبت به شمع به طور نسبی مورد ملاحظه قرار می گیرد که در حالت اول اصطکاک مثبت و در حال دوم که شمع توسط خاک اطراف به پایین کشیده می شود اصطکاک جداری منفی (2) مطرح می شود. شرط تعادل نیروها ایجاب می کند که برآیند کلیه ی نیروهای وارد به شمع در شرایط استاتیکی برابر صفر باشند. اصطکاک منفی ایجاد شده در قسمت بالایی شمع موجب ایجاد نیرویی در شمع شده که مقدار آن از صفر در سرشمع به مقدار ماکزیمم خود در عمق به تعادل می رسد (نقطه ای در عمق که جهت تنش اصطکاکی از منفی به مثبت در شمع تغییر می کند). در زیر عمق تعادل، به علت مقاومت اصطکاکی مثبت و مقاومت انتهایی، بار محوری شمع کاهش می یابد.

در هر شمع، بارهای مرده ی وارد به سرشمع و اصطکاک منفی جداری از یک سو و مقاومت اصطکاکی مثبت و مقاومت انتهایی از سوی دیگر در تعادل با یکدیگرند. محل تعادل این نیروها در طول شمع صفحه ی خنثی نامیده شده و عمقی از شمع است که تنش برشی جدار شمع از منفی به مثبت تغییر علامت می دهد. در این عمق تغییر مکان نسبی بین شمع و خاک برابر صفر است.
معمولاً صفحه ی خنثی پایین تر از وسط شمع قرار دارد و در حالت خاصی که انتهای شمع روی توده ی سنگی قرار داشته باشد، صفحه ی خنثی در نقطه ی انتهایی شمع واقع می شود. در مورد یک شمع شناور (صرفاً متکی بر مقاومت اصطکاکی و انتهایی) در یک خاک همگن و با افزایش خطی مقاومت اصطکاکی (rs) در طول شمع، صفحه ی خنثی در نقطه ای به اندازه ی 3/1 طول مدفون شمع در خاک، بالاتر از انتهای شمع قرار می گیرد. هر چه مقاومت انتهایی بزرگ تر باشد صفحه ی خنثی در عمق بیش تری از سرشمع قرار می گیرد. از طرف دیگر هر چه بار مرده ی وارده به سرشمع بزرگ تر باشد، صفحه ی خنثی در عمق کم تری از سرشمع قرار می گیرد. چنانچه آزمایش بارگذاری استاتیکی روی شمع انجام شود، با افزایش تدریجی بار، صفحه ی خنثی به تدریج به سمت بالا حرکت کرده تا بالاخره در لحظه ی گسیختگی به سطح خاک برسد (شکل 17).
همان طور که در شکل 17 نشان داده شده است، نیروی اصطکاکی منفی Qn، در بالای صفحه ی خنثی ایجاد می شود و مقدار آن از انتگرال گیری اصطکاک منفی واحد سطح در طول شمع به دست می آید. به طور مشابه، مقاومنت کل اصطکاکی مثبت در زیر صفحه ی خنثی، Rs، با انتگرال گیری از مقاومت اصطکاکی مثبت واحد سطح در طول شمع به دست می آید. همچنین در شکل 17، چگونگی تغییر محل صفحه ی خنثی با تغییر بار وارده ی Qd نشان داده شده است.
شکل 18، چگونگی تغییر محل صفحه ی خنثی را با تغییر وارده Qd به سرشمع نشان می دهد. توجه شود که مقدار نیروی اصطکاک منفی نیز با تغییر مقدار Qd تغییر می کند. همچنین توزیع و تغییرات نیروی اصطکاک منفی نیز در تغییر جای صفحه ی خنثی مؤثر است. همان طوری که در شکل 18 مشاهده می شود نشست خاک و شمع در محل صفحه ی خنثی برابر است. به علاوه در محل صفحه ی خنثی بیش ترین بار سازه ای را در شمع داریم که در ملاحضات طراحی سازه ای به کار گرفته می شود.
همان گونه که ملاحظه گردید، مکانیسم توزیع نیرو در شمع و نشست خاک و شمع به هم وابسته و اندرکشی بوده زیرا تغییر بار وارده به شمع محل صفحه ی خنثی را تغییر داده و تغییر محل صفحه ی خنثی، مقدار نیروی ماکزیمم در شمع و نیز توزیع بار دائمی جهت تعیین نشست را تغییر می دهد.

در مجموع برای محاسبه ی نشست گروه شمع مراحل گام به گام زیر را داریم:
1- تعیین محل صفحه ی خنثی که می توان از رابطه ی تعادلی مجموع بار مرده و اصطکاک منفی از یک طرف و مجموع مقاوم کف و اصطکاک مثبت را در نظر گرفت. در شرایط خاک های همگن معمولاً در 3/1 ارتفاع از کف می توان جای آن را در نظر گرفت (همان مدل ترزاقی و پک).
2- توزیع بارهای دائمی گسترده با شدت Q0 از صفحه ی خنثی نسبت به عمق با روش تقریبی 2 به 1 یا روش تئوریک بوسینسک و یا وسترگارد ابعاد سرشمع به قرار B و L بوده و BXL/ (بارهای دائمی)=q0 می باشد.
3- محاسبه ی نشست با استفاده از روابط متداول در مکانیک خاک و مهندسی پی و یا استفاده از روش های پیشنهادی جانبو به صورت لایه به لایه تا جایی که بتوان از آثار تنش های وارده صرف نظر نمود (10 درصد q0 در اعماق زیر صفحه ی خنثی و یا معادل 5 درصد تنش مؤثر).
4- با توجه به این که تعیین محل صفحه ی خنثی با فرض بسیح کامل مقاومت انتهایی انجام شده لازم است مقدار جابه جایی در کف شمع کنترل شده که اگر کم تر از 5 درصد قطر شمع باشد محاسبات تکرار و مقدار کم تری برای مقاومت انتهایی در نظر گرفته شود. تا با جای جدید صفحه ی خنثی محاسبات را تکرار نمود.
5- نشست گروه شمع برابر مجموع مقدار نشست به دست آمده مربوط به صفحه ی خنثی به علاوه ی فشردگی الاستیکی شمع می باشد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- Neutral Plane
2- Negative Skin Resistance
 

منبع: ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.