پایه های سنگ دانه ای متراکم(1)

خلاصه
 

نیاز روزافزون به ساخت و ساز در حواشی شهرها و وجود خاک ضعیف و نامناسب در چنین مناطقی باعث گردیده است تا مهندسان ژئوتکنیک و سازه برای تقویت و تسلیح خاک در محل به عنوان تکیه گاه شالوده های متعارف به فن آوری سنتی و اتکای آن ها بر بسترهای مقاوم با حجم بالای خاک برداری یا جایگزینی خاک نامرغوب محل با خاک ریز مرغوب مهندسی، و یا طراحی شالوده های عمیق همراه با دال های کف سازه ای مستلزم صرف هزینه و وقت زیاد می باشد. انتخاب نوع پی تحت تأثیر عملکرد نشست درازمدت، مدیریت بارهای لرزه ای، ضوابط اجراپذیری محلی، و صرفه جویی وقت و هزینه ها قرار دارد. استفاده از پایه یا ستون سنگ دانه ای کوبیده شده به عنوان تکیه گاه پی های سطحی متعارف یک رویکرد در حال گسترش است. آشنایی با مفاهیم اساسی طراحی مورد استفاده در این فن آوری بهبود زمین، به مهندسان عمران امکان می دهد تا پی های سطحی متعارف متکی بر زمین بهبود یافته را با رفع پیچیدگی کلی و کاهش زمان و هزینه ی پروژه، طراحی نمایند. دراین مقاله عملکرد، قابلیت اجرا و هزینه های پایه ی سنگ دانه ای کوبیده شده مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
کلید واژه ها: پایه ی سنگ دانه ای متراکم، بهبود زمین، پی های سطحی.

مقدمه
 

برای نواحی و شرایط بارگذاری مختلف، مهندسان قادر به انتخاب گزینه ی مناسب از میان چندین سیستم پی رایج هستند. اما در مواجهه با محوطه های خاک ضعیف تنها گزینه های محدودی دارند. اجرای شمع بتنی چه به صورت کوبشی و چه به صورت در جاریز با افزایش هزینه ها و محدودیت های اجرایی روبه رو می باشد و لذا مهندسان مجبور شده اند سیستم های پی دیگری مدنظر قرار داده و طراحی نمایند. شیوه های متنوع بهبود زمین نظیر خاکبرداری حجیم و جایگزینی با خاکریز مهندسی، ستون های سیمانی، پایه های سنگ دانه ای کوبیده شده، ستون های سنگی ارتعاشی جایگزین و تزریق تراکمی این امکان را به مهندسان می دهد تا راه حل مناسب برای شرایط محلی خاص را پیدا نمایند.
با شباهت بسیار به خاکبرداری حجیم جایگزین شده با خاکریز مهندسی، اجرای پایه ی سنگ دانه ای کوبیده شده (RAP) (2) یک نوع فن آوری مبتنی بر همان اصول است؛ یعنی برداشتن خاک ضعیف و آن گاه بهبود سختی، مقاومت آن و قابلیت حمل ایمن بارهای شالوده. اجرای پایه ی سنگ دانه ای سنبه کوب می تواند به عنوان حفاری گسسته و جایگزینی با سنگدانه ی متراکم (خاکریزی مهندسی) تلقی شود
(Farrell et al 2004)، با فهم فرایند طراحی و اجرای پایه ی سنگ دانه ای فشرده، بینش مفیدی از این شیوه ی بهبود زمین می تواند حاصل شود. این مقاله بر آن است شرح مختصری از اجرای این روش برای بهبود باربری شالوده های متعارف را ارائه دهد.

زمینه ی گسترش پایه های سنگ دانه ای کوبیده شده
 

روش پایه های سنگ دانه ای توسط فوکس (Fox) در اواسط دهه ی 1980 ابداع گردید و کاربرد آن جهت تقویت پی ها در طول دهه ی گذشته مقبولیت زیادی به دست آورده است.
اصول طراحی و روش اجرای خاص سیستم پایه های سنگ دانه ای توسط محققان بسیاری از جمله لاتون و همکاران (Lawton et al 1994)، ویسمن و همکاران (Wissmann et al 2000)، هندی و فوکس (Handy & Fox 2002) و وایت و همکاران (White 2007)، مورد ارزیابی قرار گرفته است [Pham & White 2007]. همچنین فرایند ساخت پایه ها و تنش های به وجود آمده به واسطه ی کوبش و همچنین تراکم خاک اطراف پایه ی تحت کوبش به عنوان عوامل تأثیرگذار بر رفتار پایه ها توسط هندی (Handy 2001) و وایت و همکاران (White 2001) مورد بررسی قرار گرفته است. در رابطه با کوبش پایه ها در خاک های با درصد اشباع بالا و امکان وقوع روان گرایی ضمن شرح فرایند کوبش، تحقیقاتی نیز توسط هندی و وایت (Handy & white 006)2 صورت گرفته است.
در رابطه با بررسی رفتار پایه ها پس از بارگذاری و چگونگی توزیع بار در پایه ها مطالعاتی توسط (White & Suleiman 2006) صورت گرفته است. نتایج این تحقیق در قالب نمودارهایی می تواند به منظور طراحی این پایه ها مورد استفاده قرار گیرد. تحقیقات مفصل تری در رابطه با تأثیر نوع خاک بر رفتار پایه ها توسط شیلد و همکاران (Shield et al 2004) لیلیس و همکاران (Liliis et al 2004) ارائه شده است. در مطالعات صورت گرفته توسط شیلد، رفتار پایه ها در خاک های ماسه ای مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعات که بر اساس نتایج 19 آزمایش بارگذاری در خاک های ماسه ای می باشد، ضمن اشاره به رفتار پایه ها در خاک های ماسه ای، به ضرورت استفاده از غلاف در اجرای پایه ها در این نوع از خاک ها اشاره شده است. در تحقیقات صورت گرفته سنگ دانه ای واقع در خاک های رسی مورد بررسی قرار گرفته است. لاتون و همکاران (Lawton et al 1994) مطالعاتی در رابطه با ظرفیت برکنش این پایه ها انجام داده اند. در این مطالعات سیستم های خاصی به منظور ایجاد ظرفیت برکنش در پایه ها ارائه شده است. در ادامه ضمن شرح مختصری از اجرا و ملاحظات طراحی، عملکرد، قابلیت اجرا و هزینه های پایه ی سنگ دانه ای کوبیده شده به نقل از مرجع (Farrell et al 2004) مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.

شکل 1: روند اجرای پایه ی سنگ دانه ای سنبه کوب:
 

A حفره چاه های RAP (شافت) به قطر 60 تا 90 سانتی متر
B سنبه کوب کردن سنگ شکسته 2 اینچی به داخل پیاز تحتانی
C سنبه کوب کردن سنگ شکسته 75/0 تا 5/1 اینچی در لایه های 25 سانتیمتری تا تراز cm 15+cm30+ نسبت به کف پی

اجرای پایه ی سنگدان های سنبه کوب (PAR)
 

برای برداشتن خاک نرم و ضعیف اجزای منفرد RAP نوعاً به قطر متوسط cm75 حفاری گردیده و تا عمق هایی در بازه ی 2 تا 10 متر با به کارگیری روند ساخت ساده ی نشان داده شده در شکل 1 اجرا می شوند.
ابزار سنبه کوبی متشکل از یک دستگاه حفاری هیدرولیکی 20 تنی مجهز به یک کوبه ی انقطاعی هیدرولیکی 5/1 تنی و یک سنبه ی پخ دار مخصوص با پخ می باشد، شکل 2 را ملاحظه نمایید. کوبه ی هیدرولیکی انرژی معادل 1300 تا 2600 کیلوژول در تقریباً 400 ضربه در دقیقه به سنبه منتقل می نماید.

بعد از حفاری، با عملیات سنبه کوبی با فرکانس زیاد، لایه ای از سنگ شکسته در ته چاه متراکم می گردد، این بخش معمولاً به حباب یا «پیاز تحتانی» موسوم است. در خاک ضعیف، مقداری در حدود
سنگ شکسته می تواند کوبیده شود تا پیاز تحتانی پایدار گردد. هنگامی که پیاز تحتانی پایدار گردید، بقیه ی شافت پُر می شود. ابزار سنبه کوب لایه های نازک سنگ شکسته را به اطراف شافت حفر شده کوبیده و به طور شعاعی در خاک مجاور جای می دهد. تأثیر خالص این کار، افزایش در مقاومت و سختی توده ی خاک تا فاصله ای معادل قطر RAP از کناره ی خاک است (Pit et al. 2003).
در مقایسه با ستون های خاک - سیمان یا پایه های بتنی، اجرای RAP خاک ته شافت را متراکم نموده و نیز خاک اطراف را به طور شعاعی به سمت بیرون شافت فشرده می سازد. از این رو RAP نه تنها عضوی سازه ای در داخل خاک ضعیف ایجاد می کند، بلکه خاک مجاور را نیز اصلاح می نماید. این روند باعث ایجاد ظرفیت باربری اتکایی بالاتر و نیز اصطکاک محوری بیش تر در اطراف هر پایه ی RAP خواهد شد.
در این جا می توان بین عملکرد میلگرد ساده (صاف) و میلگرد آجدار در بتن مسلح مقایسه ای انجام داد. میلگرد ساده دارای چسبندگی خوب و قدری اصطکاک در بتن است، در حالی که میلگرد آجدار دارای چسبندگی خوب و اصطکاک خیلی بیش تری در بتن است. یک پایه ی RAP شبیه میلگرد تسلیح کننده آجدار در خاک بهبود یافته عمل می کند.

جدول 1: مدول سختی RAP و ظرفیت باربری مرکب مجاز برای تخمین های طراحی اولیه

1- برای اجزا RAP حامی شالوده های منفرد با حداقل نسبت سطح 30 درصد (1988 Fox & Cowell).

طراحی پی متعارف
 

طراحی پی های متعارف متکی بر خاک یا خاکریز بهبود یافته ای RAP، نسبت به طراحی پی های واقع بر خاک مرغوب نهشته ی طبیعی یا خاکریز مهندسی هیچ تفاوتی ندارد. لازم است مهندس سازه شناخت کافی در رابطه با رفتار خاک بهبود یافته ی RAP داشته و طراحی را برای فشار باربری مناسب پی انجام دهد.
در عمل، هر RAP طوری طراحی می شود تا به صورت یک پایه ی سخت در توده ی خاک مسلح عمل نموده و اکثر بار اعمالی شالوده و / یا بارهای دال کف را جذب کند در حالی که خاک بین این اجزا تنها بخشی از بار اعمالی را تحمل می نماید. متداول ترین شرایطی که حاکم بر طراحی شالوده ی RAP است حمل بار شالوده مستقیماً به اجزا RAP و یا شالوده های متکی بر خاکریز مهندسی واقع بر اجزا RAP را شامل می گردد، شکل 3 را ملاحظه نمایید.
جایی که پی ها در تماس با اجزا RAP هستند، شالوده به نحوی طراحی می شود که مستقیماً به RAP و خاک اصلاح شده مرتبط شود. از این رو، یک ظرفیت باربری بالا، نوعاً دو تا چهار برابر فشار مجاز خاک اصلاح نشده (Hall et al. 2002)، برای تعیین اندازه ی شالوده مورد استفاده قرار می گیرد. ابعاد شالوده بر مبنای ترکیب بارهای آیین نامه ای تعیین گردیده و به طراح / سازنده ی RAP ابلاغ می گردد. آن گاه بر اساس این طرح ریزی، مهندس سازه ضخامت و فولاد لازم را بر اساس اصول متعارف طراحی سازه های بتن آرمه تعیین می نماید. در مواردی که شالوده ها در تماس مستقیم با اجزا RAP نیستند، ابعاد آن ها بر اساس فشار باربری مجاز خاکریز مهندسی تعیین می گردد. طراحی شالوده های متکی بر RAP در دو دسته ی مجزا قرار می گیرد:
1) شالوده های با بارگذاری سنگین بر اجزایی با فواصل کم تر از سه برابر قطر RAP قرار می گیرند و به صورت شالوده های منفرد یا دال های کوچک بین قاب ها و دیوارهای برشی طراحی می شوند. ابعاد کف (پلن) این شالوده ها می بایست پوشش کامل اجزا RAP را ایجاد نموده و دارای نسبت تعویض سطح RAP حداقل 30 درصد باشد.
2) شالوده های پیوسته (نواری) متکی بر اجزا RAP در فواصلی بیش از 3 برابر قطر قرار می گیرند و ممکن است لازم باشد به طور سازه ای بین اجزا RAP پل بزنند. بدین لحاظ برای شرایط خاک ضعیف، شالوده پیوسته می تواند با به کارگیری سختی فلزی اجزا RAP و خاک اصلاح نشده، به صورت تیر بر بستر کشسان طراحی گردد.
خواص اساسی مورد نیاز برای طراحی شالوده ی متعارف شامل مدول سختی RAP یعنی (kg) و فشار باربری مرکب مجاز (qc) هستند. این خواص اصولاً از آزمایش نفوذ استاندارد (Nspt) و خواص مقاومت برشی زهکشی نشده (su) خاک اصلاح نشده به دست می آیند و به خوبی در متون تخصصی شرح داده شده اند (Lawton 1994, Fox & Cowell 1998, Wissmann 1999, Minks 2001, Majchrzak et al. 2004) همان طور که بعداً بحث شده است، این مقادیر با آزمایش های مدول بار تمام مقیاس در محوطه هر پروژه تأیید می شوند. مقادیر طراحی اولیه برای kg و qc در جدول 1 ارائه شده اند.

ظرفیت های نهایی
 

بسته به دانسیته و مقاومت خاک اصلاح نشده یا خاکریز، ظرفیت باربری نهایی قائم به پایه ی RAP می تواند در دامنه ی 435 تا kN 1305 باشد. با افزودن یک مهار سازه ای فولادی طراحی شده ی خاص، RAP می تواند در برابر برکنش ایجاد شده توسط زلزله و باد نیز مقاومت نماید. (Lawton 2000, Caskey 2001, Wissmann et al. 2001) پایه ی برکنشی rap می تواند به نحوی طراحی شود تا در برابر نیروی برکنش تا kN 870 مقاومت نماید. در عمل، معمولاً ظرفیت های برکنش نهایی 435 تا kN 650 مشخص می شوند.
از آن جا که RAP متشکل از سنگ شکسته ی بسیار متراکم است لذا مقاومت لغزشی بالایی در برابر بارهای جانبی ارائه می دهد. در نتیجه، شالوده های متکی بر اجزا RAP دارای مقاومت بالاتری در برابر نیروهای لغزشی جانبی هستند (Lawton 2000, Wissmann et al 2001) توده ی خاک RAP ضرایب اصطکاک نهایی بین 8/0 تا 1/1 به دست می دهد، که به کل کف شالوده اعمال می گردد. برای تعیین مقادیر مجاز طراحی، ضرایب ایمنی مناسب اعمال می شود.

نشست
 

نشست شالوده ی متکی بر RAP با مدل نمودن آن به صورت صفحه ی صلب متکی بر سیستمی از فنرهای سخت RAP و فنرهای نرم خاک برآورد می گردد، و فرض می شود که اجزای سخت RAP و خاک نرم به طور یکنواخت نشست می نمایند (Handy 2001)، شکل 4 را ملاحظه نمایید. برای جابه جایی یکسان، سر پایه ی RAP دارای تنش های متمرکزی متناسب با نسبت سختی RAP به خاک طبیعی (اصلاح نشده) است. در عمل، نسبت های سختی RAP به خاک طبیعی در محدوده ی 10 تا 50 است.
نشست کل شالوده از طریق افزودن نشست بخش بالایی به نشست بخش پایینی محاسبه می گردد، شکل 5 را ملاحظه نمایید. نشست بخش بالایی توسط تقسیم تنش RAP بر سختی آن به دست می آید. نشست بخش پایینی با به کارگیری مکانیک خاک کلاسیک محاسبه می گردد. شرحی از محاسبات طراحی RAP را می توان در مراجع مجکرزاک و همکاران (Majchrzak et al 2004) و نیز پیت و همکاران (pitt et al 2003) پیدا نمود.

تکیه گاه دال کف
 

تکیه گاه دال کف نیز از موارد مهم و مفید کاربرد اجرای RAP است که در محوطه های خاک ضعیف مورد استفاده قرار می گیرد. دال کف انبار کالا یا مرکز تولید یا بارهای سطحی 7kPa یا بالاتر تا kPa 5/37 می تواند طراحی گردد تا روی اجزای RAP در گِل های نرم ساحلی یا خاکریز ضعیف کنترل نشده در دهنه 3 تا 5 متر پل بزند. این طرح در مقایسه با شمع پرهزینه و دال سازه ای متکی بر تیز ترازبندی بسیار مناسب تر و اقتصادی تر است. شکل 6 را ملاحظه نمائید. دال متکی بر RAP یا به صورت دال روی تراز زمین و یا دال سازه ای دسته بندی می شود و این به ضخامت خاکریز بین دال و اجزای RAP بستگی دارد. طراحی دال سازه ای (تسلیح کننده ی «فعال») هنگامی مورد نیاز است که این دال می بایست فاصله ی خالی بین اجزای RAP را پل بزند. بحثی راجع به این مورد را می توان در مرجع مینکس و همکاران پیدا نمود (Minks et al 2003).

شکل 6: شرایط حاکم بر دال های متکی بر RAP
 

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