پایه های سنگ دانه ای متراکم(1)
نويسنده:دکتر محمدعلی روشن ضمیر (1)
پایه های سنگ دانه ای متراکم، رویکردی نو برای مقاوم سازی بستر پی ها (1)
کلید واژه ها: پایه ی سنگ دانه ای متراکم، بهبود زمین، پی های سطحی.
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.
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.
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
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.
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.
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 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.
ادامه دارد...
خلاصه
کلید واژه ها: پایه ی سنگ دانه ای متراکم، بهبود زمین، پی های سطحی.
مقدمه
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
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:
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)
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
طراحی پی متعارف
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
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 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
شکل 6: شرایط حاکم بر دال های متکی بر RAP
ادامه دارد...
/ج