مقایسه عملکرد رفتاری ظرفیت باربری در شمع و ستون ها

مقایسه عملکرد رفتاری ظرفیت باربری در شمع و ستون ها
(عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
مقدمه
افزایش زمین و محدودیت دسترسی به نواحی مناسب برای ساخت و ساز، مهندسان را به اصلاح درجای نهشتههای خاکی ضعیف تشویق کرده است.
برای توسعهی اقتصادی نواحی ارضی، تکنیکهای اصلاح زمین توسعه یافته است. یکی از روشهای تجربی اصلاح زمین، ستونهای سنگی است.
ظاهراً این مفهوم اولین بار در 1830 در فرانسه برای اصلاح خاک محلی بکار گرفته شده است. ستونهای سنگی در محلهای بسیاری در جهان برای افزایش ظرفیت باربری، کاهش نشستهای کلی و تفاضلی، افزایش سرعت تحکیم، پایدارسازی شیب خاکریزها و همچنین مقاومسازی در برابر روانگرایی مورد استفاده قرارگرفته است.
وجود ستون سفتتر، باعث میشود که قابلیت فشردگی کلی کاهش یافته و مقاومت برشی بیشتری نسبت به خاک محلی ایجاد گردد.
سیستم ستون سنگی در خاکهای نرم و تراکمپذیر، تا حدی شبیه فونداسیونهای شمعی است البته به کلاهکهای شمع، اتصالات سازهای و نفوذ عمیق به لایههای زیرین محکم احتیاجی ندارد.
وقتی که یک ستون سنگی بارگذاری میشود؛ با بادکردن و شکمدادگی تغییرشکل مییابد و تنشها را در قسمت بالایی پروفیل خاک بجای انتقال آنها به لایهی عمیقتر، توزیع میکند؛ درست عکس حالت پیهای شمعی.(عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
به علت دانهای بودن مواد تشکیلدهندهی ستونهای سنگی، آنها نفوذپذیری بالایی داشته و همین امر سبب تسریع نشستهای تحکیمی و مینیممسازی نشستهای پس از ساخت میگردد. علاوه بر این، با نصب ستونهای سنگی، شرایط تنش برجا بهتر میشود.
ستونهای سنگی برای تحمل سازههای بناشده روی خاکهای چسبنده خیلی نرم تا محکم و همچنین ماسههای لایدار با ریزدانهی بیش از 15 درصد استفاده شده است.
کاربرد ستونهای سنگی شامل تحمل خاکریزها، مخازن ذخیرهسازی سیالات، پیهای گسترده و سازههای با ارتفاع کم است.
ستونهای سنگی، برای خاکهای رسی با مقاومت برشی زهکشینشده در بازهی 7 تا 50 کیلوپاسکال، بسیار موثر هستند. جدیدترین تکنولوژیهای موجود برای نصب و روشهای کنترل شدید، اجازه میدهند که ستونهای سنگیای تا عمق 30 متر اجرا گردد.
این پیشرفتها باعث استفاده از ستونهای سنگی اجرا شده بوسیلهی ارتعاش به عنوان یک راه دیگر به جای روشهای اصلاح سنتی نظیر شمعزنی برای سازههای با ارتفاع کم شده است.
روشهای ساخت ستونهای سنگی
ساخت ستونهای سنگی شامل ایجاد یک سوراخ در زمین که بعداً با مواد دانهای پر میشود؛ است. مصالح پرکننده شامل سنگ یا مخلوط ماسه سنگ با نسبت مناسب است که با وسایل مناسبی برای ایجاد یک ستون متراکم با مقاومت لازم، متراکم گردیده است. (عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
روشهای مختلفی برای نصب ستونهای سنگی در سرتاسر جهان استفاده میگردد که به کارایی و در دسترس بودن تجهیزات آنها در محل موردنظر بستگی دارد. بر اساس ادبیات تحقیق موجود، روشهای ساخت اصلی به صورت زیر ارائه میگردد:
روش ارتعاشی-جایگزینی
برای خاکهای چسبنده روش ارتعاشی-جایگزینی به طور وسیعی برای نصب ستونهای سنگی استفاده شده است. در این روش برای ایجاد سوراخ در زمین و تراکم مصالح دانهای درون سوراخ از واحد ارتعاشی به نام ویبروفلوت استفاده میشود.
ستونهای سنگی ساخته شده با این تجهیزات میتوانند از تکنیک فرآیند تر یا خشک ایجاد شده باشند. اصلیترین مزیت این روش، سرعت و عمق اجرای آن است.
فرآیند تر
در این روش، بوسیلهی یک لوله که عملیات جت آب را انجام میدهد؛ سوراخی در زمین ایجاد میگردد(شکل 1). تا رسیدن به عمق دلخواه، خاک محلی به بیرون رانده شده و سنگهای با اندازهی 12 تا 75 میلیمتر در نموهای 3/0 تا 2/1 متری وارد سوراخ شده و بوسیلهی لرزاننده هیدرولیکی یا الکتریکی که در نزدیکی نوک لوله واقع شده است؛ متراکم میگردند.(عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
کاربرد این روش در خاکهای نرم نسبتاً نفوذناپذیر و خاکهای چسبندهی با مقاومت بین 15 تا 50 کیلوپاسکال و در محلهای با سطح آب زیرزمینی بالا( در آنها پایداری گمانه سؤالبرانگیز است) میباشد. اصلیترین زیان تکنیک تر، نیاز به حجم بالای آب و دفع آن بدون ایجاد آلودگی محیط زیستی است.
پس از استفاده از این آب برای ساخت ستون سنگی، این آب شامل میزان قابلتوجهی از رس و لای معلق خواهد بود. ممکن است بر طبق قوانین محلی و شرایط شهری، زهکشی و دفع سوسپانسیون آب-خاک اضافی، ممنوع باشد. بدون استفادهی مناسب از خندقها و سازهای زهکشی و جمعکننده، رخداد آلودگی اجتنابناپذیر خواهد بود. بوجود آمدن گودالهای آبی، ممکن است باعث منقطع شدن کار و پایین آمدن سرعت اجرا گردد.
فرآیند خشک
اصلیترین تفاوت روش تر و خشک، عدم حضور جت آب برای ایجاد گمانهی اولیه است.
برای انجامپذیری این روش نیاز است که گمانه حفر شده تا زمان خروج لوله دستگاه، پایدار باشد و باز بماند؛ بنابراین این روش برای خاکهای چسبنده غیرحساس پایدارکه مقاومت برشی زهکشینشدهی آنها در بازهی 30 تا 60 کیلوپاسکال باشد و محل موردنظر تراز آب زیرزمینی نسبتاً پایینی داشته باشد؛ بکارگرفته میشود. تکنیک خشک از تکنیک تر تمیزتر است چون از جت آب استفاده نمیکند.
روش خشک به طور مداوم برای ساخت ستونهای سنگی در زمینهای ضعیف استفاده میگردد که علت آن، عدم نیاز به استحصال، نگهداری و دفع مقدار قابلتوجهی آب است. (عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
بعضی اوقات از جت هوا برای تسهیل خروج لوله دستگاه در زمانیکه به دیوارهی گمانه میچسبد؛ استفاده میگردد.
اخیراً از نوع جدیدی لرزاننده به نام باتم فید(تغذیه کفی) برای پایدارسازی محلهایی که خاک نرم و سطح آب زیرزمینی بالایی دارند؛ استفاده میگردد.
جدایی لولههای همجوار لولهی دستگاه، اجازهی تخلیهی سنگ، ماسه یا بتن را در کف گمانهی حفر شده بدون نیاز به خارج کردن لرزاننده، میدهد. با استفاده از این حالت، لرزاننده به عنوان یک پوشش برای جلوگیری از فروریزش گمانه عمل میکند.
2-2-4- روش ویبروکامپوزر
این روش در ژاپن برای پایدارسازی رسهای نرم که در آنها تراز آب زیرزمینی بالاست؛ بصورت متداولی استفاده میگردد.
نحوه نصب در شکل 2 نمایش داده شده است. شمع بدست آمده از این روش، یک شمع ماسهای متراکم است. شمعهای ماسهای تراکمی بوسیلهی رانش یک لولهی پوششی تا عمق دلخواه با استفاده از یک چکش لرزانندهی قائم سنگین که در بالای لوله واقع شده است؛ ساخته میشوند.
پوشش از حجم مشخصی از ماسه پر میشود و با استفاده از همان چکش لرزاننده، مکرراً خارج و به درون گمانه رانده میشود. این فرآیند تا زمان نفوذ کامل شمع ماسهای تراکمی ادامه مییابد. معمولاً با این روش، به سهولت، قطرهای 600 تا 800 میلیمتری ساخته میگردد.
صحت سنجی نرم افزار
براي بررسي چگونگي اثر ستونهاي سنگي بر ميزان نشست پي لازم است يک مدل به عنوان مدل مرجع درنظر گرفته شود که در آن پي متکي بر خاک ماسهاي زيرين بوده و هيچ ستون سنگياي در زير آن اجرا نشده باشد. همچنين جهت بررسي اثرات ستونهاي سنگي، در ساير مدلها در زير فونداسيون از ستونهاي سنگي براي بهسازي وضعيت خاک استفاده شده است. در ادامه خصوصيات هندسي و پارامترهاي شبيهسازي هر يک از اين مدلها ارائه ميشود.(عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
خصوصيات هندسي و پارامترهاي مدلها
بسته اجزاء محدود (PLAXIS) با تجزیه و تحلیل نتیجه تست بار منتشر شده بر اساس کار انجام شده توسط ناراسیما رائو و همکاران در سال (1992) اعتبار سنجی شده است.
حجم تست انجام شده دارای قطر 650 میلی متر و ارتفاع بستر خاک رس آماده 350 میلی متر می باشد. ستون های سنگی با قطر 25 میلی متر و ارتفاع 225 میلی متر در مرکز بستر خاک رس ساخته شده و بارگذاری توسط یک صفحه با قطر معادل دو برابر قطر ستون سنگی انجام شده است، که خواص خاک رس و سنگ ها در زیر آورده شده است.(عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
ستونهاي سنگي در زير پي از ديگر بخشهاي مدلهاي مورد مطالعه هستند.
اين ستونها غالباً از جنس سنگهاي شکسته به همراه يک مادهي چسباننده مثل سيمان هستند که پس از حفاري و خارج کردن خاک، درون حفرهي ايجاد شده ريخته و کوبيده ميشود. براي شبيهسازي رفتار اين ستونهاي سنگي از مدل رفتاري الاستو-پلاستيک موهر- کولمب استفاده شده است.
– مطالعات پارامتری
در این قسمت از پایان نامه با توجه به اینکه بخش صحت سنجی نرم افزار پلکسیس برای ستون سنگی انجام شد به انجام مطالعات پارامتری شامل مقایسه با شمع، استفاده از طول، قطر و سختی های مختلف، برای هر دو المان سازهای استفاده خواد شد.
مقایسه ستون سنگی با شمع
در این قسمت برای مدلسازی شمع از المان پلیت استفاده شده است که در شکل زیر مدل مورد نظر آورده شده است.
در این پایان نامه به مقایسه این دو روش پرداخته شده است که در ادامه به صورت تیتر وار به نتایج آن اشاره می گردد.(عملکرد رفتاری ظرفیت باربری)
- شمع فولادی در خاک ظرفیت باربری بیشتری نسبت به ستون سنگی از خود نشان می دهد ، که البته این مسئله ممکن است به نوع خاک نیز بستگی داشته باشد.
- با افزایش طول ستون سنگی، ظرفیت باربری افزایش می یابد. همچنین باید در نظر گرفت که ستون سنگی با طول 10 در این هندسه مدل طول بهینه می باشد و با افزایش طول بیش از این مقدار تغییر محسوسی در نتایج حاصل نمی شود.
- همچنین با افزایش طول شمع و ستون سنگی به طور همزمان، مشاهده می گردد که هر چقدر طول افزایش پیدا کند، اختلاف ظرفیت باربری بین این دو المان افزایش بیشتری را به همراه دارد.
- با افزایش طول شمع مقدار ظرفیت باربری افزایش می یابد و مقدار تقریبی طول بهینه برای شمع را می توان 20 متر در نظر گرفت.
- از طرفی در مقایسه شمع با ستون سنگی می توان استفاده از شمع را در این نوع خاک مقرون به صرفه تر در نظر گرفت، زیرا با شمعی به طول 5 متر می توان به ظرفیت باربری تقریبا یکسانی از ستون سنگی با طول 22.5 متر رسید و این قضیه به اولویت استفاده از شمع در این جنس از خاک اشاره می کند.
برای مشاهده مطالب بیشتر به سایت فرزدان مراجعه نماید.
دیدگاهتان را بنویسید