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)

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.