ریز شمع در مهندسی ژئوتکنیک و مبانی طراحی ریز شمع ها

ریز شمع ها

موارد استفاده از ریز شمع در مهندسی ژئوتکنیک……………………………………………………………………………………………

معرفی ريز شمع………………………………………………………………………………………………………………………………………..

سیستم های طبقه بندی ريز شمع ها……………………………………………………………………………………………………………..

• • طبقه بندی ريز شمع ها بر اساس فلسفة طراحی و عملکرد……………………………………………………………………………….

طبقه بندی ريز شمع ها بر اساس روشهای اجرایی ساخت و تزریق…………………….. ….

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

طراحی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

مقاومت اسمی پیوند دوغاب و خاک………………………………………………………………………………………………………………..

طراحی ريز شمع………………………………………………………………………………………………………………………………………….

• • طراحی ژئوتکنیکی……………………………………………………………………………………………………………………………………. 0
    • ظرفیت ژئوتکنیکی پیوند…………………………………………………………………………………………………………………………….

2-5     بار مجاز محوری فشاری و کششی ژئوتکنیکی طول پیوند، (روش SLD )…………………………………………………………..

2-6     مقاومت طراحی ژئوتکنیکی محوری طول پیوند در کشش و فشار،(روش LFD) …………………………………………………

2-7     طراحي سازه ای ريز شمع……………………………………………………………………………………………………………………………..

2-8     ظرفیت سازه ای طول غلاف شدة ريز شمع…………………………………………………………………………………………………….

2-8-1 طول غلاف شده ريز شمع (طراحی با بار سرویسSLD) ………………………………………………………………………………….

2-8-2 طول غلاف شده ريز شمع( (LFD ) طراحی با بار ضریب دار ) ………………………………………………………………………..

2-9     طول غلاف نشده ريز شمع…………………………………………………………………………………………………………………………..

2-9-1 طول غلاف نشدة ريز شمع(بار طراحي يا بار سرويسSLD)………………………………………………………………………………

2-9-2 طول غلاف نشدة ريز شمع (طراحي با بار ضريب دار LFD) ……………………………………………………………………………

2-10   ظرفیت باربری ژئوتکنیکی کف ……………………………………………………………………………………………………………………

2-11  تاثیر گروه بر ریز شمع های تحت بار محوری………………………………………………………………………………………………….

2-12  ضرایب اطمینان …………………………………………………………………………………………………………………………………………..

2-12-1 ژئوتكنيكي………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

2-13  طول غلاف شدة ريز شمع………………………………………………………………………………………………………………………………

2-14  طول غلاف نشده ريز شمع…………………………………………………………………………………………………………………………….

2-15  بار مجاز كششي مربوط به آزمايش در محل……………………………………………………………………………………………………..

2-16  ظرفيت پيوند دوغاب به فلز……………………………………………………………………………………………………………………………

2-17  طراحي طول نفوذ غلاف در دوغاب (طول پلانج) ……………………………………………………………………………………………

2-18  سازگاري كرنش ها ما بين اعضاي سازه اي …………………………………………………………………………………………………….

منابع

ریزشمع ها

بطور کلی در مواجهه با خاک های مسئله دار نظیر خاک های سست با قابلیت باربری کم، نشست پذیری زیاد، روانگرا و خاک های دستی ، دو راه پیش روی مهندسین ژئوتکنیک قرار دارد :

الف : استفاده از المانهای باربر در خاک

ب : بهسازی و اصلاح خواص فیزیکی- مکانیکی تودة خاک

هر یک از راه حل های فوق دارای روشها و مشخصات مربوط به خود می‌باشند که طی سالیان متمادی توسعة فراوانی یافته اند. برخی از تکنیک های ابداعی نیز ماهیتی ترکیبی از دو دستة فوق داشته و مزایای هر دو دسته را تا حدودی بهمراه دارند. از آن دسته میتوان به استفاده از ریز شمع ها بهمراه تزریق دوغاب سیمان اشاره نمود.

ریز شمع به شمع هایی با قطر کوچک (کمتر از  mm300 ) اطلاق می گردد که غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می باشند. ریز شمع علاوه بر آنکه به عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل میکند، بدلیل تزریق دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک اطراف نیز میگردد. تاریخچة ابداع ریز شمع به اوایل دهة پنجاه میلادی ، زمانیکه اروپا با خیل عظیمی از ساختمان های در معرض خرابی ناشی از صدمات وارده در جنگ جهانی دوم روبرو بوده است،برمیگردد.

در این دوره، ابداع یک روش بهسازی بستر که علاوه بر کارایی و قابلیت اجرا در بین ساختمانهای تخریب شده، سریع و اقتصادی نیز باشد، بسیار ضروری بود.در چنین شرایطی ابداع  ریز شمع توسط Fondedile پیمانکار مشهور ایتالیایی صورت پذیرفت که بدلیل ویژگی های منحصر بفرد ، این روش گسترش فراوانی یافت. در آغاز استفاده از ریز شمع ها تنها در بهسازی بستر ضعیف ساختمانها مورد توجه قرار داشت، لیکن رفته رفته با توسعه و اجرای روش در کشورهای مختلف، دامنة کاربرد آن به دیگر عرصه های مهندسی ژئوتکنیک نظیر پایدار سازی شیبها و مقابله با روانگرایی کشیده شد.

در شکل 1-1 آرایش پیشنهادی ریز شمع ها برای تقویت سازة موجود، نشان داده شده است. همچنین در شکل 1-2 استفاده از شبکة ریز شمع های قائم و مایل جهت تقویت سازة موجود، ارائه گردیده است.

.

موارد استفاده از ریز شمع در مهندسی ژئوتکنیک

بطور کلی کاربرد ریز شمع ها در مهندسی ژئوتکنیک مشتمل بر دو بخش ” استفاده در بستر پی سازه ها” و “اصلاح و بهسازی بر جای خاک ” می‌باشد. انجام تحقیقات گسترده در مجامع علمی– تخصصی جهان بروی ریز شمع ها و رفتار استاتیکی، دینامیکی و لرزه ای آنها و همچنین تعریف بسیاری از تحقیقات و پایان نامه های دانشگاهی و ارائة مقالات مختلف در کنفرانس های بین المللی دربارة چگونگی رفتار و معیارهای طراحی ریز شمع ها در خاک های مختلف،  نیز بیانگر افزایش استقبال جامعة مهندسی از بهره گیری از این تکنیک می‌باشد. در حال حاضر، دستور العمل ارائه شده توسط (U.S.FHWA) بعنوان مرجع قابل قبول و مورد استفادة طراحان و پیمانکاران اجرای ریز شمع می‌باشد. انواع کاربرد ریز شمع‌ها را میتوان بقرار زیر دسته بندی نمود :

الف : اصلاح و بهسازی خاک

• 1- پایدار سازی شیبها
• 2- ساخت دیواره های نگهبان
• 3- مقابله با روانگرایی
• 4- افزایش مقاومت تودة خاک با اهداف خاص نظیر تونل سازی
• 5- حفاظت شیمیایی بخشهای مدفون سازه ها

ب :  پی سازه های جدید و موجود

• ب-1 –  سازه های جدید
• 1- کاهش نشست
• 2- افزایش باربری فشاری
• 3- تأمین باربری کششی
• 4- افزایش باربری جانبی

ب-2– سازه های موجود

• 1- کنترل نشست پی
• 2- کنترل باربری پی
• 3- تعمیر یا جایگزینی پی
• 4- کنترل شستگی پی
• 5- مقاوم سازی لرزه ای پی

معرفی ریز شمع

بطور کلی ریز شمع ها از لحاظ ساخت و اجرا به دو گروه تقسیم میشوند :

1- ریز شمع های کوبیدنی (جابجایی)

2- ریز شمع های درجا (تعویضی)

ریز شمع های کوبیدنی، اعضایی هستند که چون در زمین کوبیده شده و حرکت می کنند خاک اطراف را هنگام نصب بطور جانبی جابجا می‌کنند و ریز شمع های درجا در حفره هایی که قبلاً حفر شده‌اند، گذاشته میشوند و یا در محل حفره‌ها ساخته می‌شوند، بنابراین خاک حفاری شده جابجا می‌شود.

ریز شمع به شمع هایی با قطر کوچک (کمتر از  mm300 ) اطلاق می گردد که غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می باشند که معمولاً مسلح میشود. مراحل اجرای ریز شمع شامل حفر چاه یا گمانه، قرار دادن مصالح مسلح کننده (آرماتور) و تزریق درون گمانه می‌باشد. در شکل شمارة 1-4 مراحل اجرای یک ریز شمع نشان داده شده است.

برای توصیف بهتر ریز شمع می‌توان به موارد زیر اشاره نمود :

• * ریز شمع ها میتوانند در مقابل بار های قائم و یا بارهای جانبی مقاومت کنند، همچنین می‌توانند بجای یک ریز شمع معمولی بکار برده شوند و یا می‌توانند بصورت یک عضو در مجموعة تودة خاک و ریز شمع، با توجه به ایدة طراحی، بکار گرفته شوند.
• * ریز شمع ها بوسیلة روشهایی که کمترین آسیب را به سازه ها و خاک محیط وارد میکنند، اجرا میشوند.در هنگام نصب ریز شمع ها حداقل تکان و لرزش و صدا ایجاد شده و آنها میتوانند در وضعیتهای با فاصلة کم نسبت به هم اجرا شوند.
• * ریز شمع ها را میتوان در محیط های قابل دسترسی و یا دارای محدودیت و در تمام انواع خاک ها و وضعیت های مختلف زمین، بکار برد. همچنین آنها را میتوان در حالتهای مختلف (با هر زاویه ای نسبت به افق) بکار برد.
• * بعلت قطر کوچک ریز شمع از ظرفیت های باربری نوک آنها، عموماً صرفنظر می‌شود.
• * مقاومت و پیوستگی محدودة باند تزریق بستگی به نوع زمین، روش و فشار و غلظت مایع تزریق و … دارد. تزریق، بار وارده را بوسیلة اصطکاک از مصالح مسلح کننده به زمین در منطقة پیوستگی (باند تزریق) ریز شمع، انتقال می‌دهد.
• * برای نصب ریز شمع ها در زمینهای نرم، اغلب تجهیزات حفاری مخصوص مورد نیاز است.

مبانی طراحی

مقدمه

در این فصل خلاصه ای از بررسی های زیر سطحی مطرح می گردند و بدنبالش طراحی سازه ای و ژئوتکنیکی ریز شمع های نوع اول مورد توجه واقع می شوند. بخش مربوط به طراحی ژئوتکنیکی ریز شمع شامل بررسی و تخمین ظرفیت پیوند دوغاب و خاک در ریز شمع ها می باشد. جدولی از مقادیر مربوطه به ظرفیت نهایی اسمی پیوند دوغاب و خاک، برای انواع مختلف خاک و سنگ در دسترس، و در این بخش ارائه شده است.

بحث مربوطه به طراحی سازه ای شامل روش هایی جهت تعیین مولفة باربری سازه ای ریز شمع مطابق با آشتو 1996، مشخصات استاندارد مربوطه به پل بزرگراهها، ویرایش شانزدهم، می باشد ظرفیت باربری ژئوتکنیكی ریز شمع نسبت به شیوه های ساخت آن بسیار حساس می باشد، عمدتاً تکنیک های بکار رفته جهت حفاری، شستشوی سریع گودال و تزریق در ریز شمع ، مدنظر می باشند. بنابراین ارزیابی ظرفیت اسمی پیوند فرض شده بین دوغاب و خاک در طراحی، از طریق آزمایش های بارگذاری در خلال ساخت، به جهت حصول اطمینان از ایمنی سازه، امری ضروریست و فلسفه اصلی طراحی ریز شمع دارای اندکی تفاوت با سایر انواع ریز شمع می باشد.

سیستم باید توانایی حمل بارهای پیش بینی شده را داشته باشد و اجزاء ریز شمع نیز نباید سطح تنش بیشتری از حد ایمن خود تحمل کنند و در عین حال جابه جایی ها به یک حدود قابل قبولی نزول کنند. در سیستم های متعارف اجرای ریز شمع، که سطح مقطع بالای آنها منجر به ظرفیت سازه ای بالا و سختی قابل توجه می شود، عمدتاً بر طراحی ژئوتکنیکی و ظرفیت باربری ژئوتکنیکی تأکید می شود. در ریز شمع های با سطح مقطع کوچکتر، طراحی ریز شمع بیشتر تحت تأثیر طراحی سازه ای و شرایط سختی آن واقع می شود.

اهمیت طراحی سازه ای با مطرح شدن بحث ظرفیت پیوند دوغاب و خاک، که قابل حصول توسط تکنیک های تزریق بکار برده شده است، افزایش می یابد. از این گذشته، استفاده از ابزار تسلیح با مقاومت بالا در ریز شمع، می تواند در شرایط سختی ریز شمع تأثیر گذار باشد. با توجه به بارگذاری محوری و جانبی و ترکیب آنها، طراحی ریز شمع ها شامل دو قسمت اساسی می باشد: 1- ارزیابي ظرفیت باربری ژئوتکنیکی ریز شمع، که به تخمین پارامترهای مربوط به وجه اشتراک خاک و دوغاب و وضعیت تنش در خاک پس از نصب ریز شمع (اثرات فشار تزریق) ، نیاز دارد. 2- ظرفیت باربری سازه ای و سختی مقطع ریز شمع ، که به مساحت مقطع مرکب تقویتی ریز شمع و مقاومت مصالح مقطع ریز شمع وابسته است. در این فصل همچنین روش های مختلف تحلیلی نحوه انتقال بار از طریق ریز شمع های متعارف مورد بررسی قرار میگیرد.

طراحی

ریز شمعها با تزریق ثقلی، با بازسازی روش اجرایی ریز شمع های در جای با قطر بزرگ، اجرا میشوند، بنابراین ظرفیت باربری آن با پذیرفتن معیار طراحی استفاده شده برای ریز شمع های درجا محاسبه میشود. ریز شمع های با تزریق فشار بالا فقط با در نظر گرفتن لایه ای که ریز شمع ها به آن اتکا دارند، طراحی میشوند.

لایه ای که طول چسبندگی  (BOND LENGTH  ) در آن، تزریق شده است. فرض میشود که ریز شمع ها از یک طول آزاد (LF ) که بار را به خاک انتقال نمیدهد و یک طول چسبندگی (LC ) که بار را به خاک انتقال میدهند، تشکیل شده اند.در این قسمت بدلیل اینکه تزریق درون شیرها انجام میشود، گمانة تزریق شده از طریق شکست هیدرولیکی تزریق گسترش می یابند تا یک ریشه تزریق اطراف مرکز قطر گمانه بدست آید.

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات ، پیشینه تحقیق و مبانی نظری پایان نامه های مهندسی عمران کلیک کنید.

  نمونه ای از فهرست منابع و ماخذ

• 1-  گزارش های آزمایشهای بارگذاری شرکت مهندسی خدماتی و ساختمانی نوفن
• 2-  مکانیک خاک جلد دوم مهندسی پی تألیف دکتر بهنیا، دکتر طباطبائی انتشارات دانشگاه تهران (1374)
• 3-FHWA (Federal Highway Administration, US Department of Transportation),
• (1997). “Drilled and Grouted Micropiles” State-of -Practice Review, Volume I, II, III and
• IV, Publication No. FHWA-RD-96-018.
• 4- plaxis Manual , Version 8.2 , A.A.Balkema , Netherland , 1998
• 5– ASTM D3066 – 90 (Reapproved 1995) Standard Test Method for piles Under Lateral Load.
• 6  – ASTM D 1143 – 81 (Reapproved 1994) Standard Test Method for piles Under Static Axial Compressive Load.
•  7 – ASTM D3689 – 90 (Reapproved 1995) Standard Test Method for Individual Piles Under Static Axial Tensile Load.
• 8-…
• 9-…