آزمایش‌های استاتیکی شمع‌‌

تعیین ظرفیت باربری واقعی شمع‌ها (یا پی‌های عمیق‌) همواره با دشواری‌هایی همراه بوده است‌. خواص فیزیکی و مکانیکی منحصر بفرد خاک مانند ناهمگونی، ناهمسانی، وجود آب‌ و ترکیبات مختلف خاک در طبیعت، استعداد خزش، رفتار پیچیده تنش – کرنش از یک‌سو و تنوع شمع‌ها از لحاظ جنس مصالح، شکل مقاطع، روش‌های اجر‌ا، نصب و سایر موارد دیگر موجب پیچیدگی اندرکنش المان سازه‌ای شمع و خاک اطراف آن میشوند. لذا مدل کردن چنین شرایط پیچیده‌ای که متغیرهای مختلفی در آن دخالت دارند، دشوار است‌. از سوی دیگر، تعیین پارامترهای مدل با دقت مورد نیاز نیز کار دشواری است. این مسأله موجب کاهش دقت درتعیین ظرفیت باربری شده و در نتیجه استفاده از روش‌های تحلیلی را با مشکلات بیشتری مواجه ساخته است. نیاز به طراحی بهینه شمع‌ها پژوهشگران را بر آن داشت که روش‌ها و شیوه‌های دیگری را نیز به عنوان مکمل برای تعیین ظرفیت باربری پیشنهاد نمایند.

تعیین ظرفیت باربری و رفتار نیرو – تغییر مکان شمع (یا پی عمیق) از جمله مهمترین موارد در طراحی و اجرای شمع به شمار می‌‌رود. روش‌های مختلف تعیین یا کنترل ظرفیت باربری محوری شمع‌ها را می‌توان به چهار دسته کلی تقسیم نمود.

1. روش‌های تحلیل استاتیکی (برای تعیین مقاومت‌های نوک و جدار با استفاده از روش‌های مبتنی بر حالت حد نهائی)
2. ‌ استفاده (مستقیم) از نتایج آزمایش‌های برجا (مانند SPT، CPT و پرسیومتر)
3. آزمایش بارگذاری استاتیکی محوری (تا مرحله گسیختگی خاک)
4. روش‌های دینامیکی به منظور تعیین ظرفیت استاتیکی (تست‌های دینامیکی مانند  PDA و تحلیل‌های دینامیکی مانند WEAP و انطباق سیگنال)

استفاده از هر یک از دسته روش‌های فوق در مراحل مختلف مطالعات مقدماتی، طرح جزئیات، برنامه ریزی اجرا و کنترل کیفیت بنا به تجربه طراح، شرایط ساختگاه، وسعت پروژه، امکانات اجرائی و آئین نامه‌های ملی و تجارب منطقه‌ای تعیین میشود. آنچه مسلم است تصمیم نهائی برای انتخاب ظرفیت باربری شمع تنها بر اساس یک روش گرفته نمی‌شود و بلکه مبتنی بر ترکیبی از دسته روش‌های فوق تعیین می‌شود.

به هر حال آزمایش بارگذاری استاتیکی به عنوان یک روش قابل اعتماد می‌تواند در مرحله طراحی و قبل از اجرای شمع‌های اصلی به عنوان شمع آزمایشی‌، (Test Pile)، ‌یا در حین عملیات اجرا بر روی شمع‌های اصلی برای اطمینان از پیش بینی طرح و همچنین کنترل کیفیت اجرا انجام پذیرد. تعداد، نوع و شرایط آزمایش در هر مرحله از پیشرفت پروژه بستگی به اندازه‌، اهمیت و سایر شرایط پروژه خواهد داشت که توسط مهندس مشاور ژئوتکنیک طرح تعیین میشود.

‌آزمایش بارگذاری استاتیکی در طول طراحی شمع

با توجه به اینکه آزمایش بارگذاری معمولاً روی شمع با ابعاد و شرایط شمع واقعی انجام می‌شود، نتایج آن در مقایسه با سایر روش‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. برای این منظور ممکن است یک یا چند شمع آزمایشی در محدوده ساختگاه اجرا شده و بارگذاری روی آنها انجام شود. در صورت امکان می‌توان محل شمع‌های آزمایشی را طوری انتخاب کرد که به عنوان شمع اصلی بکار برده شوند‌. تعداد شمع‌های آزمایشی، نوع شمع‌ها، روش اجرا و شرایط بارگذاری لازم است توسط مشاور ژئوتکنیک مسئول اجرای طرح انجام پذیرد.

برای این منظور توجه به نکات ذیل ضروری است.

1. قبل از انجام آزمایش باید مطالعات ژئوتکنیک در ساختگاه به طور کامل انجام شده باشد.
2. نوع شمع، تجهیزات و روش اجرا همانند شرایط اجرای شمع‌های اصلی باشد.
3. مراحل اجرای شمع باید با نظارت مشاور ژئوتکنیک و مستند سازی کامل انجام پذیرد.
4. شمع‌ها حداقل باید تا ٢٢ برابر بار سرویس و ترجیحاً تا مرحله گسیختگی کامل بارگذاری شوند.
5. روش آزمایش و ملحقات آن و نحوه گزارش نتایج طبق توصیه‌های ASTM صورت پذیرد.
6. در صورت امکان از نصب میله‌های شاخص (Telltales) و یا سایر انواع ابزار در شمع به منظور تفکیک مقاومت‌های نوک و جدار استفاده شود.

آزمایش بارگذاری استاتیکی در طول اجرای شمع و پس از اجرا ‌

معمولاً آزمایش‌های بارگذاری روی تعدادی شمع در مراحل مقدماتی اجرای شمع انجام می‌شود. هدف از انجام این آزمایش‌ها حصول اطمینان از باربری ایمن شمع‌ها و همچنین کنترل عملیات اجرایی است‌. انتخاب شمع‌های آزمایشی توسط مهندس مشاور مسئول ژئوتکنیک طرح و بر اساس مشاهدات رفتاری شمع در حین اجرا انجام می‌پذیرد. همچنین آزمایش‌های کنترلی در طول اجرا و پس از اتمام اجر ا معمولاً به منظور کنترل کیفیت، بازرسی و اطمینان از صحت اجرا انجام می‌شود. توصیه می‌شود یک شمع از هر گروه در مواردی که نکات خاصی در حین اجرای شمع‌، مثلاً تفاوت قابل توجه در لایه بندی خاک، مشاهده شده آزمایش شود.

تعداد کل آزمایش‌های بارگذاری استاتیکی در مر احل مختلف طراحی، اجرا و پس از اجرا، بسته به شرایط ساختگاه، تعداد کل شمع‌ها و نظر مشاور ژئوتکنیک طرح تعیین میشود. به عنوان یک شاخص راهنما می‌توان ٢ آزمایش به ازاء هر ١٠٠ شمع را در نظر داشت. در صورت استفاده از آزمایش دینامیک شمع (PDA) می‌توان تعداد آزمایش‌های بارگذاری استاتیکی را کاهش داد.

توجه به این نکته ضروری است که نشست شمع‌ها، به ویژه گروه شمع را نمی‌توان از نتایج آزمایش بارگذاری تعیین نمود‌. حتی اگر آزمایش از نوع آهسته و طولانی باشد نیز محاسبه نشست‌، به ویژه نشست ناشی از تحکیم، از نتایج آزمایش بارگذاری صحیح نیست.

نحوه انجام آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع

آزمایش بارگذاری استاتیکی محوری فشاری باید مطابق استاندارد ASTM D- ۱۱۴۳ انجام شود‌. فواصل و دقت‌های توصیه شده در استاندارد به عنوان حداقل‌های لازم تلقی شوند و چنانچه مقادیر بکار گرفته شده کمتر از مقادیر استاندارد باشند مسلماً نتایج قابل قبول نخواهد بود‌. به عنوان مثال، فواصل توصیه شده بین تیرهای مرجع برای اندازه‌گیری نشست و تکیه‌گاه‌های تیراصلی و شمع آزمایشی، حداقل‌های لازم برای انجام آزمایش بوده و در صورت امکان بهتر است فواصل بیشتری اختیار شوند.

سایر آزمایش‌های بارگذاری یا کنترل کیفیت شمع

در برخی موارد ممکن است نیاز به آزمایش‌های بارگذاری دیگری مانند آزمایش بیرون کشش (Pullout‌) یا آزمایش بارگذاری جانبی باشد که در این صورت نیز باید آزمایش را طبق استاندارد انجام داد‌. آزمایش بیرون کشش شبیه به آزمایش فشاری است‌، اما تهیه نیروی عکس العمل لازم برای آن به مراتب ساده‌تر است.

موارد کاربرد

آزمایش بارگذاری استاتیکی محوری فشاری به شمع‌های عمودی یا مایل که به صورت تکی یا گروهی اجرا می‌شوند اختصاص دارد و به منظور تعیین پاسخ تک شمع یا گروه شمع نسبت به بار فشاری محوری وارده بکار می‌رود. این آزمایش بر روی انواع پی‌های عمیق (بدون توجه به روش اجرای آنها) که شبیه به شمع‌ها عمل می‌نمایند، قابل انجام است.