پایه های سنگ دانه ای متراکم (2)

عملکرد

اجرای RAP اطمینان افزاینده ای در مهندسان نسبت به عملکرد سیستم پی، تحت هر دو شرایط بارهای استاتیکی و بارهای دینامیکی، فراهم می آورد. سختی به خوبی مشخص ساخت RAP و عملکرد نشست از دلایل عمده ی این اعتماد رو به رشد هستند.
سختی به خوبی معین ساخت RAP توسط موارد زیر اثبات شده است:
1- آزمایش های بارگذاری تمام مقیاس در کارگاه.
2- نظم و سادگی ساخت. هر سطل سنگ RAP حجمی معادل دو بالاروی 30 سانتی متراکم شده را دربر می گیرد، که لایه های متراکم شده ی نازک برای هر پایه ی نصب شده را تضمین می نماید.
3- گمانه زنی حجیم در هر پایه ی RAP برای مهندس ژئوتکنیک مسجل می سازد که محوطه ی ساخت و ساز توسط گمانه های شناسایی خاک به خوبی معرفی شده است.

سختی معین

در حین اجرای RAP در لایه های خاک متوسط تا سفت، کوبه ی هیدرولیکی سنگ شکسته را با تغییر شکل جانبی متوسطی در داخل خاک جای خواهد داد، و در لایه های خاک نرم و ضعیف، سنگ شکسته با تغییر شکل جانبی زیادی در داخل خاک جای خواهد گرفت، و این منجر به افزایش اصلاح خاک در جای مورد نیاز خواهد شد. در نتیجه، لایه های خاک نرم و ضعیف ناشناخته توسط حجم های سنگ بالاتر (خورند سنگ بیش تر) بهبود می یابد. این بهبود از طریق نتایج چندین آزمایش بار مدول در نواحی خاک نرم ثابت شده است.
آزمایش های بار مدول تمام مقیاس سختی فنری اتکایی (مدول سختی، kg) اجزای RAP را اندازه گیری می کنند. آزمایش مدول RAP به طور کلی طبق استاندارد آزمایش بارگذاری شمع (ASTM D 1143) با اصلاحاتی ویژه ی اجرای RAP انجام می شود. از آن جا که پارامترهای طراحی بر مبنای داده های آزمایش بار تمام مقیاس هستند، رفتار RAP به خوبی شناخته شده است، و این داده ها می تواند برای طراحی آیین نامه ای متعارف یا طراحی مبتنی بر عملکرد مورد استفاده قرار گیرد.
پایه ی فشاری تا 120 درصد تنش بیشینه ی سر پایه ی RAP بارگذاری می شود تا مدول سختی اندازه گیری شود و آن گاه تا 200 درصد بارگذاری می گردد تا ظرفیت باربری نهایی کاذب به دست آید (شکست در منحنی بار - تغییر شکل) مجموعه ی ابزار آزمایش را در شکل 7 ملاحظه نمائید. اگرچه هدف از آزمایش مدول، تأیید مدول سختی مورد استفاده در محاسبات طراحی است، در عین حال این آزمایش ها می توانند بینش مفیدی نیز در رابطه با چگونگی رفتار RAP در خاک های مختلف به دست دهند. در حین آزمایش بارگذای، سازوکار گسیختگی RAP می تواند از طریق شاخص های نصب شده در ته و وسط پایه ی RAP شناسایی شود. همان طور که در شکل 8 نشان داده شده است، میله ی شاخص تنها اندکی جابه جا شده است در حالی که تغییر شکل های سر پایه ی RAP در تنش بیش از MPa 175 (ksf 25) افزایش یافته اند. این رفتار دلالت بر آن دارد که در تنش های بالاتر RAP به جای فرو رفتن اندکی به سمت بیرون متورم می گردد (Majchrzak et al 2004). تحدب جانبی رفتار ارجح و «حالت حدی» مناسبی برای RAP است.

عملکرد برکنش

پایه ی برکنشی RAP تقریباً یکسان با پایه ی باربر فشاری تنها اجرا می گردد با این تفاوت که در حین اجرای پایه ی با قابلیت حمل برکنش، یک مهار صفحه ی پایه در پیاز تحتانی قرار داده می شود. این مهار سازه ای فولادی متشکل از چهار میلگرد تمام آجدار برجسته شماره ی 7#، (MPa 517) هر یک با مقاومت نهایی کمینه ی kips 60 (kN 260) می باشد، خواص سازه ای این میلگرد را در شکل 9 ملاحظه نمایید.

شکل 7: عکس مجموعه ابزار آزمایش مدول RAP

شکل 8: نمودار نتایج آزمایش مدول، محوطه ی کارگاهی دوبلین

شکل 9: خواص میلگرد تمام آجدار برجسته

شکل 10: نمونه پایه ی برکنشی RAP

ته کلیه ی این میلگردها به یک صفحه ی فولادی A36 گالوانیزه شده ( با غوطه وری داغ) به ضخامت یک اینچ پیچ می گردد. این مجموعه توسط پوشش افشان های پلی یوریثان (Polyurethane) در اتصالات پیچ شده و روی تمام صفحه پایه محافظت می شود، شکل 10 را ملاحظه نمایید. سر کلیه ی میلگردها صفحات باربر مربعی 4 اینچی قرار می گیرد، که مهاربندی لازم در شالوده را فراهم می آورند. برای منظور نمودن قابلیت اعتماد دراز مدت، میلگردها بیش از اندازه بوده و به روش غوطه وری داغ گالوانیزه شده و آن گاه توسط پلی اتیلن فشرده به ضخامت 25mm محافظت می شوند، پوشش پلی اتیلن توسط بتونه قیری انعطاف پذیری محکم به میلگرد چسبانده شده است. شکل 10 را ملاحظه نمایید. این کار به طور موثری انتقال رطوبت و اکسیژن به فولاد که لوازم خوردگی هستند را حذف می نماید.
نتایج آزمایش برکنش در شکل 11، تکرارپذیری در سختی پایه ی برکنشی RAP درخاک نرم بعد از دو نوبت اعمال بار دوره ای چند گانه را نشان می دهد. این آزمایش بر مبنای ASTM D389 روش آزمایش بار برکنش سریع شمع، در محوطه پروژه ای در ساکرامنتو (Sacramento) انجام شده است. شرایط خاک در این ناحیه لای ماسه دار سست و رس لای دار نرم بوده و تا عمق 5/5 متری قرار دارد. مقادیر Nحاصل از آزمایش SPT در خاک لای ماسه دار و رس لای دار بین 2 تا 5 ضربه قرار دارند.
برای این آزمایش خاص، پایه ی برکنشی گسیخته نشد. اما به طور کلی رفتار پایه برکنشی RAP مشابه رفتار پایه بتنی رنگی شکل است، از این حیث که تحت برکنش با رسیدن ظرفیت باربری پایه ی به حد نهایی، تدریجاً شروع به بالا آوردن توده ی بزرگی از خاک در سطح زمین می نماید(Lawton 2000). توجه نمایید که تقریباً 50 درصد تغییر شکل کشسان اولیه مربوط به کشیدگی فولاد بوده که به خوبی در محدوده کشسانی بیان شده می باشد. این پایه ی برکنشی بعد از اعمال دوره های تنش چندگانه، سختی خطی را حفظ می نماید.

کنترل نشست

در رابطه با طراحی شالوده، به نظر می رسد مهندسان سازه با فشارهای باربری (مقاومت) آشنایی بیش تری داشته، و با مدول بستر (سختی) کم تر آشنا هستند. گاهی مهندس سازه با این مساله مواجه است که با استفاده از فشارهای باربری متوسط برای طراحی، گزینه نیاز به بهبود زمین تکیه گاه پی را دنبال کند یا در عوض با انتخاب فشار باربری کم تر، شالوده های بزرگ یا سیستم پی عمیق با دال سازه ای را به کار گیرد. صرفه نظر از رویکرد انتخابی، سازه های فوقانی می بایست از جنبه های نشست های کل و نشست های تفاضلی بین ستون های مجاور محافظت گردد.
طراحی و اجرای RAP منجر به کاهش در هر دو نشست کل و نشست تفاضلی می گردد (Majchrzak et al 2004). در این جا این سوال مطرح می شود که کنترل نشست تفاضلی تا چه اندازه مهم است؟ یک قاب خمشی دو دهانه ی بتنی را در نظر بگیرید که ستون میانی آن دارای جا به جایی تفاضلی 75/. اینچ باشد. برای طول دهانه و ابعاد متعارف، این نشست به تنهایی می تواند لنگری معادل 40 درصد لنگر تسلیم را در تیرها ایجاد نماید.
برای ارائه ی تصویر درازمدتی از کنترل نشست RAP، دو سازه ی 6 طبقه، یکی در ساکرامنتو (Sacramento) و دیگری در دوبلین (Dublin)، به لحاظ نشست مورد پایش قرار گرفته و در مرجع ماجکرزاک و همکاران (Majchrzak et al 2004) به تفصیل مورد بحث قرار گرفته اند. این مطالعات موردی کنترل نشست یکنواخت خوبی در نواحی با خاک رس نرم تا سفت، امتداد یافته تا عمق 9 متری، را نشان می دهند. در هر دو پروژه، پی های RAP با عمق متوسط 7/6 تا 9 متری جایگزین شمع های کوبشی 23 و 20 متری گردیدند.
در ساکرامنتو موقعیت 12 ستون با بار مرده وزنی به اضافه بارهای زنده در دامنه ی 138 تا kips 835 و دو دیوار برشی بار مرده وزنی به اضافه بارهای زنده در دامنه ی 1200 تا kips 1800 در هر سمت، مورد زمان در شکل 12 رسم شده اند. نتایج دلالت بر آن دارند که نشست های پی در دامنه 0/3 تا 0/8 اینچ قرار داشتند که هم مقدار بیشینه و هم متوسط این مقادیر کوچک تر از برآوردهای طراحی هستند (Majchrzak et al 2004).
در پروژه دوبلین، چندین مکان از جمله ستون های وزنی با بارهای مرده و زنده در دامنه kips 3000 تا kips600 و دال های قاب خمشی با مجموع بار مرده و زنده 1500 kips تا 2300kips مورد اندازه گیری قرار گرفتند. نتایج قرائت های نشست شالوده برا ی محوطه دوبلین در برابر زمان در شکل 12 رسم گردیده اند. نشست های واقعی ثبت شده در دامنه 0/3 تا 0/7 اینچ قرار داشتند که هم مقدار بیشینه و هم مقدار متوسط کوچک تر از برآوردهای طراحی هستند.

قابلیت اجرا

عملکرد تکرارپذیر ارائه شده توسط اجرای RAP نتیجه ی مستقیم فن آوری های ساده ی نصب و کنترل کیفیت آن ها می باشد. استفاده از سنگ شکسته معمولی موجود در معادن سنگ محلی به حفظ کیفیت اجرای RAP اجرا شده کمک می نماید. همچنین استفاده از مهارهای فولادی سازه ای با طراحی ویژه، عملکرد تکرارپذیر اجزای برکنشی RAP را نیز تضمین می نماید.
از منظر پیمانکار، ساخت پی های سطحی متعارف بر روی خاک بهبود یافته بسیار ساده از اجرای کلاهک های شمع یا کلاهک های پایه و تیرهای ترازبندی است. در برخی موارد که جایگزین خاکبرداری حجیم با خاکریز مهندسی توصیه شده است ولی ته گود برداری پایین تر یا نزدیک به سفره ی آب زیرزمینی است، استفاده از RAP می تواند نیاز به سیستم پیچیده بی آب سازی گود را مرتفع سازد.
به خاطر بهبود ایجاد شده در خاک های اصلاح نیافته یا خاکریزهای کنترل نشده ی مجاور، اجزای RAP همیشه نیازی به ادامه تا لایه ی خاک محکم عمیق ندارند، که این ویژگی مشکلات اجرا را کاهش می دهد. همچنین این جنبه، سیستم RAP را برای اکثر شرایط خاک نرم و ضعیف قابل کاربرد می سازد. سرعت ساخت برای سیستم اجزای RAP حدود 40 تا 60 پایه در روز است. این سرعت اجرای RAP، به پیمانکاران اجازه می دهد تا خاکبرداری شالوده را زودتر شروع نموده، بنای سازه ی فوقانی را زودتر از پروژه ی پی عمیق به سمت بالای تراز زمین گسترش دهند.

از دیدگاه کنترل کیفیت، شبیه هر سیستم پی دیگری، اجرای RAP توسط مهندس ژئوتکنیک تحت نظارت و آزمایش قرار می گیرد. علاوه بر انجام آزمایش های بارگذاری مدول، نفوذ مخروط دینامیکی روزانه و پایدارسازی تحتانی، نماینده ی کارگاهی مهندس ژئوتکنیک عمق های حفاری، متوسط زمان سنبه کوبی هر لایه، انواع سنگدانه ها در هر لایه، ضخامت متوسط لایه، و شرایط غیرمعمول پیش آمده در شافت های حفاری شده را نیز ثبت می نماید. کنترل کیفیت RAP مشابه کنترل کیفیت پایه ی بتنی است، با این تفاوت که اجرای RAP، انجام یک آزمایش بارگذاری تمام مقیاس در هر کار را دربر می گیرد. بحث مشروحی از آزمایش کنترل کیفیت برای اجرای پایه ی سنگ دانه ای سنبه کوب شده را می توان در گزارش ICBOES ملاحظه نمود (2002).
به خاطر اندازه ی نسبی ابزار اجرای RAP، محدودیت های بالاسری به ندرت پیش می آید. همچنین محوطه های فشرده ی شهری در نواحی مسکونی توجه خود را به این روش فنی معطوف کرده اند زیرا اجرای RAP سرو صدای کمی ایجاد می نماید. برخلاف ارتعاشات پیوسته ی ناشی از کوبش شمع های بتنی، ارتعاشات ناشی از اجرای RAP در فاصله ی 3 متری از کوبه، کم تر از 2/0 اینچ در ثانیه هستند. برای محوطه های شهری خط صفر زمین، اجزای RAP می توانند در فاصله 5/5 متری از ساختمان موجود اجرا شوند، که این ویژگی نیاز به شمع زنی را مرتفع می سازد.
تنها محدودیت اجرای RAP عمق آن است. به همین دلیل اجرای RAP به عنوان «سیستم پی متوسط» نام گرفته است. رس های نرم تحکیم عادی یافته یا خاک های با قابلیت روانگرایی که تا بیش از عمق 10 متری گسترش یافته اند، به واسطه ی محدودیت های ابزاری نمی توانند با این روش اصلاح شوند. در حالی که عمیق ترین اجزای RAP اجرا شده در حدود 11 متری زیر سطح زمین هستند، 90 درصد اجزای RAP دارای عمق کم تر از 6 متر هستند. به علاوه، برای شرایط خاک حفره دار و نیز ماسه ای سست، گاهی از غلاف موقت (CASING) استفاده می گردد.

ساخت و ساز سبز

اجزای RAP را می توان با افزودن یا جایگزینی با بتن بازیافتی و سنگ دانه ی بازیافتی ارتقا بخشید. در سال 2003، شرکت ساختمانی DPR دفتر منطقه ای خود در ساکرامنتو را کامل نمود و به علت استفاده از مصالح بازیافتی محلی در اجرای پی RAP جایزه ی مدال نقره را از شورای ساختمان سبز آمریکا (USGBC 2004) دریافت نمود. این اولین پروژه ی خصوصی در درّه ی مرکزی (Central Valley) بود که توانست چنین افتخاری را کسب نماید. در واقع سیستم پی RAP به عنوان پی با مشخصه های ساختمانی سبز یا دوستدار محیط زیست شناخته شده است.

جنبه های اقتصادی

در حالی که هر سیستم ساختمانی اصولاً توسط عملکرد و قابلیت اجرایی آن مورد داوری قرار می گیرد، این سیستم به کار گرفته نخواهد شد مگر آن که نفع اقتصادی نیز برای مالک فراهم نماید. سیستم پی RAP در بیش از 10000 پروژه ی دولتی و خصوصی در آمریکا به کار برده شده است که بیش از 75 درصد آن ها در کالیفرنیا بوده است. چون بسیاری از پروژه های دولتی هزینه های پیشنهادی برای مناقصه های پایه و گزینه های مناقصه را منتشر کرده اند، لذا می توانند نمونه هایی از این که چه مقدار صرفه جویی با اجرای پی های سطحی متعارف متکی بر RAP محقق شده است را فراهم نمایند.
سه پروژه ی مختلف اجرا شده در دانشگاه کالیفرنیا در داویس (UCD) را در نظر بگیرید: 1) برای سازه ی پارکینگ ورودی غربی، پایه های سنگدانه کوبیده شده گزینه ی پیشنهادی در برابر پایه های بتنی زنگی شکل بود. طبق اسناد دولتی، صرفه جویی گزارش شده برای اجرای RAP نسبت به پایه های بتنی زنگی شکل 950000 دلار بود. 2) در ساختمان دانشکده ی علوم ریاضی، اجرای RAP با صرفه جویی گزارش شده 145000 دلار در برابر پایه های بتنی مستقیم رقابت نمود. 3) در مرکز فعالیت های تفریحی، شرکت مک کارثی (McCarthy) با به کارگیری اجزای RAP به جای پیشنهاد خاکبرداری حجیم 3 متری و جایگزینی آن با خاکریز مهندسی، یک صرفه جویی 300000 دلاری را گزارش نمودند.

نتیجه گیری ها

اجرای RAP یک شیوه ی بهبود زمین برای اتکای پی های سطحی متعارف است که در میان جوامع مهندسی ژئوتکنیک و سازه به خوبی مورد پذیرش قرار گرفته است. همان طور که در این مقاله نشان داده شد، با وجود RAP برای حمل ایمن بارهای دال کف و پی به رس نرم، ماسه و لای سست، خاکریزهای بدون نظارت و به طور کلی محوطه های خاک ضعیف و سست، مهندسین گزینه ی مطمئن دیگری در اختیار دارند. با شالوده های متکی بر RAP، مهندسان می توانند از سادگی طراحی، مشخصه های عملکرد دراز مدت خوب، اجراپذیری اثبات شده، و قابلیت رقابت اقتصادی اطمینان پیدا نمایند.
اجرای RAP در آمریکا و به ویژه در کالیفرنیا به طور موفقی در حال گسترش به پروژه های بخش دولتی و خصوصی می باشد. مطالعات موردی پیش گفته نشان می دهند که استفاده از تسلیح خاک RAP به عنوان بستر اتکای شالوده های با ظرفیت باربری بالا در چارچوب استانداردهای اجرایی یکسان با سیستم های پی عمیق و سطحی متعارف، منجر به صرفه جویی در هزینه ها می گردد. در نهایت توصیه می گردد این تجربه ی موفق در بهبود خواص مهندسی زمین برای مقاصد پی سازی در ایران نیز مورد توجه و استفاده قرار گیرد.
تشکر و قدردانی: بر خورد لازم می دانم از آقای مهندس نعیمی فر برای همکاری در جست و جوی منابع و تهیه ی پیش نویس پیشینه ی موضوع قدردانی نمایم.

پی‌نوشت‌ها:

2- Farrell Design-Build Companies, Inc. (January 1999). Block 224 Parking Garage Geopier Design and Constraction Recommendations. Acramento, CA.
3- Farrell lDesign-Build Companies, Inc. (June 2000). Corporate Headquarters Geopier Design-BuildSubmittal. Dublin. CA.
4- Farrell T. et al. "Rammed Aggregate Pier Design and Construction in California-Performance. Constructability, and Economics" SEACO 2004 CONVENTION PROCEEDINGS, pp. 147-154.
5- Fox, N.S. and Cowell, M.J. (1998). Geopier Foundation and Soil Reinforcement Manual. Geopier Foundation Company, Inc., Scottsdale, Arizona.
6- Hall, K.M., Wissmann, K.J., Caskey, J.M., and FitzPatrick, B.T. (2002). "Soil reinforcement used to arrest bearing capacity failure at a steel mill." Proceedings, 4th International Conference on Ground Improvement. Kuala Lumpur, Malaysia, 26-28 March.
7- Handy, R.L. (2001). "Does Lateral Stress Really Influence Settlement." ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Vol. 127, No.7.
8- Handy R.L. and White D.J. "Stress Zone Near Displacement Piers: I. Plastic and Liquefied Behavior" J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.132, No.1,2006pp.54-62.
9- Handy R.L. & White D.J., "Stress Zone Near Displacement Piers: IIRadial Cracking and Wedging." J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 132, No.1, 2006, pp.63-71.
10- ICBOES Report ER-5916 (Reissued September 1, 2002) ICBO Evaluation Service, Inc. 5360 Workman Mill Road, Whittier, California 90601. www.icboes. Org.
11- Lawton, E.C., and Fox, N.S. (1994). "Settlement of structures supported on marginal or inadequate soils stiffened with short aggregate piers." Vertical and Horizontal Deformations of Foundations and Embankments, A.T. Yeung and G.Y. Fello (Editors), American Society of Civil Engineers, 2, 962-74.
12- Lawton, E.C., Fox, N.S. Fox, and Handy, R.L. (1994). "Control of settlement and uplift of structures using short aggregate piers. "In-Situ Georgia. 121-132.
13- Lawton, E.C. (2000). "Performance of Geopier Foundations During Simulated Seismic Tests at South Temple Bridge on Interstate 15. Salt Lake City, Utah. "Final Reort, No. UUCVEEN 00-03, University of Utah. Salt Lake City Utah.
14- Lillis C. etal. 2004."Compression and Uplift of Rammed Aggregate Piers in Clay." GeoSupport Conference, January 29-31.
15- Majchrzak, M., Lew, M., Sorensen, K., and Farrell, T. (2004). "Settlement of Shallow Foundations Constructed lOver Reinforced Soil: Design Estimates vs. Measurements."Proceedings, Fifth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, April 13-17, 2004, New York, NY.
16- Minks, A.G., Wissmann, K.J., Caskey, J.M., and Pando, M.A. (2001). "Distribution of Stresses and Settlements Below Floor Slabs Supported by Rammed Aggregate Pirs." Proceedings, 54th Canadian Geotechnical Conference. Calgary, Alberta. September 16-19.
17- Pham T.V. and. White D.J. "Support Mechanisms of Rammed Aggregate Piers. I: Experimental Results", J. Geotechnical and Geoenviromental Engineering, Vol.133, No. 12, 2007, pp.1512-1521.
18- Pham T. V. and. White D. J. “Sopport Mechanisms of Rammed Aggregate Piers. I: Experimental Results” ,J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.133,No.12,2007,pp.1503-1511.
19- Pitt, J.M, White, D,.J., Gaul, A., Hoevelkamp, K. (2003). Highway Applications For Rammed Aggregate Piers In lowa Soils. Lowa DOT Project TR - 443.
20- Shields C.S. et al. 2004. "Modulus Load Test Results for Rammed Aggregate Piers in Granular Soils." GeoSupport Conference, January 29-31.
21- USGBC (2004) DPR-ABD Office Building, LEED#0480.LEED Version 2 Certification Level: Silver.
http://www.usgbc.org/Docs/Certified Projects / Cert¬_Reg IIS. pdf.
22- White D.L. et al. 2001. "Lateral Earth Pressure lInduced by Rammed Aggregate Piers." Proceedings, 53rd Annual Canadian Geotechnical Conference, Montreal, Canada.
23- Wissmann, K.L. (1999). "Technical Bulletin No. 2_Bearing Capacity of Geopier – Supported lFoundation Systems." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.
24- Wissmann, K.L., and Fitzpatrick, B.T., and lLawton, E.C. (2001). "Technical Bulletin NO. 3- Geopier Uplift Resistance." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.
25- Wissmann, K.L., and Fitzpatrick, B.T., and Lawton, E.C. (2001). "Technical Bulletin No. 4- Geopier Lateral Resistance." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.