ظرفیت باربری شمع
ظرفیت باربری شمع به ابعاد ، شکل و نوع شمع ونیز مشخصات خاکی که شمع در آن قرار می گیرد ، بستگی دارد . ظرفیت باربری نهایی شمع باری است که تمام مقاومت خاک را مورد استفاده قرار می دهد . در بارهای بالاتر از ظرفیت باربری نهایی ، خاک دچار شکست برشی می شود . این امر باعث می شود که شمع مقدار بیشتری در خاک نفوذ نماید و احتمالاً خاک دارای وضعیتی غیر از آنچه از آغاز مدنظر قرار داشته ، گردد .
بسیج نمودن تنش های مقاوم در خاک همراه با ایجاد کرنش می باشد که مقدار کرنش خود به مقدار حرکت نوک شمع و حرکت نوک شمع به طبیعت خاک و ابعاد شمع وابسته است .برای منظورهای خاص ظرفیت باربری نهایی را می توان برابر با باری فرض نمود که باید بر نوک شمع وارد آید تا میزان نشستی برابر 10 درصد قطر شمع را باعث گردد ، مگر اینکه میزان ظرفیت باربری نهایی به طور دقیق از نمودار “ بار – نشست “ به دست آمده باشد .
ظرفیت باربری نهایی خاک را می توان به طور تقریبی از روابط دینامیکی به دست آمده در حین شمع کوبی ، و یا از روابط استاتیکی بر اساس آزمایشهای خاک ، و یا توسط آزمایشهای دیگر به دست آورد .
با استفاده از روابط دینامیکی و به کمک مشخصات کوبیده شدن هر شمع خاص می توان ظرفیت باربری نهایی شمع را تخمین زد . دقت ظرفیت باربری نهایی را تخمین زد . دقت ظرفیت به دست آمده به قابل اتکاء بودن روابط دینامیکی و اطلاعات مورد استفاده بستگی دارد .
با استفاده از روابط استاتیکی ، ظرفیت باربری نهایی یک شکل خاص شمع به دست می آید . میزان دقت ، به مشخصات شمع بستگی دارد و مقدار آن برای انواع خاک ها متفاوت است .
یک بار آزمایشی که منجر به شکست خاک گردد ، میزان ظرفیت باربری نهایی شمعی که مورد آزمایش قرار دارد را ارائه می نماید .
جهت استفاده از تعدادی شمع به شکل معین در یک محوطه ، باید با آزمایشهای بارگذاری انجام شده و به کمک آمارگیری و یا با بررسی دقیق خاک از یکنواختی خاک در محوطه مورد نظر اطمینان حاصل نمود تا بتوان از روابط به دست آمده سود جست .
به هنگام شمع کوبی و یا سوراخ کردن زمین برای شمع پیش ساخته، می توان اطلاعات ذی قیمتی به دست آوردو از جمع بدی این اطلاعات و آزمایش های بارگذاری به نتایج قابل اتکائی دست یافت .
مهندس مسئول باید نسبت به هر نوع تغییر در مشخصات مورد انتظار
خاک و یا شمع توجه کافی مبذول دارد تا بتواند به طور صحیحی شمع کوبی را اجرا نماید .
– محاسبه شمع با استفاده از روابط دینامیکی
در خاک های غیر چسبنده مقدار تقریبی ظرفیت باربری نهایی شمع را می توان از روابط دینامیکی به دست آورد . تمام روابط دینامیکی براساس فرضیات زیر استوار گشته اند :
- مقاومت شمع در برابر کوبیده شدن را می توان از انرژی چکش شمع کوب و تغییر مکان شمع به ازاء هر ضربه به دست آورد .
- مقاومت شمع در برابر کوبیده شدن ، مساوی با ظرفیت باربری نهایی شمع در برابر بارهای استاتیکی است .
روابط دینامیکی بسیاری وجود دارد که در تمام آنها انرژی موجود در چکش شمع کوب در هنگام ضربه زدن مساوی با کار انجام شده ، برای غلبه بر مقاومت زمین در برابر نفوذ شمع فرض می شود .
روابط شمع کوبی برای خاک هایی است از قبیل لایه اشباع ، گل ، مارن ، رس وگچ مستقیماً قابل کاربرد نیست .
همچنین اگر به هگام شروع مجدد شمع کوبی ، پس از مدتی توقف ، خاک مقاومت بیشتری نسبت به قبل از خود نشان دهد ، باید استفاده از این روابط با احتیاط صورت پذیرد .
استفاده از روابط شمع کوبی در مور شمع هایی که تنها ظرفیت باربری نوک آنها به حساب می اید و در شن ، ماسه و یا سایر خاک های غیر چسبنده کوبیده می شوند ، منتج به ظرفیت باربری برابر با 40 تا 130 درصد ظرفیت باربری نهایی به دست آمده از آزمایشهای بارگذاری خواهد شد و به هر حال هیچ رابطه مطلقاً قابل اعتمادی برای تعیین ظرفیت باربری نهایی شمع موجود نیست . در استفاده از روابط ، اگر به کمک آزمایشات بارگذاری ضریبی خاص برای ظرفیت باربری نهایی به دست آید ، استفاده از آن بلا مانع است .
– محاسبه شمع براساس آزمایش خاک
وزن شمع و بار وارد بر آن ، توسط اصطکاک شمع و خاک و نیز مقاومت خاک در مقابل نوک شمع ، حمل می گردد . این دو مقاومت همواره تواماً کار می کنند و معمولاً فرض می گردد که ظرفیت باربری نهایی شمع مساوی با مجموع این دو مقاومت است ، وقتی که هر دو کاملاً بسیج شده باشند .
بنابراین :
L + P = FAS + Ab (q +po )
L = ظرفیت باربری نهایی شمع
P = وزن شمع
AS = سطح جانبی شمع
Ab = سطح مطع نوک شمع
F = متوسط اصطکاک و یا چسبندگی در واحد سطح جانبی شمع وقتی که تمام مقاومت اصطکاکی شمع مورد استفاده قرار گرفته است .
q = مقدار نهایی مقاومت برای واحد سطح نوک شمع ، بر اساس مقاومت برشی خاک
Po = فشار ناشی از وزن خاک در تراز نوک شمع
دربسیاری از موارد می توان فرض کرد P = Ab Po بنابراین L= F As + Ab q درحالت اصطکاک منفی مقدار FAS منفی است . لازم به تذکر است که هرگاه شمع درلایه ای کوبیده شود که بعداً دچار تحکیم گردد ، شمع رو به پایین کشیده می شود که به این حالت اصطکاک منفی می گویند .
تحکیم خاک ممکن است از وضع لایه فوقانی ، سربارهایی از قبیل کف ساختمان و یا لرزش های ناشی از شمع کوبی و غیره ناشی گردد .
هرگاه شمع در رس حساس کوبیده شود ، دست خورده شدن خاک ممکن است به یک تحکیم مجدد منجر گردد . در این حالت مقدار نیروی رو به پائین ناشی از اصطکاک منفی را می توان همان چسبندگی خاک دست خورده ، ضرب در سطح جانبی شمع در تماس با خاک در نظر گرفت
مقادیر F و q در رابطه فوق را می توان از آزمایش های زیر به دست آورد :
1) آزمون های آزمایشگاهی بر روی نمونه های خاک
انجام آزمایشها بر روی خاک های غیر چسبنده از کاربرد بسیار کمی در محاسبات مقدار ظرفیت باربری برخوردارند . زیرا به دست آوردن نمونه دست خورده ای که بیانگر شرایط خاک در هنگام شمع کوبی باشد ، بسیار مشکل است .
کاربرد این آزمایش ها بیشتر در مورد خاک های چسبنده می بشد. هرگاه تمام شمع در داخل خاک چسبنده واقع گردد ، میزان مقاومت اصطکاکی ، به نوع مصالح شمع ، نوع خاک ، اثر دست خورده شدن خاک و زمانی که شمع کوبی به طول می انجامد ،بستگی دارد .
در خاک رس نرم و یا خاک های حساس مقدار اصطکاک با شمع های چوبی و بتنی به مرور ایام و در چند ماه افزایش می یابد ، در حالی که در مورد شمع های فولادی مقدار این افزایش بسیار جزئی است . در رس سخت و محکم میزان افزایش اصطکاک نسبت به افزایش مقاومت برشی خاک بسیار ناچیز است .
به دلیل وسعت دامنه تغییرات مقادیر چسبندگی ، در مورد شمع های کوبیده شده در خاک چسبنده آزمایشهای بارگذاری بری کنترل درستی فرضیات طراحی ضروری است .
برای شمع های پیش ساخته ای که درون چاه حفر شده در خاک رس قرار میگیرند حد پائینی F برابر مقاومت برشی رس بسیار نرم است . مقدار واقعی F به نوع رس ، میزان نرم شدن رس در حین کوبیده شدن شمع و مدت زمانی که شمع درون خاک قرار می گیرد ، بستگی دارد . در حال حاضر بهترین مقادیر تجربی برای fو q به شرح زیر می باشند :
که مقدار متوسط مقاومت برشی رس در تراز نوک شمع و a ضریبی بین 3/0 تا 6/0 است . که بستگی به عوامل فوق الذکر دارد .
q=Nc Cb که C b مقاومت برشی رس در تراز نوک شمع و N c ضریب ظرفیت باربری شمع است .معمولاً 9 = Nc اما هرگاه نسبت طول به ضخامت شمع از 4 کمتر باشد ، مقدار Nc سریعاً به سمت عدد 6 کاهش می یابد . باید توسط آزمایشات نسبت به مقادیر Cb و اطمینان کافی حاصل نمود .
- آزمایشهای کارگاهی :
برای شمعهایی که نیرو را از طریق نوک منتقل می کنند ، میزان ظرفیت باربری را می توان از آزمایش های نفوذ زرف به دست آورد . وسایل مختلف از ضربه ناشی از وزن و یا فشار جهت نفوذ بهره می برند .
در زمره روش های دینامیکی می توان آزمایش نفوذ استاندارد نام برد ( BS . 1377 ) .
معمول ترین روش استاتیکی روش هلندی یا فرورنده مخروطی است .
آزمایش های نفوذ باید همراه با نمونه گیری از خاک باشد ، تا از درستی فرضیات در مورد خاک اطمینان حاصل گردد . تعبیر و تفسیر نتایج این آزمایش ها و به دست آوردن مقادیر ظرفیت باربری نهایی ، کاملاً بستگی به تجربه شخصی دارد .
– شمع های متکی بر نوک
اولین طریقه انتقال بار توسط شمع ها ، اتکاء نوک شمع بر روی بستر سنگی یا لایه های دیگری است که می توانند باراضافی ساختمان را بدون نشست غیر قابل قبول حمل نمایند. در این صورت فرض می گردد که بار ساختمان در تراز نوک شمع وارد می شود . باید به اثرات ناشی از بار موجود در این سطح بر لایه های قابل تراکم زیرین ، توجه نمود .
تقسیم فشار در خاک موجود درزیر نوک یک شمع تکی ، مانند شکل الف فرض می گردد . این شکل به کمک معادلات بوسینسک به دست آمده است و هر منحنی بیانگر نقاطی با فشار قائم مساوی است .
اگر چه تداخل حباب های فشار شمع های مجاور یکدیگر ، نشان می دهد که تراکم تنش در خاک، در این مناطق ، افزیش یافته است با این همه فقط تداخل هایی غیر قابل قبول فرض می شوند که تنشهای حاصل از آنها بتواند تغییر شکلهای غیر قابل قبول ایجاد نماید. اگر حبابهای داخلی در شکل ب خطوط با 10 درصد تراکم و حبابهای بیرونی یک درصد تراکم را نشان دهند، واضح است که تداخل حبابهای بیرونی فاقد اهمیت است .
فاصله 3 تا 5/3 برابر قطر شمع ها معمولاً برای جلوگیری از تداخل اثر شمع های مجاور هم که ممکن است باعث ایجاد نشست های موضعی گرددکافی است .
اجتماع حبابهای تکی فشار و تبدیل شدن به یک حباب بزرگ در زیر یک گروه شمع ، ( طبق شکل ج ) ، باعث می شود که تنش ها به لایه های پائین تری نفوذ کنند . در این حالت باید ظرفیت باربری ، بدون توجه به تداخل حباب های تکی ، مورد بررسی و کنترل قرار گیرد . تئوری جدا کردن حباب های فشار را می توان گسترش داده و در مورد حباب های موجود در زیر گروه شمع ها ، نشان داده شده در شمل د ، که در آنها تقسیم بار وارد بر لایه های با مقاومت کمتر ، از طریق لایه های سخت تر و توسط پخش کردن شمع ها ر زیر شبکه سازه انجام می گیرد ، به کار برد .
– شمع های اصطکاکی
دومین روش انتقال بار ، استفاده از شمع های اصطکاکی در تمام طول است که در داخل لایه یکنواختی کوبیده می شوند . در این مورد باید به مقادیر اصطکاک با ایمنی کافی توجه نموده اثرات تراکم احتمالی در لایه هایی که از طریق اصطکاک باربری می کنند و در لایه های زیر نوک شمع و حباب های فشار را مطالعه نمود .
پخش فشار در خاک بسته به اینکه شمع ها ، تکی یا به صورت گروه شمع باشند و همچنین بسته به شکل سازه و نسبت بین عرض و طول شمع ها کاملاً متفاوت است . کل شماره 1-6 نوع عکس العمل خاک را که به کمک معادلات بوسینسک محاسبه شده است ، نشان می دهد .
در شکل الف فرض می شود که یک چهارم کل بار در هر مقطع ، بر خاک وارد می گردد . تراکم فشار قائم در نوک شمع نشان داده شده است . با محاسبه مقادیر این تراکم ها در سطوح مختلف و رسم خطوطی که نقاط هم فشار را نشان می دهند ، یک حباب فشار نمونه برای یک شمع تکی ، چنانکه در شکل ب نشان داده شده است ، به دست می اید . وقتی یک گروه شمع در یک پی کوبیده می شود ، حبابهای فشار برای کل گروه شمع ، مانند شکل ج ، تشکیل می شوند .
اگر هر یک از شمع ها مانند یک شمع تکی ، کاملاً بارگذاری گردند ، در تراز تراکم بار بسیار بیشتری ، نسبت به وقتی که فصله شمع ها به اندازه کافی زیاد است و حباب ها تداخل نمی کنند ، ایجاد می گردد . در گروه شمع شکل ج هر شمع باید یک سوم بار را تحمل نماید ، معهذا شمع میانی نشست بیشتری می کند و گروه شمع نشست بیشتری نسبت به یک شمع تکی هم بار با هر یک از شمع های گروه شمع ، خواهد داشت . اما اگر پی دارای سختی کافی باشد ، بار بیشتری به شمع های بیرونی تحمیل می شود که خود موجب افزایش سرعت نشست می گردد .
استفاده از شمع های اصطکاکی در قسمت بالای یک لایه عمیق یکنواخت برای کاهش تراکم فشار وارد بر سطوح نزدیک به سطح خاک و تغییر محل تنش ماگزیمم به قسمت های پایین تر است که در آنجا نشست کمتری اتفاق می افتد .
در استفاده از شمع اصطکاکی دو اصل حاکم است :
الف : نشست حاصل از یک بار یکنواخت در خاک های دارای چسبندگی ، متناسب با قطر سطح بارگذاری افزایش می یابد در حالی که در خاک های بدون چسبندگی نشست تقریباً مستقل از قطر می باشد .
ب : نشست تحت یک بار واحد با افزایش عمق پی کاهش می یابد .
علاوه بر وابستگی به عمق پی ، مقدار نشست به نسبت عمق به قطر سطح بارگذاری نیز بستگی دارد و به همین دلیل برای کاهش های مساوی نشست بالقوه، باید نسبت عمق به قطر ثابت نگه داشته شود . در خاک های غیر چسبنده ، اثر این نسبت بر مقدار نشست ، کمتر از اثر آن در اغلب خاکهای چسبنده است .این امر نشان می دهد که تعداد شمع ها با توجه به نسبت طول به عرض سطح بارگذاری شده ، ممکن است به طور جدی تغییر نماید . در زیر یک سازه کم عرض ، باید سعی شود که حتی الامکان طول شمع بیشتر از عرض سازه باشد تا حباب فشار در سطح پایین تری تشکیل گردد . این کار موجب کاهش نشست ها می گردد .
می توان تراکم بارگذاری در شمع ها ی اصطکاکی را با پراکنده کوبیدن آنها ، مانند شکل د ، کاهش داد . در این حالت حبابهای تنش مجزا از هم به جای یک حباب تنش با تراکم بیشتر ایجاد می شود . می توان اجازه داد که حبابها قدری در یکدیگر تداخل نمایند به شرط آنکه تنش در مناطق تداخل ، کم باشد . این روش در جایی مفید است که خاک قادر به تحمل تراکم بار ناشی از شمع های قائم نیست اما چسبندگی و اصطکاک کافی برای جلوگیری از خمش برون محوری شمع را دارد . این طرح در دانمارک که دارای چنین خاکهایی می باشد ، مورد استفاده قرار گرفته است .
در مورد شمع هایی که بار را از طریق اصطکاک منتقل می کنند ، برای یک لایه معین ، شمع های متغیر مکانی ( شمع هایی که در خاک کوبیده می شوند و مقداری از خاک را جابجا می کنند ) و شمع های قیفی شکل ، برای انتقال بار به طول کمتری احتیاج دارند .
اگر قسمت زیادی از انرژی کوبیدن توسط لایه فوقانی جذب شود ، استفاده از شمع قیفی شکل ، مطلوب نیست . بعضی اوقات قسمتهای پایین تر به شکل قیف و قسمتهای بالاتر مستقیم انتخاب می شوند .
– شمع های اصطکاکی متکی بر نوک
سومین حالت انتقال بار ، استفاده از اثر توأم اصطکاک جداره و مقاومت در نوک شمع است. در این مورد باید به مقادیراصطکاک احتمالی در لایه زیر توجه نموده ، اثرات بار وارد بر این لایه ها را بر لایه های زیرین مورد مطالعه قرار داد . این شرط ترکیبی از موارد استفاده اول و دوم است و در زیر لایه هایی که از طریق اصطکاک باربری می کنند ، شرایط شبیه به موارد مذکور در مورد استفاده دوم شمع ها که در فوق آمده است ، می باشد به شرط آنکه وزن لایه بالائی عیرباربر دقیقاً در نظر گرفته شود .
اثر اصطکاک پوسته ای منفی
گاهی ممکن است در پیرامون شمعی که در یک لایه خاک رس و در حال تحکیم ( مانند خاک رس یک خاک ریز ) کوبیده شده و ای لایه در حال تحکیم بر روی لایه محکمی واقع شده باشد ، اصطکاک پوسته ای منفی پدید می آید . این حالت غالباً در جائی پدید می آید که نشست خاک مجاور شمع از نشست خود شمع بیشتر شود . در این حالت چون خاک رس در حال تحکیم ، نشستی بیش از نشست شمع دارد ، یک نیروی کششی به سمت پائین بر شمع وارد می آید و در نتیجه بر خلاف موارد پیشین که اصطکاک پوسته ای در بارگذاری شمع نقش مقاوم را داشت ، نه تنها نیروی اصطکاک کمکی در باربری نمی کند ، بلکه خود بر بارهای وارده افزوده و در محاسبه باربری شمع باید به حساب آید . این حالت ممکن است در خاکهای رس نرم و یا با تراکم متوسط و همچنین احتمالاً در لایه های نرم تراکم پذیر ایجاد می شود . در جائی که شمع در این گونه خاکها کوبیده می شود ، بایستس شمع بتواند نیروهای اصطکاکی منفی را نیز تحمل کند و یا این نیروها از باربری شمع کاسته شود . هم چنین ممکن است در اثر پایین رفتن سطح آب زیر زمینی در خاکهای اطراف شمع تحکیم شده و اصطکاک پوسته ای منفی تولید شود .
یکی از روشها از بین بیرون نیروی اصطکاک منفی استفاده از غلاف های فلزی ( Casing ) می باشد که سطح بیرونی آنها توسط قیراندود یا روغن مالی می شود . این غلافها پس از بتن ریزی و گیرش آن در جای خود ثابت می مانند تا بتوانند اثر اصطکاک منفی ایجاد شده را خنثی کنند .
