آزمایش بارگذاری شمع چگونه است؟

• آزمایش بارگذاری شمع

در پروژه­ های تقویت فونداسیون بوسیله ریزشمع (یا میکروپایل) ، اجرای حداقل یک آزمایش شمع (یا میکروپایل)  با بار طراحی نهایی برای ارزیابی فرضیات طراحی و کفایت روش­های اجرایی پیمانکار، بعنوان یک استاندارد صنعتی شناخته شده است.

آزمایش بارگذاری می­تواند شامل اجرای یک یا چند شمع و انجام آزمایش بارگذاری ارزیابی بر روی آنها، قبل از آغاز اجرای شمع­های بهره ­برداری نهایی باشد. تاییدات نهایی ظرفیت آزمایش بارگذاری شمع را می­توان از طریق آزمایش شاهد بر روی شمع­ های بهره ­برداری در طی دوره ساخت و اجرا بدست آورد.

آزمایش با بارگذاری محوری استاتیکی بر روی ریزشمع (یا میکروپایل) ­های منفرد انجام می­شود.

در این آزمایش ­ها معمولاً، بارگذاری محوری نموی بر روی شمع ادامه دارد مادامیکه؛ شمع بتواند حداکثر بار آزمایش از پیش تعیین شده را تحمل کند، یا به یک حد جابجایی محوری سازه­ای از پیش تعیین شده برسد، و یا به آستانه خزش از پیش تعیین شده زمین برسیم.

با گرایش به سمت ظرفیت­های بالاتر در ریزشمع (یا میکروپایل) های “باربر”، ممکن است گسیختگی به شکل کاهش ناگهانی بار و افزایش در جابجایی وابسته به گسیختگی سازه­ای، رخ دهد.

این موضوع مستلزم ملاحظات دقیق در طراحی ریزشمع (یا میکروپایل) ­های ظرفیت بالا می­باشد .

در این مقاله، عطف به روش ­های اجرا و عملکردهای ژئوتکنیکی، ارتباط نزدیک بین ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها، مهارکوبی زمین (یا انکراژ) و میخکوبی خاک (یا نیلینگ)، مورد توجه قرار گرفته است. همچنین این ارتباط در روش­های آزمایش بارگذاری ریزشمع (یا میکروپایل)  و معیارهای پذیرش آن نیز انعکاس می­یابد. آزمایش بارگذاری شمع­های جابجایی، شمع­های جایگزینی، مهارکوبی زمین و میخکوبی خاک، در بسیاری از مراجع مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است، اما هیچ کدام بطور مشخص اشاره­ای به ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها نکرده ­اند.

رویه آزمایش بارگذاری ارائه شده است در این بخش مطابق با الزامات ASTM D 1143 and D 3689 برای آزمایش شمع ­های انفرادی، تحت بارهای استاتیکی محوری فشاری و کششی می­باشد، که البته برای انعکاس طرز کار آزمایش ریزشمع (یا میکروپایل) ، اصلاحاتی در آن صورت گرفته است.

• انواع و اهداف آزمایش بارگذاری

هدف از آزمایش درجای ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها بررسی این است که آیا، ریزشمع (یا میکروپایل) می­تواند بارهای طراحی را بدون حرکت اضافی و با یک ضریب اطمینان کافی در طول عمر بهره­ برداری سازه، تحمل کند. همچنین، این آزمایش­ها برای بررسی کفایت حفاری، اجرا، و عملیات تزریق پیمانکار، قبل از و در حین ساخت شمع­های بهره ­برداری می­باشد. بنابراین شرایط سنگ- خاک، همچنین روش اجرا، تجهیزات و اپراتور استفاده شده برای اجرای شمع بهره­برداری بایستی شبیه به آن چیزی باشد که، برای اجرای شمع آزمایشی استفاده شده است.

اگر زمین و یا پروسه اجرا تغییر کند، آزمایش­های اضافی مورد نیاز خواهد بود.

اگر نتایج آزمایش نشان دهنده عملکرد ناقص در اجرا باشد، یا ظرفیت باربری مجموعه زمین- دوغاب کمتر از مورد نیاز باشد، پیمانکار ملزم است روش ساخت ریزشمع (یا میکروپایل)  را عوض کرده و اصلاح نماید.

هر گاه ظرفیت باربری طرح، برای مجموعه دوغاب- زمین حاصل نشود، شاید لازم به طراحی مجدد باشد.

بخشی از دفترچه مشخصات، مربوط معیارهای آزمایش می­باشد و ممکن است شامل آزمایش­های نهایی و یا ارزیابی باشد که بمنظور سنجش اعتبار روش ­های اجرای پیمانکار و بررسی ظرفیت باربری ریزشمع (یا میکروپایل) و طول پیوند دوغاب- زمین استفاده در طرح می­باشند.

در این آزمایش­ها معمولاً، بارگذاری تا حداکثر بار آزمایش صورت می­گیرد، که شامل ضریب اطمینان اختصاص یافته به طرح مجموعه دوغاب- زمین و یا ضریبی که منتج به گسیختگی می­شود، است. (مثلاً، عدم توانایی در حفظ بار ثابت آزمایش، بدون حرکت اضافی ریزشمع (یا میکروپایل) ). تعداد آزمایش­ ها بسته به اندازه و وسعت پروژه و مهم­تر از آن جنس و نوع زمین، تغییر خواهد کرد.

در پروژه ­های کوچک­تر عموماً یک یا دو آزمایش نهایی، یا ارزیابی قبل از شروع ساخت شمع­های بهره­ برداری انجام می­گیرد و اگر در ادامه کار، نوع زمین تفاوت عمده­ای کرد، ممکن است یک یا چند آزمایش انفرادی این چنینی نیز انجام شود.

برای پروژه ­های بزرگ­تر، ممکن است تعداد آزمایش­ های نهایی یا ارزیابی بیشتری تعیین شود.

آزمایش ­های نهایی و ارزیابی معمولاً بر روی شمع ­های “فدایی” اجرا می­شوند.

اجرای شمع های بهره برداری

در طی اجرای شمع ­های بهره­ برداری، آزمایش­های “شاهد” ممکن است بر روی درصد مشخصی از شمع­های بهره­ برداری که نهایتاً بخشی از سازه کلی خواهند بود انجام بگیرد. این در حالیست که، مشخصه­های لازم برای شمع­های آزمایش شاهد (شمع­های بهره ­برداری)، بزرگ­تر و بیشتر از شمع­های “فدایی” می­باشند که نهایتاً هم جزئی از سازه نهایی، نخواهند بود. به لحاظ اقتصادی، روش اول به شدت توصیه میشود.

آزمایش خزش معمولاً بعنوان بخشی از آزمایش­های نهایی، ارزیابی و شاهد اجرا می­شود. خزش یک تغییر شکل وابسته به زمان در ساختار خاک تحت یک بارگذاری اعمالی، می­باشد. خزش اساساً در خاک­های ارگانیک و چسبنده (رسی) مورد توجه می­باشد. آزمایش خزش شامل اندازی­گیری حرکت شمع تحت بار ثابت در طی یک دوره مشخص از زمان می­باشد. این آزمایش برای حصول اطمینان از اینکه آیا شمع می­تواند بارهای طراحی را در سرتاسر عمر بهره­ برداری سازه (معمولا ً75 تا 100 سال)، بطور ایمن (بدون وقوع حرکت ­هایی که موجب آسیب دیدگی سازه گردد) تحمل نماید، انجام می­شود.

آزمایش­های ریزشمع (یا میکروپایل) ، با اعمال بار نموی بر شمع (و احتمالاً بارگذاری توام با باربرداری) و اندازه­ گیری حرکت راس شمع در هر افزایش بار انجام می­گیرند. معمولاً قرائت حرکت راس شمع دقیقاً بعد از اینکه بار بعدی بخواهد اضافه گردد، ثبت می­شود. افزایش بارگذاری، مدت زمان نگهداشت هر افزایش بار و تعداد اندازه­گیری­ها برای هر افزایش بار، بواسطه نوع آزمایش تعیین می­شود و در اسناد قرارداد قید خواهد شد. اگر این مقادیر مشخص نباشند، رویه این است که قرائت اول، مربوط به حرکت راس شمع دقیقاً بعد از اعمال بار صورت پذیرد و قرائت دوم بعد از اینکه بار برای یک مدت زمان کافی ثابت است(جهت اطمینان از اینکه حرکت راس شمع پایدار است)، انجام گیرد.

اغلب آزمایش ­های بارگذاری ریزشمع (یا میکروپایل) ­های اجرایی تا این تاریخ، مطابق با رویه آزمایش سریع ASTN D1143 اجرا شده­اند.

• آزمایش نهایی

آزمایش ­های نهایی (اگر استفاده شوند) بر روی المان ­های غیر بهره­ برداری، یعنی ریزشمع (یا میکروپایل) ­های “فدائی” اجرا می­شوند و اطلاعات زیر را فراهم می­آورند:

• تعیین ظرفیت باربری نهایی طول پیوند دوغاب- خاک (اگر آزمایش تا گسیختگی ادامه یابد)
• بررسی ضریب اطمینان طرح برای طول پیوند دوغاب- زمین
• تعیین بار در هر رخداد خزش اضافی

در آزمایش نهایی، بارگذاری ریزشمع (یا میکروپایل)  مادامیکه در امتداد سطح دوغاب- زمین گسیختگی رخ دهد، ادامه دارد. گسیختگی یعنی عدم توانایی نگه داشتن بار ثابت آزمایش بدون حرکت اضافی. حرکت اضافی اغلب زمانیکه شیب منحنی بار- تغییر شکل فراتر از “15/0” میلیمتر بر نیوتن برود رخ می­دهد. آزمایش­های نهایی صحیح (آنهایی که به گسیختگی می­انجامند)، معمولاً فقط بعنوان بخشی از یک پروژه تحقیقاتی یا در پروژه­های خیلی بزرگ جاییکه یک برنامه طرح آزمایشی توجیه پذیر است، تعیین می­شوند. برنامه طرح مرحله­ای آزمایش این امکان را خواهد داد که طراحی ریزشمع (یا میکروپایل)  بهینه گردد.

• آزمایش ارزیابی

با انجام آزمایش­های ارزیابی بررسی می­کنیم که آیا، ریزشمع (یا میکروپایل)  اجرایی قادر به رسیدن به ظرفیت باربری مشخص برای مجموعه دوغاب-زمین با یک ضریب اطمینان مشخص می­باشد؟.

حداکثر بار آزمایش ارزیابی بواسطه ضریب اطمینان مجموعه دوغاب- خاک و ظرفیت باربری انتخابی برای این مجموعه، تعریف خواهد شد. اگر ضریب اطمینان طرح برای مجموعه دوغاب- زمین 5/2 باشد، یعنی حداکثر بار آزمایش، 250 % از مقدار طرح مجموعه خاک – دوغاب (bond) را بررسی خواهد کرد. عموماً آزمایش­های ارزیابی در درجه اول کار قبل از ساخت ریزشمع (یا میکروپایل) ­های بهره­ برداری دائم، بر روی ریزشمع (یا میکروپایل) ­های غیر بهره­برداری یعنی ریزشمع (یا میکروپایل) ­های فدائی، اجرا می­شوند. همچنین ممکن است، آزمایش­های ارزیابی در طی تولید به جهت بررسی ظرفیت باربری توده­های سنگ و خاک متفاوت و یا روش­های حفاری و اجرای متفاوت، ضروری باشند. این آزمایش یک آزمایش چند چرخه­ای دشوار می­باشد که  بار آزمایش بطور پیشرونده در طی هر چرخه بارگذاری افزایش می­یابد، مادامی که به حداکثر بار نهایی مشخص شده برسیم.

• آزمایش شاهد

معمولاً، آزمایش شاهد به تعداد مشخص برای همه ریزشمع (یا میکروپایل) ­های بهره­ برداری ساخت و اجرا می­شود.

آزمایش معمولاً یک آزمایش تک چرخه­ ای می­باشد که در هر آزمایش بار اعمالی افزایش می­یابد، مادامی که به حداکثر بار آزمایش، طبق توصیه 167%، یا بیشتر از مقدار طرح برای مجموعه خاک- دوغاب برسیم.

آزمایش­ های شاهد اطلاعات لازم برای ارزیابی توانایی پایداری ایمن ریزشمع (یا میکروپایل) ­های بهره برداری، در برابر بارهای سرویس طرح بدون حرکت اضافی سازه­ای یا خزش بلند مدت در طی عمر بهره­ برداری سازه را تامین می­کنند.

• آزمایش خزش

اگر ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در خاک ­های چسبی مستعد خزش باشند، آزمایش­های خزش معمولاً بعنوان بخشی از آزمایش­های شاهد، ارزیابی و نهایی اجرا می­شوند. آزمایش خزش تحت یک بار مشخص و ثابت، همراه با ثبت حرکات در فواصل زمانی مشخص اجرا می­گردد. ترسیم تغییر شکل درمقابل لوگاریتم زمان به یک گراف نیم لوگاریتمی منتج می­شودکه با معیارهای پذیرش ارائه در اسناد قرارداد سنجیده می­گردد. نرخ خزش حداکثر، 2 میلیمتر بر لوگاریتم هر سیکل زمان، معیار پذیرش مرسومی می­باشد.

در حین بارگذاری نموی آزمایش خزش، جهت نظارت و تنظیم تغییرات کوچک در بار که با jack-bleed ، ram friction، یا سایر عوامل ایجاد می­شود، بایستی از یک لودسل کالیبر استفاده شود.

• تهیه اسناد آزمایش بارگذاری پروژه

آزمایش بارگذاری، ابزاری برای تائید ظرفیت مجموعه خاکی تحت بار، ظرفیت ­های طرح سازه­ ای شمع، و مشخصه ­های کرنش ریزشمع (یا میکروپایل)  می­باشند

پروسه­ اجرای شمع­هایی که از پیش با موفقیت آزمایش شده­اند، معیاری برای انتخاب روش­های اجرای شمع­های بهره­برداری دائمی می­باشند. عواملی که در تعیین مقتضیات آزمایش پروژه باید در نظر بگیریم، شامل موارد ذیل می­باشد:

1. تعداد کل ریزشمع (یا میکروپایل) ­های بهره­ برداری
2. اندازه و نوع بارگذاری طرح
3. حساسیت و اهمیت سازه مورد پشتیبانی یا نیازمند تقویت
4. تغییرات در شرایط زیرسطحی زمین در طی اجرای المان­ها در محل
5. شرایط زیرسطحی
6. دسترسی به محل اجرا و محدودیت­ ارتفاعی و اجرایی
7. تجربیات پیمانکار

الزامات دفترچه مشخصات المان های فونداسیون

دفترچه مشخصات پروژه برای المان­های تقویت فونداسیون بایستی شامل الزاماتی برای جزء به جزء برنامه آزمایش بارگذاری باشد.

این الزامات شامل موارد ذیل می­باشند که در ادامه مبحث، هر کدام از آنها با جزئیات لازم تشریح گردیده است:

• تعداد آزمایش­های بارگذاری ارزیابی
• تعداد آزمایش­های بارگذاری شاهد
• بزرگی بارهای آزمایش
• روش اعمال بارها (تک چرخی، چند چرخی، بستگی به آزمایش)
• مدت زمانی که هر بار اعمال می­گردد
• معیارهای پذیرش برای حداکثر جابجایی کل و حداکثر خزش کل تحت یک بار مشخص
• تعداد آزمایش­های بارگذاری

برای یک پروژه کوچک ریزشمع (یا میکروپایل) ، آزمایش بارگذاری مورد نیاز معمولاً شامل، حداقل یک آزمایش ارزیابی بر روی شمع پیش بهره ­برداری در زمان بارگذاری طرح می­باشد. این شمع ممکن است یک شمع فدائی (غیر بهره­ برداری) یا یک شمع بهره­برداری باشد. برای تعیین ظرفیت باربری نهایی شمع ممکن است، بارگذاری فراتر از حداقل ظرفیت مورد نیاز اجرا گردد.

در پروژه ­های بزرگ­تر، تعداد آزمایش­های ارزیابی بیشتر و معمولاً آزمایش­های شاهد بر روی شمع­های بهره ­برداری نیز، نیاز خواهد بود.

برای مثال، آزمایش بارگذاری تعیینی برای مقاوم­ سازی لرزه­ ای پروژه Caltrans با ریزشمع (یا میکروپایل) ، شامل حداقل یک آزمایش ارزیابی پیش بهره ­برداری بر روی یک شمع فدائی می­باشد.

یک پروژه تجاری مخصوص بزرگ

برای یک پروژه تجاری مخصوص بزرگ شامل مقاوم ­سازی فونداسیون­ها زیر خاک­های دانه­ای بوسیله 800 ریزشمع (یا میکروپایل)  ظرفیت بالا، آزمایش بارگذاری مورد نیاز ابتدا به ساکن، شامل سه آزمایش موفق فدائی و 12 آزمایش شمع­های بهره­ برداری (شاهد)، همگی با 200% بارگذاری فشاری سرویس طرح بودند. تعداد آزمایش­های بارگذای شاهد لازم، بعد از عملکرد ثابت و موفقیت آمیز شمع­ های آزمایش به 6 عدد کاهش یافت.

مقتضیات آزمایش می­تواند بطور قابل ملاحظه­ای بر هزینه پروژه بیافزاید. آزمایش­های فشاری شمع فدائی، می­تواند مبلغی بین $10,000 تا $30,000 برای هر آزمایش بر هزینه ­های پروژه بیافزاید. با لحاظ کردن هزینه­های آزمایشات، بایستی سعی بر تهیه یک دفترچه مشخصات آزمایش بارگذاری داشته باشیم که تضمین کند، همه شمع­ های پروژه ظرفیت باربری کافی را دارند در حالیکه هزینه­ های کلی آزمایش، در حد معقولی حفظ گردد.

می­توان حداکثر بار آزمایش شاهد را کاهش داد، که منجر به کاهش هزینه می­شود. عملکرد آزمایش تحت بارهای کوچک­تر را می­توان با نتایج آزمایش­های ارزیابی مقایسه شود. همچنین، آزمایش شمع شاهد می­تواند شامل آزمایش­های صرفاً کششی باشد، که هزینه­ های کمتری دارند، چونکه در این موارد به جای شمع­های مجاور یا مهارهای عکس العمل، زمین تکیه­گاه بارهای آزمایش می­باشد.

این امر در صورتی مقبول می­باشد که بار بحرانی شمع، کششی باشد یا اینکه بتوان بین نتایج آزمایش کششی و نتایج آزمایش­های کششی- فشاری روابط ریاضی برقرار کرد.