نگاهی به میکروپایل و روانگرایی در آیین نامه FHWA
بند ۳.۲.۶ محدودیت های میکروپایل یا ریزشمع
میکروپایل های قائم از لحاظ درنظرگیری ظرفیت جانبی دارای محدودیت تحمل بار و محدودیت های اقتصادی می باشند.
با این وجود توانایی و ظرفیت جانبی میکروپایل ها با نصب آن ها به صورت مایل افزایش می یابد. به دلیل نسبت لاغری بسیار بالای آن ها ( قطر/طول) میکروپایل ها یا همان ریزشمع ها نمی توانند برای کاربری های سنتی مربوط به بهسازی و تقویت لرزه ای در مناطقی که پتانسیل روانگرایی بالاست و احتمال نگرانی از جانب از بین رفتن مقاومت جانبی میکروپایل می باشد، استفاده گردند.
بند ۵.۲۰ ملاحظات کمانش برای میکروپایل یا ریزشمع
۵.۲۰.۱ کلیات
به دلیل اینکه میکروپایل ها اغلب در سنگ های سفت یا خاک های مستحکم فرو می روند، ظرفیت آن ها به طور معمول به وسیله ظرفیت باربری المان سازه ای آن ها در مقایسه با بسیج شدن ظرفیت اصطکاکی بین گروت و خاک اطراف کنترل و تعیین می گردد.
پتانسیل کمانش میکروپایل به دلیل وجود تکیه گاه هایی که به واسطه خاک اطراف میکروپایل وجود دارد کاهش می یابد، اما در خاک های ضعیف و نرم ( مانند انباشته هایی که بسیار آرام و نرم روی هم تشکیل شده اند)، در محل های Void یا حفره ها (مانند زمین های کارستی) و همچنین در خاک های روانگرا، کمانش میکروپایل ها بسیار موضوعیت پیدا می کند و می بایست بررسی گردد.
به همین دلیل اهمیت تحقیقات و آزمایش های لایه های خاک برای تعیین وجود خاک های مسئله دار ذکر شده و تعیین عمق این لایه ها برای طراحی و اجرای میکروپایل ضروری می باشد.
۵.۲۰.۲ میکروپایل در خاک های بسیار ضعیف و خاک های دارای پتانسیل روانگرایی بالا
تعریف دقیقی از خاک بسیار ضعیف یا روانگرا به منظور تعیین پتانسیل کمانش میکروپایل ها با توجه به پارامتر در دسترس SPT به طور اختصاصی امکان پذیر نیست اما معمولا و ترجیحا از یک روش ساده به منظور تعیین کمانش میکروپایل ها استفاده می شود که از پارامتر مدول خاک برای ارزیابی پتانسیل کمانش میکروپایل کمک می گیرد.
این آنالیز با مقایسه مقدار بار بحرانی که منجر به کمانش می شود (P cr ) و ظرفیت باربری حداکثر میکروپایل، کمانش میکروپایل را مورد بررسی قرار می دهد. برای ساده سازی روابط فقط ظرفیت کیسینگ یا لوله میکروپایل برای تعیین کمانش مورد ارزیابی قرار می گیرد و از ظرفیت دوغاب یا دوغاب داخل کیسینگ و بیرون آن صرف نظر می گردد. فرمول پایین نحوه محاسبه آورده شده است:
که در این فرمول
E مدول الاستیسیته فولاد کیسینگ
I ممان اینرسی میکروپایل ( در طراحی میکروپایل توضیح داده شده)
L طول بدون تکیه گاه یا همان unsupported length که فرض می شود معادل ضخامت لایه بسیار ضعیف یا همان لایه روانگرا می باشد
مدول عکس العمل جانبی خاک اطراف میکروپایل در طول ناحیه بدون مقاومت جانبی یا unsupported می باشد.
با توجه به رابطه بالا حد پایین این مدول عکس العمل جانبی می تواند از رابط زیر محاسبه گردد:
نگاهی به میکروپایل و روانگرایی در آیین نامه FHWA
دو پارامتر اول داخل براکت به مشخصات ژئومتری و هندسی میکروپایل مربوط می شود در صورتیکه دو پارامتر دیگر نشان دهنده مشخصات مصالح میکروپایل می باشد. ترکیب این پارامترها یک ضریب شمع می دهد که واحد آن تنش به توان منفی یک می باشد.
با استفاده از رابطه گفته شده در بالا این گونه برداشت می شود که اگر کمتر از مدول اندازه گیری شده خاک باشد، همان ظرفیت های ژئوتکنیکی و سازه ای کنترل کننده ظرفیت میکروپایل خواهند بود ولی در صورتیکه بر عکس باشد و این مقدار از مدول عکس العمل جانبی خاک بیشتر گردد، ظرفیت کمانش تاثیرگذار خواهد بود و باید در طراحی در نظر گرفته شود.
جداولی که در ادامه آورده شده است محدوده مدول عکس العمل جانبی را برای انواع خاک نشان می دهد. همچنین در شکل زیر خلاصه ای از مقادیر حدی مدول عکس العمل برای انواع مختلف ریزشمع با المان های سازه ای مختلف برای درک بهتر ارائه شده است.
نگاهی به میکروپایل و روانگرایی در آیین نامه FHWA
در صورتیکه با توجه به بررسی ها نیاز به درنظرگیری کمانش الزامی بود، مقدار ظرفیت مجاز فشاری میکروپایل برای طراحی ریزشمع های دارای کیسینگ به صورت زیر در نظر گرفته می شود:
که در این رابطه بدین صورت محاسبه می گردد:
در این روابط:
K ضریب طوب موثر ( معادل یک در نظر گرفته می شود)
L طول ساپورت نشده و بدون تکیه گاه جانبی ( همان unsupported length)
شعاع ژیراسیون مقطع فولاد
FS ضریب اطمینان که با توجه به توصیه آشتو برابر ۲.۱۲ در نظر گرفته می شود
تنش تسلیم فولاد کیسینگ
۵.۲۱.۵ روانگرایی
در بسیاری از زلزله هایی که روانگرایی اتفاق می افتد، خاک ممکن است تا پایان زلزله روانگرا نشود. بنابراین شمع ها در زمین های روانگرا شده ممکن است هنوز بتوانند روی تکیه گاه های عمودی و جانبی خاک در طی زلزله در مناطق با پتانسیل روانگرایی تکیه کنند.
اما با توجه به عدم قطعیت ها وقتی روانگرایی اتفاق می افتد معمول است که یک مقاومت باقی مانده و کاهش یاقته ای برای مقاومت جانبی و عمودی خاک اطراف شمع ها اختصاص یابد. نتایج ارائه شده توسط ایشیهارا و کوبرینووسکی در سال ۱۹۹۸ پیشنهاد کرد که مقاومت جانبی یک شمع در خاک روانگرا شده به طور تقریبی بین ۰.۱ تا ۱ درصد مقاومت جانبی همان شمع در خاک روانگرا نشده می باشد.
بنابراین، اگر یک فونداسیون شمع در خاک با پتانسیل روانگرایی قرار باشد بارهایی جانبی بعد از اینکه خاک اطراف روانگرا می شوند را تحمل کند، شمع های مایل ممکن است بتوانند تکیه گاه جانبی مناسبی را براورده کنند.
این کاهش در مقاومت جانبی به طور اختصاصی در میکروپایل های انعطاف پذیر مهم می باشد. تحقیقات گزارش شده در پروژه FOREVER در سال ۲۰۰۳ نشان داد که میکروپایل های عمودی در کاهش پتانسیل روانگرایی موثر نبودند. میکروپایل های مایل، اما، جابجایی های خاک ناشی از زلزله را محدود کردند که خود باعث کاهش تولید فشار آب حفره ای اضافی گردید که متعاقبا موجب عدم وقوع روانگرایی گردید، در صورتیکه مناطق بدون ریزشمع روانگرا شده بودند.
اگر شمع های مایل استفاده گردد محل اتصال شمع و فونداسیون باید برای ممان های بزرگ وارده ناشی از جابجایی های جانبی طراحی گردند و خود شمع های مایل نیز می بایست برای تحمل بارهای جانبی ناشی از نشست خاک مورد بررسی قرار گیرند.
نگاهی به میکروپایل و روانگرایی در آیین نامه FHWA
نتیجه گیری
با توجه به مطالب و مباحث مربوط به روانگرایی مطابق با تحقیقات گسترده محققان ژئوتکنیکی در سراسر دنیا و با توجه به Case Study ها موجود، استفاده از میکروپایل برای بهبود خاک های روانگرا از لحاظ اقتصادی نسبت به سایر روش های بهسازی خاک مانند روش جت گروتینگ و ستون های اختلاط عمیق در پروژه های حال حاضر کشور اقتصادی نمی باشد و در صورت استفاده از میکروپایل ها می بایست حتما به صورت مایل و با درنظرگیری مسائل فنی و تدقیق روش های طراحی و مقابله با روانگرایی استفاده گردند.
نکات فنی مربوطه و در نظرگیری ممان های وارده به پی در صورت استفاده از میکروپایل های مایل منجر به غیر اقتصادی شدن پروژ ه ها می گردد که در این صورت روش های جایگزین مانند جت گروتینگ و DSM پیشنهاد می گردد. امید است با عنایت به منطق اجرای میکروپایل ها در خاک های روانگرا این توصیه ها مورد توجه قرار گیرند.