تحلیل رفتار شمع های توخالی با مقاطع غیریکنواخت

یکی از روش های اجرای شمع، استفاده از روش کوبش برای نصب شمع های بتنی پیش ساخته به کمک ابزار خاص است. نحوه کوبش و کنترل این فرآیند یکی از جنبه های مهم اجرایی این شمع ها بوده، به طوری که عدم دقت کافی به این مسئله، علاوه بر کاهش راندمان عملیات کوبش، خاک و محیط اطراف را تحت تأثیر قرار می دهد.

هندسه و شکل شمع در رفتار کوبشی آنها تأثیر مستقیم داشته و با استفاده از این گونه شمع ها در عملیات شمع کوبی، علاوه بر کاهش مصرف انرژی به میزان بین 25 تا 60 درصد، افزایش راندمان و بهره وری عملیات کوبش نیز فراهم می شود. همچنین شرایط باز یا بسته بودن نوک شمع تأثیر بسیار زیادی در فرآیندکوبش دارد و در شرایط اعمال انرژی یکسان در حین عملیات کوبش، شمع ته باز عملکرد بهتری نسبت به شمع ته بسته داشته و در مجموع شمع مخروطی ته باز عملکرد بهتری نسبت به سایر شمع ها با هندسه ی مختلف دارد.

به طور کلی، انجام آزمایش بر روی شمع ها در مقیاس واقعی منجر به شناخت بهتر رفتار شمع در حین اجرا و پس از آن می شود. آزمایش های استاتیکی و دینامیکی، روشی برای آزمایش پی های عمیق به منظور کسب اطلاعات در مورد ظرفیت باربری و پیوستگی آنها و در برخی موارد رصد و کنترل آنها در طول کوبش است. صرف نظر از روش نصب شمع، آزمایش های دینامیکی را در صورتی که در زمان نصب شمع انجام شود، کنترل دینامیکی شمع و در صورتی که بعد از نصب شمع انجام شود، آزمایش بارگذاری دینامیکی می نامند.

آزمایش های دینامیکی به دو گروه آزمایش های دینامیکی کرنش بزرگ و آزمایش های دینامیکی کرنش کوچک تقسیم می شوند. روش آزمایش های دینامیکی کرنش بزرگ مانند آزمایش PDA، یک تکنیک عمومی پذیرفته شده برای آزمایش بر رویی شمع های کوبیده شده است. در این روش، ظرفیت استاتیکی شمع های کوبشی فلزی و بتنی را می توان با استفاده از دو رویکرد فرمول های کوبش شمع و یا تحلیل معادله موج پیش بینی کرد.

با بررسی رفتار شمع های استوانه ای در مقایسه با رفتار شمع های غیر استوانه ای هم حجم معادل آن تحت کوبش، نشان می دهد که هر چه زاویه ی جداره شمع افزایش یابد، سرعت و نشست نهایی شمع نیز افزایش می یابد. همچنین با افزایش زاویه جداره شمع، مدت زمان بیشتری طول می کشد تا سرعت کاهش یابد. همچنین میزان نشست نهایی و سرعت با توجه به تغییر هندسه مقطع شمع متفاوت است، به طو ری که نشست در شمع استوانه ای از همه کمتر و جابه جایی شمع با مقطع کاملاً غیر استوانه ای از همه بیشتر است و شمع های دارای مقطع ترکیبی استوانه ای - مخروطی در بین این دو مقدار قرار دارند.

شمع های مخروطی دارای نفوذ نهایی بیشتری نسبت به شمع هایاستوانه ای بوده و راحت تر در خاک کوبیده می شوند. نکته ی حائز اهمیت با توجه به نمودار سرعت کوبش شمع در خاک های سست این است که سرعت در شمع استوانه ای، در این حالت نیز نسبت به شمع مخروطی کمتر است. علت این پدیده، بیشتر بودن نوسانات در شمع مخروطی نسبت به شمع استوانه ای بوده و بهدلیل ارتعاشات زیاد شمع، امواج منتشر شده در مدت زمان طولانی تری مستهلک می شوند. با توجه به اینکه انتگرال زیر، منحنی سرعت برابر نفوذ بوده و برای شمع مخروطی، بازه این انتگرال گیری با توجه به بیشتر بودن زمان استهلاک امواج بزرگ تر است، لذا نفوذ شمع مخروطی در خاکریز ماسه ای بیشتر از شمع استوانه ای به دست می آید.

در شمع استوانه ای، شرایط باز یا بسته بودن نوک شمع تأثیر بسیار زیادی در فرآیند کوبش دارد. در شمع استوانه ای ته باز به علت اینکه سطح مقطع در کل طول آن ثابت است، در اثر هر ضربه گسیختگی برشی منگنه ای در خاک ایجاد کرده و نفوذ بیشتری دارد و در نتیجه راحتتر در خاک فرو می رود. قابل ذکر است که در حین فرو رفتن شمع در خاک، قسمتی از خاکزیر شمع در داخل جداره وارد شده و پس از خارج نمودن شمع از خاک، مشاهده شد این خاک در داخل جداره بسیار متراکم شدهاست.

لذا با اعمال انرژی یکسان در حین عملیات کوبش، شمع استوانه ای ته باز عملکرد بهتری نسبت به شمع استوانه ای ته بسته دارد. در خصوص شمع مخروطی ته باز نیز وارد شدن خاک به داخل جداره آن دیده شده، ولی به دلیل اینکه سطح مقطع شمع از پایین به بالا افزایش می یابد، حجم فضای داخلی شمع بیشتر می شود. در حین کوبش، خاک زیر ابتدا به دلیل سطح مقطع کم نوک شمع، بسیار متراکم شده ولی پس از ورود به داخل شمع به دلیل باز شدگی مقطع، از تراکم آن کاسته و فقط سطح مقطع نوک شمع که در تماس با خاک است دارای تراکم است. بنابراین با بررسی نتایج به دست آمده مشاهده می شود که شمع مخروطی شکل ته باز عملکرد بهتری نسبت به سایر شمع ها با هندسه مختلف دارد.

زمان استهلاک امواج منتشره ناشی از ضربه، در شمع های ته باز بیشتر از شمع های ته بسته است و این مسئله موجب می شود که سرعت این شمع ها نسبت به حالت ته بسته بیشتر شده و در نتیجه نفوذ نهایی نیز بزر گتر باشد.میزان نفوذ نهایی و سرعت شمع مخروطی ته باز از شمع استوانه ای ته باز بیشتر بوده و درحالتی کلی نیز وقتی انتهای شمع به صورت ته باز باشد، راندمان و عملکرد شمع نسبت به شمع های ته بسته در کوبش بیشتر است.

سرعت و جابه جایی این شمع ها در مقایسه با شمع توپر افزایش یافته و همچنین سرعت و جابه جایی شمع های غیر استوانه ای نسبت به شمع استوانه ای در حالت توخالی نیز بیشتر است. همچنین مطابق آنچه قبلاً گفته شد، سرعت و جابه جایی رأس شمع در اثرکوبش در خاک ماسه ای در مقایسه با خاک رس کمتر بوده و با افزایش ضخامت جداره شمع نیز، سرعت و نفوذ نهایی کاهش می یابند.

بنابراین با مقایسه نتایج رفتار شمع های توخالی با مقاطع متغیر در حین کوبش، ملاحظه می شود که شمع با مقطع غیریکنواخت در این حالت نیز دارای عملکرد بهتری نسبت به شمع استوانه ای بوده و با طراحی مناسب ابعاد و هندسه آن به منظور جلوگیری از کمانش و لهیدگی در حین کوبش و همچنین کنترل سلامت شمع در هنگام اجرا، افزایش راندمان عملیات اجرایی حاصل شده و در موجب بهینه شدن مصرف انرژی و در نتیجه صرفه جویی اقتصادی خواهد شد.

در این بخش کوبش شمع استوانه ای ته باز با نسبت قطر داخلی به قطر خارجی مختلف که به وسیله ضربه چکش در خاک رسی و ماسه ای فرو رانده می شوند، تحلیل و بررسی شده است. در این حالت هنگام فرو رفتن شمع در زمین تحت ضربه چکش، خاک زیر آن وارد فضای خالی داخلی شمع شده و به جداره داخلی آن متناسب با ارتفاع خاک وارد شده، تنش وارد می شود. به این علت جداره داخلی شمع نیز با خاک درگیر شده و اصطکاک جداری شمع و خاک بیشتر شده و در نتیجه نیروهای مقاوم بسیج شده در برابر جابه جایی شمع در خاک افزایش می یابد. لذا برای مدلسازی این پدیده، در سطح جانبی داخلی شمع در تماس با خاک نیز المان های اندرکنش خاک و شمع به صورت سختی های برشی و نرمال لحاظ شده و در محاسبات تأثیر داده می شود.

وقتی این شمع های ته با ز تحت ضربه چکش قرار می گیرد، سرعت و جابه جایی این شمع ها در مقایسه با شمع توپر افزایش یافته ولی به دلیل وجود اصطکاک در جداره داخلی شمع علاوه بر جداره خارجیآن، نتایج به دست آمده نسبت به شمع های ته بسته کاهش می یابد. همچنین با افزایش نسبت قطر داخلی به قطر خارجی سرعت و جابه جایی شمع نیز بیشتر می شود.

هندسه و شکل شمع در رفتار کوبشی آنها تأثیر مستقیم داشته، به طوری که با استفاده از شمع مخروطی، سرعت و جابه جایی این شمع ها افزایش یافته و در عین حال تعداد ضربه لازم برای فرو بردن آنها در خاک کاهش می یابد. لذا استفاده از شمع های با مقاطع غیریکنواخت در عملیات شمعکوبی علاوه بر کاهش مصرفانرژی به میزان 25 تا 60 درصد، موجب افزایش راندمان و بهره وری عملیات کوبش نیز می شود.در حالت های ته بسته و ته باز، شمع های مخروطی دارای نشست نهایی بیشتری نسبت به شمع های استوانه ای بوده و با تعداد ضربات کمتری در خاک کوبیده می شوند.

در شمع استوانه ای، شرایط باز یا بسته بودن نوک شمع تأثیر بسیار زیادی در فرآیند کوبش دارد. لذا با اعمال انرژی یکسان در حین عملیات کوبش، شمع استوانه ای ته باز عملکرد بهتری نسبت به شمع استوانه ای ته بسته دارد. همچنین میزان نشست نهایی و سرعت شمع مخروطی ته باز از شمع استوانه ای ته باز بیشتر بوده و در حالتی کلی نیز وقتی انتهای شمع به صورت تهباز باشد، راندمان و عملکرد شمع نسبت به شمع های ته بسته بیشتر است و در مجموع شمع مخروطی ته باز عملکرد بهتری نسبت به سایر شمع ها با هندسه ی مختلف دارد.