کتاب شمع های درجا از طراحی تا اجرا اثر علی میر ناشر فدک ایساتیس

پيش‌گفتار

در دنیا بی شک نمی توان سازه ای را یافت که بدون داشتن فنداسیون با ثبات و پایدار، قامتی استوار داشته باشد. اجرای فنداسیون بر حسب شرایط موجود می تواند به صورت سطحی، نیمه عمیق و عمیق باشد. وجود بستر های نامناسب و بی ثبات، شناخت لایه های خاک چه در اعماق کم و چه در اعماق زیاد، شرایط دینامیک و متغییر در محیط اجرا و وضعیت متفاوت امواج یک محقق و مجری را به سوی گزینه های متفاوتی سوق داده و شرایط را برای یک طراحی کارآمد و اجرای مطمئن دشوارتر می کند. 
بنابراین باید بتوان با اطلاعات به روز و نوین بر عدم قطعیت موجود فائق آمد و به سوی یک طراحی و اجرای موفق گام برداشت. از طرفی شرایط اقتصادی نیز موازی با شرایط اجرا پیش می رود. انتخاب متد و نوع ماشین آلات حفاری و به دیگر سخن، نیاز به انتخاب سیستم اجرای یک فنداسیون درجا با توجه به شرایط موجود سایت و امکانات در دسترس، سبب می شود آگاهی کافی از انواع متد های موجود مورد نیاز باشد.
من پس از اتمام دوره ی کارشناسی و با ورود به عرصه کار، تلاش و تجربه های عملی، به ناگه خود را در میان سوالات حل نشده با مجهولات فراوان یافتم. در این میان با ورود به پروژه های پل سازی نیز بر شمار نادانسته هایم افزوده شد. روش های طراحی فنداسیون و اجرای این گونه سازه ها سبب ان شد تا میان مرجع های فراوانی کاوش نمایم. با صرف زمان زیاد مرجعی که بتواند به صورت جامع و یکجا مرا با تحلیل، طراحی و روشهای اجرای فنداسیون های درجا آشنا نماید، در دسترس نبود.
در مقطع کارشناسی ارشد نیز با فراهم آمدن بستر تحقیقاتی، زمینه ی مناسبی برای گردآوری اطلاعات جامعی راجع به فنداسیون های عمیق به وجود آمد. از این رو بر این شدم که تجربیات و آموخته های خود را به رشته ی تحریر درآورم تا علاقه مندان بدون صرف زمان اضافه ی طولانی اطلاعات مورد نیاز را در زمینه ی طراحی و اجرای شمع های درجا بدست آورند و تحقیقات شان را از انتهای این کار ادامه دهند.
در فصل اول کتاب، روشهای اولیه و نوین اجرای شمع های درجا تشریح می شود. در این فصل سعی بر آن شده تا مباحث به طور کاملا ملموس شرح داده شود تا خواننده  شرایط اجرایی را به طور کامل لمس کند. در فصل دوم، روشهای اجرای سر شمع بر روی بستر و یا در ترازهای متفاوت و با روشهای متفاوت شرح داده شده است. در فصل سوم نیز با توجه به رفتار پیچیده خاک، روشها و فرمول های ارزیابی پارامتر های رفتاری خاک شرح داده شده است. این پارامتر ها را می بایست به عنوان پارامتر های طراحی شمع در محاسبات استفاده کرد.
دریا با محیط دینامیک خود شرایط بسیار دشواری را برای اجرا و طراحی شمع ایجاد می کند. در این میان آگاهی از شرایط موج، انرژی و شکست آن بسیار حائز اهمیت خواهد بود. در فصل چهارم موارد ذکر شده بررسی شده است. در فصل پنجم نیز به بررسی طراحی ژئوتکنیکی (خروجی فصل سوم به عنوان یک ورودی برای محاسبات این فصل کاربرد دارد) و سازه ای شمع (به روش LRFD) پرداخته می شود. در این فصل سعی بر آن شده که با توجه به وجود ماهیت تصادفی برخی رویدادها بتوان به یک طراحی کارآمد و راهگشا دست یافت. در فصل ششم نیز مسائل مربوط به باربری با توجه به اثر مجموعه گروه شمع ها مورد بررسی قرار گرفته است.
در خاکهای اشباع، خاک به عنوان اسکلت عمل می‌کند و منافذ موجود به وسیله آب پر می‌شود. اگر در اثر رخدادی سریع، آب منفذی فرصتی برای خروج نداشته باشد، تنش موثر میان دانه ها از بین رفته و خاک مانند سیال روان می‌شود. در فصل هفتم سعی شده است، مسائل مربوط به روانگرایی به طور کامل شرح داده شود.
 آنچه محاسبه می شود، بهتر است در شرایط واقعی راستی آزمایی شود. در فصل هشتم سعی بر آن شده تا یک طراحی ایمن و کارا و اقتصادی را با کمک تست های استاتیکی و دینامیکی قیاس کنیم. در فصل نهم  به منظور لمس روشهای طراحی و اجرای ذکر شده در فصول قبل، نمونه پروژه‌های اجرا شده در نقاط مختلف جهان تشریح شده است. در این پروژهها به وضوح می‌توان آنچه در فصول قبل شرح داده شده، را مطالعه کرد.
امید است مطالب ارائه شده در این کتاب برای خوانندگان عزیز مفید و سازنده باشد.

علی میر-کارشناس ارشد سازه‌های دریایی- آبان ماه 1395
 

فهرست مطالب

 فصل 1         اجراي شمع درجا در محيط‌هاي دريايي و رودخانه‌ايي   1
1.1    شمع‌های درجا در محیط دریا    2
1.2    تجهیزات مورد نیاز    2
1.2.1    الگو    3
1.2.2    کیسینگ    3
1.2.3    انتخاب کیسینگ    5
1.2.4    نصب کیسینگ قبل از حفاری    5
1.2.5    کیسینگ دائمی    7
1.2.6    دستگاه حفاری    9
1.3    حفاری شمع درجا در محیط دریا    12
1.3.1    حفاری گردش معکوس    12
1.3.2    حفاری با تکنیک کیسینگ چرخشی    18
1.3.3    اجرای شمع درجا در زیر آب با سیستم حفاری گردش معکوس    25
1.3.4    حفاری به شیوه مونتاژ دستگاه حفاری    31
1.3.5    حفاری شمع درجای با قطر زیاد با کمک سیستم حفاری سیار    40
1.3.6    Mix and Drilling offshore steel Pile    45
1.3.7    حفاری ترکیبی بستر سخت کف دریا    48
1.4    پایدار‌سازی جداره با استفاده از دوغاب حفاری    51
1.4.1    بنتونیت    52
1.4.2    اختلاط دوغاب حفاری    52
1.5    آزمایش های لازمه قبل از آرماتورگذاری    53
1.5.1    تست Sonic Caliper    53
1.5.2    بررسی یکپارچگی وضعیت حفاری با استفاده از دوربین‌های ویدئویی    55
1.6    قفس آرماتور    56
1.6.1    اجزاء قفس    56
1.6.2    تقویت قفس برای قائم ساختن آن    57
1.6.3    ترتیب بلند کردن قفس    58
1.7    بتن‌ریزی در شرایط دریایی    61
1.7.1    ویژگی بتن در شرایط دریایی    61
1.7.2    بتن‌ریزی در شرایط زیر آب    62
1.8    Base grouting    68
1.8.1    فرایند کلی تزریق گروت    69
1.8.2    مشخصات گروت    71
1.9    تست یکپارچگی شمع    72
1.9.1    تست یکپارچگی شمع با استفاده از Crosshole Sonic Logging    72
1.9.2    تست یکپارچگی شمع (Thermal  Integrity  Profiler)    75
1.9.3    Sonic Echo (SE) test    78
1.9.4    Impulse-Response (IR) Test    85
 فصل 2         اجرای سر شمع در محیط‌های دریایی و رودخانه‌ای   91
2.1    کافردم    92
2.1.1    انواع کافردم سپری    93
2.1.2    کافردم شناور    99
 فصل 3         ارزیابی پارامتر های خاک   109
3.1    آزمایش    110
3.1.1    اجزاء تست     112
3.1.2    دیتاهای مخروط پنترومتر و بررسی وضعیت خاک    116
3.2    اجرای آزمایش   در شرایط دریایی    117
3.2.1    اجرای تست در آب عمیق    119
3.2.2    تست CPT WireLine    122
3.2.3    اجرای تست   با استفاده از دیگر سیستم های موجود    123
3.3    طبقه بندی رفتار خاک به کمک تست نفوذ مخروط    125
3.3.1    نمودار Robertson    125
3.3.2    نمودار Eslami-Fellenius    142
3.3.3    سرعت موج برشی و نتایج تست CPT    143
 فصل 4         اثر امواج در طراحی شمع   149
4.1    موج    150
4.2    پارامترهای موج    150
4.2.1    ارتفاع موج    150
4.2.2    پریود موج    154
4.2.3    برآورد ارتفاع و پریود موج طرح برای محاسبه نیرو و لنگر وارد بر شمع    154
4.3    نیروی ناشی از امواج    159
4.3.1    تعاریف    159
4.3.2    محاسبه نیروی موج در جریانات نوسانی    161
4.3.3    معادله موریسون    164
4.4    نیروی هیدرودینامیک    169
4.4.1    روش ساده برای محاسبه فشار هیدرودینامیک بر روی سازه‌های استوانه‌ای    170
4.4.2    نیروی وارده بر شمع‌های دریایی ناشی از امواج در حال شکست    173
 فصل 5         طراحی ژئوتکنیکی شمع به همراه رویدادهای ویژه    183
5.1    تئوری موجود    184
5.2    صورت‌های مختلف طراحی    186
5.2.1    طراحی ژئوتکنیکی تحت اثر بار محوری    188
5.2.2    اصطکاک منفی    205
5.2.3    طراحی شمع تحت اثر بارهای جانبی    214
5.2.4    طراحی سازه‌ای    252
5.2.5    طراحی شمع درجا با توجه به اثر آبشستگی    254
5.2.6    اثر ضربه کشتی بر شمع درجا    262
5.2.7    تعیین ظرفیت باربری شمع با استفاده از نتایج آزمایش      266
 فصل 6         گروه شمع    269
6.1    گروه شمع    270
6.2    گروه شمع در برابر شمع منفرد    270
6.3    ملاحظات گام شمع‌ها    271
6.4    اثر گروه شمع در مقاومت محوری    273
6.4.1    اثر گروه بر روی مقاومت ژئوتکنیکی حدی    273
6.4.2    ظرفیت باربری گروه در شرایط کلی    275
6.4.3    نشست گروه شمع    276
6.5    اثر گروه شمع در برابر بارهای جانبی    285
6.5.1    مفهوم ضریب P    286
6.6    ترکیب بارگذاری و محاسبه توزیع بار در گروه    288
6.6.1    تعادل استاتیک ساده    288
6.6.2    حل الاستیک ساده    290
6.7    پیش‌بینی نیروی ناشی از موج بر روی شمع در یک گروه شمع    292
 فصل 7         روانگرایی    295
7.1    روانگرایی    296
7.2    لمس واقعی آسیب‌های ناشی از روانگرایی    297
7.3    ارزیابی پتانسیل روانگرایی بر حسب نتایج  تست CPT    299
7.3.1    روانگرایی سیکلی (لرزه‌ای)    300
7.4    گسترش جانبی    305
7.5    آنالیز شمع بر مبنای خمش    307
7.5.1    تحلیل جابجایی    307
7.5.2    روش توازن محدود    330
7.6    مقاومت باقی مانده خاک پس از روانگرایی    335
7.6.1    ناپایداری و مقاومت برشی باقی مانده خاک روانگرا شده    336
7.7    ارزیابی نشست خاک بر مبنای نتایج تست CPT پس از روانگرایی    342
7.7.1    تغییر شکل ناشی از زلزله    342
7.7.2    نشست عمودی زمین در اثر روانگرایی    342
7.7.3    محاسبه نشست زمین    344
 فصل 8         تست‌های درجا    347
8.1    ظرفیت باربری شمع درجا به کمک تست دینامیکی    349
8.1.2    آماده‌سازی شمع جهت اجرای تست    349
8.1.3    تحلیل معادله موج    351
8.1.4    ارزیابی و تفسیر نتایج تست دینامیکی    352
8.2    تست بارگذاری Statnamic    357
8.2.1    بارگذاری قائم    357
8.2.2    بارگذاری جانبی    364
8.3    تست بارگذاری استاتیکی قائم شمع درجا    365
8.3.1    زمان اجرای تست بارگذاری قائم    368
8.3.2    روش کلی اجرای تست    368
8.3.3    تجهیزات مورد نیاز    369
8.3.4    محاسبه ظرفیت باربری با استفاده از نتایج تست استاتیکی قائم    370
8.4    تست بارگذاری استاتیکی جانبی    382
8.4.1    زمان اجرای تست بارگذاری جانبی    384
8.4.2    روش کلی اجرای تست    384
8.4.3    تجهیزات مورد نیاز    384
8.4.4    بارگذاری    386
8.4.5    تفسیر نتایج حاصل از تست بارگذاری استاتیکی جانبی    388
 فصل 9         پروژه‌های اجراء شده    393
9.1    مقدمه    394
9.2    پلRajiv Gandhi     394
9.2.1    شرایط سایت    394
9.2.2    طراحی شمع درجا    395
9.2.3    اجرای شمع‌های درجای پل    396
9.2.4    تست یکپارچگی شمع    399
9.3    پل Incheon    399
9.3.1    معیار طراحی فنداسیون پل    400
9.3.2    طراحی شمع‌های پل Incheon در اقیانوس    401
9.3.3    اجرای شمع درجا    402
9.3.4    تست یکپارچگی    405
9.4    پلHuey P     405
9.4.1    خصوصیات لایه‌های بستر    406
9.4.2    اجرای شمع درجا    407
9.4.3    تست بارگذاری شمع    412
9.5    پل John H Kerr    413
9.5.1    اجرای شمع‌های درجا    414
منابع و مراجع    421