• آزمایش بارگذاری شمع

در پروژه­های تقویت فونداسیون بوسیله ریزشمع (یا میکروپایل) ، اجرای حداقل یک آزمایش بارگذاری ریزشمع (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 بهره­برداری نهایی باشد. تاییدات نهایی ظرفیت آزمایش بارگذاری شمع را می­توان از طریق آزمایش شاهد بر روی شمع­های 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 آزمایش­ها 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 روش­های 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 نکرده­اند. رویه آزمایش بارگذاری ارائه شده است در این بخش مطابق با الزامات ASTM D 1143 and D 3689 برای آزمایش شمع­های 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 روش­های 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 آزمایش­ها بسته به اندازه و وسعت پروژه و مهم­تر از آن جنس و نوع زمین، تغییر خواهد کرد. در پروژه­های 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 پروژه­های بزرگ­تر، ممکن است تعداد آزمایش­های نهایی یا ارزیابی بیشتری تعیین شود. آزمایش­های نهایی و ارزیابی معمولاً بر روی شمع­های “فدایی” اجرا می­شوند.

در طی اجرای شمع­های 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 شده است.

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 حرکت­هایی 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 نشده باشند، رویه توصیه شده 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 نگه داشته شده است (جهت اطمینان از اینکه حرکت راس شمع پایدار شده است)، انجام گیرد. اغلب آزمایش­های بارگذاری ریزشمع (یا میکروپایل) ­های اجرا شده تا این تاریخ، مطابق با رویه آزمایش سریع ASTN D1143 اجرا شده­اند.

  • آزمایش نهایی

آزمایش­های نهایی (اگر استفاده شوند) بر روی المان­های 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)  اجرا شده قادر به رسیدن به ظرفیت باربری مشخص شده برای مجموعه دوغاب-زمین با یک ضریب اطمینان مشخص می­باشد؟. حداکثر بار آزمایش ارزیابی بواسطه ضریب اطمینان مجموعه دوغاب- خاک و ظرفیت باربری انتخاب شده 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 ساخته شده، اجرا می­شود. آزمایش معمولاً یک آزمایش تک چرخه­ای 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. آزمایش­های 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 خاک­های چسبنده مستعد خزش احاطه شده 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 نیمه لوگاریتمی منتج می­شودکه با معیارهای پذیرش ارائه شده 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 بوسیله jack-bleed ، ram friction، یا سایر عوامل ایجاد می­شود، بایستی از یک لودسل کالیبره شده استفاده شود.

  • تهیه اسناد آزمایش بارگذاری پروژه

آزمایش بارگذاری، ابزاری برای تائید ظرفیت مجموعه خاکی تحت بار، ظرفیت­های طرح سازه­ای 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 گرفته شود، 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

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 چرخه­ای، چند چرخه­ای، بسته 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. برای پروژه­های بزرگ­تر، تعداد آزمایش­های ارزیابی بیشتر و معمولاً آزمایش­های شاهد بر روی شمع­های بهره ­برداری نیز، نیاز خواهد بود. برای مثال، آزمایش بارگذاری تعیین شده برای مقاوم­سازی لرزه­ای پروژه Caltrans با ریزشمع (یا میکروپایل) ، شامل حداقل یک آزمایش ارزیابی پیش بهره ­برداری بر روی یک شمع فدائی می­باشد.

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 شمع­های آزمایش شده، 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 شمع­های 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.