روش‌های طراحی ریزشمع یا میکروپایل(micropile)

این مقاله هم شامل روش طراحی بر اساس بار سرویس “SLD” (یا همان طراحی به روش  تنش مجاز) و هم روش طراحی بر اساس بار ضریب­دار “LFD” (یا روش طراحی بر اساس مقاومت) می­باشد که در ویرایش شانزدهم دفترچه مشخصات استاندارد 1996 آشتو برای پل­های بزرگراهی، توضیح داده شده­اند. در حال حاضر مهندسین سازه از هر دو روشSLD  و LFD استفاده می­کنند، اما بیشتر در حال فاصله گرفتن از SLD و رفتن بسوی LFD و ویرایش­های جدید آن یعنی روش LRFD (یا همان طراحی بر اساس بار و مقاومت) (دفترچه مشخصات جدید آشتو برای طرح LRFD پل­ها) می­باشند. مهندسین ژئوتکنیک عمدتاً از روش SLD استفاده می­کنند، اما آنها نیز در حال حرکت بسمت روش­های  LFDو LRFD می­باشند.

هر سه این روش­های طراحی، بابت عدم قطعیت در خصوص بارها و مقاومت مصالح سازه­ای و ژئوتکنیکی (بدلیل طبیعت تصادفی و غیر قابل پیش­بینی) یکسری ضرایب ایمنی را پیشنهاد می­کنند. این ضرایب ایمنی همچنین بایستی دربرگیرنده نقصان طبیعی اطلاعات در طی طراحی نیز باشد.

شکل 1. روش SLD و LFD و ارتباط بین آنها

Qi : تاثیر بار ناشی از اجزاء بار (بار مرده، زنده، فشار خاک و ….)φ     : ضریب کاهش مقاومت   γ : ضریب بار گروهی بر طبق جدول 3.22.1 A آشتو

βi : ضریب اجزاء بار انفرادی بر طبق جدول 3.22.1 A آشتوLF    : ضریب بار ترکیب γ و βi FS   : ضریب ایمنی

n : تعداد اجزاء بار

برای تشریح آیتم­های LFD و SLD و ارتباط بین آنها به شکل 1 توجه کنید. در روش SLD، ضریب ایمنی به روشی نسبتاً شهودی و مبتنی بر تجربه و قضاوت مهندسی انتخاب می­شود. SLD بارها و مقاومت مصالح را بعنوان ثابت­های مشخص اصلاح می­کند. این روش مقاومت اسمی (نهایی) مصالح را تا حد یک بار مجاز کاهش می­دهد که بار طرح نبایستی از آن تجاوز کند. بار طرح ابزاری برای کنترل گروه اجزاء بار (مرده، زنده، فشار خاک و …)، مذکور در جدول 3.22.1 A می­باشد. جدول 3.22.1 A انواع بار را بجز بارهای لرزه­ای مذکور در بخش I-A دفترچه مشخصات آشتو (به بخش 3.21 آشتو رجوع کنید)، در بر می­گیرد. SLD با موقعیت شماره یک شکل 5-1 منطبق است.

در روش­های LFD و LRFD ضرائب ایمنی شامل دو جزء می­باشند. ضریب بار (LF) که بیانگر بار طرح می­باشد، و یک ضریب کاهش مقاومت “φ” که مقاومت اسمی مصالح را کاهش می­دهد. در LFD و LRFD به همه المان­های سازه یک احتمال گسیختگی اختصاص داده می­شود، بنابراین همه المان­ها بطور مساوی کار می­کنند، بدون اینکه المانی در قیاس با سایر المان­های سازه قوی­تر یا ضعیف­تر طراحی شده باشد. عدم قطعیت در بار بواسطه ضریب بار “LF” و عدم قطعیت در مقاومت مصالح با ضریب کاهش مقاومت “φ” بیان می­گردد.

LFD در قیاس با روش قطعی SLD نسبت به طبیعت تصادفی بارهای طرح و مقاومت مصالح، یک روش مبتنی بر احتمال می­باشد. در این روش برای جداسازی توزیع بارهای طرح و کفایت مقاومت مصالح بخاطر حفظ یک تراز قابل قبول از ریسک در برابر گسیختگی، از تئوری احتمالات استفاده می­شود. LFD لازم می­داند که اجزاء بار با ضرایب بار بیان گردند و مطابق جدول 3.22.1 A آشتو، گروه بندی شوند. مقاومت مورد نیاز بایستی از مقاومت طرح کمتر باشد. مقاومت طرح همان مقاومت اسمی مصالح است که با ضریب کاهش مقاومت φ، کاهش داده شده است. LFD با موقعیت شماره 2 شکل 1 مطابق است.

روش طراحی ویژه ترکیب بارهای لرزه­ای

بخش I-A آشتو روندی را برای طرح لرزه­ای مشخص می­کند که مبتنی بر استفاده از مقاومت اسمی کامل فونداسیون برای ایستادگی در برابر ترکیب بارهای بدون ضریب کنترل شده می­باشد که برای وقوع همزمان با بارهای لرزه­ای (بار مرده، بار بالابرها، سیل و فشار خاک) لحاظ شده است. این کتاب برای طراحی مجموعه خاک- دوغاب، روش LFD را برای ترکیب بارهای لرزه­ای با استفاده از ضرایب بار و ضریب مقاومت φ=1 توصیه می­کند.

مقاومت اسمی مجموعه خاک دوغاب

مقاومت اسمی مورد استفاده در روش­هایSLD  و LFD با اتخاذ یک مقاومت واحد بر مساحت، از جدول 2 بدست می­آید.

ضریب ایمنی SLD برای مجموعه خاک- دوغاب

ضریب ایمنی “FS” توصیه شده در این فصل برای مقادیر مجاز مجموعه خاک- دوغاب در طراحی­های معمول SLD برابر “5/2” می­باشد. این توصیه مبتنی بر تجربیات ملی و پروسه­های طراحی و ساخت مذکور بوده و همچنین از بررسی­های محلی و آزمایش شاهد، تاثیر می­پذیرد. جاییکه اطلاعات و گزارش­های خاک محل، نشانگر شرایطی بسیار استوار و مستحکم باشند (مانند سنگ­های بدون ترک و جوان) می­توان این مقدار را کاهش داد.

ضرایب “φG LFD برای مجموعه خاک- دوغاب

در حال حاضر ضرایب “φG” مقاومت مجموعه خاک- دوغاب در ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها، آنطور که بایستی بر طبق تئوری احتمالات تعیین شود، تعیین نشده است. اما تجربیات زیادی در زمینه طرح­های SLD در ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها و مهارکوبی زمین وجود دارد که از بسیاری جنبه­ها مشابه می­باشند. بنابراین در این مقاله پیشنهاد می­شود که، ضرایب “φG” مقاومت مجموعه خاک- دوغاب با کالیبره کردن ضریب ایمنی SLD بدست آید، مادامیکه مقادیر مبتنی بر احتمالات توسعه یافته و توسط کاربران پذیرفته گردند. بدین ترتیب یک طرح LFD معادل با همان طرح SLD برای مجموعه خاک- دوغاب منتج می­شود. روند ذیل نشان می­دهد که ضرایب “φG” برای LFD را چگونه از روی ضریب ایمنی SLD کالیبره کنیم. در واقع هر واحد منحصر به فرد از بارها نیاز به یک ضریب “φG” متفاوت دارد.


 

روش  SLD

بارهای مجاز ≥ بارهای طرح

روش LFD

مقاومت طرح ≥ مقاومت مورد نیاز

در حالیکه “Rn” برای SLD و LFD یکسان می­باشد، “φG” بایستی بین SLD وLFD  بقرار زیر کالیبره گردد.

برای ترکیب بار “1” آشتو داریم:

Γ =1.3   ،    BD =1    ؛       BL=1.67 ؛       BCF =1 ؛          BB =1؛   BSF =1

BE =1.3 برای فشار جانبی خاک  ؛  FS : ضریب اطمینان

QD : بار مرده        ؛      QL : بار زنده         ؛      QCF : نیروی برون مرکز      ؛       QE : فشار خاک

QB : نیروی بالابر    ؛    QSF : فشار جریان سیل

جدول 1 نشان می­دهد که “φG” چگونه برای ترکیبات مختلف بارهای ترکیب بار “1” آشتو، (بارهای مرده، زنده و فشار زمین) تحت FS=2.5 تغییر می­کند.

در این جدول، مقدار “φG” بقرار زیر محاسبه شده است:

این جدول همچنین ضریب (FS) LF= φG مرکب از ضرایب بار γ و β، را نشان می­دهد. این اطلاعات بیانگر آن است که 0/1 φG = را می­توان بعنوان یک مقدار محافظه کارانه در طراحی­های معمول LFD استفاده کرد. مقادیر بزرگتر φG برای ترکیب بار کنترلی، بایستی با ضرایب بارهایشان کالیبره شوند.

  • برای ترکیب بار IA-X آشتو:

جاییکه؛ OS، بر طبق جدول 3.22.1 A آشتو برابر ضریب بیش تنش می­باشد.

جدول 1. ضریب φG کالیبره شده LFD برای نسبت­های متفاوت از QD , QL و QE
LF φG QE QL QD
30/1 52/0 0/1
38/1 55/0 0/0 1/0 9/0
35/1 54/0 1/0 0/0
43/1 57/0 1/0 1/0 8/0
48/1 59/0 0/0 2/0
48/1 59/0 2/0 1/0 7/0
53/1 61/0 1/0 2/0
55/1 62/0 0/0 3/0
50/1 60/0 3/0 1/0 6/0
55/1 62/0 2/0 2/0
60/1 64/0 1/0 3/0
55/1 62/0 4/0 1/0 5/0
60/1 64/0 3/0 2/0
65/1 66/0 2/0 3/0
68/1 67/0 1/0 4/0
73/1 69/0 0/0 5/0
58/1 63/0 5/0 1/0 4/0
63/1 65/0 4/0 2/0
68/1 67/0 3/0 3/0
73/1 69/0 2/0 4/0
78/1 71/0 1/0 5/0
83/1 73/0 0/0 6/0
63/1 65/0 6/0 1/0 3/0
68/1 67/0 5/0 2/0
73/1 69/0 4/0 3/0
78/1 71/0 3/0 4/0
83/1 73/0 2/0 5/0
85/1 74/0 1/0 6/0
90/1 76/0 0/0 7/0
65/1 66/0 7/0 1/0 2/0
70/1 68/0 6/0 2/0
75/1 70/0 5/0 3/0
80/1 72/0 4/0 4/0
85/1 74/0 3/0 5/0
90/1 76/0 2/0 6/0
95/1 78/0 1/0 7/0
00/2 80/0 0/0 8/0
70/1 86/0 8/0 1/0 1/0
03/2 81/0 1/0 8/0
نکته: LF در اکثر طرح­ها بین 3/1 الی 7/1 تغییر می­کند.

 

  • طراحی ژئوتکنیکی

مقتضیات بررسی­های ژئوتکنیکی

اکتشافات زیرسطحی مورد نیاز برای طراحی ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها عمدتاً از مقتضیات لازم برای سایر المان­های فونداسیون­های عمیق (مانند میل چاه­های حفاری شده یا شمع­های درجا)، بیشتر نیست. اطلاعات زیر برای طراحی مناسب ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها ضروری می­باشد:

  • زمین شناسی عمومی
  • تاریخچه محل (معدن­کاری، حفاری­های پیشین، مشکلات مربوط به ساخت و سازهای پیشین، روش­های ساخت تاسیسات یا زیرزمین­ها و فونداسیون­های مجاور)
  • تشریح پروسه­های ژئولوژیکی یا مدهای رسوب­گذاری و نهشته­سازی لایه­های زمین
  • لوگ حفاری­های خاک بدست آمده از همسایگی سازه که شامل تشریح و طبقه­بندی لایه­ های خاک، وزن مخصوص، میزان رطوبت، مقادیر آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) یا نفوذ مخروط (CPT)، و تشریح شرایط آب زیرزمینی باشد. عمق حفاری باید از حداکثر ارتفاع­ پیش بینی شده شمع فراتر رود و همچنین جزئیات خاک، بویژه برای لایه­های خاک ناحیه پیوند، تشریح شود.
  • پروفیل زیر سطحی خاک در امتداد آرایش سازه، بدست آمده از اطلاعات حفاری خاک که حداقل موئد نوع خاک و مقادیر SPT باشد، بایستی برای ارتفاع لایه­های متغیر خاک و تعیین بدترین شرایط خاک تهیه شود.
  • ارزیابی پارامترهای مقاومت برشی خاک و تعیین حدود اتربرگ برای خاک­های چسبنده، و توزیع اندازه دانه­ ها برای خاک­های دانه­ای.
  • اگر با لایه سنگی مواجه شدیم بایستی؛ لوگ طبقه ­بندی سنگ، نرخ­های نفوذ، درجه هوازدگی و ترک خوردگی، اندازه­گیری RGD ، مقاومت فشاری محصور نشده، و مشاهدات حفاری تهیه گردد.
  • در صورت امکان تعیین حضور خاک­های با شرایط خطرآفرین، آلوده و یا چسبنده. این کار ممکن است شامل تعیین، مقاومت الکتریکی ویژه، PH، و حضور سولفات­ها، کلراید و سرب گردد.

بطور کلی، همه تفاسیر مربوط به اطلاعات ژئوتکنیکی بایستی تهیه گردد. شاخص­های اساسی و گستره لایه­های خاک تعیین شده از بررسی­های ژئوتکنیکی را می­توان در طی اجرای شمع­ها، بواسطه نظارت و بازبینی و ثبت و نگارش سرعت­های نفوذ، عملیات حفاری، خروجی سیال پاکسازی، و مقاطع خاکی، مورد بررسی و تایید قرار داد.

ظرفیت ژئوتکنیکی مجموعه خاک- دوغاب

بدلیل عوامل زیر، معمولاً در طراحی­ها فرض می­شود که بار ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها بدون هیچ گونه مشارکت ظرفیت باربری نوک و صرفاً از طریق اصطکاک جلدی بین خاک- دوغاب به زمین انتقال می­یابد:

  • ظرفیت بالای مجموعه خاک- دوغاب که می­تواند با اجرای متوالی مراحل ساخت ریزشمع (یا میکروپایل) بدست آید. این ظرفیت برای ریزشمع (یا میکروپایل) ­های با قطر معمول ناحیه پیوند (150-300 م.م.)، در خاک­های دانه­ای متراکم به مقدار نهایی فراتر از 365 کیلونیوتن بر هر متر از طول پیوند و در سنگ­های مستحکم فراتر از 750 کیلونیوتن بر هر متر طول پیوند می­رسد.
  • سطح جانبی (اصطکاک جلدی) بطور قابل توجهی بیشتر از مساحت انتهای ریزشمع (یا میکروپایل) می­باشد. برای شمعی با قطر200 م.م. و طول 6 متر، سطح جانبی 120 برابر بیشتر از سطح مقطع انتهای شمع می­باشد.
  • حرکت مورد نیاز شمع جهت بسیج مقاومت اصطکاکی بطور قابل ملاحظه­ای کمتر از مقدار مشابه برای بسیج مقاومت انتهای شمع می­باشد.

وابستگی شمع­ها به اصطکاک جلدی به لحاظ ژئوتکنیکی در کشش و فشار یکسان در نظر گرفته می­شود. این یک فرض طراحی رایج در تعیین طول پیوند، در یک شمع فشاری-کششی می­باشد.

ابزارسنجی آزمایش­های صورت گرفته بر روی مهارهای Tieback و ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها نشان داده است که بویژه در خاک­های متراکم و سخت و سنگ­های مستحکم، نرخ انتقال بار به زمین در انتهای طول پیوند بیشتر است. این موضوع در زمان محاسبه نشست­های مورد انتظار شمع، بیشتر مد نظر قرار می­گیرد. طبق مشاهدات عملی می­توان گفت که، تمرکز عکس العمل بارگذاری اعمال شده در بخش­های فوقانی طول پیوند بطور موثر طول تغییر شکل (الاستیک) شمع را کاهش داده و مقدار نشست را، بویژه در خاک­های سخت و سنگ­ها کاهش می­دهد.

در حالیکه استفاده از ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها به سرعت توسعه می­یابد، طراحی­های ژئوتکنیکی کنونی اساساً مبتنی بر تجربیات و تحقیقات در میل چاه­های حفر شده، میخکوبی خاک و مهارهای Tieback می­باشد.

  • مقادیر “αbond nominal strength برای مجموعه خاک- دوغاب

جدول 2 رهنمودهای ارزیابی مقادیر مقاومت اسمی (نهایی) مجموعه خاک- دوغاب را ارائه می­کند. این جدول شامل مقادیری برای 4 روش تزریق شمع­ها (نوع A، نوع B، نوعC و نوع D) تحت شرایط زمینی مختلف می­باشد. مقادیر مقاومت اسمی خاک- دوغاب عموماً مبتنی بر تجارب پیمانکاران و مهندسین ژئوتکنیکی است. جدول 2 محدوده­ای از مقادیر معمول مقاومت اسمی را برای روش­های مختلف اجرا و شرایط زمینی متفاوت، ارائه می­کند.

این مقادیر را می­توان برای ارزیابی مقادیر طرح محوری فشاری و کششی ژئوتکنیکی شمع در روش­های SLD و LFD بکار برد. زمانیکه این مقادیر بر حسب شرایط عملی زمین، حفاری، تزریق و پروسه­های اجرای شمع، تغییر می­کند طرح نهایی شمع بایستی توسط یک پیمانکار حرفه­ای که صلاحیت طراحی و اجرا و ساخت ریزشمع (یا میکروپایل)  را داراست تکمیل شود. مقادیر ذیل با هدف مساعدت طراح در طراحی اولیه و ارزیابی عمومی طرح پایانی پیمانکار ارائه شده­اند.

بر اساس مستندات مناسب و اطلاعات دقیق از آزمایش بارگذاری، می­توان مقادیر بیشتری را استفاده نمود.

 

 

جدول 2. مقادیر “α” (مقاومت اسمی مجموعه خاک- دوغاب) برای طراحی اولیه ریزشمع (یا میکروپایل)
تشریح سنگ / خاک محدوده مقاومت اسمی مجموعه خاک- دوغاب (کیلوپاسکال)
نوع A نوع B نوع C نوع D
سیلت و رس (مقداری ماسه)

(نرم، حد پلاستیک متوسط)

70 – 35 95 – 35 120 – 50 145 – 50
سیلت و رس (مقداری ماسه)

(سفت، متراکم تا خیلی متراکم)

120 – 50 190 – 70 190 – 95 190 – 95
ماسه (مقداری سیلت)

(نرم، سست- متراکم متوسط)

145 – 70 190 – 70 190 – 95 240 – 95
ماسه (مقداری سیلت و شن)

(نرم- تیزگوشه، متوسط- خیلی متراکم)

215 – 95 360 – 120 360 – 145 385 – 145
شن (مقداری ماسه)

(متوسط- خیلی متراکم)

265 – 95 360 – 120 360 – 145 385 – 145
تیل­های یخچالی (سیلت،ماسه، شن)

(متوسط- خیلی متراکم، سیمانته)

190 – 95 310 – 95 310 – 120 335 – 120
شیل­های نرم

(ترک خوردگی کم- متوسط، کمی هوازده)

550 – 205 موجود نیست موجود نیست موجود نیست
شیل­های سخت و تخته سنگ

(ترک خوردگی کم- متوسط، کمی هوازده)

1380 – 515 موجود نیست موجود نیست موجود نیست
سنگ آهک

(ترک خوردگی کم- متوسط، کمی هوازده)

2070 – 1035 موجود نیست موجود نیست موجود نیست
ماسه سنگ

(ترک خوردگی کم- متوسط، کمی هوازده)

1725 – 520 موجود نیست موجود نیست موجود نیست
گرانیت و بازالت

(ترک خوردگی کم- متوسط، کمی هوازده)

4200 – 1380 موجود نیست موجود نیست موجود نیست
 

نوع A – فقط تزریق وزنی

نوع B – تزریق فشاری از میان غلاف در حین بیرون کشیدن غلاف

نوع C – ابتدا تزریق ثقلی، سپس تزریق تک مرحله­ای دوغاب ثانویه تحت فشار

نوع D – ابتدا تزریق ثقلی، سپس تزریق یک یا چند مرحله­ای دوغاب ثانویه تحت فشار

  • بارهای محوری کششی و فشاری مجاز برای طول پیوند ژئوتکنیکی – SLD

PG-allowable = (αbond nominal strength × π × DIA bond ×طول غوطه­وری) / F.S.

برای ترکیب بارهای غیر لرزه­ای (در خاک یا سنگ)، از 5/2=  F.S.  استفاده نمائید.

جائیکه DIAbond، قطر ناحیه پیوند خاک دوغاب می­باشد.

  • مقاومت محوری طرح کششی و فشاری برای طول پیوند ژئوتکنیکی – LFD

PG-design strength = φG ×α bond nominal strength × π × DIA bond ×طول غوطه­وری

برای طرح­های معمول با ترکیب بارهای غیر لرزه­ای کالیبره شده نسبت به SLD، مذکور در بخش 5-3، از 6/0φG =  استفاده کنید. برای ترکیب بارهای لرزه­ای، از 0/1 φG = استفاده نمائید.

 

  • ظرفیت باربری ژئوتکنیکی نوک ریزشمع (یا میکروپایل)

ریزشمع (یا میکروپایل) ­های با بارگذاری متوسط در سنگ­ها، برای ظرفیت باربری نوک طراحی می­شوند. طراحی ممکن است شبیه به باربری نوک میل چاه­های حفر شده یا شمع­های درجا انجام گیرد، یا ممکن است مبتنی بر تجربیات آزمایش­های بارگذاری پیشین در ریزشمع (یا میکروپایل) ­های مشابه باشد.

  • گروه ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها تحت بارگذاری محوری

طرح سیستم­های نگهبان فونداسیون با ریزشمع (یا میکروپایل) ­های ترکیبی ممکن است نیازمند اجرای گروهی از شمع­ها در کنار هم باشد. با سیستم­های مرسوم شمع، بسته به نوع شمع، روش اجرا، و شرایط خاک، تحت میزان بار متوسط یکسان برای هر شمع در گروه، ظرفیت باربری گروه شمع بطور قابل توجهی کمتر از مجموع ظرفیت شمع­های منفرد و نشست­های گروه شمع بزرگ­تر از نشست شمع منفرد می­باشد. این تاثیر برای شمع­های حفاری شده بسیار بیشتر است، جاییکه قطر بزرگ چاه شمع تنش­های موثر عمل کننده در مقابل دیواره و کف شمع مجاور را، کاهش می­دهد.

تاثیر گروه برای انواع شمع­ها همچون شمع­های اصطکاکی درجا یا ریزشمع (یا میکروپایل) ­های تزریق شده تحت فشار بسیار کم اهمیت­تر است و حتی می­توان گفت بخاطر افزایش تنش موثر خاک ناشی از جابجایی خاک بواسطه راندن شمع یا تراکم خاک ناشی از تزریق فشاری، سودمند نیز می­باشد. تاثیر “گروه شمع” با آزمایش­های بارگذاری تمام مقیاس بررسی شده است (Lizzi,1982 ; ASCE 1987)، و مشخص شده که در بارگذاری سیستم خاک- شمع، تاثیر گروه مثبت می­باشد. این تاثیر در خاک­های دانه­ای نسبت به خاک­های چسبنده، برجسته­تر است.

برای شمع­های پیش­ساخته (رانش با ارتعاش یا نیرو)، بخش 4.5.6.4 آشتو توصیه می­کند که، ظرفیت باربری (انفرادی) گروه شمع­ها کاهش داده شود به استثنای شمع­های اصطکاکی اجرا شده در خاک­های چسبنده، جاییکه بایستی ضریب تاثیر “7/0” بر شمع­ها با فاصله مرکز به مرکز کمتر از 3 برابر قطر شمع، اعمال گردد. برای ریزشمع (یا میکروپایل) ­های تزریقی تحت فشار (نوع B , C , D) با قطر معمول 200 م.م. و فاصله مرکز به مرکز “75/0 تا 1 متر”، نیازی به در نظر گرفتن ضریب کاهش گروه نمی­باشد.

برای شمع­های تزریقی تحت نیروی ثقل (نوع A)، نوع خاک و روش تزریق بایستی به لحاظ تاثیر بر تنش موثر خاک اطراف شمع­ها و تاثیر بر گروه شمع­ها بررسی شود. اگر با گروه شمع­ها بعنوان یک شمع برخورد کنیم می­توان روشی مشابه روش مورد استفاده در شمع­های حفر شده بکار گرفت، به نحوی که محیط و سطح مقطع گروه شمع، مبین ابعاد شمع منفرد باشد.

  • طرح سازه­ای ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها

در طرح سازه­ای ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها، بایستی به آئین نامه­ های محلی یا دستورالعمل­های ساخت رجوع شود. ممکن است همواره ملاحظات خاص طرح ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها به طور مشخص و کافی در این آئین نامه­ها و دستور العمل­ها ذکر نشده باشد. در این مواقع تفسیرهای معقول توسط همه کارگروه­ها، متکی بر آزمایشات محلی مناسب ضروری می­باشد. در این بخش، طراحی قسمت­های مختلف ریزشمع (یا میکروپایل)  با سیستم تقویتی ترکیبی بر اساس ویرایش شانزدهم دفترچه مشخصات استاندارد آشتو 1996 برای پل­های بزرگراهی بررسی می­شود. هر دو روش SLD و LFD ارائه می­شود.

طرح ریزشمع (یا میکروپایل)  بررسی شده در این بخش در شکل 2 نشان داده شده است که شامل یک طول تقویت شده فوقانی با غلاف فولادی دائم به همراه یک میلگرد تقویتی مرکزی و یک طول پیوند تزریقی تحت فشار کم می­باشد که با میلگرد مرکزی تقویت شده است.

شکل 2. جزئیات یک ریزشمع (یا میکروپایل)  با سیستم تقویتی مرکب

  • ظرفیت باربری سازه­ای طول غلاف شده شمع

بارهای کششی و فشاری مجاز (SLD) و مقاومت طرح مجاز (LFD) برای قسمت غلاف شده فوقانی شمع را می­توان با معادلاتی همچون موارد مذکور در بخش­های زیرین تعیین نمود. از آنجا که معمولاً قسمت فوقانی شمع در خاک­های ضعیف فوقانی قرار داده می­شوند، در نظر گرفتن طول مهار نشده جانبی، جزئی از پروسه تعیین ظرفیت فشاری می­باشد.

برای محاسبه بارهای مجاز (SLD) و مقاومت طرح (LFD)، می­توان از بخش تغییرشکل یافته شمع استفاده نمود. اما این کار نیاز به مستندات دقیق از کرنش­های مجاز (SLD) و نهایی (LFD) برای هر جزء از مصالح دارد. در بیشتر شمع­هایی که با خاک احاطه می­شوند، طول مهار نشده موثر برابر صفر است و بنابراین کاهشی هم در کمانش صورت نمی­گیرد بجز شمع­هایی که بالاتر از سطح زمین ادامه یافته­اند، شمع­هایی که در معرض شستگی قرار دارند، شمع­هایی اجرا شده در غارها و معدن­ها و شمع­های اجرا شده در خاک­های مستعد روانگرایی.

فرمول بار مجاز برای شمع­هایی با طول مهار نشده در بخش 5-6-5 ارائه گردیده است.

  • طول غلاف شده شمع (طراحی بر اساس بار سرویس)

برای سازگاری کرنشی بین غلاف و میلگرد (به 5-5-7 رجوع کنید)، از فولادهایی با مشخصات تنش تسلیم ذیل استفاده کنید:

Fy-steel = Min of {Fy-bar , Fy-casing}

بار کششی مجاز:

Pt-allowable = 0.55Fy-steel × (Areabar + Areacasing)

(توجه: ضریب “55/0” بر مبنای جدول 10.32.1 A آشتو می­باشد).

بار فشاری مجاز:

Fa = Fy-steel / F.S.      ,      F.S. = 2.12

Pt-allowable = 0.4f´c-grout × Areagrout + 0.47Fy-steel × (Areabar + Areacasing)

(نکته: ضرایب “4/0” بر طبق بخش 8.15.2.1.1 آشتو ؛ و “47/0” نیز بر طبق آشتو می­باشند، برای مثال [ 1 / 2.12= 0.47 ])

  • طول غلاف شده شمع (طراحی بر اساس بار ضریب­دار)

برای لحاظ نمودن سازگاری کرنشی بین غلاف و میلگرد (به بخش 5-5-7 رجوع کنید)، از فولاد با تنش تسلیم ذیل استفاده کنید:

Fy-steel = Min of { Fy-bar , Fy-casing }

مقاومت طرح کششی:

Pt-nominal = Fy-steel × (Areabar + Areacasing)   ,   Pt-design = φt × Pt-nomina     ,    φt = 0.90

Pt-design = 0.90 Fy-steel × (Areabar + Areacasing)

مقاومت طرح فشاری:

Pc-nominal = 0.85f´c-grout × Area grout + Fy-steel × (Areabar + Areacasing)

Pc-design = φc × Pc-nomina       ,     φc = 0.85

Pc-design = 0.85 × [0.85f´c-grout × Area grout + Fy-steel × (Areabar + Areacasing)]

 

  • طول غلاف نشده شمع

بار مجاز کششی و فشاری  (SLD)و مقاومت طرح (LFD) برای شمع با طول پیوند مهار نشده در دو بخش ذیل ذکر شده است. از آنجا که بخش­های غلاف نشده تحتانی (نوعاً) ضعیف­ترین بخش بلحاظ سازه­ای می­باشند، یک حد مجاز برای ظرفیت باربری ژئوتکنیکی دوغاب- خاک در امتداد بخش غلاف شده فوقانی طول پیوند (طول غوطه­وری) در نظر گرفته می­شود.

این ظرفیت (Ptransfer desing برای LFS و Ptransfer allowable برای SLD) جهت تحمل بار طرح (SLD) یا مقاومت مورد نیاز (LFD) به ظرفیت باربری سازه­ای شمع غلاف نشده اضافه می­شود. روش دیگر برای نمایش Ptransfer این است که آن را بعنوان ظرفیت باربری مجموعه خاک- دوغاب در امتداد طول غوطه­وری در نظر بگیریم که می­توان از آن برای کاهش بار شمع در طراحی طول غلاف نشده شمع استفاده کرد.

در پروسه طراحی، معمولاً ابتدا مقدار Ptransfer تخمین زده شده و سپس بررسی و تایید می­گردد. ممکن است در جهت محافظه کاری از Ptransfer صرف نظر گردیده و به شمع­های متکی بر نوک اعمال نگردد. این امر بر “αbond nominal strength” در طول ناحیه غوطه­وری مبتنی است (طول غلافی که در داخل طول پیوند غوطه­ور می­شود). برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد طول غوطه­وری و ظرفیت Ptransfer به بخش 5-5-6 رجوع نمائید. مقدار “φc” فشاری برای LFD، بمنظور تامین ضریب اطمینانی شبیه به مقدار فشردگی SLD، برابر  φc=0.75انتخاب شده است. زمانیکه طول غلاف نشده عمدتاً از میلگردهای فولادی تقویتی احاطه شده با دوغاب و کاملاً نگهداری شده توسط خاک (زمین) تشکیل شده باشد، مقادیر بزرگتر φc (مثلاً 85/0) موجه می­باشند. برای استفاده از مقادیر مقاومت طرح واقعی مصالح، به بخش 5-5-7 رجوع کرده و سازگاری کرنشی بین اجزاء شمع را ملاحظه کنید.

  • طول غلاف نشده شمع (طراحی بر اساس بار سرویس)

بار مجاز طول پیوند غلاف شده (طول غوطه­وری) = Ptransfer allowable

Ptransfer allowable = (αbond nominal strength × π × DIAbond ×طول غوطه­وری) / F.S.

معمولاً، ابتدا طول غوطه­وری را فرض کرده و سپس صحت آن بررسی و تایید می­گردد. برای توضیحات بیشتر به بخش 5- 5- 6 را رجوع کنید.

بار کششی مجاز:

Pt-allowable = 0.55Fy-bar × Areabar + Ptransfer allowable

نکته: ضریب “55/0” بر طبق جدول 10.32.1 A آشتو انتخاب شده است.

بار فشاری مجاز:

Pc-allowable = 0.40f´c-grout ×Area grout + 0.47 F y-bar ×Areabar + Ptransfer allowable

نکته: ضرایب “4/0” بر طبق بخش 8.15.2.1.1 آشتو و “47/0” نیز بر طبق آشتو انتخاب شده­اند.

مثلاً [ 1/2.12=0.47 ].

 

  • طول غلاف نشده شمع (طراحی بر اساس بار ضریب­دار)

مقاومت طرح طول پیوند غلاف شده (طول غوطه­وری) = Ptransfer design

طول غوطه­وری×Ptransfer design = φG × αbond nominal strength × π × DIAbond

معمولاً طول غوطه­وری فرض گشته و سپس صحت آن بررسی و تایید می­گردد. برای توضیحات بیشتر به بخش 5-5-6 رجوع کنید. در معادله فوق، φG=0.6 برای طراحی­های معمول با ترکیب بارهای غیر لرزه­ای یا کالیبره شده نسبت SLD (مذکور در بخش 5-3) می­باشد، و φG=1.0 برای ترکیب بارهای لرزه­ای می­باشد.

مقاومت طرح کششی:

P t-design = [0.90F y-bar × Areabar] + Ptransfer design

نکته: ضریب “9/0” بر طبق AISC LFRD , D1-1 انتخاب شده است.

مقاومت طرح فشاری:

P c-design = 0.75×[ 0.85f´c-grout + Fy-bar × Areabar ] + Ptransfer design

نکته: زمانیکه مقادیر سازه­ای “φ” (9/0 برای کشش و 75/0 برای فشار) متفاوت از مقادیر “φG” استفاده شده برای Ptransfer design باشند، فرمول مقاومت طرح برای طول غلاف نشده شمع به شکل مذکور بیان می­گردد. مقدار “1 “φG=برای ترکیب بارهای غیر لرزه­ای صرفاً برای مقادیر ژئوتکنیکی “α bond nominal strength” مجاز می­باشد.