بررسي تاثير روش پيش حفاري در ميزان ارتعاشات ناشي از شمع كوبي

شمع کوبی، قدیمی ترین و یکی از رایج ترین روش های اجرا پی های عمیق به شمار می آید که مزایایی مانند ضریب اطمینان بیشتر از لحاظ باربری و اجرا و هم چنین بهسازی خاک را شامل می شود. البته شمع کوبی دارای اثرات نامطلوبی نیز می باشد که از آن جمله می توان اثرات نامطلوب زیست محیطی و مهم تر از آن آسیب های ناشی از ارتعاشات حاصل از کوبش شمع بر انسان ها، سازه های مجاور و تأسیسات حساس به ارتعاش را نام برد. این ارتعاشات اغلب با ایجاد نشست،تورم و تغییر مکان جانبی در خاک و ساختمان های اطراف موجب خساراتی در سازه ها می گردند،البته گاهی انتشار ارتعاشات ناشی از کوبش شمع،خود به طور مستقیم می تواند باعث بروز مشکلاتی گردد.[1]

گاهی پیشنهاد می شود که روند انتقال ارتعاشات را با استفاده از موانعی در مقابل امواج، یا از روش های دیگر نصب شمع استفاده نمائیم که موجب کاهش ارتعاشات می گردد. اگرچه این روش ها جالب می باشند اما اجرای یک سیستم موثر ایجاد مانع در مقابل امواج، سخت و پرهزینه می باشد. هم چنین اجای روش های نصب جایگزین همیشه امکان پذیر نیستند. از روش های دیگر که کاربرد زیادی در تعدیل اثرات و ارتعاشات ناشی از کوبش شمع دارند، می توان از استفاده از جت آب، روش پیش حفاری،یا استفاده از شمع کوب های ارتعاشی نام برد.[2]

گاهی در اجرای شمع ها برای رسیدن شمع به عمق نفوذ مورد نیاز و هم چنین به منظور مشکلات شمع کوبی مانند ارتعاشات زمین از روش پیش حفاری و یا جت آب استفاده می گردد. جت آب معمولاً در خاک های غیر چسبنده که در آنها خاک به راحتی توسط جت آب از میان برداشته می شود،استفاده می گردد. جت آب در خاک های ماسه ای می تواند بسیار موثر باشد،لیکن استفاده از آن در خاک های چسبنده تأثیر چندانی ندارد.در خاک های رسی و مصالح دیگری مانند لایه های نازک سنگ که قابل حفاری موجب کاهش تورم و جابجایی جانبی خاک سطحی در نتیجه کوبی می شود. عمق پیش حفاری نباید ضرورتاً به اندازه عمق کامل استقرار شمع باشد. پیش حفاری در مواردی موثر خواهد بود که خاک دیواره های گودال حفر شده تا زمان فرستادن شمع به داخل آن استوار باقی بماند. عملیات پیش حفاری به منظور از میان برداشتن لایه های سخت خاک و جلوگیری از ایجاد ارتعاشات بیش از حد انجام می شود. یکی از مسائل مهم در انجام پیش حفاری ها،تعیین قطر گمانه است. قطر چاه یا گمانه بهتر است کمتر از قطر شمع باشد تا اتصال مناسبی بین شمع و خاک اطراف پدید آید.

قطر گمانه پیش حفاری عامل بسیار مهمی است که ممکن است اندکی کوچکتر،برابر، و یا اندکی بزرگتر از قطر شمع در نظر گرفته شود. هر چه قطر گمانه بزرگتر در نظر گرفته شود،نفوذ شمع راحت تر و اثرات حاصل از کوبش نیر کمتر خواهد بود،ولی از طرف دیگر میزان مقاومت جداری شمع تا قابل توجهی کاهش خواهد یافت.1969، McClelland al نشان دادند که مقاومت جداری شمع های اجرا شده با روش پیش حفاری می تواند 50 تا 85 درصد کمتر از مقاومت جداری شمع های بدون پیش حفاری باشد. مقدار این کاهش در مقاومت جداری شمع به قطر گمانه پیش حفاری شده بستگی دارد. بنابراین برای استفاده از روش پیش حفاری باید کاهش احتمالی ظرفیت شمع در برابر فشار،Uplift،و فشار جانبی برآورد گردد.[3]

روابط ارائه شده در تخمین میزان ارتعاشات زمین

سرعت پیک ذرات خاک به هنگام عبور امواج،معیار اصلی سنجش ارتعاشات ایجاد شده در زمین ناشی از فعالیت های عمرانی مانند شمع کوبی و انفجار محسوب می گردد. سرعت پیک ذرات،حداکثر میزان تغییرات جابجایی ذرات اندازه گیری شده در سطح زمین و در واحد زمان می باشد. سرعت ذرات خاک در هر لحظه شامل سه مولفه برداری عمود برهم می باشد که توسط ژئوفون های سه محوری اندازه گیری می شود. روش های متداول دینامیکی در اجرای شمع ها، معمولاً محدوده ای به شعاع 10 تا 50 متر از محل شمع کوبی را تحت تأثیر قرار می دهند که به راحتی امکان ابزارگذاری و بررسی در این محدوده وجود دارد. سه مولفه سرعت را می توان در یک مقدار برداری با در نظر گرفتن سرعت های شعاعی،عرضی و قائم در هر لحظه با هم ترکیب نمود. از ترکیب آنها،مقدار سرعت پیک ذرات خاک،ppv به دست می آید که در معادله 1 نشان داده شده است. که در این رابطه،v_r سرعت شعاعی،v_t سرعت در جهت قائم می باشد. [4]

نخستین تحقیقات برای تخمین میزان سرعت پیک ذرات خاک در سال 1967 و توسط Wiss با استفاده از اندازه گیری های سرعت ذرات انجام شده است. همه این مقادیر از موارد ناشی از انفجار معادن به دست آمده و بر این اساس 1967،Wiss یک رابطه تجربی را بر مبنای انرژی آزاد شده در اثر انفجار اراده نمود که در رابطه 2 نشان داده شده است. در این معادله که رابطه فاصله مقیاس بندی شده نامیده می شود،D فاصله از محل کوبش،E انرژی آزاد شده در اثر انفجار،ppv سرعت پیک ذرات خاک،Kیک ضریب ثابت و ضریب N مقداری بین 1-و2-، با مقدار میانگین 5

1- می باشد.[5]

برای اولین بار،در سال 1973،Attewell & Farmer نتایج اندازه گیری های ارتعاشات زمین را در خاک های مختلف که در آنها عملیات شمع کوبی صورت گرفته بود،جمع آوری و مورد بررسی قرار دادند. آنها رابطه ای را بر مبنای انرژی پیشنهاد نمودند و به کمک آن سرعت ذرات،v را در فاصله r از منبع انرژی (شمع) تخمین زدند (رابطه3) در این رابطه،v سرعت ذرات E,(mm\S) انرژی منبع ارتعاش (J)،K یک ضریب تجربی (m²/sJ^1/2)، و r فاصله نقطه مورد نظر از شمع (m) می باشد.

با وجود اینکه این رابطه هنوز توسط مهندسان طراح مورد استفاده قرار می گیرد،استفاده از این رابطه و پیش بینی ارتعاشات زمین براساس آن با اشکالاتی همراه است. در این رابطه جهت سرعت ارتعاشات (قائم،افقی،یا بر آیند مؤلفه ها)مشخص نشده است. هم چنین بر طبق این رابطه، کاهش دامنه ارتعاشات زمین متناسب با افزایش فاصله بوده و کاملاً مستقل از نوع و سختی خاک می باشد. یک مسئله مهم دیگر که در این رابطه در نظر گرفته نشده است مربوط به انرژی چکش می باشد که مشخص نشده این انرژی،انرژی اسمی چکش و یا مقدار انرژی منتقل شده به شمع می باشد. به دلیل آنکه در رابطه فوق تعریف روشنی از فاصله ارائه نشده است،غالباً کوتاهترین فاصله از محل کوبش شمع تا محل مورد نظر در سطح زمین و بدون توجه به عمق نفوذ مورد استفاده قرار می گیرد.

در سال 1975،Brenner&viranuvut از رابطه 3 برای مقایسه نتایج آن با اطلاعات به دست آمده از اندازه گیری ها که در منابع ژئوتکنیکی موجود بود استفاده کردند. که نتایج آن در شکل 2 نشان داده شده است. نتایج بدست آمده مقدار ضریب تجربیk را در دمحدوده ای از 3/0تا 4 نشان می دهد. [6]

1978,Heckman & Hagerty نیز رابطه ای شامل انرژی ضربه چکش و فاصه از محل شمعکوبی ارائه نمودند،که به صورت رابطه 4 بیان می گردد. که در رابطه4،ppv سرعت پیک ذرات (mm/s),K فاکتور وابسته به امپدانس شمع،E_nانرژی ضربه چکش (J) و D فاصله از محل کوبش شمع (m)می باشد [7] .امپدانس شمع از حاصلضرب سطح مقطع شمع و چگالی جرمی مصالح شمع در سرعت موج فشاری در آن به دست می آید.

رابطه تجربی دیگری نیز با استفاده از موارد عملی توسط رهبر،اسلامی و قربانی،1389 ارائه گردیده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که این رابطه مقادیر ppv را با دقت بیشتری نسبت به روابط پیشین پیش بینی می نماید. در این رابطه،سرعت پیک ذرات خاکی تابعی از انرژی اسمی چکش،فاصله از محل کوبش،عمق نفوذ شمع،تراکم خاک و امپدانس شمع دانسته شده است که با استفاده از الگوریتم ژنتیک چند هدفه بهترین رابطه به صورت معادله 5 برای تخمین ppv ارائه گردیده است.

که در این رابطه ppv سرعت پیک ذرات خاک برحسب mm/s،E انرژی اسمی چکش برحسب ژول،r فاصله محل مورد نظر از ضمع برحسب متر،z عمق نفوذ شمع در لحظه اندازه گیری ppv برحسب kNs/m و Dr تراکم نسبی خاک می باشد. ضریب k نیز ضریبی است که براساس نوع خاک تغییر اندکی می یابد،و مقدار میانگین آن 2/0 می باشد. رابطه 5 برای خاک های دانه ای ارائه گردیده است. برای پیش بینی سرعت پیک ذرات در خاک های رسی نیز رابطه مشابهی پیشنهاد گردیده است که در آن از پارامترعدد SPT به جای تراکم نسبی استفاده گردیده است و بهترین مقدار برای ضریب ثابت k نیز عدد 2 می باشد.[1]

معرفی مورد عملی

این مورد عملی که توسط 2008,Hajduk &Adams گزارش شده است،شامل اجرای چند شمع بتنی و فلزی با انجام عملیات پیش حفاری می باشد. برای شش پروژه شمعکوبی در منطقه Charleston ابزار گذاری دینامیکی صورت گرفته است و ارتعاشات زمین در حین کوبش 13 شمع مجزا اندازه گیری شده است. پیش از کوبش هر شمع عملیات پیش حفاری صورت گرفته است. قطر گمانه حفاری شده به اندازه قطر شمع می باشد و عمق های حفاری برای شمع های متفاوت متغیر هستند.

داده ها از 13 شمع از شمع های بتنی پیش ساخته مربعی به ابعاد mm 254 254 و

305 و شمع های فولادی H شکل HP305بوده است. سه چکش شمع کوب مختلف شامل یک شمع کوب هیدرولیکی یک طرفه ICE 75، یک شمع کوب هیدرولیکی یک طرفه ICE 75، و یک شمع کوب یک طرفه VULCAN 06 برای کوبش شمع ها به کار رفته است. شرایط لایه بندی خاک در این 6 پروژه با آزمایشات صحرایی DMT,CPTU,SPT مشخص شده است. خلاصه ای از نوع شمع ها،مدل شمعکوب ها و لایه های اصلی خاک و هم چنین ارژی اسمی چکش شمع کوب در جدول 1 آورده شده است.

نمونه ای از نتایج آزمایشات صحرایی برای شمع بتنی پیش ساخته مربعی به ابعاد254mm 254 در شکل 2 نشان داده شده است. در این شکل نمودارهای انرژی منتقل شده به شمع (EMX)،شتاب ماکزیمم شمع (AMX) شتاب ماکزیمم شمع (AMX)، سرعت ماکزیمم شمع (VMX)، مجموع برداری سرعت پیک ذرات (PVS)،نوع خاک و تعداد ضربات برای نفوذ شمع نشان داده شده است.

نتایج حاصل از اندازه گیری ارتعاشات زمین در جدول 2 مشخص شده است. در این جدول مقادیر نوع خاک،نوع و ابعاد شمع،فاصله از محل کوبش،عمق نفوذ شمع در لحظه اندازه گیری سرعت پیک اندازه گیری سرعت پیک ذرات،انرژی انتقال یافته به شمع،و سرعت پیک ذرات خاک ارائه گردیده است. در روند کوبش این شمع ها از پیش حفاری استفاده شده است. همانطور که از جدول 2 مشخص می باشد، در پروژه شماره 1 تا عمق 5/7 متری پیش حفاری صورت گرفته است و مقادیر ثبت شده برای اعماق بزرگتر از 5/7 متر می باشند. همین طور برای پروژه های 5،4،3،2، و 6 نیز به ترتیب تا اعماق 16، 5/4، 28، 9/8 و 9/13 متری عملیات پیش حفاری انجام شده است.

تحلیل و بررسی نتایج

همانگونه که گفته شد،یکی از روش هایی که به منظور تعدیل ازتعاشات و آسیب های ناشی از شمعکوبی استفاده می گردد،روش پیش حفاری می باشد. در این عمل گمانه ای به قطر شمع مورد نظر یا اندکی کوچکتر یا بزرگتر از آن حفر می گردد تا خاک های متراکمی مه در مسیر نفوذ شمع وجود دارد و به دلیل تراکم زیاد آنها نفوذ شمع در خاک به سختی انجام می شود،برداشته شوند. عمق پیش حفاری به پروفیل خاک منطقه بستگی دارد و معمولا درصدی از کل طول شمع می باشد.

در روابطی که برای پیش بینی سرعت پیک ذرات خاک ارائه گردیده اند،اثر پیش حفاری لحاظ نگردیده است. در این بخش،با استفاده از رابطه5،ppv برای 24 مورد عملی ذکر شده،محاسبه و نتایج آن با مقادیر ppv اندازه گیری و ثبت شده در سایت مقایسه می گردد.

مورد عملی بیان شده در این تحقیق شامل کوبش 13 شمع بتنی و فولادی است. عمق پیش حفاری برای شمع های مختلف متفاوت می باشد و قطر گمانه برابر با قطر شمع است. بنابراین در هنگام اجرای شمع ها تا عمق حفاری شده، مشکلی برای نفوذ شمع وجود نداشته و شمع تا این عمق به راحتی نفوذ می کند. مقادیرppv برای عمق های بیشتراز عمق حفاری شده ثبت گردیده اند.

در جدول 3 خلاصه مشخات و اطاعات مورد نیاز برای محاسبه ppv طبق رابطه 5 ارائه شده است. این جدول شامل 24 مورد شمع کوبی می باشد که در آنها قبل از شروع کوبش تا عمقی پیش حفاری صورت گرفته است. موارد 1 تا 10 مربوط به شمع های بتنی پیش ساخته به ابعاد305mm 305، و موارد 17 تا 24 مربوط به کوبش شمع های79 HP305 می باشند. طبق این مشخصات و با توجه به رابطه 5،مقایسه ای بین مقادیر پیش بینی شده بدون در نظر گرفتن اثر پیش حفاری و مقادیر اندازه گیری شده انجام شده است که نتایج آن در شکل های 5،4 و6 نشان داده شده است.

در شکل 4 مقادیر اندازه گیری شده ppv که مربوط به شمع پیش ساخته بتنی مربع شکل (254mm) است با خط چین نشان داده شده است. خط پرمقادیری است که با استفاده از رابطه پیشنهادی که در آن تاثیر پیش حفاری وجود ندارد به دست آمده است. هم چنین در شکل های 5 و 6نیز مقادیر اندازه گیری ppv و مقادیر پیش بینی شده آنها بدون در نظر گرفتن اثر پیش حفاری به ترتیب برای شمع های پیش ساخته بتنی مربع شکل (305mm) و شمع های Hp 305 با هم مقایسه شده اند.

در نمودارهای نشان داده شده در شکل های 4، 5و6 محور افقی نمایانگر عمق نفوذ شمع می باشد. از سطح زمین تا عمقی که پیش حفاری صورت گرفته،سرعتی ثبت نگردیده است. دلیل این امر آن است که قطر گمانه پیش حفاری شده با قطر شمع برابر است و شمع در حین نفوذ در خاک با مقاومتی روبرو نمی گردد. دراعماق پائین تر مقادیر سرعت پیک ذرات اندازه گیری شده که در جدول2و نمودارها ارائه گردیده است.

همان طور که در شکل های 4، 5و6 مشخص می باشد،در اغلب نقاط مقدار PPV اندازه گیری بیش از مقدار پیش بینی شده از رابطه 5 بوده است. در رابطه پیشنهادی 5 اثر پیش حفاری در نظر گرفه نشده است. دلیل این مسئله به وجودآمدن اندرکنش بزرگتری بین شمع و خاک در لایه های بالایی می باشد،در صورتی که در مواردی که پیش از کوبش عملیات پیش حفاری صورت گرفته است اندرکنش لازیم بین خاک و شمع به وجود نیامده و شمع می تواند جابجایی بیشتری در خاک ایجاد نموده و سرعت های پیک بزرگتری نیز به وجود می آید.به طور متوسط مقادیر اندازه گیری شذه PPVدر 24 موردی که پیش از حفاری استفاده شده بود،70 درصد بیشتر از مقادیر پیش بینی شده از رابطه پیشنهادی و بدون درنظر گرفتن اثر پیش حفاری بوده است.

البته با دقت در شکل های 4،5و6 به نظر می رسد که تفاوت بین این دو نمودار در اعماق اولیه نفوذ پس از اعماق پیش حفاری شده بیشتر بوده و با نفوذ بیشتر شمع در خاک و به وجود آمدن اصطکاک جداری بیشتر بین شمع و خاک این دو نمودار به هم نزدیک تر می گردند.

نتايج

1. با بررسی 24مورد عملی که در انها پیش از کوبش شمع تا اعماق معینی حفاری با قطر شمع صورت گرفته مشخص شده است که در اعماق پایین تر از عمق حفاری شده، در اغلب نقاط مقدارPPV اندازه گیری شده به طور میانگین 70 درصد بیش از مقدار پیش بینی شده بوده است. این نتایج نشان می دهد که روش پیش حفاری تا اعماقی که حفاری صورت می گیرد،موجب تعدیل اثرات ناشی از کوبش مانند تورم خاک و آسیب های ناشی از ارتعاشات می گردد،لیکن در اعماق سطحی زمین اتفاق می افتد،و از این روش پیش حفاری می تواند روش مناسبی در اجرای شمع ها به ویژه در خاک های رسی باشد.

2. در شمع کوبی هایی که از سطح زمین صورت می گیرد،به وجود آمدن اندرکنش بین شمع و خاک در لایه های بالایی حرکت شمع را هنگام نفوذ در اعماق پایین تر محدود نموده و مقادیر PPV کمتری را به نتیجه می دهد. در صورتی که در مواردی که پیش از کوبش عملیات پیش حفاری صورت گرفته است اندرکنش لازم بین خاک و شمع به وجود نیامده و شمع می تواند جابجایی بیشتری در خاک ایجاد نموده و سرعت های پیک بزرگتری نیز بهه وجود می آید. این مسئله به خصوص در مواردی بارزتر می باشد که قطر گودال پیش حفاری شده برابر و یا بزرگتر از قطر شمع می باشد. اگرچه عملیات پیش حفاری به دلیل حذف خاک های متراکم سطحی و کاهش PPV در اثر کوبش انجام می گیرد،ولی بهتر است مقدار PPV در این حالت برای عمق های بیشتر نیز مورد بررسی قرار گیرد.