تحلیل رفتار شمعهای توخالی با مقاطع غیریکنواخت
یکی از روشهای اجرای شمع، استفاده از روش کوبش برای نصب شمعهای بتنی پیش ساخته به کمک ابزار خاص است. نحوه کوبش و کنترل این فرآیند یکی از جنبههای مهم اجرایی این شمعها بوده، به طوری که عدم دقت کافی به این مسئله، علاوه بر کاهش راندمان عملیات کوبش، خاک و محیط اطراف را تحت تأثیر قرار میدهد.
هندسه و شکل شمع در رفتار کوبشی آنها تأثیر مستقیم داشته و با استفاده از این گونه شمعها در عملیات شمعکوبی، علاوه بر کاهش مصرف انرژی به میزان بین ۲۵ تا ۶۰ درصد، افزایش راندمان و بهره وری عملیات کوبش نیز فراهم میشود. 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 شمعها با هندسهی مختلف دارد.
به طور کلی، انجام آزمایش بر روی شمعها در مقیاس واقعی منجر به شناخت بهتر رفتار شمع در حین اجرا و پس از آن میشود. آزمایشهای استاتیکی و دینامیکی، روشی برای آزمایش پیهای 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، آزمایشهای 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 مینامند.
آزمایشهای دینامیکی به دو گروه آزمایشهای دینامیکی کرنش بزرگ و آزمایشهای دینامیکی کرنش کوچک تقسیم میشوند. روش آزمایشهای دینامیکی کرنش بزرگ مانند آزمایش PDA، یک تکنیک عمومی پذیرفته شده برای آزمایش بر رویی شمعهای کوبیده شده است. در این روش، ظرفیت استاتیکی شمعهای کوبشی فلزی و بتنی را میتوان با استفاده از دو رویکرد فرمولهای کوبش شمع و یا تحلیل معادله موج پیشبینی کرد.
با بررسی رفتار شمعهای استوانهای در مقایسه با رفتار شمعهای غیر استوانهای هم حجم معادل آن تحت کوبش، نشان میدهد که هر چه زاویهی جداره شمع افزایش یابد، سرعت و نشست نهایی شمع نیز افزایش مییابد. همچنین با افزایش زاویه جداره شمع، مدت زمان بیشتری طول میکشد 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 استوانهای از همه کمتر و جابجایی شمع با مقطع کاملاً غیر استوانهای از همه بیشتر است و شمعهای دارای مقطع ترکیبی استوانهای – مخروطی در بین این دو مقدار قرار دارند.
شمعهای مخروطی دارای نفوذ نهایی بیشتری نسبت به شمعهایاستوانهای بوده و راحت تر در خاک کوبیده میشوند. نکتهی حائز اهمیت با توجه به نمودار سرعت کوبش شمع در خاکهای سست این است که سرعت در شمع استوانهای، در این حالت نیز نسبت به شمع مخروطی کمتر است. علت این پدیده، بیشتر بودن نوسانات در شمع مخروطی نسبت به شمع استوانهای بوده و بهدلیل ارتعاشات زیاد شمع، امواج منتشر شده در مدت زمان طولانیتری مستهلک میشوند. با توجه به اینکه انتگرال زیر، منحنی سرعت برابر نفوذ بوده و برای شمع مخروطی، بازه این انتگرالگیری با توجه به بیشتر بودن زمان استهلاک امواج بزرگتر است، لذا نفوذ شمع مخروطی در خاکریز ماسهای بیشتر از شمع استوانهای به دست میآید.
در شمع استوانهای، شرایط باز یا بسته بودن نوک شمع تأثیر بسیار زیادی در فرآیند کوبش دارد. در شمع استوانهای ته باز به علت اینکه سطح مقطع در کل طول آن ثابت است، در اثر هر ضربه گسیختگی برشی منگنهای در خاک ایجاد کرده و نفوذ بیشتری دارد و در نتیجه راحتتر در خاک فرو میرود. 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 استوانهای ته باز عملکرد بهتری نسبت به شمع استوانهای 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 مییابد، حجم فضای داخلی شمع بیشتر میشود. 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 میشود که شمع مخروطی شکل ته باز عملکرد بهتری نسبت به سایر شمعها با هندسه مختلف دارد.
زمان استهلاک امواج منتشره ناشی از ضربه، در شمعهای ته باز بیشتر از شمعهای ته بسته است و این مسئله موجب میشود که سرعت این شمعها 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 استوانهای ته باز بیشتر بوده و درحالتی کلی نیز وقتی انتهای شمع به صورت ته باز باشد، راندمان و عملکرد شمع نسبت به شمعهای ته بسته در کوبش بیشتر است.
سرعت و جابهجایی این شمعها در مقایسه با شمع توپر افزایش یافته و همچنین سرعت و جابجایی شمعهای غیر استوانهای نسبت به شمع استوانهای در حالت توخالی نیز بیشتر است. همچنین مطابق آنچه قبلاً گفته شد، سرعت و جابجایی رأس شمع در اثرکوبش در خاک ماسهای در مقایسه با خاک رس کمتر بوده و با افزایش ضخامت جداره شمع نیز، سرعت و نفوذ نهایی کاهش مییابند.
بنابراین با مقایسه نتایج رفتار شمعهای توخالی با مقاطع متغیر در حین کوبش، ملاحظه میشود که شمع با مقطع غیریکنواخت در این حالت نیز دارای عملکرد بهتری نسبت به شمع استوانهای 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 صرفهجویی اقتصادی خواهد شد.
در این بخش کوبش شمع استوانهای ته باز با نسبت قطر داخلی به قطر خارجی مختلف که به وسیله ضربه چکش در خاک رسی و ماسهای فرو رانده میشوند، 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 میشود. 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 جابهجایی شمع در خاک افزایش مییابد. لذا برای مدلسازی این پدیده، در سطح جانبی داخلی شمع در تماس با خاک نیز المانهای اندرکنش خاک و شمع به صورت سختیهای برشی و نرمال لحاظ شده و در محاسبات تأثیر داده میشود.
وقتی این شمعهای ته باز تحت ضربه چکش قرار میگیرد، سرعت و جابهجایی این شمعها 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 شمعهای ته بسته کاهش مییابد. همچنین با افزایش نسبت قطر داخلی به قطر خارجی سرعت و جابهجایی شمع نیز بیشتر میشود.
هندسه و شکل شمع در رفتار کوبشی آنها تأثیر مستقیم داشته، به طوری که با استفاده از شمع مخروطی، سرعت و جابجایی این شمعها افزایش یافته و در عین حال تعداد ضربه لازم برای فرو بردن آنها در خاک کاهش مییابد. لذا استفاده از شمعهای با مقاطع غیریکنواخت در عملیات شمعکوبی علاوه بر کاهش مصرفانرژی به میزان ۲۵ تا ۶۰ درصد، موجب افزایش راندمان و بهرهوری عملیات کوبش نیز میشود.
در حالتهای ته بسته و ته باز، شمعهای مخروطی دارای نشست نهایی بیشتری نسبت به شمعهای استوانهای بوده و با تعداد ضربات کمتری در خاک کوبیده میشوند.
در شمع استوانهای، شرایط باز یا بسته بودن نوک شمع تأثیر بسیار زیادی در فرآیند کوبش دارد. لذا با اعمال انرژی یکسان در حین عملیات کوبش، شمع استوانهای ته باز عملکرد بهتری نسبت به شمع استوانهای ته بسته دارد. همچنین میزان نشست نهایی و سرعت شمع مخروطی ته باز از شمع استوانهای ته باز بیشتر بوده و در حالتی کلی نیز وقتی انتهای شمع به صورت تهباز باشد، راندمان و عملکرد شمع نسبت به شمعهای ته بسته بیشتر است و در مجموع شمع مخروطی ته باز عملکرد بهتری نسبت به سایر شمعها با هندسهی مختلف دارد.