شمع‌های مکشی
شمع‌های مكشی یكی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای اجرای سازه‌های فراساحلی در آب‌های عمیق است. اغلب برای مهار كردن سازه‌های فراساحلی حجیم استفاده می‌شود. بدلیل بالا بودن هزینه اجرای این گونه شمع‌ها در مقیاس واقعی، مطالعات در این زمینه محدود به پایلوت‌های آزمایشگاهی است. از جمله معضلات دیگر طراحی این گونه شمع‌ها تعیین ظرفیت كششی محوری آنهاست، زیرا ظرفیت كششی محوری شمع وابسته به وضعیت زهكشی بستر و مقدار مكش در سرشمع است كه تعیین مقدار دقیق آن امكان پذیر نیست.
سـازه‌هـای فراسـاحل اولیـه در آب‌هـای کـم عمـق بودنـد و پـی آنهـا تعمیمـی از پـی‌هـای اسـتفاده شـده در خـشکی بـود. در ابتـدا شـمع‌هـای کوبیـده شـده توسـط چکـش (کـه عملیـات کوبیـدن بـالای سطح آب اجرا می‌شد) بـرای ایـن سـازه‌هـا مـورد اسـتفاده قـرار مـی‌گرفـت. بـا گذشـت زمـان سـازه‌هـا بـه سـمت آب‌هـای عمیـق‌تـر حرکـت کردنـد و بزرگتـر شـدند. بـه همـین نـسبت شـمع‌هـا بزرگتـر شـدند و چکـش‌هـایی بـا قابلیت کار در زیـر آب طراحـی و مـورد اسـتفاده قـرار گرفتنـد.
صندوقه مکشی کـه بـسته بـه کـاربرد و ابعـاد آن، شـمع مکـشی، شـالوده سـطلی، مهـار مکـشی یـا شـالوده حاشیه‌ای نیز خوانده می‌شـود.
مزایای استفاده از شمع‌های مکشی
استفاده از این نـوع پـی‌هـا بـه دلیـل مزایـایی کـه نـسبت بـه سـایر انـواع پـی‌هـا دارنـد بـه سـرعت در حـال افزایش اسـت و بـه جـای شـمع‌هـای معمـولی مـورد اسـتفاده قـرار گرفتـه‌انـد.
- صـندوقه مکـشی اسـتوانۀ فلـزی (و بعضاً بتنی) توخالی با قطر زیاد است کـه از پـایین بـاز و از بـالا توسـط ورقـه‌ای مـسطح یـا گنبـدی شـکل بـسته است.
- بـا اعمـال مکـش مختـصری از درون آنهـا و پمـپ آب درون آنها به بیرون، در حالی که به اندازۀ کافی آب‌بندی شده باشند، نصب می‌شوند.
- ایــن سیــستم جدیــد پــی ســازه‌هــای دریــایی را مــی‌تــوان در کمتــر از یــک روز نــصب کــرد و نــسبت بــه شـمع‌هـا بـه دلیـل صـرفه‌جـویی قابـل توجـه کـه در مـصالح مـصرفی و زمـان لازم بـرای اجـرا دارد تـرجیح داده می‌شـود. آنهـا همچنـین بـا طبیعـت بـسیار سـازگارتر هـستند و بـه شـیوه‌ای مـشابه همـان روش نـصب، ولـی بـا اعمال فشار در جهت عکس مکش اولیـه، مـی‌تـوان آنهـا را برچیـد.
- همچنـین صـندوقۀ مکـشی را مـی‌تـوان بـا هـر ابعادی و با هر ترکیبی (تعـداد و چیـنش دلخـواه) اجـرا کـرد کـه در نتیجـه مـی‌تـوان سـختی و ظرفیـت پیچـشی مورد نظر را تولید کرد.
در دهــۀ اخیــر صــندوقه‌هــای مکــشی خــود را بــه عنــوان جــایگزینی مناســب بــرای شــمع‌هــای متعــارف و بـرای مهاربنـدی موقـت واحـدهای حفـاری فراسـاحل، مهارهـای لخـت و سـازه‌هـای شـناور تولیـد و ذخیـره در تثبیـت کـرده‌انـد. شـکل و هندسـۀ صـندوقه‌هـای مکـشی بـه شـرایط خـاص خـاک محـل مـورد نظـر، فراسـاحل عمــق آب، روش نــصب و ماهیــت بارهــای وارده بــستگی دارد. در هــر حالــت شــناخت مناســبی از جنبــه‌هــای ژئوتکنیکی نفوذ صندوقه برای اجرای موفق پی لازم است.
روش نصب و مبانی طراحی شمع‌های مکشی
صندوقه که معمولاً از شـناور مخـصوص نـصب بـه آب انداختـه مـی‌شـود بایـد بـه آرامـی بـر روی بستر دریا قرار گیرد. طریقـۀ پـایین بـردن صـندوقه در آب بـه ایـن صـورت اسـت کـه شـیرهای مخـصوص موجـود در بالای آن باز و هـوای محـصور در آن بـه سـرعت تخلیـه مـی‌شـود. بـدین ترتیـب صـندوقه در آب فـرو مـی‌رود. بعـد از قرارگیـری صـندوقه در محـل مـورد نظـر، در اثـر وزن خـود مقـداری در خـاک نفـوذ مـی‌کنـد. بـا اتمام نفوذ در اثر وزن شیرهای مذکور بسته می‌شوند.
جمـع آوری آب محبـوس در قـسمت بـالای صـندوقه توسـط پمـپ‌هـای نـصب شـده در رأس آن منجـر بـه ایجاد اخـتلاف بـین فـشار هیدرواسـتاتیکی آب بیـرون و محـیط درون آن مـی‌شـود و ایـن اخـتلاف نیـروی لازم را بـرای نفـوذ بیـشتر در خـاک فـراهم مـی‌کنـد. هـر چـه ارتفـاع صـندوقه کمتـر باشـد اخـتلاف فـشار کمتــری بــرای نــصب لازم اســت. در خاک‌هــای غیرچــسبنده ماننــد ماســه بــرای حــصول اطمینــان از نفــوذ صندوقه به اندازۀ کـافی جهـت جلـوگیری از روانگرایـی خـاک در هنگـام پمپـاژ معمـولاً وزنـه‌هـای اضـافی کمکـی لازم است. عوامـل مقـاوم در برابـر نفـوذ صـندوقه در هنگـام نـصب عبارتنـد از اصـطکاک در سـطوح داخلـی و خـارجی صـندوقه و نیـز مقاومـت بـر روی لبـه انتهـایی.
طراحی شمع‌های مکشی
شمعهـای مکـشی بـه واسـطه نـوع واکـنش در برابـر بارهـای وارده، مقاومـت خـوبی از خـود نـشان مـی‌دهنـد. در مـواردی هـم مـی‌تـوان بـا انجـام تمهیـداتی در شـکل و نیـز ساخت قسمت‌های مختلـف صـندوقه‌هـا ایـن مقاومـت را افـزایش داد. بـه عنـوان مثـال بـا سـاختن صـندوقه ای کـه دارای زائــده‌هــایی در درون بدنــه باشــد مــی‌تــوان فــاکتور اصــطکاک را افــزایش داد. همچنــین تغییــر شــکل صــندوقه از شــکل اســتوانه‌ای بــه مخروطــی تــاثیر قابــل تــوجهی بــر روی ظرفیــت بــاربری آن دارد. در بررســی ظرفیــت صــندوقه‌هــای مکــشی و نیــز طراحــی آنهــا بایــد توجه ویژه‌ای به شکل گـسیختگی داشـت. حالـت گـسیختگی صـندوقه بـسته بـه نـوع بارهـای وارده نـوع خـاک و حالـت زهکـشی متفـاوت اسـت.
در مـورد شمعهـای مکـشی مـورد اسـتفاده بـرای سـکوهای ثابـت فلـزی بیـشتر بـار وارده دارای ماهیـت فشاری و جانبی است و بارهای کشـشی بیـشتر بارهـای گـذرا هستند کـه در نتیجـه حالـت زهکـشی نـشده برای خاک پیش خواهد آمد. در مـورد صـندوقه‌هـای مـورد اسـتفاده بـرای سـازه‌هـای شـناور و نیمـه شـناور بارهـا کشـشی خواهنـد بـود. در مـورد سـکوهای بـا پایـه کشـشی ایـن بارهـا بـه صـورت قـائم وارد مـی‌شـوند. مطالعـات انجـام شــده نـشان مــی‌دهــد کـه پارامترهــای مقــاومتی خـاک ماننــد چــسبندگی، زاویـه اصــطکاک و . . . و نیــز هندسه صـندوقه دارای تـاثیر قابـل تـوجهی در میـزان بـاربری صـندوقه در برابـر ایـن بارهـا دارنـد. در مـورد سازه‌هـای دارای مهارهـای لخـت و کـشیده ماهیـت بارهـای وارده بـه صـندوقه بـه صـورت افقـی و مـورب خواهـد بود.
بررسی تکنولوژی شمع مکشی
مزایای شمع‌های مکشی متعدد است که مهم‌ترین آن دقت در تعیین ظرفیت باربری و دقت جایگذاری در حین اجرا است. بعنی با تلورانس کمی دقیق ترین پیش بینی را از ظرفیت را می‌دهد. نصب یک شمع مکشی در حد.د ۱۲ ساعت در عمق ۴۰۰ متر آب است. در ضمن شیب شمع باید کمتر از ۳ درجه باشد. در حین انتخاب شمع‌های مکشی هزینه کم در ترکیب با مزیت‌های تکنیکی ماند دقت در قرار دادن در محل شمع احتیاج به پیش تنیده کردن و دقت بالا در تعیین ظرفیت عوامل مهمی هستند. شمع‌های مکشی در اعماق مختلف و همچنین در شرایط مختلف خاک قابل اجرا هستند.
شرایط خاک
در طول سال‌ها، شمع‌های مکشی در شرایط مختلف محلی، از خاک نرم گرفته تا خاک سفت و محکم مانند خاک‌های کلوخه‌ای که باعث افزایش ناگهانی نیروی نفوذ می‌شوند و رس‌های سفت و ماسه‌ای متراکم اجرا شده‌اند. تنها شرایطی که نمی‌توان در آن از شمع‌های مکشی استفاده کرد وجود بستر شنی یا قلوه سنگی، رس‌های خیلی سخت و خاک‌های به شدت سیمانته شده است. البته شرایط به ندرت در سواحل یافت می‌شوند. در این حالت‌ها باید به سراغ تکنیک‌های دیگر مانند شمع‌های ثقلی یا دریل شده و گروت شده رفت.
ناهمگونی توپوگرافی بستر دریا
ناهمگونی توپوگرافی بستر دریا نیز ممکن است مشکلاتی را ایجاد کند.
عمق آب
اجرا در اعماق بالا همواره یکی از مشکلات سازه‌ای دریایی بوده است. اما با پیشرفت تکنولوژی اجرای شمع‌های مکشی و با توجه به پیشرفت خوب و سریع وسایل و ابزار نظارت برای نصب زیر دریا و پمپ‌های ایجاد کننده خلا به نظر می‌رسد عمق مساله مهمی نباشد.
شمع و هندسه شمع مکشی و محل اعمال نیرو
قطر و طول شمع، عوامل تعیین کننده ظرفیت شمع‌های مکشی هستند. رابطه بین قطر و طول با ظرفیت عموماً غیر خطی است. شاید بهترین پارامتر برای بحث، پارامتر بدون بعد ضریب ظاهری با به عبارت دیگر نسبت ارتفاع به قطر شمع است. این نسبت در شمع‌های اولیه در حدود ۱ تا ۲ بود اما به تدریج تا ۱۰ نیز افزایش یافت. هنوز مشخص نیست که چه ضریب ظاهری برای شرایط خاص بهینه است.
شکل شمع‌های مکشی پارمتر دیگری است که دارای تنوع زیادی است. معمولاً سطح شمع‌های مکشی دایره‌ای است. اما شکل‌های دیگری نیز اجرا شده است.
هندسه شمع مکشی
سطح مقطع مثلثی مخصوصاً با اضلاع محدب به طرف داخل برای غلبه بر نیروی مکش ساخته شده که مزیت راحتی انبار کردن و حمل و نقل و پایداری در عرشه کشتی در حین حمل را نیز دارد. اما چون از سطح مقطع آن کاسته می‌شود باید نیروی مکشی بیشتری وارد شود و به خاطر این امر کاهش ظرفیت به وجود خواهد آمد. در ضمن ساخت آن نیز دشوارتر و هزینه برتر است. البته هنوز در بعضی موارد ساخت این شکل شمع شمع ترجیح داده می‌شود. شکل کلاهک شمع برای شمع‌هایی با قطر کم و مکش‌های متعادل به صورت تخت است اما برای فشارهای بالا یا قطرهای زیاد از کلاهک‌های گنبدی استفاده می‌شود.
شمع مکشی تحت نیروی محوری طراحی شود، مرکز اعمال نیرو محور شمع است. چنین وضعیتی برای سازه‌های شناور متصور است. در سایر شرایط مانند لنگر کشتی‌ها، نیرو به بدنه شمع مکشی وارد می‌شود.
محل اعمال نیرو
محل اتصال بار به شمع، بسیار مهم است، چرا که تاثیر زیادی بر ظرفیت باربری شمع دارد. این نقطه معمولاً به گونه‌ای انتخاب می‌شود که در حین بارگذاری نهایی حرکت دورانی در آن رخ نمی‌دهد. این نقطعه در خاک‌هایی که مقاومتشان با افزایش عمق به صورت خطی افزایش می‌یابد نزدیک دو سوم زیر سطح بستر است. با افزایش زاویه بار نسبت به بستر، نقطه بهینه تماس به سمت بالا حرکت می‌کند، در صورتی که افزایش نسبت طول به قطر، نقطه‌ای فوق را به پایین حرکت می‌دهد. در شمع‌هایی که تحت بارهای استاتیکی دائمی قرار دارند به خاطر ایجاد فاصله، در پشت نقطه تماس پایین‌تر قرار می‌گیرد. ابته باید در نظر داشت که پایین‌تر بردن نقطه تماس باعث افزایش زاویه بار می‌شود.
انواع حالت‌های خرابی شمع مکشی
بسته به سرعت بارگذاری و شرایط بستر یکی از حالات خرابی زیر به وجود می‌آید.
خرابی لغزشی
هنگامی که شمع مکشی با سرعت بسیار کمی بالا کشیده شود، بستر کاملاً زهکشی و جریان آب به داخل صندوقه برقرار می‌شود. و هیچ گونه مکش غیر فعالی تولید نمی‌شود. این امر موجب ظرفیت باربری نسبتاً کم شمع شده که حاصل اصطکاک جداره‌ها و وزن غوطه ور خود شمع است. در این حالت محبوس داخل شمع جدا نمی‌شود و در بستر باقی می‌ماند. در نهایت جداره‌های داخلی و خارجی کاملاً تمیز خواهند بود که نشان دهنده خرابی برشی موضعی است.
خرابی مقاومت نهایی
با افزایش نرخ بارگذاری، بستر تا حدی زهکشی می‌شود و مکش غیر فعال تولید شده در بستر، فقط برای بلند کردن خاک محبوس داخل شمع کفایت می‌کند. در این حالن ظرفیت شمع شامل مکش غیر فعال تولید شده در بستر، وزن غوطه ور شمع و خاک محبوس داخل آن و همچنین اصطکاک بین جداره خارجی صندوقه و خاک است.
خرابی ظرفیت باربری معکوس
هنگامی که صندوقه با سرعت زیاد بالا کشیده شود فرصتی برای زهکشی به دست نمی‌دهد. و مکش غیر فعال تولید شده در کف صندوقه و خاک اطراف آن به تنش کل کمک می‌کند. و خرابی به صورت ظرفیت باربری معکوس نمایان می‌شود. به خاطر خرابی برشی کلی، خاک محبوس درون شمع از بستر جدا گشته و همراه شمع بالا می‌آید. عموماً در این حالت ظرفیت به دست آمده زیاد است و در حدود سه تا چهار برابر، ظرفیت بیرون کشش شمع در حالن زهکشی شده است. همچنین اصطکاک بین جداره‌ی خارجی و خاک اطراف و نیز وزن غوطه ور خاک محبوس به ظرفیت بیرون کشش کمک می‌کنند.
چهار حالت شکست برشی خاک اطراف شمع
شکست شافت
زمانی رخ می‌دهد که نیروهای اصطکاک در امتداد دامن شمع و زیر شمع نیروی کششی ایجاد می‌کند.
شکست انتقالی
زمانی رخ می‌دهد که شمع به سمتی کشیده می‌شود. در این حالت، خاکی که در سمت کشیده شده وجود دارد، می‌شکند و حتی ترک تحت تنش می‌تواند در پشت شمع رخ دهد.
شکست چرخشی
زمانی رخ می‌دهد که دیگر شکست خاک اطراف شمع قابل بازگشت نیست و دچار دوران شمع می‌شود.
شکست ترکیبی
از دو حالت شکست قبل حاصل می‌شود.
شمع‌های مکشی فناوری ساده‌ای هستند و می‌توانند برای برنامه‌های کاربردی دریایی از جمله موارد زیر مورد استفاده قرار بگیرد.
- پی صندوقه‌ای برای جکت‌ها و بکسل‌های متحرک دریایی
- فونداسیون‌های سطلی یا پی‌های دامن دار کوچک و بزرگ برای سازه‌های دریایی
- TLP
- فونداسیون برای پایه‌های رایزرها
- سیلوهای زیر دریا برای محافظت چاه‌ها و تجهیزات
- شمع‌های تکی برای تامین مقاومت برای پهلو گیری قایق‌ها
