נסיונות העמסה דינמיים על כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר

1. מבוא

המאמר מתייחס לביצוע כלונסאות ולבדיקת תסבולתם האנכית בארץ. בשני העשורים האחרונים, אחוז המבנים המבוססים ע"ג כלונסאות הולך וגדל בהדרגה, בעוד שלפני כן, באזורים סלעיים וכן בקרקעות חוליות ואפילו חרסיתיות, הביסוס ה"רדוד" (דהיינו פלטות ו/או יסודות עוברים ו/או "רפסודה") היה הנפוץ ביותר. באזורים הסלעיים (הקשים) ה"מיקרופיילים" תפסו בהדרגה את מקום הביסוס ה"רדוד" ולמעשה מאמצע שנות השמונים מרבית המבנים באזורים סלעיים מבוססים ע"ג "מיקרופיילים".

באזורים הסלעיים הרכים, כגון חוואר וקרטון, נהוג לבצע היום, ולמעשה כבר מזה שני עשורים, ביסוס ע"י כלונסאות, במקביל להגדלה משמעותית של כמות מכונות הקידוח וכושר ביצוען. בקרקעות חוליות, הביסוס ה"רדוד" עדיין נפוץ למבנים עם עומסים לא גדולים ואולם כשהעומסים גדלים, הביסוס ה"רדוד" מגיע למצב של "רפסודה" ואז לעיתים כלונסאות מהווים פתרון זול יותר. אפילו בקרקעות חרסיתיות, או חוליות חרסיתיות, בהם היה בעבר נפוץ הביסוס ע"י פלטות ו/או יסודות עוברים, עבר בהדרגה "מרכז הכובד" לביסוס ע"י כלונסאות. בזמנו, ביסוס מבני מגורים ("בניה רוויה") בקרקעות חרסיתיות היה לעיתים בשיטת הביסוס ה"רדוד" ע"ג "החלפת קרקע". לפני יותר משני עשורים, כשהחל כותב המאמר בעבודה כיועץ לביסוס מבנים, לא היה נהוג כשיגרה להעסיק יועצי ביסוס וכל זמן שהפרוייקט לא היה גדול והביסוס היה "רדוד", ויתרו במקרים רבים על שירותי היעוץ.

2. סוגי הביסוס ה"עמוק"

הביסוס ה"עמוק" נחלק למספר סוגים, בהתאם לסוגי הקרקע, מצב מי התהום ושיטות הביצוע.

2.1 כלונסאות מוחדרים

אלה מבוצעים בעיקר בקרקעות "רכות" ונפיצותן נמוכה בארץ (להבדיל ממדינות אחרות כמו ארה"ב), ואחת הסיבות - העברת ויברציות למבנים סמוכים. בד"כ מדובר בכלונסאות בטון דרוך, אך קיימים גם כלונסאות בטון לא דרוך, וכלונסאות פלדה ובעבר (הרחוק) גם עץ. גשר הרכבת על הקישון שנבנה בשנות השלושים בוסס ע"ג כלונסאות עץ מוחדרים.

2.2 כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר

2.2.1 כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר ("יבשים")

אלה כלונסאות רגילים, בהם בגמר הקידוח, מורד הזיון לחור הקידוח ומתבצעת יציקת בטון באמצעות צנור כזה או אחר, לפי הנסיבות.

2.2.2 כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר בטכניקת "בנטוניט"

בטכניקה זו משתמשים כשיש חשש ממפולת בעת הביצוע, עם או בלי קשר למי תהום. תמיסת הבנטוניט, שמפלס פניה במהלך הביצוע גבוה ממפלס מי התהום, וכן משקלה המרחבי וצמיגותה גבוהים יותר משל המים, מהווה גורם המונע התמוטטות הדפנות, ויציקת הבטון מתבצעת לאחר הורדת הזיון, ע"י צנור טרמי, מלמטה כלפי מעלה, כשע"י כך מוצאת תמיסת הבנטוניט מתוך חור הקידוח.

2.2.3 כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר בטכניקת .C.F.A

זוהי שיטה חדשה בארץ, המיועדת למקרים של חשש ממפולות במקרה של קדיחה לפי סעיף 2.2.1 למעלה, ובשיטה זו קודחים ע"י ספירלה שמרכזה חלול עד המפלס המתוכנן ומחדירים בטון דרך הצנור המרכזי, תוך כדי הוצאה מבוקרת של הספירלה. לאחר מכן מוחדר הזיון ע"י כח אנכי + ויברציה, בד"כ לכל עומק הכלונס, בעבר הסתפקנו ב-10 מ` לערך.

2.2.4 כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר מסוג "מיקרופיילים"

אלה מבוצעים בשטחים סלעיים, כשהקדיחה נעשית ע"י הקשה וסיבוב של ראש המקדח, כשהחומר מוצא ע"י לחץ אויר.

2.2.5 כלונסאות VIBREX

זוהי שיטה חדשה בארץ. מחדירים צנור פלדה חלול, עם פקק בתחתיתו לעומק הדרוש. לאחר מכן מניחים את כלוב הזיון ויוצקים תוך כדי הוצאת הצנור בסיוע וויברציה. לעיתים ע"י מכות על הצנור במהלך היציקה יוצרים הרחבה בתחתית.

3. תכנון הכלונסאות לעמיסות אנכיות

תכנון הכלונסאות לעמיסות אנכיות נעשה לפי נתוני הקרקע/סלע הספציפיים לאתר, ומתוך התחשבות בשקיעות המותרות, כשמקדם הבטחון המוצע ע"י התקן הישראלי לביסוס (940 מ 1978) הינו 3, ז.א. היחס בין תסבולת ההרס והעומס האנכי המותר הוא 3.0 לפחות. השוואת דוחו"ת יעוץ של מהנדסים יועצים שונים מראה על סטיות של עשרות אחוזים בין האחד לשני באותם תנאי קרקע ועבור מבנים דומים. הסיבה לכך נעוצה באי וודאות של תנאי הקרקע, קושי בקביעת הפרמטרים, וגם שוני בתאוריות התכנון השונות.

4. נסיונות העמסה

בעוד שכל החדרת כלונס (ר` סעיף 2.1) מהווה מעין נסיון העמסה וכמות המכות הנדרשת להחדרה מסויימת מהווה אינדיקציה לתסבולת הכלונס (קיימות טכניקות ותאוריות רבות לכך), הרי שכמות נסיונות ההעמסה אשר בוצעו בארץ על כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר הינה קטנה מאוד ביחס לכמות שבוצעה בפועל לביסוס מבנים ואלמנטים הנדסיים אחרים. כך, שלמעשה, עבור כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר, אין מידע אמין, מהו מקדם הבטחון בפועל בפרוייקט זה או אחר, ונסיונו של יועץ הקרקע, ואופיו, משפיעים הרבה על המלצותיו, ועל עלות הביסוס בפרוייקט. להלן סקירה על סוגי נסיונות ההעמסה:

א. נסיון העמסה סטטי

זוהי השיטה הקלאסית בה מועבר העומס באמצעות מערכת מגבהים (ג`קים) לכלונס. העומס יכול להיות ממשי או מיוצר ע"י עוגנים נגדיים. נמדדים הן הכח המועבר לכלונס, והן תזוזת קצהו העליון. התקנה של מדידים שונים לאורך הכלונס מאפשרת בדיקה של חלוקת העומס לאורכו (לעומקו). זוהי השיטה המדוייקת וכמובן היקרה ביותר, עד כדי כך שנוצר מצב של שימוש אפסי בה.

ב. נסיון העמסה ע"י מגבהה שטוח

שיטה זו בוצעה בעיקר בשנות השמונים הראשונות בכמות גדולה עבור כלונסאות "מיקרופיילים". מגבהה שטוח נוצק בכלונס, בערך במרכזו. מדידים מדדו את תזוזות פני הכלונס, פני המגבהה, ותחתיתו + מדידת הכח במגבהה ואלה איפשרו קבלת מידע על שני חלקי הכלונס, כשהתחתון עבר ניסוי לחיצה והעליון לחיצה/שליפה. שיטה זו בד"כ בוצעה לקטרים קטנים, עד כ-35 ס"מ. עקב יכולת מוגבלת של הלחצים שניתן היה להעביר למגבהה, נעשה שימוש בשיטות שונות להמשך תאורטי של נסיון ההעמסה עד להרס (תאורטי).

ג. נסיון העמסה סטטנמי

העומס בשיטה זו מועבר ע"י פיצוץ בראש הכלונס, עם הדמייה למצב סטטי. גם כאן, השימוש בארץ היה מוגבל ביותר, עקב מחיר גבוה. זוהי שיטה חדשה ולמעשה העומס דינמי ודורש ניתוח. אי אפשר להשתמש בתוצאות באופן ישיר במיוחד בקרקעות "רכות".

ד. נסיון העמסה דינמי

כאמור, כל החדרה של כלונס, מהווה מעין נסיון העמסה דינמי. ואולם, עד לאחרונה לא בוצעו בארץ נסיונות העמסה דינמיים על כלונסאות קדוחים ויצוקים באתר. שלושת הנסיונות הראשונים האלה בוצעו בעבודות יעוץ של כותב המאמר, באתרים בחיפה, נתניה ואילת, עפ"י תקן ASTM D 4945-89. התוצאות של הנסיונות הצדיקו את ביצועם בדיעבד, כשתמורתם הכספית הוחזרה מס` רב של פעמים בכל פרוייקט ופרוייקט ע"י החסכון במימדי הכלונסאות.

5. הסבר על נסיונות העמסה דינמיים

נסיון ההעמסה הדינמי מתבצע ע"י הפלת משקולת בערכים שונים מגבהים שונים, ע"ג כלונס קיים. לפני הביצוע מותקנים מדי עיבור (STRAIN GAGES) רב שימושיים על פני הכלונס בהיקפו. מדי העיבור מאפשרים ע"י חישוב מתאים את מציאת גל הכח שמועבר לכלונס כתוצאה מהפלת המשקולת.

- שינוי אורך הבטון באורך הנמדד בזמן מסוים.

- אורך הבטון לארכו נמדד שינוי האורך.

E - מודול אלסטיות של הבטון.

- הכח האנכי בחתך הבטון בזמן מעבר גל המאמץ A - שטח החתך של הבטון (העיבור) נמדד (ע"י שינוי התנגדות חשמלית) שטח חתך הבטון ומודול האלסטיות שלו ידועים וכך מתקבל הכח בחתך הרלוונטי (בחלק החופשי של הכלונס, הבולט מהקרקע) ולמעשה זהו הכח שמועבר לכלונס, שבתוך הקרקע. לבדיקת המהירויות והתזוזות מוצמדים לכלונס מדי תאוצה, כאשר ע"י אינטגרציה אחת, מקבלים מהירות ואיטגרציה נוספת - תזוזה. כך למעשה מתקבלים נתונים הן של הכח האנכי והן של המהירות והתזוזה עם הזמן.

פענוח האותות הנמדדים מאפשר הערכה מידית של המאמצים בכלונס והאנרגיה המועברת וכן חישוב כוחות ההתנגדות של הקרקע לפי שיטות שונות. כוחות ההתנגדות להעמסה הדינמית כוללים רכיבים סטטיים ודינמיים כשעיקר המאמץ בפיענוח המדידות מתרכז במציאת הרכיב הסטטי שבעיקרו מהווה את תיסבולת הכלונס. פיענוח כזה מאפשר את מציאת פירוס כוחות ההתנגדות לאורך הכלונס ולפיכך ההערכה לעקום עומס - שקיעה, בדומה למה שמתקבל מנסיון העמסה סטטי.

6. המשמעות הכללית של ביצוע נסיונות ההעמסה הדינמיים

ביצוע נסיונות העמסה מאפשר בזמן קצר ובמחיר סביר, הערכה מדוייקת של תסבולת הכלונסאות הצפויה באתר. מידע כזה מאפשר את תכנון ו/או התאמת הביסוס לתסבולת הממשית בנוסף להקטנת מקדם הבטחון. ע"י כך, ניתן להקטין את מקדם הבטחון מ - 3.0 (ע"פ התקן הישראלי) ל - 2.5 או אף פחות מכך (לדוגמא ע"פ AASHTO ו MASSACHUSETTS HIGH DEPARTMENT מקדם הבטחון יכול לרדת ל 2.25). זוהי הקטנה של כ - 15% לפחות לכאורה, אולם החסכון הכספי גדול פי כמה (כפי שגם הסתבר משלושת הנסיונות הראשונים והיחידים, שבוצעו לאחרונה בארץ):

א. מאחר שמרבית תסבולת הכלונס האנכית הינה ע"י חיכוך, הרי שהקטנת מימדים (קוטר) של 15%, פירושה בד"כ הקטנת מחיר של כ - 30%. הסבר: בעוד שהתסבולת פרופורציונית לקוטר, הרי שמחיר הביצוע פרופורציוני בקירוב לריבוע הקוטר.

ב. עם כל הרצון לעבוד במקדם בטחון של 3.0, לא תמיד זהו המצב, וחוסר המידע מביא לכך שבמקרים רבים, מקדם הבטחון בפועל גדול בהרבה מ - 3.0. השוואה שנערכה בעבודות שונות בקרבה לאחד מהאתרים בהם נערכו הנסיונות, הראתה סטיות גדולות ביותר במקדם הבטחון של מהנדסים יועצים שונים.לפיכך, סביר שהקטנת המקדם ל - 2.5 הינה בד"כ לא מערך של 3.0 אלא מערך גבוה בהרבה, ומכאן שהחסכון האפשרי גדול בהרבה מ 30%-. השוואה בין נסיונות העמסה סטטיים ודינמיים נערכה ע"י פרופ` פייקובסקי ואחרים (ר` בספרות המומלצת לקריאה). מאות כלונסאות הושוו על ידם, והמחקר הראה התאמה טובה.

7. סיכום

השימוש בנסיונות העמסה דינמיים, מאפשר מציאת התסבולת האנכית, סטטית, הממשית של כלונסאות ולפיכך אופטימיזציה של התכנון וחסכון כספי משמעותי בפרוייקטים הנבדקים. נציין, שכבר התקן הישראלי לביסוס, שיצא לפני כ- 20 שנה, הציע לבצע נסיונת העמסה בפרוייקטים בהם מעל 100 כלונסאות. נראה, שהיום, המלצה זו תוכל להיות יותר ויותר מיושמת. יחד עם זאת, צריך לזכור שהמדידות הדינמיות ופענוחן מחייבות ידע ונסיון מקצועי, ואסור לחשוב שמדובר ב"קופסא שחורה" שתוצאותיה אינן דורשות בדיקה מקצועית מעמיקה. שימוש בלתי מקצועי בתוצאות יכול להוביל למסקנות מוטעות ומסוכנות.

ספרות מומלצת לקריאה

(1) Using Dynamic Measurements For The Capacity Evaluation Of Driven

Piles/ Samuel G. Paikwsky (1995)

(2) Energy Approch For Capacity Evaluation Of Driven Piles /

S.G.Paikowsky & L.R.Chernauskas (1992)

(3) Piling In Rock/Joram M.Amir (1986)

(4) ASTM D 4945-89/Standard Test Method For High-Strain Dynamic

Testing Of Piles

(5) AASHTO (1994) “Standard Specifications for Highway Bridges",

15th,ed. 1992

(6) The Commonwealth Of Massachusetts (1988) “Standard Specifications

for Highway Bridges".