تحلیل ظرفیت باربری شمع‌های دریایی در خلیج فارس با استفاده از نتایج آزمایش نفوذ مخروط و بررسی اثر زمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

شمع‌های لوله‌ای فولادی به‌عنوان شالوده سازه‌های دریایی مانند پل‌ها، سکوهای استخراج مواد هیدروکربوری، توربین‌های بادی و المان‌های مهاری استفاده می‌شوند. با توجه به اهمیت و هزینه ساخت بسیار بالای این سازه‌ها، هرگونه ضعف و گسیختگی در شالوده‌های شمعی آن‌ها می‌تواند منجر به بروز خسارت‌های اقتصادی، زیست‌محیطی و اجتماعی فاجعه‌بار گردد. از این‌رو، تحلیل دقیق، طراحی ایمن و تعیین مطمئن ظرفیت باربری ‌آن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مطالعه، ظرفیت باربری محوری فشاری 24 شمع طویل لوله‌ای فولادی کوبشی فراساحلی در رسوبات اغلب چسبنده منطقه خلیج فارس با استفاده از 10 روش مبتنی بر به‌کارگیری نتایج مستقیم آزمایش نفوذ مخروط ( CPTو CPTu) و 5 روش مبتنی بر تحلیل استاتیکی تخمین زده می‌شوند. مقادیر ظرفیت باربری به‌دست آمده از این روش‌ها با داده‌های اندازه‌گیری شده متناظر حاصل از آزمون‌های تحلیل دینامیکی شمع مقایسه و اعتبارسنجی می‌شوند. سپس، عملکرد این روش‌ها از منظر دقت و کیفیت پیش‌بینی ظرفیت باربری به‌تفکیک جدار، نوک و کل بر اساس 12 معیار آماری تحلیل می‌شوند. در ادامه، به تخمین زمان محتمل گیرش خاک پیرامون شمع‌های فراساحلی کوبیده شده در منطقه خلیج فارس با استفاده از آزمون‌های آزمایشگاهی و صحرایی و همچنین روابط تجربی موجود در ادبیات فنی پرداخته می‌شود. نتایج بررسی‌ها در این زمینه مشخص می‌نمایند که شمع‌های نصب شده در منطقه مورد مطالعه، پس از حدود 100 از کوبش اولیه بیش‌ترین رشد ظرفیت باربری را خواهند داشت و به ظرفیت باربری بیشینه یا بلندمدت خود می‌رسند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Bearing Capacity Analysis of Offshore Piles in the Persian Gulf using CPT Results and Time Effect Consideration

نویسندگان [English]

  • Amir Hossein Shamshirgaran 1
  • Babak Ebrahimian 2
1 M.Sc., Grad., Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University (SBU), Tehran, Iran.
2 Assistant Professor, Geotechnical and Transportation Engineering Department, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University (SBU), Tehran, Iran.
چکیده [English]

Steel pipe piles are used as the foundation of marine structures such as bridges, hydrocarbon extraction platforms, wind turbines and anchoring elements. Due to the importance and high construction cost of these structures, any weakness and failure in their pile foundations can lead to catastrophic economic, environmental and social damages. Therefore, accurate analysis, safe design and reliable determination of their bearing capacities are of particular importance. In this study, the compressive axial bearing capacity of 24 long offshore driven steel pipe piles in the cohesive sediments of the Persian Gulf is estimated using 10 methods based on direct results of cone penetration test (CPT and CPTu) and 5 methods based on static analysis. The bearing capacity values obtained from these methods are compared and validated with the corresponding measured data attianed from the pile dynamic analysis tests. Then, the performance of these methods are analyzed in terms of accuracy and quality of predicting shaft, tip and total bearing capacities based on 12 statistical criteria. Subsequently, the probable time of soil set-up around the offshore piles in the Persian Gulf is estimated using laboratory and field tests as well as the emprical relationships available in the technical literature. It is shown that the piles installed in the considered area will have the highest growth of bearing capacity after about 100 days from the initial driving and reach their maximum or long-term bearing capacities.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Long offshore pile
  • compressive bearing capacity
  • time effect
  • soil set-up
  • Persian Gulf
  • شمشیرگران، ا، ح.، و ابراهیمیان، ب.، (1399)، " ارزیابی ظرفیت باربری فشاری شمع‌های طویل فولادی کوبشی فراساحلی در منطقه خلیج ‌فارس"، نشریه مهندسی عمران امیرکبیر، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران.
  • فاخر، ع.، خوشبخت مروی، م، م.، و معرفت، م، ص.، (1389)، "دقت نتایج ظرفیت باربری شمع حاصل از اندازه­گیری­های دینامیکی با استفاده ازروش­PDA"، مجله مهندسی عمران شریف، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

-Abu-Farsakh, M.Y. and Titi, H.H., (2004), “Assessment of direct cone penetration test methods for predicting the ultimate capacity of friction driven piles”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 130(9), pp.935-944.

-ASTM D1143, (2020), “Standard Test Methods for Deep Foundation Elements Under Static Axial Compressive Load”, ASTM International, West Conshohocken, PA.

-ASTM D3441, (2016), “Standard Test Method for Mechanical Cone Penetration Testing of Soils”, ASTM International, West Conshohocken, PA.

-ASTM D5778, (2020), “Standard Test Method for Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Testing of Soils”, ASTM International, West Conshohocken, PA.

-Augustesen, A., (2006). “The Effects of Time on Soil Behaviour and Pile Capacity”, PhD Thesis defended public at Aalborg University, 2006.

-Cai, G., Liu, S. and Puppala, A.J., (2012). “Reliability assessment of CPTU-based pile capacity predictions in soft clay deposits”. Engineering geology, 141, pp. 84-91.

-Ebrahimian, B. and Movahed, V., (2017), “Application of an evolutionary-based approach in evaluating pile bearing capacity using CPT results”, Ships and Offshore Structures, 12(7), pp.937-953.

-Ebrahimian, B. and Shamshirgaran, A. H., (2018), “Axial Compression Bearing Capacity of Driven Offshore Piles in the Persian Gulf – A Case Study”. 13th International Conference on Coasts, Ports and marine structures, pp. 249-250.

-Ebrahimian, B., Movahed, V. and Nazari, A., (2014). “Soil characterisation of South Pars field, Persian Gulf. Environmental Geotechnics”, 1(2), pp.96-107.

-Ebrahimian, B., Movahed, V. and Pasha, A.Y., (2012), “Evaluation of undrained shear strength of marine clay using cone penetration resistance at South Pars field in Iran”, Ocean engineering, 54, pp.182-195.

-Ebrahimian, B., Nazari, A. and Pasha, A.Y., (2015), “Evaluating ε50 for lateral load–displacement behavior of piles in clay”, Ocean Engineering, 96, pp.149-160.

-Eslami, A. and Fellenius, B.H., (1997), “Pile capacity by direct CPT and CPTu methods applied to 102 case histories”, Canadian Geotechnical Journal, 34(6), pp. 886-904.

-Eslami, A. and Fellenius, B.H., (2004), “CPT and CPTu data for soil profile interpretation: review of methods and a proposed new approach”.

-Eslami, A., Aflaki, E. and Hosseini, B., (2011), “Evaluating CPT and CPTu based pile bearing capacity estimation methods using Urmiyeh Lake Causeway piling records”, Scientia Iranica, 18(5), pp.1009-1019.

-Fakharian, K., Bahrami, T., Esmaili, F. and Hosseinzadeh Attar, I., (2012), “Dynamic and Static Tests for Optimization of Spun Piles of a Utility Plant near Persian Gulf-Case Study”, In The 9th International Conference on Testing and Design Methods for Deep Foundations, pp. 18-20.

-Haustorfer, I.J. and Plesiotis, S., (1988). “Instrumented dynamic and static pile load testing at two bridge sites”. In Fifth Australia-New Zealand conference on geomechanics: prediction versus performance; preprints of Papers, Institution of Engineers, Australia.

-Khanmohammadi, M. and Fakharian, K., (2017), “Numerical modelling of pile installation and set-up effects on pile shaft capacity”, International Journal of Geotechnical Engineering.

-Lacasse, S., Nadim, F., Knudsen, S., Eidsvig, U.K., Liu, Z.Q., Yetginer, G. and Guttormsen, T.R., (2013), “Reliability of axial pile capacity calculation methods”, In GéoMontréal 67th Canadian Geotechnical Conference.

-Lunne, T., Powell, J.J. and Robertson, P.K., (2002), “Cone penetration testing in geotechnical practice”, CRC Press.

-Niazi, F.S. and Mayne, P.W., (2013), “Cone penetration test based direct methods for evaluating static axial capacity of single piles”, Geotechnical and Geological Engineering, 31(4), pp.979-1009.

-Niazi, F.S., (2014), “Static axial pile foundation response using seismic piezocone data”, Doctoral dissertation, Georgia Institute of Technology.

-Rausche, F., Goble, G.G. and Likins Jr, G.E., (1985), “Dynamic determination of pile capacity”, Journal of Geotechnical Engineering, 111(3), pp.367-383.

-Robertson, P.K., (1990), “Soil classification using the cone penetration test”, Canadian Geotechnical Journal, 27(1), pp. 151-158.

-Shamshirgaran, A, H. and Ebrahimian, B., (2018). “Time Effects on the Axial Compression Bearing Capacity of Piles Driven in Offshore Clays of Persian Gulf – A Case Study”, the 3rd Iranian Conference on Geotechnical Engineering.

-Shamshirgaran, A, H. and Ebrahimian, B., (2019), “Evaluating in-situ and analytical pile bearing capacity estimation methods using well-documented piling records”, 8th International Offshore Industries Conference, Sharif University of Technology, Tehran.

-Skov, R. and Denver, H., (1988). “Time-dependence of bearing capacity of piles”, In Proc. Third International Conference on the Application of Stress-Wave Theory to Piles, Ottawa, pp. 25-27.

-Tand, K.E. and Funegard, E.G., (1989), “Pile capacity in stiff clays: CPT method”, In Congrès international de mécanique des sols et des travaux de fondations, 12,
pp. 349-352.

-Titi, H., Abu-Farsakh, M. and Tumay, M., (1999), “Evaluation of pile load tests in soft cohesive Louisiana soils”. In Analysis, Design, Construction, and Testing of Deep Foundations, ASCE., pp. 296-308.

-Wang, Z., Zhang, N., Cai, G., Li, Q. and Wang, J., (2017), “Assessment of CPTU and static load test methods for predicting ultimate bearing capacity of pile”, Marine Georesources & Geotechnology, 35(5), pp.738-745.