آزمایش‌های استاتیکی شمع
تعیین ظرفیت باربری واقعی شمع‌ها (یا پی‌های عمیق) همواره با دشواری‌هایی همراه بوده است. خواص فیزیکی و مکانیکی منحصر بفرد خاک مانند ناهمگونی، ناهمسانی، وجود آب و ترکیبات مختلف خاک در طبیعت، استعداد خزش، رفتار پیچیده تنش – کرنش از یک‌سو و تنوع شمع‌ها از لحاظ جنس مصالح، شکل مقاطع، روش‌های اجرا، نصب و سایر موارد دیگر موجب پیچیدگی اندرکنش المان سازه‌ای شمع و خاک اطراف آن میشوند. لذا مدل کردن چنین شرایط پیچیده‌ای که متغیرهای مختلفی در آن دخالت دارند، دشوار است. از سوی دیگر، تعیین پارامترهای مدل با دقت مورد نیاز نیز کار دشواری است. این مسأله موجب کاهش دقت درتعیین ظرفیت باربری شده و در نتیجه استفاده از روش‌های تحلیلی را با مشکلات بیشتری مواجه ساخته است. نیاز به طراحی بهینه شمع‌ها پژوهشگران را بر آن داشت که روش‌ها و شیوه‌های دیگری را نیز به عنوان مکمل برای تعیین ظرفیت باربری پیشنهاد نمایند.
تعیین ظرفیت باربری و رفتار نیرو – تغییر مکان شمع (یا پی عمیق) از جمله مهمترین موارد در طراحی و اجرای شمع به شمار میرود. روش‌های مختلف تعیین یا کنترل ظرفیت باربری محوری شمع‌ها را میتوان به چهار دستة کلی تقسیم نمود.
- روش‌های تحلیل استاتیکی (برای تعیین مقاومت‌های نوک و جدار با استفاده از روش‌های مبتنی بر حالت حد نهائی)
- استفاده (مستقیم) از نتایج آزمایش‌های برجا (مانند SPT، CPT و پرسیومتر)
- آزمایش بارگذاری استاتیکی محوری (تا مرحله گسیختگی خاک)
- روش‌های دینامیکی به منظور تعیین ظرفیت استاتیکی (تست‌های دینامیکی مانند PDA و تحلیل‌های دینامیکی مانند WEAP و انطباق سیگنال)
استفاده از هر یک از دسته روش‌های فوق در مراحل مختلف مطالعات مقدماتی، طرح جزئیات، برنامه ریزی اجرا و کنترل کیفیت بنا به تجربه طراح، شرایط ساختگاه، وسعت پروژه، امکانات اجرائی و آئین نامه‌های ملی و تجارب منطقه‌ای تعیین میشود. آنچه مسلم است تصمیم نهائی برای انتخاب ظرفیت باربری شمع تنها بر اساس یک روش گرفته نمی‌شود و بلکه مبتنی بر ترکیبی از دسته روش‌های فوق تعیین میشود.
به هر حال آزمایش بارگذاری استاتیکی به عنوان یک روش قابل اعتماد میتواند در مرحله طراحی و قبل از اجرای شمع‌های اصلی به عنوان شمع آزمایشی، (Test Pile)، یا در حین عملیات اجرا بر روی شمع‌های اصلی برای اطمینان از پیش بینی طرح و همچنین کنترل کیفیت اجرا انجام پذیرد. تعداد، نوع و شرایط آزمایش در هر مرحله از پیشرفت پروژه بستگی به اندازه، اهمیت و سایر شرایط پروژه خواهد داشت که توسط مهندس مشاور ژئوتکنیک طرح تعیین میشود.
آزمایش بارگذاری استاتیکی در طول طراحی شمع
با توجه به اینکه آزمایش بارگذاری معمولاً روی شمع با ابعاد و شرایط شمع واقعی انجام میشود، نتایج آن در مقایسه با سایر روش‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. برای این منظور ممکن است یک یا چند شمع آزمایشی در محدوده ساختگاه اجرا شده و بارگذاری روی آنها انجام شود. در صورت امکان میتوان محل شمع‌های آزمایشی را طوری انتخاب کرد که به عنوان شمع اصلی بکار برده شوند. تعداد شمع‌های آزمایشی، نوع شمع‌ها، روش اجرا و شرایط بارگذاری لازم است توسط مشاور ژئوتکنیک مسئول اجرای طرح انجام پذیرد.
برای این منظور توجه به نکات ذیل ضروری است.
- قبل از انجام آزمایش باید مطالعات ژئوتکنیک در ساختگاه به طور کامل انجام شده باشد.
- نوع شمع، تجهیزات و روش اجرا همانند شرایط اجرای شمع‌های اصلی باشد.
- مراحل اجرای شمع باید با نظارت مشاور ژئوتکنیک و مستند سازی کامل انجام پذیرد.
- شمع‌ها حداقل باید تا ٢٢ برابر بار سرویس و ترجیحاً تا مرحله گسیختگی کامل بارگذاری شوند.
- روش آزمایش و ملحقات آن و نحوه گزارش نتایج طبق توصیه‌های ASTM صورت پذیرد.
- در صورت امکان از نصب میله‌های شاخص (Telltales) و یا سایر انواع ابزار در شمع به منظور تفکیک مقاومت‌های نوک و جدار استفاده شود.
آزمایش بارگذاری استاتیکی در طول اجرای شمع و پس از اجرا
معمولاً آزمایش‌های بارگذاری روی تعدادی شمع در مراحل مقدماتی اجرای شمع انجام میشود. هدف از انجام این آزمایش‌ها حصول اطمینان از باربری ایمن شمع‌ها و همچنین کنترل عملیات اجرایی است. انتخاب شمع‌های آزمایشی توسط مهندس مشاور مسئول ژئوتکنیک طرح و بر اساس مشاهدات رفتاری شمع در حین اجرا انجام می‌پذیرد. همچنین آزمایش‌های کنترلی در طول اجرا و پس از اتمام اجر ا معمولاً به منظور کنترل کیفیت، بازرسی و اطمینان از صحت اجرا انجام میشود. توصیه میشود یک شمع از هر گروه در مواردی که نکات خاصی در حین اجرای شمع، مثلاً تفاوت قابل توجه در لایه بندی خاک، مشاهده شده آزمایش شود.
تعداد کل آزمایش‌های بارگذاری استاتیکی در مر احل مختلف طراحی، اجرا و پس از اجرا، بسته به شرایط ساختگاه، تعداد کل شمع‌ها و نظر مشاور ژئوتکنیک طرح تعیین میشود. به عنوان یک شاخص راهنما میتوان ٢ آزمایش به ازاء هر ١٠٠ شمع را در نظر داشت. در صورت استفاده از آزمایش دینامیک شمع (PDA) میتوان تعداد آزمایش‌های بارگذاری استاتیکی را کاهش داد.
توجه به این نکته ضروری است که نشست شمع‌ها، به ویژه گروه شمع را نمی‌توان از نتایج آزمایش بارگذاری تعیین نمود. حتی اگر آزمایش از نوع آهسته و طولانی باشد نیز محاسبه نشست، به ویژه نشست ناشی از تحکیم، از نتایج آزمایش بارگذاری صحیح نیست.
نحوه انجام آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع
آزمایش بارگذاری استاتیکی محوری فشاری باید مطابق استاندارد ASTM D- ۱۱۴۳ انجام شود. فواصل و دقت‌های توصیه شده در استاندارد به عنوان حداقل‌های لازم تلقی شوند و چنانچه مقادیر بکار گرفته شده کمتر از مقادیر استاندارد باشند مسلماً نتایج قابل قبول نخواهد بود. به عنوان مثال، فواصل توصیه شده بین تیرهای مرجع برای اندازه‌گیری نشست و تکیه‌گاه‌های تیراصلی و شمع آزمایشی، حداقل‌های لازم برای انجام آزمایش بوده و در صورت امکان بهتر است فواصل بیشتری اختیار شوند.
سایر آزمایش‌های بارگذاری یا کنترل کیفیت شمع
در برخی موارد ممکن است نیاز به آزمایش‌های بارگذاری دیگری مانند آزمایش بیرون کشش (Pullout) یا آزمایش بارگذاری جانبی باشد که در این صورت نیز باید آزمایش را طبق استاندارد انجام داد. آزمایش بیرون کشش شبیه به آزمایش فشاری است، اما تهیه نیروی عکس العمل لازم برای آن به مراتب ساده‌تر است.
موارد کاربرد
آزمایش بارگذاری استاتیکی محوری فشاری به شمع‌های عمودی یا مایل که به صورت تکی یا گروهی اجرا میشوند اختصاص دارد و به منظور تعیین پاسخ تک شمع یا گروه شمع نسبت به بار فشاری محوری وارده بکار میرود. این آزمایش بر روی انواع پی‌های عمیق (بدون توجه به روش اجرای آنها) که شبیه به شمع‌ها عمل می‌نمایند، قابل انجام است.
فونداسیون شمعی
رایج‌ترین نوع فونداسیون عمیق شمع‌ها هستند. یک شمع، عضو سازه‌ای نسبتاً بلند، لاغر و ستون مانندی است که با قرار گرفتن در داخل خاک وزن سازه را به خاک زیرین منتقل می‌نماید. شمع در واقع همان ستون است که در داخل خاک مستقر شده است. شمع بارهای وارده از روسازه را در عمق خاک عبور داده و آنرا به خاک مقاومتر (در عمق بیشتر) منتقل میکند. سه نوع فونداسیون شمعی وجود دارد که شامل شمع کوبیدنی، شمع درجا ریخته شده و شمع کوبیده درجا ریخته شده است. فونداسیون شمعی اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح، و چوب هستند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از شالوده‌های سطحی، از آنها برای ساخت شالوده‌های عمیق (شالوده‌های شمعی) استفاده میشود.
وقتی که لایه یا لایه‌های فوقانی خاک دارای قابلیت فشردگی زیاد یا خیلی ضعیف باشند، به طوری که نتوان از شالوده سطحی برای توزیع بار ساختمان استفاده کرد، فونداسیون شمعی برای انتقال بار به لایه تحتانی محکمتر یا سنگ بستر مورد استفاده قرار می‌گیرند. وقتی که بستر سنگی یا لایه محکمتر تحتانی در عمق معقولی از سطح زمین قرار نداشته باشد، از شمع برای انتقال تدریجی بار استفاده میشود. در این حالت، بیشتر مقاومت شمع از طریق نیروی اصطکاک بین سطح تماس شمع و خاک (مقاومت جلدی) تامین میشود. اگر شمع‌ها تحت تاثیر نیروی افقی قرار گیرند، در حالی که هنوز قابلیت حمل بارهای قایم را دارا هستند، می‌توانند به وسیله خمش، نیروهای افقی راحمل نمایند. این وضعیت اغلب در شالوده سازه‌های حایل خاک که وظیفه آنها مقاومت در مقابل فشار جانبی خاک است یا ساختمان‌های بلند که تحت تاثیر نیروی باد یا زلزله قرار دارند، پیش می‌آید.
فونداسیون شمعی کوبیدنی
فونداسیون شمعی کوبیدنی از بتن، فولاد و یا چوب تشکیل شده است. این شمع‌ها باید از قبل ساخته شوند و سپس در محل مورد نظر نصب شوند. زمانی که این شمع‌ها با بتن ساخته شده باشند به آنها نام بتن اطلاق میشود. این شمع‌ها از طریق یک شمع کوب تعبیه میشوند. هنگامی که از شمع‌های کوبیدنی در خاکهای دانه‌ای استفاده میشود، حجم متناظری از خاک برداشته میشود. این امر امکان انقباض خاک در سراسر شمع و همچنین فشرده سازی خاک را ممکن می‌سازد. شمعی که خاک اطراف را متراکم میکند، به عنوان شمع تراکمی شناخته میشود. این فشرده سازی خاک ظرفیت باربری آن را افزایش می‌دهد. خاکهای اشباع از گل و الی و خاکهای چسبنده حاوی ظرفیت زهکشی تحتانی هستند. در نتیجه، این خاکها زمانی که شمع کوبیدنی بر روی آنها کوبیده میشود، فشرده نخواهند شد. آب از خاکی که قرار است تحت فشرده سازی قرار گیرد، باید تخلیه شود. بنابراین تنش‌ها در کناره‌های شمع افزایش یافته و لازم است که این تنش‌ها تنها از طریق آب منفذی انتقال داده شوند. این اقدام با افزایش فشار آب منفذی و کاهش قابلیت باربری خاک همراه خواهد بود.
فونداسیون شمعی درجا ریخته شده
شمع درجا ریخته شده به شمع بتنی معروف هستند. این شمع با حفر سوراخ در زمین و به عمق لازم و سپس پر شدن سوراخ با بتن ایجاد میشود. در صورت نیاز از تقویت کننده‌ها در بتن استفاده میشود. شمع‌هایی با قطر کوچک در پی‌های عمیق استفاده میشوند. شمع درجا ریخته شده شمع به دو صورت شمع‌های مستقیماً حفر شده و یا یک یا چند برآمدگی که باید قالب گیری شوند، وجود دارد. شمع‌ها دارای یک یا چند برآمدگی، به عنوان شمع سر پهن شده شناخته میشود.
شمع کوبیده درجا ریخته شده
شمع کوبیده درجا ریخته شده مزایایی مشابه شمع کوبیدنی و شمع درجا ریخته شده دارد. فرآیند نصب شمع کوبیده درجا ریخته شده به صورت زیر است.
یک لایه فولادی به قطر شمع از طریق یک قالب به داخل زمین هدایت میشود. هنگامی که این لایه در محل مورد نظر قرار گرفت از قالب جدا میشود و بتن ریزی درون آن آغاز میشود. این الیه از ورقه‌های فولادی راهراه نازک و تقویت شده (شمع تک لوله) یا لوله‌های جوش داده شده (لوله‌های جوش شده آرمکو یا لوله‌های بدون درز معمول) تشکیل شده است. این نوع از شمع‌ها نوعی از شمع پوسته‌ای هستند. در نوع بدون پوسته، زمانی که بتن ریزی انجام شد، پوسته برداشته میشود. در هر دو نوع شمع، پایین پوسته به یک قسمت مخروطی که میتواند از پوسته جدا شود، قفل شده است. سر پهن گسترده ممکن است در هر دو نوع شمع با هدایت بتن فراتر از پوسته ایجاد شود. شمع فرانکی (Franki) متعلق به این گروه است. گاهی اوقات، پوسته در جای خود باقی خواهد ماند و درون لوله بتن ریزی میشود. استفاده گسترده از این نوع شمع را میتوان در شمع زنی در آب یافت.
انواع شمع
شمع اتکایی (End-bearing piles)
این شمع‌ها در لایه‌های خاک نرم نفوذ کرده و متکی بر لایه خاک سخت یا سنگ بستر (بخش صلب) هستند.
در این نوع شمع‌ها، نوک شمع روی لایه بسیار مقاوم خاک یا بستر سنگی قرار می‌گیرد. بار سازه از طریق شمع به لایه مقاوم منتقل شود. به معنایی دیگر میتوان گفت که این شمع‌ها مانند ستون عمل میکنند. اصل اساسی این است که نوک شمع روی سطحی قرار دارد که محل تماس لایه ضعیف و قوی خاک است. بنابراین بار سازه از لایه ضعیف عبور کرده و به صورت ایمن به لایه مقاوم خاک منتقل میشود. لازم بذکر است اگر بستر سنگی و یا لایه خیلی متراکم (لایه شبیه سنگ) در عمق منطقی قرار داشته باشد شمع را میتوان تا آن لایه ادامه داد.
باربری شمع بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی در مقابل نوک شمع خواهد داشت. از این رو است که به این نوع شمع‌ها، اتکایی گفته میشود. با تخمین عمق بستر سنگی از روی گمانه‌های حفاری، طول شمع‌ها تعیین میشود. همچنین در صورتی که به جای بستر سنگی لایه سخت و متراکم خاک در عمقی منطقی وجود داشته باشد میتوان شمع را چند متر در این لایه ادامه داد.
شمع اصطکاکی piles Friction
این شمع‌ها بر لایه صلب اتکا ندارند و به وسیله اصطکاک ایجاد شده بین پوسته شمع با خاک اطراف عمل میکنند.
این نوع شمع با اصول دیگری عمل میکند. شمع بار سازه را به واسطه اصطکاکی که تمام طول آن با خاک اطراف دارد به زمین منتقل میکند. به عبارت دیگر تمامی سطح شمع، که به شکل استوانه است، برای انتقال نیروها به خاک، درگیر میشود.
برای اینکه تصور بهتری از عملکرد این نوع شمع‌ها داشته باشید، فرض کنید شما در حال فشار دادن میله ای فلزی به قطر ۴ میلیمتر در درون بستنی تازه (یخ زده) هستید. به محض اینکه میله درون بستنی فرو رفت، این میله توانایی تحمل مقداری بار را خواهد داشت و هر چقدر میزان فرورفتگی بیشتر باشد پس سطح بیشتری از میله درگیر شده و میتواند بار بیشتری را تحمل کند. این مورد بسایر شبیه عملکرد شمع‌های اصطکاکی است. در این نوع شمع‌ها میزان بار قابل تحمل توسط شمع بستگی مستقیم به طول آن خواهد داشت.
دسته بندی انواع شمع‌ها
دسته بندی شمع‌ها از لحاظ نوع جنس
- شمع‌های بتنی (بتن پیش ساخته و یا بتن درجا)
- شمع‌های فولادی
- شمع‌های چوبی (چوب فرآوری شده)
- شمع‌های با مصالح ترکیبی
دسته بندی شمع‌ها از لحاظ نحوه انتقال بار به زمین
- شمع‌های باربری نوک
- شمع‌های اصطکاکی
- شمع‌های با باربری نوک و جداره
- شمع‌های مایل
دسته بندی شمع‌ها از نظر نحوه اجرا
- شمع‌های کوبشی (پیش ساخته)
- شمع‌های درجا
شمع‌های فولادی
انواع معمول شمع‌های فولادی، شمع‌های لوله‌ای و شمع‌های H هستند. شمع‌های لوله‌ای نیز در دو حالت انتهای بسته و انتهای باز به زمین کوبیده میشوند. هر چند که از تیرآهن‌های I و بال بهن نیز میتوان برای شمع کوبی استفاده کرد، ولی تیرآهن‌ها با نیمرخ H به علت مساوی بودن ضخامت بال و جان معمولاً ترجیح داده میشوند.
برای جلوگیری از خوردگی، در روی شمع‌ها میتوان از یک لایه پوشش اپوکسی استفاده کرد. این پوشش که در کارخانه روی شمع‌ها زده میشود، در هنگام حمل و نقل و کوبیدن شمع، به سختی آسیب پذیر است. گاهی مواقع برای جلوگیری از خوردگی شمع فولادی، از پوشش بتنی استفاده میشود.
لایه محافظتی (در برابر عوامل خورنده) روی شمع‌های فولادی اجرا نمی‌شود، چرا که حین عمل راندن شمع به داخل خاک سطح آن دچار خراشیدگی میشود و عملاً دیگر کارایی محافظتی نخواهد داشت. از این رو در محیط‌های خورنده می‌بایست از شمع‌های بتنی استفاده شود.
شمع‌های بتنی
این نوع شمع‌ها به دو دسته تقسیم میشوند.
- شمع‌های بتنی پیش ساخته
- شمع‌های ساخته شده در محل
شمع‌های بتنی پیش ساخته را میتوان تقریباً به هر شکل و اندازه‌ای در کارخانه ساخت. مقاطع معمول این نوع شمع‌ها مربع، دایره و چند ضلعی است. شمع‌های بتنی پیش ساخته معمولاً با طول ۱۸ متر می‌سازند. در سر شمع‌های بتنی پیش ساخته برای جلوگیری از تخریب شمع در موقع کوبیده شدن کلاهک فلزی نصب میکنند.
شمع‌های بتنی نیز یا درجاریز هستند یا پیش ساخته که در این صورت روی تراز زمین ساخته میشوند و با ضربه به داخل زمین رانده میشود. شمع‌های فولادی (Steel Piles) که معمولاً از پروفیل‌های بال پهن هستند نیز می‌توانند به داخل زمین رانده شوند. این نوع شمع‌ها می‌توانند بارهای بسیار سنگینی را تحمل کرده و با صرف زمان کمتری اجرا شوند.
شمع‌های چوبی
شمع‌های چوبی از جمله پر مصرف‌ترین نوع شمع‌ها هستند. این شمع‌ها از تنه درختی با چوب سخت نظیر کاج و بلوط درست شده و دو سر آنها برای جلوگیری از خوردگی شن در موقع کوبیدن با کلاهک فلزی مسلح می‌سازند. شمع‌های چوبی از جمله مقطع دایره‌ای را معمولاً بدون کندن پوست بکار می‌برند تا نیروی اصطکاک حاصله بین سطح جانبی شمع و زمین به حداکثر مقدار ممکنه افزایش یافته و شمع قابلیت تحمل فشار زیادی داشته باشد.
شمع‌ها ممکن است از چوب، بتن یا فولاد ساخته شوند. در قدیم شمع‌های چوبی به عنوان تکیه‌گاه برای سازه‌هایی که روی خاک سست قرار داشتند مورد استفاده قرار می‌گرفت. امروزه نیز شمع‌های چوبی برای ساخت اسکله‌ها استفاده میشوند. برای ساخت این نوع شمع‌ها نیاز به درختانی است که تنه‌ای صاف و مستقیم داشته باشند. از آنجا که نمی‌توان دو تنه درخت را برای ساخت یک شمع در طول به هم متصل کرد، طول شمع‌های چوبی به طول تنه درخت که حدود ۲۰ متر است، محدود میشود. شهر ونیز در ایتالیا به این مشهور است که روی شمع‌های چوبی (در دریا) بنا شده است.
شمع‌های مرکب
در شمع‌های مرکب، قسمت فوقانی و تحتانی شمع از دو مصالح مختلف ساخته میشوند. به عنوان مثال، شمع‌های مرکب ممکن است از فولاد و بتن و یا چوب و بتن ساخته شوند. شمع‌های مختلط فولاد و بتن مرکب از قسمت تحتانی فولاد و قسمت فوقانی بتن درجا هستند. از این نوع شمع وقتی مورد استفاده قرار می‌گیرد که طول شمع لازم برای تامین ظرفیت باربری از ظرفیت باربری بتن درجای ساده تجاوز کند. شمع‌های مختلط چوب و بتن دارای قسمت تحتانی چوبی هستند که به طور دائم در سفره آب زیرزمینی قرار دارند و قسمت فوقانی آنها از بتن است. در هر صورت ایجاد وصله در محل تلاقی دو مصالح مشکل بوده و به همین علت است که شمع‌های مختلط دارای کاربرد وسیعی نیستند.
بررسی فونداسیون شمعی از نظر نحوه انتقال بار
شمع‌های با باربری انتهایی
شمعی که قسمت عمده باربری آن توسط مقاومت مصالح فونداسیون که نوک شمع در روی آن قرار گرفته انجام میشود. از شمع‌های باربری نوک معمولاً در خاک‌هایی استفاده میشود که در آن لایه خاک سفت در زیر لایه فوقانی نرم قرار گرفته است. در صورتی که لایه نرم فوقانی نشست هم نماید شمع در معرض یک نیروی رو به پایین اضافی هم قرار می‌گیرد که شمع باید برای تحمل این نیروها هم طراحی شده باشد.
شمع‌های اصطکاکی
در مواقعی که زمین خوب در اعماق زیاد و دور از دسترس باشد ممکن است شمع‌ها مقاومت خود را از طریق نیروی اصطکاکی که بین سطوح جانبی آنها و زمین به وجود می‌آید کسب میکنند. این نوع شمع‌ها را شمع‌های اصطکاکی می‌نامند. از شمع‌های اصطکاکی اغلب در رس‌های نرم که مقاومت انتهایی کم بوده و احتمال برش سوراخ کننده در نوک شمع وجود دارد استفاده میشود. شمعی که در برابر نیروهای رو به بالا یا برکنش مقاومت م‌کند هم جزو شمع‌های اصطکاکی محسوب میشود.
شمع‌های با باربری نوک و جداره
شمعی که بار را از طریق ترکیب مقاومت جدار و نوک انتقال می‌دهد در این رده قرار می‌گیرد.
شمع مایل
شمعی که با زاویه مایل داخل خاک کوبیده میشود تا مقاومت بیشتری در برابر بارهای جانبی ایجاد نماید.
بررسی فونداسیون شمعی از نظر نحوه اجرا
شمع‌ها یا به داخل خاک کوبیده می شوند یا اینکه پس از حفر چاه در داخل آن به صورت درجا اجرا می شوند. شمع هایی که به داخل خاک رانده می شوند بسته به میزان خاکی که به طرفین می رانند به دو نوع جابجایی کم و جابجایی زیاد تقسیم می شوند. مثال هایی از شمع های کوبشی با جابجایی کم، مقاطع H و لوله های فولادی ته باز هستند. شمع های با جابجایی زیاد هم شمع های با مقاطع پر همانند شمع های چوبی یا بتنی پیش ساخته و لوله های فولادی با انتهای بسته هستند. . ظرفیت باربری یک شمع بستگی به مقاومت شمع و مقاومت خاک زیرین دارد. تخمین ظرفیت باربری شمع ها بسیار پیچیده است. ظرفیت باربری شمع ها را می توان توسط تحلیل های استاتیک، تحلیل های دینامیک یا آزمایش های بارگذاری بدست آورد. در تحلیل های استاتیکی که اغلب برای طرح اولیه استفاده می شود، ظرفیت باربری بر مبنای ملاحظاتی همچون مقاومت خاک، هندسه شمع، مقاومت کف، مقاومت جداری، اثر گروه، وجود لایه باربر و ……….. بدست آورد.
در شمع های بلند لاغر، مقاومت نوک شمع دارای اهمیت کمی می باشد در نتیجه این شمع ها معمولاً به صورت اصطکاکی عمل می نمایند هرچند در خاک های رسی بیشتر مقاومت توسط چسبندگی تامین می شود. تخمین طول شمع همواره کار راحتی نیست. چنانچه شمع ها از نوع باربری نوک بوده و در روی مصالح سخت سنگ مانند قرار گرفته باشند، در این حالت طول شمع مشخص بوده و شمع همانند یک ستون کوتاه عمل می نماید که می توان اثر خاک نرم اطراف آن را در نظر نگرفت. بنابراین اندازه شمع بستگی به ظرفیت باربری مصالح باربر کف و مقاومت شمع دارد. اما زمانی که خاک باربر سختی وجود ندارد، باید از شمع های اصطکاکی استفاده نمود. در این حالت طول شمع بستگی به اندازه شمع و مقاومت جداری در طول شمع دارد که این مقاومت خود بستگی به مقاومت برشی خاک یا چسبندگی رویه شمع دارد. بعضی وقت ها نیز شمع ها پس از عبور از یک لایه خاک نرم و برخورد با یک خاک سخت چندین متر در داخل این خاک ادامه یافته و به صورت یک شمع اصطکاکی –باربری کف عمل می نماید. شمع های کوتاه را می توان داخل خاکهای دانه‌ای کوبید تا خاک نزدیک سطح زمین متراکم شود. چنین شمع هایی را شمع های تراکمی می گویند. از شمع ها معمولاً به صورت گروهی استفاده می شود به طور مثال می توان از سه شمع برای تحمل وزن یک ستون با بار سنگین استفاده نمود. برای توزیع مناسب بارها از روسازه به شمع ها معمولاً از یک کلاهک بتنی یا همان سرشمع استفاده می شود. یک گروه متشکل از چندین شمع را می توان با هر نوع آرایشی در زیر ستون، دیوار یا فونداسیون های مرکب استفاده نمود. معمولاً برآیند نیروهای شمع ها با برآیند بارهای وارده منطبق است. فاصله شمع ها باید به اندازه ای باشد که ظرفیت باربری هر شمع منفرد کاهش پیدا نکند در غیر اینصورت رفتار گروهی باید در نظر گرفته شود.
در صورتی که گروه شمع در معرض نیروهای جانبی بوده و مقاومت جانبی شمع های قائم پاسخگوی نیروی جانبی نباشد، آنگاه باید از شمع های زاویه دار یا مایل استفاده شود. علاوه بر این در صورتی که نیروهای لنگر واژگونی نیز قابل توجه باشد، آنگاه شمع ها باید در مقابل نیروی کششی هم مقاومت نمایند.
اجرای پی با شمع (پی‌های عمیق)
شمع اساساً یک استوانه طولانی (یا مقاطعی با اشکال دیگر) از مصالحی با مقاومت بالا، از جمله بتن می باشد که در خاک رانده و یا در آن اجرا می شود تا به عنوان تکیه گاهی محکم برای سازه ساخته شده روی آن عمل کند. توضیح اینکه پی های اجرا شده با شمع به عنوان فونداسیون برای دیوار یا ستون روی آن ایفای نقش می کند، به طوری که تکیه آنها روی شمع های زیرین می باشد.
پی‌های اجرا شده با شمع در مواقع زیر استفاده میشوند.
- لایه رویی خاک، سست است. این لایه توانایی تحمل وزن سازه را نداشته بنابراین بارهای وارده از سازه می‌بایست از این لایه (از طریق شمع) عبور کرده و به لایه مقاومتری از خاک منتقل شود که زیر لایه سست خاک قرار دارد.
- زمانی که سازه بسیار سنگین است، به عنوان مثال در ساختمان‌های بلند مرتبه، پل‌ها و یا مخازن آب و …
- تراز آب زیرزمینی در خاک زیرین افت یا خیز زیادی داشته باشد.
- پمپاژ آب از لایه خاک زیرین جهت خشک اندازی گود حفاری شده برای احداث فونداسیون، بسیار هزینه بر باشد.
- اجرای پی گسترده بسایر هزینه بر و یا در عمل غیر ممکن باشد.
- طول شمع‌ها بسیار زیاد برآورد شود (فراتر از ۳۰ متر).
- سازه روی ساحل دریا و یا بستر رودخانه مکانیابی شده باشد.
- شمع‌ها به عنوان مهار استفاده شوند. توضیح اینکه ممکن است آنها برای تحمل نیروهای جانبی و یا فشارهای uplift طراحی شده باشند.
در مجموع پی‌های اجرا شده با شمع توانایی تحمل بارهای بیشتری را نسبت به پی‌های معمولی (پی‌های سطحی) دارند. شمع‌ها ممکن است به صورت تک و یا گروهی در زیر پی‌ها اجرا شوند.
چگونگی استفاده از شمع‌ها
از آنجا که پی‌های شمعی میزان بار زیادی را تحمل میکنند، می‌بایست با دقت طراحی شوند. یک طراح می‌بایست با مطالعه خاک محل اجرا، در مورد میزان ظرفیت باربری آن اطمینان حاصل کند تا بیش از آن حد بارگذاری نشود.
هر شمع ناحیه تاثیری در خاکی که آن را احاطه کرده دارد. از این رو می‌بایست فضای کافی بین شمع‌ها در نظر گرفته شود تا بارها به طور مساوی در حباب خاکی که آن را تحمل میکند توزیع شود و نه به صورت متمرکز در نقاط محدودی از خاک زیرین.
مهندسان معمولاً تعدادی از شمع‌ها را به صورت گروهی در نظر گرفته و روی آنها را کلاهک شمع (سر شمع یا Pile Cap) قرار می‌دهند. کلاهک شمع، دال بتنی ضخیمی است که روی گروهی از شمع‌ها اجرا میشود و به عنوان شالوده‌ای برای ستونی که روی آن اجرا میشود، عمل خواهد کرد. در آن صورت بار وارده از ستون توسط تمامی شمع‌ها در خاک زیرین توزیع میشود.
شمع‌ها چگونه ساخته میشوند
شمع‌های پیش ساخته ابتدا در تراز زمین ساخته میشوند و با ضرباتی به داخل زمین رانده میشوند. این ماشین شمع‌ها را کاملاً قائم (شاقول) نگاه داشته و با ضربات متوالی آن را مرحله به مرحله به درون زمین می‌راند. در هر ضربه، وزنه سنگینی بالا برده شده و روی شمع رها میشود (شمع در این شرایط به صورت موقت با کلاهکی فولادی پوشانده میشود تا در اثر ضربه آسیب نبیند).
شمع‌های بتنی درجاریز بدین صورت اجرا میشوند که ابتدا چاهی در زمین به صورت دستی و یا ماشینی حفر شده و سپس سبد آرماتور درون آن قرار می‌گیرد و در مرحله بعدی بتن ریزی می شود.
بررسی تاثیر مشخصات هندسی لایه روانگرا در رفتار پی‌های شمعی
جابه‌جایی‌هــای ناشــی از روانگرایــی باعــث خســارت‌های عمــده‌ای بــه زیرســاخت‌ها، ماننــد ســاختمان‌ها، پل‌هــا، لوله‌هــای مدفــون و … می‌شــود. وقتــی ســطح زمیــن دارای شــیب باشــد امــکان وقــوع پدیــده گســترش جانبــی در خاک‌هــای روانگـرا وجـود دارد کـه باعـث جابه‌جایی‌هایـی تـا حـد چنـد متـر نیـز می‌شـود. بـا توجـه بـه کاربـرد وسـیع پی‌هـای شـمعی، ایمنـی شـمع‌ها در زمـان زلزلـه از اهمیـت ویـژه‌ای برخـوردار اسـت. مطالعـات پـس از وقـوع زلزلـه در خـاک روانگـرا نشـان داده کـه هـم نیـروی ناشـی از سـازه و هـم اندرکنـش سـینماتیکی بیـن شـمع و خـاک نقـش مهمـی در رفتـار مکانیکـی شـمع‌ها دارد، در نتیجـه بایـد تحلیـل براسـاس اندرکنـش شـمع – خـاک – سـازه صـورت گیـرد.
زلزلـه سـبب پدیده‌هایـی ماننـد سـونامی، حرکـت زمین و روانگرایــی می‌شــود. در زلزله‌هــای بــزرگ، وجــود لایه روانگـرا سـبب آسـیب‌های جـدی به پی‌های شـمعی شـده اسـت. جابه‌جایـی ایجـاد شـده در اثـر پدیـده روانگرایـی بـه عواملـی ماننـد مشـخصات زلزلـه، شـیب زمیـن، نـوع خــاک، مقــدار ریزدانه‌هــا، ضخامــت لایه روانگــرا و … بســتگی دارد. گســیختگی پی‌هــای شــمعی در خــاک روانگــرا در اثــر زلزلــه موجــب پژوهش‌هــای فراوانــی در ایــن زمینــه شــده اســت. پدیــده گســترش جانبــی ســبب جابه‌جایــی زیــاد شــمع‌ها و در نتیجــه باعــث ســقوط عرشــه یکــی از دهنه‌هــا شــده اســت.
راهکارهای عملی طراحی شمع‌ها
- اطلاعات لازم و مکفی از شرایط ژئوتکنیکی محل
- شناخت دقیق نیروها و لنگرهای وارده از روسازه از نظر نوع، مقدار و جهت و اولویت بندی آنها
- شناخت عوامل محیطی از نظر آثار کوتاه مدت و دراز مدت بر مصالح شمع
- شناخت وضعیت پیرامون پروژه برای تصمیم گیری در مورد شیوه اجرای شمع
- انتخاب نوع شمع
- بررسی امکان پذیری ساخت وتولید شمع برای پروژه و محدودیت های ابعادی
- برگزیدن روش نصب شامل کوبشی، چکش زدن، در جا ریختن و …
- تعیین عمق مدفون شمع با توجه به شرایط خاک، بارهای موجود و امکانات اجرایی
- آرایش شمع های گروهی و تعیین نحوه عملکرد گروه و توجه به نکات مؤثر در طراحی از جمله تداخل شمع، ضریب کارایی، …
- تعیین توان کاربری شمع (تکی یا گروهی) با استفاده از تحلیل های معتبر استاتیکی
- تعیین توان باربری شمع با استفاده از آزمایشات درجا یا آزمایشات دینامیکی و تدقیق توان باربری
- دخالت دادن عوامل مؤثر پیرامونی برتوان باربری بدست آمده
- کنترل و ارزیابی نشست سیستم شالوده
- طراحی سازه ای شمع و کلاهک سر شمع
- انجام آزمایشات عملی بار گذاری استاتیکی یا دینامیکی(در صورت لزوم و صلاحدید) به منظور اطمینان از صحت اجرا و عدم آسیب دیدگی شمع ها در حین اجرا
- تعیین ضریب اطمینان
-
طراحی فونداسیون
طراحی فونداسیون بخش مهمی از طراحی یک سازه را تشکیل می‌دهد و از این رو توجه کافی و کامل به آن جزو اولویت‌ها محسوب میشود. در طراحی و اجرای اولین برج‌های انتقال نیرو، فونداسیون‌ها هم در امتداد با پایه‌های برج در خاک فرو می‌رفتند بدون آنکه توجه زیادی به شرایط خاک، معطوف شود. بعدها با افزایش وزن و اندازه برج‌ها، فونداسیون‌ها نیز تغییر نموده و به صورت گریلاژهای فولادی در آمدند. اما گریلاژهای فولادی اغلب دچار خوردگی می‌شدند و به همین دلیل استفاده از بالشتک‌های بتنی به جای گریلاژهای فولادی ترجیح داده شد. در این حالت قسمت کوچکی از نبشی در داخل ستون بتنی روی بالشتک فرو می‌رفت و انتقال بار از این طریق میسر می‌شد. سستی خاک، تداخل خط با رودخانه و عوامل مشابه دیگر که استفاده از فونداسیونهای معمولتر را غیرممکن می‌ساخت توجه طراحان را به فونداسیونهای عمیق مانند شمع را جلب نمود.
طراحی فونداسیونهای خطوط انتقال نیرو
فونداسیونهای خطوط انتقال نیرو به علت نقش مهمی که در نگهداری و امنیت مجموعه دارند دارای اهمیت فراوان بوده و طراحی و نظارت بر اجرای صحیح آنها به توجه خاصی نیاز دارد. همچنین با توجه به هزینه نسبتاً بالای احداث فونداسیون برج‌ها که حدود ده درصد هزینه احداث خط را شامل میشود، طراحی اقتصادی آنها کمک قابل توجهی به کاهش هزینه‌ها خواهد کرد. به دلیل قرارگیری فونداسیون‌ها در بستر خاک، مشخصه خاکهای مسیر عبور خطوط نیرو عامل مهمی در طراحی و تعیین ابعاد فونداسیون است. با توجه به وجود طیف وسیعی از خاکها در مسیر یک خط، لازم است با دسته‌بندی‌های مناسب، اقدام به طراحی و ساخت فونداسیونهای مناسب با نوع خاک مسیر نمود. اصول اولیه طراحی فونداسیون بر این مبناست که زمین زیر پایه برج بتواند نیروهای وارد بر آن را به گونه‌ای مناسب تحمل نماید. از طرفی لازم است وزن فونداسیون و خاک روی آن در مقابل نیروهای کششی که تمایل به بیرون کشیدن فونداسیون از زمین را دارند، مقاومت نماید.
شرایط زمین
یکی از اساسی‌ترین اصولی که در طراحی فونداسیون برج‌های انتقال نیرو در نظر گرفته میشود، شرایط زمین مورد استفاده است. نوع زمین نقش مهمی در انتخاب نوع و ابعاد فونداسیون دارد. طراحی فونداسیون بستگی به طبیعت بارهای وارده و وضعیت خاکی دارد که بار را تحمل می‌نماید. روش‌های مختلفی برای جمع آوری اطلاعات مربوط به خاک وجود دارد. انتخاب هر یک از این روش‌ها بستگی به هزینه آن و نسبت این هزینه به کل هزینه دارد. وسعت آزمایشات مکانیک خاک، تعداد، عمق و موقعیت گمانه‌ها بوسیله طراح تعیین میشود. بسته به موقعیت توپوگرافی و جغرافیایی معمولاً در طول خط گمانه‌هایی درمحل برج زاویه اصلی یا در هر یک کیلومتر خط یا در محل هر برج لازم است.
ظرفیت باربری خاک و نشست مجاز
فونداسیون یک سازه باید به نحوی طرح و محاسبه شود که در اثر انتقال بارها به زمین مقدار تنش‌های ایجاد شده در سطوح مختلف خاک از میزان معین تجاوز نکند. انتقال فشارهای زیاد از حد باعث نشست زیاد فونداسیون، فرو رفتن ناگهانی آن در اثر ایجادسطوح لغزش و جابجاشدن خاکهای زیر فونداسیون میشود.
طراحی فونداسیون‌ها
فلسفه طراحی بایستی مرتبط با قواعد و اصول حاکم بر طراحی برج‌ها باشد. همچنان که فونداسیون ضعیف طراحی صحیح برج را بی‌فایده می‌نماید. طراحی یک فونداسیون قوی برای برج ضعیف اتلاف هزینه است. فونداسیون باید مقاوم و پایدار بوده و بارهای مرده و زنده که باعث رانش عمودی میشوند و نیز نیروهای بالابرنده و عکس‌العمل‌های افقی را تحمل نماید. همچنین فونداسیون باید قادر به انتقال نیروها به خاک باشد به طوری که حاشیه‌ای مناسب بین ظرفیت نهایی خاک و فشار وارده وجود داشته باشد.
نشست و چرخش فونداسیون بایستی کمتر از حد مجاز شود. حدود نشست و تغییر مکان مجاز، بستگی به شکل و طبیعت برج دارد. نشست زیاد باعث تنش‌های ثانویه قابل توجه در اعضا و خرابی برج میشود. به طور کلی نسبت عرض پایه‌ها و ارتفاع، تغییر مکان مجاز فونداسیون را مشخص می‌نماید. برج‌هایی که پایه‌های عریض داشته باشند، نشستی معادل ۲۰ تا ۲۵ میلیمتر را بدون فشار زیاد تحمل می‌نمایند. علاوه بر اینها می‌بایستی در مقابل کشش یا نیروهای بالابرنده قدرت نگهداری لازم وجود داشته باشد. به طور خلاصه در یک طرح مناسب باید به نکات زیر توجه نمود.
- شکل و محل فونداسیون به نحوی انتخاب شود که ایمنی اطراف آن در مقابل تحولات قابل پیش‌بینی برقرار باشد.
- تنش‌هایی که فونداسیون بر زمین زیرین خود اعمال میکند در محدوده‌ای باشد که گسیختگی در آن پدید نیاید.
- فونداسیون از لحاظ اقتصادی دارای بهترین ابعاد باشد، به طوری که کمترین مقدار بتن و فولاد در آن بکار رود.
طراحی برای مقاومت
آنالیز پایداری شامل کنترل واژگونی و شکستگی فونداسیون در اثر چرخش، سرخوردن، افزایش فشار خاک نسبت به مقاومت نهایی و از جا درآمدن فونداسیون است. طراحی برای مقاومت نیز عبارت است از قرار دادن صحیح اجزاء به نحوی که فونداسیون بتواند لنگر، برش، کشش و فشار ناشی از نیروهای وارده را به نحو مطلوب تحمل نماید.
انواع فونداسیون‌ها در طراحی فونداسیون خطوط انتقال نیرو
بالشتک بتنی همراه با ستون
این نوع فونداسیون ساده‌ترین نوع فونداسیون خطوط بوده که از یک بالشتک بتنی ساده و ستون روی آن تشکیل شده است. ابعاد و عمق فونداسیون بر اساس سطح لازم برای تحمل نیروهای قائم رو به پایین، مقاومت در برابر نیروهای بالا برنده و مسائل مربوط به برش تعیین میشود. نبشی‌های ریشه در داخل بتن قرار می‌گیرند و به وسیله نبشی‌ها و میله‌هایی در انتها مهار میشوند. ترکیب ستون و نبشی مانند یک عضو مختلط عمل میکند. در نوع پلکانی باید با دقت زیادی بصورت هرمی یا پلکانی اجرا شوند. در حفظ پیوستگی لایه‌ها (پله‌ها) مبذول شود. مخارج قالب‌بندی در نوع هرمی بیش از نوع پلکانی است. در این نوع فونداسیون ستون لاغر است و بارهای جانبی در آن تولید لنگر خمشی می‌نمایند، بنابراین لازم است ترکیبی از نیروهای کششی، برشی و خمشی در طراحی این نوع فونداسیون مد نظر قرار گیرد.
گریلاژ فولادی
گریلاژهای فولادی به شکل‌های مختلف طراحی میشوند. در نوع مرسوم آن، گریلاژ فولادی معمولاً از یک لایه تیرهای فلزی بصورت بالشتک تشکیل میشود. عکس‌العمل فونداسیون توسط تیرچه‌های سنگینتر یا ناودانی‌های متقاطع به برج منتقل میشود. در برج‌های کوچکتر، برش افقی فونداسیون ناشی از مؤلفه افقی نیرو در اعضای قطری، توسط صفحات برشی که ضخامت و بزرگی لازم را دارا باشند به خاک منتقل میشود. نقطه‌ای که اعضای قطری پایه، یکدیگر را قطع میکنند معمولاً یک متر پائینتر از سطح خاک قرار دارد. در برج‌های سنگین مثل برج‌های زاویه و انتهایی، نیروهای جانبی و برشی با اضافه کردن اعضای مهاری مناسب به تیرهای گریلاژ انتقال داده میشوند. برای احتیاط یک لایه پوشش بیتیوماستیک به قسمت بالای فونداسیون زده میشود تا از خوردگی محافظت شود. وقتی خاکریز به اندازه کافی متراکم شود (به طوری که حباب‌های هوا کاملاً خارج شوند) قسمت‌های تحتانی از تخریب محافظت میشوند. استفاده از فولاد گالوانیزه نیز امکان خوردگی را از بین می‌برد ولی هیچ کدام از این عوامل در مواردی که خاک از لحاظ شیمیائی فعال باشد مانع از خوردگی نخواهد شد. در مواقعی که در مورد جنس خاک تردید وجود دارد، بهتر است قبل از اینکه فونداسیون بصورت گریلاژ طراحی شود، خاک مورد آزمایش قرار گرفته و میزان خورندگی آن مشخص شود.
فونداسیون گریلاژ نسبت به فونداسیون بتنی به فولاد بیشتری نیاز دارد اما هزینه آن جزئی از هزینه ساخت فونداسیون بتنی را تشکیل می‌دهد که باعث اقتصادی شدن و تسریع در کار میشود. مزیت دیگر این فونداسیون آن است که میتوان فونداسیون را همراه با سایر اعضای برج بصورت پیشساخته از سازنده تحویل گرفت.
فونداسیون سطحی منفرد
فونداسیونهای سطحی منفرد به انواع مختلفی تقسیم میشوند. دو نوع متداول آن که به صورت‌های معمولی و شیبدار اجرا شده‌اند. در نوع پدستالی شیبدار، محور پدستال در امتداد محور پایه برج قرار دارد. مانند گریلاژ، فونداسیون بالشتک و ستون روی آنها، این مسئله باعث حذف برش در پدستال میشود و لنگر واژگونی به لنگر ناشی از مؤلفه افقی نیرو در عضو قطری متصل به بالای پدستال محدود میشود. این برش افقی یا به خاک مجاور منتقل میشود یا در بیشتر موارد پدستال به صورت یک تیر کنسولی طرح میشود. فونداسیون منفرد برای انواع مختلف خاک قابل استفاده است. وقتی خاک زیر فونداسیون ضعیف باشد و قابلیت انتقال بار را نداشته باشد، از شمع استفاده میشود. فونداسیونهای منفرد از تمام انواع فونداسیون‌ها گرانتر هستند ولی از لحاظ سازه‌ای بهترین نوع هستند. اگر فونداسیون بطور صحیح زیر بارهای وارده قرار گیرد امکان ضعیفی برای شکست هر قسمت وجود دارد.
فونداسیون استوانه‌ای
فونداسیون استوانه‌ای که به صورت در جا در محل ریخته میشود به شکل وسیعی در خطوط نیرو مورد استفاده قرار می‌گیرد مزیت اصلی این فونداسیون صرفه جویی در زمان و نیروی انسانی است. معمولاً یک متۀ موتوری که روی کامیون نصب میشود حفرهای به قطر لازم ایجاد می‌نماید. قسمت انتهایی فونداسیون را میتوان برجسته (زنگوله‌ای) ساخت تا مقاومت آن در مقابل نیروهای اعمالی افزایش یابد قطر حفره تا ۱ متر و عمق آن به ۶ متر می‌رسد. جداره‌های حفره نباید قبل از کارگذاری میلگردها ریزش کنند. بنابراین همه انواع خاک برای این نوع فونداسیون مناسب نیستند. معمولاً رس محکم یا شن متراکم خاکهای نسبتاً خوبی محسوب میشوند در حالی که مصالح دانه‌ای سست تا زمان برپا شدن فونداسیون مشکل ساز خواهند بود. دوغاب بنتونیتیی یا مصالح مشابه برای پایدار کردن جدار حفره بکار میروند اما این مصالح اصطکاک لازم را از بین می‌برند. در خاکهای نرم میتوان یک غلاف فلزی در حفره قرارداد تا در حین عملیات حفاری، حفره باز بماند. مقاومت در مقابل نیروهای بالا برنده در فونداسیون استوانه‌ای بدون برجستگی انتهایی توسط اصطکاک جانبی فونداسیون با خاک اطراف و وزن فونداسیون تأمین میشود. از این رو مقاومت در برابر نیروهای بالابرنده محدود است. در خاکهای دانه‌ای غیر متراکم، اجرای فونداسیون بدون غلاف دائمی باعث متخلخل شدن بتن در اثر از دست دادن آب داخل آن میشود. فونداسیون استوانه‌ای را میتوان بر حسب مورد قائم یا مورب ساخت یا اینکه چند برجستگی در نقاط مختلف آن پیش‌بینی کرد.
فونداسیون به صورت تزریق ملات در سنگ
این نوع فونداسیون که در سنگ مهار میشود برای زمین‌هایی که از لایه‌های سنگی تشکیل شده‌اند مناسب است و بر حسب اینکه مقاومت لازم در مقابل نیروهای بالا برنده چه مقدار باشد از یک یا چند مهار تشکیل میشود. ساختمان فونداسیون با حفاری یک سوراخ بقطر ۱۰۰ الی ۱۵۰ میلیمتر تحت زاویه مناسب شروع میشود. در همین حال مهار کار گذاشته میشود و ملات ماسه سیمان که به آن مواد افزودنی منبسط کننده اضافه شده تزریق میشود.
در مورد برج‌های سنگین که سطح مقطع مهار کافی نیست، قلاب‌های اضافی به نبشی پایه برج وصل شده و به سنگ مهار میشوند. در این حالت معمولاً یک حفره نسبتاً بزرگ در سنگ حفر شده و به منظور کاهش مقدار بتن مصرفی و افزایش کارایی سعی میشود حتی‌المقدور کناره‌های حفره قائم باقی بمانند. این فونداسیون از لحاظ قیمت ارزانتر از سایر فونداسیون‌هایی است که در خاکهای معمولی ساخته میشود. مشکل اساسی این نوع فونداسیون عدم امکان تعیین جنس سنگ در محل و انتخاب صحیح مصالح قبل از اتمام آزمایشات کامل مکانیک خاک است. مقاومت مهار بستگی به چسبندگی بین ملات و میل مهارها دارد و اغلب توسط آزمایش تعیین میشود.
فونداسیونهای پیشساخته
با توجه به اینکه معمولاً در محل نصب برج نمی‌توان بتن با کیفیت مناسب تهیه کرد، این نوع فونداسیون بصورت مسلح یا پیش‌تنیده در کارخانه ساخته میشود. در برخی کشورها، فونداسیون منفرد بصورت پیشساخته و مسلح ساخته شده و به راحتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزایای فونداسیونهای پیش ساخته به شرح زیر است.
- کنترل بهتر کیفیت بتن و ساخت
- صرفه‌جویی در نیروی کار
- استفاده مجدد از قالب و استفاده اقتصادی از مصالح بعلت شرایط کار در کارخانه
مشکل اساسی در استفاده از فونداسیونهای پیشساخته، محدودیت در حمل و نقل و امکانات موجود برای نصب آن در محل است. برای غلبه بر این مشکلات، فونداسیون باید بصورت اجزای جداگانه ساخته شود و سپس به کارگاه حمل و در آنجا سوار شود.
فونداسیون با شمع
شمع‌ها اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح و چوب هستند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از فونداسیونهای سطحی، از آنها برای ساخت فونداسیونهای عمیق (فونداسیونهای شمعی) استفاده میشود. مخارج احداث فونداسیونهای شمعی خیلی بیشتر از فونداسیونهای سطحی است. علیرغم مخارج بیشتر، در عمل موارد متعددی وجود دارد که برای ایمنی سازه در مقابل نشست و عوامل دیگر، از فونداسیونهای شمعی استفاده میشود.
شمع اتکایی
اگر بستر سنگی و یا لایه شبیه سنگ (خیلی متراکم) در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را میتوان تا آن لایه ادامه داد. دراین حالت ظرفیت باربری شمع کاملاً بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی در مقابل نوک شمع خواهد داشت. به همین علت، این شمع‌ها را اتکایی می‌نامند. در چنین حالتی با توجه به معلوم بودن عمق بستر سنگی از روی گمانه‌های حفر شده، تعیین طول شمع کار چندان مشکلی نخواهد بود.
شمع اصطکاکی
در صورتی که عمق بستر سنگی یا لایه شبیه به سنگ زیاد باشد، طول لازم برای شمع اتکایی غیراقتصادی خواهد شد. در چنین شرایطی شمع به عمق مناسبی در لایه نرم فوقانی بدون اینکه به لایه سخت برسد، کوبیده میشود. از آنجایی که مقاومت اتکایی نسبتاً کوچک است، ظرفیت باربری نهایی شمع به ظرفیت باربری اصطکاکی محدود میشود. انتخاب نام اصطکاکی برای این شمع‌ها، از آنجا ناشی میشود که اکثر مقاومت آنها به وسیله اصطکاک جدار تأمین میشود. البته این نام بعضی مواقع میتواند گمراه کننده باشد، زیرا مقاومت شمع‌هایی که در لایه رسی کوبیده میشوند، بستگی به چسبندگی بین جدار شمع و رس دارد.
شمع تراکمی
در بعضی موارد شمع‌ها به منظور بوجود آوردن تراکم مناسب در لایه‌های سطحی در خاکهای دانه‌ای کوبیده میشوند. این شمع‌ها به شمع‌های تراکمی موسومند. طول شمع‌های تراکمی به عوامل زیر بستگی دارد.
- تراکم نسبی خاک قبل از تراکم
- تراکم نسبی مورد نیاز بعد از تراکم
- عمق لازم برای تراکم
اثر گروهی شمع بر روی ظرفیت باربری شمع‌ها
معمولاً شمع‌ها بصورت گروهی به کار میروند. به این ترتیب که یک فونداسیون یا سر شمع در بالای آنها قرار گرفته و بارها را به شمع‌ها منتقل میکند. با توجه به تأثیری که شمع بر خاک اطراف خود دارد، امکان تداخل این اثرات در گروه شمع وجود داشته و باعث کم شدن مقاومت نهایی گروه شمع خواهد شد.
عملیات خاکی
عملیات خاکی شامل تمامی کارهای لازم برای تمیز کردن بستر و حریم راه، خاکبرداری و خاکریزی خاک، سنگ یا سایر مصالح، از مسیر یا محدوده راه در منطقه عملیات طرح، طبق نقشه‌های اجرایی یا برابر دستورات دستگاه نظارت است.
پاک کردن و ریشه کنی بستر و حریم راه
عملیات پاک کردن و ریشه کنی بستر حریم راه شامل برداشتن و به دور ریختن هرگونه مواد و مصالح زائد، نباتات و اشجار، ساختمان و ابنیه و هرگونه مانعی در تمامی حریم راه، مسیر کانال‌ها و آبروها، محل احداث پل و ابنیه فنی و هر ناحیه و منطقه دیگری که در نقشه‌های اجرایی مشخص شده است. پاک کردن و ریشه کنی بستر و حریم راه باید قبل از هرگونه خاکبرداری یا خاکریزی شروع شده و پایان یابد.
حفظ و حراست اقلامی که باید نگهداری شوند
باید دقت کافی و مراقبت لازم به عمل آید که تأسیسات و ابنیه فنی مفید یا جدیدالاحداث راه و نیز تأسیسات و تجهیزات دیگر مانند لوله‌های آب، گاز، نفت، کابل برق، تلفن، تأسیسات نظامی و غیره که در مسیر راه یا مجاورت آن قرار گرفته حفظ و حراست و نگهداری شده و هیچ گونه آسیب و صدمه‌ای از عملیات پیمانکار به آنها وارد نشود. در مورد درختان و اشجار، فقط درختانی که روی نقشه‌ها نشان داده شده یا طی صورت جلسه مصوب مشخص شده باشند باید در صورت امکان جابه‌جا و در غیر این صورت قطع و ریشه کنی و از مسیر راه دور شوند. پیمانکار باید دقت نماید که در اثر اجرای عملیات به سایر درختان صدمه و آسیبی وارد نشود.
روش‌های اجرایی
سطوح و مناطقی که در نقشه‌های اجرایی یا دستور کارها به عنوان پاک کردن و ریشه کنی مسیر و حریم راه تعیین شده، باید توسط دستگاه نظارت یا دستگاه اجرایی قبل از شروع عملیات پاک کردن و ریشه کنی، میخکوبی و مشخص شود. عمل پاک کردن و ریشه کنی باید در تمام طول مسیر طبق نقشه‌های اجرایی به صورت مشروحه زیر انجام شود.
- پاک کردن مسیر و حریم راه شامل تمیز کردن، برداشتن خاکهای نباتی و جابه‌جایی یا قطع و ریشه کنی کامل درختان، بیرون آوردن ریشه‌های خشکیده و بدون تنه و هر گونه درختچه، نهال، بوته، علف، چپر، حصار، چینه، زباله و آشغال، ابنیه، موانع و سایر مواردی که به نظر دستگاه نظارت یا کارفرما وجود آن برای پی‌ها یا زیرسازی وروسازی راه نامناسب تشخیص داده شود از حریم راه و راه‌های ورودی و خروجی، راه‌های دستیابی، مسیر کانال‌ها و آبروها و محل احداث ابنیه فنی، است.
- خاکهای نباتی که غیر قابل مصرف در خاکریزی است باید از بستر و حریم راه برداشته شده و در محل‌هایی که دستگاه نظارت مشخص میکند ذخیره شود. بدیهی است چنانچه طبق نقشه‌ها یا تشخیص دستگاه نظارت این خاکها قابل مصرف برای پوشش نباتی شیروانی‌های خاکی نباشد میتواند مورد استفاده زارعین قرار گیرد.
- سطوح طبیعی که پایین تر از بستر روسازی قرار گرفته اند طبق نظر دستگاه نظارت باید ریشه کنی کامل تا عمق لازم انجام شده و بقایای ریشه‌ها، علف‌ها، رستنی‌ها و هرگونه مواد و مصالح نامناسب دیگر نیز از زمین کنده و به دور ریخته شود تا احتمال مدفون شدن زیر خاکریز و حریم راه را نداشته باشد.
- چنانچه در حریم راه تأسیساتی مانند تیرهای تلفن، تلگراف یا برق، لوله کشی آب، فاضلاب، نفت، گاز، لوله‌های سیمانی یا سایر تأسیسات مشابه وجود داشته باشد که باید از مسیر برداشته شود یا تغییر مکان داده شوند، پیمانکار باید مراتب را به موقع به کارفرما و دستگاه نظارت جهت هرگونه اقدام مقتضی کتباً اطلاع دهد.
- چنانچه در حریم راه، قنات یا چاه‌های آب دایر وجود داشته باشد، پیمانکار باید برای تغییر محل چاه آب و تغییر مسیر قنات، با در نظر گرفتن آنکه آب چاه یا قنات از بین نرود اقدام، و برای چاه‌های خشک و قنات‌های متروکه با توجه به جهات ایمنی پیشنهادی تهیه و برای اظهار نظر کارفرما و دستگاه نظارت ارسال نماید.
خاکبرداری و خاکریزی
احداث خاکریز یا بالا آوردن بستر راه با خاک و سنگ حاصله از برش‌ها یا با مصالح قرضه موضعی، جانبی یا منتخب، آماد‌ه‌سازی بستر زمین طبیعی برای ریختن، پخش و کوبیدن مصالح بر روی آن، و نیز خاکریزی پشت پی‌ها و شالوده‌ها، اطراف ابنیه فنی و مستحدثات، پرکردن اطراف لوله‌ها، چاه‌ها، چاهک‌ها و گودال‌های موضعی مشمول عملیات خاکی است.
تمامی عملیات خاکبرداری و خاکریزی باید بر اساس نقشه‌های اجرایی و برابر با ابعاد و اندازههای مشخص شده در نقشه‌ها یا دستورات دستگاه نظارت انجام شود. در حین عملیات خاکی باید مراقبت کامل به عمل آید تا هیچ گونه آسیبی به تأسیسات، تجهیزات، مستحدثات، ابنیه فنی، علائم و نقاط ثابت نقشه‌برداری، و اموال بخش دولتی و خصوصی وارد نیاید. عملیات خاکی باید همواره با زهکشی تواماً انجام گیرد و دستگاه نظارت در هنگام نیاز میتواند در مواقع بارندگی‌های شدید، به منظور حفاظت عملیات انجام شده، عملیات خاکی را متوقف سازد.
تمامی خاکهای حاصل از خاکبرداری باید در خاکریزها، راه‌های ارتباطی، پشت پل‌ها و پی‌ها مصرف شود مگر در مواردی که دستگاه نظارت مصرف این خاکها را برای خاکریزی نامناسب و غیر قابل قبول دانسته یا زائد بر مصرف تشخیص دهد. عدم مصرف خاکهای حاصل از خاکبرداری به هر دلیل که باشد باید قبلاً به تأیید دستگاه نظارت و کارفرما برسد.
خاکهای لغزشی و ریزشی
مصالح و مواد خاکی و سنگی که ضمن کو‌ه‌بری داخل صخره‌ها یا کمرهای سنگی یا ترانشه‌های خاکی، احتمال ریزش و لغزش داشته باشد، طبق دستور کتبی دستگاه نظارت باید از شیروانی‌ها برداشته شود. جمع آوری و برداشت و حمل مصالح ریزشی از شیروانی ترانشه‌ها و خاکریزها که ناشی از عدم رعایت شیب‌های مشخص شده در نقشه‌های اجرایی باشد، کلاً به هزینه پیمانکار بوده و به آن پرداختی تعلق نمی‌گیرد.
خاکبرداری قرضه
قرضه به منابعی اطلاق میشود که کسری خاک مورد نیاز جهت ساختمان خاکریز راه (پس از مصرف خاکهای مناسب حاصل از خاکبرداری‌ها و پی‌کنی‌ها) از آنها تأمین میشود. محل قرضه و نوع آن باید در مشخصات فنی خصوصی پروژه قید شود.
انواع قرضه
قرضه بر سه نوع و به شرح زیر است.
- قرضه جانبی
- قرضه موضعی
- قرضه منتخب
دامنه کاربرد قرضه‌ها
- فقط با ارائه دلایل توجیهی و تصویب کارفرما میتوان از مصالح قرضه جانبی، قرضه موضعی یا قرضه منتخب در عملیات مصرف نمود.
- در صورت استفاده از قرضه جانبی، مقطع محل‌های قرضه باید به شکل نقشه‌های تیپ که توسط دستگاه نظارت ابلاغ میشود تنظیم شود به نحوی که از آ‌بشستگی احتمالی خاکریز و همچنین نفوذ آب به بدنه راه خودداری شود، ضمن آنکه حتی الامکان از مصالح پایین دست راه مصرف شود.
- در موارد استفاده از قرضه‌های موضعی و منتخب، پیمانکار موظف است موافقت مالک محل قرضه‌ها را در قبال حفاری و برداشت مصالح جلب نموده و محل را بعد از خاتمه کار تسطیح و تنظیم نماید. ضمنا حین بهر‌ه‌برداری از قرضه‌ها، شیروانی و کف محل‌های قرضه باید طوری آرایش شود که از ایستابی جلوگیری شده و عمل زهکشی مستمر به طور مؤثری در آنها انجام گیرد.
اجرای عملیات خاکریزی
آماده سازی بستر اولیه خاکریز
- قبل از شروع عملیات خاکی، سطوح و مقاطعی که در نقشه‌های اجرایی و دستورات دستگاه نظارت برای این عملیات مشخص و ابلاغ شده باید از مصالح نامناسب شامل خاکهای سطحی، نباتی، گیاهی و تمامی موانع اجرای طرح تمیز و پاکسازی شود.
- در صورت وجود آب ساکن، چشمه، و آب‌های تراوشی از منابع زیرزمینی، باید نسبت به زهکشی سطحی یا عمقی و خشک کردن بستر اولیه قبل از اجرای هرگونه خاکریزی اقدام شود.
- کلیه گودال‌ها، چاله‌ها و حفره‌های باقیمانده از عملیات ریشه کنی مسیر در بستر اولیه، باید قبل از اجرای اولین قشر خاکریزی، با مصالح مناسب لایه لایه پر شده و مطابق مشخصات متراکم شود.
- زمین بستر اولیه باید به درصد تراکم نسبی مشخصه برسد، در غیر این صورت باید نسبت به شخم زدن بستر، یا اصلاح یا جایگزینی خاک آن تا عمق لازم اقدام تا بعد از کوبیدن، تراکم نسبی مشخصه آن تأمین شود.
ضخامت لایه‌های خاکریز
عملیات خاکی باید از مصالح تصویب شده و در قشرهای موازی خط پروژه، با ضخامت یکنواخت مطابق شیب‌ها، رقوم و اندازههای مندرج در نقشه‌های اجرایی و با نظر دستگاه نظارت انجام شود. شیب طولی و عرضی راه باید به وسیله لایه‌های خاکریز تأمین شود تا در مراحل اجرای لایه‌های روسازی، نیازی به کاربرد مصالح زیراساس یا اساس جهت ترمیم شیب نباشد. هرگاه شیب عرضی راه با توجه به نقشه‌های اجرایی در حین عملیات خاکی تأمین نشده باشد، فقط با موافقت دستگاه نظارت میتوان لایه نهایی خاکریز را با مصالح روسازی ترمیم نمود. بدیهی است بابت این ترمیم، پرداختی به
پیمانکار صورت نخواهد گرفت.
خاکهای ناهمگون
وقتی که مصالح مصرفی در خاکریزی از منابع مختلف تأمین میشود هریک از آنها، حتی الامکان باید در لایه‌ها و در طول معینی مورد استفاده قرار گیرد تا در تعیین حداکثر وزن مخصوص خشک مصالح در آزمایشگاه و در نهایت کاربرد آنها برای محاسبه درصد تراکم موجب خطا و ابهام نشود. علاوه بر آن
در این موارد باید از خاکهای با کیفیت ضعی فتر در لایه‌های تحتانی و خاکهای مرغو‌ب تر در لایه‌های فوقانی خاکریز استفاده شود.
کوبیدن و میزان تراکم نسبی
تمام خاکریزها و همچنین کف ترانشه‌های خاکی و بستر زمین طبیعی باید با غلتک‌های مکانیکی متراکم شود در مواردی که امکان استفاده از این نوع غلتک‌ها مقدور نباشد، با تصویب دستگاه نظارت میتوان کوبنده‌های مکانیکی دستی را به کار گرفت. برای کوبیدن، با توجه به نوع مصالح مصرفی و شرایط اجرای کار، باید از غلتک‌های مختلف استوانه‌ای، فلزی، پاچه‌بزی، لاستیکی، لرزشی یا دیگر انواع کوبنده‌ها استفاده نمود.
برای تأمین تراکم یکنواخت در تمامی لایه‌ها، عمل مرطوب کردن و اختلاط خاکها را باید در زمان مناسب و کافی و قبل از غلط کزنی، با وسایل مکانیکی انجام داد تا فرصت توزیع یکسان رطوبت در تمام خاک وجود داشته باشد. میزان رطوبت مصالح خاکی چسبنده برای حصول تراکم مطلوب باید در محدوده یک تا دو درصد کمتر از رطوبت مناسب، و برای خاک‌هایی که به تورم و انبساط گرایش زیادتری دارند، یک تا دو درصد بیشتر از رطوبت مناسب انتخاب شود.
عملیات خاکی روی ابنیه فنی
عملیات خاکی، به طریق سنگریزی را نمی‌توان مستقیماً روی ابنیه فنی مانند پل‌ها، آبروها و پل‌های طاقی اجرا کرد، مگر آنکه قبلاً ضخامتی معادل حداقل ۶۰ سانتیمتر روی این سازهها خاکریزی معمولی انجام شده و به درصد تراکم مشخصه رسیده باشد.
خاکریزی پشت پل‌ها
بعد از اجرای لایه‌های زهکشی پشت کوله‌ها و دیوارهای برگشتی پل‌ها که باید مطابق نقشه‌ها و دستورات دستگاه نظارت باشد، عملیات خاکی لایه به لایه تا تأمین نسبی درصد تراکم مشخصه باید به مورد اجرا گذاشته شود. نتایج آزمایشات تراکم خاکریزی پشت پل‌ها، با توجه به تعداد لایه‌ها، نوع خاک مصرفی، ضخامت هر لایه، ارتفاع کل خاکریز که باید متناسب با تعداد لایه‌ها باشد در هر قطعه راه جداگانه نگهداری میشود تا جهت ارزیابی کیفیت کار به سهولت قابل دسترسی و کنترل باشد.
خاکریزی در زمین‌های شیبدار
در محل‌هایی که خاکریزی روی سراشیبی تند یا خاکریز موجود صورت گیرد، طبق دستور دستگاه نظارت پله‌هایی به ارتفاع ضخامت لایه خاکریز یا سنگریزی روی شیب مزبور تعبیه خواهد شد تا از لغزش احتمالی خاکریز جدید روی بدنه شیب جلوگیری به عمل آید و در نتیجه خاکریز جدید و قدیم
خوب با هم قفل و بست شوند.
فونداسیون شمعی
رایج‌ترین نوع فونداسیون عمیق شمع‌ها هستند. یک شمع، عضو سازه‌ای نسبتاً بلند، لاغر و ستون مانندی است که با قرار گرفتن در داخل خاک وزن سازه را به خاک زیرین منتقل می‌نماید. شمع در واقع همان ستون است که در داخل خاک مستقر شده است. شمع بارهای وارده از روسازه را در عمق خاک عبور داده و آنرا به خاک مقاومتر (در عمق بیشتر) منتقل میکند. سه نوع فونداسیون شمعی وجود دارد که شامل شمع کوبیدنی، شمع درجا ریخته شده و شمع کوبیده درجا ریخته شده است. فونداسیون شمعی اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح، و چوب هستند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از شالوده‌های سطحی، از آنها برای ساخت شالوده‌های عمیق (شالوده‌های شمعی) استفاده میشود.
وقتی که لایه یا لایه‌های فوقانی خاک دارای قابلیت فشردگی زیاد یا خیلی ضعیف باشند، به طوری که نتوان از شالوده سطحی برای توزیع بار ساختمان استفاده کرد، فونداسیون شمعی برای انتقال بار به لایه تحتانی محکمتر یا سنگ بستر مورد استفاده قرار می‌گیرند. وقتی که بستر سنگی یا لایه محکمتر تحتانی در عمق معقولی از سطح زمین قرار نداشته باشد، از شمع برای انتقال تدریجی بار استفاده میشود. در این حالت، بیشتر مقاومت شمع از طریق نیروی اصطکاک بین سطح تماس شمع و خاک (مقاومت جلدی) تامین میشود. اگر شمع‌ها تحت تاثیر نیروی افقی قرار گیرند، در حالی که هنوز قابلیت حمل بارهای قایم را دارا هستند، می‌توانند به وسیله خمش، نیروهای افقی راحمل نمایند. این وضعیت اغلب در شالوده سازه‌های حایل خاک که وظیفه آنها مقاومت در مقابل فشار جانبی خاک است یا ساختمان‌های بلند که تحت تاثیر نیروی باد یا زلزله قرار دارند، پیش می‌آید.
شمع‌های بتنی
این نوع شمع‌ها به دو دسته تقسیم میشوند.
- شمع‌های بتنی پیش ساخته
- شمع‌های ساخته شده در محل
شمع‌های بتنی پیش ساخته را میتوان تقریباً به هر شکل و اندازه‌ای در کارخانه ساخت. مقاطع معمول این نوع شمع‌ها مربع، دایره و چند ضلعی است. شمع‌های بتنی پیش ساخته معمولاً با طول ۱۸ متر می‌سازند. در سر شمع‌های بتنی پیش ساخته برای جلوگیری از تخریب شمع در موقع کوبیده شدن کلاهک فلزی نصب میکنند.
شمع‌های بتنی نیز یا درجاریز هستند یا پیش ساخته که در این صورت روی تراز زمین ساخته میشوند و با ضربه به داخل زمین رانده میشود. شمع‌های فولادی (Steel Piles) که معمولاً از پروفیل‌های بال پهن هستند نیز می‌توانند به داخل زمین رانده شوند. این نوع شمع‌ها می‌توانند بارهای بسیار سنگینی را تحمل کرده و با صرف زمان کمتری اجرا شوند.
بررسی نشست شمع بتنی واقع در خاکهای روانگرا
یکی از علل بروز آسیب در سازهها به هنگام زلزله، روانگرایی خاکهای ماسه‌ای است. آسیب‌های زیادی در اثر روانگرایی به سازه‌های مستقر بر روی این خاکها وارد میشود؛ به ویژه زمانی که این سازهها درون خاک روانگرا شده قرار می‌گیرند. شمع‌ها یکی از این نوع سازهها هستند. شمع‌ها در واقع ستون‌های لاغری هستند که به صورت جانبی متکی به خاک پیرامون خود هستند. شمع‌هایی که از لایه‌های خاک عبور میکنند، در اثر روانگراییحاصل از زلزله، تکیه‌گاه جانبی خود را تا حد زیادی از دست می‌دهند. در این حالت شمع میتواند همانند ستون حمایت نشده، آمادگی برای ناپایداری محوری داشته باشد. این ناپایداری میتواند به کمانش جانبی شمع در جهت ضعیف‌تر و ایجاد مفصل پلاستیک بینجامد. تا به حال روش‌های مختلفی برای تحلیل و طراحی شمع‌ها در برابر بارهای لرزه‌ای ارائه شده است؛ ولی در این روش‌ها اثرات روانگرایی خاک روی رفتار شمع‌ها در نظر گرفته نشده است.
به وجود آمدن فشار منفذی در شرایط غیر زهکش، نشان اصلی تمام پدیده‌های روانگرایی است. تمایل خاکهای غیر چسبنده به متراکم شدن در اثر بارگذاری استاتیکی و یا سیکلی امری شناخته شده است. هنگامی که خاکهای غیر چسبنده، اشباع هستند، در اثر بارگذاری سریع در شرایط زهکشی نشده، تمایل به تراکم، موجب افزایش فشار آب حفرهای گشته و در نتیجه تنش‌های مؤثر کاهش می‌یابند. در این حالت، خاک وضعیتی شبیه مایع خواهد داشت و کرنش‌های بزرگ و تغییر شکل زیاد و پیوسته ایجاد میشود که این پدیده روانگرایی نامیده میشود.
تعیین پاسخ لرزه‌ای پی‌های شمعی قرار گرفته در خاکهای روانگرا شده مشکل بوده و مسائل مبهم زیادی در مکانیزم‌ها و اندرکنش خاک- شمع- سازه وجود دارد. با این وجود در دهه‌های اخیر مطالعات وسیعی در این زمینه صورت گرفته و آزمایش‌های گسترده‌ای با دستگاه سنتریفیوژ و میز لرزان انجام
شده و همچنین روش‌های عددی متعددی در این زمینه ارائه شده است. این مطالعات را میتوان به سه دسته بررسی‌های محلی، آزمایش‌های آزمایشگاهی و مدل‌های عددی تقسیم بندی نمود. بررسی‌های محلی عمدتاً برای شناسایی الگوهای گسیختگی، نشست و تغییر مکان جانبی شمع‌ها انجام می‌گیرند. موارد زیادی در زلزله‌های به وجود آمده مشاهده شده است که در آنها پی‌های شمعی دچار تخریب کلی یا آسیب‌های جدی شده است.
با افزایش ضخامت لایه روانگرا، نشست گروه شمع افزایش می‌یابد که دلیل این امر کاهش ظرفیت باربری جداره و انتهای شمع‌ها است. همچنین با افزایش طول شمع‌ها، رفته رفته نشست گروه شمع کاهش می‌یابد. دلیل این موضوع نیز افزایش مقاومت انتهایی شمع‌ها است. بنابر این توصیه میشود در صورت وجود لایه روانگرا، به منظور کاهش نشست شمع‌ها، انتهای شمع‌ها به خوبی در لایه غیر روانگرای پایینی نفوذ کنند.
اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید لطفا ابتدا وارد شوید، در غیر این صورت می توانید ثبت نام کنید.