اجرای پی با شمع (پی های 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.
پی های اجرا شده با شمع در مواقع زیر استفاده می شوند:
- لایه رویی خاک، سست می باشد. این لایه توانایی تحمل وزن سازه را نداشته بنابراین بارهای وارده از سازه می بایست 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 می باشد، به عنوان مثال در ساختمان های 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 شمع ها بسیار زیاد برآورد گردد (فراتر از ۳۰ متر).
- سازه روی ساحل دریا و یا بستر رودخانه مکانیابی شده باشد.
- شمع ها به عنوان مهار استفاده شوند. توضیح اینکه ممکن است آنها برای تحمل نیروهای جانبی و یا فشارهای uplift طراحی شده باشند.
در مجموع پی های اجرا شده با شمع توانایی تحمل بارهای بیشتری را نسبت به پی های معمولی (پی های سطحی) دارند.
نکته: شمعها ممکن است به صورت تک و یا گروهی در زیر پی ها اجرا شوند.
انواع پی های شمعی
دو نوع پی شمعی وجود دارد که هر یک برای منظوری خاص بکار می رود:
شمع های اتکایی (End Bearing Piles):
در این نوع شمعها، نوک شمع روی لایه بسیار مقاوم خاک یا بستر سنگی قرار می گیرد. بار سازه از طریق شمع به لایه مقاوم منتقل شود. به معنایی دیگر می توان گفت که این شمعها مانند ستون عمل می کنند. 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 می شود. لازم بذکر است اگر بستر سنگی و یا لایه خیلی متراکم (لایه شبیه سنگ) در عمق منطقی قرار داشته باشد شمع را می توان 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 می شود. با تخمین عمق بستر سنگی از روی گمانه های حفاری، طول شمع ها تعیین می گردد. همچنین در صورتی که به جای بستر سنگی لایه سخت و متراکم خاک در عمقی منطقی وجود داشته باشد می توان شمع را چند متر در این لایه ادامه داد.
شمع های اصطکاکی (Friction Piles):
این نوع شمع با اصول دیگری عمل می کند. شمع بار سازه را به واسطه اصطکاکی که تمام طول آن با خاک اطراف دارد به زمین منتقل می کند. به عبارت دیگر تمامی سطح شمع، که به شکل استوانه است، برای انتقال نیروها به خاک، درگیر می شود.
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 می تواند بار بیشتری را تحمل کند. این مورد بسایر شبیه عملکرد شمعهای اصطکاکی می باشد. در این نوع شمعها میزان بار قابل تحمل توسط شمع بستگی مستقیم به طول آن خواهد داشت.
برای درک بهتر عملکرد این نوع پی ها به تصویر زیر دقت کنید:
مقایسه شماتیک پی های اتکایی و اصطکاکی:
شمعها از چه مصالحی ساخته می شوند؟
شمعها ممکن است از چوب، بتن یا فولاد ساخته شوند. در قدیم شمعهای چوبی (Timber Piles) به عنوان تکیه گاه برای سازه هایی که روی خاک سست قرار داشتند مورد استفاده قرار می گرفت. امروزه نیز شمع های چوبی برای ساخت اسکله ها استفاده می شوند. برای ساخت این نوع شمع ها نیاز به درختانی است که تنه ای صاف و مستقیم داشته باشند. از آنجا که نمی توان دو تنه درخت را برای ساخت یک شمع در طول به هم متصل کرد، طول شمع های چوبی به طول تنه درخت که حدود ۲۰ متر است، محدود می شود. مقاومت این نوع شمعها بدلیل جنس آن به نسبت پایین تر است ولی نسبتاً ارزانتر می باشند. شهر ونیز در ایتالیا به این مشهور است که روی شمعهای چوبی (در دریا) بنا شده است.
از مزایای شمعهای چوبی، استفاده ساده تر و عدم وجودی خوردگی در آن است. همچنین اگر کاملاً در آب فرو رود در برابر پوسیدگی مقاوم خواهد بود. از معایب این نوع شمعها می توان به نیاز به عمل آوری جهت جلوگیری از پوسیدگی و امکان وجود حشرات اشاره کرد. همچنین حین راندن چوب در خاک امکان آسیب به آن وجود دارد.
شمعهای فولادی (Steel Piles) که معمولاً از پروفیل های بال پهن هستند نیز می توانند به داخل زمین رانده شوند. این نوع شمعها می توانند بارهای بسیار سنگینی را تحمل کرده و با صرف زمان کمتری اجرا شوند. از مزایای دیگر آن وجود سایزهای متنوع در این پروفیلها، سهولت راندن در خاک، جابجایی کمتر در خاک محل و نفوذ خوب در مصالح سخت می باشد. از معایب آن می توان به هزینه بالا، مشکل بودن حمل و نقل، خوردگی بیشتر و پر سر و صدا بودن راندن شمع در خاک اشاره کرد.
نکته: لایه محافظتی (در برابر عوامل خورنده) روی شمع های فولادی اجرا نمی شود، چرا که حین عمل راندن شمع به داخل خاک سطح آن دچار خراشیدگی می شود و عملاً دیگر کارایی محافظتی نخواهد داشت. از این رو در محیط های خورنده می بایست از شمع های بتنی استفاده شود.
نوع دیگر شمع های بتنی (Concrete Piles) نیز یا درجاریز هستند و یا پیش ساخته که در این صورت روی تراز زمین ساخته می شوند و با ضربه به داخل زمین رانده می شود. از مزایای این نوع شمعها، ظرفیت باربری بالا، هزینه نسبتاً پایین تر، دوام بالا در اغلب موارد و مقاومت در برابر خوردگی در بسیاری از محیطها می باشد. از معایب این نوع شمعها می توان به سختی اجرا، صعوبت حمل (شمعهای پیش ساخته) و به خصوص مشکل بودن حفر چاه اجرای شمع اشاره کرد.
چگونگی استفاده از شمعها
از آنجا که پی های شمعی میزان بار زیادی را تحمل می کنند، می بایست با دقت طراحی شوند. یک طراح می بایست با مطالعه خاک محل اجرا، در مورد میزان ظرفیت باربری آن اطمینان حاصل کند تا بیش از آن حد بارگذاری نگردد.
هر شمع ناحیه تاثیری در خاکی که آن را احاطه کرده دارد. از این رو می بایست فضای کافی بین شمعها در نظر گرفته شود تا بارها به طور مساوی در حباب خاکی که آن را تحمل می کند توزیع شود و نه به صورت متمرکز در نقاط محدودی از خاک زیرین.
انتخاب فواصل شمعها می بایست با توجه به فاکنورهای زیر صورت گیرد:
- نوع شمعها
- جنس شمعها
- طول شمعها
- گروه بندی شمعها
- بارگذاری شمعها
- عدم پیش روی حین فرآیند راندن شمع در خاک
- طبیعت خاک محل
فواصل میان شمعهایی که در یک گروه قرار دارند با لحاظ موارد زیر می تواند فرض گردد:
- شمعهای اصطکاکی نیازمند فضای بیشتری نسبت به شمعهای اتکایی هستند.
- حداقل فاصله بین شمعهای اصطکاکی برابر ۳*d می باشد (d برابر است با قطر شمع)
- حداقل فاصله بین شمعهای اتکایی برابر ۵*d می باشد.
مهندسان معمولاً تعدادی از شمع ها را به صورت گروهی در نظر گرفته و روی آنها را کلاهک شمع (سر شمع یا Pile Cap) قرار می دهند. کلاهک شمع، دال بتنی ضخیمی است که روی گروهی از شمعها اجرا می شود و به عنوان شالوده ای برای ستونی که روی آن اجرا می شود، عمل خواهد کرد. در ان صورت بار وارده از ستون توسط تمامی شمع ها در خاک زیرین توزیع می شود.
ظرفیت باربری شمعها
- رویکرد ساختگاه
در این رویکرد، شمع تا حد مورد نظر بارگذاری شده و ظرفیت آن محاسبه می گردد. در این راستا یک شمع با ابعاد مورد نظر در محل کارگاه ساخته شده و تست بارگذاری برای برآورد ظرفیت باربری روی آن انجام می شود.
با این روش تخمین دقیق تری از ظرفیت باربری شمع بدست می آید ولی به هر حال این روش زمان بر و همچنین هزینه بر خواهد بود. چرا که بارگذاری روی شمع به سادگی صورت نخواهد گرفت.
- رویکرد تئوریک
در این رویکرد ظرفیت باربری توسط چند فرمول که اطلاعات مورد نیاز آن خصوصیات خاک محل و مشخصات شمع می باشد محاسبه می شود.
عوامل موثر بر ظرفیت باربری شمع
- خاک محل
- تکنیک اجرا (به طور مثال رانشی یا حفاری)
- روش ساخت (پیش ساخته یا درجاریز)
- موقعیت شمع در گروه شمعها
- فواصل بین شمعها در گروه شمعها
- هندسه گروه شمعها
- شکل کلاهک شمع
- موقعیت کلاهک شمع (به طور مثال روی خاک یا زیر خاک)
- شرایط زهکشی خاک
شمع ها چگونه ساخته می شوند؟
– شمع های پیش ساخته ابتدا در تراز زمین ساخته می شوند و با ضرباتی به داخل زمین رانده می شوند. این ماشین شمع ها را کاملاً قائم (شاقول) نگاه داشته و با ضربات متوالی آن را مرحله به مرحله به درون زمین می راند. در هر ضربه، وزنه سنگینی بالا برده شده و روی شمع رها می شود (شمع در این شرایط به صورت موقت با کلاهکی فولادی پوشانده می شود تا در اثر ضربه آسیب نبیند).
– شمع های بتنی درجاریز بدین صورت اجرا می شوند که ابتدا چاهی در زمین به صورت دستی و یا ماشینی حفر شده و سپس سبد آرماتور درون آن قرار می گیرد و در مرحله بعدی بتن ریزی می شود.
راندن شمع در خاک
فرآیند اعمال نیرو به شمع جهت راندان آن در خاک محل بدون حفاری را راندن (کوبیدن) شمع گویند. اشن شمعها می بایست به صورت قائم در خاک محل رانده شوند. به هر حال در این فرآیند خروج از محور (Eccentricity) به میزان ۲% طول شمع مجاز خواهد بود.
تجهیزاتی که معمولاً برای کوبیدن شمع مورد نیاز است عبارتند از:
- قاب نگه دارنده شمع
- چکش شمع
- شاقول چکش (Lead): محوری است که چکش را به سمت شمع هدایت می کند و آن را در راستای قائم حفظ می کند.
- وینچ (Winch) که جهت بالا کشیدن چکش و رها کردن آن روی شمع استفاده می شود.
برای درک بهتر به شکل زیر توجه کنید:
*مطالب مرتبط: نوع دیگری از شمعها هستند که باربر نیستند و معمولاً به عنوان حائلی برای انجام عملیات خاکبرداری و نگهدارنده شیروانی جناحین است. در این بخش به توضیحاتی اجمالی این نوع شمعها می پردازیم:
شمع های غیر باربر:
این نوع شمعها به عنوان اعضایی حائل عملیات خاکبرداری در زیر تراز زمین عمل می کنند و برای تحمل بارهای قائم طراحی نمی شوند. همچنین گاهی از صفحاتی که معمولاً دارای انحنا و شکستگی در پلان می باشند جهت تامین این هدف استفاده می شود که به آن شیت پایل (Sheet Pile) می گویند.
شمع غیر باربر
شیت پایل
* جنس این نوع ورقها می تواند از چوب، فولاد و بتن باشد.
شمعهای غیر باربر برای اهداف زیر استفاده می شوند:
- جداسازی پی با خاک اطراف آن (جهت جلوگیری از وارد شدن نیروها و لرزشها به سازه)
- جهت خشک اندازی محل اجرای پی (جلوگیری از ورود آب به محل)
- جلوگیری از وارد شدن لرزشهای ماشین های اطراف به سازه
- اجرای دیوار حائل
- محافظت از حاشیه رودخانه ها
- محافظت از دیواره های ترانشه
[…] معمولاً برای ایجاد دیوارهای خارجی و اسلب و همچنین برای شمع بندی سازه ای استفاده می […]