از فونداسيون هاي عميق زماني استفاده مي شود كه خاك در اعماق سطحي داراي مقاومت باربري كافي نبوده و بارها بايد به لايه هاي سخت زيرين منتقل شوند. لازم به ذکر است در مبحث هفت نسبت عمق به عرض این پی ها بیشتر از ۱۰ در نظر گرفته شده است .
پی های عمیق به سه دسته زیر تقسیم می شوند:
۱ – فونداسیون با پایه های لاغر یا شمع
۲ – فونداسیون با پایه های قطور (شامل پايه هاي عميق و كيسون ها)
۳ – فونداسیون با المان ستونی
شمع (فونداسیون با پایه های لاغر)
شمع یا پایل در واقع ستونی است که بارها را به خاک عمیق تر و مقاوم تر زمین انتقال می دهد. شمع‌ها همچنین برای افزایش مقاومت سازه‌ها در برابر بالاآمدگی و افزایش ثبات سازه‌ها در مقابل نیروهای جانبی و واژگونی مورد استفاده قرار میگیرد.
پی‌های شمعی را می‌توان در شرایط زیر به کار گرفت:
- خاک در عمق‌های بیشتر دارای ظرفیت تحمل بالاتری باشد.
- هنگامی که هزینه‌های استفاده از پی‌های گسترده بسیار بالا خواهد بود.
- هنگامی که پی در معرض بارهای بسیار زیاد متمرکز قرار خواهد گرفت.
- هنگامی که خاک‌ها بسیار سست باشند
شمع ها از نظر جنس و عملکرد و نحوه اجرا به سه دسته تقسیم بندی می شوند.
دسته بندی شمع ها از نظر جنس:
شمع ها از نظر جنس به چهار دسته تقسیم می شوند.
- شمع هاي بتني (بتن پيش ساخته و يا بتن درجا)
- شمع هاي فولادي
- شمع هاي چوبي (چوب فرآوري شده)
- شمع هاي با مصالح تركيبي
دسته بندی شمع از نظر عملکرد:
شمع ها از نظر عملکرد نیز می توان به ۴ دسته تقسیم کرد.
- شمع نوک باربر
- شمع اصطکاکی
- شمع مایل
- شمع نوک و جداره باربر
دسته بندی شمع از نظر نحوه اجرا:
شمع ها از نظر عملکرد نیز می توان به 2 دسته تقسیم کرد.
- درجا
- کوبشی
دسته بندی شمع از نظر میزان تغییرمکان
بر اساس استاندارد BS 8004 بریتانیا شمع ها به سه دسته طبقه می شوند:
- شمع های با تغییر مکان بزرگ
- شمع های با جابجایی کم
- شمع های بدون جابجایی یا شمع های جایگزینی
در ادامه هر يك از دسته بندي هاي فوق را به طور مختصر و مجزا مورد بررسي قرار مي دهيم. لازم به ذکر است مشخصات فنی مربوط به نحوه ساخت، حمل و نصب شمع‌های كوبشی فولادی، بتنی پیش ساخته، بتنی پیش- تنیده و شمع‌های بتنی درجاریز در نشریه 386 می توان یافت.
شمع هاي بتني
اين نوع شمع ها به دو دسته تقسيم مي شوند:
- شمع هاي بتني پيش ساخته
شمع هاي بتني پيش ساخته را مي توان تقريباً به هر شكل و اندازه ای در كارخانه ساخت. مقاطع معمول اين نوع شمع ها مربع، دايره و چند ضلعی است. شمع های پیش ساخته را می توان با استفاده از کابل های پیش تنیدگی پر مقاومت، به صورت پیش تنیده در آورد.
- شمع هاي ساخته شده در محل(درجا)
شمع هاي بتني پيش ساخته معمولا با طول 18 متر مي سازند. در سر شمع های بتنی پيش ساخته برای جلوگيری از تخريب شمع در موقع كوبيده شدن كلاهك فلزی نصب می كنند. شمع های درجا به دو دسته با غلاف و بدون غلاف تقسیم میشوند. لازم به ذکر است که هر دو گروه می توانند نوک پهن یا پداستال داشته باشند.
شمع های فولادی:
این شمع ها از جنس فولاد بوده و به شکل هایی با مقطع دایره (با انتهای باز یا با انتهای بسته) و مقطع H یا I هستند. البته تيرآهن ها با نيمرخ H به علت تساوی ضخامت بال و جان معمولاً ترجيح داده مي شوند.
ضعف این نوع شمع خوردگی آن در خاک به خصوص در زمین های خورنده زمين های باتلاقی، خاك های نباتی، مناطق ساحلی، می باشد که با افزایش ضخامت اجزای شمع و استفاده از يك لايه پوشش اپوكسی می توان این نقطه ضعف را جبران کرد. گاهی مواقع برای جلوگيری از خوردگی شمع فولادی، از پوشش بتنی استفاده می شود.
شمع های چوبی:
این شمع ها با سطح مقطع دایره و مربع به صورت پیش ساخته در سایزهای مختلف می باشند که از چوب درخت کاج و بلوط فرآوری شده اند تا در برابر خوردگی خاک یا حشرات مقاوم گردند و دو سر آنها براي جلو گيري از خوردگي شن در موقع كوبيدن با كلاهك فلزي مسلح مي سازند.. این روش در کشورهای اروپایی بسیار مرسوم و پر طرفدار است ولی در ایران شناخته شده نمی باشد.
قطر شمع هاي چوبي استوانه اي 20 تا 25 سانتي متر است و حداكثر طول شمع ها را به فواصل 80 تا 120 سانتي متر از همديگر و به صورت يك در ميان مي كوبند.
شمع های ترکیبی یا مرکب:
این شمع ها کاربرد اندکی داشته و در زمانی که طول شمع مورد نیاز از طول شمع هر یک از موارد فوق بلندتر باشد، استفاده می شود. در این نوع از شمع ها قسمت فوقاني و تحتاني شمع از دو مصالح مختلف ساخته مي شوند به طور مثال زمانی که سر شمع فلزی به طور دائم در سفرة آب زيرزميني مستقر شود از شمع ترکیبی چوبی و فلزی استفاده می شود و یا در مواردی که طول شمع لازم براي تامين ظرفيت باربري از ظرفيت باربري بتن درجا ساده تجاوز كند شمع مركب از قسمت تحتاني فولاد و قسمت فوقاني بتن درجا استفاده خواهد شد. اما به دلیل مسائل اجرایی و مشکلات مربوط به وصله بخش های مرکب از این نوع شمع ها کمتر استفاده می گردد.
در مطالب فوق با دسته بندی دیگری از شمع ها که براساس نحوه انتقال بار بود آشنا شدیم که در ادامه به بحث در این دسته می پردازیم.
شمع نوک باربر (اتکایی):
این شمع ها در زمین هایی که خاک بالایی سفت تر از خاک پایین باشد مناسب می باشد و جهت عبور از لایه خاکهای کم مقاومت بالایی از شمع مذکور استفاده می شود. باربری این شمع توسط مصالح نوک شمع انجام می شود. در صورتي كه لايه نرم فوقاني نشست هم نمايد شمع در معرض يك نيروي رو به پايين اضافي هم قرار مي گيرد كه شمع بايد براي تحمل اين نيرو ها هم طراحي شده باشد.
شمع اصطکاکی(شناور):
در زمین هایی که مقاومت خاک کم بوده و لایه خاک مناسب نیز در اعماق زياد و دور از دسترس باشد از این شمع استفاده می شود که علاوه بر واکنش خاک ناشی از فشار نوک شمع، با اصطکاک جانبی دیواره شمع و خاک نیز انتقال نیرو و ایجاد مقاومت لازم انجام می گردد. از شمع هاي اصطكاكي اغلب در خاک های رس نرم كه مقاومت انتهايي كم بوده و احتمال برش سوراخ كننده در نوك شمع وجود دارد استفاده مي شود.
شمع مایل:
در زمانیکه شمع در معرض نیروهای جانبی بوده و مقاومت جانبی شمع قائم پاسخگوی نیروی جانبی نباشد، آنگاه باید از شمع های زاویه دار یا مایل استفاده شود. این شمع کوبشی بوده و به صورت مایل وارد خاک می شود تا مقاومت بیشتری در برابر بارهای جانبی را ایجاد نماید.
شمع نوک و جداره باربر:
این شمع بار را از طریق تركيب مقاومت جدار و نوك منتقل می کند.
در بعضی موارد خاص،شمع ها برای تامین تراکم مناسب در سطح خاک در لایه های دانه ای کوبیده می شوند که این شمع ها به شمع های تراکمی موسوم هستند. شمع های تراکمی معمولاً کوتاه هستند،بنابراین برای تعیین طول مناسبی برای آنها،بعضی آزمایشهای صحرایی لازم است.
دسته بندی دیگر از انواع شمع ها که در گذشته دیدیم از دید نحوه اجرا بود.
شمع درجا:
این شمع ها در محل مورد نظر پس از حفاری چاه اجرا می شوند و بیشترین کاربرد این شمع ها در خشکی است.
شمع کوبشی:
این شمع ها عمدتا به صورت پیش ساخته و با طول ۱۸ متر بوده که توسط ضربه یا ویبره (لرزش) وارد خاک می شوند و بیشترین کاربرد را در دریا دارند.
وقتی در دسته بندی شمع ها ، میزان تغییرمکان مدنظر قرار میگیرد، به نحوه اجرای آن نیز اشاره میکنیم.
شمع های با تغییر مکان بزرگ
این شمع ها که هنگام نصب و رانش درون زمین، تغییر مکان زیادی در خاک ایجاد می کنند. این شمع ها معمولاً دارای مقاطع توپر و یا تو خالی ته بسته می باشند که با شیوه کوبشی یا جک زدن به درون خاک رانده می شوند. شمع های کوبیدنی با تغییر مکان های بزرگ شامل موارد زیر هستند:
- چوبی با مقاطع دایره ای یا مربعی، یکسره یا با اتصالات وصل شده
- بتنی پیش ساخته شده با مقاطع تو پر یا توخالی
- پیش تنیده با مقاطع تو پر یا توخالی
- لوله فولادی ته بسته
- جعبه ای فولادی ته بسته
- لوله ای باریک شونده
- لوله ای فولادی ته بسته و رانده شده با جک
- استوانه ای بتنی توپر، پیش ساخته و قطور رانده شده با جک
شمع های«کوبیدنی- ریختنی با تغییر مکان های بزرگ» نیز موارد زیر را شامل می شوند:
– لوله های فولادی کوبیده شده و بعد ازبتن ریزی یا بتدریج بیرون کشیده می شوند.
– پوسته های بتنی پیش ساخته که با بتن پر می شوند.
-پوسته های فولادی جدار نازک که داخل خاک کوبیده شده سپس با بتن پر می شوند
شمع های با جابجایی کم
اینگونه شمع ها نیز بصورت کوبشی یا با جک درون زمین نصب می شوند و لیکن دارای سطح مقطع نسبتاً کوچکی هستند. مثالهایی از این نوع عبارتند از مقاطع فولادی H یا I شکل، لوله ها یا جعبه های فولادی ته باز که در حین نصب، خاک وارد قسمت های حفره ای مقطع می شود. اگر در حین کوبش این شمع ها درون زمین، توده خاک در حوالی نوک شمع تشکیل و قفل شود بطوریکه مانع نفوذ ستون خاک به درون حفرات مقطع شود شمع از نوع با جابجایی زیاد محسوب می شود.
این نوع شمع ها شامل انواع زیر هستند:
- بتنی پیش ساخته با مقاطع لوله ای ته باز کوبشی با ضربه
- بتنی پیش تنیده با مقاطع لوله ای ته باز کوبشی با ضربه
- مقاطع فولادی H شکل
- مقاطع فلزی لوله ای ته باز کوبشی که در صورت ضرورت خاک وارد شده درون لوله تخلیه می شوند.
شمع های بدون جابجایی یا شمع های جایگزینی
برای نصب این نوع شمع ها نخست حفره محل شمع با روش های حفاری مناسب حفاری شده و درون آن بتن ریزی می شود. بتن ممکن است درون غلاف ریخته شود و یا بدون غلاف بتن ریزی انجام شود. غلاف ممکن ست با پیشرفت بتن ریزی بیرون کشیده شود. در بعضی موارد ممکن است شمع های آماده چوبی، بتنی یا فولادی درون حفره قرار داده شود.
این شمع ها شامل انواع زیر می شوند:
– حفر چاهک توسط روشهای متد دورانی، چنگک، بالابر هوایی و پر کردن آن بتن(در جاریز)
– حفر چاهک با روشهای فوق و قرار دادن لوله و پر کردن آن با بتن در صورت لزوم
– حفر چاهک و قرار دادن قطعات پیش ساخته بتنی درون آن
– تزریق ملات سیمان یا بتن درون چاهک
– مقاطع فولادی قرار داده شده درون چاهک
– حفر چاهک و قرار دادن لوله فولادی بطور همزمان
معیارهای انتخاب نوع شمع
نوع شمع و روش اجرا باید توسط مشاور ژئوتکنیک یا مشاور طراح و در نظر گرفتن چهار معیار اساسی زیر تعیین می‌شود.
- مشخصات روسازه اعم از نوع بارگذاری، کاربری، درجه اهمیت سازه، توجیه اقتصادی و زمان بندی پروژه
- تجهیزات و امکانات استقرار شمع و شرایط اجرایی پروژه
- شرایط بستر شامل نیمرخ خاک محل، خصوصیات لایه‌ها و همچنین آب زیرزمینی و نوسانات آن
- میزان خورندگی محیط، عملکرد و دوام مصالح شمع
جدول زیر در نشریه 386 سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور آورده شده است و راهنمای مناسبی برای انتخاب نوع شمع می باشد.
حال که با شمع ها اشنا شدیم به دسته دوم از فونداسیون های عمیق می پردازیم فونداسیون با پایه های قطور (شامل پايه هاي عميق و كيسون ها).
فونداسیون یا پی عمیق با پایه قطور:
این پایه ها به شکل های ستون مانند هستند و به گونه ای طراحی می شوند که مانند شمع درجا بتنی یا فولادی عمل کنند و همچنین قطر پايه هاي عميق آنقدر هست كه امکان بازدید یا استقرار دستگاه یا ابزار در آن میسر باشد.
فونداسیون سکوهای نفتی بزرگ عمدتا از این نوع است. به پایه های ستون مانند کیسون نیز می گویند.
بايد توجه داشت كه پايه هاي عميق و كيسون ها اندكي با هم متفاوت اند. پايه هاي عميق مشابه شمع هاي درجا بوده و اغلب داراي قطر بزرگي هستند و از بتن مسلح ساخته مي شوند اما كيسون ها همان پايه هاي عميق با قطر بزرگ هستند . زمانی از این فونداسیون استفاده می‌شود که خاک قدرت تحمل کافی در زیر لایه‌های سطح خود را نداشته باشد و زیر آن مواد ضعیف مانند ذغال سنگ نارس یافت شود.
كيسون همچنين مي تواند يك سازه آب بند زيرزميني باشد كه عمليات ساختماني در داخل آن انجام مي گيرد یا یک ساختار حائل ضد آب به عنوان پایه پل در ساخت و ساز سد بتنی، و یا برای تعمیر کشتی استفاده می‌شود.
كيسون ها را به دسته های زیر مي توان تقسيم نمود:
- کیسون هاي صندوقه اي (جعبه اي)
این کیسون ها، جعبه های ضد آب چوبی، فولادی و یا بتنی پیش ساخته هستند و در بالای باز است. آنها به طور کلی به محل مناسب شناور و سپس در محل مورد نظر، با یک اسکله بنایی در آن قرار داده می شوند.
- کیسون هاي شناور (روباز و ته بسته)
کیسون های شناور نیز به عنوان اسکله شناور شناخته شده و جعبه های پیش ساخته می باشد که بصورت استوانه ای حفر می شوند.
- پي صندوقه اي باز (روباز و ته باز)
کیسون های باز همانند یک جعبه‌ای که دو وجه زیرین و بالایی آن باز است می باشد که ابتدا بصورت پمپ با بتن خشک می شوند.. این روند به طور کلی در شکل گیری یک اسکله استفاده می شود. این نوع کیسون برای استفاده در خاکهای نرم و جاهایی که سطح آب زیرزمینی بالا است مناسب هستند. از این نوع کیسون برای حفاری Manholeها (چاه‌های دسترسی فاضلاب) و ایستگاه‌های پمپ آب استفاده می‌شود.
برای قرار دادن این کیسون‌ها در محل مورد نظر یا از وزن خود آن استفاده می‌شود یا در صورت لزوم از جرم‌های بتنی (یا آبی) که بر روی آن قرار داده می‌شود استفاده می‌شود. امروزه حتی از بازوهای هیدرولیکی نیز برای این موضوع استفاده می‌شود.
- پي صندوقه اي هوای فشرده (رو بسته، ته باز و پر شده با هواي متراكم جهت جلوگيري از ورود آب به داخل فضاي داخلي)
همانند کیسون جعبه‌ای است با این تفاوت که وجه زیرین باز بوده و وجه بالایی بسته. این نوع کیسون با کمک هوای فشرده یک محل کار خشک را بوجود می‌آورند که برای ریختن بتن مناسب هستند. برای مواردی که در پی سازی ممکن است باعث نشست ساختمان مجاور شود نیز از این نوع کیسون استفاده می‌شود.
- کیسون‌های حفاری شده
کیسون های حفاری شده ، محفظه که در داخل یک سایت حفاری شده قرار می گیرد. این معمولا در شکل استوانه می باشد و پس از آن با بتن پرمی شود.
- کیسون‌های پنوماتیک
کیسون های پنوماتیک، جعبه ضد آب بزرگ و استوانه هستند که به طور عمده برای ساخت و ساز زیر آب استفاده می شود.
- کیسون‌های یکپارچه
کیسون‌های یکپارچه بزرگتر از انواع دیگر کیسون‌های هستند. شکل ظاهری آنها مشابه کیسون‌های باز بوده و بیشتر در ساخت دیواره‌های اسکله‌ها استفاده می‌شود که باید در برابر ضربه وارده از کشتی‌ها مقاومت کنند.
در عمل از اين نوع پي ها بيشتر براي سازه هاي دريايي استفاده شده و بصورت پيش ساخته مي باشند به نحوي كه بتوان آنها را بصورت شناور به محل مورد نظر حمل و سپس آنرا تثبيت نمود. تثبيت صندوقه در محل با پر كردن آن از آب و يا مصالح وزين ديگر انجام مي شود.
نوبت به معرفی آخرین دسته پی های عمیق می رسد
پی عمیق تثبيت شده با المان ستونی:
این روش مناسب برای ساخت سازه هایی است که برروی خاک های نرم احداث می شوند و پس از روبه رو شدن با چالش های مثل نشسـت هاي بيش از اندازه، تغيير شكل و مسائل مربوط به پايداري ، برای رفع آن ها محبور به تثبیت خاک شده اند.
روش هاي بهسازي خاك با استفاده از المان هاي ستوني در ساخت راه ها و خاكريزهاي راه آهن و همچنين فونداسيون هاي مخازن، انبارها و ساختمان هاي سبك به كار گرفته مي شوند.
با نصب سازه هاي ستون و يا شمع مانند با الگويي شبكه اي كه تـا لايه باربر امتداد دارند می توان بار وارده بـر خـاك هـاي نـرم بـدون ايجاد تغيير قابل توجه در ساختار آن ها كاهش داد. بر روي ستون ها از مسـلح كننـده هـاي ژئوتكستايل يا ژئوگريد و يا يك صفحه ي صلب استفاده مي شود تا بتوان بار را انتقال داد.
كاهش تنش در خاكهـاي نـرم ناشـي از توزيـع مجـدد بارهاي خاكريز از طريق اثر قوس زدگي و متعاقب آن مسلح كنندگي ژئوتكستايل و يا ژئوگريد است كـه ايـن مسـلح كننـدگي توسط اثر غشايي تأمين مي شود. در نتيجه تراكم پذيري خاك بهسازي شده كاهش يافته و ظرفيت باربري و مقاومـت برشـي افزايش مي يابد. از آنجائيكه اكثر سازه هاي شمع مانند همانند زهكش هاي قائم عمل مي نمايند، تحكيم خاكهاي نرم تسـريع يافته و بنابراين نشست ها پس از احداث سازه به ميزان قابل توجهي كاهش مي يابند.
روش های ایجاد این این المان های ستونی که برای تثبیت خاک استفاده می شوند شامل موارد زیر می باشند.
- ستون های سنگی/ شنی
- ستون های سنگی/ شنی تزریقی
- ستون های سنگی/ شنی پوشیده با ژئوتکستایل
- ستون های سنگی آهکی پیش ساخته
- ستون های تراکم ماسه ای
- ستون هاي بتني – ارتعاشي
- شمع هاي تغيير مكاني (كوبشي)
- شمع هاي درجا
- ستون های csv
- تزریق با جت
- روش های اختلاط عمیق
