دستاوردهاي اخير در طراحي بهينه ي ژئوتکنيکي پي هاي عميق (1)

چکيده:
 

استفاده از پي هاي عميق به عنوان کامل ترين سيستم فونداسيون در مقايسه با پي هاي سطحي، سطحي و بهسازي و نيز پي هاي نيمه عميق در مهندسي عمران مطرح مي باشد و مزاياي چون کاربرد در خاک هاي مسأله دار، تحمل بارهاي جانبي، تقليل و کنترل ميزان نشست، امکان حفاري در آتيه در مجاورت پروژه، تراکم و بهسازي خاک هاي دانه اي و تأمين پايداري سازه هاي بلند را مي توان در اين زمينه برشمرد. در سال هاي اخير، متناسب با توسعه ي تجهيزات اجرا و آزمايشات پي هاي عميق و نيز پيشرفت بخش نرم افزاري و همگام با بررسي عملکرد واقعي بسياري از پي هاي عميق اين امکان وجود دارد که علاوه بر تبيين مناسب رفتار پي هاي عميق، با استفاده ي بهينه از اين فونداسيون ها با توجه به گستره ي آن ها در پلان و پروفيل، به اقتصاد پرژه کمک شاياني نموده و صعوبت هاي اجرايي را به حداقل ممکن کاهش داد. در اين مجموعه، تحليل استاتيکي، روش هاي مکمل جهت تدقيق و تعيين ظرفيت باربري به کمک آزمايشات درجا، تست هاي ديناميکي و تحليل هاي ديناميکي تشريح شده است. همچنين، ارزيابي نشست گروه شمع و نيز عملکرد پي راديه مرکب نيز مورد بحث قرار گرفته است.
در نهايت، با تشريح دستاوردهاي نوين و روش هاي مکمل در ارزيابي طراحي شمع ها اعم از استاتيکي، درجا و ديناميکي توأم با اندازه گيري هاي مربوطه و تشريح عوامل تعيين کننده ي ضريب اطمينان، با کاهش آن از مقادير سنتي 3 تا 4 به مقادير 5/1 تا 2، ضمن تأکيد به کارگيري پي هاي عميق، مي توان با تقليل معضلات اجرايي و اقتصادي به گونه اي عمل نمود تا پي سازي عميق در صنعت عمران مطلوب و کارآمد باشد.
کليدواژه ها: پي هاي عميق، ظرفيت باربري، تحليل استاتيکي، تحليل ديناميکي، نشست گروه شمع، پي راديه ي مرکب

کليات
 

پي هاي عميق (شمع ها) (3)، به آن دسته از اعضاي خطي سازه اي چوبي، بتني و يا فولادي اطلاق مي گردد که با استقرار در زمين، بارهاي سطحي را به لايه هاي عميق تر زمين منتقل مي کنند. يک شمع همانند پي هاي سطحي توانايي تحمل بارهاي قائم را علاوه بر عکس العمل کف توأم با عکس العمل جانبي (مقاومت جداري) دارا مي باشد. به علاوه، پي هاي عميق با اطمينان بيش تري نسبت به پي هاي سطحي نيروهاي جانبي و نيز کششي و يا برکنش را تحمل مي نمايند (شکل 1). استفاده از پي هاي عميق به عنوان کامل ترين سيستم فونداسيون در مقايسه با پي هاي سطحي، سطحي و بهسازي و نيز پي هاي نيمه عميق در مهندسي ساختمان مطرح مي باشد و مزايايي چون کاربرد در خاک هاي مسأله دار، تحمل بارهاي جانبي، تقليل و کنترل ميزان نشست، امکان حفاري در آتيه در مجاورت پروژه، تراکم و بهسازي خاک هاي دانه اي و تأمين پايداري در برابر عوامل ناپايداري سازه هاي بلند را مي توان در اين زمينه برشمرد.
کاربرد پي هاي عميق مختص پروژه هاي خاص و با اهميت و در صورت وجود شرايط خاک نامناسب در بستر مي باشد، مضافاً به اين که تجهيزات ساخت و اجراي پي هاي عميق نيز همه جا در دسترس نبوده و در صنعت عمران فراگير نمي باشد. در نتيجه به کارگيري سيستم پي هاي عميق عمدتاً پُر هزينه و وقت گير بوده و بنابراين مراحل تحليل، طراحي و اجراي آن ها معمولاً متضمن بررسي جامع تر و استفاده از تجارب مهندسان متخصص در اين زمينه و در نهايت مستلزم دسترسي به پرسنل، امکانات و تجهيزات، تکنولوژي و دانش نوين و دقيق تر در اين زمينه مي باشد. جدول 1 اشکال و زمينه هاي مختلف کاربرد پي هاي عميق و همچنين مزايا و معايب انواع مختلف آن را نشان مي دهد. موارد اشاره شده در ذيل از ملزومات اساسي تحليل و طراحي پي هاي عميق مي باشند:
- ظرفيت باربري
- نشست
- طراحي سازه اي
- کنترل پايداري
- جنبه هاي اجرايي و اقتصادي

استراتژي به کارگيري پي هاي عميق
 

1- تعيين وضعيت و مقدار بارهاي وارده از روسازه به پي اعم از ثقلي، جانبي و لنگرها
2- تعيين تکليف استفاده و يا عدم استفاده از پي عميق بر اساس مطالعات ژئوتکنيک، شرايط زير سطحي و محيطي و همچنين ملاحظات اقتصادي
3- انتخاب نوع پي عميق اعم از شمع درجا، کوبيدني و موارد ديگر مانند جنس شمع ها، وضعيت مقطع، راستاي اجراي شمع به صورت قائم يا مايل، تجهيزات و امکانات ساخت و اجرا
4- تعيين عميق استقرار شمع ها با توجه به خصوصيات ژئوتکنيکي خاک سايت و چگونگي بارهاي وارده و امکانات اجرايي
5- آرايش شمع ها در پلان و نحوه ي عملکرد به صورت تک و يا گروهي شمع ها چگونگي اندرکنش با راديه
6- تعيين توان باربري ژئوتکنيکي پي هاي عميق با استفاده از آناليز استاتيکي
7- تدقيق توان باربري به دست آمده با استفاه از نتايج تست هاي در جاي ژتوتکنيکي و يا تحليل ديناميکي
8- کنترل و ارزيابي نشست مجموعه ي فونداسيون
9- طراحي سازه اي شمع و سرشمع
10- محک عملي توان باربري با استفاده از آزمايش بارگذاري استاتيکي و يا آزمايشات ديناميکي جهت کنترل صحت اجرا و نيز اطمينان از عدم آسيب ديدگي شمع ها حين استقرار و يا حتي تقليل ضريب اطمينان که در نهايت بهينه سازي اقتصادي پروژه را به دنبال دارد.

تعيين توان باربري ژئوتکنيکي شمع ها
 

ظرفيت باربري (4) شمع ها از دو جنبه ي مقاومت ژئوتکنيکي و مقاومت سازه اي مي تواند مورد ملاحظه قرار گيرد. مقاومت ژئوتکنيکي يا ظرفيت باربري، باري است که موجب گسيختگي خاک اطراف و کف شمع مي گردد. گسيختگي هنگامي اتفاق مي افتد که در اثر افزايش بار روي شمع گسيختگي برشي در اطراف شمع به وقوع پيوسته و ضمن جدا شدن شمع از خاک اطراف، گسيختگي برش کلي و يا از نوع سوراخ کننده (پانچ) در کف شمع اتفاق مي افتد.

متدهاي زير جهت تعيين توان باربري شمع ها متداول اند:
 

1- تحليل استاتيکي
2- تحليل استاتيکي با استفاده از نتايج تست هاي درجا
3- تحليل و تست هاي ديناميکي
4- آزمايش بارگذاري استاتيکي

آناليز استاتيکي جهت تعيين توان باربري شمع
 

جهت تعيين توان باربري بايد مقاومت هاي کف و جداري را از هم تفکيک نمود و با محاسبه ي هر يک، توان باربري نهايي شمع را که مجموعه ي مقاومت هاي کف و جداري مي باشند را به صورت زير آورد:
(1)

تعيين مقاومت واحد کف؛

رابطه ي پايه ي توان باربري براي پي هاي عميق جهت ظرفيت باربري کف را مي توان به دليل تشابه مکانيزم گسيختگي با پي هاي سطحي به صورت زير در نظر گرفت:

با توجه به اين که بعد شمع و يا قطر آن B در مقايسه با پي هاي سطحي کوچک مي باشد معمولاً از ترم سوم رابطه ي فوق در محاسبات صرف نظر مي شود و داريم:

در خاک هاي چسبنده اشباع و در شرايط کوتاه مدت و زهکشي نشده که گرفته مي شود داريم:

براي خاک هاي درشت دانه و ريزدانه و با ملاحظات باربري در درازمدت و شرايط زهکشي شده و با آناليز تنش مؤثر،
تابعي از بوده و در شکل 2 براي روش هاي توصيه شده توسط محققان مقدار آن مشخص شده است. همان طور که از شکل 2 پيداست، براي يک زاويه ي معين، تفاوت زيادي در مقادير توصيه شده توسط مؤلفان مشاهده مي شود. مضافاً به اين که تهيه ي نمونه ي دست نخورده از خاک هاي درشت دانه جهت اندازه گيري مشکل مي باشد. همچنين شرايط متفاوت و مقادير مختلف زاويه ي متناسب با نوع آزمايش و چگونگي انجام آن نيز از معضلات طراحي به روش تحليل استاتيکي مي باشد.

مقاومت واحد جداري،

به طور کلي، سه روش در تعيين مقاومت واحد جداري شمع موجود است که به قرار زير مي باشد:

که در روابط فوق rs اصطکاک جداري، چسبندگي زهکشي نشده، تنش مؤثر در عمق و ضرايبي مي باشد که بر حسب نوع شمع، نوع خاک و عمق استقرار تعيين مي شوند. به خلاصه ي روش هاي آناليز استاتيکي براي تعيين توان باربري شمع ها در جدول 2 ارائه شده است.
با عنايت به تنوع روش ها و توصيه ها و متدها و بر مبناي تجارب حاصله و هماهنگي در طراحي ها و اجتناب از طراحي هاي متفرق در ذيل به دو روش آيين نامه اي اشاره مي شود.

روش متحد (5) در تعيين ظرفيت باربري شمع ها
 

با توجه به تنوع روش ها و توصيه ها در خصوص مقادير و نيز روابط مختلف براي بر حسب رويه اي يکنواخت تحت عنوان روش متحد جهت طراحي توصيه شده است که جزئيات آن به شرح زير مي باشد.

تنش مؤثر در تراز کف شمع

مقادير براي خاک هاي مختلف و همچنين شمع ها درجا و کوبيدني در جدول 3 ارائه شده است.

روش API (6) در تعيين توان باربري شمع ها
 

اين آيين نامه عمدتاً براي تحليل و تعيين توان باربري شمع ها براي سازه هاي فراساحلي تدوين شده است.

- خاک هاي چسبنده
 

فاکتور بي بعد و C مقاومت برشي زهکشي نشده ي خاک در رقوم مورد نظر مي باشد.

- خاک هاي اصطکاکي
 

K ضريب نسبت فشار جانبي خاک، تنش مؤثر موجود در رقوم انتهايي شمع، تنش مؤثر موجود در رقوم انتهاي شمع و فاکتور عمق مربوط به ظرفيت باربري مي باشند. پارامترهاي طراحي براي خاک هاي اصطکاکي بر مبناي روش API در جدول 4 ارائه شده است.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- دانشيار و عضو هيأت علمي دانشکده ي مهندسي عمران دانشگاه گيلان و دانشگاه صنعتي اميرکبير.
2- کارشناس ارشد ژئوتکنيک، گروه عمران، دانشکده ي فني و مهندسي، دانشگاه گيلان.
3- Deep Foundations (Piles)
4- Bearing Capacity
5- Unified Method
6- American Petroleum Institute
 

منبع: ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172