ضريب اطمينان در تعيين ظرفيت بار محوري شمع
 

پس از استنتاج توان باربري شمع به يک يا چند طريق اعم از آناليز استاتيکي، استفاده از نتايج آزمايش هاي درجا، آناليز ديناميکي تست هاي ديناميکي و آزمايش بارگذاري در مقايس واقعي، با اعمال ضريب اطمينان بر Ru مقدار Ra بار مجاز فشاري و يا کشش به دست مي آيد. براي شمع تحت بار فشاري مقدار ضريب اطمينان در محدوده ي 2 تا 4 و براي بارهاي کشش مقدار ضريب اطمينان در محدوده ي 3 تا 5 در تغيير بوده که به عواملي از قبيل نوع و اهميت روسازه، عواقب حاصل از خرابي روسازه، نوع خاک، گستردگي مطالعات ژئوتکنيک، تعداد و نوع آزمايش هاي آزمايشگاهي و درجا، انجام آزمايش هاي بارگذاري استاتيکي و ديناميکي، تحليل با استفاده از آناليز معادله ي موج، چگونگي ساخت و نحوه ي بازرسي ها و کنترل در محل، احتمال اعمال بارهاي زنده بر سازه و چگونگي ارزيابي آن ها، طراحي شمع بر مبناي نتايج فرمول هاي شمع کوبي، نحوه ي تفسير آزمايش، بارگذاري بستگي دارد.
مقدار ضريب اطمينان به ميزان پذيرش عواقب مربوط به انهدام و همچنين آگاهي و کنترل جنبه هاي مؤثر در تغييرات ظرفيت باربري در سايت بستگي دارد. در روش هاي سنتي و قديمي، ضرايب اطمينان در تعيين ظرفيت باربري شمع بر پايه ي تغيير شکل هاي مجاز شمع به دست مي آمد. بار مجاز Ra بالاي شمع را مي توان کوچک ترين دو مقدار زير در نظر گرفت:
- تا زماني که ايمني در برابر ظرفيت نهايي شمع مدنظر است، نيازي به تحليل دقيق در تفاوت بين ايمني براي باربري کف و ايمني براي مقاومت جداري نمي باشد. اين که حداقل ضريب اطمينان از طريق باربري کف و يا مقاومت جداري تأمين مي گردد خيلي مهم نيست.
- برعکس، در تحليل ضريب اطمينان مسائل با ماهيت تغيير شکلي، تفاوت در جابه جايي هاي مربوط به مقاومت بسيج شده ي انتهايي و جداري يقيناً نقش بسيار مهمي ايفا مي نمايد.
در مجموع با استفاده از روش هاي مکمل اعم از آناليز استاتيکي، تست هاي درجا، آناليز و تست هاي ديناميکي، آزمايش بارگذاري مطالعات ژئوتکنيک مناسب و استفاده از تجارب و قضاوت مهندسي مي توان ضريب اطمينان را تا حدود 5/1 کاهش داده و صرفه جويي مناسبي در هزينه و زمان اجرا به عمل آورد (Fellenius, 1990).

فونداسيون هاي راديه مرکب (1)
 

در طراحي فونداسيون ها متداول است که جهت انتقال بارهاي روسازه به خاک، راديه به عنوان کامل ترين گزينه مدنظر قرار مي گيرد. اين پي ها در مواردي از قبيل بزرگ بودن بارهاي روسازه، ضعيف بودن شرايط خاک بستر و نشست هاي ناهمسان، زمين هاي مستعد تورم، توزيع غيريکنواخت بارهاي جانبي و بالا بودن سطح آب زيرزميني، بسيار کارا بوده و در سطح وسيعي از پروژه هاي عمراني کاربرد دارند. پي هاي گسترده از انواع پي هاي سطحي به شمار مي روند که ضمن برخورداري از مزاياي ذکر شده، ايراداتي از قبيل معضلات اجرايي و نشست هاي زياد را نيز به دنبال دارند. با توجه به اهميت نشست به خصوص نشست هاي ناهمسان در سازه هاي بلند و حساس، در صورت تجاوز نمودن مقادير نشست هاي متوسط و ناهمسان از حد مجاز، يکي از راه کارهاي حذف پي سطحي (راديه) و استفاده از شمع در زير سازه و اتکاي آن به لايه هاي سخت و نشست ناپذير است که عليرغم درجه ي اطمينان بالاي آن، داراي مشکلاتي نيز هست. معضلات اجرايي، هزينه ي بالا و احتمال وجود خاک مناسب در اعماق بسيار پايين و نياز به شمع هاي بيش تر با طول هاي بلند و قطر بالا، از جمله اين مواردند.
در اين خصوص ايده ي تلفيق راديه و پي هاي عميق، به عنوان گزينه ي جديدي در مبحث پي سازي از دهه ي 70 ميلادي مطرح شده است. به کارگيري پي هاي عميق در زير پي هاي گسترده که اصطلاحاً به سيستم پي گسترده ي مرکب معروف است، مي تواند سبب کاهش نشست و اثر توأم افزايش ظرفيت باربري شود. اين سيستم در 40 سال اخير در کشورهاي مختلفي از جمله آلمان، اندونزي، ژاپن و ... به کار گرفته شده و اثرات مثبت تلفيق راديه و شمع در کاهش نشست هاي کلي و غير يکنواختِ سازه هاي بلند و سنگين و نيز کاهش هزينه هاي اجرايي طرح، سبب رشد تحقيقات علمي در اين زمينه و گسترش کاربرد پي هاي گسترده ي مرکب گرديده است. از اين رو شناخت اين فونداسيون ها و ارزيابي رفتار آن تحت تأثير عوامل دروني و بيروني از مباحث و نيازهاي اساسي مهندسي ژئوتکنيک به شمار مي رود.
بر خلاف روش هاي طراحي سنتي شمع و سرشمع (گروه شمع هاي آزاد) که کل بار روسازه به شمع ها انتقال مي يافت، در سيستم راديه - شمع، هم راديه و هم شمع هاي زيرين در باربري مشارکت دارند. در واقع اثر خاک زيرين راديه و نقش باربري آن در طراحي لحاظ مي گردد. از اين رو به اين سيستم گاهي، پي هاي گسترده ي مرکب نيز گفته مي شود. بدين ترتيب شمع هاي زيرين براي بار کم تري طراحي شده و داراي ابعاد کوچک تري نسبت به گروه شمع هاي آزاد خواهند بود. با توسعه ي روش هاي مختلف تحليل و طراحي راديه - شمع ها و شناخت عميق تر مباني رفتاري اين فونداسيون هاي مرکب، در روش هاي جديدتر، ظرفيت باربري شمع ها به طور کامل بسيج مي شود که اين امر به معناي ضريب اطمينان يک در طراحي شمع ها است. بدين ترتيب با مشارکت راديه در برابري و کاهش سهم باربري شمع ها در اين سيستم، گروه شمع ها مي توانند نقش مؤثرتري در کاهش نشست ها ايفا نمايند. بديهي است که هرچه سهم باربري شمع ها کم تر و سهم باربري راديه (خاک) بيش تر باشد، اين نقش بيش تر جلوه خواهد کرد. به همين دليل به اين شمع ها، شمع هاي کاهش دهنده ي نشست نيز گفته مي شود (شکل 19).

بر همين اساس شناخت صحيح اندرکنش بين سه المان تشکيل دهنده ي يک پي گسترده مرکب شامل شمع، راديه و خاک، از عوامل مؤثر در تحليل، طراحي و کارآيي آن به شمار مي رود که البته دليل اصلي پيچيدگي رفتار اين فونداسيون ها و مشکلات مربوط به تحليل و طراحي نيز از همين مسأله ناشي مي گردد (شکل 20). در حالت کلي، بهره گيري از پي هاي راديه - شمع سبب کاهش قابل توجه طول شمع ها، بهبود سرويس دهي پي هاي سطحي به لحاظ نشست هاي کلي و ناهمسان و طرح اقتصاد فونداسيون ها مي گردد که البته در بهينه سازي اثرات مثبت آن، عوامل مختلفي از جمله لايه بندي خاک در عمق، اندرکنش بين شمع - خاک - سازه، اتصال و يا عدم اتصال شمع ها به راديه، نسبت طول به قطر و فاصله بندي شمع ها نقش اساسي دارند.
بهترين نوع آرايش در حالت بارگذاري گسترده ي يکنواخت به منظور دستيابي به کم ترين مقادير نشست ماکزيمم و نسبي و همچنين لنگرهاي خمشي، متمرکز نمودن شمع ها در 25 درصد مساحت راديه و در محدوده ي مياني آن مي باشد. اگرچه در اين حالت، مناسب ترين مقادير نيروي برشي مربوط به حالتي است که هيچگونه شمعي در زير راديه متمرکز شوند. در حالت بارگذاري گسترده ي يکنواخت، تفاوت طول شمع ها و به کارگيري شمع هايي با طول بلندتر در قسمت مرکزي راديه تأثير چنداني بر بهينه کردن سيستم نخواهد داشت. در حالت بارگذاري متمرکز، مناسب ترين نوع آزمايش به منظور دستيابي به کم ترين مقادير نشست ماکزيمم و نسبي و همچنين نمودارهاي لنگر خمشي و نيروي برشي زمانيست که شمع هايي با طول بلندتر دقيقاً در زير بارهاي مياني و بقيه شمع هاي، زير بارهاي کناري راديه قرار گيرند. تغيير در ضخامت راديه تأثير چنداني بر مقادير نشست ماکزيمم نگذاشته، اما افزايش ضخامت راديه، سبب کاهش چشم گير در مقادير نشست نسبي در دو حالت بارگذاري گسترده ي يکنواخت و متمرکز خواهد شد.
ساختمان Messeturm فرانکفورت از جمله ساختمان هايي است که سيستم پي آن از نوع راديه - شمع است. کل وزن ساختمان به قرار MN 1900 بوده که با احتساب زير فشار مقدار خالص آن به قرار MN 1700 مي باشد. مقطع عرض برج مربعي به ضلع m 41 بوده در حالي که براي پي گسترده ي آن مربعي به ضلع m 60 منظور شده است. از آن جا که نشست پي گسترده ي بدون شمع به قرار mm 400 برآورد شده بود، سيستم پي راديه با شمع انتخاب شده تا ميزان نشست به نصف مقدار فوق تقليل يابد. وقوع نشست هاي نسبتاً زياد، احتمال چرخش و ضريب لاغري ساختمان به قرار 4 منجر به تصميم گيري در انتخاب پي گسترده ي مرکب شده است. 64 شمع در قالب سه دايره ي متحدالمرکز مطابق شکل 21 به کار گرفته شدند.
ضخامت پي گسترده در مرکز به قرار m6 و در لبه ها به m3 تقليل يافته است. استفاده از شمع ها باعث تقليل مقدار نشست به mm150 شده است. نتايج حاصله ي در شکل 22 نشان مي دهد که سهم مشارکت پي گسترده و شمع ها به ترتيب به قرار 45 درصد و 55 درصد در تحليل بار قابل توجه بوده، که حاکي از بهينه بودن طراحي سيستم فونداسيون مرکب انتخابي مي باشد.

جمع بندي و نتيجه گيري
 

با پيشرفت روز افزون تکنولوژي، روش هاي تحليل و طراحي ابنيه ي ژئوتکنيکي از قبيل پي هاي عميق نيز از سيماي جديدتر و البته دقيق تري برخوردار مي شوند. روش هاي تحليل قديمي به آرامي جاي خود را به روش هاي نوين و بديع امروزي داده تا در نهايت شاهد هر چه کامل تر، مقرون به صرفه تر و سريع تر بودن روند تحليل و طراحي اين دسته از پي ها باشيم. در زير به طور خلاصه به جمع بندي و نتيجه گيري مباحث پيشين مي پردازيم:
- کاربرد پي هاي عميق مختص پروژه هاي خاص و با اهميت و در صورت وجود شرايط خاک نامناسب در بستر مي باشد. استفاده از اين نوع فونداسيون ها در صنعت ساختمان سازي، موجب افزايش سرعت اجرا، افزايش ضريب اطمينان در مقابل واژگوني، افزايش عمر مفيد سازه و تضمين سرمايه گذاري ها مي باشد.
- ظرفيت باربري شمع ها از دو جنبه ي مقاومت ژئوتکنيکي و مقاومت سازه اي حايز اهميت مي باشد. مقاومت ژئوتکنيکي يا ظرفيت باربري، باري است که موجب گسيختگي خاک اطراف و کف شمع مي گردد. از متدهاي متداول جهت تعيين توان باربري شمع ها مي توان روش هاي آناليز استاتيکي، آناليز استاتيکي با استفاده از نتايج تست هاي درجا، آناليز ديناميکي و تست هاي ديناميکي و آزمايش بارگذاري استاتيکي را نام برد.

- روش هاي استاتيکي در تعيين ظرفيت باربري به علت عواملي از قبيل پيچيدگي رفتار خاک، دشواري در تعيين پارامترهاي واقعي خاک در اعماق و اصول، مباني و مفروضات هر روش همواره تحت تأثير قرار دارند. از جمله ي آن ها مي توان به وابستگي ضريب Nq به زاويه ي اصطکاک داخلي به دست آمده از آزمايشات آزمايشگاهي اشاره نمود.
- از جمله ي روش هاي آيين نامه اي مرسوم مي توان روش متحد در تعيين ظرفيت باربري شمع ها را نام برد. با توجه به تنوع روش ها و توصيه ها در خصوص مقادير rs¬ و rt و نيز روابط مختلف Nq بر حسب ، رويه اي يکنواخت تحت عنوان روش متحد معرفي شد.
- آزمايش بارگذاري استاتيکي شمع را مي توان مستقيم ترين و کامل ترين روش تعيين ظرفيت باربري يک شمع دانست. به دليل وجود موارد عدم اطمينان متعدد در روند آناليز و طراحي شمع ها، انجام شدن اين آزمايش بر روي شمع هاي در ابعاد واقعي به صورت يک امر ضروري در اکثر پروژه هاي مهم درآمده است. نتايج به دست آمده از آزمايش بارگذاري شمع به صورت يک نمودار بار - تغيير مکان ارائه مي شود.
- به علت عدم قابل اطمينان بودن روش هاي استاتيکي به دلايل مذکور، استفاده از نتايج آزمايش هاي درجا (از قبيل CPTu) به عنوان يک آلترناتيو و مکمل روش هاي تحليل استاتيکي در تعيين توان باربري پي هاي عميق در سه دهه ي اخير پيشرفت رو به رشدي داشته است. با استفاده از داده هاي خروجي آزمايش CPTu (qc، fs و u2) و استفاده از روش هاي نرم افزاري که در دهه هاي اخير توسعه ي چشم گيري را داشته اند مي توان بدون وابستگي به پارامترهاي خاک به تعيين ظرفيت باربري شمع دست يافت.
- در مجموع سه روش ديناميکي شامل فرمول هاي ديناميکي، آناليز ديناميکي و تست هاي ديناميکي و توأم با آناليز ديناميکي جهت تعيين توان باربري شمع ها با روش هاي ديناميکي مرسوم اند. روش آزمايشي PDA روشي بسيار کارآمد در اندازه گيري ظرفيت باربري مي باشد.
- علاوه بر تعيين توان باربري ژئوتکنيکي، شمع ها بايد به لحاظ سازه اي و مصالح موجود در آن ها بارهاي خارجي را با عکس العمل مناسب داخل تحمل نمايند که اصطلاحاً به آن مقاوم سازه اي گفته مي شود. در شرايط متعارف، در صورتي که تنها بار محوري مطرح باشد، مقطع بحراني براي شمع از لحاظ طرح سازه اي محل صفحه ي خنثي است. زيرا علاوه بر بارهاي سرويس وارده به راس شمع، افزايش نيروي محوري در شمع ناشي از نيروهاي پس ماند (مسأله ي اصطکاک منفي)، در محل صفحه ي خنثي به حداکثر مي رسد.
- کنترل نشست براي شمع ها ضروري است. گرچه اغلب مواقع شمع ها به عنوان يک روش براي اجتناب از نشست بالاي پي هاي سطحي به کار مي روند و تصور برخي بر اين است که شمع ها دچار نشست نخواهند شد، اما در مورد شمع هاي اصطکاکي و به خصوص شمع هايي که در زير صفحه ي خنثي آن ها لايه هاي نشست پذير وجود دارد، حتماً بايستي با دقت کنترل گردند. البته بايد توجه داشت که مسأله ي نشست در شمع ها نسبت به مسأله ي ظرفيت باربري از اهميت کم تري برخوردار مي باشد.

- براي تعيين بار مجاز روي شمع معمولاً بار نهايي با ظرفيت باربري شمع به ضريب اطمينان تقسيم مي شود. مقدار ضريب اطمينان به ريسک پذيري عواقب مربوط به خرابي سازه و ميزان دانش و آگاهي نسبت به بارهاي وارده دارد. در صورت استفاده از چند روش ترکيبي براي تعيين ظرفيت باربري، مي توان مقدار ضريب اطمينان را که به طور سنتي معادل 3 تا 4 در پي هاي عميق مطرح است به حدود 5/1 تا 2 کاهش داد. بنابراين مشاهده مي گردد که انتخاب مناسب ضريب اطمينان تا چه ميزان در اقتصاد پروژه و مقرون به صرفه بودن آن مؤثر مي باشد.
- به کارگيري پي هاي عميق در زير پي هاي گسترده که اصطلاحاً به سيستم پي گسترده ي مرکب معروف است، مي توانند سب کاهش نشست و اثر توام افزايش ظرفيت باربري شود. بهترين نوع آرايش در حالت بارگذاري گسترده ي يکنواخت به منظور دستيابي به کم ترين مقادير نشست، متمرکز نمودن شمع ها در 25 درصد مساحت راديه و در محدوده ي مياني آن مي باشد. در حالت بارگذاري متمرکز، بر خلاف بارگذاري گسترده ي يکنواخت، تفاوت طول شمع ها و به کارگيري شمع هايي با طول بلندتر در قسمت مرکزي راديه سبب رسيدن به کم ترين مقدار نشست خواهد شد. در حالت بارگذاري متمرکز، به کارگيري شمع هايي با طول بلندتر در قسمت مرکزي راديه و زير بارهاي متمرکز نسبت به شمع هاي کناره ها، سبب رسيدن به کم ترين مقدار نشست و لنگر خمشي و نيروي برشي در راديه خواهد شد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- Piled – Raft Foundations
 

منابع و مراجع:
1- اسلامي، ابوالفضل. 1385، «مهندسي پي، طراحي و اجرا»، مرکز تحقيقات ساختمان مسکن، چاپ سوم - نشريه ي 437.
2- اسلامي، ابوالفضل، 1385، «پي هاي گسترده؛ تحليل، طراحي و عملکرد»، انتشارات دانشگاه گيلان.
3- «روش هاي مختلف تعيين توان باربري محوري شمع ها و دستورالعمل هاي اجرايي»، 1384- مرکز تحقيقات و آموزش وزارت راه و ترابري؛ توسط فخاريان، کاظم و اسلامي، ابوالفضل.
4- Briaud, J. L., and Tucker, L. M., 1988. Measured and predicted axial capacity of 98 Piles. American Society OF Civil Engineers, ASCE, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 114, No .9, pp. 984-1001.
5- Budhu, M, 2007. Soil Mechanics and Foundations, 586p.
6- Burland, J. B. and Burbidge, M.C., 1982. Settlement of Foundation on Sand and Gravel, Proc. Instn. Civil Engrs. December, 78 (Part 1), pp. 1325-1381.
7- Campanella, R.G and Robertson, P.K., 1982. State of the Art in In Situ Testing of Soils, Proceedings, Engineering Foundation Conference on Updating Subsurface Sampling of SOILS AND Rocks, and Their In Situ Testing. Santa Barbara, Califomia, 23P.
8- CFEM, Canadian Foundation Engineering Manual, 1992.
9- Coduto, D. P., 2001. Foundation Design Principles and Practices, Prentice-Hall, Inc, 370p.
10- DFI, 2006 Deep Foundation Institute, 31 th Annual Conference on Deep Foundations.
11- Eslami, A., and Fellenius, B. H., 1997. Pile capacity by direct CPT and CPTu methods applied to 102 case histories. Canadian Geotechnical Journal, December, Vol 34, No 6, Eslami, A., pp886-904.
12- Fang, H. Y., 2001, Foundation Engineering Handbook. 2nd Edition, CBS, 923p.
13- Fellenius, B. H., 2001. The O-Cell An innovative engineering tool. Geotechnical News Magazine, Vol. 19, No.2pp 32-33.
14- Fellenius, B. H., Eslami, A, and Infante, J. A. 2002. Unicone, a program for Processing and Reporting of Cone Penetration Tests (CPT and CPTu), Soil Profiling and pile Capacity Analysis. UniSoft Ltd., 1905 Alexander Street, Calgary, Alberta, T2G 4J3.
15- GRL, 1995. Goble, Raushe and Linkins, Wave Equation Analysis of pile driving, Vols. 1-4, Cleeveland, 355 p.
16- Hemsley, J. A., 2000. Design applications of raft foundations, Tomas Telford, 626p.
17- Shariatmadari, N. Eslami, A. and Karimpour-Fard, M. 2007. Bearing Capacity of Driven Piles In Sands From SPT-Appleid to 60 Case.
18- Poulos. H.G and. Davis, E. D, 1980. Pile Foundation Analysis & Design. 397p.
19- Van Impe, W. F., 1994 Developments in pile design- 4th International DFI Conference.
ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.