طراحی بهینه ی ژئوتکنیکی پی های عمیق (1)

نویسندگان: دکتر ابوالفضل اسلامی (1)
مهندس آرش سخاوتیان (2)




 

دستاوردهای اخیر در طراحی بهینه ی ژئوتکنیکی پی های عمیق (1)

چکیده:

استفاده از پی های عمیق به عنوان کامل ترین سیستم فونداسیون در مقایسه با پی های سطحی، سطحی و بهسازی و نیز پی های نیمه عمیق در مهندسی عمران مطرح می باشد و مزایای چون کاربرد در خاک های مسأله دار، تحمل بارهای جانبی، تقلیل و کنترل میزان نشست، امکان حفاری در آتیه در مجاورت پروژه، تراکم و بهسازی خاک های دانه ای و تأمین پایداری سازه های بلند را می توان در این زمینه برشمرد. در سال های اخیر، متناسب با توسعه ی تجهیزات اجرا و آزمایشات پی های عمیق و نیز پیشرفت بخش نرم افزاری و همگام با بررسی عملکرد واقعی بسیاری از پی های عمیق این امکان وجود دارد که علاوه بر تبیین مناسب رفتار پی های عمیق، با استفاده ی بهینه از این فونداسیون ها با توجه به گستره ی آن ها در پلان و پروفیل، به اقتصاد پرژه کمک شایانی نموده و صعوبت های اجرایی را به حداقل ممکن کاهش داد. در این مجموعه، تحلیل استاتیکی، روش های مکمل جهت تدقیق و تعیین ظرفیت باربری به کمک آزمایشات درجا، تست های دینامیکی و تحلیل های دینامیکی تشریح شده است. همچنین، ارزیابی نشست گروه شمع و نیز عملکرد پی رادیه مرکب نیز مورد بحث قرار گرفته است.
در نهایت، با تشریح دستاوردهای نوین و روش های مکمل در ارزیابی طراحی شمع ها اعم از استاتیکی، درجا و دینامیکی توأم با اندازه گیری های مربوطه و تشریح عوامل تعیین کننده ی ضریب اطمینان، با کاهش آن از مقادیر سنتی 3 تا 4 به مقادیر 5/1 تا 2، ضمن تأکید به کارگیری پی های عمیق، می توان با تقلیل معضلات اجرایی و اقتصادی به گونه ای عمل نمود تا پی سازی عمیق در صنعت عمران مطلوب و کارآمد باشد.
کلیدواژه ها: پی های عمیق، ظرفیت باربری، تحلیل استاتیکی، تحلیل دینامیکی، نشست گروه شمع، پی رادیه ی مرکب

کلیات

پی های عمیق (شمع ها) (3)، به آن دسته از اعضای خطی سازه ای چوبی، بتنی و یا فولادی اطلاق می گردد که با استقرار در زمین، بارهای سطحی را به لایه های عمیق تر زمین منتقل می کنند. یک شمع همانند پی های سطحی توانایی تحمل بارهای قائم را علاوه بر عکس العمل کف توأم با عکس العمل جانبی (مقاومت جداری) دارا می باشد. به علاوه، پی های عمیق با اطمینان بیش تری نسبت به پی های سطحی نیروهای جانبی و نیز کششی و یا برکنش را تحمل می نمایند (شکل 1). استفاده از پی های عمیق به عنوان کامل ترین سیستم فونداسیون در مقایسه با پی های سطحی، سطحی و بهسازی و نیز پی های نیمه عمیق در مهندسی ساختمان مطرح می باشد و مزایایی چون کاربرد در خاک های مسأله دار، تحمل بارهای جانبی، تقلیل و کنترل میزان نشست، امکان حفاری در آتیه در مجاورت پروژه، تراکم و بهسازی خاک های دانه ای و تأمین پایداری در برابر عوامل ناپایداری سازه های بلند را می توان در این زمینه برشمرد.
کاربرد پی های عمیق مختص پروژه های خاص و با اهمیت و در صورت وجود شرایط خاک نامناسب در بستر می باشد، مضافاً به این که تجهیزات ساخت و اجرای پی های عمیق نیز همه جا در دسترس نبوده و در صنعت عمران فراگیر نمی باشد. در نتیجه به کارگیری سیستم پی های عمیق عمدتاً پُر هزینه و وقت گیر بوده و بنابراین مراحل تحلیل، طراحی و اجرای آن ها معمولاً متضمن بررسی جامع تر و استفاده از تجارب مهندسان متخصص در این زمینه و در نهایت مستلزم دسترسی به پرسنل، امکانات و تجهیزات، تکنولوژی و دانش نوین و دقیق تر در این زمینه می باشد. جدول 1 اشکال و زمینه های مختلف کاربرد پی های عمیق و همچنین مزایا و معایب انواع مختلف آن را نشان می دهد. موارد اشاره شده در ذیل از ملزومات اساسی تحلیل و طراحی پی های عمیق می باشند:
- ظرفیت باربری
- نشست
- طراحی سازه ای
- کنترل پایداری
- جنبه های اجرایی و اقتصادی

استراتژی به کارگیری پی های عمیق

1- تعیین وضعیت و مقدار بارهای وارده از روسازه به پی اعم از ثقلی، جانبی و لنگرها
2- تعیین تکلیف استفاده و یا عدم استفاده از پی عمیق بر اساس مطالعات ژئوتکنیک، شرایط زیر سطحی و محیطی و همچنین ملاحظات اقتصادی
3- انتخاب نوع پی عمیق اعم از شمع درجا، کوبیدنی و موارد دیگر مانند جنس شمع ها، وضعیت مقطع، راستای اجرای شمع به صورت قائم یا مایل، تجهیزات و امکانات ساخت و اجرا
4- تعیین عمیق استقرار شمع ها با توجه به خصوصیات ژئوتکنیکی خاک سایت و چگونگی بارهای وارده و امکانات اجرایی
5- آرایش شمع ها در پلان و نحوه ی عملکرد به صورت تک و یا گروهی شمع ها چگونگی اندرکنش با رادیه
6- تعیین توان باربری ژئوتکنیکی پی های عمیق با استفاده از آنالیز استاتیکی
7- تدقیق توان باربری به دست آمده با استفاه از نتایج تست های در جای ژتوتکنیکی و یا تحلیل دینامیکی
8- کنترل و ارزیابی نشست مجموعه ی فونداسیون
9- طراحی سازه ای شمع و سرشمع
10- محک عملی توان باربری با استفاده از آزمایش بارگذاری استاتیکی و یا آزمایشات دینامیکی جهت کنترل صحت اجرا و نیز اطمینان از عدم آسیب دیدگی شمع ها حین استقرار و یا حتی تقلیل ضریب اطمینان که در نهایت بهینه سازی اقتصادی پروژه را به دنبال دارد.

تعیین توان باربری ژئوتکنیکی شمع ها

ظرفیت باربری (4) شمع ها از دو جنبه ی مقاومت ژئوتکنیکی و مقاومت سازه ای می تواند مورد ملاحظه قرار گیرد. مقاومت ژئوتکنیکی یا ظرفیت باربری، باری است که موجب گسیختگی خاک اطراف و کف شمع می گردد. گسیختگی هنگامی اتفاق می افتد که در اثر افزایش بار روی شمع گسیختگی برشی در اطراف شمع به وقوع پیوسته و ضمن جدا شدن شمع از خاک اطراف، گسیختگی برش کلی و یا از نوع سوراخ کننده (پانچ) در کف شمع اتفاق می افتد.

متدهای زیر جهت تعیین توان باربری شمع ها متداول اند:

1- تحلیل استاتیکی
2- تحلیل استاتیکی با استفاده از نتایج تست های درجا
3- تحلیل و تست های دینامیکی
4- آزمایش بارگذاری استاتیکی

آنالیز استاتیکی جهت تعیین توان باربری شمع

جهت تعیین توان باربری باید مقاومت های کف و جداری را از هم تفکیک نمود و با محاسبه ی هر یک، توان باربری نهایی شمع را که مجموعه ی مقاومت های کف و جداری می باشند را به صورت زیر آورد:
(1)

تعیین مقاومت واحد کف؛

رابطه ی پایه ی توان باربری برای پی های عمیق جهت ظرفیت باربری کف را می توان به دلیل تشابه مکانیزم گسیختگی با پی های سطحی به صورت زیر در نظر گرفت:

با توجه به این که بعد شمع و یا قطر آن B در مقایسه با پی های سطحی کوچک می باشد معمولاً از ترم سوم رابطه ی فوق در محاسبات صرف نظر می شود و داریم:

در خاک های چسبنده اشباع و در شرایط کوتاه مدت و زهکشی نشده که گرفته می شود داریم:

برای خاک های درشت دانه و ریزدانه و با ملاحظات باربری در درازمدت و شرایط زهکشی شده و با آنالیز تنش مؤثر،
تابعی از بوده و در شکل 2 برای روش های توصیه شده توسط محققان مقدار آن مشخص شده است. همان طور که از شکل 2 پیداست، برای یک زاویه ی معین، تفاوت زیادی در مقادیر توصیه شده توسط مؤلفان مشاهده می شود. مضافاً به این که تهیه ی نمونه ی دست نخورده از خاک های درشت دانه جهت اندازه گیری مشکل می باشد. همچنین شرایط متفاوت و مقادیر مختلف زاویه ی متناسب با نوع آزمایش و چگونگی انجام آن نیز از معضلات طراحی به روش تحلیل استاتیکی می باشد.

مقاومت واحد جداری،

به طور کلی، سه روش در تعیین مقاومت واحد جداری شمع موجود است که به قرار زیر می باشد:

که در روابط فوق rs اصطکاک جداری، چسبندگی زهکشی نشده، تنش مؤثر در عمق و ضرایبی می باشد که بر حسب نوع شمع، نوع خاک و عمق استقرار تعیین می شوند. به خلاصه ی روش های آنالیز استاتیکی برای تعیین توان باربری شمع ها در جدول 2 ارائه شده است.
با عنایت به تنوع روش ها و توصیه ها و متدها و بر مبنای تجارب حاصله و هماهنگی در طراحی ها و اجتناب از طراحی های متفرق در ذیل به دو روش آیین نامه ای اشاره می شود.

روش متحد (5) در تعیین ظرفیت باربری شمع ها

با توجه به تنوع روش ها و توصیه ها در خصوص مقادیر و نیز روابط مختلف برای بر حسب رویه ای یکنواخت تحت عنوان روش متحد جهت طراحی توصیه شده است که جزئیات آن به شرح زیر می باشد.

تنش مؤثر در تراز کف شمع

مقادیر برای خاک های مختلف و همچنین شمع ها درجا و کوبیدنی در جدول 3 ارائه شده است.

روش API (6) در تعیین توان باربری شمع ها

این آیین نامه عمدتاً برای تحلیل و تعیین توان باربری شمع ها برای سازه های فراساحلی تدوین شده است.

- خاک های چسبنده

فاکتور بی بعد و C مقاومت برشی زهکشی نشده ی خاک در رقوم مورد نظر می باشد.

- خاک های اصطکاکی

K ضریب نسبت فشار جانبی خاک، تنش مؤثر موجود در رقوم انتهایی شمع، تنش مؤثر موجود در رقوم انتهای شمع و فاکتور عمق مربوط به ظرفیت باربری می باشند. پارامترهای طراحی برای خاک های اصطکاکی بر مبنای روش API در جدول 4 ارائه شده است.

پی‌نوشت‌ها:

1- دانشیار و عضو هیأت علمی دانشکده ی مهندسی عمران دانشگاه گیلان و دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
2- کارشناس ارشد ژئوتکنیک، گروه عمران، دانشکده ی فنی و مهندسی، دانشگاه گیلان.
3- Deep Foundations (Piles)
4- Bearing Capacity
5- Unified Method
6- American Petroleum Institute