طراحی بهینه ی ژئوتکنیکی پی های عمیق (4)

ضریب اطمینان در تعیین ظرفیت بار محوری شمع

پس از استنتاج توان باربری شمع به یک یا چند طریق اعم از آنالیز استاتیکی، استفاده از نتایج آزمایش های درجا، آنالیز دینامیکی تست های دینامیکی و آزمایش بارگذاری در مقایس واقعی، با اعمال ضریب اطمینان بر Ru مقدار Ra بار مجاز فشاری و یا کشش به دست می آید. برای شمع تحت بار فشاری مقدار ضریب اطمینان در محدوده ی 2 تا 4 و برای بارهای کشش مقدار ضریب اطمینان در محدوده ی 3 تا 5 در تغییر بوده که به عواملی از قبیل نوع و اهمیت روسازه، عواقب حاصل از خرابی روسازه، نوع خاک، گستردگی مطالعات ژئوتکنیک، تعداد و نوع آزمایش های آزمایشگاهی و درجا، انجام آزمایش های بارگذاری استاتیکی و دینامیکی، تحلیل با استفاده از آنالیز معادله ی موج، چگونگی ساخت و نحوه ی بازرسی ها و کنترل در محل، احتمال اعمال بارهای زنده بر سازه و چگونگی ارزیابی آن ها، طراحی شمع بر مبنای نتایج فرمول های شمع کوبی، نحوه ی تفسیر آزمایش، بارگذاری بستگی دارد.
مقدار ضریب اطمینان به میزان پذیرش عواقب مربوط به انهدام و همچنین آگاهی و کنترل جنبه های مؤثر در تغییرات ظرفیت باربری در سایت بستگی دارد. در روش های سنتی و قدیمی، ضرایب اطمینان در تعیین ظرفیت باربری شمع بر پایه ی تغییر شکل های مجاز شمع به دست می آمد. بار مجاز Ra بالای شمع را می توان کوچک ترین دو مقدار زیر در نظر گرفت:
- تا زمانی که ایمنی در برابر ظرفیت نهایی شمع مدنظر است، نیازی به تحلیل دقیق در تفاوت بین ایمنی برای باربری کف و ایمنی برای مقاومت جداری نمی باشد. این که حداقل ضریب اطمینان از طریق باربری کف و یا مقاومت جداری تأمین می گردد خیلی مهم نیست.
- برعکس، در تحلیل ضریب اطمینان مسائل با ماهیت تغییر شکلی، تفاوت در جابه جایی های مربوط به مقاومت بسیج شده ی انتهایی و جداری یقیناً نقش بسیار مهمی ایفا می نماید.
در مجموع با استفاده از روش های مکمل اعم از آنالیز استاتیکی، تست های درجا، آنالیز و تست های دینامیکی، آزمایش بارگذاری مطالعات ژئوتکنیک مناسب و استفاده از تجارب و قضاوت مهندسی می توان ضریب اطمینان را تا حدود 5/1 کاهش داده و صرفه جویی مناسبی در هزینه و زمان اجرا به عمل آورد (Fellenius, 1990).

فونداسیون های رادیه مرکب (1)

در طراحی فونداسیون ها متداول است که جهت انتقال بارهای روسازه به خاک، رادیه به عنوان کامل ترین گزینه مدنظر قرار می گیرد. این پی ها در مواردی از قبیل بزرگ بودن بارهای روسازه، ضعیف بودن شرایط خاک بستر و نشست های ناهمسان، زمین های مستعد تورم، توزیع غیریکنواخت بارهای جانبی و بالا بودن سطح آب زیرزمینی، بسیار کارا بوده و در سطح وسیعی از پروژه های عمرانی کاربرد دارند. پی های گسترده از انواع پی های سطحی به شمار می روند که ضمن برخورداری از مزایای ذکر شده، ایراداتی از قبیل معضلات اجرایی و نشست های زیاد را نیز به دنبال دارند. با توجه به اهمیت نشست به خصوص نشست های ناهمسان در سازه های بلند و حساس، در صورت تجاوز نمودن مقادیر نشست های متوسط و ناهمسان از حد مجاز، یکی از راه کارهای حذف پی سطحی (رادیه) و استفاده از شمع در زیر سازه و اتکای آن به لایه های سخت و نشست ناپذیر است که علیرغم درجه ی اطمینان بالای آن، دارای مشکلاتی نیز هست. معضلات اجرایی، هزینه ی بالا و احتمال وجود خاک مناسب در اعماق بسیار پایین و نیاز به شمع های بیش تر با طول های بلند و قطر بالا، از جمله این مواردند.
در این خصوص ایده ی تلفیق رادیه و پی های عمیق، به عنوان گزینه ی جدیدی در مبحث پی سازی از دهه ی 70 میلادی مطرح شده است. به کارگیری پی های عمیق در زیر پی های گسترده که اصطلاحاً به سیستم پی گسترده ی مرکب معروف است، می تواند سبب کاهش نشست و اثر توأم افزایش ظرفیت باربری شود. این سیستم در 40 سال اخیر در کشورهای مختلفی از جمله آلمان، اندونزی، ژاپن و ... به کار گرفته شده و اثرات مثبت تلفیق رادیه و شمع در کاهش نشست های کلی و غیر یکنواختِ سازه های بلند و سنگین و نیز کاهش هزینه های اجرایی طرح، سبب رشد تحقیقات علمی در این زمینه و گسترش کاربرد پی های گسترده ی مرکب گردیده است. از این رو شناخت این فونداسیون ها و ارزیابی رفتار آن تحت تأثیر عوامل درونی و بیرونی از مباحث و نیازهای اساسی مهندسی ژئوتکنیک به شمار می رود.
بر خلاف روش های طراحی سنتی شمع و سرشمع (گروه شمع های آزاد) که کل بار روسازه به شمع ها انتقال می یافت، در سیستم رادیه - شمع، هم رادیه و هم شمع های زیرین در باربری مشارکت دارند. در واقع اثر خاک زیرین رادیه و نقش باربری آن در طراحی لحاظ می گردد. از این رو به این سیستم گاهی، پی های گسترده ی مرکب نیز گفته می شود. بدین ترتیب شمع های زیرین برای بار کم تری طراحی شده و دارای ابعاد کوچک تری نسبت به گروه شمع های آزاد خواهند بود. با توسعه ی روش های مختلف تحلیل و طراحی رادیه - شمع ها و شناخت عمیق تر مبانی رفتاری این فونداسیون های مرکب، در روش های جدیدتر، ظرفیت باربری شمع ها به طور کامل بسیج می شود که این امر به معنای ضریب اطمینان یک در طراحی شمع ها است. بدین ترتیب با مشارکت رادیه در برابری و کاهش سهم باربری شمع ها در این سیستم، گروه شمع ها می توانند نقش مؤثرتری در کاهش نشست ها ایفا نمایند. بدیهی است که هرچه سهم باربری شمع ها کم تر و سهم باربری رادیه (خاک) بیش تر باشد، این نقش بیش تر جلوه خواهد کرد. به همین دلیل به این شمع ها، شمع های کاهش دهنده ی نشست نیز گفته می شود (شکل 19).

بر همین اساس شناخت صحیح اندرکنش بین سه المان تشکیل دهنده ی یک پی گسترده مرکب شامل شمع، رادیه و خاک، از عوامل مؤثر در تحلیل، طراحی و کارآیی آن به شمار می رود که البته دلیل اصلی پیچیدگی رفتار این فونداسیون ها و مشکلات مربوط به تحلیل و طراحی نیز از همین مسأله ناشی می گردد (شکل 20). در حالت کلی، بهره گیری از پی های رادیه - شمع سبب کاهش قابل توجه طول شمع ها، بهبود سرویس دهی پی های سطحی به لحاظ نشست های کلی و ناهمسان و طرح اقتصاد فونداسیون ها می گردد که البته در بهینه سازی اثرات مثبت آن، عوامل مختلفی از جمله لایه بندی خاک در عمق، اندرکنش بین شمع - خاک - سازه، اتصال و یا عدم اتصال شمع ها به رادیه، نسبت طول به قطر و فاصله بندی شمع ها نقش اساسی دارند.
بهترین نوع آرایش در حالت بارگذاری گسترده ی یکنواخت به منظور دستیابی به کم ترین مقادیر نشست ماکزیمم و نسبی و همچنین لنگرهای خمشی، متمرکز نمودن شمع ها در 25 درصد مساحت رادیه و در محدوده ی میانی آن می باشد. اگرچه در این حالت، مناسب ترین مقادیر نیروی برشی مربوط به حالتی است که هیچگونه شمعی در زیر رادیه متمرکز شوند. در حالت بارگذاری گسترده ی یکنواخت، تفاوت طول شمع ها و به کارگیری شمع هایی با طول بلندتر در قسمت مرکزی رادیه تأثیر چندانی بر بهینه کردن سیستم نخواهد داشت. در حالت بارگذاری متمرکز، مناسب ترین نوع آزمایش به منظور دستیابی به کم ترین مقادیر نشست ماکزیمم و نسبی و همچنین نمودارهای لنگر خمشی و نیروی برشی زمانیست که شمع هایی با طول بلندتر دقیقاً در زیر بارهای میانی و بقیه شمع های، زیر بارهای کناری رادیه قرار گیرند. تغییر در ضخامت رادیه تأثیر چندانی بر مقادیر نشست ماکزیمم نگذاشته، اما افزایش ضخامت رادیه، سبب کاهش چشم گیر در مقادیر نشست نسبی در دو حالت بارگذاری گسترده ی یکنواخت و متمرکز خواهد شد.
ساختمان Messeturm فرانکفورت از جمله ساختمان هایی است که سیستم پی آن از نوع رادیه - شمع است. کل وزن ساختمان به قرار MN 1900 بوده که با احتساب زیر فشار مقدار خالص آن به قرار MN 1700 می باشد. مقطع عرض برج مربعی به ضلع m 41 بوده در حالی که برای پی گسترده ی آن مربعی به ضلع m 60 منظور شده است. از آن جا که نشست پی گسترده ی بدون شمع به قرار mm 400 برآورد شده بود، سیستم پی رادیه با شمع انتخاب شده تا میزان نشست به نصف مقدار فوق تقلیل یابد. وقوع نشست های نسبتاً زیاد، احتمال چرخش و ضریب لاغری ساختمان به قرار 4 منجر به تصمیم گیری در انتخاب پی گسترده ی مرکب شده است. 64 شمع در قالب سه دایره ی متحدالمرکز مطابق شکل 21 به کار گرفته شدند.
ضخامت پی گسترده در مرکز به قرار m6 و در لبه ها به m3 تقلیل یافته است. استفاده از شمع ها باعث تقلیل مقدار نشست به mm150 شده است. نتایج حاصله ی در شکل 22 نشان می دهد که سهم مشارکت پی گسترده و شمع ها به ترتیب به قرار 45 درصد و 55 درصد در تحلیل بار قابل توجه بوده، که حاکی از بهینه بودن طراحی سیستم فونداسیون مرکب انتخابی می باشد.

جمع بندی و نتیجه گیری

با پیشرفت روز افزون تکنولوژی، روش های تحلیل و طراحی ابنیه ی ژئوتکنیکی از قبیل پی های عمیق نیز از سیمای جدیدتر و البته دقیق تری برخوردار می شوند. روش های تحلیل قدیمی به آرامی جای خود را به روش های نوین و بدیع امروزی داده تا در نهایت شاهد هر چه کامل تر، مقرون به صرفه تر و سریع تر بودن روند تحلیل و طراحی این دسته از پی ها باشیم. در زیر به طور خلاصه به جمع بندی و نتیجه گیری مباحث پیشین می پردازیم:
- کاربرد پی های عمیق مختص پروژه های خاص و با اهمیت و در صورت وجود شرایط خاک نامناسب در بستر می باشد. استفاده از این نوع فونداسیون ها در صنعت ساختمان سازی، موجب افزایش سرعت اجرا، افزایش ضریب اطمینان در مقابل واژگونی، افزایش عمر مفید سازه و تضمین سرمایه گذاری ها می باشد.
- ظرفیت باربری شمع ها از دو جنبه ی مقاومت ژئوتکنیکی و مقاومت سازه ای حایز اهمیت می باشد. مقاومت ژئوتکنیکی یا ظرفیت باربری، باری است که موجب گسیختگی خاک اطراف و کف شمع می گردد. از متدهای متداول جهت تعیین توان باربری شمع ها می توان روش های آنالیز استاتیکی، آنالیز استاتیکی با استفاده از نتایج تست های درجا، آنالیز دینامیکی و تست های دینامیکی و آزمایش بارگذاری استاتیکی را نام برد.

- روش های استاتیکی در تعیین ظرفیت باربری به علت عواملی از قبیل پیچیدگی رفتار خاک، دشواری در تعیین پارامترهای واقعی خاک در اعماق و اصول، مبانی و مفروضات هر روش همواره تحت تأثیر قرار دارند. از جمله ی آن ها می توان به وابستگی ضریب Nq به زاویه ی اصطکاک داخلی به دست آمده از آزمایشات آزمایشگاهی اشاره نمود.
- از جمله ی روش های آیین نامه ای مرسوم می توان روش متحد در تعیین ظرفیت باربری شمع ها را نام برد. با توجه به تنوع روش ها و توصیه ها در خصوص مقادیر rs¬ و rt و نیز روابط مختلف Nq بر حسب ، رویه ای یکنواخت تحت عنوان روش متحد معرفی شد.
- آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع را می توان مستقیم ترین و کامل ترین روش تعیین ظرفیت باربری یک شمع دانست. به دلیل وجود موارد عدم اطمینان متعدد در روند آنالیز و طراحی شمع ها، انجام شدن این آزمایش بر روی شمع های در ابعاد واقعی به صورت یک امر ضروری در اکثر پروژه های مهم درآمده است. نتایج به دست آمده از آزمایش بارگذاری شمع به صورت یک نمودار بار - تغییر مکان ارائه می شود.
- به علت عدم قابل اطمینان بودن روش های استاتیکی به دلایل مذکور، استفاده از نتایج آزمایش های درجا (از قبیل CPTu) به عنوان یک آلترناتیو و مکمل روش های تحلیل استاتیکی در تعیین توان باربری پی های عمیق در سه دهه ی اخیر پیشرفت رو به رشدی داشته است. با استفاده از داده های خروجی آزمایش CPTu (qc، fs و u2) و استفاده از روش های نرم افزاری که در دهه های اخیر توسعه ی چشم گیری را داشته اند می توان بدون وابستگی به پارامترهای خاک به تعیین ظرفیت باربری شمع دست یافت.
- در مجموع سه روش دینامیکی شامل فرمول های دینامیکی، آنالیز دینامیکی و تست های دینامیکی و توأم با آنالیز دینامیکی جهت تعیین توان باربری شمع ها با روش های دینامیکی مرسوم اند. روش آزمایشی PDA روشی بسیار کارآمد در اندازه گیری ظرفیت باربری می باشد.
- علاوه بر تعیین توان باربری ژئوتکنیکی، شمع ها باید به لحاظ سازه ای و مصالح موجود در آن ها بارهای خارجی را با عکس العمل مناسب داخل تحمل نمایند که اصطلاحاً به آن مقاوم سازه ای گفته می شود. در شرایط متعارف، در صورتی که تنها بار محوری مطرح باشد، مقطع بحرانی برای شمع از لحاظ طرح سازه ای محل صفحه ی خنثی است. زیرا علاوه بر بارهای سرویس وارده به راس شمع، افزایش نیروی محوری در شمع ناشی از نیروهای پس ماند (مسأله ی اصطکاک منفی)، در محل صفحه ی خنثی به حداکثر می رسد.
- کنترل نشست برای شمع ها ضروری است. گرچه اغلب مواقع شمع ها به عنوان یک روش برای اجتناب از نشست بالای پی های سطحی به کار می روند و تصور برخی بر این است که شمع ها دچار نشست نخواهند شد، اما در مورد شمع های اصطکاکی و به خصوص شمع هایی که در زیر صفحه ی خنثی آن ها لایه های نشست پذیر وجود دارد، حتماً بایستی با دقت کنترل گردند. البته باید توجه داشت که مسأله ی نشست در شمع ها نسبت به مسأله ی ظرفیت باربری از اهمیت کم تری برخوردار می باشد.

- برای تعیین بار مجاز روی شمع معمولاً بار نهایی با ظرفیت باربری شمع به ضریب اطمینان تقسیم می شود. مقدار ضریب اطمینان به ریسک پذیری عواقب مربوط به خرابی سازه و میزان دانش و آگاهی نسبت به بارهای وارده دارد. در صورت استفاده از چند روش ترکیبی برای تعیین ظرفیت باربری، می توان مقدار ضریب اطمینان را که به طور سنتی معادل 3 تا 4 در پی های عمیق مطرح است به حدود 5/1 تا 2 کاهش داد. بنابراین مشاهده می گردد که انتخاب مناسب ضریب اطمینان تا چه میزان در اقتصاد پروژه و مقرون به صرفه بودن آن مؤثر می باشد.
- به کارگیری پی های عمیق در زیر پی های گسترده که اصطلاحاً به سیستم پی گسترده ی مرکب معروف است، می توانند سب کاهش نشست و اثر توام افزایش ظرفیت باربری شود. بهترین نوع آرایش در حالت بارگذاری گسترده ی یکنواخت به منظور دستیابی به کم ترین مقادیر نشست، متمرکز نمودن شمع ها در 25 درصد مساحت رادیه و در محدوده ی میانی آن می باشد. در حالت بارگذاری متمرکز، بر خلاف بارگذاری گسترده ی یکنواخت، تفاوت طول شمع ها و به کارگیری شمع هایی با طول بلندتر در قسمت مرکزی رادیه سبب رسیدن به کم ترین مقدار نشست خواهد شد. در حالت بارگذاری متمرکز، به کارگیری شمع هایی با طول بلندتر در قسمت مرکزی رادیه و زیر بارهای متمرکز نسبت به شمع های کناره ها، سبب رسیدن به کم ترین مقدار نشست و لنگر خمشی و نیروی برشی در رادیه خواهد شد.

پی‌نوشت‌ها:

1- Piled – Raft Foundations

منابع و مراجع:
1- اسلامی، ابوالفضل. 1385، «مهندسی پی، طراحی و اجرا»، مرکز تحقیقات ساختمان مسکن، چاپ سوم - نشریه ی 437.
2- اسلامی، ابوالفضل، 1385، «پی های گسترده؛ تحلیل، طراحی و عملکرد»، انتشارات دانشگاه گیلان.
3- «روش های مختلف تعیین توان باربری محوری شمع ها و دستورالعمل های اجرایی»، 1384- مرکز تحقیقات و آموزش وزارت راه و ترابری؛ توسط فخاریان، کاظم و اسلامی، 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.