فونداسیون شمعی

رایج‌ترین نوع فونداسیون عمیق شمع‌ها‌ هستند. یک شمع، عضو سازه‌ای نسبتاً بلند، لاغر و ستون مانندی است که با قرار گرفتن در داخل خاک وزن سازه را به خاک زیرین منتقل می‌نماید. شمع در واقع همان ستون است که در داخل خاک مستقر شده است. شمع بارهای وارده از روسازه را در عمق خاک عبور داده و آنرا به خاک مقاومتر (در عمق بیشتر) منتقل می‌کند. سه نوع فونداسیون شمعی وجود دارد که شامل شمع کوبیدنی، شمع درجا ریخته شده و شمع کوبیده درجا ریخته شده است. فونداسیون شمعی اعضایی از جنس فولاد‌، بتن‌، بتن مسلح‌، و چوب هستند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از شالوده‌های سطحی‌، از آنها برای ساخت شالوده‌های عمیق (‌شالوده‌های شمعی‌) استفاده می‌شود.

وقتی که لایه یا لایه‌های فوقانی خاک دارای قابلیت فشردگی زیاد ‌یا خیلی ضعیف باشند‌، به طوری که نتوان از شالوده سطحی برای توزیع بار ساختمان استفاده کرد‌، فونداسیون شمعی برای انتقال بار به لایه تحتانی محکمتر‌ یا سنگ بستر مورد استفاده قرار می‌گیرند. وقتی که بستر سنگی‌ یا لایه محکمتر تحتانی در عمق معقولی از سطح زمین قرار نداشته باشد‌، از شمع برای انتقال تدریجی بار استفاده می‌شود. در این حالت‌، بیشتر مقاومت شمع از طریق نیروی اصطکاک بین سطح تماس شمع و خاک (‌مقاومت جلدی‌) تامین می‌شود. اگر شمع‌ها تحت تاثیر نیروی افقی قرار گیرند‌، در حالی که هنوز قابلیت حمل بار‌های قایم را دارا هستند‌، می‌توانند به وسیله خمش‌، نیرو‌های افقی راحمل نمایند. این وضعیت اغلب در شالوده سازه‌های حایل خاک که وظیفه آنها مقاومت در مقابل فشار جانبی خاک است‌ یا ساختمان‌های بلند که تحت تاثیر نیروی باد یا زلزله قرار دارند‌، پیش می‌آید.

شمع‌های بتنی‌

این نوع شمع‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند‌.

1. شمع‌های بتنی پیش ساخته
2. ‌شمع‌های ساخته شده در محل‌

شمع‌های بتنی پیش ساخته را می‌توان تقریباً به هر شکل و اندازه‌ای در کارخانه ساخت. مقاطع معمول این نوع شمع‌ها مربع، دایره و چند ضلعی است. شمع‌های بتنی پیش ساخته معمولاً با طول ۱۸ متر می‌سازند. در سر شمع‌های بتنی پیش ساخته برای جلوگیری از تخریب شمع در موقع کوبیده شدن کلاهک فلزی نصب می‌کنند.

شمع‌های بتنی‌ نیز یا درجاریز هستند‌ یا پیش ساخته که در این صورت روی تراز زمین ساخته می‌شوند و با ضربه به داخل زمین رانده می‌شود. شمع‌های فولادی (Steel Piles) که معمولاً از پروفیل‌های بال پهن هستند نیز می‌توانند به داخل زمین رانده شوند. این نوع شمع‌ها می‌توانند بارهای بسیار سنگینی را تحمل کرده و با صرف زمان کمتری اجرا شوند.

بررسی نشست‌ شمع ‌بتنی واقع در خاک‌های روانگرا

یکی از علل بروز آسیب در سازه‌ها به هنگام زلزله، روانگرایی خاک‌های ماسه‌ای است. آسیب‌های زیادی در اثر روانگرایی به سازه‌های مستقر بر روی این خاک‌ها وارد می‌شود؛ به ویژه زمانی که این سازه‌ها درون خاک روانگرا شده قرار می‌گیرند. شمع‌ها یکی از این نوع سازه‌ها هستند. شمع‌ها در واقع ستون‌های لاغری هستند که به صورت جانبی متکی به خاک پیرامون خود هستند. شمع‌هایی که از لایه‌های خاک عبور می‌کنند، در اثر روانگراییحاصل از زلزله، تکیه‌گاه جانبی خود را تا حد زیادی از دست می‌دهند. در این حالت شمع می‌تواند همانند ستون حمایت نشده، آمادگی برای ناپایداری محوری داشته باشد. این ناپایداری می‌تواند به کمانش جانبی شمع در جهت ضعیف‌تر و ایجاد مفصل پلاستیک بینجامد. تا به حال روش‌های مختلفی برای تحلیل و طراحی شمع‌ها در برابر بارهای لرزه‌ای ارائه شده است؛ ولی در این روش‌ها اثرات روانگرایی خاک روی رفتار شمع‌ها در نظر گرفته نشده است.

به وجود آمدن فشار منفذی در شرایط غیر زهکش، نشان اصلی تمام پدیده‌های روانگرایی است. تمایل خاک‌های غیر چسبنده به متراکم شدن در اثر بارگذاری استاتیکی و یا سیکلی امری شناخته شده است. هنگامی که خاک‌های غیر چسبنده‌، اشباع هستند، در اثر بارگذاری سریع در شرایط زهکشی نشده، تمایل به تراکم، موجب افزایش فشار آب حفره‌ای گشته و در نتیجه تنش‌های مؤثر کاهش می‌یابند. در این حالت‌، خاک وضعیتی شبیه مایع خواهد داشت و کرنش‌های بزرگ و تغییر شکل زیاد و پیوسته ایجاد می‌شود که این پدیده روانگرایی نامیده می‌شود.

تعیین پاسخ لرزه‌ای پی‌های شمعی قرار گرفته در خاک‌های روانگرا شده مشکل بوده و مسائل مبهم زیادی در مکانیزم‌ها و اندرکنش خاک- شمع- سازه وجود دارد. با این وجود در دهه‌های اخیر مطالعات وسیعی در این زمینه صورت گرفته و آزمایش‌های گسترده‌ای با دستگاه سنتریفیوژ و میز لرزان انجام
شده و همچنین روش‌های عددی متعددی در این زمینه ارائه شده است. این مطالعات را می‌توان به سه دسته بررسی‌های محلی، آزمایش‌های آزمایشگاهی و مدل‌های عددی تقسیم بندی نمود. بررسی‌های محلی عمدتاً برای شناسایی الگوهای گسیختگی، نشست و تغییر مکان جانبی شمع‌ها انجام می‌گیرند. موارد زیادی در زلزله‌های به وجود آمده مشاهده شده است که در آنها پی‌های شمعی دچار تخریب کلی یا آسیب‌های جدی شده است.

با افزایش ضخامت لایه روانگرا، نشست گروه شمع افزایش می‌یابد که دلیل این امر کاهش ظرفیت باربری جداره و انتهای شمع‌ها است. همچنین با افزایش طول شمع‌ها، رفته رفته نشست گرو‌‌ه شمع کاهش می‌یابد. دلیل این موضوع نیز افزایش مقاومت انتهایی شمع‌ها است. بنابر این توصیه می‌شود در صورت وجود لایه روانگرا، به منظور کاهش نشست شمع‌ها، انتهای شمع‌ها به خوبی در لایه غیر روانگرای پایینی نفوذ کنند.