روش‌های شمع کوبی در خاک ماسه‌ای
استفاده از پی‌های عمیق یا شمع، طی دهه اخیر افزایش قابل توجهی در سطح کشور پیدا کرده است. علاوه بر اجرای سازه‌های معمولی همچون پل سازی که از گذشته‌های دور تر نیز پی‌های عمیق در آنها استفاده می‌شد، گسترش بنادر جنوبی و شمالی کشور و همچنین سرمایه گذاری‌های کلان در بخش صنایع نفتی و پتروشیمی در سواحل جنوبی نیاز به استفاده از پی‌های عمیق را به طور چشمگیری افزایش داده است.
کاربرد شمع‌ها
برآورد صحیح ظرفیت باربری محور شمع‌ها یا پی‌های عمیق در پروژه‌هایی مانند پل‌ها، سازه‌های دریایی، اسکله‌ها و ساختمان‌ها و پروژه‌های عظیم صنعتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. سهم قابل توجهی از تامین پایداری و درجه ایمنی این گونه سازه‌ها متوجه پی آنها است. از سوی دیگر، هزینه اجرای پی‌های عمیق در برخی موارد حتی تا حدود نیمی از هزینه کل طرح را در برمی‌گیرد. لذا طرح بهینه شمع‌ها، و به ویژه تعیین ظرفیت باربری آنها، بایستی با دقت و توجه خاصی انجام پذیرد.
علیرغم پیشرفت چشمگیر علم مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک در دهه‌های اخیر، تعیین ظرفیت باربری شمع‌ها هنوز با دشواری‌هائی همراه است. خواص فیزیکی و مکانیکی منحصر به فرد خاک مانند ناهمگونی، ناهمسانی، وجود آب تنوع ترکیبات مختلف خاک در طبیعت، استعداد خزش، رفتار پیچیده تنش-کرنش از یک سو و تنوع شمع‌ها از لحاظ جنس مصالح، شکل مقاطع، روش‌های اجرائی و نصب و سایر موارد دیگر موجب پیچیدگی اندر کنش المان سازه‌ای شمع و خاک اطراف آن می‌شوند. لذا مدل کردن چنین شرایط پیچیده‌ای که متغیرهای مختلفی در آن دخالت دارند دشوار است. به همین دلیل پژوهشگران متعددی در دهه‌های گذشته تلاش در جهت ارائه روابط تئوریک یا تجربی مختلفی برای تعیین ظرفیت باربری نموده‌اند، اما هر یک از روش‌های ارائه شده و پارامترهای مربوطه آنها بر حسب شریط آزمایشگاهی یا محلی ویژه یا فرض‌های ساده کننده‌ای تنظیم شده‌اند که نتیجه برای شرایط کلی و عمومی ممکن است کارآئی مطلوبی نداشته باشند.
روش‌های مختلف تعیین یا کنترل ظرفیت باربری محوری شمع‌ها را می‌توان به چهار دسته کلی زیر تقسیم نمود.
- روش‌های تحلیل استاتیکی
- استفاده مستقیم از نتایج آزمایش‌های صحرائی
- آزمایش بارگذاری استاتیکی
- روش‌های دینامیکی (به منظور تحلیل و طراحی استاتیکی شمع)
پی‌های عمیق یا شمع‌ها، عناصر ستونی نسبتاً لاغری هستند که بصورت قائم یا کمی شیب دار به عنوان پی سازه‌ها بکار رفته، بطوری که بار سازه‌های فوقانی را به لایه‌های مناسب‌تر خاک در اعماق پائین‌تر منتقل می‌کنند. طول یا عمق قرارگیری شمع در خاک، سطح مقطع، جنس، روش نصب و چگونگی عملکرد شمع‌ها از متغیرهای اصلی بوده که با توجه به شرایط و نیازهای پروژه تعیین می‌شوند.
سیستم پی عمیق (شمع) زمانی توصیه می‌شود که حداقل یکی از شرایط زیر برقراری باشد.
- لایه‌های سطحی خاک فاقد مقاومت کافی بوده و لایه‌های مقاوم‌تر خاک در اعماق پایین‌تر یافت شوند. به عبارت دیگر، حتی اگر از پی‌های گسترده استفاده شود، ظرفیت باربری لازم توسط لایه‌های سطحی تامین نشود.
- لایه یا لایه‌های سطحی نشست پذیر، تورم زا، فروریزشی باشند یا سازه به نشست غیر متقارن بسیار حساس باشد.
- علیرغم مقاوم بودن لایه‌های سطحی خاک، مشکل آب شستگی یا آب شکستگی در کناره پایه‌های میانی و یا کوله پل‌ها وجود داشته باشد.
- بارهای متمرکز بزرگی باسد از سازه به خاک منتقل شوند بطوری که تحمل این نیروها توسط پی‌های سطحی، حتی به صورت گسترده، امکان پذیر باشد.
- سطح آب زیر زمینی در منطقه بالا است و یا فشار آرتزین در لایه‌های خاک وجود داشته، بطوری که امکان احداث پی کم عمق وجود نداشته باشد.
- افزایش سختی خاک زیر پی ماشین آلات برای کنترل دامنه ارتعاشات پی و همچنین کنترل فرکانس طبیعی سیستم.
- مقاومت در برابر نیروهای کششی یا واژگانی برای پی‌های زیر سطح آب یا جلو گیری از واژگونی سازه‌های بلند.
- ایجاد مهار در برابر نیروی‌های افقی و زلزله یا ضربه گیری در اسکله‌ها.
- کنترل لغزش و رانش زمین و افزایش پایداری شیب‌ها.
- مقابله با عواقب آتی حاصل از ساخت و سازها در مجاورت پروژه و یا بناهای موجود.
کاربرد شمع‌ها بصورت تکی و گروهی
شمع‌های گروهی در ساده‌ترین حالت، متشکل از ۲ یا ۳ شمع بوده که توسط کلاهک یا تیرهای گیر دار به هم متصل می‌شوند. این المان سازه‌ای، یعنی کلاهک یا سر شمع، هم می‌تواند در بالای سطح زمین و هم در زیر سطح زمین اجرا شود. یک سیستم گروه شمع از نظر استاتیکی نامعین است و توزیع نیرو در شمع‌ها، تابعی از تغییر مکان و تغیر شکل شمع‌ها خواهد بود.
بارهای وارد بر شمع‌ها
نحوه اعمال بار وارد بر شمع ممکن است به دو صورت مونوتونیک و سیکلی باشد. افزایش تدریجی نیروهای ناشی از ساخت سازه مثالی از یک بار مونوتونیک است. بارهای سیکلی بارهایی هستند که در آنها جهت نیروی وارده به طور متناوب تغییر می‌کند. این بارها نیز به دو دسته استاتیکی تکراری (فرکانس پایین) و دینامیکی (فرکانس بالا) تقسیم می‌شوند. بارهای وارد بر پی ماشین آلات پیستونی، ضربه‌ای و دورانی نمونه‌ای از بارهای سیکلی دینامیکی بوده، زیرا این ماشین آلات دارای فرکانس بالایی هستند. اثر زلزله و باد نیز به صورت نیروهای سیکلی با فرکانس نسبتاً بالا در نظر گرفته می‌شوند و لذا از نوع دینامیکی هستند.
بارهای وارده بر شمع‌ها، شامل بارهای محوری، جانبی و لنگر خمشی طراحی شمع در مقابل بار هستند. ولی معمولاً مهمترین عامل طرح شمع از لحاظ ظرفیت باربریاست. به عبارت دیگر در اکثر موارد کاربرد نیروی محوری وارد بر شمع عامل اصلی تعیین کننده، تعیین ظرفیت باربری شمع‌ها است. بارهای وارد بر گروه شمع‌ها نیز همانند بارهای وارد بر تک شمع‌هاست با این تفاوت که بار محوری، جانبی و لنگر خمشی به کلاهک وارد شده و به نسبت سختی و نیز عملکرد متقابل سر شمع‌ها تقسیم می‌شود.
طبقه بندی شمع‌ها از نظر شکل و مقاطع آنها
شمع‌ها در مقطع طولی می‌توانند به شکل‌های استوانه‌ای یا مخروطی باشند که نوع مخروطی آن با توجه به گرادیان باریک شوندگی به دو صورت شمع مخروطی با گرادیان باریک شوندگی تند و شمع مخروطی با گرادیان باریک شوندگی ملایم تقسیم می‌شوند.
طبقه بندی شمع‌ها از لحاظ روش اجرا
شمع‌های با تغییر مکان بزرگ که شامل شمع‌های توپر و تو خالی با انتهای بسته است که بوسیله ضربه یا جک به داخل خاک رانده شده و موجب تغییر مکان نسبتاً زیادی در خاک می‌شوند. همچنین شمع‌های کوبیدنی- ریختنی، یعنی شمع‌هایی که ابتدا یک غلاف توخالی کوبیده شده و سپس با بتن پر
شود، نیز از نوع تغییر مکان بزرگ محسوب می‌شوند.
شمع‌های بدون تغییر مکان که باز هم به وسیله ضربه یا جک به داخل خاک رانده می‌شوند با این تفاوت که سطح مقطع نسبتاً کوچکی دارند. این گروه شامل شمع‌های H شکل، لولهای یا جعبه‌ای با انتهای باز هستند که خاک به داخل حفره‌های مقطع وارد می‌شود. اگر در حین کوبیدن این شمع‌ها به داخل خاک، توده خاکی در انتهای شمع تشکیل و قفل شود به طوری که از ورود خاک به داخل حفره در سراسر مقطع جلوگیری کند، این شمع‌ها نیز تبدیل به شمع‌های با تغییر مکان زیاد می‌شوند.
شمع‌های بدون تغییر مکان که ابتدا گمانه‌ای در زمین حفر شده و سپس با بتن پر می‌شود. بتن ممکن است در داخل غلاف ۱۰ ریخته شود و یا در حین بتن ریزی، غلاف به تدریج از گمانه خارج شود. در بعضی موارد، شمع‌های پیش ساخته بتنی، چوبی و در داخل گمانه قرار داده می‌شوند.
شمع‌های کوبیدنی با تغییر مکان بزرگ انواع زیر را شامل می‌شوند.
- چوبی (مقطع دایره‌ای یا مربعی، یک‌سره یا با اتصال)
- بتن پیش ساخته (مقطع توخالی یا توپر)
- بتن پیش تنیده (مقطع توخالی یا توپر)
- لوله فولادی (ضربه‌ای با انتهای بسته)
- جعبه فولادی (ضربه‌ای با انتهای بسته)
- لوله فولادی باریک شونده
- لوله فولادی با انتهای بسته و رانده شده توسط جک
- استوانه‌های بتنی تو پر (شمع‌های بتنی پیش ساخته قطور) رانده شده توسط جک
شمع‌های کوبیدنی – ریختنی با تغییر مکان بزرگ انواع زیر را شامل می‌شوند.
- لوله فولادی کوبیده شده و بعد از بتن ریزی بیرون کشیده می‌شود
- پوسته پیش ساخته بتنی که با بتن پر می‌شود
- غلاف فولادی کم ضخامتی که به داخل خاک کوبیده شده و سپس با بتن پر می‌شود
شمع‌های با تغییر مکان کوچک انواع زیر را شامل می‌شوند.
- بتنی پیش ساخته (مقطع لولهای با انتهای باز که با ضربه به داخل خاک رانده شود)
- بتنی پیش تنیده (مقطع لولهای با انتهای باز که با ضربه به داخل خاک رانده شود)
- مقاطع H شکل فولادی
- مقاطع لولهای فولادی (که با انتهای باز پوشیده شده و خاک وارد لوله شود)
- مقاطع جعبه‌ای فلزی (که با انتهای باز پوشیده شده و خاک وارد لوله شود در صورت نیاز تخلیه شود)
شمع‌های بدون تغییر مکان انواع زیر را شامل می‌شوند.
- حفر گمانه توسط روش‌های مته دورانی، چنگگ، بالابر هوایی و پر کردن آن با بتن (درجاریز)
- حفر گمانه مطابق روش‌های فوق و قرار دادن لوله و پر کردن ان با بتن در صورت لزوم
- قرار دادن المان‌های بتن ساخته در داخل گمانه
- تزریق ملات سیمان به داخل گمانه حفر شده
- مقاطع فولادی قرار داده شده در داخل گمانه حفر شده
- حفر گمانه و قرار دادن لوله فولادی به طور همزمان
معیارهای انتخاب شمع مناسب برای نیازهای پروژه
انتخاب نوع شمع مناسب از موارد ذکر شده در طبقه بندی شمع‌ها به سه پارامتر اساسی بستگی دارد.
- مشخصات روسازی (کاربرد و وضعیت بارگذاری)
- شرایط خاک بستر
- عملکرد و دوام مصالح شمع
شمع‌های با تغییر مکان نسبتاً زیاد مناسبترین انتخاب برای بکارگیری در سازه‌های دریایی هستند. یکشمع پیش ساخته یا پیش تنیده توپر بتنی در آب‌های کم عمق کاربرد داشته و در آب‌های عمیق چندان کاربرد ندارند. زیرا این شمع‌ها بسیار سنگین بوده و جابجایی آنها مشکل است. در شرایط آب‌های عمیق شمع‌های لولهای فولادی و یا بتنی پیش ساخته توخالی کاربرد دارند.
در سازه‌های دریایی استفاده از شمع‌های لولهای فولادی بر شمع‌های فولادی با مقطع H ارجحیت دارد، زیرا نیروی کشانه ایجاد شده به علت امواج دریا در مورد اولی کمتر است. همچنین یک روش اقتصادی برای مقابله با نیروهای ضربه‌ای ناشی از موج دریا و همچنین نیروهای ناشی از پهلوگیری کشتی‌ها، استفاده از شمع لوله فولادی با قطر زیاد است.
شمع‌های چوبی برای مواردی مانند کارهای موقت در آب‌های کم عمق کاربرد داشته و برای بارهای سبک تا متوسط ،در کشورهایی که چوب به راحتی یافت می‌شود مناسب هستند. از شمع‌های بتن درجا در سازه‌های دریایی تنها بصورت مرکب می‌توان استفاده نمود. به عنوان مثال چنانچه در یک محیط دریائی، هدف عبور از آب و لایه‌های نرم و رسیدن به یک لایه سخت باشد می‌توان یک شمع توخالی را توسط چکش تا عمق مورد نظر کوبید و سپس محفظه داخل آن را با بتن پر کرد.
