مهندسی پی
پی بخشی از ساختمان است که وظیفه انتقال نیرو از ستونها به زمین و خاک اطرافش را بر عهده دارد. بر اساس نوع ساختمان و میزان نیروهای وارده، بافت لایهها و نوع خاک، زمین و شرایط آب و هوایی منطقه، میتوان تیپ و ابعاد شالوده را انتخاب و مشخص نمود. عمق، طول و عرض پیها به وزن ساختمان، تعداد طبقات و نوع خاک محل بستگی دارد.
پیهای ساختمانی وسيلهای است كه بار و فشار وارد از نقاط مختلف ساختمان و همچنین بارهای اضافی را به زمین منتقل میكند. سطح پی باید به اندازهای باشد که فشار وارده بر زمین از مقاومت مجاز زمین تجاوز ننماید. وظيفه پی انتقال بارهای بخشهای فوقانی به خاک زير پی بوده به طوری که تنشهای بيش از حد و همچنین نشستهای اضافی ايجاد نشود.
مهندسی پی شامل تحليل و طراحی فونداسيون (شالوده ساختمانهای متعارف) يا سازههای در تماس با خاك (ابنيه حائل) با بكارگيری اصول مكانيك خاك و مكانيك سازه توام با قضاوت مهندسی است. مهندسی پی مباحثی همچون محاسبه ظرفيت باربری، طراحی انواع مختلف فونداسيون مانند فونداسيونهای منفرد، نواری، گسترده، عميق (شمع) را شامل میشود. علاوه بر طراحی فونداسيونهای متعارف (فونداسيون ساختمانها)، طراحی سازههای حائل نيز جزء مبحث مهندسی پی است.
مهندسی پی اغلب موارد زير را شامل میشود.
- انتخاب نوع فونداسيون برای سازه و همچنين عمق و ابعاد فونداسيون
- تعيين پارامترهای طراحی فونداسيون همانند ظرفيت باربری و فشار لهيدگی مجاز خاك
- بررسی پايداری شيروانیها و اثر آنها بر روی سازههای مجاور
- بررسی احتمال حركت فونداسيون در اثر نيروهای لرزهای كه همچنين شامل احتمال روانگرايی هم میشود.
- انجام مطالعات و آزمونها جهت تعيين احتمال تخريب فونداسيون
- ارزيابی روشهای بهسازی خاك جهت افزايش ظرفيت باربری فونداسيون
- تعيين پارامترهای طراحی فونداسيون ديوار حائل
- ارائه توصيه و دستورالعمل جهت زهكشی و كاهش تراز آب گودبرداریها جهت احداث فونداسيون
- بررسی مشكلات مرتبط با تراز آب زيرزمينی و تراوش آب
- آماده سازی بستر از جمله خصوصيات تراكمی و آزمايشهای تعيين تراكم حين تسطيح
- آزمونهای صحرايی فونداسيونها
انتخاب سيستم فونداسيون
انتخاب سيستم فونداسيون بستگی به نوع سازه، موقعيت، بزرگی و نوع نيروهايی دارد كه بايد به زمين منتقل شوند و همچنين شرايط زير سطحی، ظرفيت باربری و نشست خاك و همچنين شرايط آب زيرسطحی. ساختمان میتواند در روی خاك يا به صورت مستقيم يا غير مستقيم بر روی سنگ بنا شود. به طور طبيعی زمانی كه سنگ بستر در نزديكی سطح است فونداسيونهای سطحی را میتوان مستقيماً در روی سنگ بستر بنا نمود اما اگر سنگ بستر در عمق زيادی باشد آنگاه صلبيت خاك فوقانی و بزرگی بارها تعيين مینمايند كه آيا لزومی وجود دارد كه ساختمان مستقيماً يا غير مستقيم بر روی سنگ بنا شود. هنگامی كه ساختمان بر روی خاك احداث میشود، انتخاب نوع فونداسيون بستگی به ظرفيت باربری و نشست و همچنين سازگاری با روسازه دارد. هنگامی كه خاك متشكل از لايههای سخت ضخيم است، استفاده از شالودههای سطحی يا گسترده میتواند رضايت بخش باشد. اما در صورتی كه خاك موجود دارای ضخامت زياد ولی مقاومت پايين باشد، ساختمانهای بلند را نمیتوان تنها در روی شالوده گسترده بنا نمود زيرا احتمال وقوع نشستهای بيش از حد وجود دارد مگر اينكه عمق استقرار را افزايش دهند تا ساختمان به صورت شناور رفتار نمايد. استفاده از شمعهای اصطكاكی میتواند بار شالوده گسترده را به عمق منتقل نمايد. چنانچه خاك نرم در بالای خاك سخت قرار داشته و ضخامت لايه خاك نرم زياد باشد، میتوان از پايههای عميق و شمعهای باربری نوك استفاده نمود. استفاده از شالوده منفرد در صورتی كه نشستهای تفاضلی كنترل شده باشند نيز دارای توجيه اقتصادی بهتری خواهد بود. از طرف ديگر هنگامی كه خاك سخت در بالای خاك نرم قرار گرفته باشد، در بارهایي سنگين فونداسيونهای گسترده احتمالاً به همراه شمع برای كنترل نشستها مورد نياز خواهد بود. برای بارهای سبك هم فونداسيونهای سطحی رضايت بخش خواهند بود.
پايههای عميق و كيسونها (فونداسیون صندوقهای)
فونداسیون از نوع پایههای عمیق (Pier) یك سیستم فونداسیون مشابه شمعهای درجا است كه از اعضاء ستون مانند بتن مسلح تشكیل شده است. قطر پایههای عمیق آنقدر هست كه بتوان داخل آنها را بازرسی چشمی نمود. به پایههای عمیق اغلب محورهای حفاری شده، شمعهای درجا یا كسیونهای حفاری شده هم میگویند. باید توجه داشت كه پایههای عمیق و كیسونها اندكی با هم متفاوتاند. پایههای عمیق مشابه شمع های درجا بوده و اغلب دارای قطر بزرگی هستند و از بتن مسلح ساخته میشوند اما كیسونها همان پایههای عمیق با قطر بزرگ هستند. كیسون همچنین میتواند یك سازه آب بند زیرزمینی باشد كه عملیات ساختمانی در داخل آن انجام میگیرد. كیسونها را به سه دسته میتوان تقسیم نمود.
- فونداسیونهای صندوقهای جعبهای یا شناور (روباز و ته بسته)
- پی صندوقهای باز (روباز و ته باز)
- پی صندوقهای بادی (رو بسته، ته باز و پر شده با هوای متراكم جهت جلوگیری از ورود آب به داخل فضای داخلی)
در عمل این نوع پیها بیشتر برای سازههای دریایی استفاده شده و بصورت پیش ساخته هستند به نحوی كه بتوان آنها را بصورت شناور به محل مورد نظر حمل و سپس آنرا تثبیت نمود. تثبیت صندوقه در محل با پر كردن آن از آب و یا مصالح وزین دیگر انجام میشود.
فونداسیون صندوقهای (کیسون)
در مهندسی عمران و ساختمان کیسون به نوعی از شالودههای خاص اطلاق میشود که به آنها شالودههای صندوقهای نیز میگویند. این شالودهها هم به صورت عمیق و هم بصورت سطحی موحود هستند. از این شالودهها گاه برای کندن عمق آب در رودخانهها نیز استفاده میشود. بیماری کیسون نیز ناشی از تغییر فشار هوا در داخل این صندوقهها با جو زمین بوده و برای کارگرانی که داخل این فونداسیون صندوقهای کار میکردند بوجود میآمدهاست.
فونداسیون صندوقهای به عنوان فونداسیون اسکله نامیده میشود.این فونداسیون به نام یک ساختار حائل ضد آب به عنوان پایه پل در ساخت و ساز سد بتنی، و یا برای تعمیر کشتی استفاده میشود. این فونداسیون یک جعبه توخالی پیش ساخته و یا استوانه است که در اعماق مورد نظر در زمین بهر فرو رفته و پس از آن با بتن پر شده است.
این شالودهها از جعبه تو خالی تشکیل شده که به تراز دلخواه در عمق رسانده و با بتن پر میکنند. این نوع پیها در پایههای پل زیرتر از آب رودخانهها و دریاها قرار میگیرند. این شالودهها میتوانند با شناور شدن به محل نصب انتقال داده و نصب شوند. کیسونهای درب باز از سمت فوقانی خود باز هستند و در انتها نوک تیز هستند تا به سهولت به درون خاک نفوذ پیدا کنند. گاهی اوقات قبل از ورود شالوده به محل لایروبی صورت میگیرد که این شیوه اقتصادیتر از حفاری از درون کیسون است. با اتکای شالوده بر روی بستر، خاک درون آن حفاری و آب نیز پمپ میشود. این عملیات تا نفوذ کیسون به عمق مطلوب ادامه مییابد.
مزایای فونداسیون صندوقهای
- اقتصادی بودن
- نیاز به شمع ها به حداقل می رساند
- سر و صدا کم و کاهش ارتعاشات
- سازگار با شرایط متنوع سایت
- ظرفیت بارگذاری محوری و جانبی بالا
- ایجاد سطح صاف برای بتن شالوده توسط لوله
- جابجایی ایجاد شده توسط سطح کنگرهای پوسته باعث افزایش اصطکاک جداری شالوده میشود.
- ابزار نصب به سهولت باز و بسته میشوند و دارای قابلیت نقل و انتقال خوبی است. لیکن باید توجه داشت که هزینهها مانند شمع کوبی زیاد است.
- قطعات شالوده قابل اتصال نیستند لذا محدودیت طول با ارتفاع شمع کوب متناسب است.
- آسیب پذیری شمعها در حین نصب همه شمعها هنگام نصب در معرض خطر هستند به ویژه در زمینهای خیلی سخت یا زمینهایی که سنگلاخی باشند.
معایب فونداسیون صندوقهای
- بسیار حساس به روش ساخت و ساز
- برای سایتهای آلوده خوب نیست
- کمبود متخصصان در ساخت و ساز
- کمبود بازرسان واجد شرایط
کاربرد فونداسیون صندوقهای
فونداسیون صندوقهای اغلب در ساخت و ساز پل و سازههای دیگر که نیاز به فونداسیون در زیر رودخانهها و دیگر گسترههای آب دارند استفاده میشود. دلیل این است که محفظه کیسون را میتوان به سایت کار به صورت شناور برد و در محل قرار گیری فرو برد.
پیهای صندوقهای در شکل با پایه شمع مشابه هستند، اما از روشهای مختلف نصب میشوند. زمانی از این فونداسیون استفاده میشود که خاک قدرت تحمل کافی در زیر لایههای سطح خود را نداشته باشد و زیر آن مواد ضعیف مانند ذغال سنگ نارس یافت شود. این روش همانند شالودههای عمیقی است که بالاتر از سطح زمین ساخته شده و سپس تا سطح مورد نیاز حفاری صورت میگیرد.
برای ساخت کیسون (گاهی اوقات اسکله نامیده میشود) سوراخی در عمق زمین ایجاد میشود، و سپس با بتن این حجم سوراخ شده پر میشود و از آرماتور برای داخل آن و بحث استحکام سازه فونداسیون استفاده میشود. فونداسیونهای کیسون بارهای ساختمان را به قسمتهای پایینی خود انتقال میدهد خود را پایینتر، که اغلب زنگی شکل است.(حالت زنگولهای دارند).
عملکرد فونداسیون صندوقهای
سیستم فونداسیون و خاک زیر ساختمان، باعث جلوگیری از حرکت پیچیده عمودی ساختمان میشود و هنگامی که یک بار بر خاک اعمال میشود، اغلب خاک نشست پیدا می کند. این اتفاق زمانی میافتد که بخشهایی از ساختمان خود را در درجههای مختلف از نشست ببیند که در نتیجه آن ترک، که برخی از آنها ممکن است ساختار ساختمان را تحت تاثیر قرار دهد. در مقابل، در برخی موارد نادر، خاک ممکن است دچار تورم، هل دادن ساختمان به سمت بالا شود و در نتیجه مشکلات مشابهای را به وجود آورد. بنابراین، سیستم فونداسیون باید همزمان با خاک کار حمایت از ساختمان را انجام دهد.
انواع فونداسیون صندوقهای (کیسون)
- کیسونهای جعبهای
- کیسونهای حفاری شده
- کیسونهای شناور
- کیسونهای باز
- کیسونهای پنوماتیک
- کیسونهای ورقهای
کیسونهای جعبهای
کیسونهای جعبهای، جعبه ضد آب هستند که از چوب سنگین ساخته شده و در بالای باز است. آنها به طور کلی به محل مناسب شناور و سپس در محل مورد نظر، با یک اسکله بنایی در آن قرار داده می شوند.
جعبههای بتنی (استیلی / چوبی) پیش ساختهای هستند که در محل مورد نظر برده میشوند و سپس با بتن پر میشوند تا قسمتی از کار پایانی شوند (مثلا پی پایههای پل). این نوع کیسون به شکل یک مکعب است که وجه بالایی ندارد.
یکی از مشکلات این نوع پیها، شناور شدن جعبه بتنی در زمان خالی بودن آن است که البته برای رفع این مشکل این جعبه را با لنگرهایی که قابلیت تنظیم شدن را دارند در جای خود نگه میدارند. با استفاده از این لنگرها و دستگاه GPS مهندسان قادر هستند کیسونها را با دقت بالایی در محل مورد نظر خود قرار دهند.
کیسون باز (OPEN CAISSON)
کیسون باز مشابه کیسون جعبهای است با این تفاوت که دارای وجه زیرین نیز نیست. یعنی مثل جعبهای که دو وجه زیرین و بالایی آن باز باشد. این نوع کیسون برای استفاده در خاکهای نرم و جاهایی که سطح آب زیرزمینی بالا است مناسب هستند.
از این نوع کیسون برای حفاری Manholeها (چاههای دسترسی فاضلاب) و ایستگاههای پمپ آب استفاده میشود.
برای قرار دادن این کیسونها در محل مورد نظر یا از وزن خود آن استفاده میشود یا در صورت لزوم از جرمهای بتنی (یا آبی) که بر روی آن قرار داده میشود استفاده میشود. امروزه حتی از بازوهای هیدرولیکی نیز برای این موضوع استفاده میشود.
کیسون هوای فشرده (COMPRESSED AIR CAISSON)
همانند کیسون جعبهای است با این تفاوت که وجه زیرین باز بوده و وجه بالایی بسته. این نوع کیسون با کمک هوای فشرده یک محل کار خشک را بوجود میآورند که برای ریختن بتن مناسب هستندد. همچنین برای مواردی که در پی سازی ممکن است باعث نشست ساختمان مجاور شود از این نوع کیسون استفاده میشود.
کیسون یکپارچه (MONOLITHIC CAISSON)
کیسونهای یکپارچه بزرگتر از انواع دیگر کیسونهای هستند. شکل ظاهری آنها مشابه کیسونهای باز بوده و بیشتر در ساخت دیوارههای اسکلهها استفاده میشود که باید در برابر ضربه وارده از کشتیها مقاومت کنند.
کیسونهای شناور
کیسونهای شناور نیز به عنوان اسکله شناور شناخته شده و جعبههای پیش ساخته هستند که بصورت استوانهای حفر میشوند.
کیسونهای پنوماتیک
کیسونهای پنوماتیک، جعبه ضد آب بزرگ و استوانه هستند که به طور عمده برای ساخت و ساز زیر آب استفاده میشود.
کیسونهای حفاری
یک روش برای کاهش خطرات و افزایش بازده پی سازی، استفاده از پیش حفاری، استفاده از جت آب و سوراخکاری یا ابزار سخت است. در روش پیش حفاری، حفرهای قائم با قطر کوچکتر از قطر شمع درون خاک ایجاد میشود. با این شیوه اتصال شمع – خاک تأمین میشود و بالا زدگی خاک در سطح زمین و جابجایی خاک در جهات افقی کاهش مییابد. در روش جت آبی، فشار آب از طریق روزنه انتهای لوله که در حوالی ته شمع قرار گرفته باعث سست شدن خاک میشود و باعث نفوذ بیشتر شمع میشود. این شیوه در خاکهای ماسهای و شنی مناسب و در خاکهای رسی غیر مؤثر است. غالباً از این شیوه برای رد کردن شمع از درون لایه ماسهای و رساندن به لایه مقاوم و باربر زیرین استفاده میشود.
در شیوهای دیگر با رانش ابزارهای آهنی و حفاری خاک، شمع به درون حفره ایجاد شده رانده میشود. این شیوه زیاد معمول نیست و فقط در لایههای نازک سنگهای مستحکم استفاده میشود. در اینگونه موارد ممکن است اخذ نمونههای خاک و داده های ژئوتکنیکی نیز دچار همان مشکلات می شود. لذا مهندس طراح و پیمانکار در این شرایط باید نهایت دقت را در برخورد صحیح با مسئله داشته باشد. تجارت موجود نشان میدهد در بعضی ساختگاهها اجرای شمع با مشکلاتی مواجه شده است. بعضی از این ساختگاهها شامل خاکهای کربنی، ماسههای میکادار، سنگهای ضعیف، تخته سنگهای مجزا و منفرد، سنگهای ریخته شده در کف دریا، سنگهای درشت، حضور خاکهای ضعیف در عمق.
به عنوان یک استراتژی و راهکار کلی میتوان موارد زیر را مد نظر داشت.
- وجود تجهیزات متنوع برای استفاده در موارد پیش بینی نشده
- استفاده از چکش یک سایز بزرگتر از آنچه در طراحی بدست آمده است.
- وجود جت آب و پمپ قوی
- توجه بیشتر به طراحی رأس و انتهای شمع برای کاهش صدمات احتمالی
- استفاده از چوب نرم و ضخیم که برای جلوگیری از آسیب شمعهای پیش تنیده بتنی در حین کوبش به کار میرود (حداقل یک قطعه جدید برای کوبش هر شمع)
