ضوابط کلی در طراحی فونداسیونها
در طراحی فونداسیون باید تنش تماسی با خاک در حد ایمن باشد و نشستها را به یک مقدار قابل قبول محدود نماید. وقوع فروریختگیها جزئی یا گسیختگی موضعی در یک عضو سازهای چندان غیر معمول نیست، بیشتر آسیبهائی که روی میدهند شامل ترکهای ناخوشایند در دیوار و کف، کفهای ناهموار (خیزها و شیبها) درها و پنجرههای چفت شده و غیره هستند. تغییر پذیری خاک همراه با بارهای پیش بینی نشده یا حرکتهای بعدی خاک (نظیر زلزلهها) میتوانند به مشکلاتی از نشست منجر شوند که مهندس، کنترل اندکی بر آنها دارد. بعبارت دیگر آخرین روشهای موجود طراحی ممکن است احتمال مشکلات نشست (ضریب خطر) را به مقدار زیادی کاهش دهند. اما عموماً یک پروژه خالی از خطر بدست نمیدهند. با این همه بطور منطقی برخی مشکلات نتیجه مستقیم طراحی ضعیف یا بیدقتیهای ساده یا عدم توانائی مهندسی هستند.
تقسیم بندی فونداسیونهای ویژه
پیهای شناور
پیهای شناور در مواردی کاربرد دارند که لایههای نشست پذیر یا ضعیف تا عمق قابل توجهی وجود داشته و استفاده از شمع هم امکان پذیر نباشد. در آن صورت میتوان پی گسترده سازه را در عمق پایینتر مستقر کرد. در این حالت میتوان خاک حاصل از گود برداری را با بار ثقلی حاصله از روسازه معادل کرد. حتی میتوان فشار روسازه را با میزان خاک حاصل از حفاری معادل نمود. در این حالت تا آنحایی خاک برداشت میشود که وزن خاک گود برداری شده به علاوه نیروهای بلند کننده ناشی از فشار هیدرواستاتیکی، با بار ناخالص روسازه و زیرسازه برابر شود. به عبارت دیگر فشار در کف خاک گود برداری شده تغییر نخواهد کرد. یعنی فشار خاک جابجا شده برابر فشار ایجاد شده توسط ساختمان خواهد شد و به لحاظ نظری نشستی ایجاد نخواهد شد. در این حالت به نظر میرسد که سازه در روی خاک، همانند کشتی در روی آب شناور است. معمولاً یک متر مکعب خاک را میتوان به لحاظ وزنی معادل دو طبقه ساختمان مسکونی معمولی در هر متر مربع به حساب آورد.
به طور طبیعی این مسئله تنها یک مدل نظری است زیرا در اثر تغییر بارهای زنده و تراز آب زیر زمینی، ناهنگمنی خاک و تراکم مجدد آماس خاک حفاری شده، مقداری نشست رخ خواهد داد. برای ساختمانهای بلند استفاده از ایده شناوری نیازمند ایجاد چندین طبقه زیرزمین خواهد بود که خود با مشکلات اجرایی بسیاری همراه است و بعضاً وزن طبقات زیرزمینی خود قابل توجه است. بنابراین استفاده از فونداسیونهای گسترده با شناوری جزئی به جای شناوری ناقص اقتصادیتر خواهد بود. همچنین از آنجایی که فونداسیونهای گسترده شناور، در عمق خاک اجرا میشوند. مسئله تراز آب زیرزمینی باید در نظر گرفته شود مخصوصاً ترازِ آبِ زیرزمینیِ بالا در فصول بارانی. در چنین حالتی نیاز به فونداسیونهای جعبه مانند آب بند خواهد بود. در طراحی چنین فونداسیونهایی اثر غوطه وری و فشارهای جانبی باید مدنظر قرار گیرند.
پیهای سلولی و پوستهای
در این نوع از فونداسیونهای ویژه از صفحات متناوب و متقاطع جهت تامین مقاومت استفاده میشود. پیهای سلولی و پوستهای باعث صرفه جویی در احجام بتن و آرماتور مصرفی نیز میشود.
پیهای باکسی با جعبهای
در مواردی که سازه سنگینتر و از اهمیت ویژهای برخوردار باشد، سیستم فونداسیون باید از صلبیت خمشی ویژهای برخوردار باشد. بدین ترتیب تلفیق دالهای کف و سقف و نیز دیوارهای اطراف و میانی زیر زمین، ملاحظات خاص تحلیل، طراحی سازهای و اجرای پیهای شناور را مطرح میسازد.
پیهای فولادی یا پروفیله
استفاده از پیهای فولادی در مواردی است که بارهای حاصل از روسازه سنگین و زمین بستر سخت یا سنگی باشد و راه حلهای استفاده از بتن مسلح پاسخگوی وضعیت سیستمهای معمول پی سازی نباشد. در این صورت استفاده از پروفیلهای فولادی بال پهن در دو لایه عمود و بر روی یکدیگر با قالب بتنی درجا در اطراف به عنوان نوعی از فونداسیونهای ویژه کار گرفته میشود. در موارد بارهای کمتر و در دسترس نبودن پروفیلهای بال پهن فولادی یا پی سازی موقتی در بسترهای سست، میتوان از دو ردیف الوارهای چوبی متعامد روی هماستفاده کرد. این الوارها در بتن محصور میشوند.
پیهای منفرد چسبان
پیهای منفرد چسبان به عنوان جایگزینی برای پیهای گسترده استفاده میشود. پیهای گسترده معضلاتی از نقطه نظر تحلیل، طراحی و در نهایت اجرا را در بردارند. در صورتی که در پیهای منفرد با فرض صلبیت آنها روشهای تحلیل و طراحی، ساده و معمول است. در اجرا نیز با وجود شبکه آرماتور فوقانی در پیهای گسترده، معضلات دسترسی برای بتن ریزی و عبور بتن از شبکه آرماتور بالایی وجود دارد. با توجه به ابعاد قابل توجه پی گسترده در سطح، مشکلاتی نیز در اجرای یکپارچه بتن مطرح است لذا برای تسهیل در طراحی و اجرا میتوان به جای پی گسترده، یک ردیف پیهای منفرد، مجاور را جایگزین آن نمود که به صورت منقطع در قسمت بالایی و متصل در قسمت پایینی باشد. لذا به علت عدم پیوستگی در بالا، لنگری رد و بدل نشده و مانند پیهای منفرد نیازی به سفره آرماتور پایین مطرح میشود. جهت سهولت بیشتر در اجرا و ایفای نقش شناژ میتوان یک سفره مشترک حداقل آرماتور در پایین پیهای مجاور منظور نموده و سپس در صورت لزوم هر پی تک، آرماتور اضافی منظور شود. سیستم پیهای منفرد در زیر یکپارچه شده و علی رغم مجاورت و سراسری بودن پلان فونداسیون، مدل پی منفرد را میتوان در تحلیل، طراحی و اجرا به کار گرفت.
تلفیق پی گسترده و پیهای عمیق
یکی دیگر از انواع فونداسیونهای ویژه تلفیقی از پی گسترده و پیهای عمیق است. اگرچه پی گسترده در میان پیهای سطحی راه حل نسبتاً مناسبی به شمار میرود ولی ایراداتی از قبیل معضلات اجرایی و بتن ریزی یکپارچه، غیر اقتصادی بوده و در نهایت وقوع نشستهای زیاد را به دنبال دارد. به طور کلی وقوع نشست در خاک اعم از تحکیمی و آنی را میتوان تابعی از شدت بارگذاری (q) و عرض پی (B) محسوب نمود. در این صورت با توجه به عرض نسبتاً زیاد پیهای گسترده در مقایسه با پیهای نواری و منفرد و منطقه تاثیر تنش نسبتاً زیاد در زیر پی معضلات نشست در زیر پیهای گسترده ممکن است برای سازههای مهم و سنگین از محدوده مجاز نشستها تجاوز نماید. به علاوه برای پروژههای سنگین فشارهای بزرگی را به زمین وارد میسازند و معضلات باربری نیز به صورت قابل توجهی مطرح خواهد بود. در این خصوص میتوان با تلفیق پی گسترده به همراه پیهای عمیق و مشارکت در باربری، یکی از کاملترین انواع فونداسیونها را اجرا نمود.