١٠٩
روشهای اجرای شالوده های عمیق
-1-2 مقدمه
طراحی شمع ها هم جنبه های هنری دارد و هم جنبه های علمی. هنر طراحی در انتخاب مناسب ترین نوع شمع و روش نصب آن با توجه به شرایط بارگذاری و ساختگاهی است. جنبه های علمی طراحی شمع به پیش بینی و تخمین درست عملکرد شمع مستقر در خاک در حین نصب و بارگذاری دوران بهره برداری کمک می کند. این عملکرد بطورمؤثر بستگی به روش نصب شمع بستگی داشته و به تنهایی نمی تواند توسط خصوصیات فیزیکی شمع و مشخصات خاک دست نخورده پیش بینی شود. دانستن انواع شمع ها و روشهای ساخت و نصب شالوده های شمعی مستلزم فهم علمی رفتار آنهاست.
-2-2 راهکارهای عملی طراحی شمع ها
-1 اطلاعات لازم و مکفی از شرایط ژئوتکنیکی محل
-2 شناخت دقیق نیروها و لنگرهای وارده از روسازه از نظر نوع، مقدار و جهت و اولویت بندی آنها
-3 شناخت عوامل محیطی ازنظر آثار کوتاه مدت و دراز مدت بر مصالح شمع
-4 شناخت وضعیت پیرامون پروژه برای تصمیم گیری در مورد شیوه اجرای شمع
-5 انتخاب نوع شمع
-6 بررسی امکان پذیری ساخت و تولید شمع برای پروژه و محدودیت های ابعادی
-7 برگزیدن روش نصب شامل کوبشی، جک زدن، درجا ریختن و......
-8 تعیین عمق مدفون شمع با توجه به شرایط خاک، بارهای موجود و امکانات اجرایی
-9 آرایش شمع های گروهی و تعیین نحوه عملکرد گروه و توجه به نکات مؤثر در طراحی از جمله تداخل
شمع، ضریب کارآیی،.....
-10 تعیین توان باربری شمع (تکی یا گروهی) با استفاده از تحلیل های معتبر استاتیکی
-11 تعیین توان باربری شمع با استفاده از آزمایشات درجا یا آزمایشات دینامیکی و تدقیق توان باربری
-12 دخالت دادن عوامل مؤثر پیرامونی بر توان باربری بدست آمده
-13 کنترل و ارزیابی نشست سیستم شالوده
-14 طراحی سازه ای شمع و کلاهک سه شمع
-15 انجام آزمایشات عملی بارگذاری استاتیکی یا دینامیکی (در صورت لزوم و صلاحدید) به منظور اطمینان از
صحت اجرا و عدم آسیب دیدگی شمع ها در حِین اجرا
-16 تعیین ضریب اطمینان
-3-2 انواع پی های عمیق از نظراجرایی
بریتانیا شمع ها به سه دسته طبقه می شوند: BS چنانچه گفته شد بر اساس استاندارد 8004
١١٠که هنگام نصب و رانش درون زمین، تغییر مکان زیادی در « شمع های با تغییر مکان بزرگ » - الف
خاک ایجاد می کنند. این شمع ها معمولاً دارای مقاطع توپر و یا توخالی ته بسته می باشند که با شیوه کوبشی یا جک زدن به درون خاک رانده می شوند. شمع های کوبیدنی با تغییر مکانهای بزرگ شامل موارد زیر هستند:
- چوبی با مقاطع دایره ای یا مربعی، یکسره یا با اتصالات وصل شده
- بتنی پیش ساخته شده با مقاطع توپر یا توخالی
- پیش تنیده با مقاطع توپر یا توخالی
- لوله ای فولادی ته بسته
- جعبه ای فولادی ته بسته
- لوله ای باریک شونده
- لوله ای فولادی ته بسته و رانده شده با جک
- استوانه ای بتنی توپر، پیش ساخته و قطور رانده شده با جک
نیز موارد زیر را شامل می شوند: « کوبیدنی- ریختنی با تغییر مکان بزرگ » ب- شمع های
- لوله های فولادی کوبیده شده و بعد از بتن ریزی یا بتدریج بیرون کشیده می شوند.
- پوسته های بتنی پیش ساخته که با بتن پر می شوند.
- پوسته های فولادی جدار نازک که داخل خاک کوبیده شده سپس با بتن پر می شوند.
« شمع های با جابجایی کم » - پاینگونه شمع ها نیز بصورت کوبشی یا با جک درون زمین نصب می شوند و لیکن دارای سطح مقطع نسبتاًشکل، لوله ها یا جعبه های فولادی ته باز I یا H کوچکی هستند. مثالهایی از این نوع عبارتند از مقاطع فولادی که در حین نصب، خاک وارد قسمت های حفره ای مقطع می شود. اگر در حین کوبش این شمع ها درون زمین، توده خاک در حوالی نوک شمع تشکیل و قفل شود بطوریکه مانع نفوذ ستون خاک به درون حفرات مقطع شود شمع از نوع با جابجایی زیاد محسوب می شود.
شامل انواع زیر هستند: « شمع های با جابجایی کم »
- بتنی پیش ساخته با مقاطع لوله ای ته باز کوبشی با ضربه
- بتنی پیش تنیده با مقاطع لوله ای ته باز کوبشی با ضربه
شکل H - مقاطع فولادی
- مقاطع فلزی لوله ای ته باز کوبشی که در صورت ضرورت خاک وارد شده درون لوله تخلیه می شود.
- مقاطع فولادی جعبه ای ته بسته کوبشی که در صورت ضرورت خاک وارد شده درون لوله تخلیه می شوند.
« شمع های جایگزینی » یا « شمع های بدون جابجایی » - ت
برای نصب این نوع شمع ها نخست حفره محل شمع با روشهای حفاری مناسب حفاری شده و درون آن بتن ریزی می شود. بتن ممکن است درون غلاف ریخته شود و یا بدون غلاف بتن ریزی انجام شود. غلاف ممکن١١١است با پیشرفت بتن ریزی بیرون کشیده شود. در بعضی موارد ممکن است شمع های آماده چوبی، بتنی یافولادی درون حفره قرار داده شود.
شامل انواع زیر می شوند: « شمع های جایگزینی » یا « شمع های بدون جابجایی »
- حفر چاهک توسط روشهای متد دورانی، چنگک، بالابر هوایی و پر کردن آن با بتن (درجاریز)
- حفر چاهک با روشهای فوق و قرار دادن لوله و پر کردن آن با بتن در صورت لزوم
- حفر چاهک و قرار دادن قطعات پیش ساخته بتنی درون آن
- تزریق ملات سیمان یا بتن درون چاهک
- مقاطع فولادی قرار داده شده درون چاهک
- حفر چاهک و قرار دادن لوله فولادی بطور همزمان
-3-2 سیستم های مورد استفاده در نصب شمع
-1-3-2 در شیوه استفاده از سقوط چکش برای نصب، شمع در حین فرورفتن درون زمین در اثر ضربات چکش، به کمک دستگاه در حالت قائم نگه داشته می شود. اپراتور می تواند به کمک سیستم هیدرولیکی یا کابلی ابزار هدایت کننده را در راستای مورد نظر حرکت دهد. در این شیوه نصب، انتخاب مناسب چکش شمع کوب در عملیات نقش تعیین کننده ای دارد. تعداد ضربات چکش های معمولی که از ارتفاع رها شده و به سرشمع ضربه می زنند، تقریباً 3 تا 12 ضربه در هر دقیقه است. امروز غالباً این چکش ها برای نصب سپرها و نیزبرای نصب شمع در خاک های رسی خیلی نرم استفاده می شوند.چکش های هیدرولیکی نوعی دیگر هستند که همراه سایر ملحقات کوبش بصورت گروهی عمل می کنند.این چکش ها از چکش های پرتابی کمی سنگین ترند ولی ارتفاع پرتاب بسیار کمتری دارند و انرژی کمتری به سر شمع وارد می کنند. چکش های پنوماتیک بعداً استفاده شده و امروزه چکش های هیدرولیکی بوفور مورداستفاده قرار می گیرند. چکش های عمل کننده با سیستم بخار، فشار هوا (پنوماتیک) و یا چکش های وجود (double acting) یا دو طرفه عمل کننده (single acting) هیدرولیکی بصورت یک طرفه عمل کننددارند. چکش های عمل کننده با سیستم بخار و پنوماتیک در شرایط ساختگاهی نرم آهسته تر کار می کنند وبا افزایش مقاومت زمین سرعتشان بیشتر می شود. چکش های هیدرولیکی برعکس عمل می کنند. چکش های دیزلی بیشترین راندمان را در شرایط ساختگاهی سخت دارند و در خاک های نرم به سختی کار می کنند.معمولاً در اوایل شمع کوبی این شرایط پیش می آید. اگر ساختگاه مناسب باشد ضربات این چکش ها زیاداست. این چکش ها باعث آلودگی هوا میشوند.چکش های ارتعاشی به کمک جرم های دوار با خروج از مرکزیت کار می کنند و ضربات قائم بر سر شمع وارد می کنند. فرکانس این چکش ها تا 150 هرتز هم می رسد و م یتوان فرکانس کارکرد آن را با فرکانس طبیعی شمع ها همسان کرد. این چکش ها برای نصب شمع در خاکهای ماسه ای بسیار مناسب بوده و ارتعاشات و سر و صدای کمتری نسبت به چکش های معمولی ایجاد می کنند. در خاکهای رسی و یا محتوی قطعات سنگ مؤثر نیست.
١١٢
(Drilled Shaft=DS) -2-3-2 شمع های نصب شونده درون حفره خود
تفاوت اساسی بین شمع ها و شافت های نصب شونده درون حفره ایجاد شده آنست که شمعها عناصرپیش ساخته ای هستند که درون زمین کوبیده م یشوند در حالیکه این شافت ها با شیوه نصب در محل اجرا می شوند. مراحل اجرای این شافت ها عبارتند از:
- حفاری محل نصب و ایجاد حفره درون زمین تا عمق مورد نظر برای قرارگیری شافت
- پرکردن انتهای حفره با بتن
- قرار دادن قفسه میلگرد درون حفره
- بتن ریزی حفره
مهندسین و پیمانکاران ممکن است برای این نوع شالود ههای عمیق اصطلاحات دیگری استفاده کنند
از جمله:
(Pier) - پایه
(Drilled Pier) - پایه با حفره ازقبل حفاری شده
(Bored Pile) - شمع های با حفره از قبل ایجاد شده
(Cast-in-Place Pile) - شمع در جا ریخته شده
(Caisson) - صندوقه
(Drilled Caisson) - صندوقه با حفره از قبل حفاری شده
(Cast-in-drilled-hole foundation) - شالوده در جاریز درون حفره از قبل حفاری شده
عبارتند از: DS سایر نکات لازم در خصوص شالوده های
- استفاده از غلاف گذاری یا گل حفاری برای جلوگیری از ریزش ماسه های تمیز زیرتر از آب زیرزمینی که باعث گسترش حفرات در جهات جانبی میشود.
- استفاده از غلاف گذاری یا گل حفاری برای رس های نرم، سیلت ها یا خاکهای آلی به منظورجلوگیری از حرکت اینگونه خاکها به درون چاهک در هنگام حفاری
- استفاده از کف پهن تر از تند شالوده برای افزایش باربری فشاری نوک به ویژه در خاکهای مقاوم یا
سنگ و همچنین افزایش توان باربری شالوده در کشش، لیکن باید به خطرات احتمالی برای عوامل اجرایی توجه داشت.
- اسلامپ بتن برای جایگیری مناسب درون حفره 100 تا 220 میلیمتر بسته به قطر شافت و
استفاده از گل حفاری
- امکان استفاده از سیمان متورم شونده به منظور افزایش اصطکاک جداری شالوده در تماس با
خاک
(Caissons ) -3-3-2 کیسون ها
این شالوده ها از جعبه توخالی تشکیل شده که به تراز دلخواه در عمق رسانده و با بتن پر می کنند. این نوع پی ها در پای ههای پل زیرتر از آب رودخانه ها و دریاها قرار م یگیرند. این شالود هها می توانند با شناور شدن به محل نصب انتقال داده شده و نصب شوند. کیسون های درب باز از سمت فوقانی خود باز هستند و در انتها١١٣نوک تیز هستند تا به سهولت به درون خاک نفوذ پیدا کنند. گاهی اوقات قبل از ورود شالوده به محل لایروبی صورت م یگیرد که این شیوه اقتصاد یتر از حفاری از درون کیسون است. با اتکای شالوده بر روی بستر، خاک درون آن حفاری و آب نیز پمپ م یشود. این عملیات تا نفوذ کیسون به عمق مطلوب ادامه می یابد.
-4-3-2 شالوده های پوسته ای کوبشی و پر شده با بتن
می توان شالوده های (DS) با ترکیب خصوصیات و عملکرد شمع های کوبشی و شافت های حفاری شده پوسته را معرفی کرد که نخست پوسته با چکش به عمق مورد نظر رانده می شود و قفسه میلگرد درون آن گذاشته شده و متعاقباً با بتن پر م یشود. مزایای
ایجاد سطح صاف برای بتن شالوده توسط لوله
- جابجایی ایجاد شده توسط سطح کنگر های پوسته باعث افزایش اصطکاک جداری شالوده می شود.
- ابزار نصب به سهولت باز و بسته م یشوند و دارای قابلیت نقل و انتقال خوبی است.
لیکن باید توجه داشت که:
- هزینه ها مانند شم عکوبی زیاد است.
- قطعات شالوده قابل اتصال نیستند لذا محدودیت طول با ارتفاع شمع کوب متناسب است.
-4-2 آسیب پذیری شمع ها در حین نصب
همه شمع ها هنگام نصب در معرض خطر هستند به ویژه در زمینهای خیلی سخت یا زمینهایی که
سنگلاخی باشند. یک روش برای کاهش خطرات و افزایش بازده پ یسازی، استفاده از پیش حفاری، استفاده ازجت آب و سوراخکاری با ابزار سخت است.در روش پیش حفاری، حفر های قائم با قطر کوچکتر از قطر شمع درون خاک ایجاد م یگردد. با این شیوه اتصال شمع- خاک تأمین می شود و بالازدگی خاک در سطح زمین و جابجایی خاک در جهات افقی کاهش می یابد. در روش جت آبی، فشار آب از طریق روزنه انتهای لوله که در حوالی ته شمع قرار گرفته است باعث سست شدن خاک می گردد وباعث نفوذ بیشتر شمع م یگردد. این شیوه در خاکهای ماس های و شنی مناسب و در خاکهای رسی غیر مؤثر است. غالباً از این شیوه برای رد کردن شمع از درون لایه ماسه ای و رساندن به لایه مقاوم و باربر زیرین استفاده می شود. در شیوه ای دیگر با رانش ابزارهای آهنی و حفاری خاک، شمع به درون حفره ایجاد شده رانده می شود. این شیوه زیاد معمول نیست و فقط در لایه های نازک سنگ های مستحکم استفاده می شود.
-5-2 مطالعات موردی مشکلات ایجاد شده در بعضی ساختگاه های مسئله ساز در حین اجرا
در بعضی ساختگاهها اجرای شمع با مشکلاتی مواجه بوده است. در اینگونه موارد ممکن است اخذ نمونه های خاک و داده های ژئوتکنیکی نیز دچار همان مشکلات می شود. لذا مهندس طراح و پیمانکار در این شرایط بایدنهایت دقت را در برخورد صحیح با مسئله داشته باشد. تجارت موجود نشان م یدهد در بعضی ساختگاهها اجرای شمع با مشکلاتی مواجه شده است. بعضی از این ساختگاهها عبارتند از خاک های کربناتی، ماسه های میکادار،سنگ های ضعیف، تخته سنگ های مجزا و منفرد، سنگ های ریخته شده در کف دریا، قلوه سنگ های درشت،حضور خاکهای ضعیف در عمق.بعنوان یک استراتژی و راهکار کلی م یتوان موارد زیر را مدنظر داشت:
١١٤
- وجود تجهیزات متنوع برای استفاده در موارد پی شبینی 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 شم عهای پیش تنیده
بتنی در حین کوبش بکار میرود (حداقل یک قطعه جدید برای کوبش هر شمع)
و آخرین سخن.اینکه:
- کوبش شمع همچنان هم مهندسی است و هم هنر.
- دانش امروزی توان ما را در نصب شمع های بسیار مقاوم تقریباً در هر ساختگاهی بارور ساخته است.
- فقط باید بخوبی شرایط زمی نشناسی و ژئوتکنیکی را درک کنیم.
- از مطالعات موردی و تجربیات ارزنده دیگران استفاده کنیم تا در زمینه فنی واقتصادی کسب توفیق نمائیم.افزایش راندمان و بهینه سازی اقتصادی وقتی میسر است که اطلاعات » و در یک جمله ژئوتکنیکی دقیق و کامل باشد، در اینصورت در انتخاب نوع مناسب شمع، تجهیزات نصب و.« روند اجرا تصمیمات دقی قتری اتخاذ خواهد شد