در 08 بهمن 92
روش اجرای شمعهای عمیق
طراحي شمع ها هم جنبه هاي هنري دارد و هم جنبه هاي علمي. هنر طراحي در انتخاب مناسب ترين نوع شمع و روش نصب آن با توجه به شرايط بار گذاري و ساختگاهي است. جنبه هاي علمي طراحي شمع به پيش بيني و تخمين درست عملکرد شمع مستقر در خاک در حين نصب و بار گذاري دوران بهره برداري کمک مي کند. اين عملکرد بطور مؤثر بستگي به روش نصب شمع بستگي داشته و به تنهايي نمي تواند توسط خصوصيات فيزيکي شمع و مشخصات خاک دست نخورده پيش بيني شود.دانستن انواع شمع ها و روش هاي ساخت و نصب شالوده هاي شمعي مستلزم فهم علمي رفتار آنهاست.
راهکارهاي عملي طراحي شمع ها
?- اطلاعات لازم و مکفي از شرايط ژئوتکنيکي محل
?-شناخت دقيق نيروها و لنگرهاي وارده از روسازه از نظر نوع، مقدار و جهت و اولويت بندي آنها
?- شناخت عوامل محيطي از نظر آثار کوتاه مدت و دراز مدت بر مصالح شمع
?-شناخت وضعيت پيرامون پروژه براي تصميم گيري در مورد شيوه اجراي شمع
?- انتخاب نوع شمع
?- بررسي امکان پذيري ساخت وتوليد شمع براي پروژه و محدوديت هاي ابعادي
?- برگزيدن روش نصب شامل کوبشي، چکش زدن، در جا ريختن و …
?- تعيين عمق مدفون شمع با توجه به شرايط خاک، بارهاي موجود و امکانات اجرايي
?- آرايش شمع هاي گروهي و تعيين نحوه عملکرد گروه و توجه به نکات مؤثر در طراحي از جمله تداخل شمع، ضريب کارايي، …
??-تعيين توان کاربري شمع(تکي يا گروهي) با استفاده از تحليل هاي معتبر استاتيکي
??-تعيين توان باربري شمع با استفاده از آزمايشات درجا يا آزمايشات ديناميکي و تدقيق توان باربري
??-دخالت دادن عوامل مؤثر پيراموني برتوان باربري بدست آمده
??-کنترل و ارزيابي نشست سيستم شالوده
??- طراحي سازه اي شمع و کلاهک سه شمع
??-انجام آزمايشات عملي بار گذاري استاتيکي يا ديناميکي(در صورت لزوم و صلاحديد) به منظور اطمينان از صحت اجرا و عدم آسيب ديدگي شمع ها در حين اجرا
??-تعيين ضريب اطمينان
انواع پي هاي عميق از نظر اجرايي
چنانکه گفته شد بر اساس استاندارد BS 8004 بريتانيا شمع ها به سه دسته طبقه مي شوند:
الف- «شمع هاي با تغيير مکان بزرگ» که هنگام نصب و رانش درون زمين، تغيير مکان زيادي در خاک ايجاد مي کنند. اين شمع ها معمولاً داراي مقاطع توپر و يا تو خالي ته بسته مي باشند که با شيوه کوبشي يا جک زدن به درون خاک رانده مي شوند. شمع هاي کوبيدني با تغيير مکان هاي بزرگ شامل موارد زير هستند:
- چوبي با مقاطع دايره اي يا مربعي، يکسره يا با اتصالات وصل شده
- بتني پيش ساخته شده با مقاطع تو پر يا توخالي
- پيش تنيده با مقاطع تو پر يا توخالي
- لوله فولادي ته بسته
- جعبه اي فولادي ته بسته
- لوله اي باريک شونده
- لوله اي فولادي ته بسته و رانده شده با جک
- استوانه اي بتني توپر، پيش ساخته و قطور رانده شده با جک
ب- شمع هاي«کوبيدني- ريختني با تغيير مکان هاي بزرگ» نيز موارد زير را شامل مي شوند:
- لوله هاي فولادي کوبيده شده و بعد از بتن ريزي يا بتدريج بيرون کشيده مي شوند.
- پوسته هاي بتني پيش ساخته که با بتن پر مي شوند.
-پوسته هاي فولادي جدار نازک که داخل خاک کوبيده شده سپس با بتن پر مي شوند.
پ- «شمع هاي با جابجايي کم»
اينگونه شمع ها نيز بصورت کوبشي يا با جک درون زمين نصب مي شوند و ليکن داراي سطح مقطع نسبتاً کوچکي هستند. مثالهايي از اين نوع عبارتند از مقاطع فولادي H يا I شکل، لوله ها يا جعبه هاي فولادي ته باز که در حين نصب، خاک وارد قسمت هاي حفره اي مقطع مي شود. اگر در حين کوبش اين شمع ها درون زمين، توده خاک در حوالي نوک شمع تشکيل و قفل شود بطوريکه مانع نفوذ ستون خاک به درون حفرات مقطع شود شمع از نوع با جابجايي زياد محسوب مي شود.
«شمع هاي با جابجايي کم» شامل انواع زير هستند:
- بتني پيش ساخته با مقاطع لوله اي ته باز کوبشي با ضربه
-بتني پيش تنيده با مقاطع لوله اي ته باز کوبشي با ضربه
- مقاطع فولادي H شکل
-مقاطع فلزي لوله اي ته باز کوبشي که در صورت ضرورت خاک وارد شده درون لوله تخليه مي شوند.
ت- «شمع هاي بدون جابجايي» يا «شمع هاي جايگزيني»
براي نصب اين نوع شمع ها نخست حفره محل شمع با روش هاي حفاري مناسب حفاري شده و درون آن بتن ريزي مي شود. بتن ممکن است درون غلاف ريخته شود و يا بدون غلاف بتن ريزي انجام شود. غلاف ممکن ست با پيشرفت بتن ريزي بيرون کشيده شود. در بعضي موارد ممکن است شمع هاي آماده چوبي، بتني يا فولادي درون حفره قرار داده شود.
«شمع هاي بدون جابجايي» يا «شمع هاي جايگزيني» شامل انواع زير مي شوند:
- حفر چاهک توسط روشهاي متد دوراني، چنگک، بالابر هوايي و پر کردن آن بتن(در جاريز)
- حفر چاهک با روشهاي فوق و قرار دادن لوله و پر کردن آن با بتن در صورت لزوم
-حفر چاهک و قرار دادن قطعات پيش ساخته بتني درون آن
-تزريق ملات سيمان يا بتن درون چاهک
-مقاطع فولادي قرار داده شده درون چاهک
-حفر چاهک و قرار دادن لوله فولادي بطور همزمان
سيستم هاي مورد استفاده در نصب شمع
?-?-?-در شيوه استفاده از سقوط چکش براي نصب، شمع در حين فرو رفتن درون زمين در اثر ضربات چکش، به کمک دستگاه در حالت قائم نگه داشته مي شود. اپراتور مي تواند به کمک سيستم هيدروليکي يا کابلي ابزار هدايت کننده را در راستاي مورد نظر حرکت دهد. در اين شيوه نصب، انتخاب مناسب چکش شمع کوب در عمليات نقش تعيين کننده اي دارد. تعداد ضربات چکش هاي معمولي که از ارتفاع رها شده و به سر شمع ضربه مي زنند، تقريباً ? تا ?? ضربه در دقيقه است. امروز غالباًاين چکش ها براي نصب سپرها و نيز براي نصب شمع در خاک هاي رسي خيلي نرم استفاده مي شوند.
چکش هاي هيدروليکي نوعي ديگر هستند که همراه ساير ملحقات کوبش بصورت گروهي عمل مي کنند.
اين چکش ها از چکش هاي پرتابي کمي سنگين ترند ولي ارتفاع پرتاب بسيار کمتري دارند و انرژي کمتري به سر شمع وارد مي کنند. چکش هاي پنوماتيک بعداً استفاده شده و امروزه چکش هاي هيدروليکي به وفور مورد استفاده قرار مي گيرند. چکش هاي عمل کننده با سيستم بخار، فشار هوا(پنوماتيک) و يا چکش هاي هيدروليکي بصورت يک طرفه عمل کنند(single acting) يا دو طرفه عمل کننده(double acting) وجود دارند. چکش هاي عمل کننده با سيستم بخار و پنوماتيک در شرايط ساختگاهي نرم آهسته تر کار مي کنند و با افزايش مقاومت زمين سرعتشان بيشتر مي شود. چکش هاي هيدروليکي بر عکس عمل مي کنند. چکش هاي ديزلي بيشترين راندمان را در شرايط ساختگاهي سخت دارند و در خاک هاي نرم به سختي کار مي کنند. معمولاًدر اوايل شمع کوبي اين شرايط پيش مي آيد. اگر ساختگاه مناسب باشد ضربات اين چکش ها زياد است. اين چکش ها باعث آلودگي هوا مي شوند.
چکش هاي ارتعاشي به کمک جرم هاي دوار با خروج از مرکزيت کار مي کنند و ضربات قائم بر سر شمع وارد مي کنند. فرکانس اين چکش ها تا ??? هرتز هم مي رسد و مي توان فرکانس کارکرد آن را با فرکانس طبيعي شمع ها همسان کرد. اين چکش ها براي نصب شمع در خاک هاي ماسه اي بسيار مناسب بوده و ارتعاشات و سر و صداي کمتري نسبت به چکش هاي معمولي ايجاد مي کنند. در خاک هاي رسي و يا محتوي قطعات سنگ مؤثر نيست.
?-?-?-شمع هاي نصب شونده درون حفره خود(Drilled shaft=DS)
تفاوت اساسي بين شمع ها و شافت هاي نصب شونده درون حفره ايجاد شده آنست که شمع ها عناصر پيش ساخته اي هستند که درون زمين کوبيده مي شوند در حاليکه اين شافت ها با شيوه نصب در محل اجرا مي شوند مراحل اجراي اين شافت ها عبارتند از:
-حفاري محل نصب و ايجاد حفره درون زمين تا عمق مورد نظر براي قرار گيري شافت
-پر کردن انتهاي حفره با بتن
-قرار دادن قفسه ميلگرد درون حفره
-بتن ريزي حفره
مهندسين و پيمانکاران ممکن است براي اين نوع شالوده هاي عميق اصطلاحات ديگري استفاده کنند از جمله:
- پايه(Pier)
- پايه با حفره از قبل ايجاد شده(Bored Pile)
- شمع در جا ريخته شده(Cast-in-Place Pile)
-صندوقه(Caisson)
-صندوقه با حفره از قبل حفاري شده(Drilled Caisson)
- شالوده در جاريز درون حفره از قبل حفاري شده (Cast-in-drilled-hole foundation)
ساير نکات لازم در خصوص شالوده هاي DS عبارتند از:
- استفاده از غلاف گذاري يا گل حفاري براي جلوگيري از ريزش ماسه هاي تميز زيرتر از آب زير زميني که باعث گسترش حفرات در جهات جانبي مي شود.
-استفاده از غلاف گذاري يا گل حفاري براي رس هاي نرم، سيلت ها يا خاک هاي آلي به منظور جلوگيري از حرکت اينگونه خاکهابه درون چاهک در هنگام حفاري
-استفاده از کف پهن تر از تند شالوده براي افزايش باربري فشاري نوک به ويژه در خاک هاي مقاوم يا سنگ و همچنين افزايش توان باربري شالوده در کشش، ليکن بايد به خطرات احتمالي براي عوامل اجرايي توجه داشت.
- اسلامپ بتن براي جلوگيري مناسب درون حفره ??? تا ??? ميليمتر بسته به قطر شافت و استفاده از گل حفاري
- امکان استفاده از سيمان متورم شونده به منظور افزايش اصطکاک جداري شالوده در تماس با خاک
?-?-?-کيسون ها(Caissons)
اين شالوده ها از جعبه تو خالي تشکيل شده که به تراز دلخواه در عمق رسانده و با بتن پر مي کنند. اين نوع پي ها در پايه هاي پل زير تر از آب رودخانه ها و درياها قرار مي گيرند. اين شالوده ها مي توانند با شناور شدن به محل نصب انتقال داده شده و نصب شوند. کيسون هاي درب باز از سمت فوقاني خود باز هستند و در انتها نوک تيز هستند تا به سهولت به درون خاک نفوذ پيدا کنند. گاهي اوقات قبل از ورود شالوده به محل لايروبي صورت مي گيرد که اين شيوه اقتصادي تر از حفاري از درون کيسون است. با اتکاي شالوده بر روي بستر، خاک درون آن حفاري و آب نيز پمپ مي شود. اين عمليات تا نفوذ کيسون به عمق مطلوب ادامه مي يابد.
?-?-?-شالوده هاي پوسته اي کوبشي و پر شده با بتن
با ترکيب خصوصيات و عملکرد شمع هاي کوبشي و شافت هاي حفاري شده(DS) مي توان شالوده هاي پوسته را معرفي کرد که نخست پوسته با چکش به عمق مورد نظر رانده مي شود و قفسه ميلگرد درون آن گذاشته شده و متعاقباً با بتن پر مي شود. مزاياي اين روش:
- ايجاد سطح صاف براي بتن شالوده توسط لوله
-جابجايي ايجاد شده توسط سطح کنگره اي پوسته باعث افزايش اصطکاک جداري شالوده مي شود.
-ابزار نصب به سهولت باز و بسته مي شوند و داراي قابليت نقل و انتقال خوبي است.
ليکن بايد توجه داشت که:
- هزينه ها مانند شمع کوبي زياد است
-قطعات شالوده قابل اتصال نيستند لذا محدوديت طول با ارتفاع شمع کوب متناسب است.
آسيب پذيري شمع ها در حين نصب
همه شمع ها هنگام نصب در معرض خطر هستند به ويژه در زمينهاي خيلي سخت يا زمينهايي که سنگلاخي باشند. يک روش براي کاهش خطرات و افزايش بازده پي سازي، استفاده از پيش حفاري، استفاده از جت آب و سوراخکاري يا ابزار سخت است.
در روش پيش حفاري، حفره اي قائم با قطر کوچکتر از قطر شمع درون خاک ايجاد مي گردد. با اين شيوه اتصال شمع-خاک تأمين مي شود و بالا زدگي خاک در سطح زمين و جابجايي خاک در جهات افقي کاهش مي يابد. در روش جت آبي فشار آب از طريق روزنه انتهاي لوله که در حوالي ته شمع قرار گرفته است باعث سست شدن خاک مي گردد و باعث نفوذ بيشتر شمع مي گردد. اين شيوه در خاکهاي ماسه اي و شني مناسب و در خاکهاي رسي غير مؤثر است. غالباً از اين شيوه براي رد کردن شمع از درون لايه ماسه اي و رساندن به لايه مقاوم و باربر زيرين استفاده مي شود. در شيوه اي ديگر با رانش ابزارهاي آهني و حفاري خاک، شمع به درون حفره ايجاد شده رانده مي شود. اين شيوه زياد معمول نيست و فقط در لايه هاي نازک سنگ هاي مستحکم استفاده مي شود.
مطالعات موردي مشکلات ايجاد شده در بعضي ساختگاه هاي مسئله ساز در حين اجرا
در بعضي ساختگاه ها اجراي شمع با مشکلاتي مواجه بوده است. در اينگونه موارد ممکن است اخذ نمونه هاي خاک و داده هاي ژئوتکنيکي نيز دچار همان مشکلات مي شود. لذا مهندس طراح و پيمانکار در اين شرايط بايد نهايت دقت را در برخورد صحيح با مسئله داشته باشد. تجارت موجود نشان مي دهد در بعضي ساختگاه ها اجراي شمع با مشکلاتي مواجه شده است. بعضي از اين ساختگاه ها عبارتند از: خاک هاي کربني، ماسه هاي ميکادار، سنگ هاي ضعيف، تخته سنگ هاي مجزا و منفرد، سنگ هاي ريخته شده در کف دريا، سنگ هاي درشت، حضور خاک هاي ضعيف در عمق.
به عنوان يک استراتژي و راهکار کلي مي توان موارد زير را مد نظر داشت:
-وجود تجهيزات متنوع براي استفاده در موارد پيش بيني نشده
- استفاده از چکش يک سايز بزرگتر از آنچه در طراحي بدست آمده است.
- وجود جت آب و پمپ قوي
-توجه بيشتر به طراحي رأس و انتهاي شمع براي کاهش صدمات احتمالي
-استفاده از چوب نرم و ضخيم که براي جلوگيري از آسيب شمع هاي پيش تنيده بتني در حين کوبش به کار مي رود(حداقل يک قطعه جديد براي کوبش هر شمع)
و آخرين سخن اينکه:
- کوبش شمع همچنان هم مهندسي است و هم هنر.
- دانش امروزي توان ما را در نصب شمع هاي بسيار مقاوم تقريباً در هر ساختگاهي بارور ساخته است.
- فقط بايد بخوبي شراط زمين شناسي و ژئوتکنيکي را درک کنيم.
-از مطالعات موردي و تجربيات ارزنده ديگران استفاده کنيم تادر زمينه فني و اقتصادي کسب توفيق نمائيم.
و در يک جمله«افزايش راندمان و بهينه سازي اقتصادي وقتي ميسر است که اطلاعات ژئوتکنيکي دقيق و کامل باشد، در اينصورت در انتخاب نوع شمع، تجهيزات نصب و روند اجرا تصميمات دقيق تري اتخاذ خواهد شد».
