مهندسی ژئوتکنیک زیرمجموعه ای از مهندسی عمران در زمینه مسائل مرتبط بابکارگیری ورفتار خاک ومصالح خاکی می باشد. مهندسی ژئوتکنیک متشکل ازدوبخش کلی مکانیک خاک ومهندسی پی می باشد. درواقع مهندسی پی شامل بکار گیری اصول مکانیک خاک در تحلیل و طراحی شالوده ساختمانها و ابنیه در تماس باخاک می باشد .کلیه سازه هایی که بر روی زمین بنا می شوند از جمله ساختمانها،پلها،خاکریزها از دو بخش تشکیل می شوند.
1- سازه فوقانی(sperstructare)؛بخش نمایان سازه
2- سازه زیرین(substructure)؛بخش مدفون سازه
بخش سازه زیرین به عنوان حائل بین سازه فوقانی و زمین تکیه گاه عمل می کند یعنی بار سازه فوقانی را به زمین منتقل می نماید.
مبحث مهندسی پی بررسی تاثیر متقابل سازه زیرین و زمین تکیه گاه می باشد.
تعریف پی و اهمیت آن
ی عبارت است از سازه زیرین و بخشی ازخاک مجاورآن که تحت تاثیر این سازه وبارهای وارد بر آن می باشد مبحث 7 مقررات ملی ساختمان نیز تعریف مشابهی از پی ارائه کرده است:مجموعه بخش هایی از سازه و خاک در تماس با آن که انتقال بار بین سازه و زمین از طریق آن صورت می گیرد پی نامیده می شود.در واقع وظیفه پی انتقال بارهای بخش های فوقانی به خاک زیر پی می باشد بنحویکه تنش های بیش از حد ونیز نشست های اضافی ایجاد نگردد.
کلیه پی ها بمنظور انتقال بارهای سازه فوقانی به زمین طرح میشوند. بار اکثر سازه های فوقانی توسط اجزاء ستون مانندی حمل میشوند که شدت تنش در آنها در حدود Mpa10(ستون بتنی) تاMPa140(ستون فلزی) میبــاشد چنین تنــشــهایـــی
می بایست به خاک تکیه گاهی حمل گردد که ظرفیت باربری آن بندرت بیش از KPa500 واغلب در حدود KPa 250-200 میباشد.باتوجه به این ارقام میتوان دریافت که این عضو واسط یعنی پی مصالحی را به یکدیگر مرتبط می سازد که مقاومت مهندسی مفید آنها تا چند صدبرابر متفات است واین به نوبه خود اهمیت طرح صحیح و ایمنی پی را نشان میدهد.
تنش
به مقاومت داخلی ایجاد شده در جسم در اثر نیدو های خارجی تنش می گویندوبر حسب نوع نیرو ممکن است فشاری ،خمشی,برشی,کششی و... باشد استحکام نهایی مواد ومصالح ساختمانی برحسب واحد های تنش بیان می شود که واحد آن در سیستم بین المللی آحاد, نیوتن بر متر مربع است که (pa) نامیده می شود.
مهندسی پی :
مهندسی پی شامل تحلیل وطراحی پی(شالوده ساختمانهای متعارف) یا سازه های در تماس باخاک (ابنیه حائل) بابکارگیری اصول مکانیک خاک و مکانیک سازه توام باقضاوت می باشد.
مهندسی پی مباحثی همچون محاسبه ظرفیت باربری, طراح یانواع مختلف پی مانند پی های منفرد,نواری گسترده عمیق (شمع) را شامل می گردد که در رابطه باهر کدام از آنها توضیحاتی ارائه خواهد شد.علاوه بر طراحی پی های متعارف (پی ساختمانها) طراحی سازه های حائل نیز مهندسی پی میباشد.
مهندس پی :
به کسی گفته میشود که بوسیله آموزش وتجربه کافی در اصول علمی وقضاوت مهندسی مهارت یافته است تا پی راطراحی نماید. می توان گفت که قضاوت مهندسی بخش خلاق کار طراحی پی میباشد در واقع قضاوت مهندسی در طراح پی همان گرد آوری و بهم آمیختن تجارب، مطالعه کارهای دیگران در شرایط نسبتاً مشابه و جمع آوری اطلاعات ژئوتکنیکی مخصوص ناحیه تحت برر سی برای ایچاد طرحی اقتصاری علمی و ایمن برای سازه زیرین میباشد.
انواع پی :
پی ها براساس عمق ونوع عملکرد تقسیم بندی می شوند . در حالت کلی چنانچه لایه مقاوم در عمق کمی از سطح زمین قرار گرفته باشد پی در نزدیکی سطح زمین بنا میگردد در غیر این صورت برای رسیدن به لایه مقاوم عمق پی افرایش میابد.
به طور کلی پیها به چهار دسته تقسیم میشوند.
1- پی ها ی کم عمق معروف به پی های سطحی(Shallow foundations)
به پی هایی میگویند که نسبت عمق به عرض آنها مساوی یا کمتر از واحد است 1>D/B در عین حال در بعضی مراجع پیهای بانسبت عمق تا 4الی5هم به عنوان
پی کم عمق طبقه بندی میشوند.
2- پی های نیمه عمیق(پی های چاهیPier foundations )
در این پی ها نسبت عمق به عرض در محدوده 10 > D/B > (5-4) قرار دارد.
3- پی های عمیق (Deep foundations)
این پی ها عمدتا شامل پی های شمعی بوده ودر آنها 10 < D/B میباشد
در مبحث 7 مقررات ملی ساختمان , معیار دیگری برای پی عمیق عنوان شده است و آن عبارت است از اینکه هرگاه نسبت عرض به ارتفاع پی کمتراز1باشد وعمق آن از3 متر تجاوز نمایدبه آن پی عمیق می گویند.
در موارد فوق D عمق پی و B عرض آن می باشد.
4- پی های ویژه
شامل هرگونه پی که جزء دسته بندی های فوق نباشداز قبیل، صندوقه ای، مهارها
ستونهای شنی وسنگی و...
انواع پی های سطحی:
دسته بندی انواع پی های سطحی به صورت زیر می باشد.
پی های منفرد
پی هایی که بار یک ستون تکی یا یک دیوار را حمل می نمایند.
پی های مرکب
پی هایی که بار دو تا چهار ستون را حمل می نمایند
پی گسترده
نوعی شالوده است که بار چندین ستون با فاصله های منظم و نامنظم, موازی یاغیرموازی را حمل می نماید و ممکن است زیر بخشی یا کل ساختمان قرارگیرد.
الف:شالوده منفرد(spread foundations)
شالوده ای که حامل بار تنها یک ستون باشد شالوده منفرد می گویند. این پی ها معمولاً متشکل ار یک دال مربعی یا دایره ای بوده و خود می تواند شامل انواع بتنی غیر مسلح،بتن مسلح معمولی ، باسطوح شیبدار و پله ای باشد.
ب:شالوده دو ستونی
اگردوستون بهم نزدیک باشند(به صورتی که شالوده منفرد آنهاکمتر از نصف فاصله دوستون گردد) اقتصادی ومناسب است که از شالوده دوستونی استفاده شود.
کاربرد اصلی این نوع شالده ها در مواقعی است که نمی توان یک ستون را به طور مرکزی برروی شالوده تک ستونی قرار داد همانند شالوده ستونهای کناری (نوار مرزی ساختمان در زمینهای محدود یا کوچک ) شالوده دو ستونی می تواند به صرت مستطیل یاذوذنقه ای طرح شود.این شالوده ها بنحوی طراحی می شوند که مرکز هندسی آنها بر نقطه اثر بر آیند بارهای وارده منطبق گردد.
راه دیگر مقابله با خروج از مرکزیت ستون کناری اتصال آن توسط یک تیر قوی به شالوده داخلی مجاور می باشد که چنین شالوده ای را شالوده باسکولی یا تسمه ای می گویند.
ج- شالوده نواری( Strip footing)
بااتصال شالوده های یک ردیف ویا برای شالوده زیر یک دیوار باربر، شالوده نواری ایجاد می گردد که نسبت طول به عرض آن زیاد است معمولاً شالوده هائی که در آنها 4-5< L باشد به عنوان شالوده نواری در نظر میگیرند.
د- شالوده شبکه ای (Gridfoundation)
بلحاظ اقتصادی گاهی مقرون به صرفه است که از شالوده های یک ردیف در هم ادغام و شالوده به صورت نواری اجرا گردد چنانچه این نوارها در هر دو امتداد عمود برهم قرار گیرند شالوده شبکه ای بوجود می آید عملکرد این شالوده ها مرکب بوده و متفاوت از عملکرد شالوده های منفرد است که توسط کلاف به یکدیگر متصل می شوند.
ه- شالوده های گسترده (Mat/.orRaft foundations)
اگرزمین زیر شالوده آنقدر سست باشد ویا بار وارده از طرف سازه آنقدر زیاد باشد که سطح پوشیده شده از طرف پی های منفرد بیش از نصف سطح زیر بنا گردد، در اینصورت اقتصادی است که از پی گسترده استفاده شود شالوده گسترده شامل یک دال(Slab) یکپارچه است که کلیه بار های سازه ناشی از ستونها و دیوارها را حمل مینماید این نوع شالوده موجب توزیع نسبتا یکنواخت تنش و جلوگیری از تمرکز آن در زیر بارهای سنگین و مو ضعی می گردد لذا در کاهش نشست نا مساوی بسیار موثر است.
پی های پوسته ای (Shell foundations)
این نوع پی های بار را بواسطه شکل ونه به سبب جرم و حجم خود به زمین منتقل می نمایند ، لذا طراحی آنها مشکل است و معمولاً بعنوان پی برجهای بلند نظیر برجهای تلویزیون یا خنک کننده ها بکار میرود .
پی های نیمه عمیق(Pier foundations)
این پی ها حد فاصل پی های سطحی و عمیق می باشند که به آنها پی چاهی نیز اطلاق می گردد عملکرد آنها تقریبا مشابه پی های عمیق است زیرا بار را به یک لایه مقاوم که در عمق متوسطی از زمین قرار دارد منتقل می نماید برای اجرای این پی ها چاهی در زمین حفر و سپس درون آن با مصالح مناسب پر می گردد.
پی های عمیق (Deep foundations)
اصطلاح پی عمیق وشمع مترادف یکدیگر می باشند زیرا بکارگیری عمده پی عمیق به صورت شمع می باشد شمع ها اجزاء ستون مانندی عمدتاً از بتون، فولاد و چوب هستند که برای انتقال بار به لایه هـــای عمیق زمین مورد اســتفاده قــرار
می گیرند . شمع ها معمولا به عنوان یک عنصر سازه ای واسط مو سوم به سر شمع یا کلاهک (Cap) بار سازه فوقانی را به زمین منتقل می نمایند طبق مقررات ملی ساختمان سر شمع به عنوان پی سطحی نامگذلری می گردد بلحاظ نوع انتقال بار شمع های اتکائی (نوک باربر) و شمع های اصطکاکی (شناور) تقسیم می گردند
ضوابط کلی پی ها :
ابعاد و اجزاءپی می بایستی بنحوی طرح شوند که هم تنش تماس با خاک در حد ایمن باشد و هم نشستها را به یک مقدار قابل قبول محدود نماید اما مشکلات نشست اضافی عمومی بوده وتا حدووی مخفی باقی مانده اند زیرا تنها موارد بسیار دیدنی انتشار یافته اند .
تعداد اندکی ساختمانهای مدرن در اثر نشستهای اضافی فرو می ریزند . اما وقوع فروریختگی ها جزئی یا گسیختگی موضعی در یک عضو سازه ای چندان غیر معمول نیست، بیشتر آسیبهائی که روی می دهند شامل ترکهای نا خوشایند در دیوار و کف، کف های ناهموار (خیز هاوشیب ها) درهاوپنجره های چفت شده و غیره می باشند.
تغییرپذیری خاک همراه بابارهای پیش بینی نشده یا حرکت های بعدی خاک (نظیرزلزله ها) می توانند به مشکلاتی از نشست منجر شوند که مهندس، کنترل اندکی برآنهادارد. بعبارت دیگر آخرین روشهای موجود طراحی ممکن است احتمال مشکلات نشست(ضریب خطر) رابه مقدار زیادی کاهش دهند، اماعموماً یک پروژه خالی از خطر بدست نمی دهند. بااین همه بطور منطقی برخی مشکلات نتیجه مستقیم طراحی ضعیف یا بی دقتیهای ساده یا عدم توانائی مهندسی می باشند .
یک عامل عمده که کارطراحی پی را مشکل می سازد آن است که پارامترهای خاک مورد استفاده در طراحی قبل از شروع پروژه بدست می آیند . بعدا هنگام اجرائی برخاکی بنا می شود که خواص آن به مقدار زیادی نسبت به حالت اولیه اصلاح شده است که این اصلاح یابواسطه روند اجرا یا احداث پی ایجاد می گردد این بدان معنی است که خاک ممکن است حفاری ویا جایگزین گشته و متراکم گردد. حفاری درجهت برداشتن بار از روی خاک زیرین بوده وسبب انبساط آن رافراهم می نماید کوبش شمع معمولاً خاک رامتراکم تر می نماید . هریک از این وقایع یا مستقیماً خواص خاک راتغییر داده (جایگزین خاک) یاپارامترهای مقاومتی برآورد شده اولیه رااصلاح می نمایند.
به طورخلاصه یک طرح مناسب به طی مراحل زیر نیازمند است.
1- تعیین هدف ازبنای ساختمان، بارگذاری احتمالی بهره دهی در طول عمر مفید، نوع قاب سازه ،نیمرخخاک،روش های ساختمانی هزینه های ساختمان.
2- تعیین نیازهای کارفرما.
3- انجام طراحی بااطمینان به اینکه طرح آسیب زیادی به محیط زیست وارد نمی سازد ویک حاشیه ایمنی بدست می دهد که احتمال خطر برای کلیه طرف های ذیربط یعنی جامعه، کارفرماو مهندسی درحد مجاز خواهدبود.
ملاحظات دیگر در طراحی پی ها :
1- عمق پی ها می بایست به قدر کافی زیاد باشد تااز بیرون زدگی جانبی مصالح از زیر پی برای شالوده ها وپی های گسترده جلوگیری شود. بطور مشابه در گود برداری پی می بایست این نکته مد نظر باشد که مشکل بیرون زدگی مصالح پی می تواند برای شالوده های ساختمان موجود در نواحی مجاور گود اتفاق بیفتد و ضرورت دارد که تدابیر مقتضی در نظر گرفته شود. تعداد ترکهای ناشی از نشست که به هنگام گود برداری برای سازه های مجاور مالکین ساختمانهای موجود یافت می شوند بسیار قابل توجه می باشد.
2- عمق شالوده ها می بایست زیربخشی از خاک باشد که دارای تغییرات حجمی فصلی ناشی از یخ زدگی ، ذوب شدن یخ ورشد گیاهان می باشد.اکثر آیین نامه های ساختمانی محلی مقررات مربوط به حداقل عمق پی را در بردارد.
3- درپی ممکن است لازم شود شرایط خاک منبسط شوند در نظر گرفته شود در چنین شرایطی بنای ساختمان در جهت حبس بخار آب موجود در خاک است که به طرف بالا حرکت می نماید. این بخار آب به تدریج فشرده شده و خاک واقع در بخش درونی زیر دال کف وپی ساختمان را حتی در شرایطی که تغییر محیطی به طور عادی روی می دهد اشباء می نماید.
4- علاوه بر ملاحظات مربوط به مقاومت فشاری،سیستم پی می بایست در برابر واژگونی ، لغزش وهر نوع بالا زدگی (شناوری) ایمن باشد.
5- سیستم پی باید در برابر خوردگی یاتخریب ناشی از تماس با مواد مضر موجود در خاک محافظت گردد.
6- سیستم پی باید بتواند تغییرات بعدی را در ناحیه یا هندسه ساختمان را تحمل کند ودر صورت لزوم به ایجاد تغییرات در سازه فوقانی و بارگزاری به سادگی قابل اصلاح باشد.
7- پی می بایست توسط نیروی انسانی موجود در محل قابل ساخت باشد.
8- اجرا وتوسعه محل می بایست مطابق با استاندارهای محیط زیستی محل باشد از جمله اینکه می بایست تعیین شود که آیا ساختمان از طریق تماس بازمین در معرض آلودگی است یا خیر.
در محلی که سفره آبهای زیر زمینی وجود دارد روش معمول این است که آنرا بطور دائمی یا در طول انجام کارهای ساختمانی تازیر ناحیه ساختمانی پایین آورند سفره آب زیرزمینی نشان داده شده در شکل زیر،زیر تراز کف شالوده بوده و احتمالاً پایین تراز ناحیه ساختمانی خواهد بوداگر بعداًآب زیرزمینی به ترازی بالاتر از کف شالوده صعود نماید شالوده تحت تاثیر نیروی بالابر یا شناوری قرار می گیرد که می بایست به حساب آورده شود.
چنانچه لازم باشد آب زیرزمینی بطور موقت یا دائمی پایین آورده شود یک مشکل
وجود دارد و آن موقع نشست در نواحی اطراف محوطه ساختمان است به همین دلیل در اکثر موارد اطراف محوطه ساختمانهای سپرهای آب ریزی نصب میکنند و آب تنها از داخل این محوطه به بیرون پمپ می شود.
