پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

با توجه به اهمیت زیاد شالوده در پایداری سازه ها، ایجاد بیشترین کارایی با به کارگیری کمترین مصالح در جهت ساخت پی های امن تر و اقتصادی تر یکی از اهداف مهندسی ژئوتکنیک است. در جهت همین امر طرح های جدیدی برای پی ها مانند پی های حلقه ای (حلقوی)، پوسته ای و کیسون (صندوقه ای) ارائه شده است.

پی های حلقه ای (حلقوی)

پی های حلقه ای می توانند کارآمدتر و اقتصادی تر از پی های دایره ای باشند. علی رغم شباهت بین پی های دایره ای و حلقوی رفتار آن ها در برخی جنبه ها مانند توزیع فشار زیر آن ها و نشست تفاوت هایی وجود دارد. پی های حلقه ای یا حلقوی برای اکثر سازه های با هندسه متقارن محوری و بار قائم یک پی مناسب و اقتصادی بوده و بهسازی خاک و مطالعات ژئوتکنیک و بنابراین نقش طراحی و مشاوره ژئوتکنیک برای این پی ها از اهمیت بالایی برخوردار است چرا که این پی ها برای ساخت سازه های مهمی مانند راکتورهای اتمی، مخازن نفتی، سازه های فراساحلی و گنبدی، مخازن نفتی، دودکش ها، آنتن های مخابراتی و مخازن آب استفاده می شود. یک پی حلقوی صلب با شعاع داخلی r_i و شعاع خارجی r₀ بر روی توده خاک کاملا پلاستیک و با فرض قانون جریان هم بسته در نظر گرفته می شود. فشار گسیختگی میانگین P_u بر اساس ضرایب ظرفیت باربری N_{c و} N_{q و} N_γ با توجه به رابطه زیر مشخص می گردد.

 در ادبیات فنی مطالعات متعدد آزمایشگاهی برای به دست آوردن ظرفیت باربری نهایی پی حلقوی تحت بار محوری و بار خارج از مرکز بر روی خاک مسلح و غیر مسلح صورت گرفته و نتایج بیانگر افزایش حدود 20 تا 25 درصدی ظرفیت باربری پی حلقوی با نسبت قطر داخلی به خارجی بین 0/2 تا 0/4 نسبت به پی دایره ای با همان قطر خارجی است. افزایش ظرفیت باربری می تواند مربوط به پدیده قوس زدگی در خاک داخل حفره پی حلقوی باشد که با افزایش این نسبت به بیش از 0/4 این پدیده از بین رفته به طوری که برای نسبت بیشتر از 0/6 پی حلقوی به صورت دو پی نواری مستقل عمل می کند. نتایج پژوهش ها نشان می دهد که ظرفیت باربری پی حلقه ای بر روی خاک های ماسه ای متراکم سیمانته شده تا نسبت شعاعی (نسبت شعاع داخلی به خارجی) برابر 0/25 تغییری نمی کند ولی بعد از آن روند کاهشی پیدا می کند. نتایج دیگری بر روی خاک رس طبیعی نشان می دهد که ظرفیت باربری پی حلقه ای با افزایش نسبت شعاعی پیوسته کاهش می یابد و نسبت شعاعی بهینه بین 0/2 تا 0/4 به دست آمده است. مقادیر ضرایب ظرفیت باربری با کمک روش خطوط مشخصه و برای دو حالت پی با سطح زیرین صاف و زبر به صورت شکل زیر تعیین شده است.

با توجه به نسبت شعاعی داخلی به خارجی n و زاویه اصطکاک داخلی می توان ضرایب ظرفیت باربری را با توجه به روابط زیر تعیین کرد.

در حالتی که بارگذاری برون محور وجود داشته باشد نسبت ضریب Nγ در حالت بارگذاری خارج از مرکز به محوری با ضریب کاهشی R.F تعریف می شود که تابعی از نسبت شعاعی، نسبت برون محوری و زاویه اصطکاک داخلی خاک است. این ضریب RF با افزایش برون محوری روند کاهشی دارد این روند کاهشی تا نسبت برون محوری 0/3 از نرخ کاهشی بیشتری نسبت به برون محوری های بزرگتر از 0/3 دارد و آثار نسبت شعاعی در ضریب R.F با افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک کاهش می یابد و این بدان مفهوم است که افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک اثر حلقه ای بودن پی را کاهش می دهد. به طور کلی افزایش نسبت شعاعی، منجر به افزایش ضریب R.F شده و این نکته در طراحی این نوع پی ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. یک رابطه برای ضریب R.F با دقت قابل قبول به صورت زیر قابل تعریف است.

که در آن ضرایب a و b آثار نسبت شعاعی n در ضریب کاهشی ظرفیت باربری را ایفا می کنند. در جداول زیر به ترتیب ضرایب a و b برای نسبت شعاعی و زاویه اصطکاک داخلی مختلف ذکر شده است.

پی های صندوقه ای یا کیسون

پی های صندوقه ای به عنوان پی اسکله نامیده می شوند. پی کیسون به نام یک ساختار حائل ضد آب به عنوان پایه پل در ساخت سد بتنی و یا برای تعمیر کشتی استفاده می شود. پی کیسون یک جعبه توخالی پیش ساخته می باشد که در اعماق مورد نظر در  زمین فرو رفته و پس از آن با بتن پر شده که نتیجه آن شکل گیری پی صندوقه ای است.

 از این شالوده ها گاه برای حفاری عمق آب در رودخانه ها نیز استفاده می شود. پی های صندوقه ای اغلب در ساخت و ساز پل و سازه های دیگر که نیاز به پی در زیر رودخانه ها و دیگر گستره های آب دارند استفاده می شود. دلیل این است که محفظه کیسون را می توان به محل کار به صورت شناور برد و در محل قرار گیری فرو برد.

برای ساخت پی های کیسون سوراخی در عمق زمین ایجاد می شود، سپس این حجم سوراخ شده با بتن پر شده و از آرماتور برای داخل آن و بحث استحکام سازه پی استفاده می شود. پی های صندوقه ای بارهای ساختمان را به قسمت های پایینی خود انتقال می دهد.

کیسون های 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 اقتصادی تر از حفاری از درون صندوقه (کیسون) است. با اتکای شالوده بر روی بستر، خاک درون آن حفاری و آب نیز پمپ می شود. این عملیات تا نفوذ صندوقه به عمق مطلوب ادامه می‌یابد.

مزایای پی های کیسون (صندوقه ای)

• مزیت های اقتصادی
• به حداقل رساندن نیاز به شمع
• کاهش ارتعاشات
• سازگاری با شرایط متنوع اجرا
• ظرفیت بارگذاری محوری و جانبی بالا
• ‌ایجاد سطح صاف برای بتن شالوده توسط لوله
• افزایش اصطکاک جداری شالوده ناشی از ‌جابجایی ایجاد شده توسط سطح دندانه ای پوسته
• باز و بسته شدن آسان ابزار نصب با قابلیت نقل و انتقال مناسب
• ‌قطعات شالوده قابل اتصال نیستند لذا محدودیت طول با ارتفاع شمع کوب متناسب است.
• آسیب پذیری شمع‌ها در حین نصب به ویژه در زمین‌های خیلی سخت

معایب پی های صندوقه ای

• حساسیت به روش ساخت
• کمبود متخصین برای ساخت و بازرسی فنی

انواع پی های کیسون یا صندوقه ای

• شناور (floating caissons)
• پنوماتیک (Pneumatic caissons)
• ورقه ای (Sheeted caissons)
• حفاری شده (Excavated caissons)
• جعبه ای (Box caissons)
• باز (open caissons)

در ادامه به توضیح برخی از انواع پی های صندوقه ای پرداخته می شود.

کیسون جعبه ای: یک جعبه بتنی پیش ساخته که بر روی پایه های آماده تنظیم شده و پس از قرار گرفتن در محل، آن را با بتن پر می کنند تا بخشی از کارهای دائمی مانند پایه یک پل شود. ساختارهای بتنی توخالی معمولاً چگالی کمتری نسبت به آب دارند، بنابراین یک جعبه باید مهار شود تا از شناور ماندن آن جلوگیری شود تا زمانی که بتوان آن را با بتن پر کرد. گاهی اوقات ممکن است در برخی مناطق مانند مناطق جزر و مدی به سیستم های  پیچیده مهار نیاز باشد.

کیسون باز: شبیه کیسون جعبه ای است با این تفاوت که سطح پایینی ندارد. برای استفاده در خاک رس های نرم (مثلاً در برخی از بستر رودخانه ها) یا مکان های با سطح آب زیرزمینی بالا مناسب است. کیسون باز در زمین‌های نرم بدون امکان حفاری ترانشه‌های باز، برای نصب منهول‌های عمیق، ایستگاه های پمپ، جک لوله و سایر عملیات استفاده می شود.

کیسون های پنوماتیک: در گل نرم نفوذ کرده و جعبه های بدون ته هستند که از بالا مهر و موم و با هوای فشرده پر شده اند تا آب و گل را در عمق نگه دارند. کیسون پنوماتیک (هوای فشرده) این مزیت را دارد که شرایط کار خشک را فراهم می کند لذا برای بتن ریزی بهتر است. همچنین برای پی هایی که روش‌های دیگر ممکن است باعث نشست سازه های مجاور شوند، مناسب خواهد بود.

کیسون های شناور: جعبه های پیش ساخته پر از بتن هستند که به آن اسکله شناور نیز می گویند.

پی های پوسته ای

پی پوسته ای یک جایگزین اقتصادی برای پی های سطحی صفحه ای برای انتقال بارهای روسازه به لایه های سست پایینی است. این پی ها به خاطر شکل مورب و سطح تماس بیشتر با خاک، قابلیت تحمل بار بیشتر نسبت به پی تخت نظیر خود دارند. نتایج پژوهش ها بیانگر عملکرد مطلوب تر پی های سطحی نسبت به پی های مسطح است. ضمنا بزرگتر بودن سطوح گسیختگی در پی های پوسته ای روشن کننده افزایش ظرفیت باربری است. از ترکیب یک مخروط ناقص معکوس در قسمت خارجی و یک مخروط ناقص رو به بالا در قسمت داخلی می توان یک پی مرکب نوین به نام پی مرکب حلقه ای پوسته ای تولید نمود. این پی مرکب جدید دارای خواص همزمان صفحات تاشده، پی حلقه ای و پی پوسته ای است.

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها Different Types of Element Test for Soil) Liquefaction Assessment)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی (Offshore geotechnical Site Investigation)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
• معایب و خطاهای آزمایش برش مستقیم Disadvantages of) Direct Shear Test)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW چیست؟ (Multichannel Analysis of Surface Waves)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• مبانی، تاریخچه و نظریه مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
• دستورالعمل تعیین مقاومت برشی مستقیم بر جای توده سنگ (hear strength of rock)
• تعیین مدول تغییر شکل پذیری سنگ با استفاده از آزمایش دیلاتومتری
• دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت
• میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
• مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
• بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
• مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)
• بررسی موردی عملکرد ستون های جت گروتینک در بهسازی بستر پی گسترده
• بهسازی خاک به روش میکروپایل یا ریز شمع (Micropile & Underpinning)
• بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک
• اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)
• در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
• آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
• ژئوتکستایل چیست؟ (?What is a Geotextile)
• ژئوممبران چیست؟ (?what is geomembrane)
• ژئوفوم چیست؟ (What is Geofoam)
• فوم بتن چیست؟ (What is Foam Concrete)
• جی سی ال چیست؟ (?what is GCL)
• استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار GEOSLOPE
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار ABAQUS
• معرفی نرم افزار FLAC
• معرفی نرم افزار MIDAS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
• رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
• گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
• گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
• گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)

• مطالب مرتبط :
• civiltoday , Caisson Foundation
• civiconcepts , What Is Caisson Foundation