Foundation Design: Theory and Practice

این پندار در عموم وجود دارد که مهندسی ژئوتکنیک یک دانش مهندسی بوده ولیکن کار اجرایی آن به مثابه هنر است! پی ها سطح مشترکی هستند که به ضرورت در میان سازه بالاسری و خاک تکیه گاهی محل ساخت و ساز قرار می گیرند. بنابراین باید برای مقاومت در برابر بارهای وارده از سازه بالاسری و در نظر گرفتن مقاومت، سختی و دیگر شرایط زمین شناسی خاک تکیه گاهی به درستی طراحی شوند. با افزایش قابل توجه در فعالیت های ساخت و ساز در سراسر جهان، سازه ها و پی ها ماهیتی بسیار پیچیده به خود گرفته اند در این شرایط خاک تکیه گاهی باید با این تغییرات و پیچیدگی ها تطبیق یابد. این کتاب بر تحلیل و طراحی پی ها با استفاده از روش های منطقی و مرسوم تمرکز می کند و همچنین روش های طراحی سازه ای را با استفاده از آیین نامه های اجرایی و طراحی شرایط حدی سازه های بتن مسلح ارائه می کند.
کتاب طراحی پی (تئوری و اجرا) از واحد درسی مهندسی پی تدریس شده توسط نویسنده در گذشته در دانشگاه Indian Institute of Technology Kanpur, India و در حال حاضر در School of Engineering and IT, University Malaysia Sabah, Kota Kinabalu, Malaysia به دست آمده است. در همین راستا، مطالب این کتاب به شکلی کاربر پسند ارائه شده که به آسانی قابل پیگیری و تمرین باشد.

کتاب طراحی پی (تئوری و اجرا) شامل 12 فصل و تعدادی پیوست است. فصل های 1 تا 3 ویژگی های مهندسی، پارامتر های طراحی و آزمایش های مورد نیاز برای تحلیل و طراحی پی ها را ارائه می کند. فصل 4 در مورد روش های مرسوم و منطقی برای طراحی انواع مختلف پی های سطحی از جمله پی گسترده بحث می کند. روش های حل قطعی با استفاده از روش تیر و صفحات بر روی پی الاستیک در فصل 5 ارائه شده است. روش های عددی تحلیل مثل روش تفاضل محدود (FDM) و روش باقی مانده وزنی (گَلِرکین، حداقل مربعات و …) در فصل 6 مورد بررسی قرار گرفته اند. روش اجزا محدود (FEM) برای تحلیل پی در فصل 7 توضیح داده شده است. معیار طراحی برای پی های سطحی در فصل 8 ارائه شده در حالی که قواعد اصلی طراحی به همراه جزئیات طراحی سازه ای در فصل 12 مورد بحث قرار گرفته اند. فصل 9 در مورد طراحی و ساخت پی های عمیق مثل شمع ها، ستون های حفاری با قطر زیاد، سیستم شمع و پی گسترده و ستون ها/کیسون های غیر حفاری بحث می کند.

جنبه های مربوط به ساخت و ساز و طراحی شمع ها در فصل 10 ارائه شده است. قواعد طراحی پی ماشین آلات در فصل 11 مورد بررسی قرار گرفته است. فصل 12 قوانین مهم آیین نامه های طراحی اعضای بتن مسلح و خصوصیات نسبی آیین نامه های رایج مثل آیین نامه هند، آیین نامه اروپا و آیین نامه ACI را به اختصار بیان می کند. همانطور که پیشتر عنوان شد، مثال های دقیق طراحی سازه ای پی های سطحی نیز در این فصل ارائه شده است.

برای سهولت در درک مطالب ارائه شده در متن کتاب طراحی پی (تئوری و اجرا) از جهت تفصیلِ مطالبِ پیش نیازِ مورد نیاز در بخش های مختلف، حداکثر تلاش انجام گرفته است. روش های مرسوم و منطقی برای تحلیل و طراحی در نظر گرفته شده اند. به عنوان مثال، در مورد بندهای آیین نامه های بتن مسلح، طراحی و ساخت شمع، تئوری لرزش و همچنین آزمایش های مورد نیاز برای به دست آوردن پارامتر های طراحی در فصل های مربوط به خود بحث شده است. مثال های طراحی سازه ای پی ها نیز به دقت مورد بحث قرار گرفته است. ویژگی های نسبی آیین نامه های مختلف بتن مسلح مربوط به طراحی پی نیز به منظور کمک به مهندسان طراح مورد بررسی قرار گرفته است. به علاوه، برای شرح دادن روش های تحلیل و طراحی ارائه شده مثال هایی در این زمینه حل شده است. همچنین، برای تمرین بیشتر، مسائلی در انتهای هر فصل ارائه شده است.

نویسنده امیدوار است که کتاب طراحی پی (تئوری و اجرا) منبعی مفید برای واحد های درسی مهندسی پی و طراحی، اندرکنش خاک-سازه و مواردی از این دست در مقطع کارشناسی و تحصیلات تکمیلی بوده و همچنین در کنار آن در کارهای اجرایی، توسعه ای و تحقیقاتی کمک کننده باشد.

پی، خاک و سازه بالاسری

پی ها برای انتقال بار از سازه بالاسری مثل ساختمان ها، پل ها، سد ها، بزرگراه ها، دیوارها، تونل ها، برج ها و تمامی سازه های مهندسی ضروری هستند. به طور کلی به بخشی از سازه که بالای پی قرار دارد سازه بالاسری (superstructure) گفته می شود. تکیه گاه پی نیز محیط خاکی زیر آن است. از این جهت، خاک نیز شالوده ای برای سازه به حساب آمده و تمامی بار وارد شده از قسمت فوقانی را تحمل می کند. بنابراین، به پی سازه و خاک با همدیگر زیرسازه (substructure) نیز گفته می شود. به طورکلی زیرسازه در پایین سازه بالاسری قرار گرفته و به قسمتی از سیستم اطلاق می شود که در زیر سطح زمین واقع شده باشد. بنابراین، سازه پی بین سازه بالاسری و خاک زیرین قرار می گیرد. خاکِ تکیه گاهِ کل سازه بالاسری نیز به خاک زیرسری (subsoil) و یا زیرسطح (subgrade) معروف است. برای عملکرد قابل قبول سازه بالاسری، وجود یک پی مناسب نیز ضروری است.

انتظار می رود سازه های ساخت دست بشر بسته به خلاقیت، معماری و طبیعت محدود ناپذیر مربوط به آن ها در زمانه امروزی بسیار پیچیده باشد. با این حال، خاک عضوی طبیعی است و برای رسیدن به مشخصات مهندسی مطلوب برای تحمل بارهای بزرگ منتقل شده از طریق پی از طرف سازه بالاسری اقدامات اندکی بر روی آن می توان انجام داد. به علاوه، تقریبا تمامی مسائل مربوط به خاک از منظر استاتیکی نامعین بوده و رفتاری بسیار پیچیده به شرح زیر دارند:

1. محیط خاک طبیعی معمولا خطی نیست و روابط رفتاری (تنش-کرنش) یکتایی ندارد.
2. خاک به طور کلی ناهمگن، ناهمسان و وابسته به مکان است.
3. رفتار خاک تحت تاثیر محیط، فشار، زمان و چند پارامتر دیگر قرار می گیرد.
4. از آنجا که خاک در زیر سطح زمین قرار می گیرد، تمامی رفتار واقعی آن قابل مشاهده نیست و باید بر اساس نمونه های کوچک گرفته شده از محل های تصادفی تخمین زده شود.
5. بیشتر خاک ها به دست خوردگی ناشی از نمونه گیری بسیار حساس اند. به همین دلیل، رفتار پیش بینی شده آن ها در نمونه های آزمایشگاهی می تواند با رفتار محلی بسیار متفاوت باشد.

بنابراین طراحی پی برای ارائه سطح مشترکی ایمن میان سازه بالاسری و محیط طبیعی خاک مهارتی چالش برانگیز است. بنابراین عواملی که در بالا ذکر شد هر مسئله مربوط به خاک یا پی را منحصر به فرد خواهد کرد که ممکن است راه حل دقیقی نداشته باشد.

با توجه به داده های خاکی ناکافی و متناقض، انتخاب پارامترهای طراحی مناسب برای طراحی، حالت مورد انتظار برای طراحی، ادراک مناسب راه حل و مواردی از این دست نیازمند شهود و بینشی عمیق است که به آن قضاوت مهندسی گفته می شود. بنابراین مهندسی پی، آمیزه ی پیچیده ای است از مکانیک خاک به عنوان علم و کاربرد اجرایی آن در مهندسی پی به عنوان هنر.

دسته بندی پی ها

پی ها را بر اساس عمقی که بار را به خاک تحتانی خود منتقل می کنند به دو دسته پی سطحی و پی عمیق تقسیم می کنند.

پی سطحی

اگر D_f/B<=1 باشد، به پی مورد نظر پی سطحی گفته می شود که در آن D_f، عمق پی در زیر سطح زمین و B، عرض پی (کوچکترین بعد) است. تمام ملاحظات تحلیل و طراحی پی های سطحی در فصل های 4 تا 8 و 12 مورد بحث قرار گرفته اند. پی های سطحی برای گسترش بار/فشار وارد آمده از ستون یا سازه بالاسری در جهت افقی به کار می روند بنابراین بار تا اندازه ای منتقل می شوند که خاک با اطمینان بتواند شرایط تکیه گاهی را فراهم کند. این پی ها زمانی استفاده می شوند که خاک طبیعی در محل ظرفیت باربری خوب و تراکم پذیری قابل قبولی داشته باشد و بار ستون ها بسیار زیاد نباشد.

پی عمیق

اگر D_f/B=>1 باشد، پی مورد نظر به پی عمیق شناخته می شود مثل شمع ها، پایه ها/کیسون های حفاری شده، پی چاهی، پایه های با قطر زیاد، سیستم شمع پی گسترده. جزئیات تحلیل و طراحی این پی ها در فصل های 9 و 10 کتاب طراحی پی (تئوری و اجرا) مورد بحث قرار گرفته است.

پی های عمیق شبیه به پی های سطحی هستند مگر این که در آن ها با وارد آمده از طرف ستون ها و سازه های بالاسری به صورت قائم به خاک منتقل می شود. این نوع پی ها در شرایطی استفاده می شوند که بار وارده بسیار بزرگ بوده، لایه خاک بالایی ضعیف باشد و خاک با مقاومت و مشخصات تراکم پذیری مناسب در عمقی معقول در زیر سطح زمین قرار داشته باشد. به علاوه، سازه نگهبان ها نیز تحت پی های عمیق طبقه بندی می شوند.

پی ها را بر اساس مصالح استفاده شده برای اجرا و ساخت آن ها نیز می توان دسته بندی کرد. معمولا برای ساخت پی ها از بتن مسلح استفاده می شود. بتن خالص و قطعات سنگ و آجر نیز برای پی دیوارها به هنگام کوچک بودن بار وارده مورد استفاده قرار می گیرند. مهندسان همچنین دیگر مصالح مثل تیر و قطعات فولادی، چوب به عنوان شمع (برای سازه های موقت)، صفحات فولادی (برای سازه نگهبان های موقت و بند ها) و دیگر مصالح ترکیبی را نیز به کار می برند.

در برخی موارد، بسته به الزامات بار و مقاومت، این مصالح در بتن قرار داده شده و در آن محصور می شود.

راهنما های کلی برای طراحی

بسته به محل پروژه، راهنمایی های زیر می تواند برای طراحی و ساخت پی سودمند باشد:

1. پی ها باید در عمقی مناسب در زیر سطح زمین ساخته شوند تا از گسیختگی پَسیو به جهت تورم خاک کناری جلوگیری شود.
2. عمق پی باید ترجیحا پایین تر از محدوده تغییرات حجمی فصلی به دلیل یخ زدگی، ذوب شدن، آب زیرزمینی و مواردی از این دست باشد.
3. اقدامات احتیاطی کافی برای خاک های تورم پذیر به جهت فشار تورمی شان باید در نظر گرفته شود (فشار رو به بالا بر پی)
4. باید از پایداری پی در برابر واژگونی، لغزش، بالا آمدگی (شناور شدن)، کشش در سطح تماس (کف پی)، نشست بیش از حد و ظرفیت باربری خاک اطمینان حاصل کرد.
5. پی باید در برابر خوردگی و دیگر مواد مضر که ممکن است در خاک محل وجود داشته باشد، محافظت شود.
6. طراحی باید در صورت وجود اصلاحات احتمالی در سازه بالاسری در مراحل بعدی و یا روبرو شدن با شرایط محلی غیر منتظره انعطاف کافی داشته باشد.