Helical piles – A Practical Guide to Design and Installation

شمع های حلزونی یک وسیله ارزشمند در میان ابزارهای ژئوتکنیکی هستند. از نقطه نظر مهندسی و معماری، آنها را می توان برای پشتیبانی از انواع مختلف سازه ها استفاده کرد و به طور کلی سازگاری این روش با انواع خاک های دارای مشکل از مهم ترین مزیت های شمع های حلزونی است که سبب شده است تا محبوبیت استفاده از این روش نوین به مقدار قابل توجهی افزایش یابد. از دیدگاه مالک و توسعه ‌دهنده، نصب سریع آن ها اغلب می‌تواند منجر به صرفه جویی کلی در هزینه شود. از دیدگاه پیمانکار نیز نصب آنها آسان بوده و ظرفیت آنها تا حد زیادی قابل اطمینان است. از دیدگاه عمومی، شمع های مارپیچ (Helical Pile) شاید یکی از جالب ترین، بدیع ترین و دوستدار محیط زیست ترین راه حل های پی عمیق موجود امروزی باشند
به طور خلاصه کتاب راهنمای کاربردی برای طراحی و نصب شمع های مارپیچ شامل مقدمه ای بر این روش، مبانی نصب و مفاهیم ژئوتکنیک مقدماتی مرتبط با شمع های مارپیچ، مباحث پیشرفته در مهندسی شمع مارپیچ، کاربردهای این شمع ها در طراحی و اجرا در دنیای امروز و بسیاری از موضوعات دیگر را شامل می شود.

برای شمع های مارپیچ از اسم ها و اصطلاحات مختلفی مانند ” helical pier”، ” helix pier”، ” screw pile”، ” torque anchor” استفاده می شود. شمع مارپیچ توسط الکساندر میچل اختراع شده است و مخاطبین در فصل ابتدایی کتاب راهنمای کاربردی برای طراحی و نصب شمع های مارپیچ می توانند تاریخچه مختصری از استفاده از شمع مارپیچ را مشاهده نمایند.

نصب شمع های مارپیچ نسبتاً ساده است. با این حال، مانند هر فرآیند دیگری، تعدادی از ترفند های تجاری بر اساس سال ها تجربه در نصب شمع های حلزونی وجود دارد. بسیاری از این ترفندها در فصل 2 همراه با دستورالعمل‌ هایی برای روش‌ های نصب و تجهیزات مناسب نشان داده شده اند. در فصل مربوط به نصب، به طور کلی به شکل مجموعه ای بندهای موجود در استانداردها و ملزومات در زمینه شمع های مارپیچ به همراه برخی از اطلاعات اولیه سازماندهی شده است. فصل 3 به مبانی پایه ژئوتکنیک اختصاص دارد. این فصل شامل مروری بر برخی از مفاهیم اساسی در مکانیک خاک و سنگ است که برای طراحان و پیمانکاران شمع های حلزونی مهم است. این موضوعات شامل تفسیر پیمایش گمانه های اکتشافی، طبقه بندی خاک و سنگ و مقاومت برشی است و به طور ویژه شرایط خاک و سنگی که برای استفاده از شمع مارپیچ مساعد و البته نامساعد است مورد بحث قرار می گیرد.

مهندسی شمع های حلزونی در کتاب راهنمای کاربردی برای طراحی و نصب شمع های مارپیچ به هفت مفهوم تقسیم می شود که شامل فصول فنی اصلی این کتاب می شود. در ادامه عناوین مباحث فصول مختلف در کتاب نیز شرح داده شده است:

فصل 4 در مورد ظرفیت باربری،

فصل 5 در مورد ظرفیت بیرون کشیدگی،

فصل 6 در مورد نسبت ظرفیت پیچشی در شمع های حلزونی،

فصل 7 در مورد آزمایش بار محوری،

فصل 8. در مورد قابلیت اطمینان و اندازه آنها،

فصل 9 در مورد مقاومت خاک های انبساطی،

فصل 10 در مورد مقاومت در برابر بارهای جانبی،

فصل 11 در مورد خوردگی و طول عمر طراحی شمع های حلزونی (helical pile)

فصل 12 استفاده از مفاهیم مهندسی بیان شده برای طراحی عملی پی ها،

فصل 13  سیستم های نگهدارنده زمین،

و فصل 14 سیستم های تقویت کننده

این فصل های فنی و طراحی می تواند به عنوان یک مرجع مفید با نمودارها، نمونه های طراحی و محاسبات مربوطه به مخاطبین کمک نماید تا تعدادی نمونه سازمان یافته داشته باشند.

کتاب راهنمای کاربردی برای طراحی و نصب شمع های مارپیچ با فصل‌هایی در مورد موضوعات غیر فنی به پایان می‌رسد:

فصل 15 در مورد اقتصاد پی،

 فصل 16 در مورد سیستم های انحصاری،

 و فصل 17 در مورد قوانین ساختمانی فعلی در مورد شمع ‌های مارپیچ.

علاوه بر این، فهرستی از نمادها و اختصارات رایج مورد استفاده در طراحی و اجرا در زمینه شمع مارپیچ در ایالات متحده و داده‌ های بیش از 275 آزمایش بارگذاری، نیز در کتاب موجود است. این کتاب در درجه اول برای پیمانکاران، مشاوران، مهندسان شاغل  جذاب می باشد. همچنین ممکن است به عنوان یک مرجع مکمل مفید برای دانشجویان فارغ التحصیل و اساتید دانشگاه در بخش های دانشگاهی مهندسی به ویژه مهندسی ژئوتکنیک باشد.

ویژگی های اساسی

شمع های حلزونی پی های فولادی پیش ساخته ای است که برای حمایت از سازه ها به داخل زمین چرخانده می شوند. اجزای اصلی یک شمع مارپیچ شامل بخش ابتدایی ( بخشی که ابتدا وارد خاک می شود)، افزونه ها، صفحات باربر مارپیچی و کلاهک شمع.

 قسمت ابتدایی (The Lead) اولین قسمتی است که وارد زمین می شود. دارای یک نقطه پیلوت مخروطی و معمولاً یک یا چند صفحه باربر مارپیچ است. از بخش های افزونه برای پیشبرد قسمت ابتدایی به عمق زمین تا رسیدن به لایه باربر مورد نظر استفاده می شود. افزونه ها می توانند صفحات مارپیچی اضافی داشته باشند اما اغلب فقط از یک محور مرکزی و وصله مکانیکی (coupling) تشکیل می شوند. وصله های مکانیکی عموماً از آستین های نر و ماده رزوه دار تشکیل شده اند. محور مرکزی معمولاً یک میله مربع جامد یا یک بخش گرد لوله ای توخالی است.

اتصال و قرارگیری المان های مارپیچ در خاک به کمک موتورهای هیدرولیکی انجام می شود که نیروی دورانی مناسبی را برای رانش این المان ها در خاک ایجاد می کنند. این موتورها بر روی بیل مکانیکی و حتی بابکت ها بسته شده تا به موثرترین شکل ممکن از نیروی آنها استفاده شود. در هنگام اتصال المان های مارپیچ در داخل خاک، مقداری دست خوردگی در خاک محل پروژه ایجاد می گردد که سبب کاهش ظرفیت باربری المان های مارپیچ می شود، اما این دست خوردگی در هنگام طراحی لحاظ شده و مانع از ایجاد مشکل در هنگام اجرای پروژه می شود.

شمع های حلزونی در پروژه های مختلفی در سراسر جهان استفاده شده است. موارد استفاده از شمع های حلزونی شامل پی خانه ها، ساختمان های تجاری، تیرهای چراغ برق، پل های عابر پیاده و دیوارهای صوتی است. شمع های حلزونی نیز به عنوان عناصر تقویت کننده برای بهسازی و اصلاح پی های گسیخته شده یا برای تقویت پی های موجود برای تحمل بارهای جدید استفاده می شود. شمع های حلزونی را می توان به صورت افقی یا در هر زاویه ای نصب نمود و علاوه بر بارهای فشاری می تواند در تحمل کشش نیز موثر باشند.

شمع های حلزونی مزایای منحصر به فردی را نسبت به سایر انواع پی ها ارائه می دهند. نصب شمع حلزونی تحت تأثیر شرایط خاک ها و سطح آب های زیرزمینی قرار نمی گیرد. ماشین آلات نصب قابلیت مانور بیشتری نسبت به مشین آلات شمع زنی دارند. نصب شمع های مارپیچ حتی می تواند با تجهیزات قابل حمل و دستی در مناطق با دسترسی محدود انجام شود. دیگر مزیت مهم شمع های مارپیچ سرعت نصب بالا است. نصب یک مجموعه پی جدید متشکل از 20 شمع مارپیچ معمولاً در کمتر از چند ساعت انجام می شود. علاوه بر این، نکته قابل توجه در استفاده از شمع های مارپیچ این است که اعمال بارگذاری را می توان بلافاصله بدون انتظار برای گیرش بتن انجام داد. شمع های حلزونی را می توان برای کاربردهای موقت برداشته و مجدداً نصب کرد به عنوان مثال اگر شمع در محل نادرست نصب شده باشد یا اگر طرح ها تغییر کند می توان محل شمع ها را تغییر داد و یا مجدداً شمع اضافه کرد. خلاصه ای از این مزیت ها و دیگر مزایای شمع های مارپیچ به صورت موردی ذکر شده است:

• در برابر آبشستگی و تخریب برای پایه پل ها مقاومت مناسبی ایجاد می کند.
• انعطاف پذیری برای حذف و نصب شمع ها
• قابل نصب از طریق آب های زیرزمینی بدون پوشش
• معمولاً زمان کمتری برای نصب نیاز دارد
• برای مقاومت جانبی بیشتر می توان آن را در زاویه های مختلف نصب کرد
• قابلیت نصب با تجهیزات کمتر
• نصب با صدای کم و حداقل لرزش
• قابلیت تزریق بعد از نصب
• می توان برای مقاومت در برابر خوردگی گالوانیزه نمود
• عمل آوری و قالب بندی بتن حذف می شود
• ایجاد مزاحمت در مکان های حساس به محیط زیست را به حداقل می رسد
• کاهش تعداد سفرهای مورد نیاز برای انتقال شمع ها به محل پروژه
• این روش مقرون به صرفه است.