تاریخچه شمع و انواع آن و کاربرد شمع در بهسازی خاک

شمع و انواع آن و کاربرد شمع در بهسازی خاک

این مقاله برگرفته از ” پایان نامه تسلیح خاک با ظرفیت باربری کم با استفاده از المان های قائم فولادی ” میباشد .

جهت دریافت کل محتوای پایان نامه مذکور به صورت فایل Word به انتهای مطلب مراجعه فرمایید

تاریخچه استفاده از شمع :

شمع­ ها و فونداسیون­ های شمعی از زمان­های دور به منظور باربری قائم و افقی در زمین­های سست و کم مقـاومت به کرات در مناطق مختلف مـورد استفاده بوده ­اند.

با دقت در بناهای قدیمی و تاریخی می توان مشاهده نمود که سازندگان به ­خوبی دریافته بودند که شالوده­ ها از اهمیت ویژه ­ای برخوردارند و عدم کفایت مقاومت آنها می­تواند منجر به خرابی ساختمان­ها شود.

ساکنین نئولتیک ایرلند شمع­های چوبی را در حدود ۱۲۰۰۰ سال پیش در بستر نرم مرداب­های کم عمق کوبیدند و خانه­هایشان را روی آنها بنا کردند و همجنین در دلتای مردابی رودخانه Po، ساکنین خانه ­های خود را بر روی شمع­ های چوبی ساخته بودند.

امروزه این اهمیت بیش از پیش عظمت یافته و با توجه به   :
الف – توسعه کشورها در زمینه صنایع، حمل و نقل، . . . و در نتیجه نیاز به سازه­های سنگین­تر و ظریف­تر    ب- کمبود زمین مساعد از نظر فنی و مقاومت
پ-  افزایش نیازهای طبیعی بشر
ت- وجود دانش فنی در زمینه شناخت حوادث غیر مترقبه از جمله زلزله
و…
لازم است در انتقال بارها به زمین توجه خاص مبذول شود    .

نخستین گام در طرح یک پی عمیق، انتخاب نوع آن بر حسب اهداف معین می­باشد.

در این انتخاب مسائل اقتصادی، فنی، اجرایی، محیطی و بطور کلی توجیه پذیری با توجه به عوامل ذکر شده در بخش قبل موثر هستند.

موارد استفاده از شمع

استفاده از شمع در مقایسه با سایر انواع پی باید به دقت بررسی شود.

در صورت نیاز به استفاده از شمع باید توجه داشت که طول یا عمق قرارگیری شمع در خاک، سطح مقطع، جنس، روش استقرار و چگونگی عملکرد شمع­ ها از متغیرهای اصلی بوده که با توجه به شرایط و نیازهای پروژه تعیین می­گردند.

سیستم پی عمیق (شمع) زمانی توصیه می­شود که حداقل یکی از شرایط زیر برقرار باشد:

الف- لایه­ های سطحی خاک فاقد مقاومت کافی نباشد و لایه­ های مقاوم­تر خاک در اعماق پایین­تر یافت شوند. به عبارت دیگر، حتی اگر از پی­های گسترده استفاده شود، ظرفیت باربری لازم توسط لایه­ های سطحی تاْمین نگردد.

ب- لایه یا لایه­ های سطحی نشست­ پذیر، تورم ­زا، فروریزشی، و یا روان­گرا باشند یا سازه به نشست غیرمتقارن بسیار حساس باشد.

پ- علی­رغم مقـاوم بودن لایه­ های سـطحی خاک، مشـکل آب شسـتگی وجود داشته باشد، مانند: آب شستگی کنارۀ پایه­ های میانی و یا کوله پل­ها و سازه­ های مجاور ساحل.

ت-  بارهای متمرکز بزرگی باید از سازه به خاک منتقل شوند به ­طوری­که تحمل این نیروها توسط پی­های سطحی، حتی به صورت گسترده، امکان­پذیر نباشد.

ث- سطح آب زیرزمینی در منطقه بالا و یا فشار آرتزین در لایه ­های خاک وجود داشته، به­ طوری­که امکان احداث پی کم عمق وجود نداشته باشد.

ج- وجود آب بین سازه و خاک در سازه ­های دریایی.

چ- افزایش سختی خاک زیر پی ماشین­ آلات برای کنترل دامنۀ ارتعاشات پی و هم­چنین کنترل فرکانس طبیعی سیستم.

ح-  مقاومت در برابر نیروهای کششی یا واژگونی برای پی­های زیر سطح آب و یا جلوگیری از واژگونی سازه­ های بلند.

خ-  ایجاد مهار در برابر نیروهای افقی و زلزله یا ضربه­ گیری در اسکله ­ها.

د- کنترل لغزش و رانش زمین و افزایش پایداری شیب­ها.

ذ- مقابله با عواقب آتی حاصل از ساخت و سازها در مجاورت پروژه و یا بناهای موجود.

ر- در بعضی موارد، شمع­ها بدون آنکه مستقیماً در انتقال بار نقش داشته باشند موجب افزایش ظرفیت باربری، تراکم و سختی خاک اطراف می­شوند. به عبارت دیگر گاهی کوبیدن تعدادی شمع با فواصل مشخص، مثلاً روی یک شبکۀ شطرنجی در پلان، به عنوان یک روش اصلاح و تقویت خاک در زمین­های سست و شل به کار گرفته می­شود .

پروژه عمران انواع شمع ها و کاربرد آنها

انواع شمع از لحاظ سازوکار عمل

برای تقسیم بندی شمع­ها می­توان از دیدگاه­ های متفاوت عمل کرد اما بر حسب طول و سازوکار انتقال بار به خاک، شمع­ها را می­توان به سه گروه عمده تقسیم کرد. این گروه­ها عبارتند از:

(الف) شمع اتکایی

(ب) شمع اصطکاکی

(پ) شمع تراکمی

الف- شمع اتکایی

اگر بستر سنگی و یا لایه­ ی شبیه سنگ (خیلی متراکم) در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را می­توان تا آن لایه ادامه داد در این حالت ظرفیت باربری شمع کاملاً بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی یا لایه متراکم خاک در مقابل نوک شمع خواهد داشت.

به همین علت به این شمع­ها، اتکایی می­گویند.

در چنین حالتی با توجه به معلوم بودن عمق بستر سنگی یا لایه متراکم از روی گمانه­های حفر شده، تعیین طول شمع کار چندان مشکلی نخواهد بود.

اگر به عوض بستر سنگی، یک لایه ­ی سخت و نسبتاً متراکم در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را می­توان چند متر در لایه سخت ادامه دارد.

ب- شمع اصطکاکی

در صورتی که عمق بستر سنگی یا لایه­ ی شبیه به سنگ زیاد باشد، طول لازم برای شمع اتکایی غیراقتصادی خواهد شد.

در چنین شرایطی شمع به عمق مناسبی در لایه­ی نرم فوقانی بدون این­که به لایه­ی سخت برسد، کوبیده می شود.

انتخاب نام اصطکاکی برای این شمعها، از آن­جا ناشی می­شود که اکثر مقاومت آن­ها به وسیله­ ی اصطکاک جدار تأمین می­شود.

البته این اسم بعضی مواقع می­تواند گمراه کننده باشد، زیرا مقاومت شمع ­هایی که در لایه­ ی رسی کوبیده می­شوند، بستگی به چسبندگی بین جدار شمع و رس دارد.

طول لازم برای شمع اصطکاکی بستگی به مقاومت برشی خاک، بار وارده و اندازه­ی شمع دارد.

برای تعیین طول لازم شمع، احتیاج به درک خوبی از اندرکنش خاک – شمع، قضاوت مهندسی و تجربه است.

ج- شمع تراکمی

در بعضی موارد خاص، شمع­ها بدین منظور در لایه ­های دانه­ ای کوبیده می­شوند که تراکم خوبی در لایه ­ی سطحی خاک به وجود آید.

این شمع­ها به شمع­های تراکمی موسوم هستند.

طول شمع­های تراکمی به عوامل زیر بستگی دارد:

• تراکم نسبی خاک قبل از تراکم
• تراکم نسبی مورد نیاز بعد از تراکم
• عمق لازم برای تراکم

شمع­های تراکمی معمولاً کوتاه هستند، لیکن برای تعیین طول مناسبی برای آن­ها، بعضی آزمایش­های صحرایی لازم است .

اثرات بهسازی تراکمی :

خاک یکی از مصالح تراکم ­پذیر بوده و در اثر بارگذاری از حجم فضایی آن کاسته می­شود.

علت این کاهش حجم، وجود فضایی است که توسط هوا بین ذرات خاک اشغال شده است.

تراکم مجموعه عملیاتی است که موجب افزایش چگالی خاک در محل می­شود.

افزایش چگالی در اثر به­ هم فشرده ­تر شدن دانه­ ها و کاهش فضای خالی میان دانه ­ای است.

اثر بهسازی تراکمی بر خاک­های ریزدانه و درشت­دانه در شکل شماره (۲) نشان داده شده است.

با افزایش تراکم، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی افزایش می­یابد.( شکل های ۳ و ۴)

شکل ۲: اثر بهسازی تراکمی بر خاک های ریزدانه و درشتدانه

شکل۳ : اثر افزایش تراکم بر چسبندگی

شکل ۴: اثر افزایش تراکم بر زاویه برشی ماسه