پی‌های عمیق — مبحث ۷ مقررات ملی ساختمان (فصل ۶)

خلاصه درسنامه، نکات کلیدی و نمونه سوال «پی‌های عمیق» (بند ۷-۶) از مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ژئوتکنیک و مهندسی پی). این فصل در آزمون تعاملی سایت ۲۰ سوال دارد.

فهرست مطالب

• هدف، دامنه و مبانی طراحی
• بارهای طراحی: اصطکاک منفی، بالازدگی و حرکات جانبی
• ظرفیت باربری شمع تحت بار محوری
• نشست شمع، شمع‌های کششی و شمع تحت بار جانبی
• گروه شمع: ظرفیت، نشست و طراحی
• بار مجاز طراحی شمع‌ها
• آزمایش‌های بارگذاری شمع
• طراحی سازه‌ای، اجرا و ملاحظات روانگرایی

خلاصه درسنامه

هدف، دامنه و مبانی طراحی

• الزامات این فصل مربوط به پی‌های عمیق یا شمع‌های فشاری (اتکایی یا اصطکاکی)، کششی یا تحت بار جانبی است که با کوبش، فروبردن با فشار، یا حفاری (با یا بدون تزریق) اجرا می‌شوند؛ شامل شمع منفرد و گروه شمع، و مصالح بتنی/فولادی/چوبی/ترکیبی.
• گسیختگی‌هایی که باید در هر دو روش تنش مجاز و LRFD کنترل شوند: از دست‌دادن پایداری کلی، گسیختگی ناشی از کمبود ظرفیت باربری، گسیختگی ناشی از زیرفشار یا مقاومت کششی ناکافی شمع‌های کششی، گسیختگی زمین ناشی از بارگذاری جانبی، گسیختگی سازه‌ای شمع (فشار/کشش/خمش/برش/کمانش) و گسیختگی هم‌زمان زمین و شمع.
• تغییرشکل‌هایی که برای شرایط بهره‌برداری باید کنترل شوند: نشست بیش از حد مجاز در شمع فشاری، بیرون‌کشیدگی بیش از حد مجاز در شمع کششی، دوران بیش از حد مجاز، تغییرشکل جانبی بیش از حد مجاز و ارتعاش غیرپذیرفتنی. مقادیر مجاز نشست برای شمع تکی مشابه پی منفرد و برای گروه شمع مشابه پی گسترده در نظر گرفته می‌شود.

بارهای طراحی: اصطکاک منفی، بالازدگی و حرکات جانبی

• کلیه‌ی ترکیب بارهای طراحی پی‌های عمیق بر اساس ضوابط مبحث ششم است. نیروهای ناشی از تغییرمکان زمین (تحکیم، بالاآمدگی، بارگذاری‌های مجاور، خزش خاک، زمین‌لغزش) نیز باید در طراحی لحاظ شوند.
• اصطکاک منفی جدار: در گروه شمع، حداکثر نیروی اصطکاک منفی با استفاده از تنش ناشی از سربار اطراف گروه (که موجب نشست می‌شود) و تغییرات فشار آب زیرزمینی محاسبه می‌شود؛ افزایش نیروی محوری شمع ناشی از این اثر و مقدار حداکثر آن در تراز صفحه‌ی خنثی باید در طرح سازه‌ای شمع لحاظ شود.
• بالازدگی شمع می‌تواند ناشی از باربرداری، حفاری، یخ‌بندان، فروبردن شمع‌های مجاور یا افزایش رطوبت زمین (در خاک‌های متورم‌شونده) باشد؛ «فشار بالابرنده» و نیروهای اضافی ناشی از آن باید در طراحی لحاظ شود.
• حرکات جانبی زمین (ناشی از سرباره‌های نامتقارن، حفاری با تراز متفاوت، مجاورت خاکریز یا زمین شیب‌دار در حال خزش، یا گسترش جانبی) بارهای جانبی بر شمع اعمال می‌کند که باید در طراحی لحاظ شوند.

ظرفیت باربری شمع تحت بار محوری

• برای تعیین ظرفیت باربری شمع می‌توان از چهار روش استفاده کرد: روابط تحلیلی (با اعتبارسنجی آزمایش بارگذاری)، استفاده‌ی مستقیم از نتایج آزمایش‌های برجا، آزمایش‌های بارگذاری استاتیکی، و آزمایش‌های بارگذاری دینامیکی؛ چنانچه فقط از دو روش نخست استفاده شود، دقت لازم ممکن است حاصل نشود و استفاده از آزمایش‌های بارگذاری توصیه می‌شود.
• در روش تحلیلی، ظرفیت باربری فشاری از مجموع مقاومت نوک و مقاومت جداره‌ی شمع در هر لایه به دست می‌آید. برای خاک‌های چسبنده‌ی رسی، ضریب ظرفیت باربری نوک (Nc) تابعی از قطر شمع است: برای قطرهای کوچک برابر ۹، برای قطرهای متوسط برابر ۷ و برای قطرهای بزرگ برابر ۶ در نظر گرفته می‌شود.
• مقاومت باربری جداره در هر لایه را می‌توان با روش تنش کل (بر اساس مقاومت برشی زهکشی‌نشده و ضریبی که در محدوده‌ی مشخصی تغییر می‌کند) یا با روش تنش مؤثر (بر اساس فاکتور مقاومت جدار و تنش قائم مؤثر کنار شمع) محاسبه کرد. در انتخاب روابط تحلیلی باید به نوع خاک، روش اجرای شمع و نوع آزمایش خاک توجه شود.
• در محاسبه‌ی مقاومت نوک شمع باید به مقاومت ناحیه‌ی زیر نوک توجه شود؛ اگر لایه‌ی ضعیفی در ژرفای کمی زیر نوک شمع وجود داشته باشد، باید سازوکار گسیختگی سوراخ‌کننده در محاسبات ظرفیت باربری منظور شود.
• در استفاده از نتایج آزمایش بارگذاری استاتیکی، قطر/طول شمع آزمایشی باید تا حد امکان با شمع اصلی یکسان باشد (نسبت قطر شمع آزمایشی به اصلی نباید کمتر از نیم باشد)؛ در آزمایش دینامیکی، نتایج باید با آزمایش استاتیکی شمع مشابه کالیبره شده باشد. تحلیل معادله‌ی موج (WEAP) بیشتر برای طراحی شرایط/ابزار کوبش استفاده می‌شود، نه تعیین مستقیم ظرفیت باربری نهایی.

نشست شمع، شمع‌های کششی و شمع تحت بار جانبی

• محاسبه‌ی نشست شمع‌ها شامل نشست شمع منفرد و نشست اضافی ناشی از عملکرد گروهی است؛ در خاک‌های ریزدانه باید به اثر زمان (تحکیم و خزش) بر نشست کل توجه شود.
• برای شمع‌های کششی، بار کششی طراحی باید کمتر از باربری کششی شمع باشد؛ دو سازوکار گسیختگی موردتوجه است: بیرون‌آمدن شمع منفرد از زمین، و بالاآمدن بلوک زمین حاوی گروه شمع. در تعیین ظرفیت بلوک خاک، کوچک‌ترین دو مقدار (ظرفیت کششی گروه، و مجموع ظرفیت کششی شمع‌های منفرد) ملاک است. مقاومت اصطکاک جدار کششی شمع منفرد کمتر از مقاومت جدار فشاری لحاظ می‌شود، مگر آنکه آزمایش بارگذاری استاتیکی کششی انجام شده باشد.
• برای شمع تحت بار جانبی، بار طراحی باید کمتر از مقاومت جانبی شمع باشد. دو سازوکار گسیختگی: چرخش/انتقال صلب شمع کوتاه، یا گسیختگی خمشی شمع بلند و لاغر همراه با تسلیم موضعی خاک جلوی آن. پاسخ شمع به بار جانبی غیرخطی است؛ روش خطی فقط زمانی معتبر است که حداکثر تغییرشکل جانبی کمتر از ۱٪ قطر شمع باشد. روش منحنی‌های p-y با منحنی‌های متناسب با نوع خاک قابل استفاده است.

گروه شمع: ظرفیت، نشست و طراحی

• در این مبحث، گروه شمع به دو حالت تقسیم می‌شود: «گروه شمع کلاسیک» و «رادیه-شمع»؛ مطالب این فصل به گروه شمع کلاسیک مربوط است. ظرفیت باربری هر شمع در گروه با ظرفیت شمع تکی متفاوت است، لذا ضریب بازدهی گروه (تابع فاصله/قطر شمع، نوع خاک و روش اجرا) باید در محاسبه لحاظ شود.
• نشست گروه شمع را می‌توان با تخمین اولیه‌ی پی گسترده‌ی معادل تخمین زد، اما محاسبه‌ی نشست نهایی با مدل‌سازی فنر (وینکلر) دقت کافی ندارد و باید اندرکنش بین شمع و خاک لحاظ شود.
• تحلیل نیروها در گروه به‌منظور تعیین سهم نیرو/لنگر هر شمع و توزیع آن در سرشمع انجام می‌شود؛ خاک اطراف شمع در هر عمق با سه فنر (یک قائم و دو افقی) قابل‌تحلیل است. در ساختمان‌های با اهمیت زیاد/بسیار‌زیاد و بیش از ۳ طبقه، یا اهمیت متوسط و بیش از ۸ طبقه، تحلیل گروه شمع با فرض خاک محیط پیوسته (نرم‌افزار عددی صحت‌سنجی‌شده) ضروری است.
• طراحی گروه شمع با روش‌های سنتی یا روش «شمع‌های کاهنده‌ی نشست» (پی-شمع) قابل‌قبول است؛ در این روش اخیر، شمع‌ها برای تأمین شرایط بهره‌برداری به کار می‌روند و نیازی به اعمال ضریب اطمینان بر ظرفیت باربری شمع نیست، اما ضریب اطمینان سرشمع (پی گسترده) باید تأمین شود.

بار مجاز طراحی شمع‌ها

• جهت تعیین بار مجاز شمع می‌توان از روش مقاومت مجاز (بارهای عمدتا بدون ضریب) یا روش LRFD استفاده کرد. در روش مقاومت مجاز، بار نهایی حاصل از هر روش تعیین ظرفیت، بر ضریب اطمینان تقسیم می‌شود تا بار مجاز حاصل شود.
• جدول ۷-۶-۱ (حداقل ضریب اطمینان شمع، روش مقاومت مجاز، استاتیکی): فشاری/کششی با روش تحلیلی کوبشی ۳، با روش تحلیلی درجاریز ۴؛ جانبی با آزمایش نفوذ مخروط ۲٫۸، با آزمایش بارگذاری استاتیکی (فشاری/کششی) ۲٫۲، با آزمایش بارگذاری دینامیکی ۲٫۵، فقط روش تحلیلی ۲٫۵، و با آزمایش استاتیکی جانبی ۲.
• عدد ضریب اطمینان ۲٫۲ (مربوط به آزمایش بارگذاری استاتیکی) فقط زمانی معتبر است که شمع تا بار گسیختگی بارگذاری شده باشد؛ با انجام آزمایش‌های بارگذاری بر روی شمع‌های آزمایشی و درصدی از شمع‌های اصلی، می‌توان ضریب اطمینان را تا ۲ کاهش داد.
• جدول ۷-۶-۲ (ضرایب کاهش مقاومت، LRFD، استاتیکی): فشاری/کششی با روش تحلیلی کوبشی ۰٫۵، درجاریز ۰٫۳۷۵، نفوذ مخروط ۰٫۵۵؛ جانبی با بارگذاری استاتیکی ۰٫۶۸، بارگذاری دینامیکی ۰٫۶، فقط تحلیلی ۰٫۶، و آزمایش استاتیکی جانبی ۰٫۷۵.
• اگر از روش شمع‌های کاهنده‌ی نشست استفاده شود، نیازی به کنترل ضریب اطمینان ظرفیت باربری شمع‌های منفرد نیست، اما ضریب اطمینان مناسب سرشمع (پی گسترده) باید تأمین شده باشد.

آزمایش‌های بارگذاری شمع

• آزمایش‌های بارگذاری در این موارد الزامی است: نوع شمع یا روش اجرایی بدون سابقه، سیستم شمعی بدون تجربه‌ی اجرایی در منطقه، شرایط بارگذاری خاص بدون اطمینان کافی، یا مشاهدات اجرایی متفاوت از پیش‌بینی.
• آزمایش بارگذاری استاتیکی شامل فشاری، کششی و جانبی است. آزمایش کششی معمولا تا حد گسیختگی ادامه می‌یابد؛ برون‌یابی بار-جابجایی در آزمایش‌های کششی کوتاه‌مدت نباید انجام شود.
• در آزمایش دینامیکی (PDA)، اگر در شرایط کوبش اولیه انجام شود، نتایج برای تعیین عمق مدفون مناسب و کنترل سلامت شمع مفید است، اما برای تعیین ظرفیت باربری باید آزمایش کوبش مجدد در فاصله‌ی زمانی مناسب انجام شود: حداقل ۲۴ ساعت در خاک‌های دانه‌ای و حداقل یک هفته در خاک‌های ریزدانه.
• شمع آزمایشی باید حداقل تا ۲ برابر بار طراحی یا حد گسیختگی بارگذاری شود؛ بررسی‌های زمین‌شناسی محل باید تا عمق حداقل ۴ برابر قطر شمع زیر نوک ادامه یابد. شمع اصلی حداکثر تا ۱٫۲ برابر بار طراحی بارگذاری می‌شود.
• برای کنترل کیفیت، حداقل ۲٪ از کل شمع‌های اصلی باید مورد آزمایش استاتیکی/دینامیکی قرار گیرند و در هر پروژه حداقل ۲ شمع اصلی باید آزمایش استاتیکی شوند؛ اگر تعداد شمع‌های اجراشده در یک پروژه کمتر از ۱۰ عدد باشد، می‌توان از آزمایش استاتیکی صرف‌نظر کرد.

طراحی سازه‌ای، اجرا و ملاحظات روانگرایی

• طراحی سازه‌ای شمع‌های بتنی و فولادی به‌ترتیب باید بر اساس مباحث نهم و دهم مقررات ملی ساختمان باشد؛ علاوه بر تنش‌های ژئوتکنیکی، باید به تنش ناشی از ساخت/نقل‌وانتقال/کوبش، رواداری‌های ساخت و اثرات مرتبه‌ی دوم کمانش در شمع‌های لاغر توجه شود.
• در اجرای شمع باید پلان استقرار شمع‌ها (نوع، محل، تعداد، طول، تراز، توالی اجرا) تهیه و چگونگی استقرار به‌دقت کنترل و ثبت شود. در صورت مشاهده‌ی عدم‌اعتماد به کیفیت اجرا، بررسی تکمیلی (کوبش مجدد، آزمایش دینامیکی، آزمایش یکپارچگی دامنه‌کم) لازم است.
• در خاک‌های مستعد روانگرایی، ظرفیت باربری جدار شمع در لایه‌های روانگرا نباید در محاسبات ظرفیت باربری لحاظ شود؛ لنگرها/نیروهای برشی ناشی از گسترش جانبی نیز باید در نظر گرفته شوند. جدول ۷-۶-۳ (ضریب اصلاحی CNL بر حسب شاخص روانگرایی P_L): برای P_L ≤ ۵، ضریب برابر ۰؛ برای ۵ < P_L ≤ ۲۰، ضریب از رابطه‌ی (۰٫۲P_L−۱)/۳ به دست می‌آید؛ برای P_L > ۲۰، ضریب برابر ۱ است.

اعداد و ضوابط کلیدی این فصل

نمونه سوال با پاسخ تشریحی

سایر فصل‌های مبحث ۷

مباحث مرتبط

مبحث ۷: ژئوتکنیک و مهندسی پیهمه مباحث ۲۴گانهآزمون آنلاینابزارهای محاسباتی