مصالح شالوده - تعاريف گروه مصالح شالوده | Definitions of Foundation Materials

مصالح شالوده

برای ساخت شالوده‌ها (سطحی و نیمه عمیق) با توجه به نوع خاک، نیروهای موجود و شرایط  عملکرد از مصالح مختلفی استفاده می‌شود که در ذیل به چند نمونه آنها اشاره می‌شود:

شالوده بتنی (سطحی و نیمه عمیق)

شالوده‌های بتنی غیرمسلح معمولاً در محل‌هایی مانند شالوده دیوارهای باربر استفاده می‌گردد که تغییر در مقدار بار وارده به شالوده کم باشد (و نوع آن تنش فشاری، کششی و یا لنگر خمشی و پیچشی نباشد) این نوع شالوده‌ها به جای آنکه تابع بار وارده باشند تابع ابعاد دیوار و یا ستون می‌باشند و تابع حداقل فضایی که جهت ایجاد دیوار و ستون مورد نیاز است.

شالوده بتن مسلح (سطحی و نیمه عمیق)

اگر در شالوده نیروی کششی و یا لنگر وجود داشته باشد از شالوده بتن مسلح استفاده می‌شود. میل‌گردها بر اساس نیاز طراحی، محاسبه و بر اساس نوع شالوده در یک یا دو لایه قرار می‌گیرند. فاصله میل‌گردها باید طوری باشد که امکان ویبره وجود داشته‌باشد.

شالوده فلزی (سطحی و نیمه عمیق)

هنگامی که بار ستون فوق‌العاده سنگین است (ساختمان‌های بسیار بلند فلزی) و زمین دارای مقاومت زیادی است (مانند صخره‌ها) شالوده‌های بتن مسلح ابعاد نامعقولی به‌خود می‌گیرند و خود صفحه تقسیم فشار نیز مسائلی به‌وجود می‌آورد در این صورت از شبکه‌بندی فلزی به‌جای بتن مسلح استفاده می‌گردد.

شالوده با مصالح بنایی (سطحی و نیمه عمیق)

این مورد مانند شالوده بتنی می‌باشد و بسته به نوع مصالح موجود در منطقه می‌تواند آجر چینی ،خشکه چینی و یا از مصالح بنایی دیگر باشد باربری این شالوده‌ها کمتر از شالوده بتن غیرمسلح می‌باشد.

شالوده‌های سنگی (سطحی و نیمه عمیق)

مانند شالوده بتنی غیرمسلح بوده و در محل‌هایی که از نظر سنگ غنی می‌باشند استفاده می‌گردد و یا در زیر شالوده‌های بتن مسلح و در روی خاک‌های سست استفاده می‌شود.

شالوده از خاک اصلاح شده و تحکیم‌یافته (سطحی)

در سازه‌هایی که فشار زیادی وجود ندارد می‌توان با اصلاح، تحکیم و زهکشی خاک، مقاومت خاک را بالا برده و بار را مستقیماً در روی آن قرار داد. در این حالت خاک اصلاح شده مانند شالوده سطحی عمل می‌کند. مانند کف سیلوها و مخازن ذخیره مواد خشک. در این ارتباط در ردیف  (اصلاح و تثبیت خاک) توضیحات بیشتری داده شده‌ است و یا به‌کمک تزریق این عمل انجام می‌گیرد.

شالوده رسی (سطحی و نیمه عمیق)

 از رس متراکم شده در (شالوده سطحی) تعدادی از بناها استفاده می‌شود مانند سدها و سازه‌های خاکی، به جای رس نیز از خاک‌های دیگر نیز می‌توان استفاده کرد. در بند (اصلاح و تثبیت خاک) توضیحات بیشتری داده شده است.

شالوده از خاک مسلح (سطحی)

با مسلح کردن خاک به کمک تسمه‌های فولادی و پلیمری می‌توان مقاومت خاک را بالا برده و به عنوان شالوده نیز استفاده کرد.

شالوده چوبی (سطحی)

از شالوده‌های چوبی زمانی که به محیط الاستیک نیاز داشته باشیم مانند زیر شالوده ماشین‌آلات با ارتعاش بالا جهت ایجاد بستر ارتجاعی می‌توان استفاده کرد.

شالوده بتن پلاستیک (سطحی)

بتن پلاستیک بتنی است که از اختلاط آب، سیمان، شن، ماسه و  بنتونیت به دست می‌آید و به دلیل آنکه برای میرا کردن ارتعاشات مکانیکی پروژه‌ها (مثل نیروگاه) مناسب می‌باشد، به عنوان بخشی از شالوده استفاده می‌گردد.

مصالح شمع

شمع فولادی

شمع‌های فولادی به صورت گسترده به عنوان سپر یا شالوده عمیق به کار می‌رود.

برخی از مزیت‌های شمع فولادی به شرح زیر است :

1- اگر نوک آنها نزدیک لایه سخت باشد ظرفیت تحمل بارهای بزرگ را دارند.

2- در مقابل بارهای افقی وکمانش مقاومت زیادی دارند.

3- در اثر نقل و انتقال آسیب نمی‌بینند.

4 -طول آنها به‌سادگی قابل افزایش است لذا برای اجرای شمع‌های فولادی طویل نیازی به جرتقیل‌هایی با دکل بلند نیست زیرا می‌توان مرحله  به مرحله پس از کوبیدن هر قسمت، قطعه بعدی را به آن وصل کرد و کوبید با این روش می‌توان طول شمع را زیاد کرد.

5- اگر حین اجرا نتیجه‌گیری شود که طول طراحی دست بالاست و یا به هر دلیل دیگر می‌توان طول آن را کوتاه کرد و طول بریده شده را در شمع دیگر به‌کار برد.

6- مقاومت آنها برای تحمل ضربات چکشی زیاد است و اگر احیاناً سر شمع در حین اجرا آسیب ببیند و کمانش کند می‌توان آن را برید و پس از اصلاح مجدداً به‌کار برد.

عیب اصلی این شمع‌ها عدم دوام در شرایط خورنده است اقدامات حفاظتی نظیر رنگ‌آمیزی یا حفاظت کاتودیک معدنی نیز نمی‌تواند در شرایط بسیار خورنده نظیر خلیج‌فارس چندان مؤثر باشد.

مقطع شمع‌های فلزی معمولاً به یکی از اشکال زیر است :

1- مقطع H

2- مقطع مربع (جعبه)

3- مقطع دایره ( لوله)

شمع با مقطع H معمولاً از پروفیل‌های فولادی بال پهن تشکیل شده‌است. کوبیدن شمع با مقطع H موجب تغییر شکل جانبی زیاد خاک نمی‌شود. بنابراین مقطع H برای خاک‌های متراکم و سخت مناسب است. اگر عمق نفوذ شمع در خاک زیاد باشد در خاک‌های دانه‌ای و سست یا با تراکم متوسط نیز از مقطع H استفاده می‌گردد. زیرا عدم تغییر تراکم خاک در اثر فرو رفتن شمع موجب می‌شود که شمع به‌سادگی فرو رود و به چکش‌های قوی نیاز نباشد.

اگر ورق‌های تقویتی در نوک شمع جوش داده شود می‌توان از مقطع H برای سوراخ کردن یک لایه سنگی نازک و عبوراز آن استفاده کرد.

عیب این شمع‌ها این است که ممکن است حول محور ضعیف مقطع خم شوند.

در خاک‌های ماسه‌ای سست اگر عمق نفوذ مورد نیاز شمع کوچک باشداز مقطع H استفاده نمی‌گردد و مقطع دایره و مربع به‌کار می‌رود زیرا شمع با مقطع دایره یا مربع موجب افزایش تراکم خاک ماسه‌ای سست در حین فرورفتن می‌شود.

اگر شمع لوله‌ای در خاک رس اجرا گردد می‌توان نوک آن را باز گذاشت. زیرا یک توده از خاک رس موجب مسدود شدن نوک شمع می‌شود شمع‌های با مقطع H نیز، این حالت را در خاک‌های رس به‌وجود می‌آورد. اگر بار وارد بر نوک شمع از مقاومت توده رس که نوک آن را مسدود کرده‌است بیشتر شود اصطکاک جانبی خاک و سطوح داخلی شمع تا حدی مانع حرکت توده خاکی می‌شود.

لیکن در این حالت به‌راحتی نمی‌توان قضاوت کرد که مساحت واقعی مقطع نوک باز (مثلاً مساحت حلقه در مورد شمع لوله‌ای) یا مساحت کل مقطع (مثلاً مساحت دایره در مورد شمع لوله‌ای) باید برای تعیین باربری خاک در مقابل نوک شمع به‌کار رود.

در خاک‌های دانه‌ای یا سنگ‌های ضعیف مقاومت جانبی بر سطوح داخلی شمع‌های لوله‌ای یا H بسیج می‌شود و مقاومت نوک شمع فقط براساس مساحت واقعی مقطع محاسبه می‌شود.

اگر شمع لوله‌ای در خاک رس خیلی محکم یا خاک‌های دانه‌ای متراکم و یا سنگ ضعیف کوبیده می‌شود باید از نوک آن محافظت کرد این کار با گذاشتن یک حلقه فلزی صورت می‌گیرد و اگر بارها خیلی بزرگ باشند می‌توان از یک دیواره فلزی ضخیم در نوک شمع استفاده کرد.

شمع‌های فلزی سازه‌های دریایی را معمولاً با نوک باز اجرا می‌کنند زیرا موجب افزایش مقاومت جانبی شمع می‌شود حالت کشسانی شمع فلزی این شمع‌ها را برای کارهای دریایی مناسب نموده‌است.

از دیگر مزایای این شمع‌ها امکان جوشکاری یا پیچ مهار بندهای فولادی به آنها می‌باشد.

شمع بتنی در جاریز

در بعضی شرایط باربری ستون و نیروی منتقله از ستون کم می‌باشد ولی به‌دلیل اینکه لایه‌های رویی بسیار سست می‌باشند امکان بارگذاری در آنها نمی‌باشد در چنین شرایطی از شمع‌های بتنی در جاریز استفاده می‌شود. باتوجه به کم بودن بارها، در طراحی فقط از بتن استفاده می‌شود و قرار دادن آرماتور فقط به‌عنوان آرماتور مونتاژ خواهد بود.

مسئله مهم اجرایی این است که بتن همگن و یکنواخت در چاه یا در لوله قرار گیرد و جوشن‌های فولادی کاملاً به آن آغشته شوند و عرض‌های اضافی و خارج از پروفیل که یا در حین حفاری و یا بعد از بالا کشیدن لوله به‌وجود آمده پر گردند. یکی از مشخصه‌های اساسی بتن ریخته شده زیر آب یا زیر گل حالت خمیرگونه آن است.

شمع بتن مسلح

این شمع‌ها نیز جزء گروه شمع‌های در جاریز می‌باشد. ظرفیت باربری این شمع‌ها باتوجه به مقدار آرماتور مصرفی و نوع بتن متفاوت می‌باشد. در بیشتر موارد از این نوع شمع‌ها در طراحی و ساخت شمع‌های باربر استفاده می‌شود .

مشکل عمده در این شمع‌ها قراردادن میل‌گردها در شمع‌های با قطر کم می‌باشد. این شمع‌ها مشکلات شمع‌های پیش ساخته از قبیل حمل و... را ندارند.

شمع بتن پیش ساخته

این نوع شمع‌ها از بتن مسلح می‌باشند که قبلاً در کارگاه تولید شده‌اند. ممکن است شمع پیش‌ساخته قسمتی از شمعی باشد که در محل به کار خواهد رفت.

شمع سپس به کارگاه اجرایی حمل و در محل کوبیده می‌شود عمده مشکل این شمع‌ها مسئله حمل آنها می‌باشد. از این شمع‌ها معمولاً در مناطقی استفاده می‌شود که امکان تهیه شمع در محل نباشد و یا نیاز به وقت زیاد در ساخت آن باشد. می‌توان شمع‌های پیش تنیده را نیز جزء این شمع‌ها به‌حساب آورد.

این شمع‌ها به‌کمک یکی از 4 روش کوبش فشار، دوران و یا لرزش در زمین فرو برده می‌شوند، مقطع این شمع‌ها دایره، مربع و یا چندضلعی بوده و معمولاً در ارتفاع ثابت است ولی گاه ممکن است در قسمت تحتانی تعریض شده باشند. در طول‌های بلند مقطع 6 ضلعی، 8 ضلعی و دایره را ترجیح می‌دهند. این شمع‌ها ممکن است توخالی، روزن‌دار و یا پیچی باشند.

این شمع‌ها به‌هنگام کوبش تحت اثر نیروهای قابل ملاحظه‌ای قرار می‌گیرند. بنابراین لازم است که در ساخت آنها نهایت دقت به‌عمل آید و با بتن به کیفیت بسیار بالا ساخته شوند. در شرایطی که طول این شمع‌ها از میزان معین تجاوز کند لازم است که جوشن خمشی قابل ملاحظه‌ای دورن آن پیش‌بینی شود.

این جوشن‌ها امکان جابجایی شمع‌های پیش ساخته را از محل ساخت به محل نصب می‌دهند. محل ساخت این شمع‌ها به فضای قابل ملاحظه‌ای نیاز دارد و کوبیدن آنها در محل کار باید پس از گیرش کامل (حداقل 28 روز پس از ساخت) صورت گیرد.

این شمع‌ها زمانی مناسب هستند که سطح فوقانی لایه مقاومی که شمع‌ها باید بر آن تکیه کنند عملاً افقی باشد. در غیر این‌صورت لازم خواهد بود که تعدادی از شمع‌ها بریده شوند و تعدادی دیگر نیز طولی کافی نخواهند داشت.

عملیات اصلاح طول شمع‌های پیش ساخته نیز مشکل و پرهزینه است این گونه عملیات به‌ویژه در حالت بتن پیش تنیده مشکلاتی به‌همراه دارد. در بعضی شرایط از شمع توخالی استفاده می‌شود و سپس داخل آن از بتن پر می‌گردد.

شمع بتن پیش‌تنیده

مقطع شمع‌های بتن پیش تنیده برای تحمل نیروهای سازه کمتر از مقطع شمع‌های بتنی معمولی است. استفاده از این شمع‌ها در خاک‌های با باربری کم مناسب نمی‌باشد زیرا مقطع شمع نسبت به شمع‌های معمولی کوچک بوده انتقال بار به‌خوبی انجام نمی‌گیرد مگر اینکه شمع توخالی مورد استفاده قرار گیرد.

هرچه طول شمع بیشتر باشد و یا مایل‌تر اجرا شود امکان اقتصادی‌تر بودن شمع بتنی پیش تنیده به شمع بتنی معمولی بیشتر است مخصوصاً اگر طولی از شمع که در بالای خاک قرار دارد طولانی باشد. به بیان ساده می‌توان گفت که اگر محدودیت سازه‌ای شمع موجب گسیختگی گردد به‌جای زیاد کردن ابعاد شمع می‌توان شمع بتنی پیش تنیده را به‌عنوان یک راه‌حل اقتصادی مورد بررسی قرار داد.

برای ایجاد شمع‌های پیش تنیده می‌توان از کابل‌های پیش تنیدگی پر مقاومت استفاده کرد. ابتدا کابل‌ها را تا تنش مورد نیاز درون قالب‌ها می‌کشند سپس قالب را از بتن پر می‌کنند. پس از اینکه بتن خود را گرفت و به مقاومت رسید، کابل‌ها بریده می‌شوند که یک نیروی فشاری به مقطع اعمال می‌شود. این شمع‌ها معمولاً مربع یا هشت ضلعی می‌باشند.

شمع چوبی

شمع‌های چوبی معمولاً از تنه درختان سالم، صاف و بلند که شاخ و برگ آنها زده شده و سطح آن پس از کندن پوست به‌دقت تراشیده شده‌است تهیه می‌شود. چوبی که از آن به‌عنوان شمع استفاده می‌شود باید مستقیم، بدون درز و ترک و سالم باشد.

شمع‌ها به سه کلاس A و B و C تقسیم می‌شوند:

شمع‌های کلاس A

این شمع‌ها بارهای سنگین را حمل می‌کنند حداقل قطر سر چنین شمع‌هایی 350 میلی‌متر است.

شمع‌های کلاس B

این شمع‌ها بارهای متوسط را حمل می‌کنند حداقل قطر سر این شمع‌ها بین 305 تا 330 میلی‌متر است.

شمع‌های کلاس C

از این شمع‌ها برای کارهای ساختمانی موقت استفاده می‌شود. وقتی که تمام طول شمع در داخل سفره آب زیرزمینی قرار داشته‌باشد از این شمع‌ها می‌توان برای حمل بارهای دائمی استفاده کرد.

در هیچ حالتی قطر نوک شمع نباید کمتر از 150 میلی‌متر باشد.

شمع‌های چوبی نمی‌توانند نشست‌های حاصل از کوبیده شدن در لایه‌های سفت را تحمل کنند. برای اینکه در حین کوبیدن نوک شمع صدمه نبیند می‌توان از کفشک‌های فولادی استفاده کرد. در حین کوبیدن بالای شمع نیز ممکن است آسیب ببیند

خردشدن الیاف چوبی به علت ضربه چکشی برومینگ نامیده می‌شود. برای جلوگیری از آسیب رسیدن به بالای شمع می‌توان از سرپوش‌های فولادی استفاده کرد. از وصله شمع‌های چوبی باید اجتناب کرد به‌خصوص وقتی که شمع نیروی کششی یا جانبی حمل کند. در صورت نیاز اجتناب‌ناپذیر به وصله شمع با استفاده از غلاف فولادی یا تسمه‌های فولادی می‌توان این کار را انجام داد.

طول غلاف لوله‌ای باید 5 برابر قطر شمع باشد. در محل وصله انتهای شمع‌ها باید به‌صورت گونیا بریده شود تا تماس حاصل بین دو قطعه تأمین شود محل وصله باید به‌دقت تراشیده شود به‌طوری که به‌صورت محکم و کیپ در غلاف فولادی جای گیرد

در استفاده از تسمه و پیچ نیز باید انتهای شمع‌ها به‌صورت گونیا بریده شود همچنین سطوح جانبی شمع در محل وصله نیز باید به قدری تخت شود تا تسمه کاملاً به چوب بچسبد.

اگر شمع چوبی در خاک کاملاً اشباع کوبیده شود عمر آن تقریباً بی‌نهایت خواهد بود. لیکن در آب و هوای دریایی شمع‌های چوبی تحت حملات ارگانیسم‌های مختلف قرار گرفته و ظرف چند ماه صدمات جدی در آنها ظاهر می‌شود .

شمع چوبی در بالای سطح آب زیرزمینی تحت حملات حشرات قرار می‌گیرند با انجام بعضی اصلاحات مثلاً محافظت آنها توسط روغن کروزوت می‌توان عمر آنها را افزایش داد. عمر چوب در شرایط دایمی خشک یا مغروق طولانی است.

ولی چنانچه در معرض‌تر و خشک شدن متوالی قرار گیرد به سرعت از بین می‌رود به‌طور کلی شمع‌های چوبی در هر شرایطی باید مورد عمل‌آوری قرار گیرند.

اگر شمع‌های چوبی در خاک متراکم و سخت اجرا شود باید کفشک فلزی مناسب در نوک آن تعبیه گردد. استفاده از سر شمع نیز جهت جلوگیری از صدمه چوب در اثر ضربات چکش لازم است.

طول شمع‌های چوبی معمولاً 6 الی 20 متر است و اگر به طول بیشتر نیاز باشد باید از اتصال دو شمع بهره‌گیری شود. محل اتصال نباید در وسط ارتفاع شمع باشد بلکه محل آن به‌نحوی انتخاب می‌گردد که تنش‌ها در آنجا حداقل باشد.

در اثر ضربات سنگین کوبش صدمات غیرقابل رؤیت به شمع وارد می‌شود.

شمع مرکب

در بعضی شرایط خاص ترکیبی از شمع‌های با مصالح مختلف استفاده می‌شود که به آن شمع مرکب می‌گویند. در شمع‌های مرکب قسمت‌های فوقانی و تحتانی شمع از دو مصالح مختلف ساخته می‌شوند به عنوان مثال شمع‌های مرکب ممکن است از فولاد بتن و یا چوب و بتن ساخته شوند.

شمع‌های مختلط فولاد و بتن مرکب از قسمت تحتانی فولاد و قسمت فوقانی بتن درجا می‌باشند. این نوع شمع وقتی مورد استفاده قرار می‌گیرد که طول شمع لازم برای تأمین ظرفیت باربری از ظرفیت شمع بتنی در جای ساده تجاوز کند

شمع‌های مختلط چوب و بتن دارای قسمت تحتانی چوبی می‌باشند که به طور دائم در سفره آب زیرین قرار دارد و قسمت فوقانی آنها از بتن است در هر صورت ایجاد وصله در محل تلاقی دو مصالح مشکل بوده و به همین علت است که شمع‌های مختلط کاربرد وسیعی ندارند.

شمع‌ های خاص

 در شرایط خاص می‌توان از پلیمر و یا مصالح دیگر نیز استفاده کرد.