پی و فونداسیون، رابط اصلی بین سازه و زمین بوده و پایداری و عملکرد ایمن هر ساختمانی به طراحی و اجرای صحیح آن بستگی دارد. مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان “پی و پی‌سازی”، به طور تخصصی به الزامات و ضوابط مهندسی ژئوتکنیک در ارتباط با انواع پی‌ها و سازه‌های نگهبان می‌پردازد. این مبحث شامل حداقل ضوابط برای شناسایی‌های ژئوتکنیکی زمین، گودبرداری، طراحی و اجرای پی‌های سطحی و عمیق (شمع‌ها) و سازه‌های نگهبان است تا ایمنی و قابلیت بهره‌برداری مطلوب ساختمان‌ها در طول عمر مفید آن‌ها تأمین گردد. با توجه به پیچیدگی‌های ذاتی رفتار خاک و عدم قطعیت‌های موجود، قضاوت مهندسی در این مبحث نقش پررنگ‌تری دارد.
کلیات و تعاریف پایه
- هدف: تعیین حداقل ضوابط طراحی ژئوتکنیکی برای تأمین ایمنی و بهره‌برداری مطلوب ساختمان‌ها.
- دامنه کاربرد: الزامی برای تمام ساختمان‌های مشمول مقررات ملی. برای سازه‌های خاص مانند پل و سد، رعایت آن توصیه می‌شود.
- تعاریف کلیدی:
- پی (Foundation): مجموعه بخش‌هایی از سازه و خاک که بار را از سازه به زمین منتقل می‌کند.
- پی سطحی (Shallow Foundation): پی واقع در عمق کم (عمق کمتر از ۳ برابر عرض). شامل پی منفرد، نواری، شبکه‌ای و گسترده.
- پی عمیق (Deep Foundation – Pile): پی با نسبت عمق به عرض بزرگتر از ۱۰. شامل انواع شمع‌ها.
- پی نیمه‌عمیق: بین پی سطحی و عمیق (مانند پی صندوقه‌ای).
- شناسایی ژئوتکنیکی: مجموعه اقدامات برای شناخت مشخصات مهندسی لایه‌های زمین (مطالعات زمین‌شناسی، ژئوفیزیک، گمانه‌زنی، آزمایش‌های درجا و آزمایشگاهی).
- سازه نگهبان (Retaining Structure): سازه برای نگهداری خاک (دیوار حائل، سیستم میخکوبی و مهارگذاری، خاک مسلح).
- گمانه (Borehole): حفاری در زمین برای شناسایی و نمونه‌برداری.
- طراحی ژئوتکنیکی: خدمات مهندسی برای تعیین هندسه و کنترل پایداری و تغییر شکل پی و خاک.
- روش‌های طراحی:
- روش تنش مجاز (ASD): استفاده از بارهای بدون ضریب (سرویس) و مقایسه تنش ایجاد شده با تنش مجاز خاک (که با اعمال ضریب اطمینان بر مقاومت نهایی خاک به دست می‌آید). کنترل نشست نیز با بارهای سرویس انجام می‌شود.
- روش حالات حدی (LSD/LRFD): استفاده از بارهای ضریب‌دار (حالت حدی نهایی) و مقایسه آن با مقاومت ضریب‌دار (مقاومت نهایی ضربدر ضریب کاهش مقاومت). کنترل نشست نیز در حالت حدی بهره‌برداری (با ضرايب ۱) انجام می‌شود. انتخاب هر یک از روش‌ها توسط طراح مجاز است.
شناسایی ژئوتکنیکی زمین
شناخت دقیق زمین ساختگاه برای طراحی ایمن و اقتصادی ضروری است.
- هدف: گردآوری داده‌های لازم (جنس و لایه‌بندی خاک، مشخصات مهندسی، سطح آب زیرزمینی، سنگ بستر) برای طراحی و اجرا و پیش‌بینی مشکلات احتمالی.
- لزوم انجام: انجام گمانه‌زنی و شناسایی‌های تفصیلی الزامی است، مگر در شرایط بسیار خاص (ساختمان‌های کم‌اهمیت، کوچک، با گودبرداری کم عمق، در زمین‌های شناخته شده و مناسب، بدون خاک‌های مسئله‌دار یا مجاورت سازه‌های حساس). حتی اگر یکی از این شروط برقرار نباشد، انجام شناسایی الزامی است.
- وسعت شناسایی: تعداد، فواصل و عمق گمانه‌ها بر اساس اهمیت و ابعاد ساختمان، پیچیدگی لایه‌بندی زمین و عمق گودبرداری تعیین می‌شود.
- فاصله گمانه‌ها: برای زمین‌های بزرگ و ناشناخته (۵۰ تا ۲۰۰ متر در زمین یکنواخت، حداکثر ۳۰ متر در زمین پیچیده). برای ساختمان منفرد (۱۵ تا ۶۰ متر، حداقل تعداد طبق جدول ۷-۲-۱ بر اساس مساحت و اهمیت). برای گودبرداری، گمانه‌های اضافی برای شناخت زمین بالادست و پایداری شیب لازم است (جدول ۷-۲-۲).
- عمق گمانه‌ها: باید تا عمقی ادامه یابد که تنش ناشی از ساختمان به مقدار قابل توجهی کاهش یابد (معیارهای ۱۰٪ تنش موثر یا ۱۰٪ تنش کف پی) یا لایه باربر مناسب شناسایی شود. حداقل عمق معمولاً ۶ متر زیر پی است مگر برخورد به سنگ بستر (که نیاز به حداقل ۳ متر نفوذ در سنگ برای تأیید دارد).
- حفاری و نمونه‌برداری: باید توسط ناظر واجد صلاحیت و با روش‌های استاندارد (ضربه ای، شستشویی، اوگر، دورانی) انجام شود.
- آزمایش‌ها: آزمایش‌های آزمایشگاهی روی نمونه‌های دست‌خورده و دست‌نخورده و آزمایش‌های درجا (مانند SPT, CPT) مطابق استانداردها.
- گزارش‌ها: ارائه گزارش توصیفی (شرح لایه‌ها، محل گمانه، سطح آب و…) و گزارش مهندسی (شامل توصیه‌ها برای نوع پی، ظرفیت باربری، نشست، پارامترهای طراحی، نوع سیمان مناسب و…).
گودبرداری و پایش
گودبرداری غیراصولی می‌تواند خطرات جانی و مالی فراوانی ایجاد کند.
- آماده‌سازی: نقشه‌برداری، تهیه نقشه تسطیح، برداشت خاک نباتی، اجرای خاكريزی مهندسی (در صورت نیاز) با تراکم کنترل‌شده، پیش‌بینی نشست خاكريز، مدیریت آب‌های سطحی.
- گودبرداری: بررسی تغییرشکل‌ها و ناپایداری‌های ناشی از حذف خاک (برآمدگی کف گود، نشست زمین مجاور).
- روش‌های پایدارسازی: شيب‌دار کردن، میخکوبی (نیلینگ)، مهارگذاری (انکراژ)، اجرای دیوارهای نگهبان (شمع و دیوارک طره‌ای، سپرکوبی)، سیستم مهار متقابل (استرات)، مهار خرپایی، پایدارسازی ساختمان مجاور (تیرک، پی‌بندی).
- کنترل گسیختگی‌ها: لغزش، نشست و تورم، ریزش، بالا زدگی کف گود، جوشش ماسه.
- ارزیابی خطر گود: بر اساس عمق گود، نسبت عمق گود به عمق بحرانی (hc)، فاصله و حساسیت ساختمان مجاور (معمولی، زیاد، بسیار زیاد – جداول ۷-۳-۱ و ۷-۳-۲). مسئولیت طراحی و نظارت بر اساس سطح خطر تعیین می‌شود (برای خطر زیاد و بسیار زیاد، نیاز به شرکت ژئوتکنیک ذیصلاح و پایش الزامی است).
- تحلیل پایداری: با روش‌های تعادل حدی و ضرايب اطمينان مناسب (جدول ۷-۳-۳ برای گود موقت).
- تحلیل تغییر شکل: محاسبه و کنترل تغییر شکل قائم (نشست) و افقی ساختمان‌های مجاور گود در حدود مجاز.
- زهکشی: پیش‌بینی و اجرای سیستم مناسب برای کنترل آب زیرزمینی هنگام گودبرداری.
- پایش (Monitoring): برای گودهای با خطر بسیار زیاد و یا در صورت تشخیص طراح، الزامی است. اهداف شامل تأیید پارامترهای طراحی، ارزیابی عملکرد حین ساخت، تشخیص روندهای بلندمدت، هشدار پیش از خطر و ارائه مستندات قانونی است. با استفاده از ابزار دقیق مناسب (نشست‌سنج، کرنش‌سنج، انحراف‌سنج و…) و با برنامه و تناوب مشخص انجام می‌شود.
پی سطحی (Shallow Foundation)
- ملاحظات طراحی: کنترل حالات حدی نهایی (از دست رفتن پایداری کلی، گسیختگی باربری خاک، لغزش پی، گسیختگی سازه‌ای پی) و حالات حدی بهره‌برداری (نشست یکنواخت و غیر یکنواخت بیش از حد مجاز، دوران، ارتعاش).
- ظرفیت باربری: تعیین مقاومت نهایی خاک (qult) با استفاده از:
- روابط نظری (هنسن، مايرهوف، وسیک و…) با در نظر گرفتن ضرایب شکل، عمق، شیب بار، شیب زمین و اثر آب.
- نتایج آزمون‌های درجا (SPT, CPT و…).
- نتایج آزمایش بارگذاری صفحه یا شمع (کمتر متداول برای پی سطحی).
- نشست مجاز: مقادیر اولیه نشست مجاز یکنواخت و غیر یکنواخت (جدول ۷-۴-۲) و دوران مجاز (جدول ۷-۴-۳) ارائه شده است، اما مقادیر نهایی باید با توجه به حساسیت سازه و الزامات بهره‌برداری تعیین شود.
- روش‌های طراحی:
- تنش مجاز (ASD): تنش وارده زیر پی (ناشی از بارهای سرویس) ≤ تنش مجاز خاک (qall = qult / F.S.). ضرایب اطمینان (F.S.) در جدول ۷-۴-۷ آمده‌اند (معمولاً ۳ برای باربری). کنترل عدم ایجاد کشش زیر پی.
- حالات حدی (LSD): بار ضریب‌دار ≤ مقاومت ضریب‌دار خاک (qn = Ø * qult). ضرايب کاهش مقاومت (Ø) در جدول ۷-۴-۶ آمده‌اند.
- ملاحظات لرزه‌ای: در نظر گرفتن اثر بارهای افقی و لنگر ناشی از زلزله بر ظرفیت باربری؛ کاهش ضرایب اطمینان یا ضرایب کاهش مقاومت در بارگذاری لرزه‌ای (جداول ۷-۴-۷ و ۷-۴-۸)؛ کنترل پتانسیل روانگرایی یا کاهش مقاومت دینامیکی خاک.
- پی‌های انعطاف‌پذیر (مانند پی گسترده): فرض توزیع خطی تنش معتبر نیست. استفاده از مدل فنر (Ks) با در نظر گرفتن تغییرات سختی در سطح پی؛ تحلیل دقیق‌تر با مدل محیط پیوسته (المان محدود).
- ملاحظات اجرایی: حداقل عمق پی (۰.۵ متر)، قرارگیری زیر عمق یخبندان و دور از ریشه گیاهان، اجرا روی لایه باربر مناسب، در نظر گرفتن اثر آب زیرزمینی، رعایت فاصله مناسب از لبه شیب‌ها.
سازه‌های نگهبان (Retaining Structures)
- انواع:
- وزنی: پایداری عمدتاً با وزن خود دیوار (وزنی، نیمه‌وزنی، پشت‌بندار، طره‌ای).
- سپرگونه: سپرها، شمع‌های ردیفی (مهار شده یا نشده).
- خاک مسلح: استفاده از تسمه‌های فلزی یا ژئوسنتتیک‌ها.
- میلمهار (Anchored) و میخکوبی (Nailed): انتقال نیروی خاک به مهارهای کششی.
- دیوار زیرزمین: مستقل یا متصل به سازه اصلی.
- حالات حدی و پایداری:
- دیوارهای وزنی: کنترل لغزش، واژگونی، ظرفیت باربری پی، پایداری کلی شیب، مقاومت سازه‌ای دیوار، نشست.
- دیوارهای سپرگونه: کنترل گسیختگی خمشی سپر، عمق گیرداری کافی، بیرون کشیدن یا گسیختگی مهارها، پایداری کلی، بالا زدگی کف گود، جوشش ماسه.
- خاک مسلح: کنترل پایداری خارجی (مشابه دیوار وزنی) و پایداری داخلی (گسیختگی یا بیرون کشیدگی مسلح‌کننده‌ها).
- فشار خاک:
- انواع: سكون (Ko)، محرك (Active – Ka)، مقاوم (Passive – Kp). انتخاب نوع فشار بستگی به میزان و جهت حرکت دیوار نسبت به خاک دارد.
- محاسبه: روابط رانکین یا کولمب (برای فشار محرک و مقاوم). فشار در حالت سکون. در نظر گرفتن فشار ناشی از تراکم خاكريز، فشار آب، تورم، یخبندان.
- فشار لرزه‌ای: روش‌های شبه‌استاتیکی (مونونوبه-اکابه) برای فشار دینامیکی؛ عدم در نظر گرفتن فشار مقاوم لرزه‌ای.
- روش‌های طراحی:
- تنش مجاز (ASD): استفاده از ضرایب اطمینان مناسب برای حالات حدی مختلف (جدول ۷-۵-۳ برای دیوارهای وزنی).
- حالات حدی (LSD): استفاده از بارهای ضریب‌دار و ضرایب کاهش مقاومت مناسب (جداول ۷-۵-۴ تا ۷-۵-۷ برای انواع دیوارها و حالات گسیختگی).
- کنترل تغییر شکل: محاسبه و کنترل تغییر شکل دیوار و نشست زمین پشت آن در حدود مجاز.
- مهاربندی (Anchors/Tiebacks): انواع (تزریقی، بار مرده، پیچی)، طراحی بر اساس مقاومت کششی و بیرون‌کشیدگی، حفاظت در برابر خوردگی، انجام آزمایش‌های باربری و خزش (جداول ۷-۵-۸ و ۷-۵-۹).
- خاکریز پشت دیوار: استفاده از مصالح مناسب (دانه‌ای ترجیحاً)، تأمین زهکشی.
- زهکشی و آب‌بندی: تعبیه سیستم زهکش مناسب پشت دیوار برای جلوگیری از ایجاد فشار هیدرواستاتیکی (مگر اینکه این فشار در طراحی لحاظ شده باشد).
پی‌های عمیق (شمع‌ها – Piles)
- کاربرد: زمانی که لایه‌های سطحی خاک ظرفیت باربری کافی ندارند یا نشست پی سطحی زیاد است.
- مبانی طراحی: کنترل حالات حدی نهایی (گسیختگی باربری محوری فشاری/کششی، باربری جانبی، کمانش، گسیختگی سازه‌ای شمع) و حالات حدی بهره‌برداری (نشست، بیرون‌کشیدگی، تغییرمکان جانبی، ارتعاش).
- بارهای طراحی: ترکیب بارها (مبحث ۶)، نیروهای ناشی از تغییر مکان زمین (اصطکاک منفی جدار، بالا آمدن، حركات جانبی).
- شمع تحت بار محوری (فشاری/کششی):
- ظرفیت باربری فشاری (Rc = Rb + Rs): مقاومت نوک (Rb) + مقاومت جدار (Rs). تعیین با روش‌های تحلیلی (α, β)، آزمون‌های درجا (SPT, CPT)، آزمایش بارگذاری استاتیکی یا دینامیکی.
- ظرفیت باربری کششی (Rt = Wt + Fs – Uuplift): وزن + مقاومت جداره – فشار آب بالابرنده. کنترل بیرون‌آمدن شمع منفرد و بلوک خاک گروه شمع.
- شمع تحت بار جانبی:
- ظرفیت باربری جانبی (Rtr): کنترل گسیختگی خمشی شمع و تسلیم خاک (برای شمع بلند) یا دوران/انتقال صلب (برای شمع کوتاه). استفاده از روش‌هایی مانند “برومز”.
- تغییر مکان جانبی: محاسبه با در نظر گرفتن سختی خاک (منحنی p-y)، سختی شمع، شرایط گیرداری سر شمع و اثر گروهی.
- گروه شمع:
- ظرفیت باربری: در نظر گرفتن اثر گروهی (بازدهی گروه) که به فاصله شمع‌ها، نوع خاک و روش اجرا بستگی دارد.
- نشست: معمولاً بیشتر از شمع منفرد است. محاسبه با روش پی معادل یا تحلیل اندرکنش دقیق‌تر.
- تحلیل نیروها: توزیع بار قائم، جانبی و لنگر بین شمع‌های گروه با توجه به سختی سرشمع و اندرکنش‌ها.
- طراحی: روش متداول (کل بار توسط شمع‌ها) یا روش پی-شمع (Piled Raft) که در آن بخشی از بار توسط سرشمع (پی گسترده) و خاک زیر آن تحمل می‌شود و شمع‌ها عمدتاً برای کنترل نشست به کار می‌روند.
- بار مجاز / طراحی حدی:
- تنش مجاز (ASD): Qallow = Qult / F.S. ضرایب اطمینان (F.S.) در جدول ۷-۶-۱.
- حالات حدی (LSD): Rn = Ø * Qult. ضرایب کاهش مقاومت (Ø) در جدول ۷-۶-۲.
- آزمایش‌های بارگذاری شمع: استاتیکی (فشاری، کششی، جانبی) و دینامیکی (PDA، یکپارچگی/Integrity). تعیین لزوم، تعداد و نوع آزمایش بر اساس اهمیت پروژه، شرایط خاک و نتایج تحلیل‌ها.
- طراحی سازه‌ای شمع: مطابق مبحث ۹ (بتنی) یا ۱۰ (فولادی). در نظر گرفتن تنش‌های حین اجرا، رواداری‌های ساخت، کمانش (برای شمع لاغر) و اثرات لرزه‌ای (اینرسی و سینماتیک).
- ملاحظات اجرایی: تهیه نقشه جانمایی دقیق، کنترل حین اجرا، ثبت اطلاعات، کنترل کیفیت (آزمایش یکپارچگی برای شمع درجاریز).
مطالعه بیشتر:
- مبحث اول مقررات ملی ساختمان
- مبحث دوم مقررات ملی ساختمان
- مبحث سوم مقررات ملی ساختمان
- مبحث چهارم مقررات ملی ساختمان
- مبحث پنجم مقررات ملی ساختمان
- مبحث ششم مقررات ملی ساختمان
نتیجه‌گیری:
مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، راهنمایی حیاتی برای طراحی و اجرای ایمن و پایدار پی ساختمان‌ها و سازه‌های نگهبان است. این مبحث با تأکید بر اهمیت شناسایی دقیق شرایط ژئوتکنیکی ساختگاه و ارائه روش‌های تحلیل و طراحی مبتنی بر اصول مهندسی ژئوتکنیک و مکانیک خاک، چارچوب لازم برای انتخاب نوع پی مناسب (سطحی یا عمیق) و طراحی بهینه آن را فراهم می‌آورد. رعایت ضوابط این مبحث، به ویژه در زمینه کنترل ظرفیت باربری و نشست، نقش اساسی در جلوگیری از خسارات سازه‌ای و تضمین عملکرد بلندمدت ساختمان‌ها دارد.
