تاریخچۀ شمع و انواع آن

اولین شمع های بتن مسلح در سال 1897 اجرا شد . شمع های بتن مسلح به طول 30 متر در مانیل پایتخت فیلیپین کوبیده شد. در ماراکئیبو (ونزوئلا) پایه های صندوقه ای به قطر 90 تا 150 سانتی متر تا ژرفای 60 متر پایین برده شده ، بار بری این پایه ها 250 تا 750 تن بود. کلیسای بزرگ مونمارتر (پاریس) بر چاه هایی مربع به ضلع 2.5 تا 5 متر و ژرفای 30 متر که بارها را به لایه سنگ گچ منتقل می کنند بنا شده است. ظرفیت باربری یک شمع تابع دو عامل زیر است :

- یکی مقاومت در برابر فرورفتگی زمین زیر نوک آن،

- دیگری بسیج اصطکاک جانبی میان بدنه شمع و خاک اطراف

به جز در موارد ویژه مقاومت نوک شمع به نوع آن بستگی ندارد. در صورتی که اطصکاک جانبی صرفاً تابع مصالح تشکیل دهنده شمع و نحوه اجرای آن است . رده بندی زیر آخرین رده بندی پیشنهاد شده برای پی های عمیق است :

1-شمع پیش ساخته (کوبیده شده پیش ساخته، فلزی کوبیده شده ، لوله ای پیش تنیده ، کوبیده شده روکش دار.)

2-شمع های با غلاف کوبیده شده و ریخته شده در محل (تخماقی ، قالبی )

3-شمع های حفاری شده (حفاری شده ساده، حفاری شده لوله ای ، حفاری با گل ، سر مته تو خالی ، پیچ شده قالبی )

4-شمع های فرو برده شده (بتن فر و برده شده ، فلز فرو برده شده )

5- ریز شمع ها .

در رده بندی فوق به ستونهای شنی (بالاستی ) به دلیل اینکه روش پی سازی بسیار ویژه ای است و نحوه محاسبات آن متفاوت است ، اشاره ای نشده است

شرایط ایجاب کننده استفاده از شمع

شمعها اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح و چوب می باشند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از شالوده های سطحی، از آنها برای ساخت شالوده های عمیق(شالوده های شمعی) استفاده می شود. مخارج احداث شالوده های شمعی خیلی بیشتر از شالوده های سطحی است. علیرغم مخارج بیشتر، در عمل موراد متعددی وجود دارد که برای ایمنی ساختمان در مقابل نشست و عوامل دیگر، از شالوده های شمعی استفاده می شود. در زیر بعضی از شرایطی که استفاده از شالوده های شمعی را ایجاب می نمایند، شرح داده می شود.

1-وقتی که لایه یا لایه های فوقانی خاک دارای قابلیت فشردگی زیاد و یا خیلی ضعیف باشند، به طوری که نتوان از شالوده سطحی برای توزیع بار ساختمان استفاده کرد، شالوده های شمعی برای انتقال بار به لایه های تحتانی محکمتر و یا سنگ بستر مورد استفاده قرار می گیرند. این موضوع در شکل 1-5 قسمت الف نشان داده شده است. وقتی که بستر سنگی و یا لایه محکمتر تحتانی در عمق معقولی از سطح زمین قرار نداشته باشد، از شمع برای انتقال تدریجی بار استفاده می شود. در این حالت بیشتر مقاومت شمع از طریق نیروی اصطکاک بین سطح تماس شمع و خاک (مقاومت جلدی) تامین می شود.

2- اگر شمع ها تحت تاثیر نیروی افقی قرار گیرند، در حالی که هنوز قابلیت حمل بارهای قائم را دار هستند، می توانند به وسیله خمش ، نیروهای افقی را حمل نمایند،این وضعیت اغلب در شالوده های سازه های حایل خاک که وظیفه آنها مقاومت در مقابل فشار جانبی خاک است و یا ساختمانهای بلند که تحت تاثیر نیروهای باد یا زلزله قرار دارند، پیش می آید.

3-در خیلی از موارد، در منطقه مورد نظر برای احداث ساختمان با خاک قابل تورم و یا فروریزشی(رمبنده) روبرو می شویم. این لایه ها ممکن است دارای عمق قابل توجهی باشند. خاکهای قابل تورم در اثر افزایش یا کاهش میزان رطوبت، تورم و یا کاهش حجم پیدا می کنند. فشار تورم چنین خاکهایی ممکن است به طرز قابل توجهی زیاد باشد. اگر در چنین خاکهایی از شالوده های سطحی استفاده شود، ساختمان ممکن است با صدمات جدی روبرو شود. در این حالت شالوده های شمعی که از لایه قابل تورم عبورکرده و وارد لایه پایدار شده اند، می توانند مورد توجه قرار گیرند.

خاکهایی نظیر ماسه بادی دارای طبیعت (رمبندگی) هستند. وقتی که چنین خاکهایی تحت افزایش رطوبت قرار گیرند، اسکلت خاک می تواند دچار شکست گردد. یک کاهش ناگهانی در نسبت تخلخل خاک، باعث نشست زیاد سازه ای می شود که توسط شالوده سطحی حمل می شود. در چنین حالاتی، شالوه شمعی که از لایه سست عبور کرده و وارد لایه پایدار زیر آن شده، می تواند به عنوان راه حل مسئله مورد توجه قرار گیرد.

4-شالوده بعضی از سازه ها، نظیر خطوط انتقال برق، اسکله ها، شالوده های گسترده در زیر آب زیر زمینی، تحت تاثیر نیروی برکنش قرار دارند. در بعضی مواقع برای مقابله با نیروهای برکنش از شالوده های شمعی استفاده می شود.

5-به خاطر وجود مسئله آب شستگی و فرسایش در محل پایه های پل، این پایه ها اغلب در روی شالوده های شمعی احداث می شوند.

اگر چه در گذشته تحقیقات متعددی به صورت نظری و عملی برای پیش بینی رفتار و ظرفیت باربری شالوده های شمعی در خاکهای چسبنده و دانه ای انجام شده است، لیکن مکانیسم کار هنوز به طور کامل فهمیده نشده و ممکن است هیچوقت هم فهمیده نشود. به علت ناشناخته ها وعدم قطعیتهای موجود در هنگام کار با بعضی از شرایط تحت الارضی، می توان طراحی شالوده های شمعی را یک هنر مهندسی در نظر گرفت تا علم مهندسی. در این فصل روشهای موجود برای طراحی شالوده های شمعی مورد بحث قرار می گیرند.

انواع شمع برحسب مصالح تشکیل دهنده آن

بر حسب شرایط تحت الارضی، سطح آب زیر زمینی و نوع باری که باید حمل شود، انواع مختلفی از شمعها در کارهای ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد. شمعها بر حسب مصالحی که ار آن ساخته می شوند، دارای انواع زیر هستند:

1.شمعهای فولادی

2.شمعهای بتنی

3.شمعهای چوبی

4.شمعهای مرکب

شمعهای فولادی

انوع معمول شمعهای فولادی، شمعهای لوله ای و شمعهای H می باشند. شمعهای لوله ای نیز در دو حالت انتهای بسته و انتهای باز به زمین کوبیده می شوند. هر چند از تیرآهنهای I و بال پهن نیز می توان برای شمع کوبی استفاده کرد، لیکن تیرآهن ها با نیمرخ H به علت مساوی بودن ضخامت بال و جان معمولاً ترجیح داده می شوند. در نیمرخ های بال پهن و نمرخ های I، ضخامت جان معمولاً کوچکتر از ضخامت بال می باشد.

شمعهای بتنی

در عمل، شمعهای بتنی به دو صورت مورد استفاده قرار می گیرند: (الف) شمعهای پیش ساخته، (ب) شمعهای در جاریز؛ شمعهای پیش ساخته را می توان با استفاده از میلگردهای معمولی ساخت. مقطع آنها به صورت مربع یا هشت ضلعی است. میلگردها به منظور مقاوم نمودن شمع در مقابل خمش تولید شده در هنگام حمل و نقل، بلند کردن و اعمال نیروی جانبی به شمع و همچنین افزایش مقاومت فشاری، مورد استفاده قرار می گیرند. شمعهای پیش ساخته در طول مورد نظر ساخته شده و تحت شرایط مرطوب به عمل می آیند تا به مقاومت مورد نظر برسند. پس از آن به محل کوبیدن حمل می شوند. شمعهای پیش ساخته را می توان با استفاده از کابلهای پیش تنیدگی پر مقاومت، به صورت پیش تنیده در آورد. مقاومت نهایی کابلهای پیش تنیدگی در حدود 1800 نیوتن بر میلیمتر مربع (مگاپاسکال) (مساوی 18000 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع) می باشد. برای ساخت شمعهای پیش تنیده ، کابلها تا تنش 900 تا 1300 نیوتن بر میلیمتر مربع درون قالب کشیده می شوند و سپس درون قالب با بتن پر می شود. بعد از به عمل آوردن بتن، کابلهای پیش تنیدگی بریده می شوند که در نتیجه یک نیروی فشاری به مقطع شمع اعمال می شود.

شمعهای بتنی در جاریز بدین صورت اجرا می شوند که ابتدا چاهی در زمین به وسیله دست یا ماشین حفر می شود و سپس قفس آرماتورها درون چاه قرار داده شده و داخل آن با بتن پر می شود. امروزه شمعهای در جا به روشها و انواع مختلف اجرا می شوند و اکثر آنها در انحصار شرکت خاصی که ابداع کننده اولیه آنها می باشد، قرار دارند. شمعهای درجاریز در دو گروه اصلی جای می گیرند (الف) با غلاف، (ب) بدون غلاف؛ هر دو گروه می توانند دارای نوک پهن شده (پداستال) باشند.

شمعهای چوبی

شمعهای چوبی تنه های درختهای سالم، صاف و بلند می باشند که شاخ و برگ آن زده شده و سطح آن پس از کندن پوست، به دقت تراشیده شده است. حداکثر طول اغلب شمعهای چوبی بین 10 تا 20 متر می باشد. چوبی که از آن به عنوان شمع استفاده می شود باید مستقیم، بدون درز و ترک، و سالم باشد. انجمن آمریکایی مهندسان عمران در دستورالعمل اجرایی شماره 17(1959) ، شمعهای چوبی را به سه کلاس زیر تقسیم می کند:

1-شمعهای کلاس A: این شمعها بارهای سنگین را حمل می کنند. حداقل قطر سر چنین شمعهایی 350 میلیمتر(14 اینچ) می باشد.

2- شمعهای کلاس B: این شمعا بارهای متوسط را حمل می کنند. حداقل قطر سر این شمعها بین 305 تا 330 میلیمتر (12 تا 13 اینچ) می باشد.

2- شمعهای کلاس B: این شمعا بارهای متوسط را حمل می کنند. حداقل قطر سر این شمعها بین 305 تا 330 میلیمتر (12 تا 13 اینچ) می باشد.

قابل توجه است که در هیچ حالتی قطر نوک شمع نباید کمتر از 150 میلیمتر (6 اینچ) باشد.

شمعهای چوبی نمی توانند تنشهای حاصل از کوبیده شده در لایه های سفت را تحمل کنند. بنابراین ظرفیت آنها معمولاً به 220 تا 270 کیلونیوتن محدود می شود. برای این که در حین کوبیدن نوک شمع صدمه نبیند، می توان از کفشک های فولادی استفاده کرد. در حین کوبیدن، بالای شمع نیز ممکن است آسیب ببیند. خرد شدن الیاف چوبی به علت ضربه چکش، برومینگ نامیده می شود.برای جلوگیری از آسیب رسیدن به بالای شمع ، می توان از سرپوشهای فولادی استفاده کرد.

شمعهای مرکب (مختلط)

در شمعهای مرکب، قسمتهای فوقانی و تحتانی شمع از دو مصالح مختلف ساخته می شوند. به عنوان مثال ، شمعهای مرکب ممکن است از فولاد و بتن و یا چوب و بتن ساخته شوند. شمعهای مختلط فولاد و بتن مرکب از قسمت تحتانی فولاد و قسمت فوقانی بتن درجا می باشند. این نوع شمع وقتی مورد استفاده قرار می گیرد که طول شمع لازم برای تامین ظرفیت باربری از ظرفیت شمع بتنی درجای ساده تجاوز کند. شمعهای مختلط چوب و بتن دارای قسمت تحتانی چوبی می باشند که به طور دائم در سفره آب زیر زمینی 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 دارای کاربرد وسیعی نمی باشند.

تخمین طول شمع

انتخاب نوع شمع و تخمین طول لازم برای آن کار نسبتاً مشکلی است و احتیاج به قضاوت مهندسی قوی دارد. علاوه بر طبقه بندی بخش قبل، بر حسب طول مکانیسم انتقال بار به خاک، شمعها را می توان به سه گروه عمده تقسیم کرد: (الف) شمع اتکایی، (ب) شمع اصطکاکی، (پ) شمع تراکمی.

شمع اتکایی

اگر بستر سنگی و یا لایه شبیه سنگ(خیلی متراکم) در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را می توان تا آن لایه ادامه داد در این حالت ظرفیت باربری شمع کاملاً بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی در مقابل نوک شمع خواهد داشت. به همین علت به این شمعها، اتکایی می گویند. در چنین حالتی با توجه به معلوم بودن عمق بستر سنگی از روی گمانه های حفر شده، تعیین طول شمع کار چندان مشکلی نخواهد بود. اگر به عوض بستر سنگی، یک لایه سخت و نسبتاً متراکم در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را می توان چند متر در لایه سخت ادامه دارد.

شمع اصطکاکی

در صورتی که عمق بستر سنگی یا لایه شبیه به سنگ زیاد باشد، طول لازم برای شمع اتکایی غیر اقتصادی خواهد شد. در چنین شرایطی شمع به عمق مناسبی در لایه نرم فوقانی بدون اینکه به لایه سخت برسد، کوبیده می شود. انتخاب نام اصطکاکی برای این شمعها، از آنجا ناشی می شود که اکثر مقاومت آنها به وسیله اصطکاک جدار تامین می شود. البته این اسم بعضی مواقع می تواند گمراه کننده باشد، زیرا مقاومت شمعهایی که در لایه رسی کوبیده می شوند، بستگی به چسبندگی بین جدار شمع و رس دارد. طول لازم برای شمع اصطکاکی بستگی به مقاومت برشی خاک، بار وارده و اندازه شمع دارد. برای تعیین طول لازم شمع، احتیاج به درک خوبی از اندرکنش خاک-شمع، قضاوت مهندسی و تجربه است.

شمع تراکمی

در بعضی موارد خاص، شمعها بدین منظور در لایه های دانه ای کوبیده می شوند که تراکم خوبی در لایه سطحی خاک به وجود آید. این شمعها به شمعهای تراکمی موسوم هستند. طول شمعهای تراکمی به عوامل زیر بستگی دارد:

الف) تراکم نسبی خاک قبل از تراکم

ب)تراکم نسبی مورد نیاز بعد از تراکم

پ)عمق لازم برای تراکم

شمعهای تراکمی معمولاً کوتاه هستند، لیکن برای تعیین طول مناسبی برای آنها، بعضی آزمایشهای صحرایی لازم است .شمعها گاهی مواقع تحت زاویه ای نسبت به امتداد قائم کوبیده می شوند. معمولترین زوایا، 14 تا 20 درجه هستند. به این شمعها شمعهای مایل می گویند. شمعهای مایل در گروه شمعها، وقتی که نیروی جانبی قابل توجه باشد، مورد استفاده قرار می گیرد. شمعها را می توان به وسیله حفاری ناقص کوبید. در این حالت با استفاده از مته های مارپیچ قوی سوراخی کوچکتر از قطر و طول شمع در زمین ایجاد شده و سپس شمع در سوراخ رانده شده و تا عمق لازم کوبیده می شود. بر حسب طبیعت قرار گیری، شمعها به دو گروه شمعهای با جابه جایی و بدون جابه جایی تقسیم می شوند. شمعهای کوبیده شده، شمعهای با جابه جایی هستند، زیرا باعث رانش جانبی خاک اطراف و در نتیجه تراکم آن می شوند. شمعهای بتنی و شمعهای فولادی لوله با انتهای بسته، به علت حجم قابل توجه، در رده شمعها با جابه جایی زیاد قرار دارند. لیکن شمعهای فولادی H به علت حجم کم، باعث جابه جایی کم خاک اطراف می شوند و به همین جهت به آنها شمعها با جابه جایی کوچک گفته می شود. شمعهایی که به صورت درجا با حفاری خاک اجرا می شوند، در رده شمعهای بدون جابه جایی قرار داند. اجرای این شمعها تغییرات کمی در حالت تنش خاک اطراف شمع ایجاد می کند.

---