1-4-7 هدف

الزامات این فصل مربوط به پی‌های سطحی نظیر پی‌های منفرد، نواری، گسترده و مرکب است. برخی از این الزامات ممکن است شامل گونه‌هایی از پی‌های نیمه عمیق مانند پی صندوقه‌ای نیز بشود. مطالب این فصل در خصوص پی‌های بتنی، فولادی، چوبی و مصالح بنایی می‌باشد.

2-4-7 ملاحظات طراحی پی‌های سطحی

حالاتی که پی‌های سطحی معمولاً برای آن‌ها طراحی یا کنترل می‌شوند، به شرح زیر تقسیم می‌شوند:

الف – مواردی که در حالت حدی نهایی کنترل می‌شوند:

الف- 1- از دست رفتن پایداری کلّی پی

گسیختگی ناشی از فقدان پایداری کلی در کلیه پی‌ها و اجزای آن‌ها باید کنترل شود. پی‌های واقع در محل‌های زیر باید مورد توجه ویژه قرار گیرند:

– در نزدیکی و یا روی ساختگاه شیب‌دار، چه به صورت طبیعی و چه به صورت خاکریزی یا خاکبرداری شده

– در نزدیکی گودبرداری‌ها یا سازه‌های نگهبان

– در نزدیکی رودخانه‌ها، کانال‌ها، دریاچه‌ها، مخازن آب یا سواحل دریاها

– در نزدیکی معادن در حال بهره‌برداری یا سازه‌های مدفون

در این موارد باید نشان داده شود که پایداری کلی خاک و سازه پی با ضریب اطمینان کافی تأمین است.

الف – 2: گسیختگی خاک ناشی از کمبود ظرفیت باربری (کمبود مقاومت)

برای آنکه یک پی در برابر گسیختگی ناشی از کمبود ظرفیت باربری ایمنی کافی داشته باشد، باید رابطه زیر در همه حالات حدی نهایی و برای کلیه ترکیبات بارگذاری برقرار باشد.

F≤R

F: تنش طراحی حالت حدی مقاومت است که شامل تنش حاصل از بار سازه (عمودی، افقی و لنگر)، وزن پی، خاک روی آن و بار ناشی از فشار آب در صورت وجود می‌باشد.

R ظرفیت باربری نهایی خاک زیر سازه پی است. در محاسبه R باید کلیه ضرایب کاهنده یا افزاینده مربوط به شکل، شرایط هندسی پی، قرارگیری پی روی سطح شیب‌دار، خروج از مرکزیت و مایل بودن بار در نظر گرفته شود.

– در تعیین مقدار R در خاک‌های چسبنده به دلیل وجود تغییرات مقاومت برشی خاک در اثر تغییرات فشار آب حفره‌ای و بارهای دینامیکی باید شرایط کوتاه مدت و بلندمدت به طور جداگانه بررسی شوند.

– در مواردی که یک سازند مقاوم در زیر یک سازند ضعیف قرار دارد، در محاسبه R باید پارامترهای برشی سازند ضعیف بر حسب محل قرارگیری این سازند ضعیف در محاسبات دخالت داده شوند. هم‌چنین اثر مثبت سازند مقاوم بر ظرفیت باربری باید منظور گردد.

– در مواردی که خاک پی متشکل از نهشته‌های چند لایه‌ای است، پارامترهای ژئوتکنیکی هر لایه باید در محاسبه R منظور شود.

الف -3: گسیختگی خاک ناشی از لغزش پی

در پی‌هایی که بارهای مورب یا افقی بر آن‌ها وارد می‌شود باید لغزش پی بررسی شود. در این پی‌ها، در مواردی که کف زیرین پی افقی است، برای تأمین ایمنی کافی، باید نامساوی زیر برقرار باشد:

H≤S+P_P

H: مؤلفه افقی بارهای طراحی وارد بر پی است که در آن نیروی رانش محرک خاک نیز لحاظ شده است.

S: نیروی برشی مقاوم موجود بین سطح زیرین سازه پی و خاک پی است که طبق ضوابط الف-3-1 محاسبه می‌شود.

P_P: نیروی رانشی مقاوم جلوی سازه پی است که در اثر حرکت نسبی پی و زمین می‌تواند بسیج شود. این نیرو با توجه به ملاحظات الف-3-2 تعیین می‌شود.

الف 3-1: نیروی برشی مقاوم (S) در شرایط زهکشی شده و زهکشی نشده (بلندمدت و کوتاه مدت) به شرح زیر محاسبه می‌شوند:

الف -3-1-1: خاک در شرایط زهکشی شده

S= P’tan(δ)

که در این رابطه:

P’: مؤلفه قائم بارهای طراحی مؤثر وارد به پی است.

δ: زاویه اصطکاک بین سطح زیرین سازه پی با خاک است.

در پی‌های ساخته شده با بتن درجا δ برابر با زاویه اصطکاک داخلی () و در پی‌های با بتن پیش‌ساخته معادل است.

در رابطه فوق همانطوری که مشاهده می‌شود هر گونه چسبندگی مؤثر،، نادیده گرفته شده است.

الف -3-1-2: خاک در شرایط زهکشی نشده

S = A’.C_u

در این رابطه:

‘A مساحت مؤثر سطح زیرین پی و C_u چسبندگی زهکشی نشده خاک می‌باشد.

الف 3-2: نیروی رانشی مقاوم P_p با استفاده از ضریب مقاوم خاک K_p محاسبه می‌شود و مقدار آن بستگی به میزان حرکت نسبی بین سازه پی و زمین دارد. در محاسبه P_p در هیچ حالت مقدار K_p نباید بیشتر از پنجاه درصد مقدار محاسباتی آن در نظر گرفته شود.

در کاربرد P_p به دلیل نقش مقاوم آن باید اطمینان حاصل کرد که این نیرو در طول عمر سازه (زمان ساخت و زمان بهره‌برداری) وجود دارد و در اثر عواملی مثل فرسایش یا دخالت‌های انسانی حذف نمی‌گردد. در غیراینصورت از آن صرف نظر شود.

الف – 4: گسیختگی سازه ناشی از تغییرمکان پی

تغییرمکان‌های قائم و افقی نسبی قابل ملاحظه پی‌ها ممکن است در سازه اثرات نامطلوب و حتی گسیختگی ایجاد کند. باید اثرات این گونه تغییرمکان‌ها بر سازه مطالعه شوند. این مطالعه باید بر اساس الزامات مبحث مقررات ملی ساختمان انجام گیرد.

ب: مواردی که در حالت حدی بهره‌برداری کنترل می‌شوند:

ب- 1: نشست یکنواخت پی

ابعاد پی باید به نحوی تعیین شود که رابطه زیر برقرار باشد:

S≤S_a

که در این رابطه:

S_a: نشست یکنواخت مجاز می‌باشد که با توجه به جنس خاک، نوع پی و سازه با توجه به الزامات بند 7-4-4 تعیین می‌شود.

S: نشست یکنواخت حداکثر تحت بارهای سرویس است که شامل نشست‌های کوتاه مدت و بلندمدت (نشست تحکیمی و خزش) می‌باشد.

ب- 2: نشست غیریکنواخت پی

ب -2-1: نشست‌های غیریکنواخت و دوران‌های نسبی پی‌ها باید با در نظر گرفتن توام توزیع نیروی متفاوت وارده و تغییرات احتمالی مشخصات زیر پی‌های مختلف محاسبه شوند.

ب -2-2: محاسبه نشست غیریکنواخت بدون منظور کردن سختی سازه ممکن است به پیش‌بینی مقادیر غیرواقعی بینجامد. برای ساختمان‌های با اهمیت زیاد، اندرکنش سازه و خاک باید در تحلیل‌ها منظور شود.

ب-2-3: مقادیر نشست غیریکنواخت مجاز بر حسب نوع پی، نوع خاک و نوع سازه برای حفظ شرایط بهره‌برداری انتخاب می‌شود. این مقادیر در بند 7-4-4 داده شده‌اند.

ب- 2-4: به اثرات ناشی از زهکشی خاک که نشست‌های غیریکنواخت ایجاد می‌کند و هم‌چنین به نشست‌های اضافی در اثر تحکیم خاک باید توجه داشت.

ب -2-5: دوران پی‌ها بر اثر بارهای خارج از محور را می‌توان با در نظر گرفتن توزیع فشار خطی در زیر پی و با محاسبه نشست‌های ایجاد شده در گوشه‌های پی، تعیین نمود.

ب-3: در محاسبه نشست‌ها مدل‌های خطی یا غیرخطی رفتار خاک باید با شرایط ساختگاه سازگار باشند.

ب – 4: ژرفای لایه‌های مؤثر در محاسبه نشست باید با توجه به شکل و ابعاد پی، بار وارده و تغییرات سختی خاک در عمق و فاصله اجزای پی از یکدیگر تعیین گردد. این ژرفا معمولاً معادل با عمقی است که تنش قائم اضافی ناشی از بارگذاری پی در آن عمق معادل 10٪ تنش مؤثر روبار برجای خاک باشد یا ژرفای معادل حباب گسترش تنش 10٪ تنش کل وارد بر پی باشد. این ژرفا در بیشتر خاک‌ها بین 1 تا 3 برابر پهنای پی (بر حسب گسترده بودن یا نواری بودن پی) در نظر گرفته می‌شود. در پی‌های پهن که زیر بارهای سبک قرار دارند می‌توان این مقدار را کاهش داد. در مورد خاک‌های خیلی نرم این کاهش نباید انجام گیرد.

ب-5: سایر شرایط

سایر شرایطی که در بهره‌برداری پی تأثیر می‌گذارد از قبیل ارتعاشات پی و خاک، تورم خاک، فروریزشی بودن خاک، آب شستگی زیر پی، تغییرات سطح آب زیرزمینی و رطوبت خاک و غیره باید در نظر گرفته شوند.

3-4-7 ظرفیت باربری پی‌های سطحی

جهت تعیین ظرفیت باربری پی‌های سطحی می‌توان از یکی از روش‌های زیر بر حسب شرایط پروژه استفاده کرد.

– استفاده از روابط نظری ظرفیت باربری

با توجه به نوع خاک و پارامترهای به دست آمده از آزمایش‌های مکانیک خاک بر روی نمونه‌های دست خورده و دست نخورده اخذ شده از اعماق مختلف و نیز شرایط هندسی و بارگذاری پی، می‌توان از روابط موجود در مراجع معتبر مکانیک خاک و مهندسی پی ظرفیت باربری را تعیین نمود. در این راستا باید کلیه ضرایب کاهنده و افزاینده را بر حسب شرایط هندسی و شرایط بارگذاری بی‌با توجه به نوع خاک در رابطه اختیار شده بر حسب مورد در نظر گرفت.

– استفاده از آزمون‌های برجا

از نتایج آزمایش‌های برجا همانند نفوذ استاندارد، نفوذ مخروط، پرسیومتر، بارگذاری صفحه و غیره می‌توان به صورت مستقیم یا غیرمستقیم ظرفیت باربری را به دست آورد. همواره باید توجه داشت که روابط تجربی استفاده شده به این منظور باید از اعتبار کامل برخوردار بوده و با شرایط ساختگاه سازگاری داشته باشند. نظر کارشناسی متخصص ژئوتکنیک در این موارد باید اخذ شود.

4-4-7 مقادیر نشست مجاز

1-4-4-7 مقادیر مجاز نشست یکنواخت و غیریکنواخت در جدول 7-4-2 و مقادیر مجاز چرخش در جدول 7-4-3 ارائه شده است.

2-4-4-7 مقادیر مجاز نشست غیریکنواخت نصف مقادیر مجاز نشست یکنواخت می‌باشد.

جدول 7-4-2 مقادیر نشست مجاز تحت بارگذاری استاتیکی

جدول 7-4-3 مقادیر مجاز چرخش

5-4-7 روش‌های طراحی پی سطحی

در این مبحث دو روش طراحی شامل روش تنش مجاز و روش ضرایب بار و مقاومت برای طراحی پیشنهاد می‌شود. طراح می‌تواند هر یک از این روش‌ها را انتخاب کند.

1-5-4-7 روش تنش مجاز

1-1-5-4-7 ترکیب بار مورد استفاده در این روش ترکیبات مطرح شده در بخش تنش مجاز مبحث ششم مقررات ملی ساختمان می‌باشد. ضرایب بار در این روش عمدتاً یک می‌باشد.

2-1-5-4-7 در خاک‌های چسبنده فقط 50٪ بار زنده در محاسبات نشست دراز مدت اعمال می‌شود.

3-1-5-4-7 در صورتی که بار زلزله یا باد در نظر گرفته شود، در محاسبه ظرفیت باربری مجاز خاک از ضریب اطمینان کوچک‌تری می‌توان استفاده نمود. به هر حال ضریب اطمینان را بیش از 33% نمی‌توان کاهش داد.

4-1-5-4-7 ضریب اطمینان با توجه به نوع گسیختگی باید به صورت مناسب تعریف و مقدار آن نباید از مقادیر جدول 7-4-4 کمتر باشد.

جدول 7-4-4 حداقل ضرایب اطمینان به روش تنش مجاز در شرایط استاتیکی (پی منفرد – نواری)

6-1-5-4-7 کنترل نشست در روش تنش مجاز ضروری است. باید توجه داشت که مقدار نشست در حالت بهره‌برداری محاسبه شده نباید از مقدار نشست مجاز بیشتر شود.

7-1-5-4-7 در روش تنش مجاز جهت کنترل تنش زیر پی لازم است جدول 7-4-5 مدنظر قرار گیرد.

جدول 7-4-5 وضعیت تنش محاسبه شده زیر پی در مقایسه با ظرفیت باربری

8-1-5-4-7 در کنترل تنش‌های زیر پی منفرد اجازه داده می‌شود تا عرض پی به کشش کار کند.

9-1-5-4-8 در پی‌های انعطاف‌پذیر چنانچه ظرفیت باربری مجاز از معیار نشست به دست آمده باشد نیازی به کنترل نقطه به نقطه تنش نیست و طراحی را می‌توان بر اساس تنش مؤثر متوسط کمتر از ظرفیت باربری مجاز انجام داد.

2-5-4-7 روش ضرایب بار و مقاومت

1-2-5-4-7 در روش ضرایب بار و مقاومت، ضرایب مورد استفاده برای افزایش بارها باید منطبق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان باشد.

2-2-5-4-7 در این روش طراحی ضرایب کاهش مقاومت باید مطابق جدول 7-4-6 در نظر گرفته شود.

3-2-5-4-7 در حالت حدی بهره‌برداری، ضرایب بار و مقاومت عمدتاً برابر یک می‌باشد و باید مطابق الزامات مبحث ششم مقررات ملی ساختمان در نظر گرفته شود هم‌چنین مقدار نشست محاسبه شده باید از نشست مجاز کمتر باشد.

4-2-5-4-7 برای کنترل تنش زیر پی در روش ضرایب بار و مقاومت مشابه جدول 7-4-6 عمل شود ولی لازم است به جای ظرفیت باربری مجاز از ظرفیت باربری کاهش یافته استفاده شود.

جدول 7-4-6 ضرایب کاهش مقاومت در شرایط استاتیکی

3-5-4-7 ملاحظات لرزه‌ای در طراحی پی‌های سطحی

در طراحی پی‌هایی که تحت ترکیبات بارگذاری لرزه‌ای قرار می‌گیرند، بندهای زیر در تعیین ظرفیت باربری مجاز پی، R، الزامی است.

1-3-5-4-7 احتمال کاهش مقاومت و سختی خاک، بر اثر بارهای زلزله باید بررسی شود و پارامترهای ژئوتکنیکی خاک با توجه به این احتمال محاسبه شوند. کاهش مقاومت و سختی خاک می‌تواند از کرنش‌های کوچک هم آغاز شود.

2-3-5-4-7 در سازه‌هایی که به تغییرشکل‌های ایجاد شده در خاک حساس هستند، در تعیین تغییرشکل‌های دائمی احتمالی ناشی از زلزله باید رفتار غیرخطی خاک مورد توجه قرار گیرد.

3-3-5-4-7 احتمال کاهش مقاومت برشی در رس‌ها در نظر گرفته شود.

4-3-5-4-7 خاک‌های دانه‌ای کم متراکم یا با تراکم متوسط براثر زلزله در معرض افزایش فشار آب حفره‌ای قرار می‌گیرند. کاهش مقاومت برشی زهکشی نشده (کوتاه مدت) در اثر این افزایش فشار آب حفره‌ای در محاسبه R در شرایط لرزه‌ای باید لحاظ شود.

5-3-5-4-7 در خاک‌های ماسه‌ای اشباع نامتراکم تا کم تراکم، احتمال وقوع روانگرایی باید بررسی شود و در صورت وقوع روانگرایی پیش‌بینی‌های لازم در نظر گرفته شود. در صورت عدم وقوع روانگرایی، کاهش ظرفیت باربری در اثر افزایش فشار آب حفرهای در نظر گرفته شود.

6-3-5-4-7 در شرایط زلزله ضریب اطمینان ظرفیت باربری و ضرایب بار و مقاومت طبق جداول 7- 4 -7 و 7-4-8 تغییر می‌یابد. باید توجه شود که اگر در ترکیبات بارگذاری ضرایب کاهنده در هنگام زلزله منظور شده باشد، افزایش ظرفیت باربری و یا به تعبیر دیگر کاهش ضرایب اطمینان مجاز نیست.

جدول 7-4-7 حداقل ضریب اطمینان به روش تنش مجاز در شرایط لرزه‌ای

جدول 7-4-7 ضرایب بار و مقاومت در شرایط لرزه‌ای برای روش ضرایب بار و مقاومت

6-4-7 پی‌های انعطاف‌پذیر

1-6-4-7 برای تحلیل پی‌های انعطاف‌پذیر نمی‌توان از توزیع خطی تنش در زیر پی استفاده کرد و باید توزیع تنش را با مدل‌سازی پی به صورت تیر و دال بر روی بستر الاستیک یا بر روی یک سری فنر ارتجاعی با سختی مناسب به دست آورد.

2-6-4-7 مدول عکس‌العمل بستر (K_s) باید با استفاده از تحلیل نشست و با در نظر گرفتن توزیع تنش مناسب تعیین گردد. از آزمایش‌های برجا همانند بارگذاری صفحه و پرسیومتری با اصلاحات لازم باید استفاده کرد. این مدول در ارزیابی نیروهای داخلی پی نقش تعیین کننده دارد و باید با دقت تعیین شود.

3-6-4-7 برای پی‌های گسترده انتخاب مقدار یکنواخت (K_s) در تمام سطح زیر پی صحیح نمی‌باشد و متناسب با نشست رخداده باید تغییر کند. افزایش سختی در لبه‌ها تا دو برابر توصیه می‌شود. پهنای نوارهای لبه می‌تواند حدود پهنای پی در همان جهت در نظر گرفته شود.

4-6-4-7 به جای استفاده از مدول فنری در پی‌های انعطاف‌پذیر، بهتر است از مدل‌سازی محیط متخلخل استفاده نمود.

7-4-7 ملاحظات اجرایی پی‌های سطحی

1-7-4-7 در صورت عدم وجود زیرزمین، عمق قرارگیری پی باید بزرگتر از عمق یخ زدگی باشد.

2-7-4-7 در تعیین تراز پی باید موارد زیر رعایت گردند.

الف – پی باید در ترازی قرار گیرد که تغییرات فصلی پی را تحت تأثیر قرار ندهد.

ب- پی باید بر روی لایه باربر مناسب طبیعی یا خاک بهسازی شده یا متراکم شده اجرا شود.

ج- عمق پی در مناطق دارای پتانسیل سیل باید به حدی باشد که خاک زیر آن بر اثر سیلاب شسته نشود

3-7-4-7 برای جلوگیری از تغییرمکان‌های افقی نسبی پی‌ها بر اثر بارهای وارده، به ویژه هنگام زلزله، لازم است پی‌های منفرد واقع در یک صفحه افقی توسط کلاف‌هایی در دو جهت بهم متصل گردند. این کلاف‌ها باید دارای مقاومت و سختی کافی برای مقابله با نیروهای افقی پیش‌بینی شده باشند.

کلاف‌ها معمولاً برای کشش طراحی می‌شوند و نیروی ایجادشده در آن‌ها را می‌توان با مدل‌سازی مناسبی تعیین کرد. در غیراین صورت این کلاف‌ها باید بر اساس ضوابط مبحث نهم مقررات ملی ساختمان برای نیروی کششی معادل ده درصد بزرگترین نیروی محوری وارد به ستون‌های طرفین خود طراحی شوند.

4-7-4-7 در مواردی که نیاز به استفاده از پی نواری در سازه است ترجیح داده می‌شود به جای نوارهای یکطرفه در یک جهت و کلاف‌های رابط در جهت دیگر، از نوارهای دو طرفه استفاده شود و سختی نوارها طوری در نظر گرفته شود که بارهای وارده تا حدامکان به طور یکنواخت توزیع شوند.

5-7-4-7 محل پی‌هایی که در نزدیکی شیب‌ها ساخته می‌شوند باید مطابق موارد زیر انتخاب شوند:

الف – پی‌ها باید از لبه شیب در بالا و پائین فاصله مناسبی داشته باشند، این فاصله با کنترل پایداری شیب و تغییرشکل‌ها مشخص می‌شود. در صورت طراحی مناسب (تأمین پایداری با محدودیت تغییرشکل در حد مجاز) این فاصله می‌تواند صفر شود.

ب- در صورت قرارگیری پی در بالای شیب، در صورت عدم محاسبه پایداری، خطی که با شیب 2 افقی به 1، قائم از لبه پی می‌گذرد نباید با سطح شیب برخورد کند. در صورت تأمین پایداری و تعیین تغییرشکل‌های پی که کمتر از مقادیر مجاز باشند، نقض مورد ذکر شده اشکالی ندارد.

ج- برای قرارگیری پی‌ها در مجاورت سطوح شیب‌دار باید یا از لبه سطح شیب‌دار عقب نشینی شود یا با انجام تمهیدات لازم از عدم پایداری یا تغییرشکل‌های غیرمجاز جلوگیری شود.

6-7-4-7 در قرارگیری پی روی بسترهای سنگی باید احتمال برخورد به هر یک از حالات زیر را بررسی کرد:

• وجود هرگونه لایه ضعیف، قابل انحلال یا هرگونه حفاری و سازه‌های زیرزمینی در زیر پی
• وجود درزه‌ها، شکاف‌ها، ناپیوستگی‌ها و هر گونه مواد پرکننده ناپیوستگی
• شیب لایه‌های سنگی
• وجود حالت هوازدگی و شکست در سنگ