شمع ها به عنوان پی عمیق وظیفه تحمل و انتقال بارهای مختلف پل ها، اسکله ها و بسیاری از سازه های دیگر را به عهده دارند.
میزان باربری شمع ها دامنه وسیعی را شامل می شود.
شمع ها را می توان براساس معیارهای مختلفی از جمله مصالح تشکیل دهنده، شکل هندسی و روش اجرا دسته بندی نمود.
در دسته بندی شمع ها براساس مصالح تشکیل دهنده آنها می توان به انواع زیر اشاره نمود:
-شمعهای فلزی
-شمعهای بتنی
-شمعهای بتن مسلح(پیش ساخته، پیش ساخته پیش تنیده و یا درجاریز)
-شمعهای مرکب
-شمعهای چوبی
-شمعهای با مصالح سنگی
در طبقه بندی شمع ها براساس شکل هندسی آنها ،مثال های زیر قابل ذکر می باشند:
-شمع های فولادی لوله ای
-شمع های فولادی دارای مقطع I و یا H
-شیت پایلها
-شمعهای بتن مسلح با مقطع دایره(دایروی)
-شمعهای بتن مسلح دارای مقطع مستطیل
-شمعهای بتن مسلح دارای مقطع ٨ ضلعی و یا سایر چندضلعی های منتظم
-شمعهای بتن مسلح دارای مقطع T (شمع های T section)
گفتنی است دسته بندی دیگری نیز براساس میزان جابجایی خاک مجاور شمع ها برای آنها وجود دارد. در این طبقه بندی شمع ها به سه دسته تقسیم می گردند:
١-شمعهایی که قرار گرفتن آن در زمین با جابجایی زیاد در خاک مجاور همراه است، شامل: شمع چوبی، شمع بتن مسلح پیش ساخته یا پیش فشرده، شمع بتن مسلح در جاریز، شمع بتنی دایروی که با ته بسته در زمین کوبیده شده و داخل آن بعداً بتن ریزی شود و شمع فلزی لولهای که با ته بسته در زمین کوبیده شده و داخل آن بعدا بتن ریزی شود.
٢-شمعهایی که قرار گرفتن آن در زمین همراه با جابجایی کم خاک است و از آن جمله اند: شمعهای فلزی با مقطع H یا I و نیز شمع فلزی با مقطع دایره که با ته باز در زمین کوبیده شود و داخل آن بعداً خالی شده بتن ریزی گردد و یا اینکه اصولا بتن ریزی هم نشود.
٣-شمع هایی که قرارگرفتن آنها در زمین همراه با جابجایی خاک مجاور نیست، مشتمل بر: انواع شمع بتن مسلح با مقطع دایره یا غیر دایره که پس از حفاری در محل بتن ریزی میشود و انواع شمع های فلزی با مقاطع دایره و غیر دایره که قبل از کوبیده شدن در زمین محل قرار گرفتن آنها حفاری می شود.
دسته بندیهای دیگری نیز برای انواع شمع وجود دارند که از جمله می توان به تقسیم بندی شمع ها بر حسب طول و مکانیزم انتقال بار به خاک (به تفکیک شمع های اتکایی، اصطکاکی و تراکمی) و نیز طبقه بندی شمع ها بر اساس تناسبات هندسی آنها (به تفکیک شمع و ریزشمع (میکروپایل)) اشاره نمود.
روشهای اجرای شمعها نیز عمدتاً در قالب این محورها دسته بندی می شوند:
-اجرای شمع های پیش ساخته با کوبش آنها در زمین (برای شمع های فولادی ،بتنی و ...)
-اجرای شمع ها به روش درجاریز (برای شمع های بتن آرمه)
در روش اول شمع ها (بتن مسلح ،فولادی ، چوبی یا ..) به صورت پیش ساخته تولید و به محل اجرا حمل گشته در انجا در بستر کوبیده می شوند. محل کوبش می تواند متناسباً در خشکی، ساحل و یا نواحی فراساحل باشد.
در روش دوم مقطع شمع در بستر زمین حفاری می شود و پس از رسیدن به عمق لازم، مصالح (قفس آرماتور و بتن) در چاه حفاری شده اجرا می گردند.
گفتنی است علی رغم آنکه شمعهای درجا اغلب به روش حفاری اجرا می شوند، ولی برای قطرهای کوچک می توان به جای حفاری از روش دیگری کمک گرفت. روش مذکور از این قرار است که ابتدا لولهای فولادی که در انتهای آن یک سنبه قرار دارد در محل موردنظر جهت اجرای شمع و تا عمق مطلوب کوبیده میشود. آنگاه با خارج نمودن سنبه، چاهی به قطر و عمق موردنظر آماده خواهد بود.
جهت انتخاب سیستم شمع، ملاکهایی باید لحاظ گردد که بعضی از اهم آنها به شرح ذیل می باشند:
١-شرایط زمین شامل موقعیت و مشخصات لایه های خاک و وضعیت آب زیرزمینی.
٢-موقعیت و نوع سازهای که بار ان باید از طریق شمع به زمین منتقل گردد و نیز مشخصات بارهایی که باید منتقل شوند.
٣-شرایط محیطی
۴-امکانات اجرایی و ملاحظات اقتصادی
در این خصوص لازم به ذکر است که در بسیاری از موارد عوامل فوق منتج به انتخاب شمعهای بتن مسلح به روش درجاریز میگردند. به عنوان مثال مناسب بودن شرایط زمین از قبیل سهولت حفاری و یا ایستایی نسبی دیواره چاه شمع از موارد انتخاب این سیستم اجرای شمع می باشد. همچنین است جاهایی که نیاز به تامین قطرهای بالا برای شمع وجود دارد.
مقطع شمعهای درجاریز می تواند ثابت یا متغیر باشد. تغییر مقطع شمعهای دسته دوم ممکن است به صورت یکنواخت و یا پلهای باشد.
جهت افزایش باربری انتهای شمعهای درجاریز مقطع نوک آنها را به صورت انباره و به اندازه بزرگتر از مقطع شمع طراحی و اجرا مینمایند. شکل مقطع مذکور می تواند به صورت دایره باشد (که این نوع شمعها، شمع گرزی یا بتنی فشرده یا فرانکی نیز خوانده می شوند) و یا به صورت مخروط (معروف به زنگوله ای یا Bell) در نظر گرفته شود.
گفتنی است مطابق آئین نامه استاندارد پلهای بزرگراهها-آشتو حداقل مساحت نوک شمع برای شمعهای درجاریز باید ۶۴۵ سانتی مترمربع باشد. ضمناً حداقل قطر نوک آنها برابر ٢۰ سانتی متر تعریف شده است(شمع های دارای قطر کمتر از ٢۰-٢۵ سانتی متر در گروه میکروپایل ها محسوب می شوند).
مزایای شمع های بتنی درجاریز
بعضی از اهم مزایای شمع های بتنی درجاریز از قرار ذیل می باشند:
١-اجرای شمعهای درجاریز در بسترهای سنگی متشکل از مواردی همچون بولدرهای کوچک (Small Bouldersا) و کوبول (Cobble) در مقایسه با کوبش شمع در زمینهای مذکور تفوق دارد. گفتنی است اجرای شمع در بسترهای فوق الذکر به روش درجاریز در محل و با مشخصات اولیه مدنظر اجرا شود فاز باز طراحی مذکور نیز حذف خواهد شد. به عنوان مثال شمعهای پیش ساخته بتنی در بسیاری موارد امکان عبور از لایه های متراکم را ندارند و شکستن آنها در این شرایط محتمل است.
٢-شمع کوبی با توجه به ایجاد آلودگی صوتی قابل توجه، در مناطق شهری و مسکونی عملاً غیرقابل اجرا و منتفی است. در حالیکه اجرای شمعهای درجاریز هیچگونه محدودیتی از جهت فوق ندارد.
اهمیت مضاعف این موضوع هنگامی قابل تشخیص خواهد بود که به توسعهی چشمگیر اجرای پیهای شمعی برای پل ها و سایر سازههای مهم در مناطق مذکور توجه گردد.
٣-با اجرای شمعهای درجاریز، عملاً مشکلاتی همچون ایجاد لرزش و جابجایی زمین که بر سازه ها و تاسیسات مجاور تاثیر منفی دارند بوجود نخواهند آمد. این در حالی است که برای گزینه شمع کوبی مشکلات فوق می توانند مطرح باشند.
۴-با اجرای شمع ها به روش درجاریز مقاومت نسبت به نیروی رانش از زیر (Up lift) به راحتی تامین می شود که این مقاومت با بغل تراشی انتهای شمع و ایجاد شکل زنگوله ای آن افزایش می یابد.
۵-نیروی رانش از زیر با اجرای شمعها به روش درجاریز کاهش می یابد. به این صورت که بارهای Up lift ناشی از مواردی همچون تورم خاک مورد احتراز قرار می گیرند یا به حداقل می رسند.
۶-در رابطه با کوبش شمعها لازم است رعایت شود که نیروی کوبش باعث مشکلاتی همچون کمانش (علی الخصوص برای شمعهای H شکل) و خرابی موضعی سر شمع نگردد در حالیکه در اجرای شمعها به روش درجاریز چنین محدودیت هایی وجود ندارد.
٧- محدودیت طول و قطر شمعها در روش درجاریز به مراتب کمتر از روش کوبش میباشد. بدیهی است با افزایش سطح مقطع و طول شمع، ظرفیت باربری شمع افزایش می یابد و همچنین از پتانسیل عکس العمل جانبی جهت انتقال بارهای افقی استفاده میشود. ضمناً با افزایش طول شمع، امکان رسیدن به لایههای مناسبتر احتمالی محقق می شود.
٨-اجرای شمعهای درجاریز در شرایطی که شناخت زمین و عوامل محیطی و ... به درستی صورت گرفته باشد و انتخاب دستگاه و روش اجرا صحیح باشد از لحاظ اقتصادی نسبت به کوبش شمع ها به صرفه تر است.
معایب شمع های بتنی درجاریز
با وجود مزیت هایی که برای شمع های درجاریز مطرح شد، محدودیت ها و معایبی نیز بر آنها مترتب است که بعضی از مهمترین موارد مذکور به شرح ذیل می باشند:
١-تاثیر شرایط جوی مانند بارش باران، درجه حرارت محیط و ..... بر عملیات حفاری و بتن ریزی شمعهای درجاریز به مراتب بیشتر از تاثیر آنها بر شمع کوبی است.
٢- شرایط نامناسب ژئوتکنیکی محل اجرا و ایجاد موارد غیرمنتظره ناشی از آن می تواند باعث تاثیرات بیشتری بر روند اجرا در حالت شمع درجاریز نسبت به حالت شمع کوبی گردد. از جمله اینکه روش انتخابی برای حفاری و بتن ریزی با شرایط و خصوصیات زمین مطابقت نداشته باشد.
٣-جهت اجرای شمعهای درجاریز نیاز به مطالعات و اطلاعات بیشتری در خصوص وضعیت ژئوتکنیکی سایت، شرایط جوی و .... نسبت به سایر روش های اجرای پیهای عمیق می باشد.
۴- بازرسی و نظارت فنی اجرای شمعهای درجاریز و بویژه جهت عملیات حفاری و بتن ریزی آنها از حساسیت بیشتری نسبت به شمع هایی که به روش کوبش اجرا می شوند برخوردار است.
۵-در اجرای شمعهای درجاریز ممکن است در اثر تخلیه غیرقابل کنترل آب (Dewatering) وضعیت لایه های زیرین از لحاظ تحکیم دچار تغییراتی شود و این امر باعث نشست هایی در لایههای خاک سایت گردد.
۶-روش درجاریز جهت نیل به کیفیت مناسب مصالح شمع ، نسبت به حال شمع کوبی (که شمع (اعم از بتنی یا فولادی) به صورت پیش ساخته در شرایط کاملا تحت کنترل ساخته شده است) نیاز به اقدامات و کنترل های اساسی دارد که در مواردی قابل تحقق نخواهد بود.
٧- اجرای شمع های درجاریز به صورت مایل ( بویژه برای قطرهای بزرگ) محدودیت بیشتری نسبت به اجرای شمع به روش کوبش دارد.
در تصویر ذیل بخشی از شمع هایی که روش اجرای آنها موضوع مقاله حاضر میباشد به صورت شماتیک نمایش داده شده است.
سیمان مورد استفاده در بتن شمع ها، سیمان پرتلند و عیار آن ۴۰۰ کیلوگرم در مترمکب بتن است. مقاومت ٢٨ روزهی مدنظر برای بتن، ٣۰۰ کیلوگرم بر سانتی مترمربع (برای نمونه های به ابعاد ١۵ × ١۵ × ١۵ سانتی متر) می باشد. میلگرد مورداستفاده در قفس آرماتور شمع ها از نوع AIII با مقاومت ۴۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. طول هر شاخه میلگرد برابر ١٢ متر می باشد.
