شناخت و ارزيابي ساختگاه

چکيده
 

در اين مقاله سعي شده است مباني مطالعات ژئوتکنيک با ديدگاه کاربردي مورد توجه قرار گيرد و اطلاعات کلي مورد نياز که در گزارشات ژئوتکنيک مدنظر قرار مي گيرد و بايد مورد توجه مهندسان ناظر و مجريان قرار گيرد ارائه شود. در هر حال براي اخذ اطلاعات بيش تر به مراجع ژئوتکنيک بالاخص مبحث هفتم مقررات ملي ساختمان 1388 مراجعه شود.
شناخت و ارزيابي ساختگاه از ضرورت هاي ساخت و ساز قبل از هر اقدام ديگر است. يکي از خطاهاي مهم طراحي و اجرايي در شرايط حاضر احداث ساختمان بر روي زمين هايي است که هيچ مستندي از وضعيت فني آن در دست نيست و صرفاً بر پايه ي حدس و گمان و فرضيات بنا مي شوند.
ميزان اطلاعات لازم براي ارزيابي ساختگاه و هزينه اي که لازم است براي به دست آوردن آن صرف شود بستگي به عوامل مختلف از قبيل:
الف) اطلاعات موجود از زمين هاي مجاور و سابقه ي ساخت و سازهاي اطراف.
ب) اهميت سازه.
ج) تعداد طبقات سازه.
د) گستردگي سازه و بزرگي ابعاد زمين.
هـ) معاينه ي محلي و وجود شرايط نامتعارف و ناهمگني.
و) موقعيت لرزه اي - امکان لغزش و روانگرايي.
ز) وجود آب هاي زيرزميني.
ح) عمق گودبرداري.
ط) موقعيت زمين از لحاظ وجود لايه هاي مشکل دار.
دارد که به توضيح عوامل ذکر شده مي پردازيم.
الف) اطلاعات موجود از زمين هاي مجاور ساختگاه مي تواند از لحاظ تعداد گمانه ي مورد نياز موقعيت آن ها کمک شاياني بنمايد. اگر اين اطلاعات حاکي از يکنواختي لايه ها در عمق باشد مي تواند نتيجه ي کاهش تعداد گمانه ها و بالعکس افزايش آن ها را به دنبال داشته باشد.
ب) اهميت سازه هم مي تواند در تصميم گيري نسبت به حجم مطالعات مؤثر باشد. مطالعات ساختگاه براي احداث يک پروژه ي معمولي يا ساختمان عمومي مثل پل و منابع آب و استخر و آثار تاريخي مي تواند از اين ديدگاه متفاوت باشد.
ج) بديهي است هر چه وزن سازه بيش تر باشد تنش هاي ناشي از آن، عمق بيش تري را متأثر خواهد ساخت. بنابراين افزايش طبقات، حجم اطلاعات بيش تري را از عمق ساختگاه مي طلبد.
د) اطمينان از يکنواختي لايه هاي زيرين ساختگاه را ضرورت هاي مطالعات ژئوتکنيک است. اين مهم در ساختگاه سازه هاي با ابعاد بزرگ از اهميت بيش تري برخوردار است. عدم يکنواختي لايه هاي زير پي در يک تراز ممکن است باعث ايجاد نشست هاي نامساوي گشته و باعث آسيب جدي به سازه گردد.
هـ) معمولاً حفاري يک يا دو گمانه ي دستي و بررسي و معاينه ي محلي آن مي تواند کمک شاياني به تشخيص ميزان و روند مطالعات بعدي بنمايد. تحقيقات محلي نيز از لحاظ وجود حفره ها و قنات هاي احتمالي ضروري است.
و) در شرايط فقدان مطالعات ريزپهنه بندي لرزه اي، مطالعات لرزه اي بالاخص براي ساختمان هاي با اهميت و بزرگ مي تواند در تعيين دقيق ضرايب مربوط به زلزله مؤثر باشد. دقت بيش تر در تعيين اين ضرايب مي تواند کمک شاياني به افزايش ايمني و اقتصادي شدن طرح بنمايد. عمق لايه ها تا بستر و جنس آن ها مي تواند تغييرات اساسي در پريود امواج ارتعاشي زلزله ايجاد نمايد. نزديک شدن مقدار اين پريود به پريود ارتعاش سازه باعث تشديد ارتعاشات و افزايش آسيب پذيري سازه خواهد شد. در اين مطالعات مسائل مربوط به لغزش زمين و روانگرايي خاک از اهميت ويژه اي برخوردار است که بايد مد نظر قرار گيرد.
ز) وجود آب هاي زيرزميني و تغييرات سطح تراز آن براي سازه هاي زيرزميني و فشارهاي وارد بر سازه به صورت جانبي يا بالارونده (uplift) بايد بررسي شود. تغييرات سطح آب زيرزميني بالاخص در لايه هاي رس ممکن است موجب تورم يا تحکيم و ايجاد نشست هاي نامتعارف گردد.
ح) عمق گودبرداري نقش مهمي در تعيين ظرفيت باربري و تنش مجاز خاک در زير پي دارد. در شرايطي که ساختمان نياز به گودبرداري دارد بايد اطلاعات لازم جهت تعين نحوه ي حفاظت از ديواره هاي گود و اجراي آن جمع آوري شود.
ط) مطالعات و آزمايشات انجام شده در اصفهان و حومه ي آن حاکي از وجود تنوع خاک و لايه هاي مشکل دار مي باشد:
- وجود تغييرات شديد لايه هاي خاک به فاصله ي نزديک و احتمال وجود لايه هاي لجني و آلي و همچنين ماسه هاي ريز فاقد چسبندگي و داراي پتانسيل روانگرايي در حاشيه ي زاينده رود.
- وجود تغييرات شديد لايه هاي خاک به فاصله ي نزديک و احتمال وجود لايه هاي لجني و آلي و همچنين ماسه هاي ريز فاقد چسبندگي و داراي پتانسيل روانگرايي در حاشيه ي زاينده رود.
- وجود خاک هاي دستي در بافت مرکزي شهر و يا قبرستان هاي سابق با عمق قابل توجه.
- وجود خاک هاس دستي و آلي با مقاومت پايين در مجاورت مادي ها و احتمال عدم يکنواختي لايه ها به فاصله ي اندک.
- وجود خاک هاي دستي در محل هاي کوره هاي آجرپزي در شمال اصفهان و يا جوي هاي قديمي که به مرور توسط خاک هاي دستي پر شده اند.
- وجود قنات ها در مناطق شمال اصفهان - شاهين شهر - بهارستان و ... بالاخص آسيب پذيري از ناحيه ي قنات هاي متروکه.
- وجود خاک هاي حامل املاح مضر چون سولفات ها و کلر در نواحي سپاهان شهر - بهارستان - شاهين شهر و غيره.

ضرورت ايجاد بانک اطلاعات ژئوتکنيک براي شهر اصفهان
 

تا کنون هزينه هاي زيادي توسط بخش هاي خصوصي و دولتي براي شناسايي وضعيت ژئوتکنيکي اصفهان به صورت موضعي انجام شده است. با جمع آوري و ساماندهي اين اطلاعات و انتقال آن بر روي نقشه هاي GIS مي توان مجموعه ي مناسبي را براي شناسايي خاک هاي مشکل دار به وجود آورد. اين مجموعه کمک شاياني به روند مطالعات در پروژه هاي شهري و کنترل نتايج ژئوتکنيک براي مراجع کنترل خواهد نمود.

آزمون هاي لازم براي ارزيابي ساختگاه
 

آزمون هاي لازم براي ارزيابي ساختگاه معمولاً به صورت صحرايي و آزمايشگاهي انجام مي شود و نتايج مطلوب زماني به دست مي آيد که اين دو حرکت همزمان انجام شود.
عمده ي آزمون هاي صحرايي به شرح ذيل مي باشد:
1- نفوذ استاندارد SPT (Standard Penetration Test)
2- نفود مخروط CPT (Cone Penetration Test)
3- نفوذ پذيري خاک SP (Soil Permability)
4- بارگذاري صفحه اي PLT (Plate Load Test)

آزمون هاي آزمايشگاهي:
 

1- تعيين درصد رطوبت
2- تعيين وزن حجمي خاک
3- آزمايش دانه بندي و هيدرومتري
4- تعيين حدود آتربرگ
5- تعيين ارزش ماسه اي
6- تعيين چگالي ذرات خاک
7- آزمايش تراکم
8- آزمايش تحکيم
9- تعيين ظرفيت باربري خاک (C.B.R)
10- تعيين مقاومت فشاري تک محوري
11- آزمايش برش مستقيم
12- تعيين مقاومت فشاري سه محوري

الف) آزمايش SPT
 

آزمايش SPT معيار خوبي براي تخمين خواص مقاومتي خاک ها مي باشد. براي مثال سفتي خاک هاي رسي را مي توان به عدد نفوذ استاندارد ربط داد که اين ارتباط به صورت جدول 1 مي باشد:

جدول 1: رابطه ي مقاومت فشاري و عدد نفوذ استاندارد
 

همچنين از آزمايش SPT براي تخمين تراکم نسبي ماسه و زاويه ي اصطکاک تقريبي استفاده مي شود که ارتباط عدد SPT و پارامترهاي عنوان شده به صورت جدول 2 ارائه مي گردد:

جدول 2: رابطه ي تراکم نسبي و زاويه ي اصطکاک ماسه با عدد نفوذ استاندارد
 

براي تخمين پارامترهاي خاک از روي عدد SPT بايد به نکات زير توجه نمود:
1- عددهاي به دست آمده به صورت تقريبي هستند.
2- با توجه به اين که خاک به صورت همگن نيست عدد SPT به دست آمده براي يک گمانه داراي دامنه ي وسيعي مي باشد.
3- در خاک هايي که داراي قلوه سنگ و شن مي باشند عدد SPT قابل قبول نمي باشد و گمراه کننده است.
در آزمايش CPT که براي خاک هاي درشت دانه استفاده مي شود به جاي نمونه گير SPT از يک مخروط توپر استفاده مي گردد.

ب) آزمايش بارگذاري صفحه اي در محل
 

صفحه ي بارگذاري مي تواند يک صفحه ي دايره اي به قطر 15 تا 75 سانتيمتر و يا صفحه ي مربع به ابعاد 30×30 سانتيمتر باشد. براي آزمايش ابتدا گودالي به عمق Df حفاري مي شود. عرض گودال حداقل بايد 4 برابر قطر صفحه ي بارگذاري باشد. سپس صفحه ي آزمايش روي خاک قرار داده مي شود و به تدريج به وسيله ي يک جک بارهاي مختلفي به آن داده مي شود. بعد از هر افزايش بارگذاري، زمان کافي براي نشست داده مي شود. بعد از اين که نشست صفحه متوقف شد مقدار بار و نشست ثبت شده و بار اضافه مي شود. با يادداشت نمودن مقدار بار و نشست براي هر افزايش بار، نمودار بار - نشست به صورت نمودار 1 رسم مي شود.
با استفاده از نتايج آزمايش بارگذاري صفحه اي، ظرفيت باربري نهايي پي واقعي مي تواند از روابط زير تخمين زده شود:
qu صفحه = qu پي براي رس
qu×(Bf/BP) صفحه = qu پي براي خاک ماسه اي
نشست واقعي پي را مي توان از نتايج آزمايش بارگذاري به دست آورد:
(Bf/BP)×S صفحه = S پي براي رس
2[(BP+Bf)/Bf2]×S صفحه = S پي براي خاک ماسه اي
که BP عرض پي و Bf عرض صفحه ي بارگذاري مي باشد.
از آزمايش بارگذاري صفحه اي براي تخمين پارامترهاي الاستيکي خاک از قبيل مدول الاستيسيته ي خاک، ضريب واکنش بستر نيز استفاده مي گردد.

جمع آوري اطلاعات مورد نياز
 

در ساختمان هاي رايج شهري معمولاً بسته به ارتفاع، مساحت، اهميت ساختمان، کيفيت خاک و با استفاده از آزمون هاي صحرايي و آزمايشگاهي مي توان تحليلي از وضعيت ساختگاه به دست آورد.
اطلاعات مورد نياز براي ساختمان هاي کم اهميت و کم ارتفاع مي تواند از طريق حفر يک يا چند گمانه ي دستي و معاينه ي محلي، تجربيات مشابه و قضاوت مهندسي و درصورت نياز برداشت خاک به صورت دست خورده و دست نخورده و انجام آزمايشاتي چون تعيين دانه بندي، نوع خاک، ضريب اصطکاک و چسبندگي آن و ... به دست مي آيد.
به اين نوع ساختما ها در مبحث هفتم مقررات ملي ساختمان تحت عنوان رده ي ژئوتکنيکي يک اشاره شده است. ساختمان هاي اين رده ساختمان هايي هستند که از لحاظ ارتفاع تا چهار طبقه و کم تر از 12 متر و از لحاظ مساحت کم تر از 300 مترمربع و از لحاظ اهميت داراي اهميت کم و متوسط باشند. حداکثر گودبرداري در آن ها 2/5 متر و فاقد خاک مشکل دار و يا خطر براي مجاوران باشد و در عين حال انبوه سازي ها در اين رده قرار نمي گيرند.
براي ساختمان با اهميت و مرتفع مي توان از طريق احداث گمانه هاي ماشيني در عمق زيادتر و کليه ي آزمون هاي صحرايي و آزمايشگاهي اطلاعات مورد نياز براي تحليل لازم را به دست آورد.

جدول 3: ميزان نشست مجاز
 

در مبحث هفتم مقررات ملي ساختمان اين نوع ساختمان ها به دو رده ي ژئوتکنيکي 2 و 3 تقسيم شده است. رده ي ژئوتکنيکي (2) ساختمان هاي تا 15 طبقه با شرايط معمولي ژئوتکنيکي، گودبرداري کم تر از 6 متر و يا دو طبقه ي زيرزمين، سازه ي نگهبان کم تر از 6 متر و يا ساخت و ساز بر روي خاکريزه هاي مهندسي را شامل مي شود.
ساختمان هايي که در رده ي ژئوتکنيکي 1 و 2 قرار نمي گيرند در رده ي سه دسته بندي مي شوند.
براي تعيين عمق گمانه ها در شروع کار روابطي تقريبي پيشنهاد شده است که به شرح ذيل مي باشد:
براي خاک ضعيف 6S0.7+Df
براي خاک متوسط 5S0.7+Df
براي خاک مناسب 3S0.7+Df
که S تعداد طبقات و Df عمق استقرار پي مي باشد.
در هر حال تعداد و عمق گمانه ها بايد به ترتيبي باشد که اطلاعات مورد نياز را براي تحليل و ارائه ي گزارش به دست دهد.
لازم به ذکر است در ضمن گمانه زني ممکن است ضرورت هاي ديگري ايجاب نمايد تا تعداد و عمق گمانه ها تغيير کند.
در حين اجراي پروژه و در موقع گودبرداري نيز ممکن است علائمي ناشي از عدم يکنواختي و يا مغايرت با نتايج آزمايشات مشاهده شود که به آن ها بايد توجه شود.

بر طبق مبحث هفتم مقررات ملي ساختمان معمولاً فاصله ي گمانه ها 30 متر و عمق گمانه براي ملاحظات زلزله 30 متر و يا تا تراز سنگ بستر انتخاب مي شود. اين عمق بايد لايه هاي نشست پذير را پوشش دهد. در پي هاي گسترده عمق گمانه بين دو حباب گسترش 10 درصد تنش کل زير پي و 20 درصد تنش مؤثر بر جاي خاک منظور شود که اين عمق معمولاً برابر يا بزرگ تر از عرض پي مي باشد.
در پي هاي تکي و نواري بين 1/5 تا سه برابر عرض پي و بيش تر از عرض و يا ارتفاع ساختمان در نظر گرفته مي شود. (براي مطالعات تکميلي به مبحث هفتم فصل سوم مراجعه شود)
معمولاً يک مهندس محاسب بايد به نکات زير در گزارش ژئوتکنيک توجه نمايد:
1- مقاومت مجاز خاک که بسته به نوع پي و ابعاد آن متفاوت مي باشد و همچنين امکان لغزش و روانگرايي خاک در زير پي.
2- ضريب عکس العمل بستر پي براي تعيين نشست.
3- تراز آب هاي زيرزميني و تغييرات آن در فصل هاي مختلف.
4- مشخصات فني لايه ها در زير پي و در ديواره ي گود جهت طراحي سازه ي نگهبان.
5- املاح موجود در خاک جهت تعيين سيمان مصرفي.
6- ميزان نشست در زير پي و توجه به نشست کلي و يا اختلاف نشست در زير پي.
براي سازه هاي بتن مسلح و فولادي ميزان نشست مجاز بر طبق جدول 3 مدنظر قرار گيرد.
در پايان لازم است به اين نکته توجه شود که مهندسان طراح بايد بر اساس مستندات مربوط به مشخصات فني خاک اقدام به طراحي پي بنمايند و مهندسان ناظر از تطبيق مشخصات فني در حين اجرا با نتايج گزارشات و همچنين وجود نقشه هاي اجرايي و راهکارهاي لازم براي حفاظت از گود اطمينان حاصل نمايند.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- با همکاري آقاي حسين اميري و سرکار خانم قادرزاده
 

منابع و مآخذ
1- «اصول مهندسي ژئوتکنيک» جلد اول و دوم تأليف براجا. ام. داس ترجمه ي شاپور طاحوني.
2- «آزمايشگاه مکانيک خاک» تأليف دکتر اسماعيل افلاکي.
3- «اصول طراحي پي» تأليف ابوالفضل اسلامي.
4- «مبحث هفتم مقررات ملي ساختمان 1388».
ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.