انواع گسیختگی خاک ، دلایل و روش های جلوگیری از آن

در این نوشتار ابتدا به مفهوم گسیختگی خاک می پردازیم، سپس در ادامه انواع گسیختگی خاک، نحوه تشخیص نوع گسیختگی خاک زیر پی و دلایل گسیختگی خاک را مورد بررسی قرار می دهیم. در پایان نیز راهکارهایی برای جلوگیری از گسیختگی خاک ارائه می دهیم. با ما همراه باشید و مطالعه این مطلب را از دست ندهید.

مفهوم گسیختگی و شبکه گسیختگی خاک زیر پی

یک پی با سطح مقطع A تحت بار قائم P را در نظر بگیرید. با افزایش بار P، تنش در بعضی از نقاط خاک زیر پی افزایش می یابد، به طوری که با افزایش تنش از میزان قابل تحمل خاک، آن نقاط به گسیختگی می رسند. باید توجه نمود که گسیختگی در یک نقطه یا بعضی نقاط خاک زیر پی، به معنای گسیختگی کامل خاک زیر پی نیست. به هر حال با رسیدن مقدار بار P به مقدار نهایی خود یعنی Pu، گسیختگی در مجموعه ای از نقاط خاک زیر پی می تواند موجب گسیختگی کامل خاک گردد.

پیشنهاد مطالعه : انواع پی ساختمان با عکس و تعاریف آنها

انواع گسیختگی خاک در بار نهایی

تشکیل کامل شبکه گسیختگی خاک زیر پی (تشکیل مناطق I، II و III) یا تشکیل تنها بخش هایی از آنها موجب تعریف سه نوع گسیختگی برای خاک زیر پی به شرح زیر می شود :

1 . گسیختی در اثر برش کلی

2 . گسیختگی در اثر برش موضعی

3 . گسیختگی در اثر برش پانچ

تشکیل این سه نوع گسیختگی بستگی به عوامل زیر دارد :

1 . نوع خاک زیر پی

2 . تراکم خاک زیر پی (دانسیته نسبی خاک D_r)

3 . عمق مدفون پی (D_f)

4 . مقاومت خاک

5 . ابعاد پی (B عرض پی و L طول پی)

شکل 1، یک پی سطحی با عرض B و طول L واقع بر خاک دانه ای متراکم (یا خاک رس سخت) را نشان می دهد. با اعمال بار P، تنش وارد بر پی و نشست آن (δ) افزایش می یابد، به طوری که با رسیدن تنش q به مقدار نهایی (q_u) در مقدار نشست δ_u  (شکل 1 . الف) خاک زیر پی به طور ناگهانی گسیخته می شود، این نوع گسیختگی به علت تشکیل کامل شبکه گسیختگی در خاک زیر پی یعنی هر سه منطقه I، II و III (مطابق شکل 1 . ب)، به گسیختگی در اثر برش کلی موسوم است. در خصوص این نوع گسیختگی ذکر نکات زیر ضروری است :

1 . گسیختگی در اثر برش کلی در خاک های دانه ای متراکم یا رس سخت رخ می دهد، به طوری که امکان وقوع آن در خاک های با تراکم متوسط یا سست وجود ندارد.

2 . مطابق منحنی تنش نشست (شکل 1 . الف) تا قبل از رسیدن تنش به مقدار نهایی، مقدار نشست کم است. با رسیدن مقدار تنش به مقدار ظرفیت باربری نهایی q_u ، ضمن افزایش ناگهانی نشست، گسیختگی در خاک زیر پی رخ می دهد.

3 . مطابق شکل 1 . ب در این نوع گسیختگی، ضمن تشکیل کامل شبکه گسیختگی در خاک زیر پی، خطوط گسیختگی تا سطح زمین ادامه می یابند، به طوری که سطح زمین مجاور پی تا فاصله ای از کناره های پی متورم می گردد.

4 . از ویژگی های این نوع گسیختگی می توان به تعیین ساده مقدار ظرفیت باربری نهایی پی، از منحنی تنش نشست اشاره نمود.

شکل 1 . گسیختگی خاک زیر پی در اثر برش کلی الف) تغییرات تنش نشست پی ب) شبکه گسیختگی خاک زیر پی

گسیختگی در اثر برش موضعی

در صورت قرارگیری پی روی خاک دانه ای نیمه متراکم یا خاک رس با سختی متوسط، منحنی تغییرات تنش – نشست پی و شبکه گسیختگی خاک زیر آن مطابق شکل 2 خواهند بود. مطابق شکل 2 الف در ابتدا مقدار تنش با افزایش مقدار نشست تا مقدار q’_u موسوم به تنش گسیختگی اولیه افزایش می یابد، به طوری که تا این مرحله سطح گسیختگی در خاک، با تشکیل مناطق I و II (خطوط توپر در شکل 2 . ب) همراه است. با افزایش تنش روی پی به بیش از این مقدار، منحنی تنش نشست، خوابیده تر و نامنظم ادامه می یابد (خط شکسته در شکل 2 الف)، به طوری که با رسیدن مقدار تنش به مقدار q_u (ظرفیت باربری نهایی)، سطح گسیختگی مطابق شکل 2 ب به سطح زمین می رسد. با توجه به زیاد بودن مقدار نشست در تنش نهایی q_u، ظرفیت باربری خاک در این حالت برابر تنش q’_u انتخاب می گردد. این نوع گسیختگی با توجه به وقوع آن قبل از تشکیل کامل شبکه گسیختگی ( قبل از تشکیل منطقه III و قبل از تورم کامل سطح زمین) و همچنین قبل از رسیدن خطوط گسیختگی به سطح زمین، به گسیختگی در اثر برش موضعی موسوم است.

شکل 2 . گسیختگی خاک زیر پی در اثر برش موضعی الف) تغییرات تنش نشست پی ب) شبکه گسیختگی خاک زیر پی

گسیختگی در اثر برش پانچ

در صورت احداث پی روی خاک دانه ای سست (غالبا ماسه یا لای) یا رس نرم، تحت اثر بارهای وارد بر پی، منحنی تغییرات تنش نشست و شبکه گسیختگی خاک زیر آن مطابق شکل 3 هستند. از آنجا که این نوع گسیختگی با فرو رفتن مفرط و پانچ پی در خاک زیر خود همراه است، لذا به گسیختگی در اثر برش پانچ موسوم است. در خصوص این نوع گسیختگی ذکر نکات زیر حائزاهمیت است :

1 . این نوع گسیختگی دارای تفاوت زیادی با دو نوع گسیختگی دیگر است.

2 . مطابق شکل 3 ب تنها گوه مثلثی شکل در زیر پی تشکیل می گردد. با فرو رفتن این گوه به صورت یکپارچه با پی در خاک، حالت پانچ رخ می دهد.

3 . شبکه گسیختگی هرگز تا سطح زمین ادامه نخواهد یافت و تنها خاک کناره های پی در فاصله بسیار کمی تحت تاثیر بارگذاری روی پی قرار می گیرند.

شکل 3 . گسیختگی خاک زیر پی در اثر برش پانچ الف ) تغییرات تنش نشست پی ب ) شبکه گسیختگی خاک زیر پی

تشخیص نوع گسیختگی خاک زیر پی

همان طور که قبلا بیان گردید نوع گسیختگی خاک زیر پی در بار نهایی تابعی از نوع خاک، تراکم یا دانسیته نسبی خاک، عمق مدفون پی، عرض و طول آن است. وسیک در سال 1975 با توجه به مقادیر D_f و *D_f/B شکل 4 را برای تعیین نوع گسیختگی خاک زیر پی ارائه نمود. پارامتر بی بعد *B در واقع بعد معادل پی است که توسط رابطه 1 تعیین می گردد :

رابطه 1

بدیهی است برای یک پی مربعی B*=B است همچنین دانسیته نسبی خاک مطابق رابطه 2 قابل محاسبه است، در این رابطه e تخلخل خاک در شرایط مورد بررسی است.

رابطه 2

شکل 4 . تشخیص نوع گسیختگی خاک زیر پی

دلایل گسیختگی خاک زیر پی

نشست غیر یکسان خاک زیر فونداسیون

همه ی خاک ها به جز سنگ تحت بار سازه تسلیم می شوند. اگر این اتفاق یکنواخت و در حدود مشخصی باشد، بی خطر است، اما اگر غیریکنواخت باشد باعث ایجاد ترک در سازه و در نهایت شکست سازه و فونداسیون خواهد شد.

نشست غیر یکسان مصالح ساختمانی

این اتفاق به دلیل انقباض و قابلیت تراکم درزهای ملات و کیفیت پایین مصالح استفاده شده در فونداسیون رخ می دهد.

از بین رفتن رطوبت خاک زیر فونداسیون ها

این مورد زمانی اتفاق می افتد که خاک خیس است. در آب و هوای خشک وقتی رطوبت خاک تبخیر می شود خاک متراکم شده و ترک می خورد و باعث ایجاد شکست در سازه می شود.

فشار جانبی بر رو سازه

وقتی سازه تحت فشار جانبی به دلیل باد یا نیروی جانبی سقف های شیب دار یا پیشآمدگی های طره ای عریض قرار می گیرد، تمایل به کج شدن یا واژگونی در فونداسیون افزایش می یابد که باعث ایجاد خروج از محوریت بارها شده و می تواند عامل شکست فونداسیون ها باشد.

حرکت جانبی خاک نرم از لایه ی زیر فونداسیون

وقتی که فونداسیون نزدیک به یک لبه ی عمیق یا رودخانه قرار گرفته باشد، خاک زیر فونداسیون ممکن است با حرکت جانبی همراه شود و به این صورت باعث ایجاد نشست در فونداسیون شود. به صورت مشابه اگر عمق فونداسیون کم باشد یا خاک زیر فونداسیون خاصیت لغزندگی داشته باشد، ممکن است تحت بارهای وارده بلغزد و باعث ایجاد گسیختگی در خاک و شکست در فونداسیون شود.

توصیه هایی برای جلوگیری از گسیختگی خاک زیر پی و شکست فونداسیون

1 . برای جلوگیری از نشست غیر یکسان خاک زیر فونداسیون، فونداسیون باید بر اساس اطلاعات مرتبط با شرایط خاک و تمام بارهای وارد بر سازه، طراحی و ساخته شود. شدت بار باید همیشه کمتر از ظرفیت باربری ایمن خاک باشد. مصالح استفاده شده برای فونداسیون باید پر مقاومت و بادوام باشند.

2 . نشست غیر یکسان مصالح را می توان با استفاده از ملات خیلی نرم، بالا آوردن یکنواخت مصالح و همچنین عدم اجرای دیوار بیش از 1.5 متر در روز کنترل کرد.

3 . آب در خاک زیر فونداسیون ممکن است در شرایط آب و هوایی گرم خشک شده و انقباض در آن رخ دهد. می توان با ایجاد شمع هایی تا لایه ی سخت از این مشکل جلوگیری کرد، یا اینکه از ساخت و ساز در چنین محل هایی اجتناب کرد.

4 . فشار جانبی بر رو سازه می تواند باعث شکست در فونداسیون شود. این مشکل را می توان با فراهم کردن سطح فونداسیون کافی در زیر دیوارها و ستون ها حل کرد.

5 . حرکت جانبی مصالح تکیه گاه را می توان با محصور کردن خاک و کوبیدن شمع های صفحه ای در اطراف فونداسیون کنترل کرد.

پیشنهاد مطالعه : انواع پی های عمیق (شمع) با بررسی مزایا و معایب آنها

منابع :

1 . کتاب اصول طراحی پی از سید ناصر مقدس تفرشی، چاپ اول اردیبهشت 1393، مرکز نشر دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

2 . ترجمه نوشتاری از سایت civilengineering.blog توسط علی اکبر خلیلی