ظرفیت باربری خاک‌های ساختمانی

مقدمه

این واقعیت را می‌دانیم که کل بارهای وارد شده به یک سازه درنهایت به خاک زیرین آن وارد می‌شود و خاک زیر پی در واقع تکیه‌گاه پی تلقی می‌شود؛ پس لازم است پیش از ساخت سازه از مقدار ظرفیت باربری خاک آن ناحیه اطلاعات کافی داشته باشیم. نوع خاک می‌تواند مستقیماً در طراحی فونداسیون تأثیر بگذارد؛ بنابراین سنجش ظرفیت باربری خاک یکی از تست‌هایی است که قبل از شروع ساخت باید انجام شود.

1. ظرفیت باربری خاک چیست؟

خاکی که سازه روی آن قرار می‌گیرد باید بدون این که دچار گسیختگی برشی شود، توانایی حمل بار را داشته باشد.

نشست‌های پی‌درپی و بیش از حد در خاک ممکن است به موارد زیر منجر شود:

• آسیب‌دیدگی کل ساختمان
• گیرکردن در و پنجره
• ترک‌خوردن کاشی‌ها و دیوار
• خرابی تجهیزات
• ترک‌خوردن گچ و نمای ساختمان
  و…

هرچه پارامترهای مقاومتی خاک بیشتر باشند ظرفیت باربری خاک (Soil Bearing Capacity) بیشتر می‌شود. ظرفیت باربری خاک را بر اساس روابطی همچون ترزاقی محاسبه می‌کنند. کارل فون ترزاقی پدر مکانیک خاک شناخته می‌شود.

او در ﺳﺎل 1943 ﻧﻈﺮﻳﻪ ﻣﻌﺮوفی را ﺑﺮای ﻣﺤﺎﺳﺒﻪ ﻇﺮﻓﻴﺖ ﺑﺎرﺑﺮی ﻧﻬﺎیی ‫یک ﻓﻮﻧﺪاﺳﻴﻮن ﻧﻮاری ﺻﻠﺐ که دارای ﺳﻄﺢ زﺑﺮ است و روی ﺧﺎکی ﻫﻤﮕﻦ ﺗﺎ ﻋﻤﻖ ﺑﺴﻴﺎر زﻳﺎد اﻣﺘﺪاد ﻣﻲ ﻳﺎﺑﺪ، ﭘﻴﺸﻨﻬﺎد ﻧﻤﻮد ﻛﻪ ﺗﺎ ﺑﻪ ‫اﻣﺮوز ﻣورد استقبال قرار گرفته اﺳﺖ. محاسبه ظرفیت باربری خاک به‌صورت دستی به علت فرمول‌های بسیار پیچیده و راه‌حل‌های طولانی کار بسیار سختی است. ازاین‌رو امروزه مهندسان با استفاده از نرم‌افزارهای تعیین مقاومت پی این محاسبات را انجام می‌دهند.

2. دو عامل مهم در طراحی سازه

اصولاً برای طراحی یک سازه دو عامل بسیار اهمیت دارند:

1. خاک زیر پی دچار گسیختگی نشود.
2. نشست و تغییر شکل خاک بیش از حد مجاز نشود.

3. این دو مورد با این که در یک نگاه تشابه زیادی با هم دارند؛ اما در حقیقت دارای ماهیت‌های مجزایی هستند.
4. باتوجه‌به اهمیت بسیار زیادی که این دو مورد در ساخت یک سازه ایمن و تعیین ظرفیت باربری خاک دارند، لازم است که به‌خوبی مورد بررسی قرار بگیرند.
5. در ادامه به هر یک به‌صورت جداگانه خواهیم پرداخت.

1.2. تأثیر گسیختگی برشی بر ظرفیت باربری خاک

گسیختگی برشی خاک در واقع تحت اثر بار وارده به خاک زیر پی ایجاد می‌شود. زمانی که بار روی خاک افزایش می‌یابد ممکن است تنش در بعضی نقاط از حد مقاومتی بیشتر شود و خاک آن نقطه دچار گسیختگی گردد. گسیختگی برشی می‌تواند باعث تغییر شکل شدید یا فروریزی سازه شود. خواص مقاومتی مانند چسبندگی و زاویه اصطکاک تعیین‌کننده ظرفیت باربری و گسیختگی برشی خاک هستند.

انواع گسیختگی‌های برشی در 3 دسته تقسیم می شوند:

• گسیختگی برشی کلی (General Shear):

گسیختگی برشی کلی در خاک های دانه‌ای متراکم و رس های سفت ایجاد می‌شود. با افزایش بار روی سطح خاک نشست رخ می‌دهد. در محاسبه ظرفیت باربری خاک و در معادلات ترزاقی، با فرض این که گسیختگی در خاک وجود دارد، از گسیختگی برشی کلی استفاده می‌کنند.

• گسیختگی برشی موضعی (Local Shear):

زمانی که خاک از نوع رس با سفتی متوسط و یا ماسه با تراکم متوسط باشد، گسیختگی برشی موضعی رخ می‌دهد. با افزایش بار نشست زیاد شده و به‌تدریج گسیختگی به سمت بیرون گسترش می‌یابد.

• گسیختگی برشی سوراخ‌کننده (Punching Shear):

این نوع گسیختگی زمانی ایجاد می‌شود که بنا روی خاک دانه‌ای سست و یا خاک چسبنده نرم ساخته شده باشد. گسیختگی سوراخ‌کننده با نشست بسیار زیاد همراه است.

2.2. نشست و تغییر شکل خاک زیر پی

نشست و تغییر شکل خاک زیر پی تابع پارامترهای کشسانی خاک است.

متداول‌ترین عامل برای تعیین میزان کشسانی، پارامتر مدول الاستیسیته است که در محاسبات به‌صورت مدول الاستیسیته بارگذاری و باربرداری یا بارگذاری مجدد، استفاده می‌شود. نشست‌های خاک اگر در محدوده مجاز باشند مشکل خاصی ایجاد نمی‌کنند؛ ولی در محدوده غیرمجاز، آسیب جدی به تجهیزات و ساختمان وارد می‌کنند. برای ارزیابی نشست خاک به‌غیراز پارامترهای کاپا (Κ) و لاندا (λ) که مشابه مدول الاستیسیته در حالت بارگذاری و بارگذاری مجدد هستند، از تئوری تیر در بستر کشسانی نیز استفاده می‌شود.

3. چگونه ظرفیت باربری خاک را افزایش دهیم؟

از مهم‌ترین مسائلی که باید در ساختمان‌سازی به آن پرداخته شود، مقاوم‌سازی خاک و پی ساختمان است.

زمانی که زمینی را برای ساخت‌وساز انتخاب می‌کنید اگر کیفیت مناسبی نداشته باشد، مثلاً بیش از حد خاک رس داشته باشد و یا خیلی خشک باشد، بناکردن ساختمان روی این خاک خطر بزرگی در پی دارد.

افزایش ظرفیت باربری خاک یا همان مقاوم‌سازی خاک ساختمان روش‌هایی دارد:

• افزودن souple

اضافه‌کردن souple به شن یا ماسه باعث بهبود ویژگی‌هایی از جمله مقاومت و تحمل فشار خاک می‌شود.

• مقاوم‌سازی خاک زیر پی با مصالح

در این روش برای تقویت خاک در قسمتی که قرار است ساختمان بنا شود، ستون هایی کار گذاشته می‌شود.

این ستون ها باعث می شوند تنش ها و فشار موجود کمتر به خاک زیر پی منتقل شود.

• استفاده از میلگردهای FRP

میلگردهای فولادی علاوه بر ویژگی های خاص خودشان به شدت دست خوش تغییرات محیطی خشن در محیط های گرم، سرد، اسیدی، قلیایی و… می شوند. برای جلوگیری از این گونه موارد، میلگردهای FRP (مخفف Fiber Reinforcement Polymer) ایجاد شدند. این میلگردها در واقع حاصل الیاف با کارایی بالا هستند، از نظر الکترومغناطیس عایق می باشند و مشکل خوردگی ندارند. مصالح FRP ضمن قرار گرفتن در دیوارها و ستون های ساختمان باعث می شوند که دوام یک سازه چند برابر شود.

4. تأثیر دانه‌بندی بر ظرفیت باربری خاک

• خاک با دانه‌بندی خوب:

به خاکی گفته می‌شود که تمامی رده‌های دانه‌ها از بزرگ‌ترین تا کوچک‌ترین ذره را در خود جای‌داده باشد.

• خاک با دانه‌بندی یکنواخت:

به خاکی گفته می‌شود که تمامی ذرات تشکیل‌دهنده آن تقریباً یک اندازه بوده و اختلاف بین بزرگ‌ترین ذره تا کوچک‌ترین ذره بسیار ناچیز باشد.

• خاک با دانه‌بندی ناقص:

به خاکی گفته می‌شود که ساختار آن شبیه خاک با دانه‌بندی خوب بوده، فقط در یک یا چند نقطه دچار نقص شده باشد.

• تأثیر آب بر خاک:

آب نقش بسیار مهمی در خاک و مقاومت آن دارد.

میزان آب موجود در خاک، به‌خصوص در خاک‌های رسی، شکل ظاهری آن را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.

• خاک رس:

خاک رس نتیجه پوسیدن فلدسپات‌ها و میکاها است.

خاک رس را می‌توان به دودسته تقسیم نمود:

• خاک رس‌های آبرفتی (ته‌نشینی):

این خاک به‌وسیله یکی از عوامل جوی مانند رودخانه‌ها سیلاب‌ها و غیره از محل تشکیل خود حرکت کرده و در محل دیگری ته‌نشین شده است.

خاک رس‌های آبرفتی از نظر ترکیبات و خلوص عواملی مانند جنس بستر و درازای آبرویی که در آن غوطه‌ورند، بستگی دارد.

خاک سرامیک و خاک نسوز را می‌توان جزء خانواده خاک رس‌های آبرفتی محسوب نمود.

• خاک‌های رس‌ معدنی:

این نوع خاک‌ها نسبت به خاک رس‌های آبرفتی خالص‌تر هستند.

از انواع خاک رس‌های معدنی می‌توان به کائولینیت اشاره نمود که نازکی پولک‌هایش 20 هزار میکرون و درازای آن 100 تا 250 هزار میکرون است.

این خاک خاصیتی دارد که تقریباً هم وزن خودش آب جذب می‌کند.

درجه ذوب کائولینیت 1750 درجه بوده و از آن در صنایعی مانند چینی‌سازی، رنگ‌سازی، کاغذسازی و غیره استفاده می‌شود.

• خاصیت چسبندگی خاک رس:

ذرات خاک رس به‌گونه‌ای هستند که اگر به آنها آب برسد بین آنها خاصیت چسبندگی ایجاد شده و به یکدیگر می‌چسبند.

• خاصیت مکندگی خاک رس:

خاک رس می‌تواند تا هفت الی هشت برابر حجم خود آب جذب کند.

• شکل دانه‌های خاک رس:

دانه‌های خاک رس به گونه‌های گرد، پولکی و یا دراز وجود دارد.

خاک رسی که دانه‌های آن ریزتر باشد نسبت به خاک رس با دانه‌های درشت‌تر مرغوبیت بیشتری دارد.

• استفاده از خاک رس در ساختمان:

ذرات خاک رس پس از جذب آب منبسط شده و هر کدام از ذرات فضای خالی مجاور خود را پرکرده و خاصیت ضد آب را به خود می‌گیرد.

به همین دلیل در سال‌های گذشته از ترکیب خاک رس با کاه به‌عنوان عایق بام و خرپشته استفاده می‌شده است.

برای جلوگیری از ترک‌خوردگی گل رس به آن مقداری کاه اضافه می‌کردند.

از نمک طعام برای جلوگیری از رشد ریشه گیاهان و یا سبزشدن احتمالی ساقه کاه استفاده می‌شد.

از خاک رس در زیرسازی گچ‌کاری استفاده می‌شود.

خاک رس موجود در ملات گچ و خاک آن را کندگیر کرده و صرفه اقتصادی را نیز به همراه دارد.

• رنگ خاک رس:

رنگ خاک رس خالص سفید است.

رنگ سرخ خاک رس به دلیل وجود اکسیدهای آهن موجود در آن است.

در جدول زیر تغییر رنگ‌های مختلف خاک رس در اثر ترکیب‌شدن با ناخالصی‌های مختلف را مشاهده می‌کنید.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

جهت آشنایی کامل با  “ظرفیت باربری خاک‌های ساختمانی” به جزوه “مکانیک خاک” و جهت آشنایی بیشتر با قوانین و ضوابط مربوط به این مقاله به “مبحث هفتم: ژئوتکنیک و مهندسی پی | ویرایش سال ۱۴۰۰” در پکیج “مباحث مقررات ملی ساختمان” در بخش گنجینه فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید