استفاده از خاک به علت ارزانی و دسترسی آسان به آن از گذشته تا به امروز به صورت گسترده ای در سازه های مختلف عمرانی مورد استفاده بوده است. اما آنچه این امر را به مخاطره انداخته است عدم عملکرد مناسب خاک تحت کشش است. در این راستا محققان زیادی برای دستیابی به روش مناسبی برای بهبود عملکرد خاک در این شرایط تحقیقات گسترده ای را انجام داده اند. نکته بسیار مهمی که موفقیت این تحقیقات را برای استفاده در صنعت ساخت و ساز فولاد تضمین می کند اقتصادی بودن آن ها می باشد. اما روش های مختلفی برای بهسازی خاک وجود دارد که مهمترین آن ها عبارتند از:
یکی از روش های بهسازی و مقاوم سازی خاک که امروزه رواج بسیاری دارد، مسلح نمودن خاک است که مشابه بهبود خصوصیات بتن توسط آرماتور عمل می کند. تسلیح خاک می تواند توسط المان های مختلف به صورت قائم، افقی یا مایل انجام شود. تسلیح خاک می تواند توسط شمع، سپر، ستون های آهکی و سنگی ، ریز شمع ها ، میل – مهار یا خاک مسلح انجام شود.
پی به مجموعه بخش هایی از سازه و خاک تکیه گاه که کار انتقال بارهای سازه به تکیه گاه و یا به اعماق زمین را انجام می دهند گفته می شود. پی های مورد استفاده در ساختمان ها و دیگر ابنیه فنی را می توان از نقطه نظرهای مختلف طبقه بندی نمود. به عنوان مثال از نظر مصالح تشکیل دهنده انواع زیر قابل ذکر می باشند: جهت اطلاعات بیشتر می توانید به مقاله پی چیست در سایت مرکزآهن مراجعه نمایید.
مصالح بنایی (شفته آهک و ...)
بتنی غیر مسلح
بتنی مسلح یا پیش تنیده
فلزی
چوبی
همچنین می توان پی ها را بر حسب عرض و عمق قرارگیری آن ها در خاک، به ترتیب زیر طبقه بندی نمود
سطحی
نیمه عمیق
عمیق
اگر طول و عرض پی به ترتیب با L و B و عمق پی (کمترین فاصله کف پی از سطح زمین) با D نشان داده شود بنا به قرار داد برای پی های سطحی نسبت D/B همواره کمتر از 4، برای پی های نیمه عمیق بین 4 و 10 و برای پی های عمیق بیش از 10 می باشد.
شمع ها اعضای سازه ای از جنس چوب، بتن و یا فولاد می باشند که برای انتقال بارهای سطحی به اعماق خاک مورد استفاده قرار می گیرند. هنگامی که لایه های سطحی خاک مقاومت کافی نداشته باشند و شناسائی هایی تحت الارضی وجود لایه های مقاوم در اعماق را نشان دهند ممکن است از پی های عمیق یا شمع استفاده گردد. مخارج احداث شمع ها خیلی بیشتر از پی های سطحی می باشد. علی رغم مخارج بیشتر ، در عمل موارد متعددی وجود دارد که برای ایمنی سازه در مقابل نشست و عوامل دیگر، از شمع ها استفاده می شود. بعضی از شرایطی که استفاده از شمع ها را ایجاب می کنند عبارتند از:
وقتی که لایه یا لایه های فوقانی خاک دارای قابلیت فشردگی زیاد و یا خیلی ضعیف باشند به طوری که نتوان از پی سطحی برای توزیع بار سازه استفاده نمود، شمع ها برای انتقال بار به لایه های تحتانی محکم تر و یا سنگ بستر مورد استفاده قرار می گیرند.
اگر شمع ها تحت تاثیر نیروی افقی قرار گیرند، می توانند به وسیله خمش آن را تحمل نمایند. این وضعیت اغلب در شالوده سازه های حایل خاک که وظیفه آن ها مقاومت در مقابل فشار جانبی خاک است و یا سازه های بلند که تحت تاثیر نیروهای باد یا زلزله قرار دارند پیش می آید. به خاطر وجود مساله آب شستگی و فرسایش در محل پایه های پل، این پایه ها اغلب بر روی شالوده های شمعی احداث می شوند.
در بسیاری از موارد به منظور کاهش دامنه حرکت ماشین آلات لرزنده و چرخشی و کنترل فرکانس طبیعی سیستم پی – خاک – ماشین از شمع استفاده می شود.
به طور خلاصه می توان کاربرد شمع ها را در زمینه های ذیل بر شمرد:
انتقال بار سازه های بسیار سنگین به عمق زمین
به عنوان شالوده بعضی از سازه ها نظیر خطوط انتقال برق، اسکله ها، شالوده های گسترده در زیر آب زیرزمینی که تحت تاثیر نیروهای بر کنش قرار دارند.
برای کاهش دامنه حرکت ماشین آلات لرزنده و چرخشی و کنترل فرکانس طبیعی سیستم پی – خاک – ماشین
در مواردی که احداث بنادر در خاک قابل تورم و یا فرو ریزشی انجام شود.
در اسکله ها برای مقابله با نیروهای جانبی ناشی از امواج و ضربه کشتی ها
به منظور متراکم نمودن خاک های سست با چسبندگی کم. در این موارد پس از انجام عملیات اصلاح خاک ممکن است شمع ها بیرون کشیده شوند.
کاهش خطرات آب شستگی و فرسایش در محل پایه های پل ها
جهت کنترل نشست پی های تکی یا گسترده ای که روی خاک های سست یا بسیار قابل تراکم قرار دارند.
پایدار کردن شیب ها
مهندسی ژئوتکنیک نیز همانند دیگر علوم مهندسی در چند دهه اخیر شاهد پیشرفت های گسترده بوده است که یکی از این پیشرفت ها بسط و گسترش مفهوم تسلیح خاک می باشد. استفاده از خاکریز متکی بر شمع، سال های زیادی است که در اروپا و آسیا مورد استفاده می باشد. در این سیستم از شمع برای تسلیح خاک استفاده شده است. این سیستم براساس مفهوم قوس زدگی بنا شده است.
با پیشرفت مفهوم خاک مسلح، پژوهشگران استفاده همزمان عناصر تسلیح و شمع را در سیستم قبلی پیشنهاد کردند. طی تحقیقاتی که درباره استفاده همزمان آن ها صورت گرفت ثابت شده که عملکرد سیستم به صورت قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت. لذا سیستم جدیدی به نام سیستم خاکریز مسلح متکی بر شمع ابداع شد.
یکی از مهمترین مسلح کننده ها ژئوسینتیک ها هستند که به ژئوتکستایل ها، ژئوگریدها، ژئونت ها، ژئوممبرین ها و ژئوکامپوزیت ها تقسیم می شوند. در این سیستم نیز برای تسلیح کننده ها استفاده می شود. البته طراح با توجه به شرایط منطقه و هدف به کارگیری آن ها که می تواند علاوه بر تسلیح، زهکشی هم باشد، یکی از این پنج دسته را به عنوان المان تسلیح کننده استفاده می کند.
شمع ها در این سیستم از تنوع بسیاری چه از لحاظ جنس و چه از لحاظ برخوردارند. برای مثال جنس شمع های مورد استفاده در این سیستم تاکنون از بتن، چوب و انواع شمع های پلیمری بوده است. قطر شمع نیز از 10 سانتی متر تا 60 سانتی متر متغیر بوده است. طول شمع ها نیز بسته به شرایط محل و عملکرد آن ها بسیار متفاوت می باشد.