فونداسیون چیست؟ بررسی جامع انواع فونداسیون (پی ساختمان)

فونداسیون چیست؟

فونداسیون (به انگلیسی Foundation) پایین‌ترین بخش ساختمان است که با خاک در تماس بوده و وظیفه آن انتقال ایمن بارهای سازه به زمین می‌باشد. پی، بار قسمت‌های بالاتر سازه را دریافت کرده و به‌صورت یکنواخت به بستر مقاوم منتقل می‌کند.

شالوده علاوه بر تحمل و توزیع بارهای وارده — شامل بارهای ثقلی مانند بار مرده و زنده و بارهای جانبی ناشی از زلزله، باد یا فشار خاک و آب زیرزمینی — پایه و اساس ساختمان را تشکیل داده و اتصالی ایمن بین سازه و خاک ایجاد می‌کند و از تمرکز تنش و نشست‌های ناهمگون جلوگیری می‌نماید.

در سازه‌های مدرن، فونداسیون معمولاً از بتن مسلح ساخته می‌شود و نقش مهمی در پایداری کل سازه دارد. در اجرای فونداسیون، به ویژه پی‌های سطحی، اغلب یک لایه بتن مگر در کف گودال ریخته می‌شود.  وظیفه این لایه ایجاد سطح صاف و یکنواخت برای اجرای فونداسیون اصلی و جلوگیری از تماس مستقیم بتن مسلح با خاک است.

قابل ذکر است از نظر واژه‌شناسی، فونداسیون عبارت جامع‌تری از پی است و به کل سیستم انتقال بار سازه به زمین اطلاق می‌شود، در حالی که پی به المان بتنی زیر ستون یا دیوار گفته می‌شود؛ با این حال، در کاربرد رایج این دو اصطلاح اغلب مترادف به کار می‌روند.

دسته‌بندی فونداسیون

انتخاب فونداسیون مناسب سازه بستگی به بارهای وارده، نوع خاک، اهمیت ساختمان و شرایط محیطی محل پروژه دارد. به‌طور کلی، فونداسیون‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• شالوده سطحی
• شالوده عمیق

این دسته‌بندی بر اساس نسبت عمق فونداسیون به عرض پی انجام می‌شود. این نسبت در منابع مختلف متفاوت گزارش شده است؛ برای مثال در فونداسیون سطحی این عدد با توجه به منایع مختلف معمولاً بین 1 تا 3 قرار می‌گیرد. پی هایی که در حد فاصل شالوده های عمیق و سطحی قرار دارند پی نیمه عمیق میگویند و میتوانند مانند پی های سطحی طراحی شوند. فارغ از نوع فونداسیون، هنگام اجرای شالوده باید ضخامت پوشش بتن روی میلگرد به‌طور دقیق رعایت شود. در ادامه، با استناد به مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، به بررسی دو نوع فونداسیون عمیق و سطحی می‌پردازیم.

فونداسیون سطحی

فونداسیون سطحی یکی از رایج‌ترین انواع پی‌ها در ساخت سازه‌ها است و معمولاً زمانی استفاده می‌شود که ظرفیت باربری خاک مناسب بوده و نیازی به انتقال بار سازه به لایه‌های عمیق‌تر زمین نباشد. در این حالت، بار ستون یا دیوار بر سطح مقطع بزرگتری توزیع شده و مطابق رابطه‌ P =F/A فشار وارده به خاک کاهش می‌یابد.

طبق مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، هنگامی که پی‌ها کم‌عمق و نزدیک به سطح زمین اجرا شوند، به‌گونه‌ای که نسبت عمق پی به عرض آن کمتر از 3 باشد، به آن پی سطحی گفته می‌شود. فونداسیون سطحی خود شامل انواع مختلفی است، از جمله:

• پی منفرد
• پی مرکب
• پی نواری
• پی گسترده یا رادیه

ضخامت حداقل شالوده‌های سطحی 300 میلی‌متر می‌باشد. در ادامه، هر یک از این انواع فونداسیون سطحی به‌طور جداگانه بررسی خواهد شد.

پی منفرد

فونداسیون منفرد شالوده‌ای است که بار یک ستون و در برخی موارد دو ستون نزدیک به هم در محل درز انبساط  را به زمین منتقل می‌کند. این نوع پی در پلان می‌تواند به شکل مربع، مستطیل، دایره یا چندضلعی اجرا شود و در مقطع نیز به‌صورت مستطیلی، ذوزنقه‌ای یا پلکانی طراحی گردد. با این حال، در عمل معمولاً شکل مربع یا مستطیل برای آن انتخاب می‌شود، زیرا اجرای ساده‌تری داشته و توزیع تنش یکنواخت‌تری در خاک ایجاد می‌کند.

عملکرد سازه‌ای پی منفرد به‌صورت دوطرفه بوده و انتقال بار ستون به خاک از طریق توزیع تنش در سطح زیرین پی انجام می‌شود. از پی منفرد معمولاً زمانی استفاده می‌شود که ظرفیت باربری خاک مناسب باشد، بارهای وارده نسبتاً کم باشد، احتمال نشست نامتقارن قابل توجه وجود نداشته باشد و فاصله ستون‌ها از یکدیگر زیاد باشد. ابعاد این شالوده متناسب با مقدار بار ستون و ظرفیت باربری خاک، تعیین می‌شود.

برای افزایش یکپارچگی و بهبود عملکرد سازه، پی‌های منفرد معمولاً توسط شناژهای افقی (کلاف‌های رابط) به یکدیگر متصل می‌شوند. در این حالت، مجموعه پی‌ها به‌صورت یک سیستم کلاف‌شده عمل کرده و به آن فونداسیون کلاف‌شده گفته می‌شود. ارتفاع شناژ می‌تواند برابر با ارتفاع پایه و یا کمتر از آن در نظر گرفته شود. چنانچه سطح فوقانی شناژ و پی در یک تراز قرار داشته باشند، این حالت شناژ باسکولی نامیده می‌شود.

این نوع فونداسیون به دلیل سادگی اجرا، سرعت بالاتر و هزینه کمتر، گزینه‌ای مناسب برای ساختمان‌های کوچک یا سازه‌هایی با بار متوسط در زمین‌های مقاوم محسوب می‌شود.

پی مرکب

هنگامی که شالوده‌های منفرد آن‌قدر به یکدیگر نزدیک باشند که با هم تداخل پیدا کنند و سطح فونداسیون آن‌ها همپوشانی داشته باشد، این پی‌ها به یکدیگر متصل شده و به صورت شالوده مرکب اجرا می‌شوند.

فونداسیون مرکب به شالوده‌ای گفته می‌شود که بار دو ستون (با عملکرد یک‌طرفه) یا چهار ستون (با عملکرد دوطرفه) را به زمین منتقل می‌کند. این شالوده می‌تواند در پلان به شکل مربع، مستطیل، چندضلعی منظم، دایره یا اشکال نامنظم باشد و در مقطع نیز ممکن است به صورت مستطیلی، ذوزنقه‌ای یا پلکانی اجرا شود. معمولاً در شرایط زیر از پی مرکب استفاده می‌شود:

• زمانی که فاصله بین دو ستون کم باشد و پی‌های منفرد آن‌ها با یکدیگر تداخل داشته باشند.
• هنگامی که ستونی نزدیک درز انقطاع یا مرز زمین همسایه قرار داشته باشد و امکان طراحی پی منفرد متقارن وجود نداشته باشد.
• در محل وجود درز انبساط که پی ستون‌های مجاور درز به صورت مرکب اجرا می‌شود.
• زمانی که بار یکی از ستون‌ها به هر دلیل خارج از مرکز پی وارد شود.

در صورتی که دو ستون دارای باربری متفاوت باشند، طراحی پی مرکب معمولاً به شکل ذوزنقه‌ای انجام می‌شود؛ به‌طوری که قاعده بزرگ‌تر زیر ستون پربارتر و قاعده کوچک‌تر زیر ستون کم‌بارتر قرار می‌گیرد تا تنش خاک یکنواخت‌تر توزیع شود.

پی نواری

در این نوع فونداسیون، شالوده به‌صورت نواری ممتد اجرا شده و بار دیوارهای باربر یا ستون‌های نزدیک به هم که در یک راستا قرار دارند را به زمین منتقل می‌کند. انتقال بار در فونداسیون نواری به‌صورت خطی در امتداد طول نوار انجام می‌شود.

مقطع پی نواری می‌تواند به شکل مستطیلی، ذوزنقه‌ای یا T وارونه (پاشنه دار) باشد. در صورتی که این شالوده صرفاً برای انتقال بار دیوار اجرا شود، به آن پی نواری دیواری گفته می‌شود که مقطع آن ممکن است به‌صورت پلکانی یا شیبدار طراحی گردد.

در برخی پروژه‌ها، پی نواری به‌صورت شبکه‌ای از نوارهای متقاطع اجرا می‌شود . این نوع پی معمولاً در ساختمان‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که دارای دیوارهای باربر متعدد هستند، ستون‌ها با فاصله کم در یک امتداد قرار دارند یا سیستم سازه‌ای شامل قاب فولادی یا بتنی با ستون‌های نزدیک به هم است.

پی نواری به دلیل توزیع مناسب بار در امتداد طول و یکپارچگی بیشتر نسبت به پی‌های منفرد، در زمین‌هایی با احتمال نشست نامتقارن عملکرد مناسب‌تری دارد و از رایج‌ترین انواع فونداسیون در ساخت‌وساز شهری محسوب می‌شود.

شالوده گسترده (پی رادیه)

شالوده گسترده که به آن پی یکپارچه یا رادیه نیز گفته می‌شود، نوعی فونداسیون سطحی است که بار چندین ستون و دیوار را که در امتدادها و ردیف‌های مختلف قرار دارند به زمین منتقل می‌کند. در این نوع پی، تقریباً تمام سطح زیر ساختمان توسط یک شالوده بتنی پوشانده می‌شود.

فونداسیون گسترده می‌تواند به شکل‌های مختلفی مانند دال ساده، مجموعه تیر و دال یا صندوقه‌ای طراحی و اجرا شود. این نوع فونداسیون معمولاً زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که بار سازه زیاد باشد یا مقاومت خاک کم بوده و لازم باشد بار ساختمان در سطح وسیع‌تری توزیع شود.

در این حالت، فونداسیون در سراسر زیر ساختمان با بتن مسلح اجرا می‌شود و گاهی حتی ابعاد آن از سطح ساختمان نیز بزرگ‌تر در نظر گرفته می‌شود تا بارها در سطح بیشتری از خاک پخش شده و تنش وارده کاهش یابد.

معمولاً در شرایط زیر از شالوده گسترده استفاده می‌شود:

• زمانی که بار سازه نسبتاً زیاد است
• هنگامی که مقاومت خاک کم باشد
• زمانی که فاصله ستون‌ها کم و تراکم آن‌ها زیاد باشد
• در شرایطی که اجرای پی‌های منفرد یا نواری از نظر فنی یا اقتصادی مناسب نباشد وا پی گسترده به‌صرفه‌تر باشد
• هنگامی که مجموع سطح پی‌های منفرد بخش زیادی از زیر ساختمان را اشغال کند

استفاده از این نوع شالوده باعث می‌شود بارها به شکل یکنواخت‌تری به خاک منتقل شده و احتمال تمرکز تنش و نشست‌های نامتقارن کاهش یابد.

فونداسیون عمیق

مطابق مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، هنگامی که نسبت عمق پی به کوچک‌ترین بعد افقی آن از ۱۰ تجاوز کند، این پی به عنوان پی عمیق شناخته می‌شود.

اساسی‌ترین تفاوت فونداسیون عمیق (شمع و سرشمع) با فونداسیون سطحی در نحوه انتقال بار آن‌ها است. زمانی که لایه‌های سطحی خاک توانایی تحمل بار سازه و انتقال آن به زمین را ندارند، این بار باید از طریق فونداسیون‌های عمیق به لایه‌های زیرین مقاوم منتقل شود.

پی‌های عمیق معمولاً در پروژه‌هایی همچون ساختمان‌های بلندمرتبه و برج‌ها، پل‌ها و سازه‌های سنگین و مناطقی با خاک سست، ریزشی یا آبرفتی استفاده می‌شوند.

این نوع فونداسیون خود شامل چند دسته است:

• شمعی
• حفاری یا کیسون
• پایه‌ای

انتخاب نوع پی عمیق بستگی به ویژگی زمین، نوع سازه و سطح آب زیرزمینی دارد. با وجود هزینه بالای اجرا، فونداسیون‌های عمیق از مطمئن‌ترین گزینه‌ها برای انتقال بار سازه به زمین هستند.

پی شمعی

پی‌های شمعی از رایج‌ترین انواع فونداسیون عمیق هستند و می‌توانند به صورت تکی یا گروهی اجرا شوند. مطابق مبحث 9 مقررات ملی ساختمان  شمع منفرد، شمعی است که بار یک ستون را مستقیماً دریافت کرده و به زمین مقاوم منتقل می‌کند. همچنین گروه شمع مجموعه‌ای از شمع‌ها است که بار خود را از یک یا چند ستون از طریق یک سر شمع مشترک دریافت می‌کنند.

در شمع‌های گروهی، میلگرد طولی باید در سر شمع امتداد یافته و به‌طور مناسبی مهار شود تا انتقال بار به صورت ایمن انجام شود. عملکرد پی شمعی به دو صورت اصلی است:

• انتقال مستقیم بار: بار سازه مستقیماً به لایه مقاوم زیرین منتقل می‌شود.
• انتقال اصطکاکی : بار از طریق اصطکاک بین سطح جانبی شمع و خاک اطراف آن منتقل می‌شود.

پی شمعی در سازه‌های بلندمرتبه و لرزه‌ای عملکرد بسیار مناسبی دارد و باعث کاهش قابل توجه نشست‌های ناهمگون می‌شود. در طراحی شمع‌ها باید به  ضخامت شالوده و ابعاد سرشمع، نوع اتصال شمع به سرشمع، وجود نیروهای کششی و مقابله با آن‌ها و مهار مناسب میلگرد طولی در شمع و سرشمع توجه ویژه شود. با رعایت این نکات، پی شمعی می‌تواند به عنوان یک فونداسیون پایدار و مطمئن در پروژه‌های بلندمرتبه و شرایط خاک ضعیف عمل کند.

فونداسیون حفاری (کیسون یا صندوقه‌ای)

مکانیزم عملکرد این نوع فونداسیون مشابه پی شمعی است، با این تفاوت که ظرفیت تحمل بار بیشتری دارد. پی حفاری معمولاً با استفاده از تجهیزات مکانیکی (مانند مته) ساخته می‌شود. این فونداسیون برای انتقال بار سازه‌های سنگین به لایه‌های مقاوم خاک یا سنگ استفاده می‌شود، به ویژه در شرایطی که خاک سطحی سست باشد و سازه بر روی آب یا خاک آبرفتی قرار داشته باشد.

این نوع فونداسیون به صورت استوانه‌ای یا مستطیلی حفاری می‌شوند  در صورتی که مقطع پی بزرگ و شبیه صندوق باشد، معمولاً به آن پی صندوقه‌ای گفته می‌شود.. به دلیل سطح مقطع بزرگ‌تر نسبت به پی شمعی، این فونداسیون از ایجاد نشست‌های ناهمگون جلوگیری کرده و توزیع بار به خاک به صورت یکنواخت انجام می‌شود.

فونداسیون پایه‌ای

فونداسیون پایه‌ای از یک ستون عمودی با سطح مقطع بزرگ‌تر نسبت به شمع‌ها ساخته می‌شود و برای انتقال بارهای سنگین به لایه‌های مقاوم زمین استفاده می‌گردد. عمق قرارگیری آن معمولاً کمتر از شمع‌ها است. برای اجرای آن، یک سوراخ استوانه‌ای در زمین حفاری می‌شود و سپس پایه در آن قرار می‌گیرد و با بتن مسلح پر می‌شود. این نوع فونداسیون زمانی به کار می‌رود که لایه سخت خاک نزدیک سطح زمین باشد و نیاز به انتقال بار به عمق زیاد نباشد، اما بار سازه زیاد باشد.

انواع پی از نظر جنس و مصالح

پی‌ها می‌توانند با استفاده از مصالح گوناگونی ساخته شوند. از رایج‌ترین آن‌ها می‌توان به شفته آهکی، آجر، سنگ، بتن و فولاد اشاره کرد. انتخاب نوع مصالح به عواملی مانند نوع سازه، شرایط خاک، هزینه اجرا و دسترسی به مصالح بستگی دارد. امروزه در بیشتر پروژه‌ها از بتن آرمه برای ساخت فونداسیون استفاده می‌شود.

• پی شفته‌ای: یکی از ساده‌ترین و قدیمی‌ترین انواع پی است که معمولاً در ساختمان‌های سبک و کم‌ارتفاع به کار می‌رود. این پی از مخلوط خاک، آب، شن و آهک ساخته می‌شود و در هر متر مکعب آن معمولاً حدود ۲۰۰ تا ۲۵۰ کیلوگرم آهک به کار می‌رود.
• پی آجری: برای ساختمان‌های کوچک و سبک، معمولاً یک تا دو طبقه، استفاده می‌شود. در این نوع پی از ملات ماسه‌سیمان یا ماسه‌آهک استفاده می‌شود. مقاومت فشاری آن متوسط است و امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• پی سنگی: در مناطقی که سنگ به‌راحتی در دسترس است کاربرد دارد. سنگ‌ها باید سالم و معمولاً از نوع لاشه شکسته باشند. این پی مقاومت فشاری نسبتاً بالایی دارد و بیشتر در مناطق با لرزه‌خیزی کم استفاده می‌شود.
• پی بتنی: امروزه رایج‌ترین نوع فونداسیون است. بتن در ترکیب با میلگرد فولادی به صورت بتن مسلح اجرا می‌شود که مقاومت فشاری و کششی مناسبی دارد و دوام آن بالا است. برای اجرا این پی، بعد از آرماتور بندی، قالب بتن بسته شده و بتن ریزی انجام می‌شود.
• پی فلزی: در این روش از صفحات فولادی یا شبکه‌ای از تیرآهن‌ها برای انتقال بار ستون به زمین استفاده می‌شود. با وجود ایجاد مقاومت بسیار خوب در خاک سست، به دلیل هزینه بالا و حساسیت به خوردگی، بتن مسلح جایگزین مناسب‌تری برای آن محسوب می‌شود.

عوامل مؤثر در انتخاب نوع فونداسیون

انتخاب نوع فونداسیون یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی سازه است که با توجه به شرایط ژئوتکنیکی، ویژگی‌های زمین‌شناسی و همچنین شرایط اجرایی پروژه تعیین می‌شود. از مهم‌ترین عوامل مؤثر در انتخاب نوع پی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ظرفیت باربری خاک: انتخاب سطحی یا عمیق بودن فونداسیون تا حد زیادی به ظرفیت باربری خاک بستگی دارد. در صورتی که خاک سست باشد، معمولاً از فونداسیون عمیق استفاده می‌شود. در واقع ظرفیت باربری به معنای توانایی خاک در تحمل بار سازه بدون ایجاد نشست یا گسیختگی است.
• نوع خاک یا سنگ بستر: خاک‌ها انواع مختلفی مانند رس، ماسه و شن دارند. یکنواخت بودن خاک و تغییر حجم کم آن از عواملی است که خاک را برای باربری مناسب می‌کند. همچنین بررسی لایه سطحی و لایه‌های زیرسطحی زمین برای طراحی فونداسیون ضروری است.
• بارهای وارد بر سازه: این عامل نیز یکی از پارامترهای مهم در انتخاب نوع فونداسیون است و به نوع سازه و میزان و نوع بارهای وارد بر آن بستگی دارد. به طور کلی برای ساختمان‌های کم‌ارتفاع معمولاً از فونداسیون سطحی و برای سازه‌های سنگین یا بلندمرتبه از فونداسیون عمیق استفاده می‌شود.
• سطح آب زیرزمینی و شیب زمین: در طراحی و اجرای فونداسیون باید سطح آب زیرزمینی، شیب زمین و شرایط محل پروژه بررسی شود. همچنین وجود گسل‌ها، قنات‌ها یا حفره‌های زیرزمینی می‌تواند در انتخاب نوع پی تأثیرگذار باشد.
• شرایط محیطی: شرایط محیطی، به‌ویژه میزان لرزه‌خیزی منطقه، نقش مهمی در انتخاب نوع فونداسیون دارد. در مناطق با خطر زلزله بالا باید تمهیدات مناسب در طراحی پی در نظر گرفته شود.
• ملاحظات اجرایی و اقتصادی: در برخی پروژه‌ها امکان استفاده از تجهیزات سنگین یا اجرای برخی انواع فونداسیون وجود ندارد. همچنین محدودیت فضا، زمان اجرا و هزینه‌های پروژه می‌تواند در انتخاب نوع پی تأثیرگذار باشد.