الأساسات Foundations

هي القاعدة السفلى لمنشأة هندسية أو بناء، ومهمتها نقل حمولات البناء إلى التربة وضمان ارتكازه على الأرض ارتكازاً ثابتاً. وتكون الأساسات في العادة مدفونة في الأرض على عمق مناسب للتأسيس يتم اختياره تبعاً لنوع المنشأة وأسلوب التصميم وقدرة تحمّل التربة.

ويجب أن تتوافر في تربة التأسيس الشروط الأربعة التالية:

1.المتانة: كي لا تحدث فيها انحطاطات بتأثير حمولات المنشأة المنقولة إليها بالأساسات.

2.التوازن: كي لا تحدث فيها انزلاقات نتيجة انزياح الكتل الترابية فيها أو انهيارها عندما لا تكون مستقرة. 

3.الثبات: كي لا تحدث فيها انجرافات أو فجوات داخلية بتأثير حت المياه فيها.

4.الاستقرار: لئلا تحدث فيها تغيرات وتشوهات كبيرة في حجمها بتأثير الرطوبة والنظام «الحراري المائي» فيها.

ويتطلب ضمان هذه الشروط في تربة التأسيس النزول أحياناً بمنسوب التأسيس إلى أعماق كبيرة جداً، أو يتطلب معالجة خاصة للتربة بتثبيتها أو عزلها عن الرطوبة، أو يتطلب أحياناً اختيار طراز أو نوع خاص للأساسات.

ومن هنا فإن دراسة التربة المراد التأسيس عليها، لتحديد خواصها ومواصفاتها بالتحريات الحقلية، عملية ضرورية لا غنى عنها قبل تحديد نوع الأساس وتصميمه للأبنية والمنشآت الضخمة. أما الأبنية العادية فتصمم أساساتها مسبقاً، وتوضع اشتراطات ومواصفات لتربة التأسيس يتم ضمانها بالبحث عن العمق الذي يوفر ذلك، وكل هذا يجعل تصميم الأساسات وتنفيذها مرتبطين ارتباطاً وثيقاً بعلم ميكانيك التربة الذي يعنى بخواص التربة ومواصفاتها.

دراسة تربة التأسيس:

تدرس التربة بالتحريات الحقلية للكشف عن طبيعتها وترتيب طبقاتها وسمكها، ووضع المياه الجوفية فيها، وتحديد أماكن عدم التجانس في بنيتها، ليتم وفق هذه الدراسة، تحديد طبقة التربة التي يمكن أن توفر شروط المتانة والتوازن والثبات والاستقرار. ولتعقد طبيعة التربة لا توجد طريقة واحدة مناسبة لتحري جميع حالاتها. ولكن أكثر الطرائق ملاءمة وشيوعاً هي إجراء سبر استطلاعي في مناطق مختلفة من موقع المنشأة تؤخذ منها عينات لتجرى عليها في المختبر التجارب اللازمة. ومن ثم تصنف وتحفظ، ويوضع ما استخلص منها من نتائج في تقرير دراسة التربة.

وينفذ السبر بطرائق مختلفة منها السبر بالمثقب اليدوي أو الآلي أو السبر بالحفارة المائية أو السبر بالدق، أو السبر بالحفر الدوراني للترب القاسية. ولإجراء السبر في الترب المغمورة بالماء يستعان في العادة بصندوق معد لهذه الغاية يتم السبر من داخله. وفي المواقع التي تتوافر فيها معطيات عن طبيعة التربة وخواصها يتم التحقق، فقط، من هذه الخواص بالكشف عن تربة التأسيس بمثاقب ومغارز مخروطية. وتنفذ أعمال السبر في العادة إلى عمق يساوي ثلاثة أضعاف أكبر بعد من أبعاد نعل الأساس، وبما لا يقل عن ستة أمتار للأساسات العادية والحصائر. أما الأوتاد فيجب النزول عندها بعمق السبر إلى العمق اللازم. وتحدد مواقع السبر وعددها تحديداً يشمل كامل الموقع. ويوزع السبر في العادة تبعاً لطبيعة المنشآت بمعدل 15متراً بين كل سبر وآخر للأبنية العادية، و30متراً على الأقل للسدود الترابية والأنفاق. وفي الأماكن التي يظهر فيها عدم تجانس التربة تزاد عمليات السبر لتصبح المسافة بينها بمعدل 7 إلى 10أمتار. 

وتستخلص من معطيات السبر الخصائص الميكانيكية للتربة التي تكون في العادة إما حبيبية وإما صخرية. وأهم هذه الخصائص: مقاومة التربة للضغط، وزاوية الاحتكاك الداخلية للتربة، وتماسك التربة.

ويكتفى على العموم في الأبنية العادية بقياس مقاومة التربة للضغط في الموقع نفسه مباشرة بقياس انغراز سطح معين بتأثير حمولات متزايدة عليه وتسجيل هبوط التربة تحته مع الزمن (يقاس في العادة مقدار الحمولة اللازمة لتحقيق هبوط رأس حفارة نظامي بمقدار سنتيمتر واحد في ساعتين) ثم تحسب مقاومة التربة للضغط بتقسيم الحمولة على السطح (كغ/سم2).

وتحدد في المنشآت الكبيرة المهمة خصائص إضافية للتربة مثل معامل النفوذية والضغط الحبيبي ومميزات الإجهاد والتشوه وتأثيراتها في استقرار التربة وتوازنها وثباتها.

 

أنواع الأساسات

تصنف الأساسات بحسب عمقها في: أساسات سطحية لايزيد عمق تأسيسها على عشرة أمتار، وأساسات عميقة يزيد عمق تأسيسها على عشرة أمتار.
وتصنف الأساسات في الأنواع التالية:
1.الأساسات المنفردة: وهي أساسات سطحية في الغالب، تكون من الحجر أو من الخرسانة المسلحة، ولها الأنواع التالية: الأساس المنعزل، وهو الذي يحمل عموداً واحداً. والأساس المشترك، وهو الذي يحمل عمودين أو أكثر. والأساس المستمر، وهو الذي يحمل جداراً (كما في الشكل أدناه).
والأساسات المنفردة الخرسانية المسلحة قد تصب في الموقع نفسه وقد تكون مسبقة الصنع يتم تركيبها في موقع المباني المسبقة الصنع.

 

الأساسات المنفردة  

وفي معظم المنشآت والأبنية تصب طبقة خرسانة نظافة بسمك 4 ـ 5سم تحت جسم الأساس المنفرد الخرساني في الخرسانة العادية عيار 150كغ من الإسمنت لكل متر مكعب واحد. وتستعمل الخرسانة العادية عيار 250كغ/م3على الأقل للأساسات المنفردة الخرسانية غير المسلحة، وخرسانة عيار 350كغ/م3على الأقل للأساسات الخرسانية المسلحة، وعيار 300كغ/م3 للأساسات المنفردة الخرسانية المنفذة تحت الماء.

   

2.الحصيرة: وهي أساس سطحي في الغالب، يشمل مساحة موقع المنشأة كلها، ويحمل الجد ران والأعمدة جميعها، وتكون الحصيرة من الخرسانة المسلحة. ويتم اللجوء إلى تصميم الحصيرة حلاً أكثر اقتصاداً من النزول بمنسوب التأسيس إلى أعماق كبيرة عندما تكون مقاومة التربة السطحية ضعيفة فيتم بالحصيرة توزيع الحمولة توزيعاً منتظماً على سطح كبير لتجنب الانحطاطات الموضعية المؤدية إلى تشقق جدران المنشأة.

وتصب في العادة طبقة خرسانة نظافة بسمك 5سم على الأقل تحت الحصيرة من الخرسانة العادية عيار 150كغ إسمنت/م3، ويستخدم لخرسانة الحصيرة إسمنت مقاوم للكبريتات عندما تكون التربة كبريتية المياه، وتعزل الحصيرة عن المياه الجوفية في هذه الحال بمواد مانعة للرطوبة السطحية (عازلة للسطوح) مثل «سيليكات البوتاسيوم» أو غيرها. ويشترط في أساسات الخرسانة المسلحة المنفردة والحصائر توفير طبقة حماية لقضبان التسليح الطرفية لا تقل عن 3سم.

 

حصيرة من الخرسانة المسلحة  

3.الأوتاد: وهي أساسات عميقة يتم اللجوء إليها للوصول إلى منسوب التربة العميقة الصالحة للتأسيس عليها. وتصنع الأوتاد من الخشب أو المعدن أو الخرسانة، وتصنع الأوتاد الخشبية من خشب الزان أو الدردار أو الأرز، وتدق في التربة بآلات خاصة بعد أن تزوّد أطرافها بنعل مخروطي معدني يمنع تآكل رؤوسها عند الدق. أما الأوتاد المعدنية فتكون فولاذية على شكل أنابيب أو يكون لها مقاطع ضخمة على شكل H تدق في التربة أو توضع في حفر للأوتاد وتصب الخرسانة حولها. وأما الأوتاد الخرسانية فقد تكون من الخرسانة العادية أو المسلحة أو قد تكون مسبقة الصنع أو مصبوبة في الموقع نفسه أو من الخرسانة المسبقة الإجهاد. تحفر أماكن الأوتاد الخرسانية المصبوبة في المكان نفسه بحفارات خاصة، وتوضع أحياناً قمصان حماية معدنية حول الأوتاد عندما تكون التربة رخوة أو مشبعة بالمياه ومن ثم يتم إنزال هيكل التسليح المعدني للوتد وبعد ذلك تصب خرسانة الوتد ويسحب قميص الحماية إن وجد.

 مراحل تنفيذ الوتد المصبوب في المكان

وتزود رؤوس الأوتاد الخرسانية المسبقة الصنع أو المسبقة الإجهاد بقلانس مسلحة تطوق الرؤوس التي تتعرض للدق، وتدق هذه الأوتاد بآلات ذات مطارق خاصة، وتسلح لتتحمل القوى والإجهادات الناجمة عن نقلها وحملها ودقها إضافة إلى حمولات المنشأة عند تركيبها وإقامة البناء.

مبنى يرتكز على مجموعات حزم من الأوتاد

4.الأساسات الخاصة: وهي أساسات تقام لمنشآت خاصة مثل ناطحات السحاب وبعض المنشآت الصناعية الضخمة ومباني المفاعلات النووية ومنصات التنقيب عن النفط في البحر والمداخن العالية وأساسات الآلات الضخمة وغيرها. وليس لهذه الأساسات طراز معين مسبقاً، وتحتاج في الغالب إلى تدعيم التربة وتثبيتها بحقنها بالملاط الإسمنتي أو الجصي وتدعيمها جانبياً، وتحتاج كذلك إلى دراسة مستفيضة ومعمقة للتربة جيولوجياً وهدرولوجياً. وفي بعض الأحيان تكون كتلة الأساسات الخاصة خليطاً من الأوتاد والحصائر والركائز والأساسات المنفردة بهيئات مختلفة وعلى مناسيب تأسيس مختلفة.