- पुलों में नीचे नदी, रेलवे या सड़क के गुजरने के लिए जगह खाली रखनी पड़ती है, इसलिए ऊपर का भार pier और abutment पर केंद्रित होता है और कमजोर नदीय या समुद्री मिट्टी में भी टिक सकने वाली गहरी नींव की ज़रूरत होती है
- pile foundation में लंबे members को जमीन में ठोका या ड्रिल करके डाला जाता है, और वे ठोस परत तक पहुंचने वाली end bearing तथा आसपास की मिट्टी के साथ skin friction के सहारे vertical load उठाते हैं
- driven pile की installation प्रक्रिया अपने आप में एक तरह का load verification बन जाती है, लेकिन इसके साथ शोर·कंपन, ground heave, alignment से भटकना, और कठोर परतों को पार करने में कठिनाई जैसी सीमाएँ जुड़ी रहती हैं
- cast-in-place pile के रूप में इस्तेमाल होने वाला drilled shaft excavation के बाद rebar और concrete डालकर बनाया जाता है, और पानी के भीतर casing तथा tremie का उपयोग करके गड्ढे के ढहने और concrete के dilute होने से बचाया जाता है
- Millennium Tower और 2004 के Tampa Lee Roy Selmon Expressway pier settlement के मामले दिखाते हैं कि deep foundation भी fail हो सकती है, और geotechnical engineering की जटिलता लागत व schedule की समस्याओं में बदल सकती है
पुल का भार जमीन पर केंद्रित क्यों होता है
- पुल का मूल उद्देश्य सिर्फ किसी चीज़ के ऊपर से “गुज़रना” नहीं, बल्कि नीचे नदी, रेलवे या सड़क के गुजरने के लिए खाली स्थान उपलब्ध कराना है
- सामान्य सड़क में बल सीधे जमीन तक पहुंच जाता है, लेकिन पुल में span पर लगने वाला बल दोनों ओर के pier या abutment पर इकट्ठा हो जाता है
- substructure को बहुत मजबूत बनाया जाता है, लेकिन इसकी वास्तविक installation location अक्सर भार वहन के लिए आदर्श नहीं होती
- नदियों और समुद्रों के पास अक्सर मुलायम और कीचड़युक्त मिट्टी होती है, जो भारी वजन को अच्छी तरह सहन नहीं कर पाती
- कई पुलों की foundations पानी के भीतर बनाई जाती हैं
- जब जमीन अपनी क्षमता से अधिक भार लेती है, तो bearing failure होता है और foundation मिट्टी में धंसने लगती है
- इसी से उस व्यापक रूप से उपयोग होने वाले structural member की अवधारणा आती है जो लगातार भार को और गहराई तक पहुंचाता है: foundation pile
driven pile की सामग्री और installation का सिद्धांत
- pile एक लंबा स्तंभनुमा structural member होता है जिसे जमीन में ठोका या ड्रिल करके डाला जाता है
- Federal Highway Administration की
Design and Construction of Driven Pile Foundationsवॉल्यूम 1, 500 से अधिक पन्नों की है, और 11 पन्ने symbols व 2 पन्ने abbreviations के बाद जाकर introduction शुरू होता है, जिससे इस engineering की जटिलता पता चलती है - driven pile का इतिहास लिखित अभिलेखों से भी पहले तक जाता है, और इसका मूल विचार जमीन में डंडेनुमा सदस्य को ठोकना है
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pile material के अनुसार विशेषताएँ
- timber pile
- सस्ते होते हैं, hammering force अच्छी तरह सह लेते हैं, और install करना आसान होता है
- लेकिन ये सड़ सकते हैं, पेड़ के आकार के कारण इनकी लंबाई सीमित होती है, और इनकी strength अन्य विकल्पों से कम होती है
- concrete pile
- कई आकारों और रूपों में बनाए जा सकते हैं और deep foundation में व्यापक रूप से उपयोग होते हैं
- जमीन में ठोकने के दौरान लगने वाले बल को सहने के लिए इन्हें बड़ा होना पड़ता है, और कुछ concrete piles की चौड़ाई 30 inch या 75 cm से भी अधिक होती है
- steel pile
- इन्हें concrete की तुलना में अधिक पतला बनाया जा सकता है
- pipe pile और H-pile इनके प्रमुख रूप हैं
- timber pile
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hammer से ठोकने की वजह
- pile को गहराई तक धकेलने के लिए समान परिमाण का reaction force चाहिए
- बहुत भारी वजन या जमीन से बंधी किसी मजबूत संरचना का उपयोग करने के बजाय आम तौर पर hammer इस्तेमाल किया जाता है
- ऊँचाई से गिराए गए अपेक्षाकृत छोटे वजन की potential energy, kinetic energy में बदलती है, और गिरावट रोकने वाला बल pile तक पहुंचता है
- कई pile driver बड़े hammer या vibratory head से आवश्यक बल पैदा करते हैं
pile भार को कैसे सहता है
- foundation का मुख्य उद्देश्य भार पड़ने पर भी न हिलना है
- pile vertical load का मुख्यतः दो तरीकों से प्रतिरोध करता है
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end bearing और skin friction
- end bearing में pile का सिरा, यानी toe, किसी कठोर मिट्टी की परत या rock layer तक पहुंचकर अधिक भार सहता है
- वास्तविक geology, “bedrock” जैसी सरल अवधारणा से कहीं अधिक जटिल होती है, और हमेशा उचित गहराई पर कठोर परत मिलना जरूरी नहीं है
- skin friction या shaft resistance में pile ठोकने की प्रक्रिया के दौरान आसपास की मिट्टी compact और dense हो जाती है, जिससे pile की दीवारों के साथ friction पैदा होता है
- pile जितना गहरा जाता है, friction resistance उतना बढ़ता है
-
installation खुद एक verification बन जाती है
- जब pile को एक ही ऊँचाई से गिराए गए hammer से बार-बार मारा जाता है, तो शुरुआत में वह हर प्रहार पर एक निश्चित गहराई तक जाता है, लेकिन बाद में प्रति प्रहार movement कम होती जाती है
- जिस बिंदु पर pile लगभग हिलना बंद कर दे, उसे तकनीकी रूप से refusal तक पहुँचना कहा जाता है
- यदि गहराई के अनुसार blows की संख्या का graph बनाया जाए, तो दिखता है कि pile जितना गहरा जाता है, उसका vertical load resistance उतना बढ़ता है
- Pile Driving Contractors Association का “A Driven Pile is a Tested Pile” इस बात को दर्शाता है कि driven pile installation के दौरान एक निश्चित बल सहने की क्षमता साबित कर देती है
- यदि पर्याप्त resistance न दिखे, तो कई मामलों में pile को और गहराई तक ठोककर वांछित resistance प्राप्त की जा सकती है
horizontal load और driven pile की सीमाएँ
- संरचनाओं पर सिर्फ नीचे दबाने वाला बल ही नहीं लगता
- इमारतों पर हवा से horizontal load लगता है, और पुलों पर बहता पानी, बर्फ या जहाज की टक्कर से भी horizontal load आ सकता है
- बाढ़ से पैदा हुई buoyancy या तेज हवा, गुरुत्वाकर्षण के विपरीत uplift load उत्पन्न कर सकती है
- पुल के आसपास की मिट्टी की स्थिति निर्माण के तुरंत बाद और कुछ बाढ़ों के बाद अलग हो सकती है
- engineer को प्राकृतिक riverbed changes और पुल से पैदा होने वाले बदलावों को ध्यान में रखकर scour का अनुमान लगाना पड़ता है
- foundation को इस तरह डिजाइन करना होता है कि बदली हुई दीर्घकालिक जमीन की स्थिति में भी strength बनी रहे
- pier का भार pile cap के जरिए piles तक पहुंचाया और वितरित किया जाता है
- अगर भारी horizontal load की आशंका हो, तो कुछ piles को झुकाकर लगाया जाता है, जिन्हें battered pile कहा जाता है
- inclined piles, skin friction का बेहतर उपयोग करके horizontal load के विरुद्ध foundation की strength बढ़ाती हैं
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driven pile की सीमाएँ
- driven pile installation में शोर और कंपन बहुत अधिक होता है, इसलिए घनी शहरी जगहों में इसे स्वीकार करना कठिन हो सकता है
- installation vibration आसपास के infrastructure को प्रभावित कर सकता है
- कई बार piles को अंतिम संरचनात्मक भार से कहीं अधिक installation force सहने लायक डिजाइन करना पड़ता है
- ये कठोर geological layers, gravel या बड़े पत्थरों को आसानी से पार नहीं कर पाते
- जमीन के भीतर इनके path को सीधे देखा नहीं जा सकता, इसलिए ये alignment से हट सकते हैं
- क्योंकि मिट्टी हटाए बिना इन्हें भीतर धकेला जाता है, इसलिए ground heave हो सकता है
Drilled shaft और पानी के भीतर concrete construction
- drilled shaft में पहले गहरा गड्ढा ड्रिल किया जाता है, फिर उसमें rebar डालकर उसे concrete से भरा जाता है
- FHWA की
Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methodsमैनुअल 747 पन्नों की है - मुलायम जमीन या गीली स्थितियों में गड्ढे की दीवारें न ढहें, इसके लिए casing का उपयोग किया जाता है
- casing आम तौर पर excavation के दौरान auger के साथ नीचे जाती है
- casing पानी की सतह से ऊपर तक निकली हो, तब भी नीचे से पानी भीतर रिस सकता है
- concrete का water-cement ratio उसकी strength और performance के लिए महत्वपूर्ण है, इसलिए यदि उसे पानी में सीधे गिराया जाए तो वह पानी के साथ मिलकर dilute हो जाता है
- tremie एक पाइप होता है जो गड्ढे के तल तक जाता है; यदि उसका निचला सिरा concrete की सतह के नीचे रखा जाए, तो concrete पानी के साथ नहीं मिलता
- concrete पानी से अधिक dense होता है, इसलिए वह नीचे से भरते हुए पानी को ऊपर की ओर धकेल देता है
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casing और pile cap की विधि
- पानी के भीतर installation में अक्सर casing को वहीं छोड़ा जाता है
- casing का उपयोग करके बड़े cofferdam बनाकर कार्यक्षेत्र को सुखाने की बजाय, pile cap को पानी के भीतर या सतह से ऊपर बनाकर construction complexity कम की जा सकती है
- ऐसे high rise pile cap समुद्री wind turbine में बहुत उपयोग होते हैं
- कुछ स्थितियों में concrete भरने के बाद casing निकालकर बड़े steel pipe की लागत बचाई जा सकती है
- concrete का दबाव गड्ढे की दीवारों पर काम करके मिट्टी के ढहने को रोक सकता है
- drilled shaft को driven pile की तुलना में कहीं बड़ा बनाया जा सकता है, इसलिए कभी-कभी कई piles और pile cap की ज़रूरत ही नहीं पड़ती
- wind turbine, highway signboard आदि को एक अकेले drilled shaft वाली mono-pile foundation पर खड़ा किया जा सकता है
- drilled shaft के तल को चौड़ा करने की प्रक्रिया reaming toe का surface area बढ़ाती है, जिससे settlement की प्रवृत्ति कम हो सकती है और uplift resistance में भी मदद मिलती है
deep foundation के प्रकार और failure के उदाहरण
- deep foundation system केवल driven pile और drilled shaft तक सीमित नहीं हैं
- Continuous flight auger pile में hollow-stem auger का उपयोग करके excavation और concrete placement को लगभग एक ही चरण में किया जाता है, और बाद में गीले concrete में rebar डाला जाता है
- stone column या ट्रेडमार्क Geopier में, जब केवल compressive load की चिंता हो, तो concrete की जगह compacted aggregate से गड्ढा भरा जाता है
- helical pile या screw pile को ठोकने के बजाय घुमाकर जमीन में डाला जाता है, जिससे vibration और disturbance कम होती है
- micropile छोटे drilled shaft जैसा होता है और तब उपयोगी है जब पहुंच सीमित हो या geology में बाधाएँ हों
- sheet pile foundation से अधिक दीवार या barrier बनाने के लिए ठोके जाने वाले piles हैं
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deep foundation भी fail हो सकती है
- piles, shallow foundation की तुलना में आम तौर पर बहुत अधिक मजबूत होती हैं, लेकिन फिर भी fail हो सकती हैं
- San Francisco की Millennium Tower एक ऐसा मामला है जहाँ pile foundation पर बनी ऊँची इमारत जमीन में धंस गई और झुक गई
- ऐसा लगता है कि समस्या का अधिकांश समाधान हो चुका है, लेकिन यह अब भी कभी-कभी खबरों में आ जाती है
- 2004 में Florida के Tampa में Lee Roy Selmon Expressway का pier, जटिल geology के कारण निर्माण के दौरान 11 foot, यानी 3 m से अधिक धंस गया
- इसकी मरम्मत लागत 90 million dollar थी और project completion एक साल देर से हुआ
- जिन डिजाइनों में भारी भार जमीन को सौंपा जाता है, उनमें geotechnical engineering का विज्ञान और तकनीक बहुत बड़ी भूमिका निभाते हैं
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
Pile Driving Contractors Association का नारा “A Driven Pile is a Tested Pile” खास तौर पर पसंद आया
तर्क यह है कि खंभेनुमा pile को ठोककर बैठाते ही यह पहले से साबित हो जाता है कि वह एक निश्चित बल सह सकता है, और अगर resistance कम हो तो आम तौर पर उसे तब तक और गहराई में ठोक दिया जाता है जब तक पर्याप्त resistance न मिल जाए
मिट्टी का liquefaction एक अजीब घटना है, और यह Silly Putty जैसा लगता है, जो धीरे छूने पर नरम होता है लेकिन तेज़ झटके पर सख्त हो जाता है
बस कितनी देर तक ठोकते रहते हैं, यह जानने की जिज्ञासा है
एक ही steel shape को I-beam और H-pile दोनों कहे जाने की वजह यह है कि असल shape अलग होता है
I-beam में bending का सामना करने के लिए mass को flange में केंद्रित किया जाता है, इसलिए web अपेक्षाकृत पतला होता है, जबकि H-pile में axial load और constructability के कारण web की मोटाई flange के करीब-करीब होती है
standard shapes में I-beam को W (wide flange) और S section में बाँटा जाता है, और H shape को HP section कहा जाता है
foundation construction में इन्हें कभी-कभी एक-दूसरे के बदले specify किया जाता है, लेकिन ज़मीन के ऊपर की संरचनाओं में आम तौर पर HP की जगह W या S जैसे ज़्यादा efficient section चुने जाते हैं
मैंने न तो कभी पूछा, न सुधारने की कोशिश की, क्योंकि ऐसा करता तो शायद काफ़ी परेशान करने वाला इंसान लगता
संदर्भ चित्र: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)
“अगर लगातार load बढ़ाते रहें और इसे और गहराई तक धँसाते जाएँ तो?” वाला विचार Monty Python and the Holy Grail में Herbert के पिता द्वारा दलदल में अपनाई गई बुनियादी engineering technique जैसा लगता है
https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA
सबने कहा था कि दलदल पर किला बनाना पागलपन है, लेकिन मैंने दिखावे में किला बनाया, और वह दलदल में धँस गया
दूसरा किला भी धँस गया, तीसरा किला जलकर गिरा और फिर दलदल में धँस गया, लेकिन चौथा किला टिक गया
इसलिए तुम्हें जो विरासत में मिलेगा, वह इन द्वीपों का सबसे मज़बूत किला होगा
“क्या, परदे?”
उद्धरण चिह्नों में लिखा bedrock एक सरल विचार है, लेकिन असली geology उससे कहीं ज़्यादा जटिल होती है
bedrock हमेशा होता है, लेकिन कुछ जगहों पर वहाँ तक पहुँचने के लिए pile वाकई बहुत लंबे होने पड़ते हैं
उदाहरण के लिए, म्यूनिख के दक्षिण में gravel deposits की गहराई 100m(330ft) तक है, और उत्तर की ओर जाते-जाते यह उथली हो जाती है
https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain
चट्टानों की इस लगातार movement की वजह से पुरानी सड़क के विकल्प के रूप में यह viaduct बनाया गया, और slope erosion के कारण सड़क को धीरे-धीरे ऊपर शिफ्ट करना पड़ा, जिससे बदनाम Zig Zag में और hairpin turns जोड़ने पड़े
rockfall ने भी सड़क को खतरनाक बना दिया था, और bedrock तक पहुँचने की कोशिश की गई, लेकिन वह बहुत ज़्यादा गहराई में दबा हुआ था
https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...
कुछ पुल डूबते नहीं हैं। वजह है तैरना
https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge
Lacey V. Murrow Memorial Bridge, Homer M. Hadley Memorial Bridge, और दुनिया का सबसे लंबा floating bridge Evergreen Point Floating Bridge
https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Homer_M._Hadley_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Evergreen_Point_Floating_Bridg...
यानी प्रोजेक्ट की पूरी लागत चुकाने के बाद सब से पैसा लेना बंद कर दिया गया
Chicago में भी मूल योजना यही थी
innovative idea के हिसाब से यह काफ़ी तेज़ प्रगति थी
संदर्भ: https://www.youtube.com/watch?v=gm0YQ3vuyyY
Ken Burns की Brooklyn Bridge निर्माण पर बनी डॉक्यूमेंट्री सच में बहुत दिलचस्प है, क्योंकि यह उस समय 19वीं सदी के उत्तरार्ध में innovative मानी जाने वाली engineering techniques और चुनौतियों को कवर करती है
यह लगभग 1 घंटे की ही है, इसलिए ज़ोरदार सिफ़ारिश है
https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/
https://www.amazon.com/Great-Bridge-Story-Building-Brooklyn/...
जापानी pile construction company Giken के पास बेहतरीन engineering videos हैं, जो silent pile driving technology और उसके अनोखे उपयोग दिखाते हैं
इनमें lava flow को रोकने या शहर के नीचे underground bicycle storage बनाने जैसे उदाहरण भी हैं
https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos
आज पता चला कि “Piledriver” का आविष्कार WWE ने नहीं किया था
कुछ पुल जानबूझकर डुबाए जाते हैं, और कुछ गलत डिज़ाइन की वजह से डूब जाते हैं
https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
लेखक Grady Hillhouse हैं
वीडियो: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
ब्लॉग: https://practical.engineering/blog/
फ़ीड: https://practical.engineering/blog?format=rss