پی‌ها ساخته می‌شوند تا بارهای وارده را به صورت ایمن به بستری که در آن قرار دارند منتقل کنند. عموماً پی‌هایی که نسبت طول به عرض آنها بیشتر از 10 می‌باشد پی‌های عمیق نامیده می‌شوند که شمع‌ها در این دسته قرار می‌گیرند. شمع‌ها اعضای سازه‌ای هستند که بارهای سازه را از میان لایه‌های ضعیف سطحی به لایه‌های مقاوم تحتانی منتقل می‌کنند. جنس شمع‌ها با توجه به نوع زمین، میزان بار وارده، روش ساخت و نصب و تعدادی عامل دیگر تعیین می‌شوند، که متداول‌ترین جنس شمع‌ها فولاد و بتن می‌باشد و در کشورهایی نیز از چوب یا تنه درختان استفاده می‌شود.
از جمله عوامل تعیین‌کننده در احراز نیاز یک پروژه به شمع می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- باربری ضعیف ونشست‌پذیری زیاد لایه‌های سطحی خاک
- اعمال بارهای بسیار سنگین از سازه به پی
- مقابله با نیروهای کششی رو به بالا یا نیروی برکنش (Uplift)
- مقابله با بارهای جانبی مانند باد، زلزله، جریان آب و ...
- وجود لایه‌های سطحی با پتانسیل روانگرایی بالا
- پیش‌بینی اثر آب شستگی
- ایجاد یک عرشه ثابت بالاتر از سطح آب
طراحی ژئوتکنیکی شمع برای تحمل بارهای فشاری، کششی و جانبی
پس از مشخص شدن ضرورت استفاده از شمع در یک پروژه می‌بایست اطلاعات اولیه شامل گزارش ژئوتکنیک در اختیار متخصص طراحی شمع قرار داده شود. در اولین گام طراح شمع، گزارش ژئوتکنیک اولیه را مورد بررسی قرار داده و درخصوص کفایت تعداد، جانمائی و عمق گمانه‌ها و نوع آزمایش‌های آزمایشگاهی و برجا مطالعات لازم را انجام می دهد. باید توجه داشت که متناسب با شرایط پروژه ممکن است طراح شمع به مطالعات ژئوتکنیک تکمیلی نیاز داشته باشد.
باربری فشاری
شمع‌ها از طریق اصطکاک (چسبندگی) جداره و یا باربری نوک در برابر بارهای فشاری مقاومت می‌کنند. برخی شمع‌ها فقط عملکرد اصطکاکی داشته و برخی دیگر تنها بر نوک متکی هستند اما در بیشتر موارد ظرفیت باربری شمع‌ها حاصل فعال شدن بخشی از مقاومت در جداره بخشی دیگر در نوک شمع است. روابط متعددی برای محاسبه باربری جداری و نوک شمع بر مبنای پارامترهای مقاومتی، نتایج آزمایش SPT و نتایج آزمایش CPT در متون مرجع ژئوتکنیکی ارائه شده‌اند که انتخاب رابطه مناسب طراحی به تجربه و رویکرد طراح بستگی دارد.
باربری کششی
مقاومت شمع‌ها در برابر بارهای کششی عمدتاً ناشی از باربری جداره شمع و اندکی نیز ناشی از وزن شمع می‌باشد. در محاسبه باربری کششی شمع‌ها از همان روابط باربری جداری – اصطکاکی که در قسمت باربری فشاری به آن اشاره شد استفاده می‌شود با این تفاوت که بعضاّ بدلیل تفاوت شرایط فعال شدن باربری کششی و فشاری، یک ضریب کاهشی به آن اعمال می‌گردد.
باربری جانبی
سختی جانبی خاک در لایه‌های سطحی‌تر تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر باربری جانبی شمع دارد. مدل‌سازی رفتار شمع تحت باربری جانبی و پیش‌بینی وقوع حالت چرخش یا خمش برای آن پیچیده‌تر از طراحی فشاری یا کششی شمع‌ها بوده و مستلزم امکان‌سنجی حالات مختلف در یک روند سعی و خطا می‌باشد.
با توجه به ماهیت فرمول‌های محاسباتی و تفاوت نتایج حاصله از روش‌های مختلف، نمی‌توان در طراحی شمع‌ها تنها به فرمول‌های تئوری و روش‌های عددی اتکا نموده و می‌بایست اعداد بار نهایی حاصل از طراحی با نتایج یک سری از آزمایش‌های بارگذاری دینامیکی یا استاتیکی کنترل شود. پس از طی روند طراحی و محاسبه بار نهایی در هر کدام از سه حالت بار گذاری مذکور می‌بایست بار مجاز تعیین گردد. بار مجاز حاصل تقسیم بار نهایی بر ضریب اطمینان بوده که این مقدار باید از بارهای وارده به سازه کمتر باشد. لذا انتخاب ضریب اطمینان بسیار اهمیت داشته و می‌تواند هزینه‌های پروژه را به شدت دستخوش تغییر نماید. طراح شمع می‌تواند با توجه به عوامل زیر ضریب اطمینان را انتخاب نماید:
- گستردگی و دقت مطالعات ژئوتکنیک
- میزان سازگاری فرمول‌های تئوری طراحی شمع با ساختگاه پروژه
- وجود یا عدم وجود سوابقی از پروژه‌های شمع‌کوبی یا شمع‌ریزی در مجاورت ساختگاه
- گستردگی و دقت آزمایش‌های بارگذاری دینامیکی یا استاتیکی شمع در مرحله طراحی
- توان اجرائی ماشین‌آلات پیمانکاران احتمالی پروژه
- توان اجرائی و دقت عمل سیستم نظارت کارگاهی
- گستردگی و نوع آزمایش بارگذاری دینامیکی و استاتیکی پیش‌بینی‌شده برای مرحله اجرای شمع‌ها
یکی از کامل‌ترین استانداردهایی که در این زمینه وجود دارد، استاندارد اجرای شمع استرالیا (AS2159) می‌باشد که به طراح اجازه می‌دهد متناسب با تعداد و نوع آزمایش‌ها، وسعت مطالعات، دقت تحلیل‌ها و کنترل‌هایی که قرار است در حین اجرای شمع‌ها انجام گیرند، ضریب اطمینان کمتری را انتخاب نماید تا ضمن کسب اطمینان از ایمنی پروژه (از طریق انجام کنترل‌های بیشتر) در هزینه‌های ساخت و اجرا صرفه‌جویی شود.
طراحی سازه‌ای شمع‌ها
با توجه به نوع مصالح انتخاب شده برای شمع، روش اجرای آن و بارهای طراحی، مقاطع شمع برای تحمل تنش‌های داخلی ناشی از نیروهای خارجی طراحی می‌شوند. آیین‌نامه مورد استفاده و فلسفه طراحی با توجه به جنس شمع انتخاب می‌شوند. در طراحی مقاطع شمع‌ها موارد زیر مدنظر قرار می‌گیرند:
- طراحی بهینه و اقتصادی مقاطع با توجه به تنش‌های مقاطع مختلف در طول شمع
- کفایت مقطع در تحمل نیروهای فشاری، کششی، برشی و لنگرهای خمشی و پیچشی و اثرات همزمانی آنها
- کفایت مقطع در تحمل نیروهای حین ساخت، جابجایی، نصب یا کوبش شمع
- اثرات خودکرنشی مصالح
- خوردگی مصالح شمع و فرسایش مصالح پیرامونی
- کاهش مقاومت مصالح در طول زمان بهره‌برداری
بدیهی است با پیش‌بینی کنترل و نظارت بیشتر در مراحل طراحی و اجرا و کاهش عوامل نگران‌کننده می‌توان اطمینان را افزایش و ضریب اطمینان را کاهش داد و در هزینه‌های پروژه به میزان قابل توجهی صرفه‌جوئی نمود. جالب اینجاست که هزینه انجام مطالعات دقیق و آزمایش‌های بارگذاری حین طراحی و اجرا عمدتاً کمتر از 1 درصد هزینه اجرا شمع‌ها می‌باشد، در حالی که همین هزینه ناچیز می‌تواند تا 50 درصد مبلغ کل پروژه صرفه‌جویی مالی بهمراه داشته باشد.