بهسازی بستر برای رفع مشکلات روانگرایی، نشست و ظرفیت باربری سازه‌ها
به منظور رفع مشکلات مربوط به روانگرایی، نشست و افزایش ظرفیت باربری سازه‌ها، تکنیک‌های مختلفی از جمله میکروپایل‌ها یا ریزشمع‌ها، جت گروتینگ، اجرای شمع و اختلاط عمیق خاک تجویز و توصیه می‌شوند. در ادامه به اختصار به توضیح این تکنیک‌ها پرداخته شده است.
میکروپایل یا ریزشمع
میکروپایل‌ها به دو گروه کلی تقسیم می‌شوند: “میکروپایل‌های پیش‌ساخته” و “میکروپایل‌های درجا” (Fleming, 1985). میکروپایل‌های پیش‌ساخته المان‌هایی هستند که با کوبش یا ارتعاش به داخل زمین رانده می‌شوند و خاک‌های اطراف را جابجا کرده و به جلو می‌رانند. میکروپایل‌های درجا در گمانه‌ها و چاه‌هایی از پیش حفر شده قرار داده می‌شوند و یا در محل ساخته و اجرا می‌گردند.
تعریف ریزشمع
ریزشمع (یا میکروپایل)، غالباً جزو شمع‌های حفاری و درجا با قطر کوچک (عمدتاً کمتر از 300 میلیمتر) می‌باشد که با آرماتور تقویت می‌گردد. ریزشمع از طریق حفر یک گمانه یا چاه، سپس استقرار آرماتورها در گمانه و نهایتاً تزریق دوغاب اجرا می‌گردد.
کاربرد ریزشمع
ریزشمع‌ها قادر به تحمل بارهای محوری و جانبی هستند و می‌توانند جایگزین شمع‌های مرسوم گردند یا در کنار سیستم شمع به کار گرفته شوند. ریزشمع‌ها به روش‌هایی اجرا می‌گردند که کمترین آسیب را به خاک، سازه و محیط اطراف خود وارد آورند. آن‌ها را می‌توان در محیط‌های با دسترسی مشکل و در همه نوع خاک و شرایط زمینی اجرا نمود.
از آنجا که مراحل اجرا، ارتعاش و سر و صدای کمی را ایجاد نموده و می‌توان آنرا در فضاهای مسقف کم ارتفاع اجرا نمود، اغلب برای تقویت پی‌‌های سازه‌های موجود مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. در مواردی که فضای زیرزمینی محدود باشد، تجهیزات حفاری ویژه‌ای لازم است.
بخش عمده نیروهای اعمالی به شمع‌های درجا، اساساً توسط بتن مسلح تحمل میشود؛ و بدین لحاظ برای افزایش ظرفیت باربری سازهای آن‌ها می‌توان سطح مقطع و سطح تماس شمع را افزایش داد. در مقابل، ظرفیت باربری سازهای ریزشمع (یا میکروپایل) متکی بر ظرفیت المانهای فولادی مقاوم موجود در آن می‌باشد. این المانهای فولادی تقریباً نصف حجم گمانه را اشغال می‌‌کنند. بکارگیری روشهای حفاری و تزریق ویژه در اجرای ریزشمع (یا میکروپایل) ها امکان پیدایش مقادیر ظرفیت باربری بالایی را در مجموعه خاک- دوغاب مهیا می‌‌سازد.
دوغاب، نیروهای موجود در ناحیه پیوند (مجموعه خاک- دوغاب) را به روشی شبیه به مهاربندی زمین، از طریق اصطکاک و به کمک آرماتورها به زمین منتقل می‌کند. بخاطر قطر کوچک ریزشمع (یا میکروپایل) ، عموماً از ظرفیت باربری نوک آن صرف‌نظر میشود. مقاومت ناحیه پیوند دوغاب- خاک به نوع زمین و روش ترزیق (مثلاً تزریق فشاری یا ثقلی) بستگی دارد. روش حفاری نیز اگرچه بسیار کم، ولی تاثیرگذار است.
مراحل اجرای ریزشمع با استفاده از غلاف‌گذاری
- شروع حفاری و نصب غلاف موقت
- ادامه حفاری تا عمق نهایی
- بیرون کشیدن سرمته و راد
- استقرار آرماتور یا سایر سیستم‌های تسلیح و تزریق دوغاب با ترمی
- بیرون کشیدن غلاف موقت و تزریق دوغاب ثانویه تحت فشار ممکن
- تکمیل شمع (ممکن است غلاف در لایه تراکم‌پذیر باقی بماند)
تاریخچه میکروپایل (ریزشمع)
ریزشمع (یا میکروپایل) ها در اوایل دهه 1950 در ایتالیا برای تقویت پی بناهای تاریخی و یادبودهایی که در معرض آسیب و تخریب قرار گرفته بودند، ظهور کردند. در آن زمان، نیاز به یک سیستم مطمئن برای نگهداری بارها و وزن سازه‌ها با کمترین جابجایی و قابل اجرا در فضاهای با دسترسی محدود و کمترین آسیب به سازه‌های موجود وجود داشت. یک پیمانکار ایتالیایی به نام Fondedile روش “palo radice” یا “روت پایل” را برای تقویت پی سازه‌ها پیشنهاد داد. Palo radice یک شمع با قطر کوچک است که در محل حفاری و اجرا شده و پس از قرار دادن آرماتور سبک، ترزیق میشود.
اگرچه تولید فولاد بعد از جنگ در اروپا کم بود، اما نیروی کار ارزان و فراوان با قابلیت‌های فنی بالا وجود داشت. چنین شرایطی باعث توسعه روت‌پایل‌های کم آرماتور شد که عمدتاً توسط پیمانکاران طراحی و اجرا می‌شد. آزمایش‌های بارگذاری بر روی این روت‌پایل‌ها، ظرفیت باربری فراتر از 400 کیلو نیوتن را ثبت کرد، اگرچه ظرفیت باربری اسمی طراحی، بر اساس روشهای طراحی شمع‌های مرسوم و حفاری‌های آن زمان، کمتر از 100 کیلونیوتن در نظر گرفته شده بود. آزمایش‌های تمام مقیاس تقریباً با هزینه‌های نسبتاً پایین اجرا می‌شدند. در طی این آزمایش‌ها، هیچ گونه گسیختگی در ناحیه پیوند خاک-دوغاب ثبت نشد.
توسعه و گسترش ریزشمع (میکروپایل)
استفاده از روت‌پایل‌ها در دهه 1950 در ایتالیا توسعه یافت. آقای Fondedile این تکنیک را برای تقویت پی چندین سازه تاریخی در سال 1962 در انگلستان پیشنهاد داد و در سال 1965 این روش در فنداسیون پروژه‌های راه و ترابری آلمان مورد استفاده قرار گرفت. به دلایل خاص مالکیت زبانی، واژه “ریزشمع (یا میکروپایل)” جایگزین “روت‌پایل” شد.
در ابتدا، کاربرد اصلی ریزشمع (یا میکروپایل) برای تقویت پی سازه‌ها در محیط‌های شهری بود. با شروع سال 1957، تقاضاهای مهندسی منجر به پیدایش سیستم “reticoli di pali radice” (ریزشمع یا میکروپایل‌های مشبک) گردید. این سیستم شامل چندین ریزشمع (یا میکروپایل) عمودی و مایل بود که در یک شبکه سه‌بعدی در هم قفل شده بودند.
ریزشمع (یا میکروپایل) مشبک برای پایدارسازی شیروانی‌ها، تقویت دیوارهای ساحلی و بندری، حفاظت از سازه‌های مدفون و سایر موارد نگهداری و تقویت خاک‌ها و سازه‌ها و مقاوم‌سازی زمین به کار گرفته شد.
رشد و گسترش جهانی ریزشمع
سیستم ریزشمع (یا میکروپایل) در سوئیس و آلمان توسعه یافت و خیلی زود خاور دور به بازار اصلی این فناوری تبدیل شد. وفور کارگران نسبتاً ارزان، کمبود فولاد و نیاز مبرم به ترمیم و بازسازی محیط‌های شهری، همگی موجب افزایش استفاده از ریزشمع‌ها در اروپا گردید. بالعکس، رشد آرام استفاده از ریزشمع‌ها در شمال آمریکا، بازتابی از فراوانی فولاد ارزان قیمت، هزینه‌های نسبتاً بالای کارگر، و اجرای پروژه‌های بزرگ در مناطق برون شهری بود. چنین شرایطی موجب توسعه تکنیک شمع‌های جابجایی گردید که با استفاده از دفترچه مشخصات تجویزی اجرا می‌شدند و از تکنولوژی پایین‌تری نسبت به ریزشمع‌ها برخوردار بودند. امروزه، هزینه‌های اجرا در سراسر جهان تقریباً مشابه هم هستند و رشد تقاضا برای ریزشمع ادامه دارد، به ویژه در بین پیمانکاران ژئوتکنیکی که توانایی ساخت و طراحی را دارند.
جت گروتینگ یا تزریق تحت فشار
جت گروتینگ (Jet grouting) یکی از شیوه‌های بهسازی و افزایش مقاومت و توان باربری خاک بصورت درجا می‌باشد. این روش در اوایل دهه 1970 در ژاپن ایجاد شد و در طی سال‌ها با توسعه تجهیزات و دانش تزریق، روشهای مختلف تزریق تحت فشار توسعه یافتند.
معرفی روش جت گروتینگ
در این روش، ستون‌هایی مدفون از مخلوط خاک و سیمان با سرعت بالا (800 تا 900 کیلومتر بر ساعت) و فشار بسیار بالا (30 تا 70 مگاپاسکال) در محل تولید میشود. ابتدا راد حفاری با قطر کم و سرعت زیاد در زمین حفاری می‌کند و سپس مخلوط تزریق با فشار بالا به درون خاک تزریق میشود.
روشهای اجرا
روش تک سیاله (Single Fluid): در این روش، سیال همان دوغاب است و جریان تحت فشار سیال به طور همزمان عمل سایشی و تزریق را انجام می‌دهد.
روش دو سیاله (Double Fluid): در این روش از جریانی پرفشار از سيمان و هوای فشرده استفاده میشود.
روش سه سیاله (Triple Fluid): در این روش از خروجي آب پرفشار برای خاکبرداری و دوغاب برای جایگزینی خاک حفاری شده استفاده میشود.
پروسه اختلاط در ریزشمع (میکروپایل)
پروسه اختلاط در ریزشمع (میکروپایل) یکی از مهم‌ترین مراحل اجرای این تکنیک تقویتی است که نقش کلیدی در بهبود خواص مکانیکی و هیدرولیکی خاک و افزایش ظرفیت باربری شمع‌ها دارد. این فرآیند شامل ترکیب دقیق مواد سیمانی و دوغاب با خاک به منظور ایجاد یک سیستم ترکیبی مستحکم و پایدار است.
مراحل پروسه اختلاط
حفاری و آماده‌سازی سوراخ:
در ابتدا، یک سوراخ با قطر کوچک (معمولاً بین 100 تا 300 میلیمتر) با استفاده از تجهیزات حفاری مناسب در محل مورد نظر حفر میشود. این مرحله می‌تواند به صورت دستی یا با استفاده از دستگاه‌های مکانیکی انجام شود.
تولید و تزریق دوغاب سیمانی:
دوغاب سیمانی که معمولاً ترکیبی از سیمان، آب و افزودنی‌های مختلف است، به منظور بهبود خواص مکانیکی و دوام بیشتر تهیه میشود. میزان اختلاط و نوع مواد افزودنی بستگی به شرایط ژئوتکنیکی و نیازهای پروژه دارد.
دوغاب تهیه شده با استفاده از پمپ‌های تزریق به داخل سوراخ حفر شده تزریق میشود. این فرآیند معمولاً تحت فشار انجام میشود تا دوغاب به عمق و اطراف سوراخ نفوذ کند و با خاک پیرامون مخلوط شود.
قرار دادن آرماتور:
پس از تزریق دوغاب، آرماتورهای فولادی سبک به منظور افزایش مقاومت کششی و خمشی در داخل سوراخ قرار داده می‌شوند. این آرماتورها می‌توانند به صورت میلگردهای منفرد یا قفس‌های آرماتور باشند.
تزریق نهایی دوغاب:
در برخی موارد، پس از قرار دادن آرماتورها، یک تزریق نهایی دوغاب به منظور اطمینان از پر شدن کامل فضای خالی و ایجاد یک پیوند قوی بین آرماتورها و دوغاب انجام میشود.
عمل‌آوری و گیرش دوغاب:
دوغاب سیمانی تزریق شده باید زمان کافی برای عمل‌آوری و گیرش داشته باشد. این مدت زمان می‌تواند بسته به نوع سیمان و شرایط محیطی متفاوت باشد. در این مدت، دوغاب تزریق شده با خاک ترکیب میشود و یک ساختار مستحکم و پایدار را ایجاد می‌کند.
مزایای پروسه اختلاط در ریزشمع
- افزایش ظرفیت باربری:
ترکیب دوغاب سیمانی با خاک باعث افزایش مقاومت فشاری و برشی خاک میشود که منجر به افزایش ظرفیت باربری ریزشمع می‌گردد. - کاهش نشست:
پروسه اختلاط می‌تواند به کاهش نشست و بهبود پایداری سازه کمک کند. - انعطاف‌پذیری:
این تکنیک در انواع مختلف خاک و شرایط زمین‌شناسی قابل استفاده است و می‌تواند به راحتی با نیازهای مختلف پروژه‌ها تطبیق یابد. - قابلیت اجرا در فضاهای محدود:
به دلیل قطر کوچک و تجهیزات نسبتاً سبک، این فرآیند می‌تواند در فضاهای محدود و در نزدیکی سازه‌های موجود به راحتی اجرا شود.
چالش‌ها و ملاحظات
- کنترل کیفیت:
اجرای دقیق پروسه اختلاط نیازمند کنترل کیفیت دقیق در تمامی مراحل است. از جمله موارد مهم، نسبت اختلاط دوغاب، فشار تزریق، و زمان عمل‌آوری است. - هزینه‌ها:
هرچند که پروسه اختلاط نسبت به برخی روشهای سنتی ممکن است هزینه‌بر باشد، اما به دلیل مزایای فراوان و بهبود کارایی سازه، این هزینه‌ها توجیه‌پذیر هستند. - اثرات محیطی:
در برخی موارد، تزریق دوغاب ممکن است به تغییرات زیست‌محیطی منجر شود که نیازمند بررسی‌های دقیق زیست‌محیطی است.
نیلینگ و اختلاط عمیق خاک
نیلینگ و اختلاط عمیق خاک از تکنیک‌های دیگری هستند که برای بهسازی بستر و افزایش ظرفیت باربری سازه‌ها استفاده می‌شوند. این تکنیک‌ها به طور معمول در پروژه‌های بزرگ و پیچیده به کار گرفته می‌شوند و شامل مراحلی همچون نفوذ ابزار اختلاط، اختلاط درجا و انتشار دوغاب می‌باشند.
نتیجه‌گیری
تکنیک‌های بهسازی بستر مانند میکروپایل‌ها، جت گروتینگ، نیلینگ و اختلاط عمیق خاک، ابزارهای مؤثری برای افزایش مقاومت و ظرفیت باربری سازه‌ها در شرایط مختلف هستند. این تکنیک‌ها با کمترین آسیب به خاک و محیط اطراف، قابلیت اجرا در انواع شرایط زمینی را دارند و می‌توانند به طور مؤثری مشکلات روانگرایی، نشست و ظرفیت باربری را رفع کنند.
ثبت ديدگاه