در فرآیند ساختمان سازی هنگام مواجه شدن با خاک های معیوب نظیر خاک هایی با قابلیت باربری کم، نشست پذیری بالا، خاک های دستی و روانگرا و خاک های سست، مهندسین از میان دو روش ژئوتکنیکی حق انتخاب دارند.
روش اول: بهسازی پارامترهای مقاومتی با اضافه کردن مواد و مصالح به خاک (اصلاح و بهسازی خواص فیزیکی، مکانیکی توده خاک )
روش دوم: استفاده از المان های باربر خاک
میکروپایل به عنوان المان مقاوم و باربر به خاک اضافه شده، از این روی موجب بهبود رفتار خاک و مقاومت آن نیز می شود. میکروپایل یا همان ریز شمع در چند سال اخیر بسیار محبوب شده و مزایای بی شماری نیز به همراه دارد. در ادامه ی این مقاله قصد داریم تا به صورت جامع شما عزیزان را با میکروپایل یا ریز شمع آشنا کنیم و به بررسی ویژگی های آن نیز بپردازیم. با ایران دی اس ام تا انتهای این مقاله همراه باشید.
پیشینه ریز شمع یا میکروپایل
تکنولوژی ریز شمع برای اولین بار در اوایل دهه 50 میلادی و در کشور ایتالیا مورد بررسی قرار گرفت و ایده ی اولیه این طرح توسط دو مهندس و پیمانکار مشهور ایتالیایی به نام های fondedile و Fernando lizzi شکل گرفت. فوندیل برای اولین بار شمع های ریشه ای را به دنیا معرفی کرد.
توجه: شمع های ریشه دارای قطر کمی بوده و عموما با تزریق دوغاب سیمان و مسلح کننده فولادی سبک تقویت می شود.
جالب است بدانید که در آن زمان بسیاری از ساختمان ها و بناهای معماری کشورهای اروپایی به دلیل جنگ جهانی دوم دچار آسیب و تخریب شده بود، از این روی نیاز به ترمیم و مرمت ساختمان ها بیش از هر زمان احساس می شد. در آن سال ها بسیاری از کشورهای اروپایی به دنبال جنگ جهانی دوم با مشکلات مالی دست و پنجه نرم می کردند. روش میکروپایل یا ریز شمع علاوه بر داشتن قابلیت اجرا در ساختمان های تخریب شده از نظر اقتصادی نیز بسیار مقرون به صرفه بوده و با سرعت بسیار بالایی نیز انجام می شد.
یکی از ابداع کنندگان این روش در سال 1965 میلادی با استفاده از این روش در پروژه های حمل و نقل، آن را به کشور آلمان و در سال 1962 میلادی تکنولوژی میکروپایل را با استفاده در چند ساختمان به کشور انگلستان معرفی کرد. با گذشت زمان و عبور از دو دهه، در سال 1973 میلادی روش میکروپایل به آمریکای شمالی نیز معرفی شد و بسیاری از ساختمان های واقع در نیویورک و بوستون با استفاده از این روش پرکاربرد ترمیم شد.
جالب است بدانید که در ابتدا این روش در بهسازی بستر ضعیف ساختمان ها کاربرد داشته و با گذر زمان و ورود به سایر کشور ها، کاربرد آن به دیگر زمینه های مهندسی ژئوتکنیک (مقابله با روانگرایی، پایدار سازی شیب و غیره) راه پیدا کرد. با گذشت زمان بسیاری از سازمان ها و پژوهشکده ها به جهت تنظیم آیین نامه و استاندارد ها اقدام کرده که از مشهورترین آن می توان به آیین نامه ی Micropile design and construction)) اشاره کرد. این آیین نامه توسط انجمن بزرگراه های آمریکا یا به اختصار FHWA تنظیم شده است.
نکته: خوب است بدانید که میکروپایل در پروژه ی ملی FOREVER فرانسه نیز به طور جامع مورد بررسی قرار گرفته است.
روش اجرای ریزشمع (میکروپایل)
اجرای این روش در چهار گام اصلی انجام شده که هر یک از آن ها به شرح ذیل می باشد.
گام اول (حفاری): انجام عملیات حفاری در شرایطی که امکان کوبش لوله های میکروپایل در آن وجود ندارد مانند لایه متراکم خاک، وجود کف سازی، بتن مگر و … الزامی است. حفاری متناسب با عمق مورد نظر پروژه (تا جایی که امکان کوبش وجود دارد) و با استفاده از روش هایی چون Rotary (حفاری دورانی) یا D.T.H (حفاری دورانی ضربه ای) انجام می شود.
گام دوم (لوله کوبی): در این گام به منظور قرار دادن لوله های میکروپایل، فرآیند لوله کوبی آغاز می شود.
نکته: به یاد داشته باشید که در ابتدا از نوک تیز آن استفاده شده و بعد از لوله ی اول، لوله ی دوم متصل و سپس کوبیده می شود و به همین روال ادامه پیدا می کند. به منظور اتصال کامل، لوله ها به لبه بوشن نیز جوش داده می شود. (هم چنین از بوشن های رزوه شده نیز استفاده می شود) در صورتی که پس از 30 ضربه پی در پی لوله کوب، لوله بیش از 10 سانتی متر فرو نرود عملیات کوبش لوله متوقف شده و فرآیند حفاری تا عمق مورد نظر ادامه پیدا می کند و بعد از آن لوله های میکروپایل درون گمانه قرار می گیرد.
نکته: لوله های میکروپایل در قطعات دومتری بوده و قطر داخلی آن 68 میلی متر و قطر خارجی آن نیز 76 میلی متر می باشد.
هر میکروپایل نیز در هر متر دارای 80 سوراخ به قطر 8 میلی متر بوده و محیط داخلی آن نیز به گونه ای است تا در زمان دوغاب ریزی مشکلی ایجاد نشود.
گام سوم (تزریق): این گام از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و ساخت دوغاب موردنظر و تزریق صحیح آن نیز در این مرحله انجام می شود. دستگاه تزریق دوغاب از سه بخش میکسر اولیه، میکسر ثانویه و پمپ تزریق تشکیل شده است.
میکسر اولیه: میکسر اولیه اختلاط، از نوع سیستم چرخش سریع آب بوده و ساخت دوغاب تزریق نیز در میکسر اولیه انجام می شود. به این منظور ابتدا به میزان لازم آب ریخته و با توجه به نسبت آب به سیمان یا همان WCR، سیمان نیز اضافه شده و دوغاب به مدت 30 ثانیه هم زده می شود.
نکاتی در خصوص دوغاب
سیمان: نوع سیمان مصرفی عموما سیمان پرتلند تیپ یک، تیپ دو و یا تیپ پنج بوده که مهندسین می توانند بر اساس شرایط حق انتخاب داشته باشند.
آب مصرفی برای تهیه دوغاب : به جهت تهیه ی دوغاب میبایست از آب تمیز و صاف استفاده کرد. آب میبایست از هرگونه ، مواد نمکی، قلیایی، اسید ها و مواد آلی، مواد قندی و غیره عاری باشد تا بتن آسیب نبیند. آب شرب بهترین گزینه برای این امر محسوب می شود.
میکسر ثانویه: این میکسر از نوع پره ای بوده و دوغاب پس از آماده شدن، درون آن ریخته می شود. حال در این گام با استفاده از پمپ تزریق، فرآیند تزریق آغاز می شود.
توجه: اگر دوغاب از سطح یا میکروپایل های جانبی نشت کند، عملیات تزریق متوقف خواهد شد.
گام آخر( تسلیح): در گام آخر میلگرد در لوله میکروپایل جاگذاری شده و فرآیند نصب کردن فلنج نیز انجام می شود. اندازه ی قطر میلگرد تسلیح در روش میکروپایل به طور معمول بین 20 تا 32 میلی متر بوده و بر اساس قطر لوله ی استفاده شده تعیین می شود.
نکته: فلنج به جهت ایجاد اتصال کامل میان بتن فوندانسیون و میکروپایل کاربرد داشته و در داخل پی قرار می گیرد.
آشنایی با مزایا روش میکروپایل
- این روش در مدت زمان کم و با سرعت بالا اجرا می شود.
- میکروپایل به دلیل استفاده ی کم از مصالح ساختمانی، بسیار مقرون به صرفه و اقتصادی می باشد.
- در این روش لرزش ساختمان های مجاور به دلیل قطر کم حفاری و انرژی کم کوبش، به کمترین مقدار خود می رسد.
- کوبش ریز شمع ها سبب افزایش استحکام خاک می شود.
- در صورت وجود دسترسی محدود، این گزینه بهترین انتخاب می باشد.
- امکان کنترل کیفی و انجام آزمایش های کنترلی در این روش سبب شده تا میکروپایل امنیت بالایی داشته باشد.
- عدم نیاز به تجهیزات و ماشین آلات خاص در این روش سبب شده تا بتوان از آن در محیط های شهری نیز استفاده کرد.
کاربرد روش ریز شمع
قبل از هر چیز لازم است بدانید که از این روش می توان به جهت پایدار سازی شیب، حفاظت از سازه های مدفون، مسلح کردن دیوارهای ساحلی، مسلح کردن خاک و غیره استفاده کرد. به طور کلی کاربرد این روش به دو دسته تقسیم بندی شده که هر یک به شرح ذیل می باشد.
کاربرد اول: استفاده به منظور المان باربر
کاربرد اصلی میکروپایل یا ریز شمع، به عنوان المان باربر بوده روش های گوناگونی نیز به این منظور طراحی شده است. جالب است بدانید که طول میکروپایل متناسب با ظرفیت باربری لازم محاسبه شده و چیدمان ریز شمع ها و محاسبه عمق بهینه اهمیت بسیار بالایی دارد. رعایت نظم در چیدمان ریز شمع ها سبب توزیع یکنواخت در زیر پی ساختمان شده و عوامل ذیل نیز در طرح چیدمان میکروپایل تاثیر گذار می باشد.
- موقعیت پی و ستون
- پارامترهای مقاومتی و ظرفیت باربری خاک
- عمق ریزشمع ها
- مشخصات هندسی و سازه ای پی
- نحوه توزیع و مقدار بارهای گسترده و متمرکز
کاربرد دوم: استفاده به منظور بهسازی خاک
استفاده از میکروپایل به جهت بهسازی خاک، روشی نوظهور بوده که در چند سال اخیر مورد بررسی قرار گرفته است. در هر پروژه قبل از آغاز کار، تمامی مشخصات ژئوتکنیکی مورد مطالعه قرار گرفته و عواملی چون پتانسیل روانگرایی ناحیه در زمان زلزله و روانگرایی اعماق مختلف زمین مورد بررسی قرار می گیرد.
نکته: با وقوع روانگرایی نشست های بزرگی در پی سطح به دنبال کاهش مقاومت برشی خاک اتفاق افتاده که سبب آسیب های چشمگیر و جبران ناپذیری می شود.
تعیین عمق مناسب: عمق بهسازی بر اساس عوامل گوناگونی تعیین شده تا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد و مقاومت پی را تقویت کند تا در شرایط بحرانی همچون زلزله از نشست های ناهمگن جلوگیری شود. از دیگر روش های تعیین عمق مناسب، مشاهدات میدانی ناشی از کوبش میکروپایل درخاک و ثبت تغییرات سرعت فرو رفت می باشد.
کاربرد میکروپایل در ایران
در حال حاضر کاربرد ریزشمع ها درایران به شرح زیر می باشد.
- ترمیم پی ساختمان های فرسوده و قدیمی (به عنوان المان باربر)
- مقابله با پدیده روانگرایی به دنبال بهسازی خاک
- استفاده در زیر پی ساختمان ها و سایر روسازه ها نظیر مخازن نفت و گاز و غیره (به عنوان المان باربر)
- بهسازی خاک و به دنبال آن افزایش پارامتر های مقاومتی و رفتاری
آزمایش های ضروری در میکروپایل
آزمایش های کنترل کیفی جهت بررسی عملکرد سازه به شرح ذیل می باشد.
آزمایش بارگذاری کششی: آزمایش بارگذاری کششی به جهت بررسی رفتار مقاومتی و تغییر شکل پذیری کششی ریز شمع انجام می شود. این آزمایش به کمک میکروپایل های استفاده شده به عنوان عکس العمل تیر تکیه گاهی در آزمایش فشاری انجام شده و هم چنین امکان اجرای این آزمایش به صورت مستقل نیز وجود دارد.
آزمایش بارگذاری فشاری: این آزمایش برای میکروپایل هایی که بیش از 28 روز از زمان تزریق آن ها گذشته باشد، انجام می شود. در زمان انجام آزمایش، میکروپایل تا رسیدن به بار آزمایشی باید دچار گسیختگی و تغییر بیش از حد مکان نشود و به صورت کامل تحمل بارهای اعمال شده را داشته باشد. جهت انجام این آزمایش، بارگذاری به روش پله ای و با کمک جک بارگذاری تا رسیدن به بار آزمایشی و باربرداری تا بار صفر انجام می شود.
نکته: بارگذاری در پله های سه تنی انجام شده و در هر گام به مدت پنج دقیقه بر روی میکروپایل قرار میگیرد و نشست های حاصل شده از هر پله بارگذاری، در سه مرحله قرائت می شود.
آزمایش تایید: این آزمایش به جهت اطمینان از قابلیت تامین مقاومت باند انجام می شود.
آزمایش های پیشنهادی FHWA
در آیین نامه ی FHWA نیز چندین آزمایش پیشنهاد شده که در ادامه هر یک را به طور کامل بررسی خواهیم کرد.
آزمایش خزش: مهم ترین بخش این آزمایش اندازه گیری میزان جا به جایی، در بار ثابت و در فواصل زمانی معین شده بوده و هدف از انجام آن بررسی کامل ایمنی سیستم در برابر بارهای طراحی در زمان بهره برداری می باشد.
معیار پذیرش این آزمایش، تغییر مکان حداکثر 2 میلی متری در هر مرحله ی زمانی می باشد.
آزمایش اثبات میکروپایل: آزمایش اثبات میکروپایل به صورت افزایش بار مرحله ای تا رسیدن به درصدی از بار طراحی انجام شده و معمولا تنها بر روی 5 درصد از میکروپایل ها قابل اجرا می باشد.
به کمک این آزمایش می توان توانایی میکروپایل در تحمل بارهای سرویس بدون تغییر مکان های زیاد را کنترل کرد.
انتخاب میکروپایل و عوامل موثر بر آن
جالب است بدانید که ریز شمع بر اساس عوامل گوناگونی انتخاب می شود.
شرایط زیر سطحی: ریز شمع ها قابلیت نصب در بسیاری از نواحی نظیر زمین های دارای قلوه سنگ و تخته سنگ، تاسیسات زیر زمینی و … را دارند. از میکروپایل می توان در شرایطی که روش های قدیمی آن را نامساعد می شناسند، استفاده کرد که از جمله آن ها می توان به سطح آب زیرزمینی بالا، رس های نرم، ماسه های روان و غیره اشاره کرد. خوب است بدانید که ریز شمع در سازنده های آهکی کارستی نیز کاربرد بسیار بالایی دارد.
شرایط فیزیکی: به دلیل کوچک بودن تجهیزات تزریق و حفاری مورد نیاز برای نصب ریز شمع، می توان از آن در مناطق محدود که امکان عبور (تجهیزات نصب شمع) در آن دشوار است نیز استفاده کرد. همپچنین میکروپایل ها امکان نصب در درون دیوارها و پی ها با ابعاد چند میلی متر را نیز دارد. تجهیزات مذکور در مناطق با شیب تند و نواحی دور افتاده نیز قابل استفاده بوده و عملیات تزریق و حفاری در این روش، آسیبی به ساختمان های اطراف وارد نمی کند.
شرایط اقتصادی: وضعیت اقتصادی و هزینه های پیشرو در میکروپایل به عوامل متعددی بستگی دارد. میکروپایل یک روش بسیار اقتصادی و مناسب برای پی سازی حساس در زیر پایه های پل در نواحی مسکونی یا صنعتی قدیمی با ترافیک سنگین بوده و برای سایت با خاک نرم روش مناسبی نمی باشد.
به طور کلی هزینه های ریز شمع شامل اجرای پی، مراحل (حفاری، شمع کوبی، خاکریزی)، کنترل فرسایش، حمل مصالح با خطر بالا، بهسازی زمین، محدودیت های دسترسی و غیره بوده که میبایست در هر پروژه به صورت دقیق بررسی شود.
سازگاری با سازه: نیاز به افزایش ابعاد پی با اضافه شدن میکروپایل ها به کلاهک های شمع های موجود از بین رفته و همین امر سبب شده تا مقاومت فشاری، کششی، خمشی مورد نیاز اضافی به هنگام افزایش بار سازه تامین شود. از این امر می توان نتیجه گرفت که در میکروپایل ها نیازی به سیستم های معمول نصب شمع وجود ندارد.
معایب ریزشمع یا میکروپایل
- این امکان وجود داشته که میکروپایل های عمودی از نظر هزینه و ظرفیت باربری جانبی مشکل ساز باشد.
- گاها ممکن است که هزینه ی نصب میکروپایل ها از سیستم های شمع سنتی بیشتر شود.
جمع بندی:
در این مقاله به بررسی کامل ریز شمع یا همان میکروپایل ها پرداخته و ویژگی های آن را بررسی کرده ایم. شما عزیزان می توانید با مطالعه ی کامل این مقاله اطلاعات ارزشمندی در این زمینه کسب کنید.