میکروپایل و کاربردها ،

طراحی میکروپایل ،

اجرای میکروپایل

در بررسی طراحی و اجرای میکروپایل و با نگاه به میکروپایل و کاربردها آن میتوان گفت که:

این المان ها اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح و چوب می باشند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از پی های سطحی، از آنها برای ساخت پی های عمیق یا پی های شمعی استفاده می گردد.

شمع ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند :

۱. جابجا شونده   (Replacement piles)

۲. جایگزین شونده (displacement piles)

شمع های جابجا شونده :

شمع هایی اند که به وسیله کوبش یا ارتعاش در زمین اجرا می شوند.

شمع های جایگزین شونده :

در مکانهای ازقبل حفاری شده به صورت پیش ساخته یا درجا قرار میگیرند. به عبارت دیگر در محل حفاری جایگزین خاک می شوند.

میکروپایل ( ریزشمع ) :

یک شمع جایگزین شونده با حفاری و تزریق دوغاب سیمان با فشار بالا می باشد که معمولاً مسلح بوده و دارای قطر کوچک ( معمولاً کمتر از ۳۰۰ میلی متر ) می باشد.

تفاوت

در برخی موارد که معمولاً به علت بالا بودن سطح آبهای زیرزمینی اتفاق میفتد، ظرفیت باربری لایه های پایینی کمتر از لایه های فوقانی خاک است، استفاده از شمع چندان مفید نخواهد بود. بخصوص برای مقاومت اتکائی نوک شمع.

همچنین برای فونداسیونهایی که اجرا شده اند و به هر دلیلی نیاز به مقاوم سازی و افزایش ظرفیت باربری دارند، استفاده از میکروپایل بسیار کارساز خواهد بود.

سرعت اجرای بسیار بالا و انعطاف پذیری روش اجرای میکروپایل از محسنات این سیستم محسوب میشود. همچنین در ساختگاههایی که امکان وقوع روانگرایی وجود دارد، استفاده از میکروپایل جزء یکی از راه حل های مناسب برای کاهش صدمات ناشی از وقوع احتمالی روانگرایی خواهد بود.

 :nailing & micro pile تفاوت

از سیستم نیلینگ برای پایدارسازی ترانشه ها استفاده می شود.

نیلها همیشه برای کشش طراحی می شوند.

راستای نیل ها عموماً عمود بر ترانشه (افقی) یا با اندکی زاویه نسبت به افق (زاویه منفی) اجرا می شود.

نکاتی تکمیلی در مورد میکروپایل و کاربردها و طراحی میکروپایل

از سیستم میکروپایل برای تأمین ظرفیت باربری فونداسیونها (عموماً) استفاده می شود.

میکروپایل برعکس نیل ها همیشه برای فشار طراحی می شوند. ( گرچه عملکرد میکروپایل ها برای فشار، کشش وحتی خمش درنظر گرفته می شود ولی عمدتاًبرای فشار طراحی می شوند و ظرفیت آنها در کشش بسیار کمتر است.

راستای میکروپایل عموماً عمود بر سطح زمین یا با اندکی زاویه نسبت به راستای قائم اجرا می شود.

عوامل مؤثر در انتخاب میکروپایل ها :

ملاحظات فیزیکی، شرایط زیرسطحی، شرایط محیطی، سازگاری با سازه های موجود.

در شرایط یکسان میکروپایل های عمودی ممکن است در ظرفیت باربری جانبی و از لحاظ اقتصادی محدودیت داشته باشند. از لحاظ باربری محوری میکروپایلها به دلیل سطح مقطع کم نیز محدودیت دارند.

از لحاظ سازه ای ظرفیت باربری شمع های درجاریز توسط افزایش سطح مقطع و ظرفیت باربری میکروپایلها توسط المان فولادی درونش صورت می گیرد.

نکاتی تکمیلی در مورد میکروپایل و کاربردها

تقسیم بندی سیستم های میکروپایل :

استفاده از میکروپایل در کاربردهای امروزی به دو صورت انجام می شود:     

روش اول : فلسفه رفتاری (در مرحله طراحی)

روش دوم : براساس روشهای تزریق (در مرحله ساخت)

۱ . تقسیم بندی میکروپایلها براساس کاربرد طراحی :

طراحی میکروپایلها به صورت تکی یا گروهی بسیار متفاوت است از شبکه ای از میکروپایلهایی که در زندگی یکدیگر قرارگرفته اند.

ازاین رو دو نوع میکروپایل تعریف میشود :  

مورد۱ : میکروپایل هایی اند که بصورت مستقیم بارگذاری می شوند و المان مسلح کننده بار اعمالی را تحمل می کنند.

مورد ۲ : در این میکروپایلها ترکیب تسلیح شده ای از خاک به وجود می آورد و این مورد به عنوان شبکه شمع مشبک معرفی می شود.      

توضیح مورد۱ :

میکروپایل هارا میتوان به عنوان جایگزینی برای انواع متعارف شمع ها برای انتقال بار سازه ای به عمق های بیشتر (لایه های مستحکم تر) بکار برد. در این شرایط در شمع های تکی بار ابتدا توسط عامل تسلیح کننده فولادی و از لحاظ ژئوتکنیکی توسط پیوند خاک- دوغاب منتقل می گردد.

مقاومت پیوند بین زمین ـ دوغاب به نوع زمین، روش تزریق و روش حفاری بستگی دارد.

حداقل ۹۰% کاربرد میکروپایلها از مورد ۱ می باشد.

اینگونه میکروپایل ها به گونه ای طراحی می شوند که به صورت تکی عمل کنند هرچند که ممکن است بصورت گروهی اجرا شوند.

نکاتی تکمیلی در مورد میکروپایل و کاربردها

توضیح مورد ۲ :  

میکروپایلها به خوبی مورد ۱ عمل تسلیح را انجام نمی دهند زیرا خود آنها به صورت انفرادی بار را تحمل نمی کنند.

همچنین یک فلسفه طراحی بین میکروپایل های مورد ۱ و ۲ وجود دارد.

۲. تقسیم بندی میکروپایلها بر اساس نوع ساخت :

 ظرفیت پیوند بین زمین ­ـ دوغاب مستقیماً به روش تزریق بستگی دارد. بر اساس روش تزریق ۴ طبقه بندی وجود دارد. همچنین با استفاده از کیسینگ در حین حفاری و عامل تسلیح کننده، طبقه بندی های جزئی به وجود می آید.

عملیات تزریق به دو صورت با فشار و بدون فشار انجام می گیرد.

نوع آ : قرارگیری دوغاب به روش ثقلی (بدون فشار)  انجام می گیرد.

نوع ب : تزریق دوغاب معمولا با فشار ۱ تا ۵.۱ پاسکال انجام می شود.

نوع ج : شامل دو مرحله تزریق است. ابتدا دوغاب خالص به صورت ثقلی تزریق می شود سپس (قبل از گیرش اولیه بعد از ۱۵ تا ۲۵ دقیقه) دوغاب توسط لوله های تزریق شیاردار، بدون استفاده از پکر (در سطح مشترک بین منطقه پیوندی) با حداقل فشار یک اتمسفر انجام می شود.

نوع د : شامل دو مرحله تزریق می باشد. پس از گیرش دوغاب در تزریق اولیه، در مرحله دوم تزریق توسط لوله های شیاردار با فشار ۲ تا ۸ پاسکال انجام میگیرد.

مقایسه با سایر روشهای بهسازی خاک :

با توجه به وضعیت لایه بندی خاک تحت الارضی و میزان بار وارده در زیر پی با توجه به تعداد طبقات ساختمان در پروژه حاضر ، مناسب ترین روشها جهت حل مشکل ظرفیت بتربری و نشست و کاهش پتانسیل روانگرایی، استفاده از پی عمیق نظیر شمع یا ریز شمع ویا استفاده از روش های تراکمی نظیر تراکم دینامیکی یا تراکم ارتعاشی ـ جایگزین می باشد.

با توجه به ابعاد کوچک پروژه ، هزینه های تجهیز مربوط به روشهای تراکم دینامیکی و تراکم ارتعاشی ـ جایگزینی بسیار بالاست.

باتوجه به لایه بندی خاک و ظرفیت باربری محاسبه شده برای شمع های کوبشی ، متراژ مورد نیاز جهت اجرای شمع نسبتاً زیاد و هزینه تجهیز کارگاه و اجرای آن بسیار بالا خواهد بود.

باتوجه به جمیع مطالعات فوق ، میکروپایل با سایر روشهای بهسازی خاک دارای ویژگی های بارزی می باشد که در زیر بصورت فهرست وار به آنها اشاره می گردد :

بعد اقتصادی :

با توجه به اینکه اجرای میکروپایل مبتنی بر استفاده از حجم کم مصالح مشتمل بر فولاد و سیمان ، هزینه های پایین تجهیز کارگاه و نیز حجم بالای کار نیروی انسانی در زمان کوتاه می باشد ، روش میکروپایل در مقایسه با سایر روشهای بهسازی نظیر اجرای شمع های بتنی و فولادی ، تثبیت با سیمان ، اجرای ستونهای شنی ، تراکم دینامیکی و … که مبتنی بر استفاده از حجم زیاد مصالح و یا بکارگیری ماشین آلات سنگین و گران قیمت می باشند ، اقتصادی تر است.

بعد اجرایی :

ماشین آلات اجرای میکروپایل در مقایسه با ماشین آلات اجرایی سایر روشها ، دارای ابعاد و حجم کمتری می باشد. دارای قابلیت حمل و جابجایی آسان در کارگاه و فراهم کردن امکان اجرای عملیات در چند جبهه کاری مختلف بدون تداخل کاری می باشد.

با توجه به ابعاد کوچک بدنه میکروپایل ، قطر ناچیز حفاری و کوبش میکروپایل با انرژی کم ، میزان لرزش و اثرات جانبی روی سازه های مجاور (در مقایسه با سایرین مثل شمع) به حداقل ممکن کاهش می یابد.

یکی از برترین ویژگی های میکروپایل : قابلیت اجرای بسیار ساده در شرایط وجود آب زیرزمینی است.

در مناطقی که سطح آب زیرزمینی بالا بوده و حفاری های قطر بزرگ جهت اجرای شمع های بتنی نیازمند پایدارسازی دیواره چاهک ها وتخلیه آب زیرزمینی می باشد، اجرای میکروپایل از سطح زمین ، تزریق دوغاب سیمان از داخل آن به علت چگالی ویسکوزیته بیشتر دوغاب سیمان ، آب حفره ای در اثر فشار دوغاب سیمان تخلیه و با دوغاب سیمان جایگزین میگردد.

طراحی میکروپایل و بعد فنی :

میکروپایل از یکسو با دارا بودن عناصر تسلیح ( مشتمل بر جدار ضخیم فولادی و آرماتور تسلیح) ، قابلیت انتقال و پخش بار به لایه های مقاوم زیرین و نیز کنترل نشست به دلیل سختی بفولاد و تسلیح عمقی خاک را دارد.

از سوی دیگر به دلیل تزریق دوغاب ، مشخصات مکانیکی خاک (نظیر : سختی ، تراکم پذیری ، ظرفیت باربری ، ضریب اصطکاک ، چسبندگی و …) را بهبود می بخشد.

لذا میکروپایل در مقایسه با سایر روشها (مانند حفاری و تزریق ، تثبیت خاک با سیمان و یا آهک ، تراکم دینامیکی ، استفاده از زمین مصنوع ها (ژئوسنتتیک) که صرفاً خصوصیات مکانیکی خاک را تغییر می دهند) و (یا استفاده از شمع که صرفاً به عنوان عضو باربر عمل می کند،) به دلیل عملکرد مرکب ( استفاده از عناصر باربری + اصلاح خاک) دارای برتری می باشد.

لازم به ذکر است به علت تزریق دوغاب سیمان و افزایش چسبندگی جدار میکروپایل به توده خاک و بهبود مشخصات رفتار خاک ، استفاده از میکروپایل (با قطر کم و عمق نفوذ کمتر نسبت به شمع های بتنی یا فولادی قطور و عمیق) ، قابلیت تأمین باربری لازم و کنترل نشست پی را خواهد داشت.

نکاتی تکمیلی در مورد طراحی میکروپایل ، میکروپایل و کاربردها

همچنین باید توجه نمود که عملیات کوبش میکروپایل ، باعث انتقال انرژی جنبشی و ارتعاشی به توده خاک شده و منجر به تحکیم و تراکم توده خاکی اطراف میکروپایل خواهد شد.

این امر بخصوص در خاکهای دانه ای مشهودتر می باشد.

همچنین در شرایطی که به علت وجود لایه های متراکم زیرسطحی ، کوبش شمع های قطور شکل یا غیرممکن می باشد ، کوبش میکروپایل با قطر کوچک می تواند بهترین راه حل باشد.

بطور کلی کاربرد میکروپایل در مهندسی ژئوتکنیک مشتمل بر دو بخش است :

۱. استفاده در بستر پی سازه ها     

۲. اصلاح و بهسازی برجای خاک

پی سازه های جدید :

۱.کاهش نشست

۲.افزایش باربری فشاری

۳.تأمین باربری کششی

۴.افزایش باربری جانبی

پی سازه های موجود :

۱.کنترل نشست پی

۲ . کنترل باربری پی

۳. تعمیر یا جایگزینی پی

۴.کنترل شستگی پی

۵.مقاوم سازی لرزه ای پی

اصلاح و بهسازی خاک :

۱.پایداری شیب ها

۲.ساخت دیوارهای نگهبان

۳.مقابله با روانگرایی

۴.افزایش مقاومت توده خاک با اهداف خاص نظیر تونل سازی و …

۵.حفاظت شیمیایی بخش های مدفون سازه ها

انجام تحقیقات گسترده در مجامع علمی ـ تخصصی جهان برروی میکروپایلها و رفتار استاتیکی، دینامیکی و لرزه ای و تعریف بسیاری از تحقیقات و پایان نامه های دانشگاهی و ارائه مقالات مختلف در کنفرانسهای بین المللی درباره چگونگی رفتار و معیارهای طراحی میکروپایلها در خاکهای مختلف ، بیانگر افزایش اقبال جامعه مهندسی ژئوتکنیک به بهره گیری از این تکنیک می باشد.

از آن جمله می توان به انجام پروژه ملی در فرانسه (در مورد بررسی رفتار میکروپایل ها) یا تدوین دستورالعمل طرح و اجرای میکروپایل در اداره بزرگراه های ایالات متحده    اشاره نمود.

در حال حاضر دستورالعمل ارائه شده توسط U . S . FHWA به عنوان مرجع قابل قبول و مورد استفاده طراحان و پیمانکاران اجرای میکروپایل می باشد.

عکس های تکمیلی میکروپایل و کاربردها