nailing anchor | پایدار سازی گود

nailing anchor | پایدار سازی گود

دور نما:

nailing anchor بطور کلی سه روش تسلیح برای پایدارسازی دیواره گودها و شیروانی­های خاکی وجود دارد (شکل ۱):

1. میخ­کوبی (Nailing)
2. میکروپایل­های متقاطع (Reticulated micro-piling)
3. پایدارسازی شیب­ها با شمع (Doweling)

میخ‌کوبی دیواره‌ها به معنای تسلیح برجای توده خاک موجود با نصب میلگردهای فولادی (Nails)  در فواصل نزدیک به هم در یک سطح شیبدار و یا در محل گودبرداری به صورت قائم و با اجرای از بالا به پایین (Top down construction) می‌باشد. میلگردها معمولاً داخل گمانه‌هایی که در دیواره خاکی قرار می‌گیرند که به منظور جلوگیری از خوردگی میلگردها و انتقال مناسبتر نیروها بین خاک و میلگرد توسط دوغاب سیمان پر می‌شوند. این عملیات یک مقطع مسلح پایدار ایجاد می‌کند که توانایی نگهداری خاک پشت خود را دارد.

روش میخ­کوبی در سال ۱۹۶۰ میلادی برای اولین بار مورد بحث و بررسی قرار گرفت. این روش بر اساس روش سیستم مهاربندی و پیچ کردن سنگ­ها می­باشد. اولین بار این سیستم پایدارسازی برای حفر تونلی در استرالیا در سال ۱۹۶۰ به کار گرفته شد. در این تونل برای پایدارسازی از آرماتور، تزریق دوغاب سیمان و شاتکریت استفاده گردید. در سال­های بعد نیز به مرور این تکنیک در سطح جهان گسترش یافت. در ایران نیز استفاده از این روش در سال­های اخیر توسعه چشمگیری یافته و یکی از کاربردی­ترین روش­ها به ویژه در ساخت و سازهای شهری می­باشد.

nailing anchor | پایدار سازی گود

از دیدگاه اصول علمی مطرح در مهندسی ژئوتکنیک، روش میخ­کوبی به صورت مقاوم[۱] عمل کرده و اثر خود را از طریق اندرکنش خاک- میلگرد[۲] حاصل از ایجاد تغییر شکل در خاک اعمال می‌کند. میخ‌ها غالباً در کشش عمل می‌کنند ولی در شرایط خاصی، عملکرد خمشی و برشی آنها نیز در نظر گرفته می‌شود. اثر مسلح سازی میخ برای بهبود پایداری با دو عملکرد زیر حاصل می‌شود:

• افزایش نیروی قائم و در نتیجه افزایش مقاومت برشی سطح لغزش در خاکهای اصطکاکی.
• کاهش نیروی رانشی سطح لغزش در خاک­های اصطکاکی و چسبنده.

پس از نصب میلگردها:

یک دیواره سطحی کم ضخامت که معمولاً شامل شاتکریت همراه با یک لایه تسلیح سبک فولادی به صورت شبکه­ای از میلگرد می­باشد، سطح دیواره شیروانی یا گود را می‌پوشاند. هدف از اجرای این دیواره جلوگیری از فرسایش سطحی خاک، ایجاد سطح تمام شده مناسبتر برای ساخت و سازهای احتمالی بعدی و بالاخص افزایش بازدهی عملکرد سیستم خاک تحکیم یافته بویژه در بخش­های نزدیک به دیواره گود می‌باشد. همچنین این لایه بتنی-فولادی به انتقال بهتر نیروی­های محرک به المان­های تسلیح کمک شایانی می­کند. شکل ۲ اصول رفتار اندرکنشی سیستم خاک میخ­کوبی شده را نشان می‌دهد.

دامنه کاربرد

میخ­کوبی خاک روش جدیدی است که به دلیل اقتصادی بودن و مزایای منحصربفرد خود، به عنوان راه‌حل بسیار مناسبی در موارد مختلف از جمله پایدارسازی شیب­ها، شیروانی­ها، ترانشه­ها، افزایش ظرفیت باربری و محدود کردن تغییر شکل­ها با ایجاد حداقل دست‌خوردگی در وضعیت طبیعی زمین کاربردهای فراوانی دارد. استفاده از این روش تسلیح خاک، طی دو دهه اخیر در اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه جهت پایدارسـازی گودبرداری­ها و همچنین پایدارسازی شیب­های طبـیعی کاربرد وسیعی پیدا کرده است. برخی از کاربردهای وسیع این روش تسلیح خاک شامل پایدارسازی شیب­های طبیعی و یا ترانشه‌های مجاور راه­ها، تعریض راه­ها، گودبرداری در مجاورت سازه‌های موجود، پایدارسازی و مقاوم­سازی سازه‌های نگهبان قدیمی و … می‌باشد (شکل ۳).

در شکل ۴ نمونه­ای از کاربرد تکنیک میخ­کوبی در تعریض راه (از زیر پل سازه­ای) و در شکل ۵ نمونه­ای از کاربرد میخ­کوبی در پایداری شیب­های طبیعی قابل مشاهده است.

روش اجرای میخ­کوبی (Nailing)

روش پیشنهادی این شرکت به منظور اجرای میخ­کوبی جهت پایدارسازی دیواره گودها معمولاً مشتمل بر ۵ مرحله اصلی، شامل گودبرداری مقطعی، حفاری گمانه‌ها، نصب میلگرد تسلیح، تزریق دوغاب سیمان، بتن­پاشی و نصب صفحه سر­نیل و مهره می‌باشد. پس از تکمیل مراحل اجرایی فوق برای گام اول گودبرداری، این مراحل برای گام­های بعدی تا رسیدن به رقوم کف مورد نظر گود تکرار می‌گردد. این مراحل به طور شماتیک در شکل ۶ نشان داده شده است. در ادامه مختصری در مورد هر یک از مراحل میخکوبی ارائه می‌گردد.

خاکبرداری

خاکبرداری می‌بایست به صورت مرحله به مرحله صورت گیرد. پس از انجام هر مرحله از خاکبرداری می‌بایست عملیات اجرای میخ­کوبی در آن مرحله صورت گیرد و پس از اتمام عملیات، خاکبرداری مرحله بعد انجام می‌پذیرد. در هر مرحله خاکبرداری، دیواره ایجاد شده بایستی پایداری لازم در حین اجرای میخ  را داشته باشد، بنابراین باتوجه به شرایط ژئوتکنیکی ساختگاه ارتفاع مجاز خاکبرداری در هر مرحله تعیین می‌گردد.

حفاری

حفاری محل میخ­ها می‌بایست در فواصل مشخص مطابق نقشه‌های اجرایی به وسیله دستگاه حفاری ضربه‌ای D.T.H و یا مشابه آن و با استفاده از راد معمولی یا راد خودحفار انجام پذیرد. حفاری گمانه‌های مورد نظر می‌تواند در جبهه‌های مختلف کاری صورت پذیرد.

نصب میلگرد تسلیح

پس از حفاری گمانه تا عمق مورد نظر، عملیات نصب میلگرد تسلیح صورت می‌پذیرد. عناصر تسلیح معمولاً شامل آرماتور فولادی می‌باشد، که پس از حفاری درون گمانه قرار می‌گیرد. در صورت استفاده از راد خودحفار نصب مسلح کننده در همان مرحله حفاری انجام می­پذیرد.

تزریق دوغاب سیمان

بعد از نصب آرماتور، تزریق دوغاب از داخل سوراخ­های حفر شده جهت ایجاد پیوستگی آرماتور با خاک اطراف انجام می‌شود. مجموعه دستگاه تزریق از سه بخش میکسر اولیه، میکسر ثانویه و پمپ تزریق تشکیل می‌گردد. پس از اختلاط آب و سیمان به نسبت مشخص در میکسرها، دوغاب سیمان از طریق شیلنگ‌های رفت و برگشت به درون گمانه تزریق می‌گردد. این تزریق می‌تواند در فشارهای مختلفی صورت پذیرد.

شاتکریت دیواره، نصب صفحه، مهره و انتقال نیرو

پس از اتمام عملیات تزریق، جهت جلوگیری از فرسایش و همچنین حفظ یکپارچگی بیشتر در عملکرد میخ­ها سطح دیواره توسط یک لایه بتن‌پاشی شده (Shotcrete) پوشانده می‌شود. ضخامت این شاتکریت کم بوده و غالباً به ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر محدود می‌شود. همچنین پس از بتن‌پاشی جهت اتصال کامل سر میخ­ها به دیواره و جلوگیری از ایجاد برش پانچ در دیواره و در صورت نیاز انتقال نیرو به میخ­ها، یک صفحه فلزی باربر به عنوان سر میخ بر روی دیواره قرار گرفته و توسط یک مهره به آرماتور درون گمانه متصل می‌شود. البته تعبیه صفحه سر میخ و انتقال نیرو در همه شرایط مورد نیاز نبوده و بسته به کاربری مورد انتظار از میخ مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

روش اجرای مهارگذاری (Anchoring)

اصول اجرای روش مهارگذاری مشابهت­های فراوانی با روش میخ­کوبی دارد. تفاوت اصلی در اجرای پروفیل حائل فولادی (در صورت نیاز) و نیز اعمال نیروی پس­تنیدگی برای المان تسلیح می­باشد. معمولاً قبل از انجام خاکبرداری، عملیات حفر چاه و قرار دادن حائل فولادی صورت می­گیرد.

سپس مشابه روش میخ­کوبی، گام­های بعدی شامل خاکبرداری مقطعی، حفاری گمانه‌ها، نصب میلگرد تسلیح، تزریق دوغاب سیمان (در بخشی از طول گمانه)، بتن­پاشی و نصب صفحه سرنیل و مهره می­باشند.

پس از گذشت مدت زمان مناسب جهت عمل­آوری دوغاب سیمان، با نصب پایه جک، جک کشش و نیروسنج، نیروی پس­تنیدگی تا مقدار مورد نظر طراحی به میلگرد تسلیح و دوغاب اطراف آن اعمال می­شود. لازم به ذکر است در بعضی از موارد عملیات حفر چاه وجود نداشته و پروفیل حائل فولادی پس از اتمام عملیات مقطعی خاکبرداری، حفاری و نصب المان تسلیح در محل مربوطه نصب می شود. در نهایت پس از این مرحله عملیات کشش المان تسلیح (اعمال نیروی پس­تنیدگی) صورتمی­پذیرد.

nailing anchor | پایدار سازی گود

پروفیل­های حائل فولادی به صورت دوبل پروفیل بوده که با استفاده از تعدادی تسمه و یا میلگرد با فواصل مشخص به یکدیگر متصل شده اند. فاصله بین دو پروفیل فولادی نیز با توجه به ملاحظات اجرایی و ابعاد صفحه باربر (سرنیل) مشخص می شود. لازم به ذکر است در مواردی که در بالای ترانشه، دیوار یا سازه­ای در لبه قرار دارد، طول پروفیل­ها به نحوی انتخاب می­شود که علاوه بر تاثیرگذاری مثبت در اجرای مهارها، بخشی از پروفیل­ها در مجاورت دیوار یا سازه قرار گیرند.

لازم به ذکر است در مواردی نیز به جای استفاده از میلگرد تسلیح جهت اجرای مهار (انکر)، از چند رشته کابل فولادی (استرند) به عنوان المان مسلح کننده استفاده می­شود. در شکل ۱۳ نمونه ای از سیستم مهارگذاری با کابل فولادی چند رشته­ای مشاهده می­شود.

مروری بر مبانی محاسباتی پایدارسازی با روش میخ­کوبی و مهارگذاری

تحلیل پایداری گود­ها قدیمی­ترین نوع تحلیل­های عددی در مهندسی ژئوتکنیک می­باشد و تحقیقات مختلفی در این زمینه انجام شده است. اصول محاسبات و طراحی روش­های میخ­کوبی و مهارگذاری بر پایه طراحی سازه‌ای (برای میلگرد تسلیح) و ژئوتکنیکی (برای دوغاب سیمان اطراف المان مسلح کننده) می‌باشد. در حقیقت با کنترل­های ژئوتکنیکی، مقادیر نیروهای بسیج شده در مسلح کننده­ها به دست آمده و سپس مقطع سازه‌ای میخ­ها برای نیروهای داخلی آن طراحی می‌گردند.

طراحی ژئوتکنیکی میخ (نیل) و یا مهار (انکر) در چارچوب روش تعادل حدی و با مفهوم سطح گسیختگی بحرانی (Critical Slip Surface) انجام می‌شود. بر این اساس دیواره مسلح شده با میخ به گونه‌ای طراحی می‌گردد که مکانیزم­های محتمل لغزش در توده خاکی مسلح شده پشت دیواره با ضریب اطمینان قابل قبولی تشکیل گردند. آیین‌نامه‌ها سه نوع مکانیزم گسیختگی شامل گسیختگی داخلی، خارجی و مرکب برای کنترل پایداری داخلی، خارجی و مرکب دیواره‌های مسلح شده با میخ­کوبی در نظر می‌گیرند. شکل ۱۴ این سه نوع گسیختگی را بصورت شماتیک نشان می‌دهد.

nailing anchor | پایدار سازی گود

کنترل پایداری داخلی منجر به محاسبه طول مورد نیاز میخ­ها در قسمت پایدار توده خاکی می‌گردد. این طول بر اساس میزان مقاومت چسبندگی بین میخ­ها و توده خاک طبیعی بدست می‌آید. با ارضاء پایداری خارجی دیواره مسلح شده، در حقیقت آرایش کلی چیدمان میخ­ها و مهارها در ارتفاع، کنترل شده و این آرایش به نحوی انتخاب می‌شود که احتمال وقوع گسیختگی در چارچوب مکانیزم‌های خارج از محدوده تسلیح، رخ ندهد. در نهایت کنترل پایداری مرکب، احتمال وقوع هرگونه گسیختگی که بخشی از سطح گسیختگی در محدوده مسلح شده و بخش دیگر در محدوده خاک غیرمسلح واقع شود را نیز از بین می‌برد.

نهایتاً با استفاده از نیروهای داخلی بدست آمده برای هر یک از میخ­ها، مقاومت سازه‌ای آنها کنترل شده و مقطع میخ­ها به نحوی انتخاب می‌گردند که ظرفیت تحمل بار کششی اعمالی را داشته باشد. همچنیـن با استفـاده از این نیـروها و مفهـوم بـرش پـانـچ در سـر میخ و مـهـره ابـعـاد منـاسـب سر نیل و مهره و ضخامت بتن پاشی سطحی نیز محاسبه می‌شود.‌ در شرایطی که عملیات میخ­کوبی جهت پایدارسازی دیواره گود و به همراه خاکبرداری مرحله­ای انجام می‌شود، لازم است پایداری دیواره میخکوبی شده در انتهای مرحله خاکبرداری کنترل شود. این مفهوم بطور شماتیک در شکل ۱۵ نشان داده شده است.

روش اجرای مهاری و بلوک (Anchorage and Block System)

اصول کلی این روش شبیه به روش میخ­کوبی می‌باشد. در این روش با ایجاد یک سری مهاری پیش تنیده که به صورت کششی عمل می‌کند از حرکت گوه محتمل گسیختگی جلوگیری و در نهایت باعث پایداری دیواره می‌گردد. در روش بلوک و مهاری از المان­های فولادی پیش­تنیده و بلوک­های بتنی مسلح به عنوان تکیه­گاه سر­مهاری، به عنوان المان مسلح­کننده (جایگزین المان نیل در روش میخ­کوبی) و جهت پایدارسازی دیوار گود استفاده می‌گردد. مهاری از سه قسمت اصلی سر مهاری، طول آزاد مهاری و طول گیردار مهاری تشکیل شده است.

طول گیردار مهاری در انتهای گمانه حفاری شده قرار می‌گیرد و در این طول به منظور تامین مقاومت پیوستگی مناسب جهت تامین نیروی مورد نیاز طراحی، لازم است از دوغاب سیمان استفاده شود. طول آزاد در واقع وظیفه انتقال نیرو از طول گیردار به سر مهاری را دارد. سر مهاری شامل بلوک بتنی، صفحات فلزی و صفحه گوه به منظور تامین تکیه­گاه مناسب می‌باشد (شکل ۱۶). مصالح المان مهاری عمدتاً از کابل­های پرمقاومت (Strand) و در برخی مواقع میلگرد پرمقاومت (Monobar) می‌باشد. مهم­ترین مزیت المان­های کابلی، مقاومت مناسب و استفاده از چند کابل در یک گمانه جهت تامین نیروی مورد نیاز می‌باشد.

روش اجرا:

روش اجرای این تکنیک، همانند روش میخ­کوبی به صورت اجرای از بالا به پایین می‌باشد. این روش مشتمل بر مراحل خاک­برداری مقعطی، حفاری، نصب المان مهاری، تزریق گمانه، اجرای بلوک بتنی یا فلزی سر مهاری، قفل کردن مهاری در نیروی طراحی و اجرای شاتکریت جداره می‌باشد. تصاویری شماتیک از مراحل اجرای مهاری­ها حین گودبرداری در ادامه ارائه شده است.

در این روش به منظور اعمال نیرو به مهاری و پیش تنیده کردن آنها، پس از عمل آوری دوغاب انتهای گمانه که انتهای مهاری در آن قرار دارد، به کمک جک­های مخصوص المان مهاری کشیده و به کمک صفحه گوه‌ای قفل می‌گردد. نمونه ای از جزئیات اتصال این سیستم بصورت شماتیک در ادامه ارائه شده است. همچنین شکل ادامه تصاویری از مراحل اجرای این روش را نشان می‌دهد.

مروری بر مبانی محاسباتی روش بلوک و مهاری

اصول کلی طراحی این روش همانند روش میخکوبی است که مدهای مختلف گسیختگی داخلی، خارجی و ترکیبی از آنها در طراحی این این روش دارای اهمیت می­باشند.

حالات مختلف گسیختگی در روش بلوک و مهاری را نشان می‌دهد.

کی از مهترین حالت گسیختگی، گسیختگی و از بین رفتن مقاومت گروت است که تامین کننده تکیه گاه مناسب جهت تامین نیروی طراحی می‌باشد.

از مهمترین مزایای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش هزینه اجرا؛ استفاده از المانهای فولادی  پر مقاومت (Strand) با ظرفیت باربری بالا  باعث افزایش فواصل افقی و قائم مهاری شده که در نهایت منجر به کاهش تعداد المانهای مسلح کننده و کاهش هزینه اجرا می‌گردد.
• کاهش مدت زمان اجرا؛ افزایش فواصل افقی و قائم بین مهاری منجر به کاهش عملیات اجرایی همچون حفاری و تزریق بخصوص در خاکهای ریزشی می‌گردد. در زمان خاکبرداری نیز به علت فاصله بین مهاری ها و وجود جبهه کار مناسب امکان خاکبرداری سریعتر وجود دارد.
• اعتماد پذیری بسیار بالا به سیستم پایدار سازی در این روش؛ همان طور که قبلاً نیز بیان شد تمامی مهاری‌ها تا بار مورد نظر کشیده و قفل می‌شوند، بنابراین بسیج شدن نیروی مورد نظر طراحی  مهار احراز می‌گردد.
• عدم اشغال فضای گود؛ در روش پایدار سازی به کمک روش مهاری و بلوک از فضای اطراف زمین موجود برای پایدارسازی استفاده می‌گردد، بنابراین در انتهای کار هیچگونه معارضی در گود وجود ندارد.