در این سری از مقالات سایت به بررسی طراحی میکروپایل و اجرای میکروپایل Micropile با رویکرد بررسی طول غوطه وری و  ظرفیت انتهایی میکروپایل و اثرات اصطکاک منفی در سایت های با خاک دارای قابلیت تراکم پرداخته شده است. (ظرفیت فشاری و کششی گروه میکروپایل)  

میکروپایل Micropile چیست؟

در طراحی میکروپایل micropile به شمع هایی با قطر کوچک و کمتر از ۳۰ سانتی متر اطلاق می گردد، که غالبا با تسلیح فولادی سبک و سیمان همراه می باشد. میکروپایل یا ریز شمع علاوه بر آن که به عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل می کند، دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک اطراف نیز می گردد. در این مقاله ابتدا به بررسی تاریخچه میکروپایل پرداخته می شود و سپس در ادامه روش اجرای میکروپایل نیز شرح داده می شود.

تاریخچه میکروپایل

ابداع این روش به اوایل دهه پنجاه میلادی باز می گردد. در این دوره ابداع یک روش بهسازی بستر که علاوه بر قابلیت اجرا در بین ساختمان های تخریب شده، سریع و اقتصادی نیز باشد، بسیار ضروری بود.

در چنین وضعیتی میکروپایل micropile توسط یک پیمانکار مشهور ایتالیایی به نام Fondedile صورت پذیرفت که به دلیل ویژگی های منحصر به فردش گسترش فراوانی یافت.

در ابتدا استفاده از میکروپایل ها تنها در بهسازی خاک ضعیف ساختمان ها مورد توجه قرار داشت.

لیکن رفته رفته و با گسترش این روش در کشورهای مختلف، دامنه کاربردها آن ها به دیگر عرصه های مهندسی ژئوتکنیک نظیر پایدارسازی و غیره نیز کشیده شد.

در حال حاضر، دستورالعمل ارائه شده توسط FHWA میکروپایل micropile ، آیین نامه و مرجع قابل قبول و مورد استفاده طراحان و پیمانکاران اجرای میکروپایل می باشد.

روش اجرای میکروپایل

روش اجرای هر نوع میکروپایل micropile به طور کلی مشتمل بر ۴ مرحله حفاری (در صورت نیاز)، لوله کوبی، تزریق و تسلیح می باشد. قابل توجه است که در برخی روش های اجرا همانند میکروپایل های اشوبک ۳ مرحله اول همزمان انجام می گیرد که در قسمت میکروپایل اشوبک مورد ارزیابی قرار می گیرد.

مراحل اجرا میکروپایل در ادامه تشریح شده اند.

حفاری

در صورتیکه امکان کوبش لوله های میکروپایل micropile از ابتدا به دلایل مختلف نظیر وجود کفسازی، بتن مگر، لایه متراکم و یا دیگر موارد میسر نباشد، می بایست نسبت به انجام عملیات حفاری اقدام نمود.

عملیات حفاری به روش های مختلف Rotary و یا دورانی ضربه ای ( DTH) صورت می پذیرد. حفاری می بایست تا عمقی که امکان کوبش وجود ندارد، ادامه یابد. بعضا حفاری در کل ارتفاع میکروپایل نیز صورت می گیرد تا انداختن المان فلزی در گمانه به راحتی انجام گیرد.

نصب لوله یاکیسینگ ( Casing )

به منظور استقرار لوله های میکروپایل در محل گمانه غالبا از عملیات نصب لوله و متصل شدن قطعات لوله به هم استفاده میگردد.

برای نصب لوله ها در این عملیات پس از فرو رفتن لوله اول، لوله دوم به لوله اول متصل گردیده و به داخل زمین رانده می شود و این فرایند برای لوله های بعدی به همین منوال ادامه پیدا می کند تا عمق مورد نظر طراح برای میکروپایل حاصل گردد.

جهت اتصال کامل لوله ها به یکدیگر از بوشن ها رزوه شده استفاده می گردد. همانطور که گفته شد بدیهی است با رسیدن به عمق مورد نظر، عملیات نصب لوله یا کیسنگ متوقف می گردد.

تزریق

تزریق دوغاب سیمان بایستی با دقت در بخش ساخت دوغاب و تزریق آن صورت گیرد. مجموعه دستگاه های تزریق و آماده سازی دوغاب از میکسر اولیه، میکسر ثانویه و پمپ تزریق تشکیل می گردد.

اختلاط در میکسر اولیه از نوع چرخش یا همان Circulation می باشد و در میکسر ثانویه از نوع پره ای است.

ساخت دوغاب در همزن میکسر اولیه صورت می گیرد. ابتدا آب به میزان مورد نظر ریخته شده و در ادامه متناسب با نسبت آب به سیمان مورد نیاز طرح (W/C) سیمان به آن افزوده می شود.

نسب آب به سیمان مورد استفاده با توجه به شرایط زمین بین ۰.۵ تا ۱.۵ مطلوب می باشد. پس از آماده سازی دوغاب در میکسر اولیه، جهت نگهداری، دوغاب در میکسر ثانویه ریخته شده و سپس به وسیله پمپ های تزریق مخصوص برای اجرای عملیات تزریق از طریق شلنگ ها به محل گمانه ها پمپ می گردد.

میکروپایل چیست؟

به دلیل اینکه دوغاب سیمان را می توان به منظور افزایش باند میان خاک و دوغاب، تحت فشار بالا در لایه های خاک تزریق کرد، معمول است جهت تزریق دوغاب سیمان در گمانه ها از یک شلنگ دو جداره به نام پکر (Packer) استفاده گردد.

پکرها بعد از اینکه به درون لوله میکروپایل micropile فرستاده شدند، جداره دوم آن ها به وسیله هوا باد می شود که به بدنه لوله می چسبد و مانع از خروج دوغاب از بالای لوله در حین تزریق می گردد.

به عنوان مثال برای یک ریز شمع ۸ متری مرحله اول بستن پکر در عمق ۶ متر گمانه بوده و پس از اتمام عملیات تزریق ۲ متر انتهایی، پکر در عمق ۴ متری بسته و تزریق تحت فشار انجام می گیرد و بعد از آن پکر سر چاهی بسته می شود و عملیات تزریق به اتمام می رسد.

در صورتی که نشتی دوغاب در میکروپایل های جانبی یا نشتی از پکر دیده شمد، عملیات تزریق متوقف می گردد. در صورتی که در لوله میکروپایل دوغاب سیمان کثیف باشد باید توسط فشار آب یا هوای فشرده خارج و داخل لوله تمیز گردد.

مشخصات تزریق

فشار تزریق:

در مراحل مختلف تزریق و در اعماق مختلف، با توجه به جنس زمین و تحت تاثیر شرایط ژئوتکنیکی متفاوت می تواند با توجه به نوع ریزشمع متفاوت در نظر گرفته شود.

مقدار سیمان مصرفی:

با توجه به شرایط ژئوتکنیکی و میزان باربری طراحی ریزشمع و یا میکروپایل ها، مقدار سیمان براوردی معادل هر متر طول میکروپایل بر حسب کیلوگرم اعلام میگردد. البته با توجه به فشارهای مختلف امکان دارد از براورد اولیه بیشتر گردد.

نسبت آب به سیمان:

آب به سیمان در دوغاب تزریق مورد استفاده بین ۰.۵ تا ۰.۶ در شرایط عادی و نسبت آب به سیمان در شرایط خاص از ۰.۶ تا ۰.۷۵ متغیر می باشد. در تعیین نسبت آب به سیمان از نمودارهای پیشنهادی موجود در ادبیات فنی و آیین نامه ها می توان استفاده نمود.

 نوع سیمان مصرفی:

سیمان مصرفی در ملات تزریق سیمان به طور کلی سیمان پرتلند نوع دو می باشد که البته در شرایط خاص خاک بستر فونداسیون ها و با توجه به وجود مواد شیمایی خاص در محل از سیمان نوع پنج نیز استفاده می گردد.

آب مصرفی:

در تهیه دوغاب تزریق، آب به کار رفته می بایست تمیز و صاف بوده و کلیه شرایط لازم برای آب مصرفی در تهیه دوغاب با توچه به آیین نامه ها را داشته باشد. به طور کلی باید عاری از هر گونه اسید، قلیاها، مواد قندی، نمک ها و مواد آلی که منجر به آسیب رساندن به بتن می شود، باشد.

آب مورد استفاده در ساخت دوغاب برای اجرای میکروپایل باید دارای ذرات جامد معلق کمتر از ۰.۲ و ذرات محلول کمتر از ۳.۵ درصد، درصد کلر کمتر از یک درصد، درصد سولفت کمتر از ۰.۳ و درصد قلیایی کمتر از ۰.۰۶ باشد. به طور کلی آب قابل شرب جهت ساخت دوغاب مناسب می باشد.

نصب آرماتور

در اجرای میکروپایل، عملیات جایگذاری آرماتور تسلیح ( میکروپایل مسلح ) در داخل لوله میکروپایل و نصب فلنج ( در صورت نیاز ) بدیهی است که آرماتور تسلیح می بایست قبل از گیرش سیمان، در داخل گمانه نصب شود.

فلنج که به منظور اتصال کامل بین میکروپایل و بتن فونداسیون و همچنین جلوگیری از برش پانچ سر میکروپایل در داخل بتن استفاده می گردد می بایست در آخرین مرحله به آرماتور تسلیح میکروپایل جوش شود.

آزمایش های مورد نیاز برای تدقیق فرضیات طراحی میکروپایل

این آزمایش ها به طور کلی با توجه به کارکرد در نظر گرفته شده برای میکروپایل و برای اطمینان از فرض های طراحی صورت می گیرد. آزمایش ها عبارت اند از:

آزمایش بارگذاری فشاری میکروپایل یا ریزشمع

میکروپایل هایی که حداقل ۲۸ روز از زمان تزریق آن ها گذشته باشد، به صورت فشاری با استفاده از جک بارگذاری، تحت اعمال بار قرار می گیرند.

این آزمایش با استفاده از تیر بارگذاری صورت می گیرد.

آزمایش بارگذاری فشاری میکروپایل یا ریزشمع

میکروپایل هایی که حداقل ۲۸ روز از زمان تزریق آن ها گذشته باشد، به صورت فشاری با استفاده از جک بارگذاری، تحت اعمال بار قرار می گیرند. این آزمایش با استفاده از تیر بارگذاری صورت می گیرد.

با توجه به مشخصات فنی و نقشه های اجرایی میکروپایل ها بارگذاری در دو مورد از آزمایش ها تا رسیدن به بار طراحی و یا تا رسیدن به بار نهایی صورت می گیرد.

روش اجرای کلیه آزمایش های اشاره شده، مطابق با استاندارد ASTM-D1143 خواهد بود. در این آزمایش ها باید پس از انجام بارگذاری، منحنی بارگذاری و نشست ترسیم گردد. در حین انجام آزمایش نیز میکروپایل تا رسیدن به بار آزمایشی باید به طور کامل قابلیت تحمل بارهای اعمال شده را داشته باشد و نشانی از گسیختگی یا تغییر مکان بیشتر از مقدار مجاز استاندارد از خود نشان ندهد.

در این آزمایش به روش پله ای تا رسیدن به بار آزمایشی و باربرداری تا بار صفر به وسیله جک بارگذاری می گیرد بدین صورت که بارگذاری در پله های ۳ تنی انجام می پذیرد و در هر مرحله بار به مدت ۵ دقیقه بر روی میکروپایل قرار می گیرد. قرائت نشست حاصل از هر پله بارگذاری در سه مرحله صورت می پذیرد.

پس از انجام بارگذاری، نوبت به انجام عملیات باربرداری می رسد. باربرداری نیز مانند بارگذاری به روش پله ای و در مقادیر ۳ تنی صورت می گیرد. در هر مرحله از باربرداری نیز تغییرمکان ها به وسیله گیج های اندازه گیری تغییرمکان در سه نقطه مربوطه قرائت می شوند.

آزمایش بارگذاری کششی میکروپایل یا ریزشمع 

این آزمایش یا به صورت مستقل و یا به وسیله میکروپایل های به کار رفته به عنوان عکس العمل تیر تکیه گاهی در آزمایش فشاری انجام می شود. نتیجه آزمایش بررسی رفتار مقاومتی و تغییرشکل پذیری کششی ریزشمع یا میکروپایل می باشد.

آزمایش بارگذاری جانبی ریزشمع

این  آزمایش جهت ارزیابی رفتار جانبی ریزشمع ها انجام می گردد. در این آزمایش معمولا از ۲ ریزشمع کنار هم استفاده می گردد.

طراحی ریزشمع یا میکروپایل ها

در شرایطی که میکروپایل ها با هدف تحکیم و بهسازی بستر پی سازه ها مورد استفاده قرار می گیرند، محاسبات فنی میکروپایل ها مشابه با محاسبات فنی شمع های متداول است. به طور کلی باربری میکروپایل ها را می توان در ۳ بخش مورد ارزیابی قرار داد:

کنترل ظرفیت سازه ای میکروپایل

در طرح سازه ای، ظرفیت باربری المان های میکروپایل مشتمل بر جدار فولادی، آرماتور تسلیح و دوغاب سیمان محاسبه می شود. این ظرفیت باید با ضریب اطمینان مناسبی بالاتر از بار وارده به میکروپایل باشد.

کنترل ظرفیت ژئوتکنیکی میکروپایل

در طرح ژئوتکنیکی، مقاومت اصطکاکی جداره ریزشمع یا میکروپایل با خاک اطراف محاسبه می گردد که می بایست این مقاومت اصطکاکی با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده باشد تا امکان جدایی ریزشمع از خاک قبل از وقوع تسلیم عوامل مسلح کننده میسر نگردد. همچنین قابل ذکر است که با توجه به قطر کم میکروپایل ها معمولا در طراحی از مقاومت نوک آن ها صرف نظر می گردد.

کنترل برش سوراخ کننده

با توجه به این امر که ریز شمع ها دارای بار متمرکز زیاد و قطر کوچک بوده و برش سوراخ کننده با توجه به سربارهای وارده بسیار محتمل می باشد، کنترل مقاومت در برابر برش سوراخ کننده که منتهی به ارائه طرح فلنج مناسب می گردد الزامی می باشد.

کنترل نشست

بهترین معیار برای تخمین نشست micropile استفاده از نتایج آزمایش بارگذاری می باشد. در صورت نبود اطلاعات کافی و عدم انجام آزمایش می توان از تئوری های الاستیک یا تحکیم نظیر شمع های معمولی استفاده کرد. بررسی میکروپایل ها یا ریزشمع ها با استفاده از نرم افزارهایی مانند Safe انجام می گیرد بدین صورت که در این گونه نرم افزارها ریزشمع micropile به صورت یک فنر با سختی معادل جایگزین می گردد و سپس در نرم افزار مناسب مورد آنالیز قرار می گیرد.

مزیت میکروپایل ها

• کمترین مزاحمت را برای سازه های نزدیک در مقایسه با روش های دیگر
• امکان نصب راحت در محیط هایی که دسترسی مشکل است
• قابلیت نصب در هر زاویه دلخواه
• قابلیت اجرا در زیر انواع پی ها و سازه ها و اتصال به فونداسیون ها

معایب میکروپایل ها

• به دلیل قطر کوچک از لحاظ باربری محدودیت دارد
• نسبت طول به شعاع بالا باعث می شود برای خاک های روانگرا مناسب نباشد
• ممکن است در پروژه های بزرگ که محدودیت ارتفاع ندارند در مقایسه با روش های دیگر اقتصادی نباشد

کیفیت عملکرد

در بررسی طراحی ریزشمع micropile و تست بارگذاری میکروپایل ها با روش های ساده و ارزان یکی از مزیت های بزرگ این روش در مقایسه با روش های دیگر نظیر اجرای شمع های بتنی و فولادی یا ستون های شنی می باشد.

با توجه به باربری کمتر این المان نسبت به شمع های قطور و عمیق، انجام تست بارگذاری با استفاده از جک های سبک، با تامین نیرو عکس العمل تکیه گاهی کافی (بسیار کمتر از روش های دیگر) با دقت بالا و به سادگی امکان پذیر خواهد بود. با استفاده از نتایج آزمایش های مختلف بارگذاری میکروپایل یا ریزشمع ها، امکان ارزیابی صحت و سقم فرضیات طراحی فراهم گردیده و امکان تعدیل و تغییر طرح، تعداد و چیدمان و میزان باربری نهایی وجود خواهد داشت.

زمان اجرا

به دلیل سهولت فراوان اجرایی، امکان اجرا در چند جبهه مختلف کاری و اجرای پی در پی و همزمان کلیه مراحل سیستم تزریق و حفاری را دارد. همچنین اجرای ریزشمع micropile همراه با روش های دیگر امکان پذیر می باشد و عدم نیاز به امکانات خاص برای تجهیز و در نتیجه عدم اتلاف زمان شروع عملیات اجرایی در مقایسه با سایر روش های بهسازی از مزیت های مهم عملیات میکروپایل محسوب می شود.

اقتصادی

با عنایت به این امر که طراحی میکروپایل و اجرای آن مبتنی بر استفاده از حجم کم مصالح مشتمل بر فولاد و سیمان، هزینه های پایین تر تجهیز کارگاه، نیروهای انسانی مورد نیاز کمتر اجرایی و صرفجویی در زمان انجام بهسازی در مقایسه با دیگر روش های بهسازی است، در اغلب موارد اقتصادی تر می باشد.

قابل توجه است که در سایر روش ها مانند شمع بتنی و فولادی یا اجرای ستون های شنی و یا انواع تراکم دینامیکی، استفاده از حجم زیاد مصالح و به کارگیری ماشین آلات بسیار سنگین پر هزینه جزو عواملی هستند که موجب بالا رفتن هزینه ها می گردند.

با در نظر گرفتن این گونه عوامل در کنار ایمنی و زمان اجرای کار و عدم ایجاد مشکل برای سایر تیم های مشغول در کارگاه و کم حجم و کم هزینه بودن ماشین آلات مورد نیاز، استفاده از ریزشمع ها برای افزایش ظرفیت باربری فونداسیون ها و نگهدارنده ترانشه و پایداری ترانشه ها همیشه رقیبی جدی برای سایر روش های بهسازی بوده است و بسیار مورد توجه سازندگان قرار گرفته است.