طراحی و اجرای پایدارسازی گود به روش نیلینگ و بهسازی زمین به روش میکروپایل

یکی از مهمترین مشکلات در احداث سازه ها ، حفاظت از گود برداری و ساختمانهای موجود در مجاورت آن می باشد و در صورت عدم رعایت روش های مناسب به منظور حفاظت گودها و همچنین شیب های در حال احداث، منجر به خسارت جبران ناپذیری خواهد گردید و مخاطرات بوجود آمده ناشی از نشست های احتمالی و تقلیل ظرفیت باربری و تغییر مکانهای جانبی موجب ایجاد ترک در سازه های مجاور گود خواهد شد.

 به منظور جلوگیری از موارد فوق لازمست از قبل از شروع عملیات گود برداری از روشهای نگهداری و مهار بندی جانبی استفاده شود تا در محیطی پایدار و ایمن بتوان عملیات را ادامه داد . در این راستا سیستم های حفاظت جانبی بطور کلی شامل موار زیر تقسیم بندی می شوند:

جداره های مهاربندی شده توسط المانهای افقی و مایل ((Braced wall using wale strut

جداره های مهاربندی شده توسط المانهای کششی (Soldier beam& lagging)

جداره های مهاربندی شده توسط سپر کوبی (Braced sheet pile)

جداره های مهاربندی شده توسط شمع های در جا ( (Bored pile walls

جداره های مهار بندی شده توسط دیوار دیافراگمی (Diaphragm walls-Slurry wall)

جداره های مهاربندی شده توسط نیلینگ (Soil nailing)

• روشهای متداول مهار بندی گود

  مهار بندی جداره ها توسط المان پشت بندهای افقی و مایل Wale & Struts

   این روش ساده برای نگهداری و حفاظت جداره های حاصل از گودبرداری و برای  جلوگیری از تغییر مکانهای جانبی در گودهایی با عرض کم در محیط های شهری استفاده می شود از معایب این روش اتلاف قابل توجهی از فضای کاری داخل گود و محدودیت در بکارگیری ماشین وتجهیزات آلات مورد نیاز و همچنین افزایش ریسک برخورد با المانها و به مخاطره انداختن آنها می باشد.

• مهاربندی توسط المانهای کششی

  از این روش بعنوان روش متداول در پایدار سازی موقت گود در مناطق شهری استفاده می گردد. در این روش از پروفیل های  معمول فولادی بصورت ستونهای پیوسته که درون خاک فرو برده می شوند استفاده می گردد که تا عمق کف گود اجرا خواهند شد. فاصله بین المانها بین 2 الی 4 متر می باشد بطوریکه بتوان فضای بین آنها را با الوارهای چوبی (لارده چینی) پرنمود. در این روش از مهارهای کششی به منظور حفاظت جانبی گود استفاده می شود و اتصال ما بین ستونها توسط میل مهارها و جوشکاری انجام می شود.

• مهاربندی توسط سپر کوبی

  در این روش صفحات فلزی Sheet pile    داخل خاک و جداره گود توسط چکش پنوماتیک و با استفاده از لرزش کوبیده می شوند و با انواع اتصالات بین خود به یکدیگر متصل شده و یک جداره پیوسته را تشکیل می دهند از مزایای این روش راحتی در کوبیدن ـ نصب و بیرون کشیدن آنها به دیگر روشها برتری داشته و مصالح آن مجدداً قابل استفاده در پروژه های دیگر می باشد ، همچنین در این روش به المانهای افقی و مایل کمتری نیاز می باشد.

  بنابراین محدودیت های اشغال فضای داخل گود کمتر وجود دارد . لیکن از جمله معایب این روش وابستگی به نصب سپرهای فلزی می باشند که در محیط های شهری بدلیل وجود تاسیسات زیربنایی شهری و ایجاد لرزش و صدای ناشی از کوبش سپرها محدودیت هایی را بوجود می آورد. همچنین کوبیدن سپرها در زمین های سنگی و یا خاکهای بسیار متراکم به سختی انجام پذیر است و در زمین های با شرایط بالا با محدودیت مواجهه می گردد.

• مهار بندی توسط شمع های درجا

  یکی از روشهای متداول در پایداری و حفاظت جداره ها با شرایط متنوع اعم از زمین سخت و سست و نرم استفاده از شمع های درجا می باشد و در برخی موارد علاوه بر ایفای نقش حفاظت جانبی نقش آب بندی را نیز انجام می دهد و همواره در صورت نیاز بار قائم نیز تحمل می کند . مهار بندی جداره ها توسط شمع های درجا در موارد زیر بعنوان گزینه برتر برای سیستم های حفاظت جانبی گود مطرح می باشند:

  1- در مواردیکه امکان اجرای سپر فولادی (کوبیدن و نصب ) وجود ندارد و یا سختی و تراکم زمین بیش از حد توان سپر کوبی و با دشواری زیادی مواجهه می باشد.

  2-  در شرایطی که بدلیل وجود آبهای زیر زمینی و بالا بودن سطح آن نیاز به آب بند بودن جداره می باشد

  3- در مواردیکه امکان ایجاد مهارهای جانبی (کششی ) در زیر ساختمانهای مجاورناشی از گود برداری وجود ندارد ویا در تلاقی با تاسیسات زیر بنایی شهری و مستحدثات زیرزمینی (تونل ) باشد.

  4- در مواقعیکه امکان استفاده از سیستم حفاظت گود بعنوان بخشی از سازه اصلی و باربری وجود داشته باشد.

  روشهای مختلف برای اجرای تکنیک های شمع های درجا ریز وجود دارد و متداول ترین آنها عبارتند از:

  الف)اجرای دیوار محافظت پیوسته (آب بند)

  ب) اجرای دیوار محافظت ناپیوسته

    اجرای دیوار محافظ پیوسته

  دراین روش ابتدا شمع هایی با بتن پلاستیک یک درمیان حفاری و اجرا می گردد و سپس با رعایت هم پوشانی شمع های اصلی و سازه ای با رعایت احداث جداره زنجیره ای و پیوسته اجرا می گردد.

• اجرای دیوار محافظ ناپیوسته

  در مواردیکه توده خاک و سنگ دارای چسبندگی زیاد بوده و سطح آبهای زیر پایین بوده می توان از شمع های درجا ریز ناپیوسته و با فاصله استفاده نمود. در این روش بدلیل چسبندگی بین دانه ها خاک بین شمع ها با وجود پدیده قوس خوردگی پایداری جانبی وجود دارد . با در نظر گرفتن شرایط و پارامترهای ژئوتکنیکی خاک معمولاً حداکثر فاصله محور تا محور شمع های اصلی 2 برابر قطر شمع ها می باشد همچنین در این روش پایداری در برابر نیروهای جانبی نیز مدنظر قرار می گیرد این روش در پایداری های کوتاه مدت کارایی داشته و در اثر مرور زمین احتمال هوازدگی بین شمع ها وجود دارد و در دراز مدت نیز تغییرمشخصات خاک و برخی از پارامترهای آن مانند ازدست دادن آب و یا حالت اشباع پیدا نمودن آن باعث ریزش خاک بین شمع ها شده و برای جلوگیری از آن می توان از بتن پاشی (شاتکریت) و با بستن مش پوشش لازم را جهت پایداری ایجاد نمود.

• مهار بندی توسط دیوار دیافراگمی

یکی دیگر از روشهای محافظت از جداره گود احداث دیوار دیافراگمی و یا دیوار دوغابی  Slurry Wall
می باشد. در این روش ابتدا توسط دستگاهها ی گراب متناسب با شرایط زمین حفاری قسمتی از دیوار انجام می شود و همزمان با حفاری جهت پایداری جداره دیواره حفاری شده و جلوگیری از ریزشهای موضعی از دوغاب بنتونیت استفاده می شود تشکیل کیک بنتونیت در داخل دیواره حفاری شده و نفوذ در لایه های دانه ای جداره باعث می گردد جداره همواره پایدار بماند و سپس بلافاصله پس از رسیدن به عمق مورد نظر آرماتور گذاری شده و در نهایت بتن ریزی می گردد. این روش در زیر هسته سدهای خاکی نیز کاربرد بسیار دارد و جلوگیری از هرگونه نشتی را می نماید. استفاده از این تکنیک در مناطق شهری نیز با محدودیتهای نظیر استفاده از روش مهار بندی افقی و مایل و المانهای کششی دارا می باشد.

 روش نیلینگ                                

این روش از حدود سه ده اخیر آغاز شده و تاکنون نیز بعنوان یک تکنیک برای پایداری ترانشه ها و حفاظت گود با انعطاف پذیری بالا استفاده می گردد.

  روش اجرای نیلینگ

تئوری استفاده از روش نیلینگ بر مبنای مسلح کردن و مقاوم نمودن توده خاک با استفاده از دوختن توده خاک توسط مهارهای کششی فولادی Nail  با فواصل نزدیک به یکدیگر می باشد.

استفاده از این روش موجب:

-   افزایش مقاومت برشی توده خاک

-  محدود نمودن وتحت کنترل در آوردن تغییر مکانهای خاک در اثر افزایش مقاومت برشی در سطح لغزش Slid    بدلیل افزایش نیروی قائم می شود.  

-    باعث کاهش نیروی لغزش در سطح گسیختگی و  لغزشی می شود.

باید توجه داشت کلیه سطوح ترانشه های حفاری شده که توسط نیلینگ بایستی مسلح شوند. با استفاده از شبکه مش و شاتکریت ابتدا حفاظت شده و سپس سیستم نیلینگ روی آنها اجرا می شوند.

کاربرد نیلینگ در پروژه های عمرانی

الف) پایداری ترانشه ها در احداث بزرگراه ها و راه آهن ها

ب) پایداری جداره تونلها وسازه های زیر زمینی

ج) پایدار سازی و حفاظت گود در سازه های مناطق شهری ـ ساختمانهای مجاور گود ـ ایستگاه ها ی زیر زمینی مترو

د) پایدار سازی کوله های مجاور پل ها در زمین های سست و ریزشی

مهار کششی نیلینگ معمولاً از آرماتور های فولادی با قطر 20 الی 40 میلیمتر و با حد تسلیم 420 الی 500 نیوتن بر میلیمتر مربع استفاده می شوند که درون یک چال حفاری شده با قطر 76 الی 150 میلیمتر قرار گرفته و دور آن درون چال تزریق می گردد. فواصل بین مهارهای کششی حدوداً 1 الی 2متر می باشد و طول آنها حدوداً 70 الی 100 درصد ارتفاع گود می باشد و حداقل شیب نسبت به افق حدوداً 15 درجه می باشد . باید توجه داشت که رویه شاتکریت شده روی ترانشه های حفاری شده نقش سازه ای نداشته اما می توان جهت اطمینان برای پایداری موقت خاک بین مهارها استفاده نمود.

 مراحل اجرای سیستم نیلینگ

مراحل اجرای نیلینگ به شرح ذیل می باشد :

1- گود برداری در مرحله اول ترانشه و یا گود و ایجاد پله بعدی عملیات

2- حفاری چال جهت نصب مهار کششی Nail

3- قراردادن آرماتور داخل چال و تزریق چال

4- اجرای سیستم زهکشی و اجرای شاتکریت جداره و نصب ضخامت فولادی

5- گود برداری مرحله بعدی ترانشه و یا گود و ایجاد پله های بعدی علمیات

6-اجرای پوشش شاتکریت نهایی پس از اتمام آخرین مرحله حفاری

 اصول طراحی نیلینگ

- مراحل طراحی سیستم نیلینگ مطابق زیر است:

الف)  هندسه سازه مشخص گردد.

ب)  عمق و زاویه شیب خاکبرداری مشخص گردد.

ج)  بارگذاری و سربار بارهای وارده به Nail و موقعیت سطح افزایش تخمین زده شود.

د) انتخاب نوع آرماتور شامل: سطح مقطع ـ طول ـ فاصله از یکدیگر و در هر تراز مقاومت موضعی آنها تضمین گردد تا مقاومت از نظر استحکام و ظرفیت چسبندگی برای تحمل نیروها تخمین زده شده و با ضریب اطمینان مناسب و قابل قبول کنترل شوند.

ح) پایداری کل سازه نگهدارنده و خاک اطراف آن در زمان حفاری گود و ایجاد پله های حفاری و بررسی و کنترل ضریب اطمینان قابل قبول.

خ)  تخمین نیروهای وارده بر صفحه فولادی  Bearing plate

چ)  در نظر گرفتن سطح پیزومتریک آبهای زیر زمینی و لحاظ نمودن سیستم زهکش

مشخصات کلی روش Nailing :

 از لحاظ کلی با توجه به نوع خاک محل خاکبرداری و مشخصات مکانیکی و همچنین شیب دیواره و شیب خاک سربار در محل برش مراحل اجرایی این روش به شکل زیر خلاصه می­گردد :

 1- لایه­برداری از خاک به ضخامت «1» الی «2» متر.

  2- پوشش سطح برش خورده به وسیله شاتکریت بتن (معمولاً کاشت مش فولادی­).

  3- عملیات میخکوبی به وسیله میلگردهای فولادی و تزریق دوغاب سیمان (گروت).

 ­لازم به توضیح است که معمولاً روی سطح برش خورده یک لایه مش فولادی قرارداده می­شود و سپس برروی آن عملیات شاتکریت انجام می­شود و این عمل یکپارچکی سطح و استحکام دیواره را چندین برابر افزایش می­بخشد. همچنین ضخامت دیواره شاتکریت شده نیز مابین «8» الی «20» سانتیمتر خواهدبود.

فلسفه اصلی این روش : 

 فلسفه اصلی روش میخکوبی برمبنای پایدارسازی گوه لغزش به وسیله Nail ها استوار است. به طوریکه سطح شکست و فروپاشی در خاک­هایی با دانه­بندی مختلط به صورت گوه خواهد بود. لذا بوسیله Nail ها این گوه به حجم پشتی خاک دوخته می­شود و براین اساس این گوه پایدارخواهدگردید.

نتیجه گیری :

استفاده از روش نیلینگ بعنوان یک سیستم حفاظت جداره ترانشه وگود درمناطق شهری و فضاهای محدود بسیار کارا بوده و بدلیل امکان همزمانی اجرا در چند جبهه کاری از سرعت خوبی برخوردار می باشد و با توجه به درجه پایداری امکان اجرای گود قائم وجود داشته و همچنین در انواع شرایط خاک، اجرای آن امکان پذیر می باشد که مهمترین ویژگی این روش محسوب می شود و برای سازه های زیر زمینی بخصوص در فضای های محدود شهری مانند  ایستگاه های مترو مناسب می باشد.

بهسازی خاک به روش میکروپایل

بطور کلی در مواجهه با خاکهای مسئله دار نظیر خاکهای سست با قابلیت باربری کم، نشست‌پذیری زیاد، روانگرا، خاکهای دستی و دو راه پیش روی مهندسین ژئوتکنیک قرار دارد:

الف: استفاده از المانهای باربر در خاک

ب: بهسازی و اصلاح خواص فیزیکی- مکانیکی توده خاک

هر یک از راه حل‌های فوق دارای روشها و مشخصات مربوط به خود می‌باشند که طی سالیان متمادی توسعه فراوانی یافته‌‌اند. برخی از تکنیکهای ابداعی نیز ماهیتی ترکیبی از دو دسته فوق داشته و مزایای هر دو دسته را تا حدودی بهمراه دارند. از آن دسته می‌توان به استفاده از میکروپایلها بهمراه تزریق دوغاب سیمان اشاره نمود.

میکروپایل به شمع‌های با قطر کوچک (کمتر از 300 mm) اطلاق می‌گردد که غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می‌باشند. میکروپایل علاوه برآنکه به عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل می‌کند، بدلیل تزریق دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک اطراف نیز می‌گردد.

در حال حاضر، دستورالعمل ارائه شده توسط (U.S.FHWA) بعنوان مرجع قابل قبول و مورد استفاده طراحان و پیمانکاران اجرای میکروپایل می‌باشد.