شمع درجا که به نام‌های، شمع ساخته شده در محل، ریختنی، جایگزینی و شمع بدون تغییر مکان نیز شناخته می‌شود، به دلیل تنوع در ابعاد (قطر و عمق) و انعطاف‌پذیری بیشتر، در تکنولوژی‌های اجرای پی‌های عمیق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در فرآیند پایدارسازی گود به روش شمع درجا، ابتدا با استفاده از ماشین‌های حفاری، یک چاه با ابعاد موردنیاز در زمین حفر شده و سپس در داخل این چاه، با استفاده از مصالح باکیفیت، بتن ریخته می‌شود که می‌تواند مسلح یا غیرمسلح باشد.
انواع شمع درجا
شمع بتنی درجا دارای دو نوع اصلی است:
- شمع درجای معمولی: در این روش، با استفاده از ماشین‌های حفاری، یک چاه با مقطع و عمق موردنظر در زمین حفر شده و در داخل آن بتن ریخته می‌شود.
- شمع انباره‌ای یا کف پهن (پدستالی): که در آن یک پدستال بتنی یا شمع انباره‌ای بر روی سطح زمین ساخته شده و سپس داخل این پدستال بتن ریخته می‌شود تا ارتباط بین سازه و خاک بهبود یابد.
متناسب با شرایط، ممکن است ترکیبی از این دو روش برای اجرای شمع بتنی درجا استفاده شود.
انواع شمع درجا ازنظر نوع مصالح
باید در نظر داشت که شمع‌های درجا بر مبنای مصالح ساخته شده به دسته‌بندی زیر تقسیم می‌گردند.
- چوبی: شمع‌های چوبی از تنه درخت‌های سالم، صاف و بلند ساخته شده که پس از زرد شدن شاخه و برگ‌ها، سطح آن‌ها به‌دقت تراشیده می‌شود. این ابزار اغلب حداکثر طولی بین 10 تا 20 متر دارند.
- شمع‌های فولادی: شمع‌های فولادی شامل شمع‌های لوله‌ای و شمع‌های H هستند که نوع لوله‌ای می‌توانند به دو صورت انتهای بسته یا انتهای باز به زمین کوبیده شده و در بسیاری از موارد پس از کوبیده شدن با بتن پر می‌شوند.
- شمع بتنی: که شامل شمع‌های پیش‌ساخته و شمع درجا ریز هستند. شمع‌های پیش‌ساخته از میلگردهای معمولی با مقاطع مربع یا هشت‌ضلعی ساخته می‌شوند تا در مقابل خمش حمل‌ونقل، بلند کردن، اعمال نیروی جانبی و افزایش مقاومت فشاری مقاومت کنند.
پس از ساخت، این شمع‌ها به محل کوبیده شدن منتقل شده و می‌توانند با استفاده از کابل‌های پیش‌تنیدگی، پیش‌تنیده شوند. در مقابل، مدل درجا ریز از خانواده شمع‌های بتنی هستند که به دلیل نامحدود بودن در قطر و عمق حفاری، بیشترین کاربرد و تنوع در اجرای پی‌های عمیق را دارند.
- مرکب: این مدل، از دو مصالح مختلف برای قسمت‌های فوقانی و تحتانی ساخته می‌شوند؛ برای مثال، شمع‌های مخلوط فولاد و بتن از قسمت تحتانی فولاد و قسمت فوقانی بتن تشکیل می‌شوند و زمانی مورداستفاده قرار می‌گیرند که طول شمع لازم برای تأمین ظرفیت باربری به ظرفیت شمع بتنی درجا کافی نباشد.
همچنین شمع‌های مخلوط چوب و بتن، با قسمت تحتانی از چوب و قسمت فوقانی از بتن ساخته می‌شود و به‌طور دائم در مخزن آب زیرزمینی قرار دارند. وصله گذاری مصالح مختلف در این شمع‌ها باعث محدودیت در کاربرد آن‌ها می‌شود.
کاربردهای مهم شمع درجا
استفاده‌های مختلف حفاری شمع درجا در ساختمان‌سازی عبارت‌اند از:
- تقویت ساختمان
- افزایش ظرفیت باربری خاک
- کاهش نشست خاک در سازه‌ها
- محکم‌سازی خاک در اسکله‌ها
- مقاوم‌سازی زمین‌های شیب‌دار
- جلوگیری از فرسایش پایه‌های پل
به‌طورکلی، حفاری شمع درجا در موارد مختلف ساختمان‌سازی به عنوان سازه نگهبان برای افزایش استحکام سازه‌ها و بهبود ویژگی‌های خاک و زمین‌شناسی محیط استفاده می‌شود.
روش اجرای شمع درجا
این عملیات به شرح زیر انجام می‌شود:
اجرای حفاری
ساخت پلتفرم حفاری یک سازه محلی است که برای استقرار دستگاه‌ها و تجهیزات حفاری کاربرد دارد. این پلتفرم با انجام خاک‌ریزی یا با استفاده از مصالح طبیعی موجود، به‌منظور داشتن استحکام و صلبیت لازم ساخته می‌شود. سطح پلتفرم به‌اندازه‌ای کامپکت شده است که بتواند ترافیک با تراکم 85 درصد را تحمل کند و دارای صلبیت کافی برای انجام عملیات حفاری باشد.
مستقر کردن دستگاه حفاری
در اجرای عملیات حفاری، حواسمان باید به تنظیم دقیق دستگاه در نقطه موردنظر باشد. برای این منظور، نقاط علامت‌گذاری مورداستفاده قرار می‌گیرند. همچنین، کنترل تراز با تراز شدن شاسی نسبت به پلتفرم، تراز شدن روتاری نسبت به جرثقیل، اطمینان از قائم بودن کلی روتاری و اعمال شاقول به مته حفاری نسبت به نقطه حفاری صورت می‌گیرد.
بنتونیت در حفاری شمع درجا
برای جلوگیری از ریزش خاک‌های سست در عملیات حفاری، از دوغاب بنتونیت استفاده می‌شود. این دوغاب با ترکیب آب و بنتونیت تهیه شده و با افزایش فشار هیدرواستاتیک، از ریزش خاک در دیواره‌های چاه جلوگیری می‌کند.
درصورتی‌که:
الف) ساختار زمین دارای دانه‌های درشت و غیر چسبنده باشد.
ب) وجود بولدر و سنگ‌های ریشه‌دار باعث انحراف تراپان یا باکت از مسیر حفاری شود.
ج) ساختار زمین با دانه‌های ریز و غیر متراکم و دارای کمبود چسبندگی (مانند ماسه‌بادی و مارن روان) باشد.
روش‌های جایگزین دوغاب بنتونیت
استفاده از دوغاب بنتونیت برای اجرای عملیات حفاری کارآمد نیست و به‌جای آن باید از روش‌های زیر استفاده شود:
- استفاده از دوغاب سیمان همراه با ماسه: در این روش، دوغاب سیمان (به میزان 400 کیلوگرم در مترمکعب) به همراه ماسه (به میزان 500 کیلوگرم در مترمکعب) به محیط ریزشی اضافه می‌شود. پس از گرش اولیه سیمان (حدوداً 30 دقیقه)، عملیات حفاری ادامه می‌یابد. این روش سرعت حفاری را افزایش می‌دهد.
- استفاده از بتن مگر با مصالح ریزدانه: بتن مگر با مصالح ریزدانه و عیار 70 تا 100 کیلوگرم در مترمکعب به محیط ریزشی اضافه می‌شود. پس از گذشت 4 تا 10 ساعت برای تثبیت، حفاری مجدداً شروع خواهد شد. این روش به دلیل جلوگیری از انحراف یا ریزش و کاهش هزینه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- استفاده از کیسینگ: در این تکنیک، با جاگذاری کیسینگ تا عبور از لایه ریزشی یا در تمام طول شمع، از ریزش پیشگیری می‌کنند.
با توجه به نوع زمین، از یکی از انواع مته‌های حفاری مانند باکت، اوگر یا ترپان استفاده می‌شود. اگر از باکت به‌عنوان مته استفاده شود، با قرار دادن و چرخش آن در محل حفاری، فرایند آغاز می‌شود و تا هنگامی ادامه دارد که باکت پر شود. در نهایت باکت خارج شده و تخلیه می‌گردد.
در صورت استفاده از اوگر، تخلیه با حرکت معکوس مته اوگر صورت می‌گیرد. این عملیات تا رسیدن به عمق مطلوب تکرار می‌شود. در طول عملیات، گل‌های حاصل از حفاری مرتباً از روی سطح پلتفرم برداشته و به فاصله 50 متر از محل حفاری منتقل می‌شوند.
کیسینگ گذاری
برای جلوگیری از ریزش خاک در حین عملیات حفاری که معمولاً در لایه‌های ابتدایی خاک به دلیل نداشتن مقاومت برشی کافی اتفاق می‌افتد، از کیسینگ یا غلاف استفاده می‌شود. کیسینگ علاوه بر اینکه از ریزش خاک جلوگیری می‌کند، مانع تراوش آب‌های زیرزمینی به داخل چاه نیز می‌گردد.
آرماتور گذاری
در شمع‌هایی که ممکن است تحت تأثیر نیروهای کششی، خمشی یا تنش برشی قرار گیرند، باید از آرماتورهای طولی و عرضی استفاده کرد. معمولاً قطر میلگردهای طولی برای شمع‌های درجا بین 16 تا 32 میلی‌متر و قطر میلگردهای عرضی برای آن‌ها بین 8 تا 16 میلی‌متر است. میلگردهای عرضی می‌توانند به دو صورت تنگ یا مارپیچ اجرا شوند.
قفس‌های ساخته شده با استفاده از جرثقیل به نزدیکی محل اجرای شمع منتقل می‌شوند. با توجه به محدودیت طول یک آرماتور و مشکلات اجرایی برای ایجاد قفس‌های بلند، نیاز به اتصال قفس‌ها وجود دارد. این فرایند باید به‌گونه‌ای باشد که انتقال نیرو از قفس بالایی به قفس پایینی به‌خوبی انجام گردد. به همین دلیل لازم است که طول همپوشانی کافی در نظر گرفته شود.
لوله‌گذاری
در بتن‌ریزی با لوله ترمی، مهم‌ترین چالش کاهش طول لوله‌ترمی است که حداقل باید 2 متر در داخل بتن حفظ شده تا از دو تکه شدن بتن و عدم کارایی شمع پیشگیری گردد. این عملیات با بلند کردن یک لوله به کمک جرثقیل و کنترل طول آن با جک در دهانه چاه شروع می‌شود. سپس لوله دوم به محل آورده شده و به لوله اول پیچیده می‌شود تا به عمق موردنظر برسیم.
سپس قفس بر روی لوله ترمی اول بسته شده و عملیات بتن‌ریزی با استفاده از تراک میکسر آغاز می‌گردد تا لجن‌ها و بتن کثیف کاملاً خارج شوند. حفاری تا شروع عملیات بتن‌ریزی نباید بیش از 6 ساعت طول بکشد. این امر باعث می‌شود که از جمع شدن مواد آلوده در ته چاه جلوگیری شود و در صورت نیاز، قبل از بتن‌ریزی اقدام به تخلیه مواد با تجهیزات مناسب صورت گیرد.
خروج کیسینگ
آخرین مرحله از عملیات حفاری، خارج کردن کیسینگ از داخل شمع است. این فرایند باید به‌گونه‌ای انجام شود که امکان جابجایی بتن تازه با خاک وجود نداشته باشد. در غیر این صورت بهتر است این کار پس از بتن‌ریزی انجام شود. پس از اتمام عملیات بتن‌ریزی، سطح روی بتن تا هفت روز خیس نگه‌داشته شده و نگهداری‌های لازم صورت می‌گیرد.
مزیت‌های شمع درجا
پس از آشنایی با مراحل اجرای پایدارسازی گود به روش شمع درجا، حالا بهتر است در مورد مزایای استفاده از این روش نیز اطلاعاتی داشته باشیم. مهم‌ترین مزایا شامل افزایش توان باربری، عدم محدودیت در قطر، کم سروصدا بودن، قابل‌استفاده در مناطق شهری و امکان بررسی‌های لازم برای شناسایی خاک در حین کار است.
همچنین اقتصادی بودن این روش، کاهش هزینه‌ها در حجم‌های زیاد، سرعت در اجرای کار، حفاظت از محیط‌زیست و امکان جایگزینی شمع‌های با قطر زیاد را نیز باید در نظر داشت.
معایب اجرای شمع درجا
پس از اجرای این فرایند قطعاً متوجه خواهید شد که این روش در کنار مزایای زیاد خود، معایبی نیز دارد که شامل موارد زیر هستند:
امکان جابجایی شمع مرکزی
تأثیرات شرایط جوی در هنگام کار
باقی ماندن لوله کیسینگ پس از فرآیند بتن‌ریزی
کنترل دقیق کیفیت بتن در شرایط آب زیرزمینی بالا
هزینه اجرای شمع درجا
هزینه بهسازی خاک متناسب با شرایط محیطی و ژئوتکنیکی متغیر است. عواملی که بر این هزینه تأثیرگذارند شامل روش بهسازی خاک، میزان بهسازی موردنیاز، هزینه تجهیزات و ماشین‌آلات مورداستفاده و سایر عوامل مربوط به پروژه هستند.
این هزینه‌ها بسته به نوع و میزان اقدامات لازم برای بهسازی خاک و همچنین ابزارها و تجهیزات مورداستفاده، متغیر خواهد بود. توصیه می شود فرایند حفاری به کمک شمع درجا را به شرکت های تخصصی و باتجربه مانند گروه مهندسی ساناپی سپرده تا بهترین نتایج را بدست آورید.