میکروپایل از روش‌های تخصصی برای بهبود وضعیت و بهسازی خاک است. در مواجهه با خاک‌های مسئله‌دار نظیر خاک‌های سست با قابلیت باربری کم، نشست پذیری زیاد، روان گرا و خاک‌های دستی، دو راه‌حل اصلی برای مهندسین ژئوتکنیک وجود دارد:
الف: بهره بردن از از المان‌های باربر در خاک ب: بهسازی و بهبود ویژگی فیزیکی-مکانیکی خاک
میکروپایل روشی است که در آن نسبت به بهسازی خاک اقدام می‌شود و به شمع‌هایی اشاره دارند که دارای قطر کمتر از 300 میلی‌متر بوده و توانایی باربری و مقاومت بالایی دارند. با افزودن این مواد به خاک و همراه با استفاده از دوغاب سیمان، ویژگی‌های مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک اطراف بهبود می‌یابد.
تاریخچه میکروپایل
تاریخچه ابداع میکروپایل به اوایل دهه پنجاه میلادی بازمی‌گردد، زمانی که به دلیل صدمات جنگ جهانی دوم، بسیاری از ساختمان‌ها در اروپا در معرض خرابی قرار گرفته بود. در این دوره، نیاز به یک روش بهسازی سریع، اقتصادی و کارآمد برای ساختمان‌های تخریب شده احساس می‌شد. ابداع این متد در این شرایط توسط یک پیمانکار معروف ایتالیایی صورت گرفت و به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد این روش، به‌سرعت گسترش یافت.
در ابتدا، استفاده از میکروپایل‌ها تنها به بهسازی بسترهای ضعیف ساختمان‌ها محدود بود؛ اما با گذر زمان و توسعه این روش در کشورهای مختلف، دامنه کاربرد آن گسترش یافت و به زمینه‌های مطالعات ژئوتکنیک دیگر مانند پایدارسازی شیب‌ها، مقابله با روانگرایی و دیگر حوزه‌ها نیز ادامه پیدا کرد.
تفاوت‌ها و شباهت‌های میکروپایل‌ها و شمع‌ها
همان‌طور که گفته شد، میکروپایل‌ها یا ریز شمع‌ها از لوله‌های فلزی یا پلاستیکی با قطر کمتر از ۳۰۰ میلی‌متر تشکیل شده‌اند. این عناصر مهندسی به کمک تزریق دوغاب به خاک و تسلیح فولادی سبک، برای تقویت و بهبود ویژگی‌های مکانیکی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
شمع‌ها نیز عناصر تقویتی در مهندسی ژئوتکنیکال هستند اما به شکل ستون‌های عمیق از مصالح مختلف نظیر بتن یا فولاد تولید می‌گردند. این ستون‌ها با اجرای عملیات حفاری و سپس پر کردن مجاورت خلأ به‌وسیله‌ی مواد مختلف نظیر بتن، خاک یا گچ تشکیل می‌شوند. شمع‌ها عمدتاً برای انتقال بارهای سازه به لایه‌های عمیق‌تر خاک، کنترل نشست سازه و بهبود پایداری خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌عنوان یک عنصر استراتژیک در مهندسی ژئوتکنیک، این ابزار نقش اساسی در پایداری سازه‌ها و حفاظت از آن‌ها در برابر نیروهای خاکی ایفا می‌کنند.
درواقع میکروپایل و شمع مانند جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک با استفاده از روش‌ها و مکانیزم‌های مختلف، برای تقویت و بهسازی شرایط خاک و ارتقای بستر ساختمان‌ها، کاربرد دارند.
اصول طراحی میکروپایل چیست
برای اینکه بدانیم اصول محاسبات مهندسی ریز شمع چیست، می‌توانیم بگوییم که به‌طور مستقیم این اصول، به نوع کاربری و رفتار مرتبط با آن بستگی دارد. در صورت استفاده از این تکنیک به‌منظور تحکیم و بهسازی بستر پی سازه‌ها، محاسبات فنی آن‌ها به‌طورکلی با محاسبات معمول شمع‌ها مشابه است. این طراحی بر اساس سه بخش اصلی انجام می‌شود: طراحی سازه (Structural Design)، طراحی ژئوتکنیکی (Geotechnical Design) و کنترل برش پانچ .(Cone Shear)
در طرح سازه‌ای، ظرفیت باربری المان‌های میکروپایل، شامل جدارهای فولادی، آرماتور تسلیح و دوغاب سیمان محاسبه می‌شود. این ظرفیت باید با یک ضریب اطمینان مناسب، بالاتر از بار وارده به میکروپایل باشد.
در طرح ژئوتکنیکی، به کمک خاک اطراف، مقاومت اصطکاکی جداره میکروپایل محاسبه می‌شود. این مقاومت اصطکاکی نیز باید با یک ضریب اطمینانی، بالاتر از بار وارده باشد تا میکروپایل از خاک قبل از تسلیم عوامل مسلح کننده جدا نگردد.
در گام نهایی طرح، با توجه به اینکه میکروپایل‌ها دارای بار متمرکز زیاد و قطر کوچک هستند و برش پانچ به دلیل سربارهای محتمل، ممکن است رخ دهد، کنترل مقاومت در برابر برش با ارائه یک طرح فلنج مناسب، انجام می‌شود.
آزمایش‌های موردنیاز
آزمایشات ضروری برای طراحی دقیق میکروپایل‌ها (ریز شمع) عبارت‌اند از:
آزمایش بارگذاری فشاری: در این آزمایش، رفتار و عملکرد ریز شمع تحت‌فشار بارگذاری موردبررسی قرار می‌گیرد. این آزمایش اطلاعات مهمی در خصوص ظرفیت باربری و رفتار فشاری میکروپایل فراهم می‌کند.
آزمایش بارگذاری کششی: این فرایند، به بررسی ویژگی‌های کششی ریز شمع می‌پردازد. با انجام این آزمایش، اطلاعاتی درباره استحکام مکانیکی و رفتار کششی میکروپایل به دست می‌آید.
آزمایش بارگذاری جانبی: در این بررسی، رفتار ریز شمع تحت بارهای جانبی (عمود بر جهت بارگذاری اصلی) مورد سنجش قرار می‌گیرد. این آزمایش اطلاعاتی در خصوص پایداری جانبی و تأثیر بارهای جانبی بر عملکرد میکروپایل فراهم می‌کند.
روش اجرای میکروپایل
اجرای میکروپایل یا ریز شمع به چهار روش و در چهار مرحله انجام شده و هرکدام با توجه به شرایطی که مهندسین تشخیص می‌دهند، انتخاب می‌گردند. مراحل اجرای این روش عبارت‌اند از:
حفاری
درصورتی‌که امکان کوبش لوله‌های میکروپایل از ابتدا به دلایل مختلف نظیر وجود کف‌سازی، بتن مگر و لایه متراکم خاک میسر نباشد، لازم است به اجرای عملیات حفاری پرداخته شود. حفاری می‌تواند به روش‌های مختلفی انجام گردد، ازجمله حفاری دورانی (Rotary) یا دورانی-ضربه‌ای (D.T.H) . در این روش‌ها، حفاری تا زمانی ادامه می‌یابد که امکان میکروپایل کوبشی به‌خوبی فراهم شود. در برخی موارد، این کار ممکن است در کل ارتفاع پروژه نیز اجرا گردد.
لوله کوبی
برای انتقال لوله‌های میکروپایل به محل گمانه، عمدتاً از روش لوله کوبی بهره می‌گیرند. در این روش، ابتدا از نوک تیز لوله میکروپایل استفاده می‌شود. پس از وارد شدن لوله اول به زمین، لوله دوم به با اعمال ضربات، به لوله اول متصل می‌شوند. این عملیات کوبش با اتصال متوالی لوله‌ها به یکدیگر ادامه می‌یابد.
برای اطمینان از اتصال دقیق لوله‌ها به یکدیگر، علاوه بر استفاده از بوشن‌های رزوه شده، لوله‌ها به لبه بوشن، جوش داده می‌شوند. این اقدام به‌منظور تضمین اتصال قوی بین لوله‌ها و بوشن‌ها انجام می‌گردد.
عملیات کوبش لوله‌های میکروپایل تا زمانی که امکان کوبیدن لوله‌ها به‌درستی وجود داشته ادامه می‌یابد. درصورتی‌که پس از ۳۰ ضربه متوالی، لوله بیش از ۱۰ سانتیمتر فرو نرود، عملیات کوبش لوله میکروپایل متوقف می‌شود. در این صورت، ابتدا تا تحقق عمق موردنیاز بهسازی حفاری انجام شده و سپس لوله‌های مربوط به میکروپایل، در داخل گمانه نصب می‌شوند.
لوله‌های میکروپایل دارای قطر خارجی ۷۶ میلی‌متر و قطر داخلی ۶۸ میلی‌متر در قطعات دو متری هستند. این لوله‌ها با استفاده از بوشن و جوش به یکدیگر متصل می‌شوند. هر میکروپایل شامل ۸۰ سوراخ با قطر ۸ میلی‌متر در هر متر طول است. برای جلوگیری از مشکلات در هنگام دوغاب ریزی، محیط داخلی لوله‌ها باید برق زده شده باشد.
تزریق
ساخت دوغاب موردنیاز و تزریق دقیق آن در این مرحله بسیار حائز اهمیت است. دستگاه تزریق دوغاب از سه بخش تشکیل شده است: میکسر اولیه، میکسر ثانویه و پمپ تزریق. در مرحله اولیه، اختلاط از نوع سیستم چرخش سریع آب رخ داده و در مدل ثانویه از نوع سیستم پره‌ای است. فرآیند ساخت دوغاب تزریق در همزن‌های میکسر اولیه انجام می‌شود. ابتدا مقدار موردنظر آب به همزن ریخته می‌شود و سپس به تناسب با نسبت آب به سیمان (WCR) موردنیاز، سیمان به آب اضافه می‌شود.
زمان حداقل هم زدن دوغاب سیمان در حدود ۳۰ ثانیه است. پس از آماده شدن دوغاب، به‌منظور نگهداری، آن را در داخل همزن ثانویه ریخته شده و سپس با استفاده از پمپ‌های تزریق مخصوص، به محل موردنظر تزریق می‌شود. عملیات تزریق تا زمانی ادامه می‌یابد که از سطح یا میکروپایل‌های جانبی نشت کند. در این زمان عملیات تزریق به پایان می‌رسد.
نکات مهم اجرای تزریق
در اجرای این عملیات، نکات زیر حائز اهمیت می‌باشند:
- فشار تزریق در مراحل مختلف و در عمق‌های متفاوت، تحت تأثیر جنس زمین و شرایط ژئوتکنیکی ممکن است متغیر باشد.
- درصورتی‌که داخل لوله میکروپایل قبل از تزریق دوغاب سیمان، کثیف باشد، لازم است با استفاده از فشار آب یا هوای فشرده داخل لوله، تمیز شود.
- نوع سیمان مورد استفاده در ملات تزریق سیمان، با نوع سیمان پرتلند تیپ دو یا سیمان تیپ پنج با توجه به شرایط شیمیایی محل، مشخص می‌شود.
- با توجه به شرایط ژئوتکنیکی و میزان باربری طراحی ریز شمع‌ها، مقدار سیمان تخمینی معادل هر متر طول میکروپایل، می‌تواند برابر با 100 کیلوگرم باشد؛ اما با توجه به اینکه تزریق تا فشار 10 اتمسفر باید ادامه یابد، مقدار سیمان ممکن است افزایش داشته باشد.
- آب مورد استفاده در ساخت دوغاب باید تمیز و صاف بوده و دارای تمامی شرایط لازم برای آب مصرفی در ساخت بتن در نظر گرفته شود. این آب باید خالی از هرگونه ماده اسیدی، قلیایی، مواد قندی، نمک‌ها و مواد آلی باشد؛ زیرا در غیر این صورت ممکن است به بتن آسیب برساند.
تسلیح فولادی
در مرحله آخر، عملیات جاگذاری آرماتور تسلیح در داخل لوله میکروپایل و نصب فلنج (در صورت نیاز) صورت می‌گیرد. البته باید در نظر داشت که در ابتدا آرماتور تسلیح باید قبل از گیرش سیمان، در داخل گمانه نصب شود. فلنج که برای ایجاد اتصال کامل بین میکروپایل و فونداسیون و همچنین جلوگیری از برش پانچ سر میکروپایل در داخل بتن پی استفاده می‌گردد، در آخرین مرحله به آرماتور تسلیح میکروپایل جوش داده می‌شود.
در شرایطی که سازه جزء آثار باستانی بوده و یا دارای دیوارهای خشتی و گلی است، احتمال فروریزش دیوار به دلیل میکروپایل وجود دارد. برای پیشگیری از این اتفاق، می‌توان به‌عنوان‌مثال دورتادور آن را با FRP محکم نموده و اثر محدودیت انعطاف را ایجاد کرد. اگر نیاز به حفظ شکل اصلی سازه باشد، می‌توان یک لایه بین سازه و FRP قرار داد و پس از اتمام عملیات، FRP را برداشت یا یک روکش نمایی مشابه قبلی را بر روی لایه FRP ایجاد نمود.
آزمایش‌های بررسی صحت عملکرد میکروپایل
آزمودن‌ها جهت ارزیابی دقت و کارایی میکروپایل در دو زمینه اصلی، یعنی تقویت بستر پی سازه‌ها و بهسازی برجای خاک اجرا می‌شود. پس از اجرای این فرآیندها، آزمایشات کنترل کیفی متعددی انجام می‌شود که شامل آزمایش بارگذاری فشاری، کششی و جانبی هستند. این آزمودن‌ها با هدف ارزیابی عملکرد و کیفیت سازه صورت می‌گیرد.
- آزمایش بارگذاری جانبی: در این حالت به‌طور رایج از دو شمع مجاور با جهت یکسان برای ارزیابی رفتار جانبی میکروپایل‌ها استفاده می‌شود.
- آزمایش بارگذاری کششی: این آزمایش، با استفاده از میکروپایل‌های به‌کاررفته به‌عنوان عکس‌العمل تیر تکیه‌گاهی در آزمایش‌های فشاری انجام می‌شود. نتیجه این آزمایش به بررسی رفتار مقاومتی و تغییر شکل‌پذیری در محدوده کششی ریز شمع می‌انجامد.
- آزمایش بارگذاری فشاری: این آزمایش، ویژه میکروپایل‌هایی است که حداقل 28 روز از زمان تزریق آن‌ها گذشته باشد. تکنیک فشاری با استفاده از جک بارگذاری اجرا می‌شود و در دو حالت مختلف صورت می‌گیرد: یک مورد تا رسیدن به بار طراحی و در مورد دیگر تا رسیدن به بار نهایی. در هر حالت، میکروپایل باید قابلیت تحمل بارهای اعمال شده را به‌طور کامل از خود نشان دهد و هیچ نشانه‌ای از گسیختگی یا تغییر مکان بیش‌ازحد استاندارد نداشته باشد.
در فرآیند آزمایش، بارگذاری به شکل پله‌ای انجام می‌شود تا به بار آزمایشی برسد و باربرداری تا بار صفر به‌وسیله جک بارگذاری صورت می‌گیرد. هر مرحله بارگذاری در پله‌های سه تنی انجام شده و در هر مرحله، بار به مدت 5 دقیقه بر روی میکروپایل قرار می‌گیرد و نشست‌های حاصل از هر پله بارگذاری در سه مرحله اندازه‌گیری می‌شود. درنهایت، باربرداری نیز با استفاده از بارگذاری به شکل پله‌ای اجرا شده و تغییرات مکانی با استفاده از گیج‌های اندازه‌گیری تغییر مکان در سه نقطه مانیتور می‌شود.
کاربردهای میکروپایل
بعضی از کاربردهای متنوع میکروپایل فونداسیون عبارت‌اند از:
- پایدارسازی شیب‌ها
- پایدارسازی شیروانی‌ها
- اصلاح تکمیل پی‌های آسیب‌دیده
- کنترل نشست پی و کاهش نشست زمین
- بهسازی پی ساختمان‌های قدیمی و ساختمان‌های جدید
- کنترل باربری پی و افزایش باربری فشاری، کششی و جانبی
- ساخت دیوارهای نگهبان و همچنین احداث ساختمان‌های مجاور
مزایای استفاده از میکروپایل
مزایای متعددی که در استفاده از این متد مشاهده می‌شود به شرح زیر است:
- عملیات کوبش میکروپایل‌ها منجر به تراکم و تحکیم توده خاک اطراف می‌گردد.
- در این روش، با بهره‌گیری از آرماتور و سختی بالای آن، قابلیت کنترل نشست خاک و انتقال بار به لایه‌های مقاوم زیرین فراهم می‌شود.
- انرژی پایین مصرفی در عملیات کوبش و قطر کوچک حفاری باعث کاهش حداقلی اثرات جانبی و لرزش در سازه‌های اطراف می‌شود.
- به دلیل استفاده از حجم کمتری از مصالح متشکل از فولاد و سیمان، هزینه‌های پائین تجهیز کارگاه را کاهش داده و شرایطی اقتصادی ایجاد می‌کند.
- تزریق دوغاب در اجرای میکروپایل‌ها باعث بهبود خصوصیات مکانیکی خاک مانند سختی، تراکم‌پذیری، ظرفیت باربری، ضریب اصطکاک و چسبندگی می‌شود.
- ابعاد کمتر ماشین‌آلات مربوط به اجرای میکروپایل نه‌تنها امکان حمل و جابجایی آسان را در کارگاه ممکن می‌کند بلکه قابلیت اجرای عملیات در چند جبهه کاری مختلف را بدون تداخل، فراهم می‌سازد.
برترین ارائه‌دهنده خدمات ژئوتکنیک
گروه مهندسی سانا پی ارائه دهنده برترین خدمات ژئوتکنیک در سراسر کشور، با استفاده از دانش فنی و اجرایی تیمی از مهندسان و فارغ‌التحصیلان دانشگاه‌های معتبر در زمینه صنعت ساختمان آماده عرضه بهترین خدمات می‌باشند. این شرکت از زمان تأسیس خود، به ارائه خدمات مهندسی با رعایت آخرین استانداردها و روش‌های اجرایی پیشرفته و بهره‌گیری از تجهیزات مدرن، متعهد بوده و همچنین اهمیت ویژه‌ای به برقراری ارتباطات فعال با دانشگاه‌ها و سایر انجمن‌های علمی و حرفه‌ای به‌منظور بهبود مستمر کیفیت فعالیت‌های خود دارد.
سانا پی، با ارائه خدماتی چون آزمایش خاک، پایدارسازی گود، بهسازی زمین، عملیات حفاری، مطالعات تکمیلی و خدمات آموزشی، نسبت به ارتقاء سطح کیفی خدمات، رضایت کارفرمایان و حفظ اخلاق حرفه‌ای و دستیابی به استانداردهای بین‌المللی، متعهد است.
