میکروپایل چیست؟ روش اجرا
مهندسی ژئوتکنیکال از رشته‌های مهم در زمینه ساخت و ساز است که به بررسی و طراحی سازه‌هایی از قبیل پی و دیوارهای حائل می‌پردازد. یکی از روش‌های پیشرفته در این حوزه، استفاده از میکروپایل است. در این مقاله از پورتال جامع مهندسین ایران به مفهوم و عملکرد میکروپایل و روش اجرای آن پرداخته خواهد شد.
میکرو پایل چیست؟
میکروپایل یک نوع پی حفاری شده است که از ورق‌های فولادی با قطر کوچکتر از ۳۰۰ میلیمتر تشکیل شده است. نام آن به دلیل قطر کوچکتر آن نسبت به پی‌های سنتی انتخاب شده است. میکروپایل‌ها به صورت عمودی در زمین حفر می‌شوند و با استفاده از گچ یا سیمان تثبیت می‌شوند. این سازه‌ها به عنوان عضو اصلی سیستم پایه استفاده می‌شوند و بارهای ساختمانی را به لایه‌های عمیق‌تر خاک منتقل می‌کنند.
تاریخچه میکروپایل
مفهوم میکروپایل به شمع‌هایی با قطر کمتر از ۳۰ سانتیمتر اشاره دارد که از تسلیح فولادی استفاده می‌کنند و با تزریق همراه می‌شوند. تاریخچه میکروپایل به اوایل دهه ۱۹۵۰ میلادی بازمی‌گردد، زمانی که نیاز به ترمیم ساختمان‌های آسیب دیده در جریان جنگ جهانی دوم در اروپا بسیار بود. این فناوری به دست Fondedile، یک پیمانکار معروف ایتالیایی، به همراه دکتر Fernando Lizzi ابداع شد.
با توجه به کارایی و قابلیت اجرای آن در ساختمان‌های آسیب دیده و همچنین سرعت اجرای آن، این تکنولوژی به سرعت در ایتالیا گسترش یافت. در سال ۱۹۶۲، Fondedile با ترمیم چند ساختمان تاریخی آن را به انگلستان معرفی کرد و در سال ۱۹۶۵ از این روش در پروژه‌های حمل و نقل استفاده کرد و آن را به آلمان معرفی نمود. پس از گذشت حدود دو دهه، در سال ۱۹۷۳ با ترمیم ساختمان‌هایی در بوستون و نیویورک، این تکنولوژی به آمریکای شمالی نیز معرفی شد.
بعد از معرفی میکروپایل، سازمان‌ها و مراکز پژوهشی به تدوین آیین‌نامه‌ها و استانداردهای مربوط به میکروپایل پرداختند. یکی از معروف‌ترین آیین‌نامه‌ها، آیین‌نامه طراحی و ساخت میکروپایل (Micropile Design and Construction) است که توسط انجمن بزرگراه‌های آمریکا (FHWA) تهیه شده است. همچنین، در پروژه ملی Forever فرانسه نیز تحقیقات جامعی درباره رفتار میکروپایل‌ها صورت گرفت.
اصول طراحی میکروپایل
اصول محاسبات مهندسی میکروپایل به نوع کاربری آن و رفتار آن مرتبط است. زمانی که میکروپایل‌ها برای تحکیم و بهسازی بستر پی سازه‌ها استفاده می‌شوند، محاسبات فنی میکروپایل به صورت مشابه با محاسبات شمع‌های معمولی انجام می‌شود. این محاسبات بر اساس سه بخش طراحی سازه (Structural Design)، طراحی ژئوتکنیکی (Geotechnical Design) و کنترل برش پانچ (Cone Shear) انجام می‌شود.
در طراحی سازه، ظرفیت باربری اجزای میکروپایل از جمله دیواره فولادی، آرماتور تسلیح و ملافه سیمانی محاسبه می‌شود. این ظرفیت باید با ضریب اطمینان مناسب، بیشتر از بار وارده به میکروپایل باشد.
در طراحی ژئوتکنیکی، مقاومت اصطکاکی دیواره میکروپایل با خاک اطراف محاسبه می‌شود. این مقاومت اصطکاکی باید با ضریب اطمینان مناسب، بیشتر از بار وارده باشد تا از جدایش میکروپایل از خاک قبل از وقوع شکست ناشی از فعالیت‌های بارگذاری جلوگیری شود.
در مرحله پایانی طراحی، با توجه به اینکه میکروپایل‌ها دارای بار متمرکز بزرگ و قطر کوچک هستند و برش پانچ به علت بارگذاری‌های محتمل، مسئله مهمی است، کنترل مقاومت در برابر برش پانچ انجام می‌شود و یک طراحی فلنج مناسب ارائه می‌شود.
آزمایش های مورد نیاز برای طراحی دقیق میکروپایل ها (ریز شمع)
برای طراحی دقیق میکروپایل ها (ریز شمع) و اطمینان از عملکرد صحیح آنها در شرایط بارگذاری مورد انتظار، انجام آزمایش های مختلف ضروری است. این آزمایش ها به طراحان کمک می کند تا ظرفیت باربری واقعی میکروپایل ها را در خاک یا سنگ محل پروژه تعیین کنند و از این اطلاعات برای طراحی و اجرای ایمن و کارآمد سازه استفاده کنند.
آزمایش های کلیدی مورد نیاز برای میکروپایل ها عبارتند از:
آزمایش بارگذاری فشاری:
این آزمایش رایج ترین نوع آزمایش برای میکروپایل ها است و برای تعیین حداکثر بار فشاری که یک میکروپایل می تواند قبل از گسیختگی تحمل کند، انجام می شود.
در این آزمایش، بار به تدریج به میکروپایل اعمال می شود و جابجایی آن در طول زمان ثبت می شود.
از داده های این آزمایش برای رسم منحنی بار-جابجایی میکروپایل و تعیین ظرفیت باربری نهایی آن استفاده می شود.
آزمایش بارگذاری کششی:
این آزمایش برای تعیین حداکثر بار کششی که یک میکروپایل می تواند قبل از گسیختگی تحمل کند، انجام می شود.
در این آزمایش، بار به تدریج به سمت بالا به میکروپایل اعمال می شود و جابجایی آن در طول زمان ثبت می شود.
از داده های این آزمایش برای رسم منحنی بار-جابجایی میکروپایل و تعیین ظرفیت باربری کششی آن استفاده می شود.
آزمایش بارگذاری جانبی:
این آزمایش برای تعیین حداکثر بار جانبی که یک میکروپایل می تواند قبل از گسیختگی تحمل کند، انجام می شود.
در این آزمایش، بار به صورت افقی به میکروپایل اعمال می شود و جابجایی آن در طول زمان ثبت می شود.
از داده های این آزمایش برای رسم منحنی بار-جابجایی جانبی میکروپایل و تعیین ظرفیت باربری جانبی آن استفاده می شود.
علاوه بر این آزمایش های اصلی، آزمایش های دیگری نیز ممکن است بسته به شرایط خاص پروژه انجام شود، مانند:
- آزمایش نفوذپذیری: برای ارزیابی نفوذپذیری خاک یا سنگ و میزان تزریق دوغاب مورد نیاز
- آزمایش خوردگی: برای ارزیابی مقاومت میکروپایل ها در برابر خوردگی در شرایط خاک یا سنگ خاص
- آزمایش التراسونیک: برای بررسی integrite میکروپایل ها و شناسایی هرگونه نقص یا ترک
کاربردهای روش میکروپایل
به طور کلی کاربردهای میکروپایل با عناوین استفاده از آن به عنوان المان باربر و همچنین روشی برای بهسازی خاک مطرح است.
اما برخی از کاربردهای میکروپایل و نقش آن در بهسازی زمین را می‌توان به صورت زیر عنوان نمود:
- بهسازی پی ساختمان‌های قدیمی و ساختمان‌های جدید با روش میکروپایل
- نوسازی و یا بهسازی پی‌های آسیب دیده با روش میکروپایل
- پایدارسازی شیروانی‌ها با روش میکروپایل
- امکان پایدارسازی شیب‌ها با این روش
- ساخت دیوارهای نگهبان و همچنین ساخت و ساز مجاور ساختمان‌های موجود با روش میکروپایل
- امکان کنترل نشست پی و کاهش نشست زمین با روش میکروپایل
- امکان کنترل باربری پی و همچنین افزایش باربری فشاری، باربری کششی و باربری جانبی با روش میکروپایل
روش طراحی و اجرای میکروپایل
در بخش‌های قبلی به نکاتی درباره تعریف میکروپایل و نقش آن در بهسازی زمین اشاره کردیم. در ادامه به طور خلاصه روش اجرای میکروپایل را بیان می‌کنیم. اجرای میکروپایل چهار مرحله دارد:
مرحله حفاری
این مرحله در واقع پیش‌نیاز مرحله بعدی یعنی لوله‌کوبی است. در صورتی که فضای کافی برای لوله کوبی وجود داشته باشد دیگر نیازی به عملیات حفاری نیست. در غیر اینصورت به اندازه‌ای که لوله‌کوبی امکان‌پذیر باشد باید حفاری انجام شود.
مرحله لوله‌کوبی
پس از حفاری، لوله‌های میکروپایل یا همان ریزشمع‌ها باید در مکان‌های از پیش تعیین شده کوبیده شوند. این کار توسط دستگاه‌های لوله کوب انجام می‌شود. به اینصورت که در ابتدا ریزشمع‌های اول در محل‌های مورد نظر کوبیده می‌شوند. سپس به ترتیب ریزشمع‌های بعدی بر روی آنها کوبیده شده و به هم متصل می‌گردند. این کار تاز زمانی ادامه پیدا می‌کند که در ازای تعداد مشخصی ضربه‌ی متوالی توسط لوله‌کوب، لوله از مقدار مشخصی بیشتر فرو نرود یا به بیان دیگر عمق طراحی میکروپایل محقق گردد.
شاید بد نباشد این نکته را نیز بدانید که موقعیت ستون‌ها، موقعیت پی‌ها، پارامترهای مقاومتی خاک، ظرفیت باربری و میزان نفوذپذیری خاک و همچنین عمق ریزشمع‌ها از جمله عوامل موثر در طرح چیدمان میکروپایل‌ها هستند.
مرحله تزریق
در این مرحله از شلنگ‌های مخصوصی برای تزریق دوغاب در لوله‌های میکروپایل یا همان ریزشمع‌ها استفاده می‌گردد. این شلنگ‌های مخصوص پکر نامیده می‌شود.
ابتدا دوغاب تزریق در یک دستگاه میکسر چرخشی ساخته می‌شود. این دوغاب شامل نسبت معینی از آب و سیمان است. سپس دوغاب ساخته شده به درون یک میکسر پره‌ای منتقل می‌شود و از طریق پمپ‌ها و پکر به داخل لوله‌های میکروپایل تزریق می‌گردد. توجه به این نکته ضروری است که در صورت کثیف بودن درون لوله‌ها از تزریق دوغاب سیمان، ابتدا باید درون لوله‌ها توسط فشار آب یا هوای فشرده تمیز شود.
مرحله تسلیح
آخرین مرحله از اجرای میکروپایل، مرحله تسلیح است. این مرحله شامل جاگذاری آرماتور در داخله ریزشمع‌ها می‌باشد. پر واضح است که مرحله تسلیح باید قبل از سفت شدن سیمان انجام شود.
توجه به کیفیت اجرا در هر یک از این مراحل در واقع تعیین کننده‌ی کارایی روش میکروپایل و نقش آن در بهسازی زمین است.
اجرای میکروپایل چه مزایایی دارد؟
در این بخش از مقاله به طور خلاصه به برخی از مزیت‌های میکروپایل و نقش آن در بهسازی زمین نسبت به سایر روش‌های بهسازی خاک اشاره می‌کنیم:
- اجرای روش میکروپایل در زمین‌های سست و خاک‌های مسئله‌دار امکان‌پذیر و مناسب می‌باشد.
- امکان اجرای روش میکروپایل در مکان‌هایی با دسترسی محدود وجود دارد.
- روش میکروپایل امنیت بالایی دارد، زیرا امکان کنترل کیفی از نظر طراحی و اجرا را از طریق آزمایش‌های کنترلی فراهم می‌کند. این آزمایش‌ها شامل آزمایش بارگذاری فشاری، آزمایش بارگذاری کششی و آزمایش بارگذاری جانبی ریزشمع است.
- روش میکروپایل انعطاف پذیری بالایی در حین اجرا دارد.
- این روش از هزینه‌های اجرایی کمتر و سرعت اجرای بیشتری نسبت به سایر روش‌های بهسازی زمین برخوردار است.
- اجرای روش میکروپایل نیاز به ماشین‌آلات زیادی ندارد. بنابراین برای استفاده در محیط‌های شهری مناسب است.
این نکته نیز لازم به ذکر است که در بسیاری از پروژه‌های شهری امکان استفاده از شمع‌های پیش ساخته وجود ندارد. در نتیجه شمع‌ها باید به صورت درجا اجرا شوند. این مسئله به دلیل مشکلات شمع کوبی است که در بسیاری از مواقع برای اجرای روش میکروپایل در برخی پروژه‌های شهری به وجود می‌آید.
