میکروپایل چیست و چگونه طراحی و اجرا می شود؟
زمین و خاک همیشه بستر ایده‌آلی برای ساخت سازه‌های عمرانی نیستند. در بسیاری از موارد خاک‌ها سست هستند، نشست پذیری زیاد و قابلیت باربری کمی دارند و به طور کلی برای پی کنی و ساخت سازه باید بهسازی شوند. میکروپایل یکی از تکنیک‌های کارآمد بهسازی زمین می‌باشد. این روش با عنوان روش ریزشمع نیز شناخته می‌شود.
روش میکروپایل بسته به نوع و هدف پروژه ممکن است با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان در کنار ریزشمع‌ها همراه باشد. با استفاده از این روش در واقع ظرفیت باربری و مشخصات مکانیکی خاک نظیر چسبندگی خاک، سختی خاک و یا تراکم پذیری آن بهبود می یابد.
به روشی که در آن نسبت به بهسازی خاک اقدام می شود، میکروپایل می گویند. میکروپایل المانی باربر و مقاوم می باشد که با اضافه شدن آن به خاک و در کنار آن استفاده از دوغاب سیمان، خاک بهبود می یابد با پارسه در این مقاله همراه باشید تا با انواع کاربرد های آن در ساخت و ساز آشنا شوید.
میکروپایل چیست؟
از پیشرفته ترین روش های بهسازی خاک میکروپایل می باشد و به طور کلی در مواجهه با خاک های مسئله دار نظیر خاک های سست با قابلیت باربری کم، نشست‌پذیری زیاد، خاک های دستی و… دو راه پیش روی مهندسین ژئو تکنیک قرار می گیرد:
استفاده از المان های باربر در خاک
بهسازی و اصلاح خواص فیزیکی- مکانیکی توده خاک
میکروپایل ها در لغت به معنای ریز شمع می باشند و به شمع هایی با قطر کمتر از 300 میلی متر که باربر و مقاوم می باشند میکروپایل گفته می شود. که با اضافه شدن آن به خاک و در کنار آن استفاده از دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک اطراف نیز می‌گردد.
تاریخچه میکروپایل
میکروپایل ها در مراجع مختلف به شمع هایی با قطر کمتر از 30 سانت اطلاق می گردد که با تسلیح فولادی و تزریق همراه می باشد. اگر به تاریخچه میکروپایل برگردیم به اوایل دهه ۱۹۵۰ میلادی می رسیم. اینکه چرا این کار انجام شد چون در آن زمان بعد از پایان جنگ جهانی دوم نیاز به ترمیم ساختمان های آسیب دیده بسیار دیده می شد.
. آنگاه بود که شخصی به نام میکروپایل توسط Fondedile پیمانکار مشهور ایتالیایی آن را ساخت. با توجه به کارایی و قابلیت اجرای آن در ساختمان های آسیب دیده و همچنین سرعت اجرای آن به سرعت در ایتالیا گسترش یافت.
پس از اینکه ساختار میکروپایل معرفی و به دنیا عرضه شد سازمان ها و پژوهشکده های علمی به تنظیم آئین نامه ها و استانداردهای میکروپایل پرداختند. معروف ترین آن ها آیین نامه Micropile Design and construction است که توسط انجمن بزرگراه های آمریکا (FHWA) تنظیم شده است. همچنین در پروژه ملی Forever فرانسه نیز در مورد بررسی رفتار میکروپایل ها تحقیقات جامعی صورت گرفت.
کاربردهای روش میکروپایل
جهت انجام یک پروژه ابتدا باید مشخصات ژئوتکنیکی محل قرارگیری پروژه مورد مطالعه قرار گیرد سپس روانگرایی اعماق مختلف زمین و پتانسیل روانگرایی ناحیه در صورت وقوع زلزله بررسی شود.
زیرا با وقوع روانگرایی مقاومت برشی خاک کاهش شدید یافته و نشست‌های بزرگی در پی سطحی اتفاق می‌افتد که آسیب‌های جدی و درنهایت تخریب را به دنبال دارد. در برخی دیگر از پروژه‌ها نیز هدف تأمین باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر می‌باشد. میکروپایل در هر دو نوع کارکرد ذکر شده بعنوان گزینه‌ای مطلوب پیشنهاد شده است.
در کاربرد اول، معمولاً با توجه به شرایط در 10 متری اعماق نزدیک به سطح زمین روانگرایی خطرناک بوده و در اعماق بیش از 10 متر تأثیرات آن کاهش خواهد یافت. لذا جهت اجرای میکروپایل، عمق بهسازی بایستی به‌گونه‌ای انتخاب گردد که ضمن تضمین رفتار مناسب خاک در شرایط بحرانی نظیر زلزله و تأمین مقاومت پی در برابر اضافه بارهای وارده و جلوگیری از نشست‌های ناهمگن، از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد.
از دیگر معیارهای تعیین عمق مناسب اجرای میکروپایل مشاهدات میدانی ناشی از کوبش میکروپایل در خاک و ثبت تغییرات سرعت فرو رفت براساس تعداد ضربات کوبش (انرژی وارده) می‌باشد. بنابراین با پیشرفت کار عمق طراحی متناسب با شرایط زمین قابل تغییر است.
در کاربرد دوم که میکروپایل بهمراه تزریق دوغاب اجرا می‌شود، علاوه بر بهبود مشخصات مقاومتی خاک، تأمین باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر را به دنبال دارد لذا طول میکروپایل متناسب با ظرفیت باربری لازم محاسبه خواهد شد.
در این راستا چیدمان ریز شمع‌ها در پلان و محاسبه عمق بهینه آنها از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا نظم در چیدمان ریزشمع‌ها باعث توزیع یکنواخت عکس‌العمل تکیه‌گاهی در زیر پی ساختمان گردیده و پیکره سازه‌ای پی فوقانی نیز بر این اساس بصورت همگن و بهینه طرح خواهد گردید.
عواملی مانند موقعیت پی‌ها و ستون‌ها ، نحوه توزیع و مقدار بارهای گسترده و متمرکز ، پارامترهای مقاومتی و ظرفیت باربری خاک، نفوذپذیری خاک، عمق ریزشمع‌ها و مشخصات هندسی و سازه‌ای پی سازه در طرح چیدمان میکروپایل تأثیرگذار می‌باشند.
اصول طراحی میکروپایل
اصول محاسبات مهندسی میکروپایل تابع نوع کاربری میکروپایل و به تبع آن نحوه رفتار آن می باشد. در شرایطی که میکروپایل‌ها با هدف تحکیم و بهسازی بستر پی سازه‌ها مورد استفاده قرار می گیرند، محاسبات فنی میکروپایل مشابه با محاسبه شمع‌های متداول است. این محاسبات مبتنی بر سه بخش طرح سازه ای (Structural Design)، طرح ژئوتکنیکی (Geotechnical Design) و کنترل برش پانج (Cone Shear) می باشد.
در طرح سازه‌ای، ظرفیت باربری المان های میکروپایل مشتمل بر جدار فولادی، آرماتور تسلیح و دوغاب سیمان محاسبه می شود. این ظرفیت می بایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده به میکروپایل باشد.
در طرح ژئوتکنیکی، مقاومت اصطکاکی جداره میکروپایل با خاک اطراف محاسبه می گردد. این مقاومت اصطکاکی می بایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده باشد تا امکان جدایی میکروپایل از خاک قبل از وقوع تسلیم عوامل مسلح کننده میسر نگردد.
. در گام نهایی طرح، با توجه به این امر که میکروپایل‌ها دارای بار متمرکز زیاد و قطر کوچک بوده و برش پانج باتوجه به سربارهای وارده محتمل می باشد، کنترل مقاومت در برابر برش پانچ که منتهی به ارائه طرح فلنج مناسب می گردد، انجام می شود.
روش اجرای میکروپایل
روش اجرای میکروپایل مشتمل بر چهار مرحله حفاری (در صورت نیاز)، لوله کوبی، تزریق و تسلیح می باشد که مراحل اجرای آن در زیر تشریح شده است.
حفاری : در صورتی که امکان کوبش لوله های میکروپایل از ابتدا به دلایل مختلف نظیر وجود کف سازی، بتن مگر، لایه متراکم خاک و غیره میسر نباشد، می بایست نسبت به انجام عملیات حفاری اقدام نمود. عملیات حفاری به روش های مختلف نظیر حفاری دورانی و یا دورانی- ضربه ای صورت می پذیرد. حفاری می بایست تا عمقی که امکان کوبش میسر شود ادامه یابد.
لوله کوبی : به منظور استقرار لوله های میکروپایل در محل گمانه، غالباً از عملیات لوله کوبی استفاده می گردد.
برای این منظور در مرحله اول عملیات از لوله نوک تیز میکروپایل استفاده می شود و پس از فرو رفتن لوله اول، لوله دوم به لوله اول متصل گردیده و کوبیده می شود و عملیات کوبش به همین منوال ادامه می یابد. طول لوله های میکروپایل غالباً ۲ متر می باشد. جهت اتصال کامل لوله ها به یکدیگر علاوه بر استفاده از بوشن های رزوه شده، لوله ها به لبه بوشن نیز جوش داده می شوند.
تزریق : پس از اتمام لوله کوبی، می بایست تزریق دوغاب سیمان انجام گیرد . مجموعه دستگاه تزریق از سهبخش میکسر اولیه، میکسر ثانویه و پمپ تزریق تشکیل می گردد. اختلاط در میکسر اولیه از نوع سیستم چرخش سریع آب(circulation) می باشد و میکسر ثانویه از نوع پره ای می باشد و دوغاب به منظور تزریق توسط پمپ تزریق در آن نگهداری می شود .
پس از اختلاط آب و سیمان به نسبت مشخص در میکسرها، دوغاب سیمان توسط پکرهای درون چاهی و سرچاهی از طریق جداره مشبک میکروپایل به خاک تزریق می گردد که علاوه بر افزایش قابل توجه چسبندگی جداره میکروپایل به زمین، سبب بهبود مشخصات مکانیکی خاک اطراف نیز می گردد .
به دلیل اینکه دوغاب سیمان باید تحت فشار زیاد در لایه های خاک نفوذ کند ، جهت تزریق از یکسری شیلنگ دو جداره به نام پکر (packer) استفاده می شود .پکرها بعد از اینکه به درون لوله میکروپایل فرستاده شدند جداره دوم آنها بوسیله پمپ هوا باد می شود که با این کار پکر کاملا به بدنه لوله می چسبد و مانع خروج دوغاب در حین تزریق از بالای لوله می شود.
تسلیح : گام نهایی در اجرای میکروپایل ، عملیات نصب آرماتور تسلیح در داخل لوله میکروپایل و نصب فلنج
(در صورت نیاز) می باشد. بدیهی است که آرماتور تسلیح می بایست قبل از گیرش سیمان، در داخل گمانه نصب شود. فلنج که به منظور ایجاد اتصال کامل بین میکروپایل و بتن فونداسیون و همچنین جلوگیری از برش پانچ سر میکروپایل در داخل بتن پی بکار می رود، می بایست در آخرین مرحله به آرماتور تسلیح میکروپایل جوش شود.
ممنون که تا انتهای این مقاله با گروه ساختمانی پارسه همراه بودید.
