تکنولوژی ریزشمع

ریزشمع ها عناصر باربر سازه ای جهت انتقال بارهای استاتیکی و دینامیکی سازه به لایه های مقاوم زیرین زمین می‌باشند. بکارگیری ریزشمع‌- مینی‌پایل‌‌ (Minipile) یکی از تکنیک‌های کارآمد در این زمینه بوده که طی ساليان متمادی توسعه فراوانی يافته‌‌ است .ریزشمع به شمع‌های با قطر كوچک (كمتر از 400 میلی‌متر) اطلاق می گردد كه غالباً با تسليح فولادی سبک و تزريق دوغاب سيمان اجرا می‌شوند. ریزشمع با انتقال بارهای استاتیکی و دینامیکی سازه به لایه‌های مقاوم‌تر زمین، به عنوان يك المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل مي‌كند. به دلیل قطر کم ریزشمع، درصد عمده‌ی انتقال بار از طریق اصطکاک بین جدار ریزشمع و خاک انجام می‌شود و عموماً از مقاومت نوک آن صرفنظر می‌گردد.

مراحل اجرای ریزشمع

تاریخچه

تاريخچه ابداع ریزشمع به اوايل دهه پنجاه ميلادي، زماني كه اروپا با خيل عظيمي از ساختمان‌های در معرض خرابی ناشی از صدمات وارده در جنگ جهانی دوم روبرو بوده است، باز می‌گردد. در اين دوره ابداع يک روش تقویت بستر كه علاوه بر داشتن كارايی و قابليت اجرا در ساختمان‌های تخريب شده، سريع و اقتصادی نيز باشد، بسيار ضروری به نظر می‌رسید كه در چنين شرايطی ابداع ریزشمع‌ توسط Fondedile پيمانكار مشهور ايتاليايی صورت پذيرفت و بدليل ويژگی‌های منحصر به فرد اين روش، گسترش فراوانی يافت.

در آغاز، استفاده از‌ ریزشمع‌ها تنها در تقویت بستر ضعيف ساختمان‌ها متداول بوده اما رفته‌رفته و با توسعه و اجرای اين روش در كشورهای مختلف، دامنه كاربرد آنها به ديگر عرصه‌های مهندسی ژئوتكنيک نظير پايدارسازی شيب‌ها، سازه‌های نگهبان و … نيز گسترش یافت.

در حال حاضر، دستورالعمل ارائه شده توسط سازمان بزرگراه‌های آمریکا (FHWA) به عنوان یک مرجع قابل قبول، مورد استفاده طراحان و پيمانكاران اجرای ریزشمع می‌گیرد.

دامنه‌‌ی كاربرد

در برخي از پروژه‌ها گذشته از بحث‌های اجرايی و اقتصادی، تأمين باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لايه‌های عميق‌تر مورد نظر بوده و بعد فنی، عامل تعيين‌كننده برای انتخاب طرح می‌باشد. بنابراین در حالت كلي می‌توان گفت استفاده از ریزشمع در تأمين باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لايه‌های عميق‌تر در اغلب موارد مقرون به صرفه بوده و به عنوان يک گزينه مطلوب توسط مهندسان ژئوتكنيک پيشنهاد مي‌گردد. همچنین از این روش در سالیان اخیر جهت پایدارسازی شیب‌ها و گودبرداری‌ها نیز استفاده شده است.

در صورتی‌كه هدف از اجرای ریزشمع تأمين باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لايه‌های عميق‌تر باشد، طول ریزشمع متناسب با ظرفيت باربری لازم محاسبه می‌‍‌شود. در این روش، بررسي چيدمان ريزشمع‌ها در پلان، ظرفیت باربری و محاسبه عمق بهينه آنها، مهمترين عناصر طراحی می‌باشند. بدين ترتيب نظم در چيدمان ريزشمع‌ها باعث توزيع يكنواخت عكس‌العمل تكيه‌گاهي در زير پی ساختمان گرديده و پيكره سازه‌ای پی فوقانی نيز بر اين اساس بصورت همگن و بهينه طرح خواهد گرديد. عوامل مؤثر در طرح چيدمان ریزشمع ها به طور كلي عبارتند از:

موقعيت پی‌ها و ستون‌ها، نحوه‌ی توزيع و مقدار بارهای گسترده و متمركز، پارامترهای مقاومتی و ظرفيت باربری خاك، نفوذپذيری خاک، عمق ريزشمع‌ها و مشخصات هندسي و سازه‌ای پی سازه.

اگرچه اخیراً بکارگیری ریزشمع‌ها جهت پايدارسازی شيب‌ها و ساخت ديواره‌های نگهبان گسترش یافته است، كاربرد اصلی ریزشمع‌های با مقاومت بالا در مهندسي ژئوتكنيک، استفاده به منظور بهسازی بستر پي سازه‌ها می‌باشد. از این رو حوزه استفاده از ریز شمع در زیر فنداسیون‌ها به دو بخش بهسازی در سازه‌های در حال ساخت و ترمیم در سازه‌های ساخته شده و مسئله دار تقسیم می‌گردد که در ذیل به اهداف استفاده از ریز شمع در هریک از این دو حوزه اشاره شده است:

پی سازه‌های موجود

كنترل نشست ‌
افزایش ظرفیت باربری
تعمير يا جايگزينی پی
كنترل شکستگی در پي‌
مقاوم سازی لرزه‌ای

پی سازه‌‌های جدید

كاهش نشست
افزايش باربری فشاری
تامين باربری كششی
افزايش باربری جانبی

استفاده از ریزشمع در زیر پی پل‌

استفاده از ریزشمع جهت پایدارسازی دیواره تونل

کاربرد ریزشمع در زیر دیوار صوتی در بزرگراه‌ها – استفاده از ریزشمع در زیر دیوار حائل

مقاوم‌سازی پایه‌های پل با استفاده از ریزشمع

کاربرد ریزشمع در مقاوم‌سازی پی‌های موجود

کاربرد ریزشمع در زیر سازه‌های موجود

کاربرد ریزشمع در مقاوم‌سازی پی‌های موجود

سطح مقطع ریزشمع 3میلگرد با باربری بالا

میکروپایل چند میلگرد (Multiple bar) با داشتن سطح مقطع قابل توجهی از فولاد می تواند باربری بالا را تامین کرده و می تواند گزینه مناسبی در انتقال بارهای سازهای سنگین به لایه های باربر مفاوم تر باشد. همچنین به علت ظرفیت برشی مناسب تامین شده توسط میلگرد، تحمل برش در پایداری شیروانی ها عملکرد مناسبی دارد.

پایدارسازی شیب در مجاورت خط راه‌آهن با ریزشمع

استفاده از ریزشمع به عنوان سازه نگهبان

استفاده از ریزشمع جهت پایدارسازی دیواره گود

ریزشمع نوین Ischebeck

در این روش عملیات حفاری، نصب و تزریق ریزشمع به صورت همزمان انجام می‌گردد که این امر باعث کاهش هزینه و زمان اجرای پروژه می‌گردد. همچنین به دلیل فشار تزریق بالا در این روش، مقاومت جداره در مقایسه با سایر روش‌های اجرای ریز شمع به مراتب بالاتر بوده که نتایج آزمایش‌های بارگذاری انجام شده گویای این مطلب است. نحوه اجرای نسل جدید ريزشمع به روش اشوبک (Ischebeck) در شکل زير نشان داده شده است.

مهندسین شرکت عمران ایستا در سال 1385 با همکاری و حضور کارشناسان آلمانی و ایتالیایی اولین پروژه با تکنولوژی اشوبک را در پتروشیمی متانول کاوه در بندر دیر به انجام رساندند.

مراحل اجراي ريز شمع به روش نوین Ischebeck

حفاری پس از استقرار دستگاه در محل، عملیات حفاری به روشTop hammer بوسیله رادهای 3 متری که دو سر آن با کنف و گریس پوشانده شده آغاز می‌گردد. در روش Ischebec، عملیات حفاری، نصب و تزریق ریزشمع به طور همزمان انجام می‌گردد که این امر باعث کاهش هزینه و زمان اجرای پروژه می‌گردد. قابل ذکر است که عمليات حفاری توسط روش حفاری Top hammer، در هر نوع خاک و سنگی امکان پذير می‌باشد.
تزریق ساخت دوغاب حفاری و تزريق در همزن‌های اوليه صورت می‌گيرد به این صورت که ابتدا آب به ميزان موردنظر ريخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سيمان (w/c) مورد نياز، سيمان به آن افزوده می‌شود. دوغاب پس از آماده شدن جهت نگهداری، در داخل همزن ثانويه ريخته شده و سپس بوسيله پمپ‌های تزريق مخصوص، عملیات تزريق انجام می‌گیرد.

آزمايش‌های مورد نياز جهت تدقيق فرضيات طراحي

به طور كلي با توجه به كاركرد در نظر گرفته شده برای ریزشمع و به منظور اطمينان از فرض‌های طراحی صورت گرفته، آزمايش‌های مختلفی قابل انجام می‌باشد که در ادامه به تشریح آنها پرداخته می‌شود.

آزمايش بارگذاری فشاری ريزشمع

ریزشمع‌هایی كه حداقل 28 روز از زمان تزريق آن‌ها گذشته باشد، به صورت فشاری با استفاده از جک مخصوصی، بارگذاری می‌شوند. اين آزمايش با استفاده از تير بارگذاری صورت می‌گيرد. با توجه به مشخصات فنی و نقشه‌های اجرايی، بارگذاری در دو مورد از ریزشمع‌های اجرا شده تا رسيدن به بار طراحي و در يک مورد تا رسيدن به بـار نهايی صورت می‌گيرد. در حين انجام آزمايش نيز ریزشمع تا رسيدن به بار آزمايشي بايد بطور كامل قابليت تحمل بارهای اعمال شده را داشته ‌باشد و نشاني از گسيختگي يا تغيير مكان بيشتر از حد استاندارد در آن دیده نشود.

آزمايش بارگذاری کششی ريزشمع

اين آزمايش يا به صورت مستقل و يا با استفاده از ریزشمع هاي بكار رفته به عنوان تامین‌کننده عكس العمل تير تكيه‌گاهی انجام می‌شود. هدف از انجام اين آزمايش بررسی رفتار مقاومتی و شكل‌پذيری كششی ريزشمع می‌باشد.

1-4-3-آزمايش بارگذاری جانبی ريزشمع

اين آزمايش جهت ارزيابي رفتار جانبي ریزشمع‌ها انجام مي‌گردد. در اين آزمايش معمولاً از 2 ريزشمع كنار هم استفاده مي‌شود.

مباني محاسباتي ریزشمع‌

در شرايطي كه ریزشمع‌ها با هدف تحكيم و بهسازی بستر پی سازه‌ها مورد استفاده قرار ‌گيرند، محاسبات فنی ریزشمع‌ها مشابه با محاسبات فني شمع‌های متداول خواهد بود:

کنترل باربری
به طور كلي باربری در 3 بخش زير مورد ارزيابی قرار می‌گيرد.

كنترل باربری سازه‌ای ریزشمع
كنترل باربری ژئوتكنيكی ریزشمع
كنترل برش سوراخ‌كننده

کنترل نشست

بهترين معيار برای تخمين نشست ریزشمع استفاده از نتايج آزمايش بارگذاری می‌باشد. در صورت نبود اطلاعات كافی می‌توان مانند شمع‌های متداول از تئوری‌های الاستيک يا تحكيم استفاده نمود.

مزایای استفاده از ریزشمع

با بررسی وضعيت لايه‌بندي خاک تحت‌الارضي و ميزان بار وارده در زير پي، استفاده از پي‌های عميق نظير شمع (Pile) يا ريزشمع (Micropile)می‌تواند مناسب‌ترين گزینه جهت حل مشكل ظرفيت باربری و نشست سازه روی پی باشد. بکارگیری ریزشمع‌ در مقايسه با استفاده از شمع دارای ويژگی‌های بارزی مي‌باشد كه در ذيل به صورت خلاصه به آن‌ها اشاره مي‌گردد.

جنبه‌‌ی اقتصادي

در اغلب موارد، به‌کارگیری ریزشمع در بهسازی خاک‌ها به دلیل حجم كم مصالح مورد استفاده نظیر فولاد و سيمان، هزينه‌های پایين تجهيز كارگاه، ماشین‌آلات مورد استفاده و نيز حجم بالای نيروی انساني فعال در مدت زمان كوتاه، در مقایسه با شمع‌های متداول، از نظر اقصادی مناسب‌تر بوده و موجب کاهش هزینه‌های بهسازی می‌گردد. ماشين‌آلات اجرای ریزشمع‌ در مقايسه با ماشين‌آلات اجرايی شمع دارای ابعاد و حجم كمتری بوده و لذا علاوه برآنكه دارای قابليت حمل و جابجايی آسان در كارگاه می‌باشند، امكان اجرای عمليات در چند جبهه كاری مختلف را بدون تداخل كاری فراهم می‌نمايند. امکان اجرا در فضاهای محدود و محل‌های مسقف که امکان اجرای شمع در آن‌ها وجود ندارد، از دیگر مزایای ریزشمع است. همچنین با توجه به ابعاد كوچک بدنه‌ی ریزشمع و قطر پایین حفاری، ميزان لرزش و ساير اثرات جانبی بر روی سازه‌های مجاور در مقايسه با اجرای شمع بسیار پایین‌تر خواهد بود.

ویژگی بسیار مهمی که باعث گسترش روزافزون کاربرد ریزشمع شده است، امکان استفاده از آن جهت افزایش ظرفیت باربری در زیر پی‌های سازه‌های موجود می‌باشد و این در حالیست که در چنین مواردی نمی‌توان از شمع‌های قطور بتنی و فولادی استفاده نمود .يكي دیگر از ويژگي های ریزشمع‌ قابليت اجرای بسيار ساده در شرايط وجود آب زيرزمينی است. در مناطقی كه سطح آب زيرزمينی بالا بوده و حفاری‌های قطر بزرگ جهت اجرای شمع‌های بتنی نيازمند پايدارسازی ديواره چاهک‌ها و تخليه آب زيرزمينی و … می‌باشد، اجرای ریزشمع‌ از سطح زمين و تزريق دوغاب سيمان از داخل آن، با سرعت بالا انجام پذيرفته و به علت چگالي و ويسكوزيته بيشتر دوغاب سيمان، آب موجود در گمانه در اثر فشار دوغاب سيمان تخليه و با دوغاب جايگزين می‌گردد. همچنین اجرای شمع‌های قطور بتنی در خاک‌های ریزشی، زمین‌های سنگریزه‌ای و خاک‌های درشت‌دانه با مشکلات زیادی مواجه بوده و بدلیل نیاز به مواردی از قبیل کیسینگ‌گذاری جهت حفاری، زمان‌بر بوده و هزینه بالایی را نیز به پروژه تحمیل می‌کند در حالیکه اجرای ریزشمع در این شرایط به دلیل قطر کوچک و نحوه‌ی اجرای آن براحتی امکان‌پذیر بوده و نسبت به اجرای شمع برتری دارد.

بعد فنی

ریزشمع با توجه به نحوه‌ی اجرای آن و استفاده از دوغاب تحت فشار، موجب افزایش تراکم خاک اطراف شده و این ویژگی باعث می‌شود تا نسبت به شمع درجای بتنی، مقاومت اصطکاکی بیشتری با خاک اطراف داشته باشد و با در نظر گرفتن حجم مصالح به کار رفته جهت اجرای آن، بازدهی باربری بالاتری نسبت به شمع بتنی ارائه دهد. به همین دلیل ریزشمع علیرغم قطر کوچک خود، قادر به تحمل نیروهای قابل توجهی می‌باشد، بگونه‌ای که دستیابی به ظرفیت باربری 200 تن براحتی در ریزشمع‌ها امکان‌پذیر است.

تضمين كيفيت عملكرد

انجام تست بارگذاری ریزشمع‌ با روش‌های ساده و ارزان يكی از مزايای قابل توجه اين روش در مقايسه با اجرای شمع‌های قطور بتنی يا فولادی می‌باشد. با توجه به باربری كمتر ریزشمع‌ها نسبت به شمع‌های قطور و عميق بتنی، انجام تست بارگذاری با استفاده از جک‌های سبک با تامين نيروي عكس العمل تكيه‌گاهي كافي، با دقت بالا و به سادگي امكان‌پذير خواهد بود. در تست بارگذاری، امكان بررسی رفتار ریزشمع، ميزان باربری، نشست‌های الاستيک و تغيير شكل‌های پسماند در حين بارگذاری وجود خواهد داشت. بدين ترتيب ارزيـابی صحت و سقم فرضيات طراحی و در نتیجه تعديل و تغيير طرح با توجه به مشاهده رفتار واقعی و ميزان باربری نهايی آنها در محل، امکان‌پذیر خواهد بود.

مدت زمان اجرا

همان‌گونه كه قبلاً اشاره شد، عملیات ساخت ریزشمع‌ها به دلیل امكان اجرای ریزشمع در چند جبهه‌ی مختلف كاری به صورت پی در پی و همزمان بودن مراحل ساخت، در مقايسه با روش‌های ديگر از سرعت اجرای بسيار بالايی برخوردار خواهد بود. همچنين عدم نياز به امكانات خاص جهت تجهيز و در نتيجه عدم اتلاف وقت جهت آغاز عمليات اجرايی در مقايسه با ساير روش‌ها، از مزيت‌های اين روش به شمار می‌رود.
با توجه به آنچه شرح داده شد می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از ریزشمع در اغلب موارد هزینه و زمان کمتری را به پروژه تحمیل می‌کند. در مجموع مزایای ریزشمع را می‌توان به طور خلاصه بصورت زیر برشمرد: