ریزشمع (میکروپایل)

۱- میکروپایل چیست؟

میکروپایل یک شمع با قطر کوچک همراه با یک تسلیح فولادی سبک است که در آن از تکنیک تزریق دوغاب سیمان استفاده میشود. طبق تعریف آییننامه FHWA میکروپایلها قطر کمتر از 30 سانتیمتر دارند، در حالی که در ایران به طور معمول قطر آنها در حدود 8 تا 15 سانتیمتر است. اجزای سیستم میکروپایل در ایران شامل لوله جداری، آرماتور تسلیح، دوغاب سیمان و فلنج اتصال به پی است. لوله جداری در فواصل مناسب دارای سوراخ بوده که امکان تزریق تحت فشار در داخل خاک را فراهم میکند. شکل 1، اجزای تشکیل دهنده (دیتیل) میکروپایل را نشان میدهد. احداث سیستم میکروپایل نیز شامل مراحل حفاری گمانه، قراردادن لوله جداری در خاک (لوله کوبی)، تزریق دوغاب سیمان، قراردادن آرماتور تسلیح و نصب فلنج اتصال است که در ادامه توضیح داده میشوند. در شکل 2 مراحل اجرای میکروپایل در ایران مشخص است.

۲- تاریخچه میکروپایل

میکروپایل ها در اوایل دهه ۱۹۵۰ در ایتالیا به منظور تقویت پی ساختمان های تاریخی و آثار باستانی، که به مرور زمان و به خصوص در طول جنگ جهانی دوم دچار آسیب شده بودند، ابداع شدند. پیمانکار ایتالیایی به نام فونددیل اولین بار شمعهای ریشه ای را معرفی نمود. این شمعهای درجا ریز کوچک دارای قطر کمی ‌بودند که غالباً با مسلح کننده فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان تقویت شده بودند.

فونددیل در سال ۱۹۶۲ از این روش برای تقویت ساختمانهای تاریخی انگلستان استفاده نمود. همچنین در سال ۱۹۶۵، این روش در سیستم حمل و نقل زیرزمینی درون شهری آلمان مورد استفاده قرار گرفت که پس از آن اصطلاح میکروپایل جایگزین نام شمع ریشه ای گردید.از این میکروپایل ها، برای پایدار سازی شیبها، مسلح کردن دیوارهای ساحلی، حفاظت از سازههای مدفون، مسلح کردن خاک و در سایر روشهای تقویت خاک و سازه استفاده می‌شود.

۳- کاربردها

با توجه به توضیحات ارائه شده در بخش قبل، میتوان کاربرد میکروپایل ها را به طور کلی در دو بخش زیر بیان نمود:

استفاده از میکروپایل به عنوان المان باربر
استفاده از میکروپایل با هدف بهسازی خاک

کاربرد اولیه و اصلی میکروپایل به عنوان المان باربر است. مطالعات زیادی در این زمینه صورت پذیرفته است و روش های طراحی آن نیز در مراجع مختلف موجود است. اما استفاده از میکروپایل ها با هدف بهسازی خاک موضوعی نسبتا جدید است که در طی سالیان اخیر مطرح شده و مطالعات محدود تری بر روی آن انجام شده است. در حال حاضر در ایران، میکروپایل ها در پنج بخش زیر استفاده می شوند:

استفاده به عنوان المان باربر در زیر پی ساختمان های در حال احداث
استفاده به عنوان المان باربر برای ترمیم پی ساختمان های قدیمی نشست کرده و در معرض نشست (مقاوم سازی)
استفاده به عنوان المان باربر در زیر پی سایر روسازه ها (کوله پل ها، مخازن نفت و گاز، دکل های انتقال نیرو و …)
استفاده با هدف بهسازی خاک و افزایش پارامترهای مقاومتی و رفتاری آن
استفاده با هدف بهسازی خاک و مقابله با پدیده روانگرایی

احداث سیستم میکروپایل مزایای ویژهای در مقایسه با سایر روشهای احداث پی و بهسازی خاک دارد که به صورت زیر میتوان آنها را بر شمرد:

۱- به تجهیزات کمتری در مقایسه با تجهیزات احداث شمعهای پیش ساخته یا درجا نیاز دارد.
۲- در زمینهایی که فضای کار محدودی دارند میتواند استفاده شود (به طور مثال در زیرزمین سازههای قدیمی یا در زیر عرشه پلها و …
۳- سرعت اجرایی بالایی دارد.
۴- کار با تجهیزات آن آسان است.
۵- به دلیل انعطافپذیری بالا، میتواند در افزایش ظرفیت باربری پیهای موجود استفاده شود.
۶- به دلیل کمتر بودن میزان صدا، ارتعاش و لرزش حاصل از نصب در محیطهای شهری قابل استفاده است.
۷- انجام آزمایشهای مختلف بر روی آن، مانند آزمایش بارگذاری فشاری، کششی و جانبی آسان است.

۴- مراحل اجرا

روش اجراي ميكروپايل شامل چهار مرحله حفاري ، لوله‌كوبي (کوبش) ، تزريق و تسليح مي‌باشد كه مراحل اجرای آن در زیر تشریح شده است.

۱-۴- حفاری

بصورت کلی لوله های میکروپایل از دو طریق کوبش و یا حفاری جاگذاری می شوند. جاگذاری از طریق کوبش بدلیل اصطکاکی که بین لوله ها و جدار خاک پیرامون آنها ایجاد می شود و تاثیر آن در افزایش فشار تزریق دوغاب سیمان، باعث ارتقا قابل ملاحضه عملکرد باربری میکروپایل ها می شود. جاگذاری از طریق حفاری باعث ایجاد دست خوردگی در لایه های مختلف خاک می شود و می بایست در عمل قطر بیشتری نسبت به قطر خارجی لوله ها حفاری نمود. به همین دلیل صرفا در شرایطی که کوبش لوله میسر نباشد (عمدتا در عمق های زیاد) از عملیات حفاری استفاده می شود. عمليات حفاري به روش‌هاي مختلف نظير حفاري دوراني (Rotary) و يا دوراني- ضربه‌اي (D.T.H) صورت مي‌پذيرد.

۲-۴- لوله‌كوبي

پس از حفاري، لوله هاي میکروپایل در محل هاي مشخص شده و توسط دستگاههاي لوله كوب كوبيده مي شود. لوله قطعه اول به صورت سرنيزه بوده و قطعات بعدي به ترتيب توسط بوشن و جوش كاملا بهم متصل می شوند. عمليات کوبش تا زمانی که امکان کوبيدن لوله ها ميسر باشد ادامه می‌يابد و اگر در ازای ۳۰ ضربه متوالی لوله‌كوب ، لوله بيشتر از ۱۰سانتي‌متر فرو نرود، عمليات کوبش لوله میکروپایل متوقف میگردد. در اين حالت تا تحقق عمق طراحي حفاري انجام شده و سپس لوله هاي مربوط به ريزشمع در درون گمانه نصب ميگردد.

لوله هاي میکروپایل به قطر خارجي ۷۶ ميليمتر و قطر داخلي ۶۸ ميليمتر در قطعات دو متري مي‌باشند. اين لوله‌ها به وسيله بوشن و جوش به يكديگر متصل مي‌شوند. هر میکروپایل داراي ۸۰ سوراخ به قطر ۸ ميليمتر ، در هر مترطول مي باشد . محيط داخلي لوله ها بايستي برقوزده‌ باشد تا در تزريق دوغاب اثرات منفي نداشته باشد.

۳-۴- تزریق

دستگاههای تزريق از سه بخش ميكسر اوليه، ميكسر ثانويه و پمپ تزريق تشكيل مي‌گردد . اختلاط در میکسر اولیه از نوع سیستم چرخش سریع آب (circulation) بوده و میکسر ثانویه از نوع پره ای می باشد . ساخت دوغاب تزريق در میکسر اولیه صورت میگیرد بدین صورت که ابتدا آب به ميزان مورد نظر در میکسر ريخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سيمان مورد نياز، سيمان به آن افزوده مي شود.

۴-۴- تسليح و نصب فلنج

در صورت اجرای میکروپایل باربر، جاگذاری آرماتور تسليح در داخل لوله ميكروپايل و نصب فلنج ضروری مي‌باشد. بديهي است كه آرماتور تسليح مي‌بايست قبل از گيرش سيمان در داخل گمانه نصب شود. فلنج كه به منظور ايجاد اتصال كامل بين ميكروپايل و بتن فونداسيون و همچنين جلوگيري از برش سوراخ کننده سر ميكروپايل در داخل بتن پي بكار مي‌رود، مي‌بايست در آخرين مرحله به آرماتور تسليح ميكروپايل جوش شود. حداکثر اندازه قطر میلگرد تسلیح در روش میکروپایل بر اساس قطر لوله استفاده شده تعیین می گردد و بطور متداول بین ۲۰ تا ۳۲ میلیمتر می باشد.

۵- کنترل کیفیت عملکرد

برای اطمینان از اینکه میکروپایل ها قابلیت تحمل بار طراحی در نظر گرفته شده را بدون جابجایی اضافی و با ضریب اطمینان کافی در طول عمر خدمت خود دارا می‌باشند، آزمایش بارگذاری صحرایی بر روی میکروپایل ها انجام می‌گیرد. علاوه بر آن با استفاده از این تستها امکان کنترل عملکرد پیمانکار در حین اجرا و پس از عملیات حفاری، نصب و تزریق وجود خواهد داشت.
در تمامی‌آزمایشهای بارگذاری مقاصد زیر مد نظر می باشند: رسیدن به یک بار ماکزیمم از پیش تعیین شده؛ رسیدن به جابجایی محوری از پیش تعیین شده؛ رسیدن به آستانه خزش از پیش تعیین شده؛

آزمایشهای بارگذاری به ۴ دسته کلی تقسیم می‌شوند:

آزمایش نهایی، آزمایش تأیید، آزمایش اثبات، آزمایش خزش