عملیات میکروپایل(Micropile)

میكروپایل به شمع‌های با قطر كوچك (كمتر از 300 میلیمتر) اطلاق می‌گردد كه معمولاً با تسلیح فولادی سبك و تزریق دوغاب سیمان همراه می‌باشند. میكروپایل علاوه برآنكه به عنوان یك المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل می‌كند، بدلیل تزریق دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مكانیكی (مقاومتی و رفتاری) خاك اطراف نیز می‌گردد.
اجرای ریزشمع بدلیل سهولت فراوان اجرایی، امكان اجرا در چند جبهه مختلف كاری و اجرای پی در پی و همزمان كلیه مراحل ساخت، در مقایسه با روشهای دیگر از سرعت بسیار بالایی برخوردار خواهد بود. همچنین عدم نیاز به امكانات خاص برای تجهیز و در نتیجه عدم اتلاف وقت جهت آغاز عملیات اجرایی در مقایسه با سایر روشها، از مزیتهای این روش به حساب می‌آید.

تاریخچه میکروپایل(micropile):

تاریخچه ابداع میكروپایل به اوایل دهه پنجاه میلادی، زمانی كه اروپا با خیل عظیمی از ساختمانهای در معرض خرابی ناشی از صدمات وارده در جنگ جهانی دوم روبرو بوده است، برمی‌گردد. در این دوره ابداع یك روش بهسازی بستر كه علاوه بر كارایی و قابلیت اجرا در بین ساختمانهای تخریب شده، سریع و اقتصادی نیز باشد، بسیار ضروری بود كه در چنین شرایطی ابداع میكروپایل توسط پیمانكار مشهور ایتالیایی صورت پذیرفت كه بدلیل ویژگیهای منحصر به فرد، این روش گسترش فراوانی یافت.

در آغاز استفاده از میكروپایلها تنها در بهسازی بستر ضعیف ساختمانها مورد توجه قرار داشت. لیكن رفته رفته و با توسعه و اجرای این روش در كشورهای مختلف، دامنه كاربرد آنها به دیگر عرصه‌های مهندسی ژئوتكنیك نظیر پایدارسازی شیبها، مقابله با روانگرایی و غیره نیز كشیده شد.

کاربرد میکروپایل (ریزشمع):

در اغلب پروژه ها با توجه به مطالعات ژئوتكنیك انجام شده در ساختگاه و شناسایی لایه‌های تحت‌الارضی، مشخصات ژئوتكنیكی ساختگاه پروژه تعیین می گردد. سپس با انجام تحلیل‌های روانگرایی در اعماق مختلف خاك محل، پتانسیل روانگرایی ساختگاه درصورت وقوع زلزله مورد ارزیابی قرار می گیرد. با وقوع روانگرایی و زائل شدن مقاومت برشی خاك، نشستهای بسیار بزرگی به پی سطحی ساختمان تحمیل می شود كه می‌تواند منجر به آسیب‌دیدگی جدی سازه و عناصر غیرسازه‌ای بنا و نهایتاً تخریب آن گردد. از طرف دیگر در برخی از پروژه ها در بحث فنی، تأمین باربری ستونهای روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر مورد نظر بوده و عامل تعیین كننده برای انتخاب طرح، گذشته از بحث های اجرایی و اقتصادی می باشد. پس در حالت كلی میکروپایل در بعد فنی در دو رویكرد جلوگیری از وقوع روانگرایی و تأمین باربری ستونهای روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر سودمند واقع می شود.

عوامل مؤثر در طرح چیدمان میکروپایل ها:

– موقعیت پی‌ها و ستون‌ها
– مشخصات هندسی و سازه‌ای پی سازه
– نحوه توزیع و مقدار بارهای گسترده و متمركز
– پارامترهای مقاومتی و ظرفیت باربری خاك
– نفوذپذیری خاك
– عمق ریزشمع‌ها

اصلاح و بهسازی خاک:

– پایدارسازی شیبها
– ساخت دیواره های نگهبان
– مقابله با روانگرایی
– افزایش مقاومت توده خاک با اهداف خاص نظیر تونلسازی و غیره
– حفاظت شیمیایی بخشهای مدفون سازه ها

كاربرد میكروپایل در مهندسی ژئوتكنیك:

– استفاده در بستر پی سازه‌ها
– اصلاح و بهسازی برجای خاك

پی سازه های جدید و موجود:

سازه های موجود:
– کنترل نشست پی
– کنترل باربری پی
– تعمیر یا جایگزینی پی
– کنترل شستگی پی
– مقاوم سازی لرزه ای پی
سازه های جدید:
– کاهش نشست
– افزایش باربری فشاری
– تأمین باربری کششی
– افزایش باربری جانبی

مراحل اجرای میکروپایل(micropile):

حفاری

در صورتیكه امكان كوبش لوله‌های میكروپایل از ابتدا به دلایل مختلف نظیر وجود كف‌سازی، بتن مگر، لایه متراكم خاك و غیره میسر نباشد، می‌بایست نسبت به انجام عملیات حفاری اقدام نمود. عملیات حفاری به روش‌های مختلف نظیر حفاری دورانی (Rotary) و یا دورانی- ضربه‌ای (D.T.H) صورت می‌پذیرد. حفـاری می‌بایست تا عمـقی كه امكان كوبش میسر گردد، ادامه یابد. در بعضی اوقات حفاری در كل ارتفاع میكروپایل نیز صورت می‌گیرد.

لوله‌كوبی

به منظور استقرار لوله‌های میكروپایل در محل گمانه، غالباً از عملیات لوله‌كوبی استفاده می‌گردد. برای این منظور در مرحله اول عملیات از لوله نوك‌تیز میكروپایل استفاده می‌شود و پس از فرو رفتن لوله اول، لوله دوم به لوله اول متصل گردیده و كوبیده می‌شود و عملیات‌كوبش به همین منوال ادامه می‌یابد. جهت اتصال كامل لوله‌‌ها به یكدیگر علاوه بر استفاده از بوشن‌های رزوه شده، لوله‌ها به لبه بوشن نیز، جوش داده می‌شوند. عملیات کوبش تا زمانی که امکان کوبیدن لوله ها میسر باشد ادامه می‌یابد و اگر در ازای 30 ضربه متوالی لوله‌كوب، لوله بیشتر از 10سانتی‌متر فرو نرود، عملیات کوبش لوله میکروپایل متوقف می گردد. در این حالت تا تحقق عمق طراحی حفاری انجام شده و سپس لوله های مربوط به میکروپایل در درون گمانه نصب می گردد. لوله های میکروپایل به قطر خارجی 76 میلیمتر و قطر داخلی 68 میلیمتر در قطعات دو متری می‌باشند. این لوله‌ها به وسیله بوشن و جوش به یكدیگر متصل می‌شوند. هر میکروپایل در هر مترطول دارای 80 سوراخ به قطر 8 میلیمتر می باشد. محیط داخلی لوله ها بایستی برقوزده‌ باشد تا در تزریق دوغاب اثرات منفی نداشته باشد.

تزریق

عملیات تزریق دوغاب سیمان بایستی با دقت در بخش ساخت دوغاب و تزریق آن صورت گیرد. مجموعه دستگاههای تزریق از سه بخش میكسر اولیه، میكسر ثانویه و پمپ تزریق تشكیل می‌گردد.اختلاط در میکسر اولیه از نوع سیستم چرخش سریع آب (circulation) می باشد و میکسر ثانویه از نوع پره ای می باشد.
ساخت دوغاب تزریق در همزن های میکسر اولیه صورت می گیرد. ابتدا آب به میزان مورد نظر ریخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سیمان (WCR) مورد نیاز، سیمان به آن افزوده می شود. زمان حداقل هم زدن دوغاب سیمان، 30 ثانیه می باشد. نسبت آب به سیمان مورد استفاده با توجه به شرایط زمین بین 0.5 تا 1.5 مطلوب می باشد. پس از آماده شدن دوغاب، جهت نگهداری، دوغاب در داخل همزن ثانویه ریخته شده و سپس بوسیله پمپ های تزریق مخصوص تزریق می گردد.
به دلیل اینکه دوغاب سیمان باید تحت فشار زیاد در لایه های خاک نفوذ کند، جهت تزریق دوغاب سیمان از یکسری شیلنگ دو جداره به نام پکر(packer) استفاده می شود. پکرها بعد از اینکه به درون لوله میکرو پایل 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.

مشخصات تزریق:

فشار تزریق:

فشار تزریق در مراحل مختلف تزریق، در اعماق مختلف، تحت تاثیر جنس زمین و شرایط ژئوتكنیكی می تواند متغیر باشد. حداكثر فشار تزریق به 10 اتمسفر محدود می گردد.

مقدار سیمان مصرفی:

باتوجه به شرایط ژئوتكنیكی و میزان باربری طراحی ریزشمع ها، مقدار سیمان برآوردی معادل هر مترطول میکروپایل تا 100 كیلوگرم می تواند باشد. البته با توجه به این امر كه باید تزریق تا فشار 10 اتمسفر ادامه یابد، لذا ممكن است مقدار سیمان از برآورد اولیه بیشتر گردد.

نسبت آب به سیمان دوغاب تزریق:

نسبـت آب به سیمان در دوغــاب تـزریـق مـورد استفـــاده، بیـن 0.5 تا 1.5 در شرایط عادی و نسبت آب به سیمان دوغاب در شرایط دیگر از 0.67 تا 1 می تواند متغیر باشد. قابل ذكر است كه نسبت دوغاب در هر بخش به پیشنهاد پیمانكار و تایید دستگاه نظارت تعیین می گردد.

نوع سیمان مصرفی:

نوع سیمان مصرفی در ملات تزریق سیمان از نوع سیمان پرتلند تیپ دو و یا سیمان تیپ پنج با توجه به شرایط شیمیایی محل مورد نظر تعیین می گردد.

آب مصرفی:

آبی كه در تهیه دوغاب تزریق بكارمی‌رود، باید تمیز و صاف بوده و دارای كلیه شرایط لازم برای آب مصرفی در ساخت بتن باشد. آب مصرفی بایستی عاری از هر نوع ماده‌ای از قبیل اسیدها، قلیا‌ها، مواد قندی، نمك‌ها و مواد آلی كه منجربه ایجاد صدمه‌ به بتن می شود، باشد. آب مورد استفاده در ساخت دوغاب تزریق باید دارای ذرات جامد معلق كمتر از 0.2 درصد، مواد محلول كمتر از 3.5 درصد، درصد كلر كمتر از 1 درصد، درصد سولفات كمتر از 0.3 و درصد قلیایی كمتر از 0.06 باشد. در حالت كلی آب قابل شرب جهت ساخت دوغاب مناسب می‌باشد.

تسلیح و نصب فلنج

گام نهایی در اجرای میكروپایل، عملیات جاگذاری آرماتور تسلیح در داخل لوله میكروپایل و نصب فلنج (در صورت نیاز) می‌باشد. بدیهی است كه آرماتور تسلیح می‌بایست قبل از گیرش سیمان، در داخل گمانه نصب شود. فلنج كه به منظور ایجاد اتصال كامل بین میكروپایل و بتن فونداسیون و همچنین جلوگیری از برش پانچ سر میكروپایل در داخل بتن پی بكار می‌رود، می‌بایست در آخرین مرحله به آرماتور تسلیح میكروپایل جوش شود.

مزیت های میکروپایل به شمع درجا اعم از گرد و مستطیلی ( بارت ):

1. مقاومت فشاری

همانگونه که در مورد شمع های کوبیدنی گفته شد در مورد شمع های درجا نیز هر چند که سطح شمع اجرا شده معمولاً دارای پستی و بلندی بیشتری نسبت به شمع کوبیدنی است اما در این مورد هم در ضمن اجرا شمع مشخصات خاک هیچگونه تغییری نکرده و مقاومت اصطکاکی کمی خواهد داشت و همچنین وزن خود شمع عامل مهمی در کاهش ظرفیت باربری آن می باشد. برای مثال در یک شمع درجا که به قطر یک متر و عمق 20 متر در زمین احداث شده است وزن خود شمع حدود 38 تن می باشد که اگر ضریب اصطکاک را برابر 0.5 در نظر بگیریم با در نظر گرفتن ضریب اطمینان 2 حدود 5 متر از طول شمع تنها برای تحمل بار وزن خود شمع لازم است در صورتی که در مورد میکروپایل اولاً به سبب تزریق مواد ضریب اصطکاک خیلی بیشتر است و ثانیاً وزن خود میکروپایل در برابر باربری آن قابل صرف نظر کردن است.

2.مقاومت کششی

هر چند که شمع درجا نسبت به شمع کوبیدنی به سبب ضریب اصطکاک بیشتر از مقاومت کششی بیشتری برخوردار است و همچنین معمولاً وزن این شمع ها از وزن شمع های کوبیدنی بیشتر می باشد که این خود عاملی در جهت افزایش مقاومت شمع در برابر نیروهای کششی می باشد. ولی باز هم در مقایسه با میکروپایل به علت افزایش ضریب اصطکاک میکروپایل تحت تاثیر تزریق سیمان همراه با مواد افزودنی شمع درجا از مقاومت کششی کمی برخوردار بوده و قابل مقایسه با میکروپایل نیست.

3.شرایط اجرا

در مورد شمع ها ی درجا در زمین های نرم به علت ریزشی بودن عملیات حفاری با سختی انجام می گیرد.

4. بعد اقتصادی

باتوجه به این امر كه اجرای میكروپایل مبتنی بر استفاده از حجم كم مصالح مشتمل بر فولاد و سیمان، هزینه‌های پائین تجهیز كارگاه و نیز حجم بالای كار نیروی انسانی در زمان كوتاه میباشد، روش میكروپایل در مقایسه با سایر روشهای بهسازی نظیر اجرای شمع بتنی و غیره كه مبتنی بر استفاده از حجم زیاد مصالح و یا بكارگیری ماشین‌آلات سنگین و گرانقیمت میباشند، اقتصادی تر است.