شمع کوتاه یا میکروپایل

ایده اجرای میکروپایل ، شمع کوتاه ، در سال ۱۹۵۰به وجود آمد. اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) به تدریج از سال ۱۹۸۰به منظور بهسازی خاک آغاز شد. اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) به منظور تقویت فونداسیون، تکیه گاه فونداسیون ، مقاومت فونداسیون در برابر بارهای لرزه ای و استاتیکی و بهسازی خاک انجام می شود. در ابعاد کوچکتر میکروپایل ( شمع کوتاه ) ، به منظور پایدارسازی گودبرداری و شیب ها توسط پیمانکار گودبرداری اجرا می شود. میکروپایل ، شمع کوتاه ، به طور عمده در پروژه های راهسازی و جهت بهسازی خاک استفاده می شود.

در سال ۱۹۹۳ اداره FHWA استفاده عملی از میکروپایل ( شمع کوتاه ) را مورد بررسی قرار داد. گروه تحقیقاتی در خصوص میکروپایل ، شمع کوتاه ، شامل پیمانکار میکروپایل ، شمع کوتاه ، مشاوران، کارفرمایان و دانشگاهیان بودند. نتیجه این بررسی عملی در خصوص میکروپایل ( شمع کوتاه ) با نام حفاری و تزریق میکروپایل در سال ۱۹۹۷از سوی FHWA انتشار یافت که حاوی بررسی های جامع بین المللی در خصوص میکروپایل ( شمع کوتاه ) ، نتایج دقیق تحقیقات و پروژه های انجام یافته، اطلاعات آزمون های آزمایشگاهی و درجا، روش های طراحی میکروپایل ( شمع کوتاه ) روش های اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) رصد کردن پروژه ها و استفاده از تجربیات پروژه های میکروپایل ( شمع کوتاه ) و نتایج حاصل از نظارت بر فعالین تحت عنوان پیمانکار میکروپایل ( شمع کوتاه ) است. نتایج این مطالعات بر میکروپایل ( شمع کوتاه ) ارزیابی ابهامات و محدودیت های اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) و نیاز به مطالعات گسترده تر می باشد. یکی از مبرم ترین نیازها تهیه نشریه ای حاوی دستورالعمل هایی به منظور طراحی میکروپایل ( شمع کوتاه ) و اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) به منظور استفاده فعالین حوزه اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) تحت عنوان پیمانکار میکروپایل ( شمع کوتاه ) میباشد.

بدین منظور اداره FHWAدر سال ۲۰۰۰نشریه ای با عنوان دستورالعمل طراحی و اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) ( Micropile Design and Construction Guidelines, Implementation Manual) منشر کرد. انتشار این نشریه حاصل تلاش مشترک اداره FHWAو فعالین این حوزه تحت عنوان پیمانکار اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) میباشد. این نشریه حاوی دستورالعمل هایی عملی در خصوص طراحی میکروپایل ( شمع کوتاه ) روش بازرسی ها و آزمایش های دوره ای پروژه های میکروپایل ( شمع کوتاه )، هزینه اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) و انتخاب روش طراحی و اجرای بهینه پروژه های میکروپایل ( شمع کوتاه ) میباشد.

معرفی و تشریح میکروپایل ( شمع کوتاه )

میکروپایل ( شمع کوتاه ) شمعی است معمولا مسلح با قطر کم ( معمولا کمتر از cm ۳۰ ، in ۱۲ ) که محل قرار گیری شمع از پیش حفاری و تزریق ( شمع های بدون جابجایی ) شده است و به منظور بهسازی خاک مورد استفاده قرار میگیرد. روش اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) معمولا شامل حفاری گمانه، قرار گیری آرماتور و سپس تزریق آن میباشد.میکروپایل میتواند نیرو های قابل توجه محوری و تا حدودی نیروهای جانبی را تحمل کند و میتوان از آن بسته به ایده طراحی شکل گرفته بعنوان جایگزینی برای شمع های رانشی متداول یا ستون های از پیش حفاری شده و یا بخشی از سیستم شمع و خاک استفاده کرد. میکروپایل ( شمع کوتاه ) با روشی نصب میشود که معمولا کمترین عوارض را بر خاک، سازه ها و یا محیط اطراف دارد. امکان اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) در پروژه هایی که محدودیت دسترسی دارند و در هر نوع خاک و شرایط زمینی وجود دارد. امکان اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) با هر زاویه ای نسبت به سطح افقی زمین با استفاده از ماشین آلات متداول حفاری و نصب مهاری و تزریق آنها ( نیلینگ و انکراژ ) وجود دارد.

به دلیل اینکه اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) کمترین ارتعاش و عوارض و آلودگی صوتی را بر محیط اطراف دارد لذا به منظور تقویت پی سازه های موجود یا بهساری خاک آنها از این روش استفاده میشود. به منظور اجرای میکروپایل از طبقات زیرین سازه ها و یا اجرای آنها با آلودگی صوتی کمتر نیاز به تدابیر و ماشین آلات ویژه ای است.

بخش عمده ای از بار های وارده بر سیستم شمع های رانشی و یا در جا ریز توسط اسکلت بتنی آنها تحمل میشود. افزایش ظرفیت باربری این شمع ها از طریق افزایش سطح مقطع شمع و یا سطح پیرامونی محقق خواهد شد در حالی که در مقام مقایسه ظرفیت باربری میکروپایل ( شمع کوتاه ) عموما متکی بر مقاومت عناصر فلزی میکروپایل ( شمع کوتاه ) است. در هنگام اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) عناصر سازه ای احتمالا در حدود نصف سطح مقطع گمانه را اشغال خواهند کرد. روشهای ویژه نصب و تزریق اجرای میکروپایل ( شمع کوتاه ) میتواند به بالا بردن مقاومت گیرداری ما بین دوغاب و خاک کمک کند. دوغاب اطراف میکروپایل ( شمع کوتاه ) تنشهای آرماتور تسلیح کننده را از طریق تنشهای اصطکاکی در منطقه گیردار میکروپایل به خاک اطراف آن منتقل میکند که این شیوه انتقال نیرو مشابه انتقال نیرو از مهاری ها ( نیلینگ و انکراژ ) به خاک اطراف است. به دلیل قطر کم این نوع شمع ها از ظرفیت باربری ایجاد شده در انتهای میکروپایل ( شمع کوتاه ) صرفنظر میشود. مقاومت گیرداری میکروپایل ( شمع کوتاه )یا مقاومت باند میکروپایل ( شمع کوتاه ) به جنس لایه خاکی، فشار و روش تزریق و کیفیت و روش حفاری بستگی دارد.

تاریخچه اجرای میکروپایل

روش میکروپایل در ابتدا در سال ۱۹۵۰به دلیل لزوم پایه ریزی شالوده سازه ای تاریخی با روشی نو آورانه که بعد از جنگ جهانی دوم مورد آسیب قرار گرفته بود استفاده شد. یک روش پی ریزی قابل اعتماد به منظور تحمل بارهای سازه ای با کمترین تغییر مکان و امکان اجرای آن در محلی که دسترسی به آن با محدودیت همراه است و بایستی با کمترین عوارض برای سازه موجود همراه باشد مورد نیاز بود. یک شرکت پیمانکار متخصص ایتالیایی به نام Fondedileکه مدیریت فنی آن با Dr.‎ Fernando Lizziبود روش پی ریزی با شمع را اجرا کرد. این روش شامل شمع های تزریق شده، تا حدی مسلح، درجا ریز، پیش حفاری شده و با قطر کم بودند. ترکیب ابتدایی این روش پی ریزی در شکل زیر آمده است.

اگرچه در اروپای بعد از جنگ جهانی دوم کمبود فولاد محسوس بود اما کارگران با مهارت بالا فراوان و ارزان بود. شرایط مذکور کارفرمایان توسعه دهنده این سایتها را به اجرای شمع های در جا ریز و تا حدی مسلح بر پایه واگذاری کار بصورت طراحی و اجرا ترغیب نمود. آزمایشات بارگذاری بر روی این میکروپایل ها ظرفیت بیش از ۴۰۰کیلو نیوتن را نشان داد. بارگذاری مستقیم با مقیاس کامل با هزینه نسبتا پایین انجام میشد، که باعث انتشار اطلاعات ارزشمندی در خصوص آزمونهای بارگذاری شد. در آزمون های آن مقطع هیچ گونه گسیختگی مابین دوغاب و خاک اطراف مشاهده نشد.

استفاده از میکروپایل از سال ۱۹۵۰در ایتالیا گسترش یافت. پیمانکار میکروپایل در آن زمان، شرکت Fondedile ، در سال ۱۹۶۲استفاده از روش بهسازی خاک توسط میکروپایل را به منظور تقویت شالوده های ساختمان های تاریخی در انگلستان را بکار گرفت و از سال ۱۹۶۵روش میکروپایل در آلمان به منظور بهسازی خاک پروژه های حمل و نقل شهری متداول شد. در ابتدا استفاده از روش میکروپایل به منظور بهسازی خاک و تحکیم خاک های پروژه های درون شهری و تقویت پی ریزی ها مورد استفاده قرار گرفت. به تدریج اجرای میکروپایل با اجرای سیستم های سه بعدی میکروپایل هایی در جهات عمودی و مایل که مجموعا شامل سه میکروپایل که به صورت یک سیستم عمل میکردند گسترش یافت. این سیستم ها مجموعه شالوده را در سه جهات جانبی و عمودی مهار میکردند.

اجرای این سیستم میکروپایل عمدتا به منظور پایداری شیب ها، تقویت دیواره های اسکله ها، محافظت از سازه های مدفون و سایر روشهای تسلیح کننده زمین و پایداری سازه ها و بهسازی خاک مورد استفاده بودند. سایر روش های اجرای میکروپایل به منظور بهسازی خاک در آلمان و سوییس ایجاد شدند، و تکنولوژی اجرای این روش ها در غالب اعطای نمایندگی ها و صلاحیت ها گسترش یافت. اجرای روش میکروپایل پس از آن در کشورهای آسیایی به سرعت گسترش یافت.

شرکت پیمانکار میکروپایل، Fondedileاجرای روش میکروپایل به منظور تحکیم و بهسازی خاک را در آمریکای شمالی از سال ۱۹۷۳در غالب تقویت فونداسیون های چندین سازه در بوستون و نیویورک معرفی نمود. اجرای روش میکروپایل به منظور تحکیم و بهسازی خاک در آمریکای شمالی تا اواسط ۱۹۸۰به سرعت گسترش یافت. در آن سال ها فزونی یافتن تجربه های موفق اجرای میکروپایل به منظور بهسازی و تحکیم خاک، افزایش توان پیمانکار ان متخصص در اجرای میکروپایل و افزایش نیاز مالکان و شرکت های مشاور در تقویت فونداسیون های ساختمان های قدیمی در محیط های شهری بر شک و تردید ها در خصوص جایگزینی استفاده از این روش بر سایر روش های تحکیم و بهسازی خاک همچون اجرای شمع های کوبشی و درجاریز بتنی فائق آمد.

طبقه بندی انواع سیستم های میکروپایل

در سال ۱۹۹۷اداره FHWAمجموعه ۴جلدی از روش های اجرایی میکروپایل را ارائه داد. در آن گزارش یک روش طبقه بندی سیستم های میکروپایل ارائه شد. این روش بر دو معیار متکی بود:

فلسفه رفتار میکروپایل، طراحی
روش تزریق میکروپایل، اجرا

فلسفه رفتار میکروپایل، روش طراحی میکروپایل را دیکته میکند. روش تزریق دوغاب سیمانی مقاومت گیرداری بین دوغاب سیمانی و خاک اطراف آن را تعیین میکند که این مقاومت عموماً ظرفیت میکروپایل را تعیین میکند. سیستم طبقه بندی شامل یک نامگذاری دو مؤلفه ای است:

یک شماره که نشان دهنده رفتار میکروپایل است ( طراحی )، ویک حرف، که نشاندهنده روش تزریق است ( اجرا ).

طبقه بندی برنامه های طراحی

طراحی یک میکروپایل بخصوص و یا طراحی گروهی میکروپایل ها بطور کلی با طراحی مشبک میکروپایل ها در شبکه هایی با فضا های نزدیک به هم متفاوت است. این تفاوت ما را به تعریف المان های میکروپایل تیپ ۱که بطور مستقیم بارگذاری میشوند و المان تسلیح کننده میکروپایل نقش عمده در باربری را دارد هدایت میکند.

تیپ اول میکروپایل ها

تیپ ۲المان های میکرو پایل با احاطه کردن خاک و تسلیح داخلی آن بطور نظری باعث بوجود آمدن المان مرکب خاک مسلح میشود که در برابر بارهای وارده مقاومت میکند. به این شبکه از میکروپایل ها، میکروپایل های مشبک اطلاق می شود.