ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)

به شمع های با قطر کمتر از ۳۰ سانتیمتر که با تسلیح فولادی (میلگرد گذاری) و تزریق همراه است ریزشمع یا میکروپایل اطلاق می گردد. در بهسازی خاک ها دو رویکرد اصلی وجود دارد:

استفاده از اعضای باربر

بهسازی مشخصات مقاومتی خاک توسط مصالح گوناگون

میلگرد فولادی مزیت اول و تزریق مزیت دوم را در بر دارد.

اجرای ریزشمع ها سه مرحله اصلی دارد:

“لوله کوبی”یا “حفاری و لوله گذاری”
تزریق
تسلیح

ریزشمع ابتدا برای ترمیم پی ها (شالوده یا فونداسیون) و ساختمان های موجود به کار گرفته می شد. اما با پیشرفت تجهیزات حفاری و تزریق، به طور گسترده تری مورد استفاده قرار گرفت.

تاریخچه روش ریزشمع (میکروپایل)

در اوایل دهه 1950 که نیاز به ترمیم سازه های آسیب دیده جنگ جهانی دوم در اروپا احساس می شد، پیمانکار مشهور ایتالیایی Fondedile به همراه دکتر Fernando Lizzi ریزشمع را ابداع کردند. با توجه به:

سرعت اجرا
قابلیت اجرا در ساختمان های آسیب دیده
کارایی مناسب

این روش به سرعت در ایتالیا گسترش یافت.

Fondedile در سال ۱۹۶۲ با ترمیم چند ساختمان تاریخی در انگلستان و در سال ۱۹۶۵ با بهسازی پروژه های حمل و نقل در آلمان، این روش را گسترش داد. در سال 1973 با اصلاح سازه هایی در نیویورک و بوستون، این روش به آمریکای شمالی نیز معرفی گردید.

بعد از گسترش ریزشمع، کشورهای مختلف آیین نامه هایی جهت طراحی و اجرای میکروپایل تنظیم کردند. 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.

مبانی طراحی روش ریزشمع (میکروپایل)

مبانی طراحی ریزشمع بستگی به هدف استفاده از آن دارد. در صورتی که هدف از اجرای ریزشمع بهسازی خاک باشد، می بایست در طراحی همانند شمع ها ۳ مسئله مورد نظر قرار گیرد:

طراحی سازه‌ ای (Structural Design)
طراحی ژئوتکنیکی (Geotechnical Design)
کنترل برش سوراخ کننده یا برش پانج (Cone Shear Control)

در طراحی سازه ای، ظرفیت باربری اعضای سازه ای ریزشمع مشتمل بر:

لوله فولادی
میلگرد تسلیح
دوغاب سیمان

محاسبه می شود. این ظرفیت می بایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده به ریزشمع باشد. در طراحی 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 ریزشمع از خاک، قبل از وقوع تسلیم عوامل مسلح کننده میسر نگردد.

در نهایت، با توجه به بار زیاد و قطر کم ریزشمع ها جهت جلوگیری از برش سوراخ کننده (برش پانچ)، ورق مناسب سر ریزشمع طراحی می گردد.

روش اجرای ریزشمع (میکروپایل)

دو روش جهت اجرای ریزشمع می توان بیان کرد:

استفاده از ریزشمع های خودحفار – خود تزریق
روش مرسوم: این روش مشتمل بر ۴ مرحله زیر می باشد:

حفاری (در صورت نیاز): به طور کلی لوله های ریزشمع از طریق کوبش یا حفاری جایگذاری می شوند:

۱) جایگذاری از طریق کوبش به دلیل 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 ملاحظه عملکرد باربری ریزشمع ها می شود.

۲) جایگذاری 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 صرفاً در شرایطی که کوبش لوله میسر نباشد (عمدتاً در عمق های زیاد و خاک های سفت) از عملیات حفاری استفاده می شود. عمليات حفاري به روش‌هاي مختلف نظير حفاري دوراني(Rotary) و يا دوراني- ضربه‌اي (D.T.H) صورت مي پذيرد.

لوله‌کوبی: پس از حفاري، لوله هاي ریزشمع توسط دستگاه هاي لوله كوب در محل هاي مشخص شده كوبيده مي شود. اولین قطعه به صورت سرنيزه بوده و قطعات بعدي به ترتيب توسط بوشن و جوش كاملا به یکدیگر متصل می شوند. عمليات کوبش تا زمانی که امکان کوبيدن لوله ها ميسر باشد ادامه می يابد و اگر در ازای ۳۰ ضربه متوالی لوله‌كوب، لوله بيشتر از ۱۰سانتيمتر فرو نرود، عمليات کوبش لوله میکروپایل متوقف می گردد.

در اين حالت تا تحقق عمق طراحي، حفاري انجام شده و سپس لوله هاي مربوط به ريزشمع در درون گمانه نصب مي گردد. لوله هاي ریزشمع معمولاً در قطعات دو متري و به قطر خارجي ۷۶ ميليمتر و قطر داخلي ۶۸ ميليمتر مي باشند. 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 سیمان، اثرات منفي نداشته باشد.

تزریق: دستگاه های تزريق از سه بخش ميكسر اوليه، ميكسر ثانويه و پمپ تزريق تشكيل مي گردند. 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 می گیرد 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. زمان حداقل هم زدن دوغاب سيمان، ۳۰ ثانيه مي باشد. نسبت آب به سيمان با توجه به مشخصات خاک بين ۰/۵ تا ۱/۵ انتخاب می گردد. جهت نگهداری دوغاب آماده شده در میکسر اولیه، دوغاب در داخل میکسر ثانويه ريخته شده و سپس به وسيله پمپ تزريق مي گردد. جهت تزریق دوغاب در لوله های ریزشمع از شیلنگ هایی به نام پکر استفاده می گردد. هنگام تزریق، پکر به جداره لوله می چسبد و مانع از خروج دوغاب می شود.

به عنوان نمونه جهت بستن پکر برای ریزشمع ۸ تا ۱۰ متری: مرحله اول بستن پكر در عمق ۶ متري گمانه بوده و پس از اتمام عمليات تزريق در این عمق، پكر در عمق ۴ متري بسته مي شود و پس از اتمام تزريق در اين مرحله، پكر در عمق ۲ متري بسته مي شود و نهايتاً پس از تزريق در اين مرحله، پكر سرچاهي بسته مي شود و عمليات تزريق به اتمام مي رسد. در صورتيكه نشتي دوغاب از سطح يا میکروپایل هاي جانبي مشاهده شود، عمليات تزريق متوقف مي گردد.

مشخصات تزریق

فشار تزريق: فشار تزريق در مراحل مختلف تزريق، در اعماق مختلف، تحت تأثير جنس خاک و شرايط ژئوتكنيكي مي تواند متغير باشد. حداكثر فشار تزريق به ۱۰ اتمسفر محدود مي گردد.
مقدار سيمان مصرفی: باتوجه به شرايط ژئوتكنيكي و ميزان باربري طراحي ريزشمع ها، مقدار سيمان برآوردي معادل هر مترطول میکروپایل (ریزشمع) تا ۱۰۰ كيلوگرم مي تواند باشد. البته باتوجه به اين امر كه بايد تزريق تا فشار ۱۰ اتمسفر ادامه يابد، لذا ممكن است مقدار سيمان از برآورد اوليه بيشتر گردد.
نسبت آب به سيمان: نسبـت آب به سيمان در دوغــاب تـزريـق مـورد استفـــاده، بيـن ۰/۵ تا ۱/۵ در شرايط عادي و نسبت آب به سيمان دوغاب در شرايط ديگر از ۰/۶۷ تا ۱ مي تواند متغير باشد. قابل ذكر است كه نسبت دوغاب در هر بخش به پيشنهاد پيمانكار و تأييد دستگاه نظارت تعيين مي گردد.
نوع سيمان مصرفی: نوع سيمان مصرفي در ملات تزريق سيمان از نوع سيمان پرتلند تيپ یک، دو و يا پنج است که با توجه به شرايط شيميايي محل مورد نظر تعيين مي گردد. آب مصرفی: آبي كه در تهيه دوغاب تزريق به كار مي رود، بايد تميز و صاف بوده و داراي كليه شرايط لازم براي آب مصرفي در ساخت بتن باشد.
آب مصرفي بايستي عاري از هر نوع ماده مضر به دوغاب سیمان از قبيل اسيدها، قليا‌ها، مواد قندي، نمك‌ها و مواد آلي باشد. آب مورد استفاده در ساخت دوغاب تزريق بايد داراي ذرات جامد معلق كمتر از ۲/۰ درصد، مواد محلول كمتر از ۳/۵ درصد، كلر كمتر از ۱ درصد، سولفات كمتر از ۰/۳ درصد و مواد قليايي كمتر از ۰/۰۶ درصد باشد. در حالت كلي آب قابل شرب جهت ساخت دوغاب مناسب مي باشد.
میلگرد گذاری: در صورت اجرای میکروپایل باربر، جایگذاری میلگرد تسليح در داخل لوله ریزشمع و نصب ورق سر ریزشمع (فلنج) ضروری مي باشد. بديهي است كه میلگرد تسليح مي بايست قبل از گيرش سيمان در داخل گمانه نصب شود. فلنج كه به منظور ايجاد اتصال كامل بين ریزشمع و بتن شالوده و همچنين جلوگيري از برش سوراخ کننده سر ریزشمع در داخل بتن پي به كار مي رود، مي بايست در آخرين مرحله به میلگرد تسليح ریزشمع جوش شود.

در مجامع تخصصی جهان تحقیقات گسترده ای بر روی ریزشمع انجام گرفته است و همچنان روز به روز در حال افزایش است. برسی جنبه های مختلف ریزشمع، از جمله رفتار:

استاتیکی
دینامیکی
لرزه‌ای

ریزشمع انجام گرفته و می گیرد.

ضمناً به طور کلی کاربرد ریزشمع ها در مهندسی ژئوتکنیک مشتمل بر دو بخش:

استفاده در بستر پی سازه‌ها

اصلاح و بهسازی برجای خاک

می باشد. بعضی از کاربردهای ریزشمع ها:

استفاده به عنوان عضو باربر در زیر پی ساختمان ها
استفاده به عنوان عضو باربر برای ترمیم پی ساختمان های قدیمی
استفاده به عنوان عضو باربر در زیر پی سایر روسازه ها (کوله پل ها، مخازن نفت و گاز و…)
استفاده با هدف بهسازی خاک و افزایش مشخصات مقاومتی و رفتاری آن
استفاده با هدف بهسازی خاک و مقابله با پدیده روانگرایی

طبقه بندی ریزشمع (میکروپایل)

تقسیم بندی ریزشمع ها بر اساس دو معیار زیر صورت می گیرد:

الف ) نحوه طراحی:

طراحی ریزشمع منفرد یا گروه ریزشمع، با طراحی ریزشمع های زنبوری بسیار متفاوت است. این امر سبب شده است تا دو دسته طراحی برای ریزشمع ها تعریف شود. در دسته اول، میکروپایل ها مستقیما بارگذاری شده و مسلح کننده ها قسمت اعظم بار اعمالی را تحمل می نمایند.

در دسته دوم، میکروپایل ها به صورت شبکه ای درون خاک قرار گرفته و ایجاد یک سیستم ترکیبی خاک مسلح می نمایند که بارهای اعمالی را تحمل می نماید. این سیستم ترکیبی همان شبکه میکروپایل های زنبوری می باشد.

در دسته اول، ریزشمع ها به عنوان جایگزین شمع های سنتی برای انتقال بار سازه به لایه های مقاوم زیرین استفاده می شوند. این ریزشمع ها به گونه ای طراحی می شوند که عملکرد منفرد داشته باشند حتی اگر به صورت گروهی اجرا شوند.

در دسته دوم ریزشمع ها دارای تقویت سبک تر می باشند زیرا مسلح کننده ها، مانند دسته اول مستقیما تحت بارگذاری قرار نمی گیرند و این توده خاک و شمع است که بارهای اعمالی را تحمل می نماید.

علاوه بر این دو دسته، نوع دیگری از ریزشمع ها در ایران استفاده می شود که به ریزشمع تحکیمی معروف است. ریزشمع تحکیمی از لحاظ فلسفه رفتاری شبیه ریزشمع های شبکه ای است با این تفاوت که در آن از میلگرد تسلیح استفاده نمی شود. تزریق دوغاب سیمان بخش اصلی ریزشمع تحکیمی است که با استفاده از آن مشخصات مقاومتی و رفتاری خاک افزایش پیدا می کند.

ب)روش اجرا:

روش تزریق، مهمترین عامل تاثیرگذار بر مقاومت بخش گیردار (باند) بین خاک و دوغاب می باشد. به گونه ای که مقاومت بخش گیردار به طور مستقیم با تغییر روش تزریق، تغییر می نماید. معیار طبقه بندی، روش تزریق و فشار آن می باشد و استفاده از غلاف و میلگرد تقویت، تعیین کننده زیربخش های این طبقه بندی می باشد. در این طبقه بندی ریزشمع ها به ۴ دسته تقسیم می شوند:

نوع A: در این روش، دوغاب تحت وزن خودش و بدون فشار در محل تزریق می گردد.

نوع B: در این روش، دوغاب سیمان پس از خارج شدن غلاف فولادی حفاری از گمانه، تحت فشار به داخل گمانه تزریق می شود. فشار تزریق معمولا بین ۰/۵ تا ۱ مگاپاسکال تغییر می کند و بایستی به گونه ای باشد که مانع از شکست هیدرولیکی گردد.

نوع C: این روش یک فرآیند دو مرحله ای را نشان می دهد که در آن ابتدا دوغاب سیمان تحت وزن خودش در داخل گمانه قرار می گیرد (همانند نوع A) سپس قبل از سخت شدن دوغاب اولیه (بعد از حدود ۱۵ تا ۲۵ دقیقه)، همان نوع دوغاب از طریق لوله های تزریق مشبک و بدون استفاده از پکر، در محل تماس دوغاب با زمین و در فشار حداقل ۱ مگاپاسکال تزریق می شود. این نوع ریزشمع فقط در فرانسه استفاده می شود.

نوع D: این روش اجرا شبیه نوع C است که ابتدا دوغاب سیمان تحت وزن خودش مانند نوع A و C و یا تحت فشار، مانند نوع B در گمانه قرار می گیرد. بعد از سخت شدن دوغاب اولیه، دوغاب بعدی از طریق لوله های تزریق مشبک تحت فشار ۲ تا ۸ مگاپاسکال تزریق می شود. در این روش از پکر استفاده می شود تا در صورت نیاز بتوان سطوح خاص را چندین مرتبه اصلاح نمود.

کنترل کیفیت روش ریزشمع (میکروپایل)

بسته به هدف از اجرای ریزشمع آزمایش های کنترل کیفی مختلفی را می توان برای این روش تعریف کرد که برخی از آن ها عبارتند از:

مزایای روش ریزشمع (میکروپایل)

سرعت اجرایی بالا
نیاز به تجهیزات کمتر در مقایسه با تجهیزات احداث شمع های پیش ساخته یا درجا
عدم نیاز به تخصص خاص جهت استفاده از تجهیزات
امکان استفاده در پروژه های با فضای محدود (به طور مثال در زیرزمین سازه های قدیمی یا در زیر عرشه پل ها و …)
امکان افزایش ظرفیت باربری پی های موجود به دلیل انعطاف پذیری بالا
امکان استفاده در محیط های شهری به دلیل کم بودن آلودگی صوتی
آسان بودن آزمایش های کنترل کیفی