مقاوم‌سازی با میکروپایل

شالوده یا پی در سازه، وظیفه انتقال بارهای ساختمان را به زمین بر عهده دارد. بنابراین وضعیت آن نقش مهمی در ایمنی ساختمان ایفا می‌کند.

زمین‌لرزه‌ها، پدیده روانگرایی، نشست‌ غیرمجاز در خاک پی، تقلیل ظرفیت باربری و … از مواردی هستند که ایمنی شالوده را تهدید می‌کنند. مقاوم‌سازی با میکروپایل یکی از روش‌های بهبود خواص مکانیکی خاک است که سبب می‌شود احتمال آسیب به شالوده در اثر وزن سازه و حرکات مخرب زمین به حداقل برسد. در این مطلب با جزئیات روش مقاوم‌سازی ساختمان یا سازه با میکروپایل آشنا خواهیم‌ شد.

میکروپایل چیست؟

ریز شمع یا micro Pile به المان‌هایی با قطر 10 تا 30 سانتی‌متر گفته می‌شود که به صورت عمودی یا مایل در اطراف شالوده اجرا می‌شوند. مقاوم‌سازی با میکروپایل با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه است. ریزشمع‌ها اعضایی باربر هستند که با نفوذ در عمقی بیش‌تر از عمق شالوده، بارها را به قسمت‌های مقاوم‌تر منتقل ساخته و در مقابل نشست مقاومت می‌کنند.

شمع‌ها را می‌توان به دو صورت جابه‌جا شونده و جایگزین ‌شونده در زمین اجرا کرد. در شکل جابه‌جا‌شونده، شمع‌ها از طریق کوبش یا ارتعاش در زمین اجرا می‌شوند. میکروپایل‌ها گروهی از شمع‌های جایگزین‌شونده هستند که در محل حفاری در اثر تزریق دوغاب سیمان با فشار بالا، معمولا به صورت مسلح اجرا می‌شوند.

کاربرد روش میکروپایل در کجاست؟

در مواقعی که در اطراف شالوده فضای کافی جهت اجرای شمع وجود نداشته باشد، از میکروپایل‌ها به‌منظور افزایش ظرفیت باربری پی استفاده می‌شود. در خاک‌های دانه‌ای نیاز است که از طریق انتقال انرژی جنبشی و ارتعاش، توده خاک را تحکیم و متراکم نمود. انرژی مورد نیاز برای این کار از طریق عملیات کوبش میکروپایل فراهم می‌شود.

روانگرایی پدیده‌ای است که در صورت وقوع آن، مقاومت برشی خاک شدیدا کاهش می‌یابد و نشست‌های نامتقارن بزرگی در پی سازه ایجاد می‌شوند. در پی این اتفاق، ساختمان می‌تواند دچار خسارت‌های گسترده و حتی فروریزش گردد. یکی از روش‌های پایدارسازی خاک در مناطقی که مستعد روانگرایی هستند، مقاوم‌سازی با میکروپایل است.

کاربردهای دیگر میکروپایل عبارتند از:

• بهسازی پی ساختمان‌های جدید و قدیمی
• پایدارسازی شیب زمین
• کنترل باربری پی و افزایش ظرفیت آن
• احداث دیوار نگهبان

نحوه اجرای میکروپایل چگونه است؟

اجرای میکروپایل در چهار مرحله حفاری، لوله‌کوبی، تزریق و مسلح‌سازی صورت می‌گیرد. در این بخش به توضیح مراحل اصلی اجرای میکروپایل می‌پردازیم.

• حفاری

در برخی موارد به دلیل وجود عواملی مثل کف‌سازی، لایه خاک متراکم، بتن مگر و … نمی‌توان لوله‌های میکروپایل را به روش کوبش اجرا کرد. در این شرایط عملیات حفاری باید به روش دورانی و یا دورانی-‌ضربه‌ای اجرا شود. حفاری باید تا عمقی که بتوان از کوبش استفاده کرد، انجام شود و گاهی در کل ارتفاع میکروپایل، حفاری صورت می‌گیرد.

• لوله‌کوبی

در مرحله لوله‌کوبی، ریزشمع‌ها در محل گمانه استقرار می‌یابند. لوله‌های میکروپایل به ترتیب به هم متصل و کوبیده می‌شوند. از بوشن‌های رزوه‌شده و جوشکاری لوله‌ها به لبه بوشن جهت اتصال کامل لوله‌ها به هم استفاده می‌شود. اگر لوله میکروپایل در ازای 30 ضربه متوالی، کمتر از 10 سانتی‌متر در خاک فرو رود، کوبش متوقف شده و پس از حفاری تا عمق طراحی، لوله‌ها درون گمانه نصب می‌شوند.

• تزریق

دوغاب سیمان باید با دقت تهیه و تزریق شود تا در پایان عملیات، خاک اطراف شالوده به اندازه کافی استحکام پیدا کند. معمولا در عملیات تزریق، سیمان‌های پرتلند تیپ 2 یا تیپ 5 با توجه شرایط شیمیایی محل، به کار می‌روند.

تزریق دوغاب باید به وسیله تجهیزات استاندارد، با نسبت آب به سیمان 0.5 تا 1.5 تهیه شود و حداقل 30 ثانیه با میکسر مخصوص هم ‌‌زده شود. سپس دوغاب سیمان با پمپ‌ تزریق مخصوص در محل، تزریق می‌گردد. عملیات تزریق باید با فشار زیاد (حداکثر 10 اتمسفر) انجام شود تا دوغاب سیمان در لایه‌های خاک نفوذ کند.

• مسلح‌سازی و نصب فلنج

در مرحله نهایی باید آرماتورها در داخل لوله میکروپایل جایگذاری شوند. زمان مناسب برای نصب آرماتور، قبل از گیرش سیمان است. در صورت نیاز از جوش دادن فلنج به آرماتور جهت برقراری اتصال کامل بتن فونداسیون و ریزشمع و همچنین جلوگیری از برش پانچ سر میکروپایل در بتن، استفاده می‌شود.

مزایا و معایب روش میکروپایل کدامند؟

مقاوم‌سازی با میکروپایل همچون هر روش تقویتی دیگر، با مزایا و معایبی همراه است. در ادامه نقاط ضعف و قوت این روش را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

مزایا:

کنترل نشست: برخورداری از آماتورها و جدار فولادی ضخیم باعث انتقال و پخش بار به لایه‌های پایینی مقاوم می‌شود. تسلیح عمقی خاک و سختی بالای فولاد، نشست‌پذیری خاک را کاهش می‌دهد.

بهبود مشخصات مکانیکی خاک: تزریق دوغاب سیمان، خواص مکانیکی مطلوب خاک از جمله سختی، تراکم‌پذیری، چسبندگی، ضریب اصطکاک، ظرفیت باربری و مقاومت برشی را افزایش می‌دهد.

کمک به تحکیم و تراکم خاک‌های دانه‌ای از طریق ارتعاش: تراکم خاک‌های دانه‌ای به راحتی صورت نمی‌گیرد و باید با ارتعاش همراه باشد. نحوه اجرا و کوبش ریزشمع‌ها، ارتعاش و انرژی لازم جهت تراکم خاک‌های دانه‌ای را فراهم می‌کند.

هزینه کم: مصالح مورد نیاز برای مقاوم‌سازی با میکروپایل، حجم کمی دارند. پایین بودن هزینه‌های تجهیز کارگاه و کم بودن زمان اجرای پروژه، از دیگر دلایل به‌صرفه بودن این روش است.

اجرای آسان و سریع (حتی در صورت وجود آب زیرزمینی): در این روش امکان اجرای عملیات‌های مختلف بدون ایجاد تداخل کاری فراهم است. همچنین به دلیل کوچک بودن ابعاد و حجم ماشین‌آلات مورد استفاده، به راحتی می‌توان آن‌ها را حمل کرده و به‌ کار گرفت.

معایب:

• میکروپایل‌های عمودی به علت داشتن قطر کم، باربری جانبی و محوری محدودی دارند.
• میکروپایل‌های عمودی در عین داشتن ظرفیت باربری محدود، هزینه اجرایی بالایی دارند.
• مقاوم‌سازی با میکروپایل در زمین آثار باستانی و بناهای تاریخی بدون تمهیدات ویژه، قابل استفاده نیست.

جمع‌بندی

اگرچه مقاوم‌سازی با میکروپایل، مزایای بسیاری برای شالوده سازه‌ها در خاک‌های ضعیف به همراه دارد اما قبل از انجام آن باید به عواملی همچون بودجه و میزان اثربخشی این روش در محیط پروژه توجه کرد. نوع زمین، عمق نفوذ، تعداد ریزشمع‌ها، ماشین‌آلات و مصالح مورد نیاز و … از فاکتورهای اثرگذار بر هزینه اجرای میکروپایل هستند. همچنین برای ارزیابی عملکرد این المان‌ها باید نتیجه آزمایش‌های بارگذاری فشاری، بارگذاری کششی و بارگذاری جانبی را مورد بررسی قرار داد.