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:

بهسازی مشخصات مقاومتی خاک توسط مصالح گوناگون

  1. استفاده از اعضای باربر
  2. 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 شالوده ها و ساختمان های موجود به کار گرفته می شد. اما با پیشرفت تجهیزات حفاری و تزریق، به طور گسترده تری مورد استفاده قرار گرفت.

 

ریزشمع (میکروپایل)

ریزشمع (میکروپایل)

 

 

قسمت های مختلف ریزشمع (میکروپایل)

قسمت های مختلف ریزشمع (میکروپایل)

 

 

تاریخچه روش ریزشمع (میکروپایل)

تاریخچه روش ریزشمع (میکروپایل)

در اوایل دهه ۱۹۵۰ 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 ۱۹۷۳ 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:

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

اجرای ریزشمع جهت بهسازی خاک زیر سازه موجود

اجرای ریزشمع جهت بهسازی خاک زیر سازه موجود

 

 

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.

 

 

طراحی ریزشمع

 

روش اجرای ریزشمع (میکروپایل)

دو روش جهت اجرای ریزشمع می توان بیان کرد:

  1. استفاده از ریزشمع های خودحفار – خود تزریق
  2. 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. عملیات حفاری به روش‌های مختلف نظیر حفاری دورانی(Rotary)  و یا دورانی- ضربه‌ای (D.T.H) صورت می پذیرد.

  • لوله‌کوبی: پس از حفاری، لوله های ریزشمع توسط دستگاه های لوله کوب در محل های مشخص شده کوبیده می شود. اولین قطعه به صورت سرنیزه بوده و قطعات بعدی به ترتیب توسط بوشن و جوش کاملا به یکدیگر متصل می شوند. عملیات کوبش تا زمانی که امکان کوبیدن لوله ها میسر باشد ادامه می یابد و اگر در ازای ۳۰ ضربه متوالی لوله‌کوب، لوله بیشتر از ۱۰سانتیمتر 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 ریزشمع در درون گمانه نصب می گردد. لوله های ریزشمع معمولاً در قطعات دو متری و به قطر خارجی ۷۶ میلیمتر و قطر داخلی ۶۸ میلیمتر می باشند. این لوله‌ها به وسیله بوشن و جوش به یکدیگر متصل می‌شوند. هر میکروپایل دارای ۸۰ سوراخ به قطر ۸ میلیمتر، در هر مترطول می باشد. محیط داخلی لوله ها بایستی برقوزده‌ باشد تا در تزریق دوغاب سیمان، اثرات منفی نداشته باشد.

  • تزریق: دستگاه های تزریق از سه بخش میکسر اولیه، میکسر ثانویه و پمپ تزریق تشکیل می گردند. اختلاط در میکسر اولیه از نوع سیستم چرخش سریع آب (circulation) بوده و میکسر ثانویه از نوع پره ای می باشد. ساخت دوغاب تزریق در میکسر اولیه صورت می گیرد بدین صورت که ابتدا آب به میزان مورد نظر در میکسر ریخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سیمان مورد نیاز، سیمان به آن افزوده می شود. زمان حداقل هم زدن دوغاب سیمان، ۳۰ ثانیه می باشد. نسبت آب به سیمان با توجه به مشخصات خاک بین ۰/۵ تا ۱/۵ انتخاب می گردد. جهت نگهداری دوغاب آماده شده در میکسر اولیه، دوغاب در داخل میکسر ثانویه ریخته شده و سپس به وسیله پمپ تزریق می 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 پکر در عمق ۶ متری گمانه بوده و پس از اتمام عملیات تزریق در این عمق، پکر در عمق ۴ متری بسته می شود و پس از اتمام تزریق در این مرحله، پکر در عمق ۲ متری بسته می شود و نهایتاً پس از تزریق در این مرحله، پکر سرچاهی بسته می شود و عملیات تزریق به اتمام می رسد. در صورتیکه نشتی دوغاب از سطح یا میکروپایل های جانبی مشاهده شود، عملیات تزریق متوقف می گردد.

 

مشخصات تزریق

  • فشار تزریق: فشار تزریق در مراحل مختلف تزریق، در اعماق مختلف، تحت تأثیر جنس خاک و شرایط ژئوتکنیکی می تواند متغیر باشد. حداکثر فشار تزریق به ۱۰ اتمسفر محدود می گردد.
  • مقدار سیمان مصرفی: باتوجه به شرایط ژئوتکنیکی و میزان باربری طراحی ریزشمع ها، مقدار سیمان برآوردی معادل هر مترطول میکروپایل (ریزشمع) تا ۱۰۰ کیلوگرم می تواند باشد. البته باتوجه به این امر که باید تزریق تا فشار ۱۰ اتمسفر ادامه یابد، لذا ممکن است مقدار سیمان از برآورد اولیه بیشتر گردد.
  • نسبت آب به سیمان: نسبـت آب به سیمان در دوغــاب تـزریـق مـورد استفـــاده، بیـن ۰/۵ تا ۱/۵ در شرایط عادی و نسبت آب به سیمان دوغاب در شرایط دیگر از ۰/۶۷ تا ۱ می تواند متغیر باشد. قابل ذکر است که نسبت دوغاب در هر بخش به پیشنهاد پیمانکار و تأیید دستگاه نظارت تعیین می گردد.
  • نوع سیمان مصرفی: نوع سیمان مصرفی در ملات تزریق سیمان از نوع سیمان پرتلند تیپ یک، دو و یا پنج است که با توجه به شرایط شیمیایی محل مورد نظر تعیین می گردد.
  • آب مصرفی: آبی که در تهیه دوغاب تزریق به کار می رود، باید تمیز و صاف بوده و دارای کلیه شرایط لازم برای آب مصرفی در ساخت بتن باشد. آب مصرفی بایستی عاری از هر نوع ماده مضر به دوغاب سیمان از قبیل اسیدها، قلیا‌ها، مواد قندی، نمک‌ها و مواد آلی باشد. آب مورد استفاده در ساخت دوغاب تزریق باید دارای ذرات جامد معلق کمتر از ۲/۰ درصد، مواد محلول کمتر از ۳/۵ درصد، کلر کمتر از ۱ درصد، سولفات کمتر از ۰/۳ درصد و مواد قلیایی کمتر از ۰/۰۶ درصد باشد. در حالت کلی آب قابل شرب جهت ساخت دوغاب مناسب می باشد.
  • میلگرد گذاری: در صورت اجرای میکروپایل باربر، جایگذاری میلگرد تسلیح در داخل لوله ریزشمع و نصب ورق سر ریزشمع (فلنج) ضروری می باشد. بدیهی است که میلگرد تسلیح می بایست قبل از گیرش سیمان در داخل گمانه نصب شود. فلنج که به منظور ایجاد اتصال کامل بین ریزشمع و بتن شالوده و همچنین جلوگیری از برش سوراخ کننده سر ریزشمع در داخل بتن پی به کار می رود، می بایست در آخرین مرحله به میلگرد تسلیح ریزشمع جوش شود.

 

روش اجرای ریزشمع (میکروپایل)

روش اجرای ریزشمع (میکروپایل)

 

 

کاربردهای روش ریزشمع (میکروپایل) در بهسازی خاک

کاربردهای روش ریزشمع

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.

 

کاربردهای روش ریزشمع (میکروپایل)

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.

 

ریزشمع منفرد

ریزشمع منفرد

 

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.

 

ریزشمع زنبوری

ریزشمع زنبوری

 

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.

 

 

انواع روش های تزریق در اجرای ریزشمع (میکروپایل)

انواع روش های تزریق در اجرای ریزشمع (میکروپایل)

 

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:

  • آزمایش بارگذاری فشاری میکروپایل
  • آزمایش بارگذاری کششی میکروپایل
  • آزمایش بارگذاری جانبی میکروپایل

 

کنترل کیفیت روش ریزشمع (میکروپایل)

کنترل کیفیت روش ریزشمع (میکروپایل)

 

 

آزمایش بارگذاری ریزشمع (میکروپایل)

آزمایش بارگذاری ریزشمع (میکروپایل)

 

 

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

 

انیمیشن روش ریزشمع یا میکروپایل در بهسازی خاک

(Micropile & Underpinning)

 

 

 

در این زمینه بیشتر مطالعه کنید : 

 

مطالب مرتبط :

آیین نامه های FHWA

Keller , Micropiles