بازنگری‌شده چالش‌های فنی، اجرایی و رفتارنگاری گود

بررسی ۵ چالش فنی و اجرایی گود برداری عمیق

در گودبرداری‌های عمیق شهری، کنترل تغییرشکل جانبی دیواره، نشست و دوران شالوده ساختمان‌های مجاور از مهم‌ترین چالش‌های ژئوتکنیکی است. انتخاب سیستم سازه نگهبان باید با توجه به شرایط خاک، محدودیت‌های اجرایی، سختی دیوار، آرایش مهارها و برهم‌کنش خاک و سازه انجام شود. تحلیل عددی، بررسی توالی مراحل گودبرداری و رفتارنگاری مستمر با ابزار دقیق، نقش کلیدی در ارزیابی عملکرد سازه نگهبان، کنترل تغییرشکل‌ها و تأمین ایمنی گود و ساختمان‌های مجاور دارند.

چالش ۱: نشست شالوده همسایه، دوران پی  و صلبیت دیوار

در گودبرداری‌های شهری، تغییرشکل جانبی دیوار نگهدارنده موجب حرکت خاک پشت گود و ایجاد نشست در شالوده ساختمان‌های مجاور می‌شود. نشست غیریکنواخت شالوده می‌تواند باعث دوران پی به سمت گود و در نتیجه افزایش احتمال ترک‌خوردگی و آسیب سازه‌ای شود. ازاین‌رو، کنترل نشست مطلق و نسبی و دوران پی از معیارهای اصلی ارزیابی وضعیت حد خدمت‌پذیری است.

نوع و سختی خمشی دیوار (EI)  نقش مهمی در کنترل تغییرشکل و نشست زمین دارند. دیوارهای انعطاف‌پذیر، مانند Soldier Pile و Sheet Pile، معمولاً تغییرشکل و نشست بیشتری در خاک پشت گود ایجاد می‌کنند. در مقابل، دیوارهای صلب‌تر، مانند دیوار شمع‌های درجا و دیوار دیافراگمی، به‌طور معمول با محدودکردن جابه‌جایی جانبی، عملکرد مناسب‌تری در کنترل نشست و دوران پی دارند. بااین‌حال، میزان این تأثیر به شرایط ژئوتکنیکی، عمق گیرداری دیوار، سیستم مهاربندی و توالی گودبرداری وابسته است.

افزایش سختی خمشی دیوار معمولاً موجب کاهش نشست خاک پشت گود می‌شود؛ اما این رابطه خطی نیست و پس از رسیدن به محدوده‌ای از سختی، اثر افزایش بیشتر صلبیت بر کاهش نشست محدودتر می‌شود. بنابراین، انتخاب دیوار باید با توجه به تغییرشکل مجاز و حساسیت ساختمان‌های مجاور انجام شود، نه صرفاً بر مبنای افزایش سختی سازه نگهبان.

همچنین، تراز نصب نخستین انکر یا استرات بر رفتار دیوار تأثیرگذار است. اجرای مهار در تراز بالاتر، ارتفاع آزاد دیوار در مرحله طره‌ای را کاهش می‌دهد و می‌تواند تغییرشکل و نشست زمین را محدود کند؛ بااین‌حال، ممکن است محل وقوع حداکثر نشست را به فاصله دورتری از دیوار منتقل کند. ازاین‌رو، آرایش مهارها باید با توجه به توزیع تغییرشکل‌ها و موقعیت شالوده‌های مجاور تعیین شود.

پایدارسازی گودهای عمیق بیشتر بخوانید.

چالش 2: عدم اجازه همسایه جهت حفر انکر یا حضور گالری‌های تأسیساتی

در پروژه‌هایی که به‌دلیل محدودیت‌های ملکی، وجود تأسیسات زیرزمینی یا احتمال تداخل با گودبرداری‌های مجاور، امکان اجرای انکر در خارج از محدوده زمین پروژه وجود ندارد، می‌توان از سیستم‌های مهار داخلی استفاده کرد. یکی از راهکارهای قابل بررسی، ترکیب دیوار شمعی بتن‌آرمه با نوارهای دال بتنی و شمع‌های پشت‌بند است.

در این روش، نوارهای دال بتنی در ترازهای مناسب زیرزمین و هم‌زمان با پیشرفت گودبرداری اجرا می‌شوند و با عملکرد به‌عنوان اعضای افقی انتقال‌دهنده نیرو، رانش جانبی دیواره را به شمع‌های پشت‌بند واقع در محدوده پروژه منتقل می‌کنند. در صورت نیاز، می‌توان از میکروشمع‌ها یا اعضای قائم فولادی برای تأمین تکیه‌گاه موقت نوارهای دال در مراحل اجرا استفاده کرد.

طراحی این سیستم باید با در نظر گرفتن توالی گودبرداری، سختی اعضا، نحوه اتصال دال به دیوار و پشت‌بندها و سازگاری تغییرشکل اجزای مختلف انجام شود. به‌دلیل ماهیت سه‌بعدی انتقال بار، تحلیل عددی سه‌بعدی می‌تواند برای ارزیابی رفتار سیستم و تعیین نیروهای داخلی و تغییرشکل‌ها ضروری باشد.

در مقایسه با انکرهای پیش‌تنیده، سیستم‌های مهار داخلی غیرفعال معمولاً برای بسیج مقاومت خود به مقداری تغییرشکل نیاز دارند؛ بنابراین، کنترل تغییرشکل دیواره و پایش رفتار سازه‌های مجاور باید از مراحل اصلی طراحی و اجرای این روش باشند.

پلان محدودیت‌های مجاورت و حریم گود

پلان مهندسی جانمایی سیستم مهاربندی

دیوارهای شمع درجا و نوارهای دال بتنی متکی واقع بر ریزشمع‌های با مقطع HEB200 و پشت‌بندها

چالش 3: دیوارهای ترکیبی

مطالعه موردی: بررسی نقش نیل‌های تراز بالا در سیستم ترکیبی سازه نگهبان، پروژه 8th Avenue سیاتل (Mun & Oh, 2017)

در پروژه8th Avenue  سیاتل، گودبرداری به عمق حدود ۲۱ متر برای احداث پنج طبقه پارکینگ زیرزمینی یک برج ۳۹ طبقه انجام شد. مجاورت گود با کوچه‌ای به عرض حدود ۵ متر و ساختمان مرتفع Qwest  با شالوده گسترده و فشار وارده حدود ۴۸۰ کیلوپاسکال، در کنار وجود کانال‌ها و حوضچه‌های اصلی برق و مخابرات در عمق ۰ تا ۷ متری کوچه، چالش‌های اصلی پروژه بودند. با توجه به هزینه بالای جابه‌جایی تأسیسات، سیستم نگهدارنده باید ضمن حفظ آن‌ها، تغییرمکان دیوار را به کمتر از ۲۵ میلی‌متر محدود می‌کرد.

سیستم اجراشده شامل سولجر پایل‌های فولادی با فاصله 4/2 متر، نیلینگ متراکم در ترازهای بالایی و چهار تا پنج ردیف انکر پیش‌تنیده مایل در ترازهای پایین بود. پس از اجرای پروژه، داده‌های ابزار دقیق، شامل کرنش‌سنج‌های نیل‌ها و انکومترها، با نتایج تحلیل اجزای محدود سه‌بعدی در PLAXIS 3D Foundation مقایسه شدند. تحلیل‌های پارامتری نشان دادند که حذف نیل‌های واقع در هفت متر بالایی از مدل، تنها افزایش اندکی در جابه‌جایی جانبی تاج دیوار ایجاد می‌کند و تغییرمکان همچنان در محدوده مجاز پروژه باقی می‌ماند. این نتیجه بیانگر سهم محدود این نیل‌ها در کنترل تغییرشکل کلی دیوار بود.

بر اساس تفسیر ارائه‌شده در مطالعه، عرض محدود فضای بین گود و ساختمان مجاور، امکان تشکیل کامل سطح گسیختگی در پشت دیوار را محدود کرده بود. در نتیجه، توده خاک محصور و نیل‌های واقع در آن تا حد زیادی به‌صورت یکپارچه حرکت می‌کردند و لغزش نسبی کافی برای بسیج اصطکاک جداره نیل‌ها ایجاد نمی‌شد؛ بنابراین، نیروی کششی mobilized در نیل‌های بالایی محدود باقی می‌ماند. بااین‌حال، این نیل‌ها در مهار موضعی دیواره طی مراحل اولیه گودبرداری، پیش از رسیدن به تراز نخستین انکر، نقش اجرایی داشتند. در این پروژه، سیستم ترکیبی امکان حفظ تأسیسات موجود و اجتناب از هزینه جابه‌جایی آن‌ها را فراهم کرد. این مطالعه نشان می‌دهد که ارزیابی نقش هر ردیف مهار باید با توجه به هندسه فضای پشت دیوار، امکان تشکیل سطوح گسیختگی، لغزش نسبی خاک و مهار و توالی مراحل اجرا انجام شود؛ بنابراین، حذف نیل‌های تراز بالا تنها پس از بررسی و تحلیل شرایط اختصاصی پروژه قابل ارزیابی است.

مقطع عرضی گودبرداری ۲۱ متری، کوچه ۵ متری، حوضچه‌های تأسیسات شهری (Utility Vault)، آرایش نیلینگ متراکم در ۰ تا ۷ متری، انکرهای مایل در پایین، و شالوده ساختمان همسایه

چهار روش مهاربندی بررسی‌شده در پروژه

در گودبرداری‌های عمیق، خاک‌های سست و ضعیف می‌توانند موجب نشست ساختمان‌های مجاور و ناپایداری دیواره گود شوند. اجرای اصولی بهسازی خاک با روش‌هایی مانند جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک، به افزایش مقاومت زمین، کنترل تغییرشکل‌ها و بهبود ایمنی سازه نگهبان کمک می‌کند.

چالش 4: برهم‌کنش دیوارهای دو طبقه‌ای/پله‌ای

بررسی برهم‌کنش دیوارهای پله‌ای و راهکارهای اجرایی، پروژه کوالالامپور (Lee, 2020)

در پروژه مرجع کوالالامپور، سازه نگهبان فوقانی به ارتفاع حدود ۷ متر، شامل دو بخش با سیستم‌های متفاوت بود: بخش A با دیوار نیلینگ و روکش شاتکریت و بخش B با دیوار شیت‌پایل مهارشده با انکرهای پیش‌تنیده. در تراز پایین، گودبرداری جدید با ارتفاع نمایان حدود ۵ متر و عمق ریشه ۷ متر، با استفاده از سیستم سولجر پایل و نیلینگ جوشی اجرا شد. همچنین، در جلوی این دیوار، گودبرداری دیگری برای چاله آسانسور انجام گرفت. در این شرایط، رفتار سازه نگهبان فوقانی و تغییرات تنش در خاک بین دو تراز، بر تغییرشکل و نیروهای وارد بر دیوار پایینی اثر می‌گذاشت.

نتایج پایش میدانی و تحلیل اجزای محدود در PLAXIS 2D نشان داد که نوع سیستم نگهدارنده فوقانی نقش مهمی در رفتار دیوار پایینی دارد. در بخش B، انکرهای پیش‌تنیده با محدودکردن تغییرشکل دیوار شیت‌پایل فوقانی، موجب شدند جابه‌جایی سولجر پایل‌های پایین در محدوده حدود ۶٫۵ تا ۲۸ میلی‌متر باقی بماند؛ درحالی‌که در بخش A، تغییرشکل دیوار نیلینگ فوقانی و بسیج تدریجی نیروی کششی نیل‌ها با جابه‌جایی‌های بیشتر سولجر پایل‌های پایین، در محدوده حدود ۳۶٫۹ تا ۶۵ میلی‌متر، همراه بود.

برهم‌کنش دیوارهای پله‌ای به عواملی مانند فاصله افقی دو دیوار، سختی نسبی سیستم‌های نگهدارنده و سابقه تنش خاک بین دو پله وابسته است. کاهش فاصله افقی می‌تواند موجب هم‌پوشانی نواحی تغییرشکل خاک و افزایش اثر متقابل دو دیوار شود.

نقشه جزییات بخش A و B

روش Top-Down ساخت با کاهش تغییرشکل دیواره گود و کنترل نشست ساختمان‌های مجاور، راهکاری مناسب برای گودبرداری عمیق شهری است. شرکت ایستا سازه خدمات تخصصی اجرای تاپ داون را متناسب با شرایط پروژه ارائه می‌دهد.

چالش 5: پایدارسازی گود در خاک‌های لایه‌ای و محصور بین ساختمان‌های مرتفع؛ مطالعه موردی پروژه ووهان (Yang, 2010)

در پروژه مجتمع مسکونی Jianghua در شهر ووهان چین، گودبرداری با مساحت حدود 400/14 مترمربع و عمق متغیر ۹٫۴ تا ۱۰٫۶ متر، در مجاورت چندین ساختمان مرتفع مسکونی و اداری و تأسیسات زیرزمینی شهری انجام شد. لایه‌بندی خاک، شامل خاکریز دستی، ماسه ریزدانه، سیلت، رس سیلیسی و ماسه متراکم، در کنار وجود آب زیرزمینی معلق و تحت فشار، انتخاب سیستم نگهدارنده را پیچیده می‌کرد. محدودیت تغییرشکل ناشی از حساسیت شالوده ساختمان‌های مجاور و ضرورت کنترل آب زیرزمینی، استفاده از یک سیستم واحد را با محدودیت مواجه می‌ساخت.

برای انطباق با شرایط متفاوت ترازهای گود، از یک سیستم ترکیبی استفاده شد. در بخش فوقانی، پس از برداشت اولیه خاک و ایجاد سکویی به عرض حدود ۴ متر، دیوار نیلینگ برای پایدارسازی خاکریز و لایه‌های بالایی اجرا شد. در بخش تحتانی، شمع‌های اختلاط خاک و سیمان همراه با مهاربندی داخلی به‌وسیله استرات، برای کنترل تغییرشکل جانبی و لنگر خمشی به کار رفتند. همچنین، برای کنترل فشار آب زیرزمینی، از چاه‌های عمیق استفاده شد.

این مطالعه نشان می‌دهد که در گودبرداری‌های عمیق واقع در خاک‌های لایه‌ای و مجاورت ساختمان‌های حساس، تغییرات خواص خاک با عمق و شرایط آب زیرزمینی می‌تواند به استفاده از سیستم‌های نگهدارنده متفاوت در ترازهای مختلف منجر شود. در این پروژه، نیلینگ برای پایدارسازی بخش فوقانی و سیستم شمع و استرات برای کنترل تغییرشکل در بخش تحتانی به کار گرفته شد. انتخاب چنین آرایشی مستلزم بررسی برهم‌کنش دو سیستم، توالی مراحل خاکبرداری، وضعیت آب زیرزمینی و حساسیت سازه‌های مجاور است. همچنین، پایش تغییرشکل دیوارها و نشست زمین باید در تمام مراحل اجرا ادامه یابد تا عملکرد واقعی سیستم با پیش‌بینی‌های طراحی مقایسه و در صورت لزوم، اقدامات اصلاحی انجام شود.

مقطع عرضی کامل گودبرداری پروژه ووهان شامل دیواره ۴ متری نیلینگ در سکوی بالا، شمع‌های درجا در تراز پایین، استرات افقی و نمودارهای واقعی جابه‌جایی و لنگر خمشی