انکرهای بلند و با ظرفیت بالا برای دیوارهای سولجر پایل

سیستم‌های دیوار حائل سولجر پایل با انکر (Soldier Pile Ground Anchors: SPGA) برای دهه‌ها به منظور تثبیت حرکت شیروانی‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. موفقیت این سیستم در کنترل ناپایداری شیروانی‌ها در شبکه بزرگراه‌های ایالت کالیفرنیا، موجب شده است دامنه کاربرد آن به پروژه‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر نیز گسترش یابد. افزایش ابعاد این پروژه‌ها، استفاده از انکرهای بلندتر و پرظرفیت‌تر و همچنین الزامات سخت‌گیرانه لرزه‌ای، چالش‌های جدیدی را در طراحی و اجرای این سیستم‌ها ایجاد کرده است.

در سال‌های اخیر، اداره حمل‌ونقل کالیفرنیا (Caltrans) دو پروژه بزرگ پایدارسازی شیروانی با استفاده از سیستم SPGA را اجرا کرده است. اجرای این پروژه‌ها فرصت مناسبی برای بررسی چالش‌های اجرایی انکرهای بلند و پرظرفیت فراهم کرد. این دو پروژه شامل 1) پروژه لغزش شیروانی Peregrine در شهر مندوسینو و 2) لغزش شیروانی Westport در امتداد بزرگراه ساحلی شماره ۱. هر یک از این پروژه‌ها چالش‌های ساخت‌وساز منحصربه‌فردی را ارائه دادند که برای موفقیت پروژه‌ها باید به سرعت برطرف می‌شدند.

در این مقاله مهم‌ترین مشکلات اجرایی مشاهده‌شده در این دو پروژه، راهکارهای اتخاذشده برای رفع آن‌ها و توصیه‌هایی برای طراحی پروژه‌های مشابه بررسی می‌شود. همچنین اقداماتی که برای غلبه بر این مشکلات انجام شد و توصیه‌هایی برای کاهش آن‌ها در طراحی‌های آینده دیوارها مورد بحث قرار خواهد گرفت. به طور خاص، تداخل در نصب انکرها، تغییرات در ازدیاد طول انکرها، و دشواری‌های مربوط به حفاری‌های با قطر بزرگ برای انکرها بررسی خواهند شد.

مشخصات پروژه لغزش شیروانی Peregrine

این پروژه در اوایل سال ۲۰۱۷ آغاز شد و شامل یک دیوار SPGA به طول 9/128 متر، ارتفاع دیوار حائل 7/17 متر، شمع‌هایی به طول 5/41 متر و ۷ ردیف انکر است. انکرهای مورد استفاده در این پروژه دارای بار طراحی 1157 کیلونیوتن، طول تا ۷۰ متر و قطر گمانه‌های حفاری شده ۱۵ سانتی‌متر هستند. ساخت پروژه Peregrine در تابستان ۲۰۲۱ به پایان رسید.

حفاری ردیف اول انکرها در پروژه Peregrine

حفاری گمانه‌های انکرهای بلند، مهم‌ترین چالش اجرایی این پروژه بود. با توجه به فاصله شمع‌ها به میزان 1/2 متر از یکدیگر،در حین حفاری مشکل تداخل انکرها با انکرهای مجاور وجود داشت. انکرهای مجاور که در حین حفاری آسیب دیدند، نیاز به تعمیرات پرهزینه‌ای داشتند و باعث ایجاد تأخیر در برنامه زمان‌بندی اجرایی شدند. پیمانکار با اتخاذ راهکارهای اجرایی مناسب توانست این مشکل را برطرف کند.

مؤسسه پس‌تنیدگی (Post-Tensioning Institute) در توصیه‌های خود برای انکرهای سنگی و خاکی پیش‌تنیده، راهنمایی‌هایی برای حفاری انکرها ارائه می‌دهد (PTI DC35.1-14, 2014). این راهنما بیان می‌کند که “معمولاً انحراف مجاز حفاری ۲ درجه با استفاده از روش‌های حفاری معمول قابل دستیابی است. انحراف مجاز حفاری دقیق‌تر تا 5/0 درجه نیاز به روش‌های حفاری ویژه دارند.” از این رو، انکرهای بلند در پروژه Peregrine این پتانسیل را داشتند که در صورت استفاده از روش‌های حفاری استاندارد، با یکدیگر تداخل پیدا کنند.

موقعیت‌های برنامه‌ریزی شده انکر در مقابل راهنمای حفاری

راهکارهای اجرایی برای کنترل تداخل انکرها

برای جلوگیری از تداخل بین انکرهای مجاور، پیمانکار حفاری، تیم‌های بازرسی و نقشه‌برداری شرکت Caltrans با همکاری یکدیگر تلاش کردند تا کنترل دقیق‌تری بر موقعیت استقرار دستگاه قبل از شروع حفاری پیاده‌سازی کنند. به جای تنظیم راستای گمانه حفاری به صورت عمود بر شمع‌های مجاور، تیم اجرایی شروع به تنظیم زاویه حفاری به صورت عمود بر خط تراز دیوار حائل نقشه‌برداری شده (RWLOL) کرد. از آنجا که شمع‌ها ممکن است دارای انحراف اجرایی باشند، مبنای مناسبی برای تنظیم جهت حفاری محسوب نمی‌شوند. با ارائه علائم نقشه‌برداری بر روی تیرک‌های چوبی بین شمع‌ها که نشان‌دهنده فاصله از RWLOL بود، تیم اجرایی توانست اندازه‌گیری‌های ثابتی از RWLOI به دست آورد تا گمانه حفاری را در امتداد یک خط عمود بر طول دیوار قرار دهد. این روش موجب کاهش قابل توجه برخورد مسیر حفاری انکرها شد.

برای پروژه‌های آینده، بر اساس بازخورد با طراحان ژئوتکنیک و سازه‌ای، ملاحظات طراحی دیگری وجود دارد که به کاهش دشواری‌های ساخت‌وساز بر روی این دیوارهای بزرگ کمک می‌کند. برای پروژه‌های مشابه، توصیه می‌شود زاویه مایل حفاری (نسبت به محور قائم) بین شمع‌های مجاور به طور متناوب تغییر داده شود تا قابلیت اجرای انکرها تسهیل گردد. زاویه مایل حفاری باید در شمع‌های مجاور در طول دیوار به طور متناوب تغییر کند (به عنوان مثال، شمع شماره ۱ = ۱۵- درجه، شمع شماره ۲ = ۲۰- درجه، شمع شماره ۳ = ۱۵- درجه، و غیره) و این الگو با ثابت ماندن زاویه حفاری (نسبت به محور افقی) در طول ارتفاع شمع در هر تراز انکرها تکرار شود. از آنجا که فاصله افقی انکرها معمولاً کمتر از فاصله قائم آن‌هاست، تغییر متناوب زاویه نصب باعث افزایش حاشیه اطمینان حفاری خواهد شد.

راهکار دیگر، افزایش فاصله بین انکرهاست؛ هرچند این موضوع ممکن است باعث افزایش بار هر انکر و محدودیت‌های طراحی ویلر و سیستم لاگینگ (تیرک‌های چوبی بین شمع‌ها) شود.

یک مشکل دیگر در پروژه Peregrine مربوط به اختلاف ازدیاد طول واقعی و تئوری انکرها بود. یک معیار پذیرش استاندارد برای انکرها این است که مقادیر ازدیاد طول اندازه‌گیری شده در طول عملیات کشش باید در محدوده 80% مقادیر تئوری قرار گیرد. معیار 80% عملکرد آینده انکر را با اندازه‌گیری رفتار رشته‌ها تحت اثر بار طراحی تأیید می‌کند. اساساً، این معیار تعیین می‌کند که نیرو تا چه اندازه به خوبی از ناحیه باند (گیرایی) به سطح دیوار منتقل می‌شود.

زاویه مایل معمول انکر (نسبت به محور قائم) در دیوارهای SPGA Caltrans بین ۱۰ تا ۱۵ درجه است. این زوایای نسبتاً کم امکان انتقال نیروی حداکثر افقی از ناحیه باند انکر به سطح دیوار حائل را فراهم می‌کنند. متأسفانه، در انکرهای با طول بلندتر، به دلیل اصطکاک تجمعی قرار دادن انکر درون گمانه حفاری شده دشوار می‌شود. از این رو هنگام نصب انکر درون گمانه یک سری پیچ‌خوردگی‌هایی در انکر ایجاد می‌شود. این پیچ‌خوردگی‌ها باعث افت اصطکاک در طول عملیات کشش می‌شوند.

در پروژه Peregrine، ازدیاد طول اندازه‌گیری شده اغلب کوتاه‌تر از مقادیر تئوری و بسیار نزدیک به 80% مقادیر تئوری بود. این موضوع به پیچ‌خوردگی‌های ایجاد شده در انکر در حین نصب و متعاقباً افت اصطکاک آن در طول عملیات کشش نسبت داده شد. با گذشت زمان و در اثر تغییرشکل خاک و جابه‌جایی دیوار، این خمیدگی‌ها به‌تدریج باز شده و در نتیجه بخشی از نیروی پیش‌تنیدگی انکر کاهش می‌یابد.

انکر با پروفیل پیچ خورده روی هم قرار گرفته

در طی عملیات کشش انکرها، مجموعه‌ای از روش‌های اجرایی دقیق برای مقابله با افت اصطکاک بدست آمده در پروژه پیاده‌سازی شد. تیم اجرایی زمان بیشتری را برای آماده‌سازی انکرها به منظور قرار دادن درون گمانه حفاری شده صرف کرد و اسپیسر‌های (Centralizer) بیشتری اضافه کرد و از طریق آزمون و خطا، الگوی قرارگیری را پیدا کرد که منجر به نصب آسان‌تر تاندون انکر شد. اسپیسر‌ها به عنوان تکیه‌گاه‌های میانی عمل می‌کنند و اصطکاک بین انکر و دیواره گمانه حفاری شده یا غلاف را کاهش می‌دهند. با این حال، تعداد بیش از حد آن‌ها نیز می‌تواند مشکل‌ساز باشد زیرا نقاط تماس اضافی بین گمانه و انکر ایجاد می‌کنند. در حالت ایده‌آل، اسپیسر‌ها در هر مکانی که پوشش پلاستیکی موج‌دار (کاروگیت) وجود دارد، قرار می‌گیرند. در غیر این صورت با گمانه یا غلاف ساییده می‌شود.

همچنین با پاکسازی کامل گمانه درست قبل از نصب انکر، تغییرات ازدیاد طول انکر کاهش داده شد. کاهش ریزش مصالح داخل گمانه، احتمال گیر کردن انکر در حین نصب را کاهش داده و نصب انکر را آسان‌تر کرد.

در پروژه‌ای مشابه در منطقه مندوسینو، استفاده از زوایای نصب بیشتر برای انکرها در اسناد طراحی پیش‌بینی خواهد شد. افزایش زاویه نصب باعث می‌شود نیروی گرانش به هدایت انکر در امتداد گمانه کمک کرده و عملیات نصب با سهولت بیشتری انجام شود. علاوه بر این، با افزایش زاویه نصب، طول موردنیاز انکر برای عبور از سطح لغزش و تأمین طول گیرایی کاهش می‌یابد. همچنین، زوایای بیشتر احتمال ایجاد خمیدگی یا پیچ‌خوردگی در تاندون انکر را نیز کاهش می‌دهند. با این حال، افزایش بیش از حد زاویه نصب می‌تواند مؤلفه افقی نیروی پیش‌تنیدگی وارد بر دیوار را کاهش داده و در مقابل، مؤلفه قائم نیرو را افزایش دهد؛ موضوعی که موجب افزایش نیروی فشاری وارد بر شمع‌ها و نیز افزایش تقاضا در اتصال انکر به ویلر (Waler) خواهد شد. بنابراین، انتخاب زاویه مناسب انکر باید با در نظر گرفتن هم‌زمان الزامات طراحی و ملاحظات اجرایی انجام شود. بر اساس تجربه این پروژه، زاویه نصب در محدوده ۲۰ تا ۳۰ درجه تعادل مناسبی میان سهولت اجرا و عملکرد سازه‌ای در اغلب کاربردهای انکرهای بلند فراهم می‌کند.

پروژه دیوار ساحلی (Westport)

پروژه لغزش شیروانی Westport شامل دو دیوار بزرگ از نوع سولجر پایل مهارشده با انکر یا SPGA در بزرگراه شماره ۱ در نزدیکی شهر Westport است. دیوار شماره ۱ به طول 9/132 متر، با ارتفاع دیوار حائل 1/9 متر، شمع‌هایی به طول 3/24 متر و ۴ ردیف انکر است. انکرها دارای بار طراحی 1001 کیلونیوتن، طول تا 7/42 متر و قطر گمانه‌‌های ۱۵ سانتی‌متر هستند.

دیوار تکمیل شده شماره 1 پروژه لغزش شیروانی Westport

دیوارشماره ۲ به طول 4/166 متر، با ارتفاع حائل 1/9 متر، شمع‌هایی به طول 4/24 متر و ۳ ردیف انکر است. انکرها دارای بار طراحی 1334 کیلونیوتن، طول تا 1/38 متر و قطر گمانه‌‌های ۲۰ سانتی‌متر هستند. ساخت دیوارهای حائل پروژه لغزش شیروانی Westport در پاییز ۲۰۱۸ آغاز شد و در بهار ۲۰۲۰ به پایان رسید.

این پروژه ساحلی مقایسه‌ای از استفاده از گمانه‌های حفاری شده با قطر ۱۵ سانتی‌متر در مقابل گمانه‌های ۲۰ سانتی‌متر در شرایط مشابه سایت ارائه می‌دهد. دیوار ۱ دارای ۴ ردیف انکر است و از گمانه‌های با قطر کوچکتر با حداکثر بار آزمون طراحی (FTL) معادل 1001 کیلونیوتن استفاده می‌کند. دیوار ۲ دارای ۳ ردیف انکر و از گمانه‌‌های ۲۰ سانتی‌متر با حداکثر بار آزمون طراحی معادل 1334 کیلونیوتن استفاده می‌کند. بر اساس تجربه کارکنان پیمانکار و کارشناسان میدانی Caltrans، اجرای تعداد بیشتری گمانه 15 سانتی‌متری در دیوار شماره ۱ نسبت به اجرای تعداد کمتری گمانه 20 سانتی‌متری در دیوار شماره ۲ ترجیح داده شد؛ زیرا خرابی تجهیزات حفاری کمتر بود، نرخ پیشرفت عملیات حفاری با گمانه‌های کوچک‌تر به‌مراتب بالاتر بود و در نتیجه، مدت زمان اجرا و هزینه نهایی پروژه نیز برای دیوار شماره ۱ کمتر بود.

با افزایش ظرفیت انکرها، استفاده از گمانه‌هایی با قطر 20 سانتی‌متر و بارهای آزمون طراحی (FTL) بزرگ‌تر اجتناب‌ناپذیر می‌شود. افزایش ظرفیت انکر مستلزم استفاده از تعداد بیشتری رشته کابل پیش‌تنیدگی است که در نتیجه، قطر انکر افزایش یافته و به دنبال آن، اجرای گمانه‌هایی با قطر بیشتر نیز ضروری خواهد بود.

گمانه‌های 15 سانتی‌متری به‌عنوان ابعاد استاندارد در بسیاری از پروژه‌های دیوارهای SPGA مورد استفاده قرار می‌گیرند. این قطر به‌راحتی امکان نصب انکرهای پنج‌رشته‌ای را فراهم می‌کند، در حالی که برای گمانه‌های 20 سانتی‌متری معمولاً استفاده از انکرهای شش یا هفت‌رشته‌ای ضروری است. همچنین اجرای گمانه‌های با قطر بیشتر به تجهیزات تخصصی‌تر شامل راد حفاری، کیسینگ و دستگاه حفاری با ظرفیت بالاتر نیاز دارد. علاوه بر این، سطح جانبی گمانه در قطر 20 سانتی‌متر تقریباً دو برابر گمانه 15 سانتی‌متری است. مجموع این عوامل موجب افزایش قابل توجه زمان، تجهیزات و تلاش موردنیاز برای حفاری گمانه‌های 20سانتی‌متری در مقایسه با گمانه‌های 15 سانتی‌متری می‌شود.

بر اساس تجربیات حاصل از اجرای دیوارهای SPGA در پروژه Westport و سایر پروژه‌های مشابه در شمال کالیفرنیا، به نظر می‌رسد زمانی که بار آزمون طراحی (FTL) به حدود 1334 کیلونیوتن برسد، استفاده از گمانه‌های 20 سانتی‌متری عملاً اجتناب‌ناپذیر خواهد بود. البته این مقدار یک معیار قطعی نیست، زیرا قطر گمانه علاوه بر ظرفیت باربری، به شرایط زمین و توانایی طول گیرایی انکر (Bond Length) در ایجاد پیوند مناسب با لایه‌های خاک نیز بستگی دارد.

با این حال، در اغلب شرایط زمین‌شناسی شمال کالیفرنیا، انتخاب فاصله مناسب بین انکرها به‌گونه‌ای که FTL  از حدود 1157 کیلونیوتن فراتر نرود، معمولاً امکان استفاده از گمانه‌های 15 سانتی‌متری را فراهم می‌کند. همچنین، تزریق ثانویه (Post Grouting) در طول گیرایی انکر پس از نصب، که روشی متداول در میان اغلب پیمانکاران حفاری است، باعث افزایش ظرفیت گیرایی انکر شده و در بسیاری از موارد نیاز به استفاده از گمانه‌های 20 سانتی‌متری برای انکرهایی با FTL  کمتر از 1157 کیلونیوتن را برطرف می‌کند.

حفاری انکر در دیوار شماره 1 پروژه Westport

نتیجه‌گیری

بر اساس چالش‌های اجرایی مشاهده‌شده در دو پروژه استفاده از انکرهای بلند و پرظرفیت، سه محور اصلی به‌عنوان مهم‌ترین درس‌آموخته‌های این پروژه‌ها شناسایی شد.

1) کنترل تداخل مسیر انکرها

برای کاهش احتمال تداخل مسیر حفاری انکرهای مجاور، رعایت اقدامات زیر در پروژه‌های مشابه توصیه می‌شود:

• • استفاده از زوایای نصب متفاوت برای انکرهای مجاور در یک ردیف؛
  • کنترل دقیق‌تر زاویه حفاری در ابتدای اجرای گمانه و حفاری عمود بر خط مبنای برداشت‌شده دیوار حائل (RWLOL)؛
  • در صورت امکان، افزایش فاصله بین شمع‌ها و به تبع آن افزایش فاصله بین انکرها، به‌گونه‌ای که بار آزمون طراحی (FTL) هر انکر تا حدود 1157 کیلونیوتن (260 kip) محدود شود.

2) کنترل اختلاف ازدیاد طول انکرها

برای کاهش اختلاف بین ازدیاد طول واقعی و تئوری انکرها، رعایت نکات زیر توصیه می‌شود:

• • افزایش زاویه نصب انکرها به حداقل ۲۰ درجه و ترجیحاً بیش از ۳۰ درجه؛
  • استفاده از تعداد بیشتری اسپیسر (Centralizer) و جانمایی صحیح آن‌ها در طول تاندون به‌منظور جلوگیری از تماس تاندون با جداره گمانه. تعیین آرایش مناسب اسپیسرها ممکن است با توجه به شرایط هر پروژه نیازمند بررسی و اصلاح تدریجی باشد.
  • پاکسازی کامل گمانه پیش از نصب انکر به‌منظور جلوگیری از گیر کردن تاندون در اثر مصالح ریزشی یا باقی‌مانده حفاری.

3) انتخاب مناسب قطر گمانه

بر اساس تجربیات حاصل از این پروژه، استفاده از گمانه‌های 20 سانتی‌متری، در صورت امکان، باید به حداقل برسد. در شرایط زمین‌شناسی و ضوابط طراحی رایج در پروژه‌های SPGA شمال کالیفرنیا، با انتخاب مناسب آرایش انکرها و محدود کردن بار آزمون طراحی (FTL) هر انکر به کمتر از حدود 1157 کیلونیوتن، در اغلب موارد می‌توان از گمانه‌های 15 سانتی‌متری استفاده کرد. این رویکرد علاوه بر جلوگیری از مشکلات اجرایی مرتبط با گمانه‌های بزرگ‌تر، موجب کاهش زمان اجرا، هزینه‌های حفاری و نیاز به تجهیزات تخصصی نیز می‌شود.

در مجموع، تجربه حاصل از این پروژه‌ها نشان می‌دهد که با وجود پیشرفت مداوم صنعت مهندسی در اجرای پروژه‌های پیچیده‌تر و استفاده از انکرهای با ظرفیت بالاتر، موفقیت این سیستم‌ها تنها به طراحی سازه‌ای وابسته نیست. توجه هم‌زمان به ملاحظات اجرایی در مراحل طراحی، از جمله انتخاب مناسب زاویه نصب، آرایش انکرها، قطر گمانه و روش اجرای حفاری، نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد، کیفیت اجرا و صرفه‌جویی اقتصادی پروژه خواهد داشت. تجربه پروژه‌های Caltrans نشان می‌دهد که انتقال این درس‌آموخته‌ها به پروژه‌های آینده می‌تواند موجب طراحی‌های کارآمدتر، کاهش ریسک‌های اجرایی و افزایش قابلیت اطمینان سیستم‌های دیوار سولجر پایل مهارشده با انکر (SPGA) شود.

اگرچه این تجربیات در پروژه‌های بزرگراهی کالیفرنیا به دست آمده‌اند، اما بسیاری از چالش‌های مطرح‌شده، از جمله تداخل مسیر انکرها، انتخاب قطر مناسب گمانه و کنترل کیفیت اجرای انکرهای بلند، در پروژه‌های گودبرداری عمیق شهری نیز قابل مشاهده هستند. بهره‌گیری از این درس‌آموخته‌ها می‌تواند به بهبود کیفیت طراحی، کاهش ریسک‌های اجرایی و افزایش بهره‌وری پروژه‌های ژئوتکنیکی مشابه کمک کند.