انکراژ دائم

انکراژهای دائمی (Permanent Ground Anchors) یکی از اجزای مهم سیستم‌های نگهداری و پایدارسازی در مهندسی ژئوتکنیک هستند که برای انتقال نیروهای کششی به لایه‌های مقاوم خاک یا سنگ و تأمین پایداری بلندمدت سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخلاف انکراژهای موقت که برای دوره‌های کوتاه ساخت طراحی می‌شوند، انکراژهای دائم دارای عمر بهره‌برداری طولانی، معمولاً بین ۵۰ تا ۱۰۰ سال، بوده و به همین دلیل الزامات طراحی، اجرا، کنترل کیفیت و حفاظت در برابر خوردگی در آن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

انکراژهای دائم کاربرد گسترده‌ای در پایدارسازی دیوارهای حائل، سازه‌های نگهبان گودبرداری‌های عمیق، تثبیت شیب‌ها و دامنه‌ها، مهار نیروهای بالابرنده در پی‌ها و سازه‌های زیرزمینی، تثبیت سدها و سازه‌های هیدرولیکی، نگهداری تونل‌ها و همچنین مقاوم‌سازی سازه‌های موجود دارند. در این سیستم‌ها، بارهای کششی از طریق طول گیر به توده خاک یا سنگ منتقل شده و طول آزاد امکان اعمال نیروی پیش‌تنیدگی مورد نیاز را فراهم می‌کند.

با توجه به لزوم عملکرد مطمئن در بلندمدت، استانداردهایی نظیر BS 8081، BS EN 1537  و توصیه‌نامه‌های PTI  الزامات ویژه‌ای را برای انکراژهای دائم ارائه کرده‌اند. این الزامات شامل محدودیت تنش بهره‌برداری انکر، استفاده از دوغاب سیمانی با مقاومت و دوام مناسب، کنترل آب‌انداختگی، و به‌ویژه به‌کارگیری سیستم‌های حفاظت در برابر خوردگی است. نوع سیستم حفاظتی بر اساس شرایط محیطی، میزان تهاجم شیمیایی، نفوذپذیری خاک یا سنگ و ظرفیت انکراژ تعیین می‌شود و می‌تواند از پوشش ساده گروت تا سیستم‌های حفاظت مضاعف شامل چندین مانع فیزیکی در برابر عوامل خورنده متغیر باشد.

الزامات طراحی و ساخت

جدول 2 حداقل ضرایب ایمنی مورد نیاز برای طراحی انکرها را بر اساس نوع کاربری (موقت و دائم) ارائه می‌کند. مطابق این جدول، برای انکرهای دائمی ضرایب ایمنی بالاتری در نظر گرفته می‌شود؛ به‌طوری‌که معمولاً ضریب ایمنی در ناحیه طول آزاد (Unbonded Length) برابر ۲.۰ و در ناحیه طول گیر (Bonded Length)  برابر ۳.۰ اتخاذ می‌گردد.

در انکرهای دائمی، معمولاً بار اعمالی (در هنگام کشش و قفل‌کردن) تا ۱۳۳ درصد بار طراحی (Design Load)  افزایش داده می‌شود که این امر باعث می‌شود دیوار نگهبان کمی به سمت خاک پشت‌ِ خود (خاک نگهداری‌شده) حرکت کند.

حداکثر جابجایی دائمی مجاز ناحیه گیر برای انکراژهای مکانیکی ۲۰ میلی‌متر و برای انکراژهای دوغابی ۵ میلی‌متر است که ناشی از رفتار صلب‌تر و چسبندگی کامل در سیستم دوغابی نسبت به عملکرد اصطکاکی در نوع مکانیکی می‌باشد.

به منظور جلوگیری از خوردگی در انکراژهای دائم، استفاده از سیمان‌های منطبق با استانداردهای BS 12، BS 1370  و BS 4027 که دارای مقدار سولفید پایینی هستند، توصیه می‌شود. در شرایط بهره‌برداری عادی، بار کاری انکراژهای دائم نباید از 50 درصد مقاومت مشخصه تاندون تجاوز کند، در حالی که این مقدار برای انکراژهای موقت برابر با 62.5 درصد است.

از آنجا که پیش‌بینی دقیق نرخ خوردگی در طول عمر بهره‌برداری امکان‌پذیر نیست، حفاظت در برابر خوردگی برای انکراژهای دائم الزامی است. نوع سیستم حفاظتی با توجه به شرایط محیطی، میزان تهاجم شیمیایی، نفوذپذیری خاک یا سنگ و ظرفیت انکراژ تعیین می‌شود. بر این اساس، سه سطح حفاظت قابل استفاده است (جدول 11):

 حفاظت مضاعف (Double protection): این سیستم بالاترین سطح حفاظت را فراهم می‌کند و شامل دو مانع فیزیکی مستقل در برابر خوردگی، نظیر غلاف پلاستیکی نفوذناپذیر با ضخامت حداقل 0.8 میلی‌متر، دوغاب سیمانی با آب‌انداختگی کمتر از 0.5 درصد و پوشش‌های محافظ اضافی برای اجزای فلزی است. استفاده از این سیستم در محیط‌های خورنده، خاک‌های نفوذپذیر، پروژه‌هایی با پیامدهای خرابی جدی و شرایطی که میزان تهاجم محیط با عدم قطعیت همراه است، ضروری است.

 حفاظت ساده همراه با پوشش گروت (Single protection – at least one physical barrier): این سیستم شامل حداقل یک مانع فیزیکی در برابر خوردگی است و معمولاً به صورت یک لایه دوغاب سیمانی با پوشش کافی یا همراه با غلاف ساده اجرا می‌شود. کاربرد آن به محیط‌های غیرتهاجمی و شرایطی محدود می‌شود که خرابی احتمالی پیامدهای جدی نداشته و استفاده از سیستم حفاظت مضاعف از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر نباشد. این نوع حفاظت برای انکراژهای با ظرفیت بالا که در سنگ‌های کم‌نفوذ (با تراوایی کمتر از 10^-8 متر بر ثانیه) نصب می‌شوند نیز قابل استفاده است.

پوشش ساده گروت (Simple grout cover): این روش تنها در سنگ‌های غیرتهاجمی با نفوذپذیری کم یا برای پیچ‌های سنگی با ظرفیت پایین که به عنوان آرماتور ثانویه عمل می‌کنند، قابل استفاده است.

بنابراین، در خاک‌های خورنده و نفوذپذیر استفاده از حفاظت مضاعف ضروری است، در حالی که در سنگ‌های کم‌نفوذ با ظرفیت بالا حداقل یک مانع فیزیکی باید در نظر گرفته شود. تنها در شرایط بسیار مساعد محیطی می‌توان به پوشش گروت اکتفا کرد.

نمودار تصمیم‌گیری برای انتخاب سطح حفاظت در برابر خوردگی (PTI, 1996)

جزییات اجرا و ساخت

به منظور تأمین حفاظت مؤثر در برابر خوردگی، تمام طول انکراژهای دائم باید از نوک انکر تا سر آن درون یک سیستم محصورکننده (Encapsulation) قرار گیرد. در انکراژهای میلگردی، ناحیه گیر (Bond Length)  توسط یک غلاف راه‌راه (Ribbed Sheath) احاطه شده و فضای بین تاندون و غلاف با دوغاب سیمانی پر می‌شود. زبری ایجادشده توسط شیارهای غلاف، امکان انتقال بار از طریق چسبندگی بین دوغاب داخل غلاف و دوغاب تماس‌یافته با خاک یا سنگ اطراف را فراهم می‌کند. در طول آزاد (Free Length)، به منظور جلوگیری از ایجاد چسبندگی و فراهم شدن امکان تغییر طول تاندون، از یک غلاف صاف (Smooth Sheath) استفاده می‌شود.

در پشت صفحه نشیمن، یک قطعه انتقالی موسوم به قیف (Trumpet) نصب می‌شود که ناحیه اتصال غلاف به سر انکراژ را محافظت می‌کند. پس از انجام کشش نهایی، فضای داخلی این بخش با ماده محافظ مناسب پر شده و در انتها، سر انکر توسط کلاهک محافظ (Cap) پوشانده می‌شود تا از نفوذ رطوبت و عوامل خورنده جلوگیری شود.

در انکراژهای استرندی دائم نیز ناحیه گیر شامل استرندهای قرار گرفته درون یک غلاف راه‌راه و تزریق‌شده با دوغاب سیمانی است، در حالی که در طول آزاد، هر استرند به صورت مجزا درون غلاف محافظ قرار گرفته و مجموعه استرندها در داخل یک غلاف خارجی محصور می‌شوند. بدین ترتیب، علاوه بر تأمین قابلیت تغییر طول در بخش آزاد، حفاظت چندلایه‌ای مناسبی برای عملکرد بلندمدت سیستم فراهم می‌شود. در محیط‌های با خورندگی شدید، استفاده از پوشش‌های اپوکسی بر روی تاندون‌ها نیز می‌تواند به عنوان یک لایه حفاظتی تکمیلی مورد استفاده قرار گیرد.

نمونه‌ای از یک انکر میلگرد دائمی متداول

مراحل اجرا

1- حفاری گمانه

قطر گمانه معمولاً بین ۷۵ تا ۱۵۰ میلی‌متر در نظر گرفته می‌شود (در اغلب پروژه‌ها حدود ۱۰۰ میلی‌متر برای ظرفیت ۵۰ تنی). طول گمانه بسته به شرایط ژئوتکنیکی و نیاز طراحی، معمولاً در بازه ۵ تا ۲۰ متر متغیر است.

2- آماده‌سازی تاندون (میلگرد)

به عنوان عضو کششی از میلگرد رزوه‌دار سرتاسری (Threadbar) استفاده می‌شود. روی تاندون دو نوع غلاف به‌کار می‌رود:

• غلاف صاف (Smooth Sheath): در ناحیه طول آزاد (Free Length) جهت جلوگیری از انتقال چسبندگی بین میلگرد و دوغاب.
• غلاف آج‌دار (Corrugated Sheath): در ناحیه طول گیر (Fixed Length) جهت افزایش درگیری مکانیکی و انتقال مؤثر نیرو بین دوغاب داخلی و دوغاب بیرونی در تماس با خاک.

3- تزریق اولیه دوغاب سیمانی

در این مرحله، فضای داخل غلاف آج‌دار با دوغاب سیمانی پر مقاومت (معمولاً با مقاومت فشاری بیش از ۶۰ مگاپاسکال) تزریق می‌شود. این دوغاب نقش محصورکننده تاندون در ناحیه گیر را دارد. در مقابل، در طول آزاد، وجود غلاف صاف مانع چسبندگی شده و امکان تغییر طول آزاد تاندون در مرحله کشش را فراهم می‌کند.

4-نصب در گمانه و تزریق ثانویه

پس از آماده‌سازی، مجموعه تاندون درون گمانه قرار داده می‌شود. سپس فضای حلقوی بین غلاف آج‌دار و دیواره گمانه با دوغاب سیمانی پر می‌گردد. این دوغاب پس از گیرش، با سطح خارجی غلاف آج‌دار درگیر شده و انتقال نیرو به توده خاک را ممکن می‌سازد..

5-نصب صفحه نشیمن و سیستم قیف (Trumpet)

در پشت سازه نگهدارنده، صفحه نشیمن (Anchor Plate) نصب می‌شود. یک لوله محافظ (Trumpet)  به‌صورت رابط بین صفحه نشیمن و غلاف صاف عمل می‌کند و مسیر عبور تاندون را در ناحیه آزاد فراهم می‌سازد. این بخش در ادامه با مواد ضدخوردگی (Anti-corrosion compound) یا دوغاب پر می‌شود.

6- عملیات کشش و قفل‌کردن (Stressing & Lock-off)

پس از حصول مقاومت کافی دوغاب (معمولاً ۷ تا ۱۴ روز)، تاندون توسط جک هیدرولیکی تا بار طراحی (مثلاً ۵۰ تن) تحت کشش قرار می‌گیرد. سپس با استفاده از مهره قفل‌کننده (Anchor Nut)، بار اعمال‌شده تثبیت می‌شود.

7-حفاظت نهایی سر انکراژ

در انتها، سر انکراژ با استفاده از درپوش پلاستیکی (Plastic Cap/Nut) محافظت می‌شود. فضای داخلی این کلاهک با مواد ضدخوردگی مانند گریس مخصوص پر می‌گردد تا از خوردگی اجزای فولادی در برابر رطوبت و عوامل محیطی جلوگیری شود.

نمونه‌ای از یک انکر استرند دائمی متداول

کنترل آب‌انداختگی (Bleed) دوغاب سیمانی در انکراژهای دائم از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا جدا شدن آب از دوغاب و تجمع آن در قسمت‌های بالایی، به ویژه زیر سر انکراژ، می‌تواند موجب ایجاد حفره و در نهایت خوردگی تاندون شود. به همین دلیل، حداکثر مقدار مجاز آب‌انداختگی برای سیستم‌های حفاظت دائم 5/0 درصد تعیین شده است. دستیابی به این مقدار مستلزم استفاده از دوغاب با طرح اختلاط مناسب، نسبت آب به سیمان پایین و افزودنی‌های کاهنده آب‌انداختگی است.

در صورت استفاده از دوغاب‌هایی با آب‌انداختگی بیشتر، کاربرد آن‌ها در انکراژهای دائم تنها زمانی مجاز است که تمهیدات لازم برای تخلیه آب تجمع‌یافته، نظیر لوله‌های تخلیه در بالاترین نقاط، پیش‌بینی شده باشد یا عملکرد مناسب سیستم از طریق آزمایش‌های بارگذاری و برش نمونه‌ها به اثبات برسد.

به منظور ارزیابی رفتار بلندمدت انکراژ، پایش تغییرات بار-زمان باید از سطح باری حداکثر معادل 55 درصد مقاومت نهایی تاندون (fpu) آغاز شده و به مدت 10 روز، مطابق فواصل زمانی تعیین‌شده، ادامه یابد. بار باقیمانده اولیه معمولاً برابر با 110 درصد بار کاری (Tw) در نظر گرفته می‌شود، مگر آنکه آزمایش‌های اثبات متعددی در سطوح مختلف بار برنامه‌ریزی شده باشد.

چنانچه پس از اعمال تصحیحات مربوط به تغییرات دما، تغییرشکل سازه و ریلکسیشن تاندون، بار به حالت پایدار نرسد، دوره پایش باید در فواصل تقریباً هفت‌روزه تا حداکثر 30 روز یا تا زمان تثبیت بار بایستی ادامه یابد.