طراحی و اجرای دیوارهای میخ کوبی دائم

دیوارهای میخ‌ کوبی خاک یکی از سیستم‌های پایدارسازی گودبرداری و شیروانی‌ها هستند که با تسلیح توده خاک به‌وسیله میخ‌های فولادی و ایجاد پوشش سطحی، پایداری ژئوتکنیکی و سازه‌ای را تأمین می‌کنند. در نوع دائم این سیستم، طراحی و اجرای اجزا باید به‌گونه‌ای باشد که عملکرد ایمن سازه در طول عمر طراحی، معمولاً ۵۰ تا ۷۵ سال، حفظ شود.

روش تاپ داون یکی از تکنیک‌های اجرای سازه‌های زیرزمینی است که در آن ساخت طبقات زیرزمین از بالا به پایین انجام می‌شود. این روش به‌ویژه در پروژه‌های شهری با محدودیت فضا و مجاورت ساختمان‌های حساس کاربرد دارد.

یکی از عوامل مؤثر بر دوام دیوارهای میخ‌کوبی دائم، خوردگی اجزای فولادی است. خوردگی فرآیندی الکتروشیمیایی است که طی آن فلز در اثر واکنش با محیط اطراف، دچار کاهش تدریجی ماده می‌شود. این فرآیند می‌تواند در اثر اختلاف ولتاژ، غلظت اکسیژن، pH  یا مقاومت الکتریکی بین نواحی آندی و کاتدی رخ دهد و به انحلال فلز در ناحیه آندی منجر شود. در میخ‌های تزریق‌شده، جریان یون‌ها ممکن است بین دو نقطه در طول میلگرد یا بین میخ و اجزای فلزی مجاور، مانند صفحه باربر و نوک تاندون، برقرار شود.

ازاین‌رو، انتخاب روش حفاظت در برابر خوردگی، طراحی و اجرای پوشش‌های اولیه و نهایی، تأمین زهکشی مناسب و کنترل کیفیت اجزای اجرایی، از الزامات اساسی طراحی و اجرای دیوارهای میخ‌کوبی دائم محسوب می‌شوند. در ادامه، این الزامات بر اساس راهنمای FHWA NHI-14-007  بررسی می‌شوند.

در پروژه‌هایی که اجرای چندین طبقه زیرزمین ضروری است، گودبرداری عمیق به بررسی دقیق شرایط خاک، سطح آب زیرزمینی و وضعیت ساختمان‌های مجاور نیاز دارد تا خطر تغییرشکل زمین و ناپایداری دیواره‌های گود کاهش یابد.

در سیستم نیلینگ دائم، علاوه بر اجرای رویه اولیه، اجرای رویه نهایی از جنس بتن یا شاتکریت مسلح، تأمین حفاظت مناسب در برابر خوردگی (کلاس A یا B) و پیش‌بینی سیستم زهکشی با عملکرد بلندمدت، متناسب با شرایط پروژه و عمر طراحی سازه، ضروری است. طراحی دیوارهای میخکوبی دائم بر اساس تلفیق تحلیل‌های تعادل حد (ASD) برای محاسبه نیروها و کنترل حالت‌های حدی LRFD (مقاومتی و بهره‌برداری) انجام می‌شود.

الزامات حفاظت در برابر خوردگی

خوردگی مهم‌ترین عامل تهدیدکننده پایداری بلندمدت نیل‌های دائم است. ارزیابی خوردگی خاک با آزمایش‌های  pH، مقاومت الکتریکی ، میزان کلرید، سولفات و مواد ارگانیک انجام می‌شود.

کلاس‌های حفاظت در برابر خوردگی عبارتند از:

1- کلاس (A غلاف‌دار – بالاترین سطح):

میلگرد درون یک لوله آکاردئونی PVC (با ضخامت نامی 04/0 اینچ) یا HDPE (06/0 اینچ) قرار گرفته و ابتدا فضای بین میلگرد و غلاف پلاستیکی با دوغاب داخلی پر می‌شود تا حداقل ضخامت پوشش دوغاب در اطراف میلگرد برابر با ۵ میلی‌متر باشد. سپس مجموعه غلاف‌دار درون گمانه قرار گرفته و با تزریق دوغاب خارجی تثبیت می‌شود. در این مرحله، استفاده از مرکزنامه‌ها برای تأمین حداقل ضخامت پوشش دوغاب خارجی به میزان ۲۵ میلی‌متر بین غلاف و دیواره گمانه الزامی است.

کاربرد این روش برای خاک‌های مهاجم، شرایط نامشخص خوردگی، یا خاک‌های غیرمهاجم با تحمل ریسک پایین از سوی کارفرما است.

2- کلاس (B پوشش اپوکسی یا گالوانیزه):

در این روش، میلگرد با پوشش اپوکسی حرارتی به ضخامت ۷ تا ۱۲ میلی‌متر یا پوشش گالوانیزه گرم محافظت می‌شود و کاربرد آن به خاک‌های غیرمهاجم با سطح تحمل ریسک متوسط محدود است.

بهسازی خاک مجموعه‌ای از روش‌های مهندسی برای اصلاح ویژگی‌های ژئوتکنیکی زمین است که با هدف افزایش ظرفیت باربری، کاهش نشست یا بهبود عملکرد خاک در برابر بارهای وارده اجرا می‌شود.

3- کلاس C (فولاد بدون پوشش با ضخامت فداشونده):

   در این روش، ضخامت اضافی فولاد با در نظر گرفتن میزان کاهش مقطع ناشی از خوردگی طی عمر طراحی ۵۰ تا ۷۵ سال محاسبه می‌شود. استفاده از این روش صرفاً به خاک‌های غیرمهاجم و شرایطی با سطح تحمل ریسک بالا محدود است.

دیگر الزامات اجرا

پوشش دوغاب در تمامی کلاس‌ها، حداقل ضخامت دوغاب دور میلگرد یا غلاف ۱ اینچ (۲۵ میلی‌متر) است که با نصب مرکزنامه‌ها  در فواصل حداکثر 3 متر تامین می‌شود.

اجزای فولادی سر نیل، شامل صفحه اتصال، میخ‌های اتصال، واشر و مهره، باید دارای پوشش محافظ اپوکسی یا گالوانیزه باشند.

در شرایط وجود غلظت بالای سولفات در خاک یا آب زیرزمینی، علاوه بر حفاظت میلگرد با غلاف، باید مقاومت شیمیایی دوغاب تزریق نیز تأمین شود. به این منظور، استفاده از سیمان تیپ ۵ با مقاومت زیاد در برابر سولفات یا حداقل سیمان تیپ ۲ با مقاومت متوسط در برابر سولفات در تهیه دوغاب تزریق ضروری است تا از تخریب و زوال شیمیایی دوغاب جلوگیری شود.

مراحل و جزئیات اجرایی

1. گودبرداری مرحله‌ای: خاکبرداری پله‌ای به عمق 1 تا 2 متر (متناسب با فاصله عمودی نیل‌ها) که خاک در آن عمق بتواند ۱ تا ۲ روز بدون نگه‌دارنده پایدار بماند.
2. حفاری گمانه :حفاری با قطر معمولاً 10 تا 15 سانتی متر که در خاک‌های ریزشی از روش‌های حفاری با کیسینگ استفاده می‌شود.
3. جاگذاری میلگرد و سنترالایزر: نصب سنترالایزرها در فاصله 45 سانتی متر از ابتدا و انتها و فواصل حداکثر 3 متر در طول میلگرد.
4. تزریق دوغاب : تزریق دوغاب سیمان پورتلند تحت فشار وزنی (روش لوله ترمی) از انتهای گمانه به سمت بیرون.

نیلینگ یا میخ‌کوبی خاک یکی از روش‌های پایدارسازی دیواره گود است که با نصب میلگردهای فولادی در توده خاک و اجرای پوشش سطحی، مقاومت و پایداری مجموعه خاک را افزایش می‌دهد.

نصب زهکش و رویه موقت

ابتدا نوارهای زهکش ژئوکامپوزیت به‌صورت عمودی روی سطح خاک نصب شده و سپس شاتکریت موقت به ضخامت معمول ۷۵ تا ۱۰۰ میلی‌متر، مسلح به مش سیمی جوش‌شده ، اجرا می‌شود. در ادامه، صفحه نشیمن، واشر و مهره شش‌گوش نصب شده و سفت‌کاری اتصالات انجام می‌گیرد.

1. تکرار مراحل تا رسیدن به تراز کف گودبرداری
2. اجرای دیواره نهایی

پوشش اولیه: معمولاً از شاتکریت موقت به ضخامت حدود ۱۰۰ میلی‌متر، مسلح به شبکه سیمی جوش‌شده اجرا می‌شود. در اطراف سر نیل نیز میلگردهای تقویتی موضعی قرار می‌گیرند.

پوشش نهایی: روی پوشش اولیه اجرا شده و وظیفه تأمین پایداری بلندمدت، محافظت در برابر هوازدگی و خوردگی و ایجاد نمای نهایی را بر عهده دارد. این پوشش به‌صورت بتن درجا با ضخامت ۱۵۰ تا ۲۵۰ میلی‌متر، شاتکریت مسلح با ضخامت ۱۵۰ تا ۳۰۰ میلی‌متر یا پانل‌های بتنی پیش‌ساخته اجرا می‌شود.

اتصال و درزها : اتصال پوشش نهایی با گل‌میخ‌های جوش‌شده به صفحه باربر انجام می‌شود .کنترل مقاومت گل‌میخ‌ها، جوش و برش پانچ بتن ضروری است و حداقل پوشش بتنی روی اجزای فولادی باید ۵۰ میلی‌متر باشد. درزهای انقباضی قائم نیز با فاصله ۱۴ تا ۳۰ متر اجرا می‌شوند.

سیستم‌های زهکشی و مدیریت آب

برای جلوگیری از ایجاد فشار آب زیرزمینی و هیدرواستاتیک پشت دیواره نهایی، الزامات زیر اجرا می‌شود:

• نوارهای زهکش ژئوکامپوزیت : نوارهای عمودی به عرض حداقل 30 سانتی متر بین ستون‌های نیل‌ها روی خاک قرار می‌گیرند.
• زهکش‌های افقی : در صورت وجود سفره آب زیرزمینی یا تراوش، لوله‌های شیاردار افقی با شیب ملایم به سمت بیرون نصب می‌شوند.
• زهکش پاشنه و سوراخ‌های خروج آب : آب جمع‌شده در نوارهای زهکش به لوله زهکش پاشنه در کف دیوار هدایت شده و از طریق لوله‌های خرطومی/زهکش به خارج منتقل می‌شود.
• جویچه بالای دیوار : در بالای دیوار برای هدایت آب‌های سطحی و جلوگیری از نفوذ آب به پشت دیوار ساخته می‌شود.

طراحی سیستم حفاظت در برابر خوردگی

این بخش مراحل گام‌به‌گام انتخاب و محاسبات مربوط به حفاظت در برابر خوردگی برای تاندون‌ها/میلگردهای فولادی را تشریح می‌کند:

گام ۱: طبقه‌بندی خاک بر اساس پتانسیل خوردگی :با استفاده از نتایج آزمایش‌های شیمیایی خاک شامل pH، مقاومت الکتریکی، کلرید، سولفات و مواد ارگانیک و مقایسه آن‌ها با جدول 7.2، خاک پروژه در یکی از دو دسته مهاجم یا غیرمهاجم قرار داده می‌شود.

برای قرارگیری خاک در رده غیرمهاجم، باید تمام معیارهای تعیین‌شده به‌طور هم‌زمان برآورده شوند. بااین‌حال، طبق راهنما، اگر مطابق جدول 7.1 مقاومت الکتریکی خاک برابر یا بیشتر از ۵۰۰۰ اهم‌سانتی‌متر باشد، می‌توان از معیارهای مربوط به غلظت کلرید و سولفات صرف‌نظر کرد.

گام ۲: تعیین سطح/کلاس حفاظت: با استفاده از درخت تصمیم‌گیری زیر، بر اساس مهاجم بودن خاک، میزان تحمل ریسک کارفرما و الزامات پروژه، کلاس حفاظت مناسب تعیین می‌شود.

• • کلاس A غلاف‌دار: برای خاک‌های مهاجم یا خاک‌های غیرمهاجم با تحمل ریسک پایین کارفرما.
  • کلاس B پوشش اپوکسی یا گالوانیزه: برای خاک‌های غیرمهاجم با تحمل ریسک متوسط یا بالا.
  • کلاس C فولاد بدون پوشش با ضخامت فداشونده : برای خاک‌ های غیرمهاجم با تحمل ریسک بالا.

• گام ۳: انتخاب نوع تاندون: انتخاب نوع و رده فولاد میلگرد متناسب با نیازهای سازه‌ای و کلاس حفاظت تعیین‌شده انجام می‌شود4.
• گام ۴: انجام محاسبات در صورت انتخاب کلاس C (فولاد فداشونده : اگر بر اساس درخت تصمیم‌گیری کلاس C انتخاب شود، باید افت ضخامت فولاد بر اثر خوردگی طی عمر مفید سازه به روش زیر محاسبه و در طراحی سازه‌ای اعمال گردد:

تعیین قطر نامی اولیه میلگرد (d_bar) و عمر مفید طراحی دیوار (t_f) که معمولاً ۵۰ تا ۷۵ سال است.

محاسبه میزان افت فولاد X) به میکرومتر) با

رابطه 7.1:

محاسبه قطر باقی‌مانده میلگرد (d_loss) با رابطه 7.2 (با توجه به افت ضخامت از دو طرف قطر):

محاسبه مساحت مقطع جدید (کاهش‌یافته) میلگرد و استفاده از این مساحت جدید در فرمول‌های مقاومت کششی میلگرد برای کنترل‌های سازه‌ای دیوار.

• گام ۵: در صورت انتخاب کلاس A یا B : محاسبات طراحی سازه‌ای طبق ضوابط عمومی فصل ۶ انجام می‌شود و نیازی به کسر ضخامت فداشونده از سطح مقطع میلگرد وجود ندارد.

حالت‌های حدی محتمل در دیوارهای میخ‌کوبی دائم خاک: الف) پایداری داخلی : سطح لغزش، خاک و میخ‌ها را قطع می‌کند. ب) پایداری کلی : سطح لغزش، میخ‌ها را قطع نمی‌کند. ج) پایداری کلی:  بالازدگی کف گود . د) مقاومت ژئوتکنیکی : لغزش جانبی. هـ) مقاومت ژئوتکنیکی : بیرون‌کشیدگی میخ . و) مقاومت سازه‌ای: کشش میخ. ز) مقاومت سازه‌ای پوشش:  خمش. ح) مقاومت سازه‌ای پوشش : برش پانچ. ط) مقاومت سازه‌ای پوشش: کشش گل‌میخ اتصال

انتخاب سازه نگهبان مناسب به عواملی مانند عمق گود، جنس خاک، شرایط آب زیرزمینی و فاصله ساختمان‌های مجاور بستگی دارد. طراحی اصولی این سیستم نقش مهمی در کنترل تغییرشکل دیواره‌ها و تأمین ایمنی عملیات گودبرداری دارد.