پایدارسازی گودهای عمیق

نیلینگ و انکراژ
Soil Nailing and Anchorage

بطور کلی از روش‏ های زیر به طور مجزا و یا به صورت تلفیقی می توان جهت پایدارسازی گودهای عمیق استفاده نمود :
۱. نیلینگ یا میخ¬کوبی (Nailing)
۲. انکراژ یا مهار کششی (Anchorage)
۳. مهار فشاری (Strut)
۴. ساخت سازه از بالا به پایین (Top-Down Construction)
در هر یک از روش های فوق بنا به مقتضیات طراحی، المانی به عنوان دیوار حائل می تواند وجود داشته باشد. این المان می تواند دیوار دیافراگمی، شمع های مماسی بتنی، ستون های جت گروتینگ و اختلاط عمقی، شمع های نگهبان فلزی، سپر یا المان های مشابه باشد. البته در روش میخکوبی معمولا از یک لایه بتن پاششی (شاتکریت) به عنوان پوشش استفاده می شود.
دیوارهای مختلف نگهبان هر یک دارای مزایا و محدودیت ¬های ویژه ¬ای بوده که به فرآخور پروژه ¬ها می¬توان از هر یک یا تلفیق آن¬ها استفاده نمود. علاوه بر بحث فنی – اجرایی، در ‏شکل زیر مقایسه نسبی از هزینه اجرای دیوار حائل به روش ¬های مختلف بر حسب عمق گودبرداری ارائه شده است.
۱
۲

استفاده تلفیقی از روش های پایدارسازی گود

مقایسه نسبی هزینه انواع دیوارهای نگهبان در گودبرداری ها (ICE Manual of Geotechnics, 2012)

انواع المان های مختلف جهت ساخت دیوار نگهبان
نیلینگ یا میخکوبی خاک
Soil Nailing
نیلینگ
میخ کوبی دیواره ها یا نیلینگ به معنای تسلیح برجای توده خاک موجود با نصب میلگرد های فولادی (Nails) در فواصل نزدیک به هم در یک سطح شیبدار و یا در محل گودبرداری به صورت قائم و با اجرای از بالا به پایین (Top Down Construction) می باشد. میلگردهای معمولا داخل گمانه هایی که در دیواره خاکی قرار می گیرند که به منظور جلوگیری از خوردگی میلگرد ها و انتقال مناسبتر نیروها بین خاک و میلگرد توسط دوغاب سیمان پر می شوند. روش نیلینگ یک مقطع مسلح پایدار ایجاد می کند که توانایی نگهداری خاک پشت خود را دارند.
روش نیلینگ در سال ۱۹۶۰ میلادی برای اولین بار مورد بحث و بررسی قرار گرفت. این روش بر اساس روش سیستم مهاربندی و پیچ کردن سنگ ها می باشد. اولین بار این سیستم پایدارسازی برای حفر تونلی در استرالیا در سال ۱۹۶۰ به کار گرفته شد. در این تونل برای پایدارسازی از آرماتور، تزریق دوغاب سیمان و شاتکریت استفاده گردید. در سال های بعد نیز به مرور این تکنیک در سطح جهان گسترش یافت. در ایران نیز استفاده از روش نیلینگ در سال های اخیر توسعه چشمگیری یافته و یکی از کاربردی ترین روش ها به ویژه در ساخت و ساز های شهری می باشد.
از دیدگاه اصول علمی مطرح در مهندسی ژئوتکنیک، روش نیلینگ به صورت مقاوم عمل کرده و اثر خود را از طریق اندرکنش خاک – میلگرد، حاصل از ایجاد تغییرشکل در خاک اعمال می کند. از این رو استفاده از سیستم نیلینگ در موقعیت هایی که حساسیت به تغییرمکان های ناشی از گودبرداری بالابوده و یا در مجاورت سازه های حساس، قدیمی و فرسوده واقع هستند، و یا شامل خاک های نرم و متوسط به لحاظ سختی و مقاومت هستند، بطور کلی توصیه نمی گردد.

مراحل روش اجرای نیلینگ
در روش نیلینگ میخ‌ها غالباً در کشش عمل می کنند ولی در شرایط خاصی، عملکرد خمشی و برشی آنها نیز در نظر گرفته می شود. اثر مسلح سازی میخ برای بهبود پایداری دیوار با دو عملکرد زیر حاصل می شود:
• افزایش نیروی قائم و در نتیجه افزایش مقاومت برشی سطح لغزش در خاک های اصطکاک
• کاهش نیروی رانشی سطح لغزش در خاک های اصطکاکی و چسبنده.
پس از نصب میلگردهای نیلینگ ، یک دیواره سطحی کم ضخامت که معمولاً شامل شاتکریت همراه با یک لایه تسلیح سبک فولادی به صورت شبکه¬ های از میلگرد می ¬باشد، سطح دیواره شیروانی یا گود را می پوشاند. هدف از اجرای این دیواره جلوگیری از فرسایش سطحی خاک، ایجاد سطح تمام شده مناسب تر برای ساخت و سازهای احتمالی بعدی می باشد. هدف مهم تر ساخت این دیواره ها افزایش بازدهی عملکرد سیستم خاک تحکیم یافته بویژه در بخش¬ های نزدیک به دیواره گود می باشد. همچنین این لایه بتنی – فولادی به انتقال بهتر نیروهای محرک به المان ¬های تسلیح کمک شایانی می ¬کند. پوشش نهایی (Facing) می¬ تواند موقتی (Temporary) یا دائمی (Permanent) طراحی و اجرا گردد.
نیلینگ یا میخ¬کوبی خاک روش جدیدی است که به دلیل اقتصادی بودن و مزایای منحصربفرد خود، به عنوان راه‌حل بسیار مناسبی در موارد مختلف از جمله پایدارسازی شیب ¬ها، شیروانی ¬ها، ترانشه ¬ها، افزایش ظرفیت باربری و محدود کردن تغییر شکل¬ ها با ایجاد حداقل دست‌خوردگی در وضعیت طبیعی زمین کاربردهای فراوانی دارد. استفاده از روش نیلینگ ، طی دو دهه اخیر در اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه جهت پایدارسـازی گودبرداری ها و همچنین پایدارسازی شیب¬ های طبـیعی کاربرد وسیعی پیدا کرده است. برخی از کاربردهای وسیع این روش تسلیح خاک شامل پایدارسازی شیب ¬های طبیعی و یا ترانشه‌های مجاور راه¬ ها، تعریض راه ¬ها، گودبرداری در مجاورت سازه‌های موجود، پایدارسازی و مقاوم¬ سازی سازه‌های نگهبان قدیمی و … می باشد.

اصول رفتاری خاک میخکوبی شده
انکراژ یا مهارگذاری
Soil Anchorage
انکراژ
اصول اجرای روش مهارگذاری یا انکراژ مشابهت های فراوانی با روش نیلینگ (میخکوبی) دارد. تفاوت اصلی در اعمال نیروی پس تنیدگی برای المان تسلیح می باشد. گام های اجرایی مشابه روش میخکوبی و شامل خاکبرداری مقطعی، حفاری گمانه ها، نصب میلگرد تسلیح، تزریق دوغاب سیمان (در بخشی از طول گمانه)، بتن پاشی و نصب صفحه سر نیل و مهره می باشند. پس از گذشت مدت زمان مناسب جهت عمل آوری دوغاب سیمان، با نصب پایه جک، جک کششی و نیروسنج، نیروی پس تنیدگی تا مقدار مورد نظر طراحی به میلگرد تسلیح و دوغاب اطراف آن اعمال می شود.

در ‏شکل روبرو مراحل اجرایی این روش بطور شماتیک ارائه شده است.
مرحله اول یک دیوار نگهبان اجرا می¬ گردد.
مرحله دوم خاکبرداری تا تراز نصب اولین ردیف انکرها انجام می¬ گردد.
مرحله سوم حفاری گمانه جهت اجرای انکر انجام می¬ گردد.
مرحله چهارم تزریق
مرحله پنجم پس از گیرش دوغاب عملیات کشش و خاکبرداری و اجرای پوشش بتنی انجام می¬ گردد.
در این روش امکان اجرای پوشش دائمی نیز در صورت نیاز وجود دارد. این پوشش ها نیز می¬ تواند از نوع بتن پاششی، بتن پیش ساخته، بتن درجا ریز و سایر انواع تکنولوژی ¬های جدیدتر برای اجرای پوشش طرح دار و سازگار با محیط می ¬باشد. در روش انکراژ انواع روش های تزریق جهت تامین مقاومت قسمت گیردار وجود دارد.

استرات یا مهارگذاری فشاری خاک
Braced Excavations – Struts
در این روش از مهارهای فشاری جهت انتقال فشار خاک استفاده می گردد. اجزای تشکیل دهنده این سیستم به طور کلی شامل دیوار که می تواند از نوع Sheet Pile، دیوار دیافراگمی، شمع های نگهبان فلزی یا بتنی و غیره باشد، اعضای فشاری بنام Strut یا Brace و اعضای واسط بین دیوار و اعضای فشاری که Wale نامیده می شوند.
در این روش فشار خاک از طریق دیوار به Wale و از طریق Wale به Strutها منتقل می شود و در نتیجه Strutها و اتصال آنها بر اساس نیروس فشاری، Waleها بر اساس نیروی برشی و خمشی و دیوار نیز بر اساس نیروهای ترکیبی طراحی می گردد.
در این روش ابتدا شمع¬ های نگهبان پیرامونی به عنوان دیوار موقت اجرا شده و سپس در هر مرحله از گودبرداری Wale ها اجرا و Strut ها به آن متصل می‏ گردند.
در این روش برای طراح می¬ توان از مدلسازی¬ های ۲D یا ۳D استفاده نمود و حالات حدی نهایی و سرویس پذیری را کنترل و براساس نیروهای بدست آمده اعضای سازه¬ ای را طراحی نمود. اعضای سازه ¬ای عموماً فولادی بوده و مطابق آئین نامه ¬های سازه ¬های فولادی طراحی می¬ گردند.

ساخت بالا به پایین
Top – Down Construction
در این روش به جای احداث سازه نگهبان، خود سازه اصلی از بالا به پایین اجرا و همزمان گودبرداری انجام می گردد. مراحل اجرایی بطور کلی در شکل نشان داده شده است. این روش با ایجاد تغییراتی در نحوه طراحی و محاسبات سازه و در اختیار داشتن برخی تجهیزات و امکانات خاص، در ساخت ایستگاه های مترو در اروپا به منظور کاهش زمان و هزینه های اجرائی و کاهش اختلال در ترافیک شهری و زندگی مردم به کار گرفته شد و به دلیل مزایای بالای آن در سال های اخیر در پروژه های بزرگ عملا جایگزین روش ساخت سنتی گردیده است.
ساخت و ساز ها به صورت سنتی که به روش گودبرداری و اجرای سازه (Bottom-Up) معروف است با گودبرداری و سپس اجرای فونداسیون آغاز شده و با ساخت سازه اصلی و تکمیل سقف نهایی پایان می یابد.
بر خلاف روش مذکور روش دیگری به نام Top-Down وجود دارد که در سال های اخیر در پروژه های بزرگ عملا جایگزین روش ساخت سنتی گردیده است. این روش بر خلاف روش سنتی با ساخت دیواره های دور، ستون ها و سقف نهایی آغاز و با تکمیل گودبرداری و ساخت فونداسیون سازه به اتمام می رسد. از مهمترین مزایای این روش می توان با حذف و یا به حداقل رساندن سطوح قالب بندی و حذف یا کاهش مهار های موقت اشاره نمود.

مراحل روش اجرای ساخت از بالا به پایین
در این روش ابتدا دیوار دیافراگمی در پیرامون احداث می گردد. پس از آن ستون های سازه همراه با یک فونداسیون از نوع پی عمیق یا نیمه عمیق اجرا گردیده و به ترتیب از بالا به پایین سازه اصلی همزمان با خاکبرداری اجرا می شود. چنانچه وضعیت خاک به لحاظ استحکام مناسب بوده و شرایط آب زیر سطحی نیز مساعد باشد می توان اجرای دیوار را نیز به صورت مرحله به مرحله همزمان با اجرای طبقات از بالا به پایین انجام داد.
در این روش نیز می¬ توان کل سازه و یا بخشی از آن را بصورت TD اجرا نمود. در صورتی که ابعاد پروژه در پلان کوچک باشد اجرای کل سازه زیرزمین به روش TD به راحتی امکان ¬پذیر است. در صورت وسعت زیاد در پلان اجرای نوار پیرامونی به روش TD و ناحیه مرکزی به روش BU (ساخت پایین به بالا) می تواند گزینه مناسب¬تری باشد. همچنین امکان تلفیق این روش با سایر روش ¬های پایدارسازی نیز ممکن می -باشد.

کنترل و پایش گودها
Excavation Monitoring

ازجمله نتایج استفاده از سیستم های ابزاردقیق جهت پایش و رفتارسنجی می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
• کاهش هزینه ها: یک طرح ابزاربندی مناسب و قابل اعتماد در شرایط حساس همچون وجود خاک هایی با قابلیت فشردگی زیاد و یا موارد دیگر، باعث کاهش چشمگیر احتمال وقوع خطرات می شود. کاهش ریسک طرح، باعث افزایش ضرایب اطمینان در مرحله اجرا می شود. که این موضوع خود باعث کاهش هزینه ها نیز خواهد شد.
• تقلیل ضرایب اطمینان: بدون ابزاربندی و اندازه گیری های لازم، انتخاب پارامترهای طراحی بر اساس فرضیاتی صورت می گیرد که این فرضیات محافظه کارانه بوده و در نتیجه ضرایب اطمینان طرح و هزینه ها بالا خواهد بود.
• تغییر در طرح: در صورتی که با توجه به شرایط، طراحی ها انجام شده پاسخگو نباشد، اطلاعات حاصل از ابزار بندی در فاز های اولیه پروژه نیاز به ایجاد تغییرات در طراحی را مشخص کند.
• کنترل روند و روش عملیات اجرایی: ابزار دقیق در عملیاتی همچون تثبیت و اصلاح خاک و پیش بارگذاری، اطلاعاتی را در خصوص روند پیشرفت عملیات نشان می دهد. برای مثال کنترل کفایت تعداد زهکش های به کار رفته در پیش بارگذاری
• ایمنی: ابزاربندی خطرات احتمالی را پیش از وقوع هشدار می دهد به ویژه در مسائل مربوط به پیاداری شیب ها فرصتی را برای تکمیل عملیات جهت رفع خطر و یا ترک محل فراهم می آورد.
علاوه بر بحث پایش، کنترل کیفیت اجزای سازه نگهبان در حین اجرا نیز اهمیت ویژه¬ای دارد. از موارد کنترلی اجرای سازه نگهبان می ¬توان به آزمایشات کنترل کیفیت بتن، آرماتور و کلیه مصالح اشاره نمود.
تست¬ های کنترلی و کنترل¬ های حین اجرا شامل المان ¬های سازه نگهبان مانند میخ و مهارهای کششی نیز می¬ گردد. انواع تست ¬های کششی بارگذاری، سیکل های بارگذاری و باربرداری، تست خزش و بارگذاری تا حد نهایی از این قبیل تست ¬ها می ¬باشند.