پایدارسازی گودهای عمیق

محورهای فعالیت و ارائه‌‍‌ی خدمات شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه در بخش پایدارسازی گودهای عمیق ،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 یا استرات (Strut)
۴. ساخت سازه از بالا به پایین یا تاپ دان (Top-Down Construction)
۵.سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structure)

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 (پایدارسازی گودهای عمیق) 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.استفاده تلفیقی از روش های پایدارسازی گودهای عمیق

۲.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 (پایدارسازی گودهای عمیق) 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 است.

 

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.

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 روش استرات 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 روش مهارگذاری فشاری خاک 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 یا تاپ دان
(Top – Down Construction)

در روش ساخت بالا به پایین یا تاپ دان 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 یا تاپ دان

در روش ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان ، 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.

 

سازه نگهبان خرپایی
(Truss Retaining Structure)

در روش اجرای خرپا که یکی از روش های پایدارسازی گودهای عمیق است ، فشار خاک وارد بر دیواره گود از طریق اعضای افقی و مورب به کف گود منتقل می­ گردد.

اعضای قائم می­ تواند به صورت فلزی یا بتنی باشند. اعضای افقی و مورب خرپا معمولاً به صورت فلزی ساخته می­ شوند. در صورت کفایت عضو قائم، طبق محاسبات می­توان اعضای مورب و افقی را حذف نمود.

سازه نگهبان خرپایی مناسب برای گودهای با عمق کمتر از ۱۴ متر و نسبت عرض به عمق گود بزرگتر از پنج هستند. در گودبرداری­ های عمیق­تر تأمین شیب ایمن و محدود نمودن تغییرشکل­ها در حد مجاز دشوار بوده و توصیه می ­شود در صورت امکان از روش­های جایگزین استفاده گردد.

در طراحی کلیات و چیدمان اعضای سازه نگهبان خرپایی، به منظور پیشگیری از بروز پدیده خرابی پیشرونده توصیه می­شود که درجه نامعینی سازه تا حد امکان افزایش داده شود.

 

دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی
(Diaphragm walls – Slurry walls)

دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی یکی از روش های پایدارسازی گودهای عمیق می باشد. در این روش جهت حفاظت از ریزش دیواره گود، دیواره ای بتنی اجرا می گردد. گاهی مواقع جهت پایدارسازی گود از ترکیب روش های دیگر پایدارسازی با این روش استفاده می گردد.

جهت اجرای این دیواره از دستگاه های حفاری ویژه ای به نام هیدروفرز یا گراب (grab) استفاده می گردد. برای جلوگیری از ریزش های موضعی دیواره حفاری شده از دوغاب بنتونیت استفاده می گردد. بعد از اتمام حفاری دیوار دیافراگمی، میلگرد گذاری انجام می گردد و در نهایت کل قسمت حفاری شده با استفاده از لوله ترمی بتن ریزی می گردد و یک دیوار بتنی ایجاد می گردد. لوله ترمی، لوله­ ای است که به وسیله آن بتن در تراز پایین گودبرداری ریخته می شود با این کار در زمان بتن­ ریزی، بالا بودن وزن مخصوص بتن نسبت به بنتونیت، موجب بالا آمدن بنتونیت گردیده و بنتونیت بالا آمده برای استفاده مجدد قابل جمع آوری می باشد.

ضخامت دیوارهای دیافراگمی بین ۰/۶ تا ۱/۱ متر متغیر است. دیوار به صورت پانل های با عمق متناسب با عمق گود ساخته می شود. عرض پانل­ها بین ۲/۵ تا ۶ متر است. مقطع این­گونه دیوارها اصولاً به صورت مستطیلی ساخته می شوند اما سایر اشکال مانند T و L برای اهداف خاص قابل استفاده است.

 

دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل
(Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)

یکی از روش های پایدارسازی گود روش دیوار برلنی می باشد. این روش در واقع ترکیبی از شمع های بتنی یا فولادی و رویه بتنی (شاتکریت) می باشد. جهت گیرداری شمع های فولادی و بتنی حدود ۲۵ درصد از طول آنها به عنوان ریشه شمع در نظر گرفته می شود. جهت جلوگیری از ریزش های موضعی بین شمع ها از رویه های بتنی درجا یا پیش ساخته استفاده می گردد.

جهت اجرای رویه های بتنی درجا، پس از خاکبرداری شبکه میلگرد فولادی (مش) بین شمع ها قرار داده شده و سپس به وسیله بتن پاشی (شاتکریت) یک رویه بتنی بین شمع ها ایجاد می گردد.

جهت پایدارسازی گودهای عمیق از ترکیب دیوار برلنی با میخ کوبی (نیلینگ) و یا مهارگذاری (انکراژ) نیز استفاده می گردد.

 

سپرکوبی
 (Sheet Pile)

اگر عضوی فولادی یا بتنی که دارای مقطع لاغر و وزن کم باشد در زمین کوبیده شود، در اصطلاح به این عمل سپرکوبی اطلاق می گردد.

سپرکوبی با فولاد یا بتن و یا الوارهای چوبی انجام می گردد. سپرکوبی جهت پایدارسازی موقت یا دائم استفاده می گردد.

سپرکوبی روشی بهینه و مقرون به صرفه نسبت به دیوار حائل بتنی و دیوار بتنی سکانت می باشد. در روش سپرکوبی نیاز به گیرش بتن نیست و می توان گودبرداری را بعد از اتمام کوبش سپرها شروع کرد. بنابراین زمان اجرای پروژه نسبت به روش های مشابه کمتر می باشد.

سپرکوبی کاربردهای گسترده ای دارد. به عنوان نمونه می توان از کاربرد این روش در دریچه های دریایی (marine bulkheads)، دیوار حائل در فضاهای محدود و حوضچه خشک (Cofferdam) نام برد.

 

خاک مسلح یا ژئوسنتتیک
 (Geosynthetict)

جهت حل مشکلات خاکی و ژئوتکنیکی، گاهی اوقات از خاک مسلح (ژئوسنتتیک) استفاده می گردد. کلمه ژئوسنتتیک از دو قسمت “ژئو” (Geo) و “سنتتیک” (Synthetic) تشکیل گردیده است. از کلمه “ژئو” در مواردی استفاده می شود که مربوط به زمین باشد و از “سنتتیک” در مواردی استفاده می شود که ماده، مصنوعی و ساخته دست بشر باشد. طبیعت پلیمری خاک مسلح باعث دوام زیادی در آن می شود. ژئوسنتتیک ها در اشکال مختلف و مصارف مختلف ژئوتکنیکی، حمل و نقلی، زیست محیطی و هیدرولیکی استفاده می گردند.

استفاده از خاک مسلح به هزاران سال پیش یعنی زمان رومیان باستان بر می گردد. آنها در ساخت جاده ها و لبه آنها از این روش استفاده می کردند. این نوع خاک مسلح ابتدایی از ترکیب خاک با فیبرهای طبیعی، پارچه یا گیاهان ساخته می شده است.

 

نقشه برداری
(Surveying)

به علم اندازه‌گیری دقیق و تعیین موقعیت نسبی یا مطلق عوارض روی سطح زمین نقشه برداری، اطلاق می گردد. پس از این تعریف می توان فهمید که هدف، تعیین مختصات نقاط در سه بعد است. در بعضی موارد، برای تعیین موقعیت، بعد زمان نیز مورد توجه قرار می گیرد (سنجش های نجومی و نقشه برداری ماهواره ای). مختصات مورد استفاده در نقشه برداری ممکن است، مختصات دکارتی XYZ و یا مختصات عرض و طول جغرافیایی باشد. نقشه برداری یکی از رشته های اصلی در سازمان نظام مهندسی است.

به علت وسعت زیاد نقشه برداری شاخه های مختلفی برای آن در نظر گرفته اند که در زیر اشاره می گردد:

  • نقشه برداری زمینی: نوع مرسوم نقشه برداری است که جهت تعیین و بررسی شکل و ابعاد زمین و عوارض سطحی آن مورد استفاده قرار می گیرد.
  • مکان نگاری (توپوگرافی): برداشت و نمایش شکل زمین و محاسبه مساحت و ارتفاع. در واقع هدف اصلی آن تهیه نقشه های ارتفاعی است.
  • فتوگرامتری: تهیه نقشه با استفاده از عکس برداری زمینی، هوایی یا ماهواره ای.
  • نقشه نگاری(کارتوگرافی): مراحل ترسیم نقشه را گویند. در این بخش هنر نقشه برداری بسیار دخیل است.
  • سامانه اطلاعات مکانی (GIS): در این سیستم همه اطلاعات به صورت مکان مرجع، دسته بندی می شوند و کاربردهای فراوانی دارد، از جمله ذخیره، بازیابی، به هنگام سازی و پردازش داده های مکانی به منظور اتخاذ یا پشتیبانی یک تصمیم برای حل یک مسئله، به بهترین روش و کمترین هزینه را ممکن می سازد.
  • سنجش از دور (RS): جمع آوری اطلاعات از عوارض سطح زمین بدون تماس فیزیکی را سنجش از دور گویند که بیشترین اتکای آن به تصاویر ماهواره ای است.
  • کاداستر(پارسل مپ): به نقشه برداری ثبتی کاداستر گویند که این گونه نقشه برداری، ارزش حقوقی دارد.
  • آب نگاری(هیدروگرافی): جهت تهیه نقشه و داده های مکانی از اعماق آب مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 

کنترل و پایش گودها
(Excavation Monitoring)

ازجمله نتایج استفاده از سیستم های ابزاردقیق جهت پایش گود و رفتارسنجی (پایدارسازی گودهای عمیق) 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 کیفیت 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 پایداری 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 (پایدارسازی گودهای عمیق ، FHWA) 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.

اطلاعات تماس
آدرس: میرداماد ، نبش آزیتا،پلاک ١ ، واحد ١
تلفن دفتر: 02122909655
شماره همراه: 09121304322
با ما در ارتباط باشید
مشتریان ما
مرکز پزشکی مترو تهران قرارگاه خاتم شهرداری تهران