یکی از معضلات اصلی خاکهای ریزدانه پایین بودن ظرفیت باربری آنها می باشد به طوریکه برای ساخت حتی یک ساختمان معمولی نیز نیاز به بهسازی خاک بستر و افزایش توان باربری میباشد. شمعهای کلاسیک بتنی درجا ریز یکی از قدیمی ترین روشها در تامین ظرفیت باربری پی ها بوده به گونه ایکه بار سازه را به صورت اصطکاکی و اتکایی تا عمق مطمئنی منتقل میکنند. شمعهای بتنی کلاسیک درجا ریز معمولاً در تلفیق با یک کپینگ بتنی سخت و صلب در تامین و افزایش ظرفیت باربری خاکها عمل می کنند. یکی از مشکلات استفاده از شمعهای کلاسیک مهار پاشنه این شمعها در یک بستر مناسب به منظور تامین باربری اتکایی آنها میباشد که این امر موجب میگردد که در برخی موارد عمق و طول این شمعها به منظور رسیدن به یک بستر مناسب و باربر؛ زیاد گردد که این امر خود نیز موجب افزایش هزینه های حفاری و بتن ریزی و آرماتورگذاری شمعها خواهد شد از طرفی به علت پایین بودن زاویه اصطکاک خاک باربری اصطکاکی شمعهای کلاسیک نیز قابل توجه نخواهد بود و با توجه به ریز دانه بودن خاک حتی ممکن است شمع دچار اصطکاک منفی گردد. از طرفی دیگر در ساختگاه هایی با درصد تخلخل و ریزدانه بالا امکان روانگرایی و گسیختگی خاک نیز ممکن است به وقوع بپیوندد (بر اساس معیار روانگرایی چینی ها و معیار روانگرایی اصلاح شده امریکايي ها )که در صورت وقوع چنین پدیده ای عملاً شمعهای بتنی هیچ نقش مقاوم و پایدارسازی نخواهد داشت و به همراه خاک گسیخته خواهند شد.

بهسازی و مقاوم سازی خاک بستر فونداسیونها با استفاده از میکروپایل یا ریز شمع

یکی از روشهای نوین در بهسازی خصوصیات و مشخصات مکانیکی خاک استفاده از روشهای UNDERPINNING و سیستمهای متکی بر عملیات حفاری و تزریق زیر سطحی میباشد. در این روشها حفاریهای مکانیزه در قطرهای کوچک( تا 20 سانتیمتر) انجام پذیرفته و عملیات تزریق زیر سطحی نیز معمولاً با دوغاب سیمان صورت می پذیرد، لذا نحوه تزریق از عوامل بسیار مهم در این روشها محسوب می شوند. امروزه از سیمان به طور فزاینده ای برای تثبیت و بهسازی خصوصیات خاک استفاده میشود. از سیمان می توان برای بهسازی و تثبیت خاکهای ماسه ای و رسی استفاده نمود، تاثیر سیمان کاهش حد مایع LL و افزایش نشانه خمیری PI خاکهای رسی میباشد.عملکرد سیستمهای UNDERPINNING بر مبنای تئوری PILE RAFT میباشند. در اینجا عملکرد گروهی ریز شمعها دیگر با استفاده از یک کپینگ صلب نبوده و به منظور کنترل نشستها و تغییرمکانها از قانون شناور بودن شالوده ها استفاده میگردد. مدلهای سازه ای که سازگار با این تئوری باشند عبارتند از میکروپایل و پین پایل و نیدل پایل هستند که با توجه به شرایط ژئوتکنیکی هر ساختگاه و بار سازه و نوع آن، یکی از این روشها مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

یکی از خصوصیات مهم میکروپایل ها و ریز شمعها توان باربری بالای آنها هم در فشار و هم در کشش(UPLIFT) میباشد که برای کشش بیش از 20 تن و برای فشار بیش از 50 تن ظرفیت باربری دارند به همین خاطر در کنترل آپلیفت ها و واژگونیها نیز بسیار موثر هستند. اجزای تشکیل دهنده یک میکروپایل در شکلهای زیر نشان داده شده است. روش اجرای میکروپایل ها و ریز شمعها نیز بدین صورت خواهد بود که براساس محاسبات و توان باربری مورد نیاز هر میکروپایل، از میلگرد و لوله فلزی نیز استفاده خواهد شد و سپس از ته چال با فشار عملیات تزریق انجام خواهد پذیرفت. در مورد پین پایلها نیز روش اجرا بدین صورت است که چاههایی به قطر تا 20 سانتیمتر به صورت مکانیزه حفاری شده و تزریق بافشار در داخل این چاهها انجام و جهت افزایش ظرفیت باربری میلگردهایی نیز در داخل آنها تعبیه خواهد شد و نهایتاً کپینگ های لازم جهت اتصال با شالوده تعبیه میگردد. نحوه اتصال هر پایل به شالوده نیز با استفاده از تعبیه سرشمعها در انتهای پایل ها عملی خواهد بود و بدین ترتیب انتقال بار نیز از شالوده به پایلها میسر خواهد شد.

استفاده از سیستمهای ریز شمع( میکروپایل) خصوصاً در خاکهایی که متخلخل هستند و خاصیت تزریق پذیری خوبی دارند بسیار مفید و موثر میباشد و خصوصیات و پارامترهای مکانیکی خاک در حد زیادی افزایش خواهد یافت.

موارد استفاده از میکروپایل در پروژه های انجام شده توسط این شرکت

در مواجهه با خاک های مسئله دار نظیر خاک های سست و خاکهای دستی و نابرجا با قابلیت ظرفیت باربری کم و نشست پذیری خیلی زیاد، دو راه پیش روی مهندسین ژئوتکنیک قرار دارد، اول استفاده از المان های باربر و مسلح کننده در خاک و دوم بهسازی و اصلاح خواص فیزیکی و مکانیکی خاک بستر. برخی از روش ها نیز ترکیبی از دو روش فوق بوده و مزایای هر دو روش را تا حدودی به همراه دارند. از آن دسته می توان به استفاده از میکروپایلها و یا ریزشمع ها اشاره نمود. میکروپایلها ، شمع های حفاری شده و تزریق شده با قطر کوچک هستند که جهت تقویت و مقاوم سازی پی ها و فونداسیونها به کار می روند. با توجه به استفاده روز افزون از انواع سیستم های تقویت خاکهای سست و مسئله دار و ضعیف خصوصاً میکروپایلها ، بررسی های متعددی در ارتباط با رفتار این المانها در شرایط مختلف خاک صورت گرفته است.

میکروپایل لوله فلزی مشبک با قطر کمتر از 300 میلیمتر می باشد که تا عمق مورد نظر در زمین کوبیده یا حفاری می شود؛ سپس عملیات تزریق دوغاب که شامل سیمان، آب و افزودنی های مختلف است انجام می گیرد. با توجه به عمق و جنس زمین، دوغاب تحت فشار 3 تا 10 بار تزریق می شود. میکروپایل به طور مؤثر در بهبود خواص مکانیکی خاک، افزایش ظرفیت باربری و کاهش نشست به ویژه در پی و فونداسیون سازه های موجود و مقاوم سازی آن ها به کار گرفته می شوند.
مقاومت اصطکاکی مابین میکروپایل و خاک و اثرات شبکه ای آنها به عنوان مکانیزمی قابل توجه جهت بهبود خواص مکانیکی خاک، مطرح میگردد. استفاده از میکروپایل ها و ریزشمعها به دلایلی نظیر صرفه جویی در زمان، کاهش قیمت و هزینه های اجرایی و عملکرد مناسب در محیط هایی با دسترسی محدود و در عین حال تأمین ظرفیت باربری مناسب و کنترل نشستها، یک گزینه مناسب محسوب می شود. به طور کلی از موارد کاربرد میکروپایل و یا ریزشمع میتوان به مواردی همچون :
مقابله با نیروی بالابرنده ( آپلیفت ) و نیروی ناشی از زلزله و باد،
جلوگیری از لرزش در سازه هایی نظیر پلها و سازه های در معرض نیروی دینامیکی
و نیز مهاربندی و تقویت پی و فونداسیون سازه های حایل و نگهدارنده و
پایدارسازی شیبها و ترانشه ها و
ایجاد حائل چتری فورپولینگ در حفاری و ساخت تونل ها اشاره نمود.
استفاده از میکروپایل برای اولین بار در سال1950 در ایتالیا توسط LIZZI FERNANDO به منظور مرمت پی ساختمان های تاریخی و بناهای یادبودی که در اثر مرور زمان و به خصوص در جنگ جهانی دوم آسیب دیده بودند به کار گرفته شد. این تکنولوژی به سرعت در دنیا انتشار یافت به طوری که انگلستان، آلمان و آمریکای شمالی به ترتیب در سال های 1962و 1965 و 1973 از این تکنولوژی استفاده کردند. در چین، اولین تلاش در سال 1980 برای محافظت از انحراف برج HU-QIU که در سال 959 ساخته شده بود، انجام شد. LIZZI و PLUMELLE در سال 1984 نشان دادند که میکروپایل ها و ریزشمع های استفاده شده در محل، باعث ایجاد یک سیستم خاک مسلح چسبنده شده و سبب بالا رفتن پارامترهای مکانیکی خاک می گردد. در سال 1993 FHWA حامی یک پژوهش جامع در رابطه با میکروپایل شد. گروه تحقیقاتی با مروری جامع در مورد تحقیقات بین المللی گذشته، نتایج به دست آمده آزمایشگاهی، روش های طراحی و غیره، راهنمای جامعی در مورد نحوه اجرای میکروپایل ارائه کرد.
سیستم طبقه بندی میکروپایلها بر اساس دو معیار است:
1- چگونگی رفتار (طراحی) و
2- روش تزریق (ساخت).
چگونگی رفتار، روش منتخب در طراحی را مشخص می سازد. روش تزریق دوغاب سیمان، ظرفیت چسبندگی بین دوغاب و خاک را مشخص میسازد، که بیشترین معیار کنترل ظرفیت شمع و میکروپایل مربوط به همین قسمت میباشد. بر اساس رفتار، میکروپایلها را می توان به دو نوع یک و دو تقسیم بندی کرد. طراحی یک میکروپایل منفرد یا گروهی متفاوت از شبکه میکروپالها سه بعدی است. این تعریف به نوع 1 از ریزشمع اشاره دارد که مستقیماً تحت بارگذاری قرار گرفته و آرماتور شمع قسمت عمده بار وارده را تحمل میکند.
نوع 2 از میکروپایلها باعث تسلیح خاک شده و سیستم توده خاک مسلح بارهای وارده را تحمل میکند. این سیستم تحت عنوان شبکه میکروپایلها (ریزشمعها) شناخته شده است. روش تزریق معمولاً حساس ترین مرحله ساخت در کنترل ظرفیت ناحیه تزریق شده می باشد. ظرفیت ناحیه تزریق شده با روش تزریق متفاوت است.
دومین مشخصه طبقه بندی ریزشمع شامل حرف (A تا D) بر اساس روش جاگذاری و فشار تزریق در هنگام ساخت می باشد. از منظر دیگر، میکروپایلها را می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد :
1- میکروپایلهای جابجائی یا تغییر مکان
2- میکروپایلهای جانشینی
میکروپایلهای جابجائی دارای اعضائی هستند که در درون خاک حرکت کرده و با ایجاد لرزش فضای لازم را باز می کنند. بنابراین در هنگام نصب، خاکهای اطراف را به صورت جانبی جا به جا می کنند. در میکروپایل های جانشینی نیازمند سوراخ کردن زمین توسط مته و قرار دادن شمع در زمین های حفر شده می باشند. جهت اجرای ریزشمع ها ابتدا غلاف توسط مته ی حفاری یا از طریق کوبش وارد زمین می شود ، سپس آرماتور تسلیح درون غلاف کار گذاشته شده و در نهایت دوغاب سیمان را تحت فشار تزریق می کنند ، دوغاب از سوراخ های غلاف به داخل لایه های خاک نفوذ کرده و باعث دوخته شدن لایه های خاک به یکدیگر می شود در نتیجه میزانِ فشار تزریق بر اساسِ نوع غلاف، نسبت آب به سیمان دوغاب و در آخر جنسِ خاک ،تعیین می شود .
روش اجرای میکروپایل مشتمل بر چهار مرحله: حفاری (در صورت نیاز)، لوله کوبی، تزریق و تسلیح می باشد.
فلسفه رفتاری ریزشمع ها تعیین کننده نوع روش به کار گرفته شده در طراحی آن ها است.بر اساس رفتار، ریزشمع ها و میکروپایل ها را می توان به دو نوع یک و دو تقسیم کرد. در میکروپایل های نوع یک، المان های ریزشمع به طور مستقیم بارگذاری می شوند. میکروپایل های نوع دو همان شبکه ریزشمع های مجتمع است که همانند ریشه های درخت به عنوان عناصر تقویت کننده خاک می باشند و برای پایدارسازی و تکیه گاه مورد استفاده قرار می گیرند. روش تزریق دوغاب معمولاً بعنوان حساس ترین عامل کنترل کننده ظرفیت اتصال زمین و دوغاب می باشند و این ظرفیت اتصال به طور مستقیم با روش های تزریق دوغاب تغییر می کند. بر اساس روش تزریق تحت فشار دوغاب در حین اجرا ریزشمع ها را به چهار نوع A, B, C, D طبقه بندی می کنند .

آزمایشهای کنترل کیفیت ریزشمعها

به طور استاندارد، یکی از آزمایش های قابل توصیه در فونداسیون متکی بر میکروپایل( ریزشمع )، انجام آزمایش بارگذاری بر روی آن می باشد. این آزمایش حداقل در یک میکروپایل ( ریزشمع )تا رسیدن به بار طراحی نهایی و بمنظور ارزیابی فرضیات طراحی و کفایت روش های اجرایی صورت میگیرد. در این آزمایشات بارگذاری معمولاً به صورت افزایشی صورت می گیرد تا جایی که میکروپایل ( ریزشمع )به حداقل بار از پیش تعیین شده خود و هم به حد جابجایی محوری از قبل تعیین شده و یا آستانه خزش خاک برسد. شکست و گسیختگی به صورت اتلاف و از دست دادن ناگهانی بار در مقابل افزایش جابجایی همراه با شکست و گسیختگی سازه ای رخ می دهد. این آزمایشات بر اساس دستورالعمل FHWA-SA-97-070 و استاندارد ASTM-D1143 و ASTM-D3689 انجام می¬پذیرد.



مزایا و محدودیت های ریزشمع ها :
ریزشمع ها نیز همچون سایر انواع سیستم های بهسازی سازه خاک دارای مزایا و محدودیت هایی است. از مزایای این سیستم عبارتند از :
- افزایش ظرفیت باربری خاک
- کاهش نشست فونداسیون
- اﺟﺮاي میکروپایلها ﻛﻤﺘﺮﻳﻦ دﺳﺘﺨﻮردﮔﻲ را در ﻣﺤﻴﻂ ﺧﺎك اﻳﺠﺎد ﻣﻲ ﻛﻨﺪ
- حجم ﺧﺎﻛﺒﺮداري ﻛﻢ
- امکان اجرا به صورت مایل
- سهولت استفاده در بهسازی پی و فونداسیون سازه ها
- امکان استفاده در ﻣﻜﺎن ﻫﺎي ﻣﺴﻘﻒ ﺑﺎ ﻓﻀﺎي ﺑﺎﻻﺳﺮي ﻛﻢ
- رﻓﺘﺎر ﻟﺮزه اي مناسب بعلت اﻧﻌﻄﺎف ﭘﺬﻳﺮي
- گزینه مناسب در زمین های با مقاومت ژئوتکنیکی بسیار پایین
- مناسب ﺑﺮاي ﺗﺤﻤﻞ ﺑﺎرﻫﺎي ﻓﺸﺎري، ﮐﺸﺸﯽ و ﯾﺎ ﺟﺎﻧﺒﯽ ﻧﺎﺷﯽ از ﻓﻮﻧﺪاﺳﯿﻮن ﺳﺎزه
- مناسب جهت استفاده در خاک های با لایه بندی متنوع و وجود لایه های متراکم زیرسطحی
- پایدارسازی شیب ها و ترانشه ها
- ﻗﺎﺑﻠﻴﺖ اﺟﺮاي ﺑﺴﻴﺎر ﺳﺎده در ﺷﺮاﻳﻂ وﺟﻮد آب زﻳﺮزﻣﻴﻨﻲ
- کاربرد در سازندهای آهکی کارستی
- پشتیبانی از بارهای جدید در مناطق متراکم
- تقویت لرزه ای سازه ها
- محدود کردن نشست های سازه ای
- تقویت خاک و پی و فونداسیون
- مقاومت در برابر نیروهای دینامیکی رو به بالا ( آپلیفت )
- پشتیبانی از پی
- تقویت پی های موجود
- پشتیبانی از سازه های محصور
- جلوگیری از لغزش گوه های بحرانی در زمین لغزشها و رانشها .
- قیمت تمام شده و هزینه بسیار پایین نسبت به سایر روشهای مشابه بهسازی و مقاوم سازی خاک

استفاده از میکروپایل به طور فزاینده ای در عملیات مقاوم سازی ساختمانهای ساخته شده و یا بهسازی و مقاوم سازی خاک بستر سست فونداسیونها قبل از ساخت ساختمان و یا کنترل نشست ابنیه های ساخته شده بر روی خاکهای دستی ؛ افزایش یافته است. این شرکت با تخصص و دانش خود در طراحی فنی و مهندسی و نرم افزاری میکروپایل نسبت به اجرا و استفاده از میکروپایل در پروژه های مختلف و با کاربری های مختلفی اقدام نموده است که به شرح زیر کاربردهای مختلف میکروپایل تشریح میگردد.

بخش اول : میکروپایلهای اجرا شده قبل از ساخت بنا و ساختمان

میکروپایل اجرا شده در پروژه ساختمان آموزشی دانشگاه آزاد کرمان

به منظور جلوگیری از نشست ساختمان آموزشی مذکور از سیستم میکروپایل و به صورت اجرای کوبشی استفاده گردید. در این طرح از لوله هایی به قطر خارجی ۷۶ میلیمتر و ضخامت ۴ میلیمتربه منظور المان سازه ای میکروپایل استفاده گردید.این میکروپایلها از نوع اجرا شده قبل ار ساخت ساختمان بوده که پس از اجرا ؛ فونداسیون ساختمان بر روی آنها ساخته خواهد شد . بمنظور مدلسازی میکروپایل ها و اندرکنش خاک و سازه از نرم افزار المان محدود PLAXIS استفاده شده است . در تصاویر زیر نحوه مدلسازی و حداکثر تغییر شکل فونداسیون بعد از ساخت ساختمان نشان داده شده است ضمن اینکه در تحلیل های لرزه ای شبه استاتیک از شتاب 0.35g به عنوان شتاب لرزه ای استفاده شده است .

میکروپایل اجرا شده در پروژه ساختمان مسکونی دارآباد تهران

بخش دوم : میکروپایلهای اجرا شده بعد از ساخت بنا و ساختمان