ریزشمع یا میکروپایل‌ها چه کاربردی دارند؟

• کاربرد ریزشمع یا میکروپایل ­ها در پروژه ­های ترابری

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها عمدتاً برای دو کاربرد مورد استفاده قرار می­گیرند: 1) حفاظت و تقویت سازه ­ای  و 2) مقاوم سازی درجا

­تقویت سازه­ ای شامل فونداسیون­های در دست اجرا، تقویت پی­ های موجود، مقاوم سازی لرزه ­ای و حفاظت زمین می­باشد. مقاوم ­سازی درجا، برای پایدارسازی شیروانی­ ها، حفاظت ­زمین و مقاوم ­سازی زمین و محافظت از آن، کاهش نشست ­ها و پایدارسازی سازه­ای مورد استفاده قرار می­گیرد. جدول 1 خلاصه­ای از رفتار (طراحی) و روش اجرای ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها را برای هر کاربرد ارائه می­کند.

برای حفاظت و تقویت سازه ­ای، می­توان ریزشمع (یا میکروپایل) ­های قطر کوچک را جایگزین سیستم شمع­ های مرسوم نمود. این ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها معمولاً بطور مستقیم بارگذاری می­شوند، بنابراین فلسفه طراحی “تیپ 1″ در آنها بکار گرفته می­شود. معمولاً شمع­های مورد استفاده برای این کاربردها شامل، نوع A (تزریق وزنی در خاک و سنگ)، نوع B (تزریق تحت فشار) و نوع D (پیش تزریق) می­باشد. این گونه شمع­ها می­توانند ظرفیت باربری انفرادی بالایی که مورد نیاز سازه­های پشتیبان بکار گرفته شده در پروژه­های ترابری می­باشد، را تامین کنند. استفاده از مقاوم­سازی درجا در پایدارسازی شیروانی­ها و حفاظت زمین­ها، وجه اشتراک دو فلسفه طراحی”تیپ 1” و “تیپ 2” می­باشد. ریزشمع (یا میکروپایل) ­های مورد استفاده در این کاربردها عمدتاً از شمع­های نوع A (تزریق ثقلی و ایجاد ناحیه پیوند کامل در خاک یا سنگ) می­باشند، چون بخاطر مصالح ترکیبی تقویت شده در “تیپ 2″، ظرفیت باربری بالای انفرادی شمع لازم نمی­باشد. اما تحقیقات اخیر(Pearlman et al, 1992) پیشنهاد می­کند، که تحت شرایط خاص و برای آرایش­های خاص، شمع­ها اصولاً بطور مستقیم و موضعی (بویژه در نزدیکی صفحه گسیختگی)، تحت نیروهای خمشی و برشی قرار می­گیرند. بطور تئوریک این بارگذاری مستقیم همان رفتار طراحی “تیپ 1” می­باشد. ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها تحت این شرایط عمدتاً باید دارای یک آرماتورگذاری سنگین بوده و با یکی از روش های نوع A یا B اجرا و ساخته گردند.

جدول 1. رابطه بین کاربرد ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها، رفتار طراحی و روش ساخت و اجرا

سایر کاربردهای مقاوم­ سازی درجا عموماً از مفاهیم “تیپ 2” بهره می­برند. گذشته از پایدارسازی برج­ها در بناهای تاریخی، موارد اندکی از سایر کاربردهای “تیپ 2” اجرا شده­اند. بعنوان مثال، می­توان به طرح بهسازی برج بلند و باریک موسل عراق اشاره کرد (Lizzi, 1982) که در شکل 2 نشان داده شده است. این شبکه­بندی “تیپ 2” از خاک تقویت شده که به سازه متصل می­باشد، بطور موثر مرکز ثقل سیستم ترکیبی سازه- خاک را پایین کشیده و موجب بهبود پایداری می­گردد.

پتانسیل سایر کاربردهای مقاوم­سازی درجا در حال مطالعه و تحقیق در کشورهائی چون فرانسه، ایتالیا، آلمان، استرالیا و ژاپن می­باشد.

• تقویت سازه­ای

کاربرد ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها برای تقویت سازه­ای شامل فونداسیون در دست اجرا، مقاوم­سازی سازه­های موجود، حفاظت گودبرداری­ها، و مقاوم­سازی لرزه­ای سازه­های موجود می­باشد. بسیاری از این کاربردها در پروژه­های ترابری استفاده شده است.

• فونداسیون سازه ­های در دست اجرا

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در احداث پل­های جدید، در مناطقی که نیاز به اجرای فونداسیون­های عمیق دارند، و یا در زمین­های سخت، جاییکه اجرای شمع­های متعارف یا حفاری میل چاه­ها، بسیار مشکل و پر هزینه می­باشد، قابل استفاده می­باشند.

بزرگراه جدید I-78 dual، که برای عبور از رودخانه Delaware بین پنسیلوانیا و نیوجرسی طراحی شده (Bruce, 1988) مثالی از این قبیل است. تمام پایه­ های پل، یا بر روی شمع­ های درجا و یا بر روی شالوده­ های سنگی احداث شده ­اند، به استثنای پایه شماره E-6 . در این پایه، سنگ بستر پایین­تر از عمق پیش­بینی شده قرار داشت و کیفیت آن درعمق بسیار متغیر بود. برای حل این مشکل ژئوتکنیکی، ریزشمع (یا میکروپایل)  و میل چاه حفر شده پیشنهاد شدند و بر اساس هزینه، زمان اجرا و عملکرد، ریزشمع (یا میکروپایل)  انتخاب گردید.

جابجایی یک پل دو دهانه بر روی نهر Mahoning در شهر آرمسترانگ  مثال دیگری می­باشد. فونداسیون­های تکیه­گاهی سنگی طبیعی بر روی خاک فرسایش پذیری که خود بر روی اجزای ماسه سنگی قرار داشت احداث گردیدند. در حالیکه این امکان وجود داشت که تکیه­گاه­ها را براحتی از میان پی­های سنگی موجود حفاری کرده و بر روی ماسه سنگ­های زیرین احداث نمود. در این پروژه از ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها برای تقویت تکیه­گاه­ها استفاده شد. (Pearlman et al,1992). این پل بایستی در مناطقی با محدودیت­های موجود و با جریان ترافیک ساخته می­شد. پروژه بهسازی مستلزم جابجا کردن عرشه (مسیر) آزادراه Brooklyn-Queens در شهر بوروکلین، نیویورک بود (Bruce and Gemme, 1992). یک انشعاب مرکزی جدید و چندین رمپ ورودی- خروجی جدید نیز احداث شد. برای پل  بتن آرمه و رمپ جدید، شمع­هایی با قطر کوچک طراحی شدند و با موفقیت اجرا گردیدند. فاکتورهای عمده و اصلی در انتخاب ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها عدم وجود ارتعاش در حین اجرا در مقایسه با روش راندن (کوبش) شمع­های درجا به داخل زمین بود، که این خود می­توانست بر روی سازه­های قدیمی و حساس مجاور، نهشته­های یخچالی متغیر، ورودی­های محدود شده، و جریان ترافیک منطقه تاثیر گذار باشد.

سایر کاربری­های ریزشمع (یا میکروپایل)  در تقویت سازه­ شامل، بناها، سازه­های حائل زمین و دیوارها می­باشد. شکل 3 گونه­ای از آرایش ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها برای تقویت سازه­های ترابری را نشان می­دهد.

• تقویت فونداسیون سازه ­های موجود

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها اساساً، بمنظور تقویت فونداسیون سازه­ های موجود توسعه یافتند. تقویت پی سازه ­های موجود ممکن است برای مقاصد بسیاری اجرا گردد:

• برای جلوگیری و ممانعت از جابجایی سازه­
• برای بالا بردن ظرفیت باربری سازه­های موجود
• برای تقویت فونداسیون­های ضعیف و در حال زوال
• برای محافظت در مقابل آب شستگی پی­های فرسایش پذیر
• برای بالا آوردن سطح فونداسیون­های نشست کرده تا تراز ارتفاعی اولیه خود
• برای انتقال بارها تا لایه­های عمیق­تر و مستحکم­تر

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها را می­توان از میان سازه­های موجود اجرا نمود و بدون نیاز به کلاهک­های شمعی (دال بتنی) جدید یک ارتباط مستقیم با لایه مستحکم زیرین تامین کرد، در حالیکه همزمان با این کار سازه از داخل تقویت می­شود.

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها را می­توان بدون هرگونه کاهش در ظرفیت باربری فونداسیون­های موجود اجرا نمود. عکس 2 تصویری از پل بتنی خیابان امرسون غربی در سیاتل، واشینگتن می­باشد. جاییکه بمنظور تقویت فونداسیون،  زیر پنج پایه پل، سیستم ریزشمع (یا میکروپایل)  ­اجرا شد.

جابجایی­های سازه­ای می­تواند بوسیله تغییر در عواملی همچون، تراکم زمین زیر فونداسیون موجود، تخلیه آب زیرزمینی، نوسان سطح آب زیرزمینی، زوال فونداسیون­های موجود و فعالیت­هایی از قبیل حفر تونل و گودبرداری­های عمیق در مجاورت سازه ایجاد شود. اجرای ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در لایه­های عمیق­تر و مستحکم­تر، جابجایی­های سازه­ای را کاهش داده و موجب تامین تکیه­گاهی مستحکم برای فونداسیون می­گردد.

افزایش ظرفیت باربری فونداسیون موجود ممکن است به چند دلیل لازم باشد. ممکن است در اثر توسعه سازه­های مجاور، افزایش میزان و بزرگی بارهای اعمالی یا اضافه شدن ماشین­های مولد ارتعاش در محل، بارهای ارتعاشی، جانبی و عمودی بیشتری به سازه وارد گردد.

پل 75 ساله رودخانه پوکوموک در ماریلند، زمانیکه ظرفیت شمع­های چوبی اولیه پایه­های فونداسیون در معرض آب شستگی رودخانه به خطر افتاده بود، احیاء شد (Bruce et al, 1990). چگونگی تقویت پی این پل در شکل 4 نشان داده شده است. این ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها جهت تامین تکیه­گاه در سرتاسر فونداسیون، اجرا گردیده و پیش بارگذاری شدند، بدون اینکه نشست­های اضافی در این سازه حساس رخ دهد.

• مقاوم­ سازی لرزه ­ای

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها بطور فزاینده برای مقاوم­سازی­ لرزه­ای سازه­های بزرگراهی، استفاده می­شوند. با وجود یک یا چند مورد از محدودیت­های زیر، ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها می­توانند به لحاظ اقتصادی، برای مقاوم­سازی فونداسیون پل­ها میسر باشند:

• محدودیت در توسعه و بزرگی پی­ها
• محدودیت­های ارتعاشی و آلودگی صوتی
• ارتفاع کم و فضای باز ناکافی
• ورودی­های دشوار
• وجود بار محوری کششی و فشاری زیاد
• شرایط سخت و دشوار برای حفاری و راندن شمع­های جابجایی
• مناطقی دارای خاک با ریسک بالا

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها ظرفیت­های کششی و فشاری تقریباً برابری را از خود نشان می­دهند، به همین دلیل، تعداد المان­های پشتیبانی فونداسیون اضافی لازم به حد بهینه خود می­رسد (Bruce and chu, 1995).

در پروژه مقاوم­ سازی لرزه­ای توسط اداره راه و ترابری کالیفرنیا در North Connector over-Crossing at I-110 in Los Anglees  از ریزشمع (یا میکروپایل)  استفاده شد. جاییکه استفاده از میل چاه­های حفاری قبلی موفقیت آمیز بودند (Pearlman et al, 1993). شرایط دشوار حفاری، از جمله ایجاد مانع بواسطه بتن­های مدفون در زمین و وضعیت آب زیرزمینی، لایه­های ماسه روان، شرایط اقتصادی نامساعد و محدودیت در راه­های دسترسی مطلوب، استفاده از سیستم حفاری میل چاه­های توصیف شده را منع کرد.

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها برای مقاوم سازی لرزه­ای پل اصلی در خلیج سان فرانسیسکو، نیویورک سیتی و ایلی نویز جنوبی استفاده شده­اند.

• پل Benicia-Martinez , CA
• پل چند راهه 24/580/980 ، در اوکلند، CA
• پل Williamsburg در نیویورک سیتی، NY
• جاده شماره 57 در ایلی نویز

• مقاوم سازی­های درجا (پایدارسازی شیروانی و حفاظت زمین)

گروه ریزشمع (یا میکروپایل) ­های مشبک “تیپ 2″، در واقع استفاده از یک آرایش سه بعدی مناسب از ریزشمع (یا میکروپایل) ­های عمودی و مایل است که زمین را در برگرفته و تقویت می­کنند، و بطور همزمان توسط خاک زمین نگهداری می­شوند. لیزی (1982) بر این عقیده بود که گروه ریزشمع (یا میکروپایل) ­های مشبک یک توده خاکی مستحکم و تقویت شده ایجاد می­کند، بنحوی که جرم وزنی خاک تقویت شده، نیروهای مقاوم لازم و ضروری را تامین می­کند و شمع­های احاطه شده توسط خاک، مقاومت اضافی در برابر نیروی­های کششی و برشی که بر روی دیوار عمل می­کنند را تامین می­کنند.

در این موارد، شمع­های انفرادی در توده خاک فوقانی بعنوان شمع­های اصطکاکی عمل کرده و از مجموعه توده خاک تقویت شده محافظت می­کنند و در مصالح با استحکام پایین، بعنوان المان­های سازه­ای در معرض خمش و کشش قرار می­گیرند. عملکرد این سازه تامین یک بلوک پایدار و مستحکم از خاک تقویت شده، برای ایفای نقش در غالب یک سازه حائل منسجم، پایدارسازی قسمت­های فوقانی توده خاک و تامین مقاومت لازم برای مقطع برش در صفحه گسیختگی می­باشد. بنابراین چنین کاربردی، وجه اشتراک بین “تیپ 1” و “تیپ 2” می­باشد.

بر عکس، تحقیقات صورت گرفته توسط Pearlman et al (1992) و (1984) Pearlman بیان می­کند که گروه ریزشمع (یا میکروپایل) ­های مایل بین ناحیه متحرک (بالای سطح گسیختگی) و ناحیه مقاوم (پایین سطح گسیختگی) ارتباط و اتصال ایجاد می­کنند. این شمع­ها مقاومت لازم برای تحمل نیروهای برشی توسعه یافته در امتداد سطح گسیختگی را تامین می­کنند و بطور کامل عملکرد “تیپ 1” را نمایش می­دهند. گونه­ای از آرایش دیوار­های ریزشمع (یا میکروپایل)  اریب غیر مشبک برای پایدارسازی شیروانی و حفاظت زمین در شکل 5 نشان داده شده است.

برای مصالح متراکم سخت و یا سنگی، مقاومت برشی شمع­ها (ظرفیت باربری انفرادی) در سطح گسیختگی، بحرانی می­باشد (تیپ 1). در مصالح سست، شمع­ها و خاک متقابلاً تقویت می­شوند و یک دیوار وزنی ایجاد می­شود، بنابراین ظرفیت باربری شمع­های انفرادی قابل توجه نمی­باشد (تیپ 2).

در پایدارسازی بخشی از جاده ایالتی 4023 در شهر آرمسترانگ­، پنسیلوانیا از ریزشمع (یا میکروپایل)  استفاده شد که در شکل 6 نشان داده شده است (Bruce, 1988a). بخشی بطول 75 متر از این جاده و مسیر راه آهن، بر بالای یک شیروانی قرار گرفته بود که سابقه آسیب دیدگی ناشی از حرکت شیروانی به سمت رودخانه مجاور را داشته است. مهارهای سنگی و حفر میل چاه­های مماسی که تا داخل لایه سنگی ادامه داشته باشد، راه کارهای پیشنهادی بودند. ریزشمع (یا میکروپایل) ­های غیر مشبک مایل “تیپ 1” نیز بعنوان یک راهکار مشخص پیشنهاد شده و پذیرفته گردید که موجب صرفه­جویی تقریبی 1 میلیون دلاری در مقایسه با پایین­ترین طرح پیشنهادی دیوار صندوقه­ای مهارشده، گردید. این دیوار شامل 4 ردیف ریزشمع (یا میکروپایل)  از نوع A1 بود که بطور عرضی صفحه گسیختگی را قطع کرده و وارد سنگ­های مستحکم می­شد.

برای تامین حفاظت دائمی زمین در امتداد بخشی از پروژه Portland Westside Lightrail در پورتلند، اورگون نیز از ریزشمع (یا میکروپایل)  استفاده شد که در شکل 7 نشان داده شده است (Ueblacker, 1996). دیوار 600، از ورودی شرقی خاکبرداری “Westsite lightrail” شروع شده و تقریباً 183 متر از تونل را تا زیر پل خیابان ویستا پوشش می­دهد. ارتفاع خاکبرداری در امتداد دیوار حائل بین 4 تا 5/9 متر متغیر است. دیوار شامل ریزشمع (یا میکروپایل) ­های غیر شبکه­ای تیپ 1 می­باشد که با زوایای متفاوت اجرا شده­اند، و در معرض حفاری­های یک ردیف ریل جدید قرار گرفته­اند. یک روکش بتن مسلح درجا نیز بعنوان نما اجرا شد که به ریزشمع (یا میکروپایل) ­های قائم چسبیده بود و در ضمن حکم روکش دائم دیوار را نیز داشت. ریزشمع (یا میکروپایل)  جایگزین طرح اصلی شد که مشتمل بر دیوار حائل تقویتی بتنی بود که بر روی فونداسیون­هایی از نوع شمع­های جابجایی، بنا نهاده می­شد. ساخت این دیوار طراحی شده، مستلزم یک سیستم نگهبان موقت گودبرداری بمنظور حافظت از خیابان جفرسون و تاسیسات موجود بود. سیستم دیوار حائل ریزشمعی تنها گزینه قابل قبولی بود که می­توانست در داخل محفظه سازه تقویتی اصلی در نظر گرفته شود.

پروژه پایدارسازی بزرگراه جنگلی شماره 7، در جنگل بین المللی مندونیکو در کالیفرنیا نیز مثال دیگری از پایدارسازی شیروانی­ها با استفاده از ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها می­باشد که شامل گروه ریزشمع (یا میکروپایل) ­های شبکه­بندی شده “تیپ 2” است و در شکل 8 نشان داده شده است (Palmerton, 1984). این جاده دو بانده در عرض یک زمین­لغزه احداث شده بود، جاییکه جابجایی­های لغزشی ناشی از بارندگی­های شدید از قبل تجربه شده بود. یک بخش 94 متری از جاده با استفاده از ریزشمع (یا میکروپایل) ­های تیپ 2 برای تقویت توده خاک و تامین ظرفیت باربری برشی اضافی، پایدارسازی شد. تراکم ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در یک متر طول از دیوار بطور قابل توجهی بیشتر از آن چیزی بود که در روش طرح تیپ 1 در جاده ایالتی 4023، استفاده شد.

در جاده ایالتی 4023 برای هر متر طول 9/2 تا 1/4 شمع استفاده شد و در پروژه FH-7 برای هر متر طول 4/7 شمع استفاده شد. حال اینکه عملکرد هر دو سازه قابل قبول بود (Pearlman rt al, 1992).