میکروپایل (ریزشمع) چیست؟
به طور کلی در مواجهه با خاک‌های مسئله‌دار نظیر خاک‌های سست با قابلیت باربری کم، نشست‌پذیری زیاد، روانگرا، خاک‌های دستی و … دو راه پیش روی مهندسین ژئوتکنیک قرار دارد:
الف) استفاده از المان‌های باربر در خاک
ب) بهسازی و اصلاح خواص فیزیکی – مکانیکی توده خاک.
هر یک از راه حل‌های فوق دارای روش‌ها و مشخصات مربوط به خود می‌باشند که طی سالیان متمادی توسعه فراوانی یافته‌اند. برخی از تکنیک‌های ابداعی نیز ماهیتی ترکیبی از دو دسته فوق داشته و مزایای هر دو دسته را تا حدودی به همراه دارند. از آن دسته می‌توان به استفاده از میکروپایل (ریزشمع) ها به همراه تزریق دوغاب سیمان اشاره نمود.
شمع‌ها عموما به دو گروه اصلی شمع های جابجایی و شمع‌های جانشینی تقسیم می‌شوند. میکروپایل (ریزشمع) ها در واقع شمع‌های جانشینی کوچکی (معمولا با قطر کمتر از ۳۰۰ میلیمتر) هستند که غالباً با تقویت فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می‌باشند. میکروپایل (ریزشمع) ها می‌توانند با هر زاویه‌ای طراحی و اجرا شوند و برای مقاصد متفاوتی از جمله تحمل بارهای محوری و جانبی، جایگزینی شمع‌های معمولی یا به عنوان جزئی از سیستم ترکیبی خاک و شمع، بسته به هدف طراحی به کار برده شوند.
میکروپایل (ریزشمع) علاوه بر آنکه به عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل می‌کند، به دلیل تزریق دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مقاومتی خاک اطراف نیز می‌گردد.
میکروپایل (ریزشمع) یک شمع با قطر کوچک همراه با یک تسلیح فولادی سبک است که در آن از تکنیک تزریق دوغاب سیمان استفاده می‌شود. طبق تعریف آیین نامهFHWA میکروپایل (ریزشمع) ها قطر کمتر از ۳۰ سانتیمتر دارند، در حالی که در ایران به طور معمول قطر آنها در حدود ۸ تا ۱۵ سانتیمتر است.
اجزای سیستم میکروپایل (ریزشمع) در ایران شامل لوله جداری، آرماتور تسلیح، فلنج اتصال به پی و دوغاب سیمان است. لوله جداری در فواصل مناسب دارای سوراخ بوده که امکان تزریق تحت فشار در داخل خاک را فراهم می‌کند.
احداث سیستم میکروپایل (ریزشمع) نیز شامل مراحل حفاری گمانه، قراردادن لوله جداری در خاک (لوله کوبی)، تزریق دوغاب سیمان، قراردادن آرماتور تسلیح و نصب فلنج اتصال است که در بخش‌های آتی توضیح داده می‌شوند.
تاریخچه میکروپایل (ریزشمع)
میکروپایل‌ها (ریزشمع ها) در اوایل دهه ۱۹۵۰ در ایتالیا به منظور تقویت پی ساختمان‌های تاریخی و آثار باستانی، که به مرور زمان و به خصوص در طول جنگ جهانی دوم دچار آسیب شده بودند، ابداع شدند. پیمانکار ایتالیایی به نام فوندیل اولین بار شمع‌های ریشه‌ای را معرفی نمود. این شمع‌های درجا ریز کوچک دارای قطر کمی بودند که غالباً با مسلح کننده فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان تقویت شده بودند.
در ابتدا، اغلب کاربرد میکروپایل ها (ریزشمع ها) به تقویت زیر سازه‌های موجود در محیط‌های شهری محدود می‌شد؛ ولی در سال ۱۹۵۷ نیازهای جدید مهندسی منجر به معرفی سیستم‌های جدید موسوم به میکروپایل (ریزشمع) های زنبوری گردید. این سیستم شامل شبکه‌ای سه‌بعدی از میکروپایل (ریزشمع) های قائم و مورب بوده که یک سازه ترکیبی از خاک و شمع را ایجاد می‌نمایند و به طور جانبی محدود شده است.
فوندیل در سال ۱۹۶۲ از این روش برای تقویت ساختمان‌های تاریخی انگلستان استفاده نمود. همچنین در سال ۱۹۶۵، این روش در سیستم حمل و نقل زیرزمینی درون شهری آلمان مورد استفاده قرار گرفت که پس از آن اصطلاح میکروپایل (ریزشمع) جایگزین نام شمع ریشه‌ای گردید. از این میکروپایل (ریزشمع)ها، برای پایدار سازی شیب ها، مسلح کردن دیوارهای ساحلی، حفاظت از سازه‌های مدفون، مسلح کردن خاک و در سایر روش‌های تقویت خاک و سازه استفاده می‌شود.
مراحل اجرای میکروپایل (ریزشمع)
روش اجراي ميكروپايل (ریزشمع) شامل چهار مرحله حفاري، لوله‌كوبي، تزريق و تسليح مي‌باشد كه مراحل اجرای آن در زیر تشریح شده است.
حفاري
به صورت کلی لوله‌های میکروپایل (ریزشمع) از دو طریق کوبش و یا حفاری جاگذاری می‌شوند. جاگذاری از طریق کوبش به دلیل اصطکاکی که بین لوله‌ها و جدار خاک پیرامون آنها ایجاد می‌شود و تاثیر آن در افزایش فشار تزریق دوغاب سیمان، باعث ارتقا قابل ملاحظه عملکرد باربری میکروپایل (ریزشمع) ها می‌شود. جاگذاری از طریق حفاری باعث ایجاد دست‌خوردگی در لایه‌های مختلف خاک می‌شود و می‌بایست در عمل قطر بیشتری نسبت به قطر خارجی لوله‌ها حفاری نمود. به همین دلیل صرفا در شرایطی که کوبش لوله میسر نباشد (عمدتا در عمق‌های زیاد) از عملیات حفاری استفاده می‌شود. عمليات حفاري به روش‌هاي مختلف نظير حفاري دوراني(Rotary) و يا دوراني- ضربه‌اي (D.T.H) صورت مي‌پذيرد.
لوله‌كوبي
پس از حفاري، لوله‌هاي میکروپایل (ریزشمع) در محل‌هاي مشخص شده و توسط دستگاه‌هاي لوله كوب كوبيده مي‌شود. لوله قطعه اول به صورت سرنيزه بوده و قطعات بعدي به ترتيب توسط بوشن و جوش كاملا بهم متصل می‌شوند. عمليات کوبش تا زمانی که امکان کوبيدن لوله‌ها ميسر باشد ادامه می‌يابد و اگر در ازای ۳۰ ضربه متوالی لوله‌كوب، لوله بيشتر از ۱۰سانتي‌متر فرو نرود، عمليات کوبش لوله میکروپایل (ریزشمع) متوقف می‌گردد.
در اين حالت تا تحقق عمق طراحي حفاري انجام شده و سپس لوله‌هاي مربوط به ريزشمع در درون گمانه نصب مي‌گردد.
لوله‌هاي میکروپایل (ریزشمع) به قطر خارجي ۷۶ ميليمتر و قطر داخلي ۶۸ ميليمتر در قطعات دو متري مي‌باشند. اين لوله‌ها به وسيله بوشن و جوش به يكديگر متصل مي‌شوند. هر میکروپایل (ریزشمع) داراي ۸۰ سوراخ به قطر ۸ ميليمتر، در هر مترطول مي‌باشد. محيط داخلي لوله‌ها بايستي برقوزده باشد تا در تزريق دوغاب اثرات منفي نداشته باشد.
تزریق
دستگاه‌های تزريق از سه بخش ميكسر اوليه، ميكسر ثانويه و پمپ تزريق تشكيل مي‌گردد. اختلاط در میکسر اولیه از نوع سیستم چرخش سریع آب (circulation) بوده و میکسر ثانویه از نوع پره‌ای می‌باشد. ساخت دوغاب تزريق در میکسر اولیه صورت می‌گیرد بدین صورت که ابتدا آب به ميزان مورد نظر در میکسر ريخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سيمان مورد نياز، سيمان به آن افزوده مي‌شود. زمان حداقل هم زدن دوغاب سيمان، ۳۰ ثانيه مي‌باشد. نسبت آب به سيمان مورد استفاده با توجه به شرايط زمين بين ۵/۰ تا ۵/۱ مطلوب مي‌باشد. پس از آماده شدن دوغاب، جهت نگهداري، دوغاب در داخل میکسر ثانويه ريخته شده و سپس به وسيله پمپ‌هاي تزريق مخصوص تزريق مي‌گردد. جهت تزریق دوغاب در لوله‌های میکروپایل (ریزشمع) از شیلنگ‌های مخصوصی به نام پکر استفاده می‌شود که هنگام تزریق، پکر به جداره لوله می‌چسبد و مانع از خروج دوغاب می‌شود. بطور مثال مرحله اول بستن پكر براي میکروپایل ۸-۱۰ متري در عمق ۶ متري گمانه بوده و پس از اتمام عمليات تزريق عمق ۶ متري، پكر در عمق ۴ متري بسته مي‌شود و پس از اتمام تزريق در اين مرحله، پكر در عمق ۲ متري بسته مي‌شود و نهايتاً پس از تزريق در اين مرحله، پكر سرچاهي بسته مي‌شود و عمليات تزريق به اتمام مي‌رسد. در صورتيكه نشتي دوغاب از سطح يا میکروپایل (ریزشمع) هاي جانبي مشاهده شود، عمليات تزريق متوقف مي‌گردد.
مشخصات تزریق
فشار تزريق: فشار تزريق در مراحل مختلف تزريق، در اعماق مختلف، تحت تاثير جنس زمين و شرايط ژئوتكنيكي مي‌تواند متغير باشد. حداكثر فشار تزريق به ۱۰ اتمسفر محدود مي‌گردد.
مقدار سيمان مصرفی: باتوجه به شرايط ژئوتكنيكي و ميزان باربري طراحي ريزشمع‌ها، مقدار سيمان برآوردي معادل هر مترطول میکروپایل (ریزشمع) تا ۱۰۰ كيلوگرم مي‌تواند باشد. البته باتوجه به اين امر كه بايد تزريق تا فشار ۱۰ اتمسفر ادامه يابد، لذا ممكن است مقدار سيمان از برآورد اوليه بيشتر گردد.
نسبت آب به سيمان: نسبـت آب به سيمان در دوغــاب تـزريـق مـورد استفـــاده، بيـن ۵/۰ تا ۵/۱ در شرايط عادي و نسبت آب به سيمان دوغاب در شرايط ديگر از ۶۷/۰ تا ۱ مي‌تواند متغير باشد. قابل ذكر است كه نسبت دوغاب در هر بخش به پيشنهاد پيمانكار و تاييد دستگاه نظارت تعيين مي‌گردد.
نوع سيمان مصرفي: نوع سيمان مصرفي در ملات تزريق سيمان از نوع سيمان پرتلند تيپ یک، تیپ دو و يا سيمان تيپ پنج است که با توجه به شرايط شيميايي محل مورد نظر تعيين مي‌گردد.
آب مصرفی: آبي كه در تهيه دوغاب تزريق بكارمي‌رود، بايد تميز و صاف بوده و داراي كليه شرايط لازم براي آب مصرفي در ساخت بتن باشد. آب مصرفي بايستي عاري از هر نوع ماده‌اي از قبيل اسيدها، قليا‌ها، مواد قندي، نمك‌ها و مواد آلي كه منجربه ايجاد صدمه به بتن مي‌شود، باشد. آب مورد استفاده در ساخت دوغاب تزريق بايد داراي ذرات جامد معلق كمتر از ۲/۰ درصد، مواد محلول كمتر از ۵/۳ درصد، درصد كلر كمتر از ۱ درصد، درصد سولفات كمتر از ۳/۰ و درصد قليايي كمتر از ۰۶/۰ باشد. در حالت كلي آب قابل شرب جهت ساخت دوغاب مناسب مي‌باشد.
تسليح و نصب فلنج
در صورت اجرای میکروپایل (ریزشمع) باربر، جاگذاری آرماتور تسليح در داخل لوله ميكروپايل (ریزشمع) و نصب فلنج ضروری مي‌باشد. بديهي است كه آرماتور تسليح مي‌بايست قبل از گيرش سيمان در داخل گمانه نصب شود.
فلنج كه به منظور ايجاد اتصال كامل بين ميكروپايل و بتن فونداسيون و همچنين جلوگيري از برش سوراخ کننده سر ميكروپايل در داخل بتن پي بكار مي‌رود، مي‌بايست در آخرين مرحله به آرماتور تسليح ميكروپايل جوش شود.
شرایط مطلوب در اجرای میکروپایل (ریزشمع) ها
عوامل مختلفی در انتخاب میکروپایل (ریزشمع) برای پی سازه و پایداری شیب ها موثرند. این عوامل عبارتند از:
۱- شرایط فیزیکی
محدودیت‌های دسترسی در نواحی دورافتاده؛
نزدیکی به ساختمان‌های موجود
۲- شرایط زیر زمینی
شرایط زمین‌شناسی دشوار؛
زمین‌های مستعد روانگرایی در طی نصب شمع
۳- شرایط محیطی
– نواحی حساس به لرزش و صدا؛
– خاک‌های پر خطر یا آلوده
۴- سازگاری با سازه موجود
۵- محدودیت میکروپایل (ریزشمع) ها
۶- شرایط اقتصادی
شرایط فیزیکی
تجهیزات حفاری و تزریق مورد استفاده برای نصب میکروپایل (ریزشمع)، نسبتا” کوچک هستند و می‌توانند در نواحی محدود که امکان عبور تجهیزات نصب شمع وجود ندارد، وارد شوند. میکروپایل (ریزشمع)ها می‌توانند در داخل دیوارها و پی‌های با ابعاد چند میلیمتر نصب شوند. نصب آنها تحت تأثیر نیروی فوقانی آنها یا سایر موانع که در نصب شمع‌ها وجود دارد، نمی‌باشد. تجهیزات نصب می‌توانند در نواحی با شیب تند و نیز نواحی دورافتاده حرکت کنند. همچنین عملیات حفاری و تزریق مرتبط با نصب میکروپایل (ریزشمع) ها اگر به شیوه صحیح اجرا گردند، باعث آسیب به ساختمان‌های مجاور نمی‌شود.
شرایط زیرسطحی
میکروپایل (ریزشمع) ها می‌توانند در نواحی با شرایط زمین‌شناسی سخت، متغیر و غیر قابل پیش‌بینی مثل زمین‌های دارای قلوه سنگ و تخته سنگ و تاسیسات زیرزمینی، یا وجود واریزه‌های گوناگون و لنزهای نامرتبی از مواد و اجزای ضعیف نصب شوند. رس‌های نرم، ماسه‌های روان و سطح آب زیرزمینی بالا که در روش نصب سنتی شرایط نامساعد تلقی می‌شوند، کمترین تاثیر را بر روی نصب میکروپایل (ریزشمع) دارند. میکروپایل (ریزشمع) ها در سرتاسر جهان در سازندهای آهکی کارستی کاربرد دارند.
شرایط محیطی
میکروپایل (ریزشمع) ها می‌توانند در خاک‌های پر خطر و آلوده نصب شوند. قطر کوچک آنها باعث کاهش میزان تلفات در هنگام نصب نسبت به شمع های سنتی جانشینی می‌شود. مخلوط دوغاب می‌تواند به گونه‌ای طراحی شود که در برابر فعالیت شیمیایی آب و خاک مقاوم باشد. در طرح اختلاط دوغاب، می‌توان از افزودنی‌ها استفاده نمود تا از زوال بتن در محیط‌های اسیدی و خورنده جلوگیری شود.
میکروپایل (ریزشمع)ها می‌توانند در نواحی حساس مثل نواحی با طبیعت شکننده نصب شوند. تجهیزات نصب آنها به بزرگی و یا به سنگینی تجهیزات حفاری و نصب شمع‌های معمولی نیست و می‌تواند در نواحی باتلاقی (لجن زار) یا نواحی دیگر با خاک سطحی نرم و مرطوب، با کمترین تاثیر بر روی محیط استفاده شود. تجهیزات حفاری قابل حمل، به طور متداول در نواحی با دسترسی محدود استفاده می‌گردد.
نصب میکروپایل (ریزشمع)، صدا و لرزش کمتری نسبت به تکنیک‌های رایج نصب شمع‌های سنتی مانند شمع‌کوبی ایجاد می‌نماید. لرزش‌های ایجاد شده در حین حفاری، ابتدا به خاک و سپس از خاک به ساختمان‌های مجاور منتقل می‌شود. استفاده از میکروپایل (ریزشمع) در نواحی شهری قدیمی و صنعتی، می‌تواند مانع از ایجاد این اثر مخرب بر تجهیزات و سازه‌های حساس مجاور شود.
میکروپایل (ریزشمع) ها می‌توانند در مناطقی که یک لایه آبدار آلوده بر روی یک لایة باربر قرار دارد، نصب شوند. بر خلاف شمع‌های کوبیدنی که ممکن است یک مجرای عمودی برای انتقال آلودگی ایجاد کنند، میکروپایل (ریزشمع)ها می‌توانند به گونه‌ای نصب شوند که مانع از آلودگی لایه های آبدار زیرین شوند.
سازگاری با سازه موجود
میکروپایل (ریزشمع)ها می‌توانند به کلاهک شمع‌های موجود اضافه شوند. بنابراین نیاز به افزایش ابعاد پی از بین می‌رود. این عمل باعث تامین مقاومت فشاری، کششی و خمشی مورد نیاز اضافی، هنگام افزایش بار سازه می‌شود. گاهی محدودیت‌های سازه‌های مجاور، امکان افزایش ابعاد کلاهک شمع موجود را به ما نمی‌دهند. بنابراین نیاز به سیستم‌های معمول نصب شمع از بین می‌رود.
محدودیت میکروپایل (ریزشمع) ها
در برخی شرایط، میکروپایل (ریزشمع) های عمودی ممکن است از لحاظ ظرفیت باربری جانبی و کاهش هزینه‌ها دارای محدودیت باشند. همچنین فرض می‌شود به خاطر قطر نسبی کوچک آنها، ظرفیت باربری محوری محدودی داشته باشند. اگرچه در آزمایش، میکروپایل (ریزشمع) ها تا بار محوری ۴۵۰۰ کیلونیوتن در ماسه متراکم را تحمل کرده‌اند. بنابراین انتظار می‌رود با تحقیقات و آزمایشات بیشتر بتوان ظرفیت باربری جانبی را نیز افزایش داد. امکان نصب میکروپایل (ریزشمع) به صورت مایل، به طراحان برای رسیدن به ظرفیت باربری جانبی مورد نیاز کمک می‌کند. هزینه اجرای میکروپایل (ریزشمع) ها معمولا از سیستم‌های نصب شمع سنتی و به خصوص شمع‌های کوبیدنی بیشتر می‌باشد. اما در برخی شرایط خاص، میکروپایل (ریزشمع)ها به عنوان گزینه دارای صرفه اقتصادی و در عین حال تنها راه حل ممکن برای ساخت و اجرای پروژه می‌باشند. استفاده از میکروپایل (ریزشمع) در پایدارسازی شیب‌ها در ارتفاع‌های محدود و بر اساس تجربیات محدود گذشته صورت گرفته است. به خاطر تعداد محدود پروژه‌های اجرا شده، پیشنهاد می‌شود که در کاربردهای پایدارسازی شیب‌ها ابزاربندی و پایش شود.
شرایط اقتصادی
صرفه اقتصادی میکروپایل (ریزشمع) ها به فاکتورهای بسیاری بستگی دارد. بسیار مهم است که هزینه اجرای میکروپایل (ریزشمع) ها را با توجه به شرایط فیزیکی، محیطی و زیرسطحی که در بالا توضیح داده شد، ارزیابی کنیم. به عنوان مثال برای یک سایت با خاک نرم، تمیز و یکنواخت و دسترسی آسان، میکروپایل (ریزشمع) نمی‌تواند راه حلی قابل رقابت با سایر راه کارها باشد. به هر حال، برای پی سازی حساس در زیر پایه‌های پل در نواحی مسکونی یا صنعتی قدیمی با ترافیک سنگین، میکروپایل (ریزشمع) ها می‌توانند به عنوان راه حلی با صرفه اقتصادی مطرح گردند.
مخلوط دوغاب می‌تواند طوری طراحی شود که در برابر فعالیت شیمیایی آب و خاک ایستادگی کند. ترکیبات مخصوص می‌توانند در طراحی مخلوط دوغاب استفاده شوند تا باعث افزایش مقاومت آن در برابر محیط‌های اسیدی و خورنده شود.
تحلیل هزینه‌ها بایستی با در نظر گرفتن کلیه هزینه‌های مربوط به پروژه و نه فقط هزینه‌های مربوط به نصب شمع، انجام گردد. این هزینه‌ها ممکن است شامل موارد زیر باشند:
نیازمندی‌های مربوط به حفاری، شمع کوبی و خاکریزی؛
اجرای پی؛
حمل مصالح پر خطر؛
پایین آوردن سطح آب زیرزمینی؛
کنترل فرسایش؛
محدودیت‌های دسترسی؛
بهسازی زمین و …
کاربردها
با توجه به توضیحات ارائه شده در بخش قبل، می‌توان کاربرد میکروپایل (ریزشمع) ها را به طور کلی در دو بخش زیر بیان نمود:
۱- استفاده از میکروپایل (ریزشمع) به عنوان المان باربر
۲- استفاده از میکروپایل (ریزشمع) با هدف بهسازی خاک
کاربرد اولیه و اصلی میکروپایل (ریزشمع) به عنوان المان باربر است. مطالعات زیادی در این زمینه صورت پذیرفته است و روش‌های طراحی آن نیز در مراجع مختلف موجود است. اما برخلاف بخش اول، استفاده از میکروپایل (ریزشمع) ها با هدف بهسازی خاک موضوعی جدید است که در طی سالیان اخیر مطرح شده و مطالعات محدودی بر روی آن انجام شده است. در حال حاضر در ایران، میکروپایل (ریزشمع) ها در چهار بخش زیر استفاده می‌شوند:
– استفاده به عنوان المان باربر در زیر پی ساختمان‌ها
– استفاده به عنوان المان باربر برای ترمیم پی ساختمان‌های قدیمی
– استفاده به عنوان المان باربر در زیر پی سایر روسازه‌ها (کوله پل‌ها، مخازن نفت و گاز و…)
– استفاده با هدف بهسازی خاک و افزایش پارامترهای مقاومتی و رفتاری آن
– استفاده با هدف بهسازی خاک و مقابله با پدیده روانگرایی
سیستم طبقه‌بندی میکروپایل (ریزشمع)
تقسیم بندی میکروپایل (ریزشمع) ها بر اساس دو معیار صورت می گیرد:
– نحوه طراحی
– روش اجرا
طبقه‌بندی بر اساس نوع طراحی
طراحی میکروپایل (ریزشمع) منفرد یا گروه میکروپایل (ریزشمع)، با طراحی میکروپایل (ریزشمع) های زنبوری بسیار متفاوت است. این امر سبب شده است تا دو دسته طراحی برای میکروپایل (ریزشمع) ها تعریف شود. در دسته اول، میکروپایل (ریزشمع) ها مستقیما بارگذاری شده و مسلح کننده‌ها قسمت اعظم بار اعمالی را تحمل می‌نمایند. در دسته دوم، میکروپایل (ریزشمع) ها به صورت شبکه‌ای درون خاک قرار گرفته و ایجاد یک سیستم ترکیبی خاک مسلح می‌نمایند که بارهای اعمالی را تحمل می‌نماید. این سیستم ترکیبی همان شبکه میکروپایل (ریزشمع)های زنبوری می‌باشد.
در دسته اول، میکروپایل (ریزشمع) ها به عنوان جایگزین شمع‌های سنتی برای انتقال بار سازه به لایه‌های مقاوم زیرین استفاده می‌شوند. این میکروپایل (ریزشمع)ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که عملکرد منفرد داشته باشند حتی اگر به صورت گروهی اجرا شوند. در دسته دوم میکروپایل (ریزشمع)ها دارای تقویت سبک‌تر می‌باشند زیرا مسلح کننده‌ها، مانند دسته اول مستقیما تحت بارگذاری قرار نمی‌گیرند و این توده خاک و شمع است که بارهای اعمالی را تحمل می‌نماید. علاوه بر این دو دسته، نوع دیگری از میکروپایل (ریزشمع) ها در ایران استفاده می‌شود که به میکروپایل (ریزشمع) «تحکیمی» معروف است. میکروپایل (ریزشمع) تحکیمی از لحاظ فلسفه رفتاری شبیه میکروپایل (ریزشمع) های شبکه‌ای است با این تفاوت که در آن از آرماتور تسلیح استفاده نمی‌شود. تزریق دوغاب سیمان بخش اصلی میکروپایل (ریزشمع) تحکیمی است که با استفاده از آن پارامترهای مقاومتی و رفتاری خاک افزایش پیدا می‌کند.
طبقه بندی بر اساس روش اجرا
روش تزریق، مهمترین عامل تاثیرگذار بر مقاومت باند بین زمین و دوغاب می‌باشد. به گونه‌ای که مقاومت باند به طور مستقیم با تغییر روش تزریق، تغییر می‌نماید. در این طبقه‌بندی، معیار، روش تزریق و فشار آن می‌باشد و استفاده از غلاف و آرماتور تقویت تعیین کننده زیربخش‌های این طبقه‌بندی می‌باشد. در این طبقه‌بندی میکروپایل (ریزشمع) ها به ۴ دسته تقسیم می‌شوند.
نوع A: در این روش اجرا، دوغاب تحت وزن خودش در محل قرار می‌گیرد.
نوع B: در این روش دوغاب سیمان، پس از خارج شدن غلاف فولادی حفاری از گمانه، تحت فشار به داخل گمانه تزریق می‌شود. فشار تزریق معمولا بین ۵/۰ تا ۱ مگاپاسکال تغییر می‌کند و بایستی به گونه‌ای باشد که مانع از شکست هیدرولیکی گردد.
نوع C: نوع C یک فرآیند دو مرحله‌ای را نشان می‌دهد که در آن ابتدا دوغاب سیمان تحت وزن خودش در داخل حفره قرار می‌گیرد (همانند نوع A). سپس قبل از سخت شدن دوغاب اولیه (بعد از حدود ۱۵ تا ۲۵ دقیقه)، همان نوع دوغاب از طریق لوله‌های تزریق مشبک و بدون استفاده از پکر، در محل تماس دوغاب با زمین و در فشار حداقل ۱ مگاپاسکال تزریق می‌شود. این نوع میکروپایل (ریزشمع) فقط در فرانسه استفاده می‌شود.
نوع D: نوع D یک فرآیند دو مرحله‌ای از تزریق مشابه نوع C، اما با تغییراتی در مرحله دوم می‌باشد. ابتدا دوغاب سیمان یکنواخت تحت وزن خودش مانند نوع A و C و یا تحت فشار، مانند نوع B در حفره قرار می‌گیرد. بعد از سخت شدن دوغاب اولیه، دوغاب بعدی از طریق لوله‌های تزریق مشبک تحت فشار ۲ تا ۸ مگاپاسکال تزریق می‌شود. در این روش از پکر استفاده می‌شود تا در صورت نیاز بتوان سطوح خاص را چندین مرتبه اصلاح نمود.
احداث سیستم میکروپایل (ریزشمع) مزایای ویژه‌ای در مقایسه با سایر روش‌های احداث پی و بهسازی خاک دارد که به صورت زیر می‌توان آنها را بر شمرد:
۱- به تجهیزات کمتری در مقایسه با تجهیزات احداث شمع‌های پیش ساخته یا درجا نیاز دارد.
۲- در زمین‌هایی که فضای کار محدودی دارند می‌تواند استفاده شود (به طور مثال در زیرزمین سازه‌های قدیمی یا در زیر عرشه پل‌ها و …).
۳- سرعت اجرایی بالایی دارد.
۴- کار با تجهیزات آن آسان است.
۵- به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، می‌تواند در افزایش ظرفیت باربری پی‌های موجود استفاده شود.
۶- به دلیل کمتر بودن میزان صدا، ارتعاش و لرزش حاصل از نصب در محیط‌های شهری قابل استفاده است.
۷- انجام آزمایش‌های مختلف بر روی آن، مانند آزمایش بارگذاری فشاری، کششی و جانبی آسان است.
اصول طراحی میکروپایل (ریزشمع)
اصول محاسبات مهندسی میکروپایل (ریزشمع) تابع نوع کاربری میکروپایل (ریزشمع) و به تبع آن نحوه رفتار آن می‌باشد. در شرایطی که میکروپایل (ریزشمع)ها با هدف تحکیم و بهسازی بستر پی سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، محاسبات فنی میکروپایل (ریزشمع) مشابه با محاسبه شمع‌های متداول است. این محاسبات مبتنی بر سه بخش طرح سازهای (Structural Design)، طرح ژئوتکنیکی (Geotechnical Design) و کنترل برش پانج (Cone Shear) می‌باشد.
در طرح سازهای، ظرفیت باربری المان‌های میکروپایل (ریزشمع) مشتمل بر جدار فولادی، آرماتور تسلیح و دوغاب سیمان محاسبه می‌شود. این ظرفیت می‌بایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده به میکروپایل (ریزشمع) باشد.
در طرح ژئوتکنیکی، مقاومت اصطکاکی جداره میکروپایل (ریزشمع) با خاک اطراف محاسبه می‌گردد. این مقاومت اصطکاکی می‌بایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده باشد تا امکان جدایی میکروپایل (ریزشمع) از خاک قبل از وقوع تسلیم عوامل مسلح کننده میسر نگردد.
در گام نهایی طرح، با توجه به این امر که میکروپایل (ریزشمع)ها دارای بار متمرکز زیاد و قطر کوچک بوده و برش پانج باتوجه به سربارهای وارده محتمل می‌باشد، کنترل مقاومت در برابر برش پانچ که منتهی به ارائه طرح فلنج مناسب می‌گردد، انجام می‌شود.
روش‌های طراحی
روش طراحی بار مجاز (SLD) یا تنش مجاز
در این روش طراحی که اغلب مورد استفاده مهندسان ژئوتکنیک قرار می‌گیرد، طراحی به گونه ای است که بار مجاز همواره از بار طراحی بزرگتر می‌باشد.
روش طراحی ضرایب بار یا مقاومت (LFD)
در این روش با استفاده از ضرایب افزایش بار و کاهش مقاومت، طراحی به گونه ای انجام می‌گیرد که همواره مقاومت طراحی از مقاومت مورد نیاز بزرگتر باشد.
در هر دو روش طراحی با اعمال ضریب اطمینان سعی می‌شود، عدم قطعیت‌های موجود در بارگذاری و خصوصیات خاک و مصالح که از ماهیت تصادفی ذاتی آنها ناشی می‌شود، جبران گردد.
کنترل کیفیت عملکرد
برای اطمینان از اینکه میکروپایل (ریزشمع) ها قابلیت تحمل بار طراحی در نظر گرفته شده را بدون جابجایی اضافی و با ضریب اطمینان کافی در طول عمر خدمت خود دارا می‌باشند، آزمایش بارگذاری صحرایی بر روی میکروپایل (ریزشمع) ها انجام می‌گیرد. علاوه بر آن با استفاده از این تست ها امکان کنترل عملکرد پیمانکار در حین اجرا و پس از عملیات حفاری، نصب و تزریق وجود خواهد داشت.
در تمامی آزمایش‌های بارگذاری مقاصد زیر مد نظر می‌باشند:
رسیدن به یک بار ماکزیمم از پیش تعیین شده؛
رسیدن به جابجایی محوری از پیش تعیین شده؛
رسیدن به آستانه خزش از پیش تعیین شده؛
آزمایش‌های بارگذاری به ۴ دسته کلی تقسیم می‌شوند:
آزمایش نهایی: در این آزمایش بارگذاری تا مرحله ایجاد گسیختگی (بدون افزایش بار تغییر مکان ها افزایش می‌یابد) بین خاک و دوغاب ادامه می‌یابد.
آزمایش تأیید: این آزمایش برای کنترل اینکه آیا متد اجرا، قابلیت تامین مقاومت باند در نظر گرفته شده را دارد، انجام می‌گیرد. بزرگی بار آزمایش با توجه به ضریب اطمینان در نظر گرفته شده تعیین می‌گردد. به عنوان مثال اگر ضریب اطمینان ۲٫۵ در نظر گرفته شده باشد، بار آزمایش ۲۵۰ برابر بار طراحی می‌باشد. در آزمایش تایید، میکروپایل (ریزشمع) ضرورتا به نقطه گسیختگی نمی‌رسد. این آزمایش معمولا بر روی میکروپایل (ریزشمع) “قربانی” پیش از آغاز ساخت انجام می‌شود. همچنین در حین اجرا، برای تعیین ظرفیت‌ها در شرایط مختلف خاک و متدهای متفاوت اجرا، انجام می‌شود.
آزمایش اثبات: این آزمایش معمولا بر روی درصدی از میکروپایل (ریزشمع) ها (حدود ۵%) انجام می‌شود. این آزمایش به صورت افزایش بار مرحله ای تا رسیدن به درصدی از بار طراحی، (توصیه آیین نامه ۱۶۷ درصد) انجام می‌شود. با استفاده از این آزمایش، توانایی میکروپایل (ریزشمع) در تحمل بارهای سرویس بدون تغییرمکان های زیاد کنترل می‌گردد.
آزمایش خزش: این آزمایش معمولاً در ضمن سه آزمایش قبلی (نهایی، تأیید و اثبات) انجام می شود. آزمایش خزش شامل اندازه‌گیری میزان جابجایی، در بار ثابت و در فواصل زمانی مشخص است. حداکثر تغییر مکان حدود ۲ میلیمتر در هر مرحله زمانی، معیار پذیرش محسوب می‌شود. هدف از انجام این آزمایش بررسی ایمنی سیستم در مقابل بارهای طراحی در زمان بهره‌برداری است.
