• کاربرد ریزشمع یا میکروپایل ­ها در پروژه­های ترابری

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها عمدتاً برای دو کاربرد مورد استفاده قرار می­گیرند: 1) حفاظت و تقویت سازه­ای  و 2) مقاوم سازی درجا (شکل 3-1).

­تقویت سازه­ای شامل فونداسیون­های در دست اجرا، تقویت پی­های موجود، مقاوم سازی لرزه­ای و حفاظت زمین می­باشد. مقاوم­سازی درجا، برای پایدارسازی شیروانی­ها، حفاظت ­زمین و مقاوم­سازی زمین و محافظت از آن، کاهش نشست­ها 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.

­شکل 1.  تقسیم­بندی کاربرد ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها

برای حفاظت و تقویت سازه­ای، می­توان ریزشمع (یا میکروپایل) ­های قطر کوچک را جایگزین سیستم شمع­های 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

پشتیبانی سازه­ای مقاوم­سازی درجای زمین
کاربرد – تقویت پی­های موجود

– فونداسیون­های در دست اجرا

– مقاوم سازی لرزه­ای

– پایدارسازی شیروانی­ها

– حفاظت زمین

مقاوم سازی زمین کاهش نشست پایداری سازه­ای
رفتار طراحی تیپ 1 تیپ 1 و تیپ 2 و تغییر از یکی به دیگری تیپ 2 و بطور فرعی تیپ 1 تیپ 2 تیپ 2
نوع اجرا و ساخت نوعA (در سنگ­ها و رس­های سخت)

نوعB ، C و D

(در خاک­ها)

نوعA و B در خاک­ها نوع A و B در خاک­ها نوع A در خاک­ها نوع A در خاک­ها
برآورد کاربرد نسبی تقریباً 95% کل کاربرد جهانی تا 5 درصد

سایر کاربردهای مقاوم­سازی 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.

شکل 2. طرح ترمیم کج شدگی مناره “Al Hadba”

  • فونداسیون سازه­های 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 پایه­های پل، یا بر روی شمع­های درجا و یا بر روی شالوده­های سنگی احداث شده­اند، 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 (عکس 1) 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.

عکس 1. ریزشمع (یا میکروپایل) ­های 175 م.م استفاده شده زیر تکیه­گاه­های پل نهر “ماهونینگ” در استان آرمسترانگ

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.

 

شکل3. ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها برای تقویت فونداسیون در پروژه­های ترابری

  • تقویت فونداسیون سازه­های موجود

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها اساساً، بمنظور تقویت فونداسیون سازه­های موجود توسعه یافتند. تقویت پی سازه­های 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.

عکس 2. تقویت پی پل بتنی خیابان امرسون غربی در سیاتل، واشینگتن

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.

شکل 4. آرایش ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها جهت تقویت پی پل رودخانه “پوکوموک” در ماریلند

(Bruce et al, 1990)

  • مقاوم­سازی لرزه­ای

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 مقاوم­سازی لرزه­ای توسط اداره راه و ترابری کالیفرنیا در North Connector over-Crossing at I-110 in Los Angeles (عکس 3) 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

 

عکس 3.  مقاوم­سازی لرز­ه­ای “I-110″، پل ارتباطی شمال، لوس آنجلس، کالیفرنیا

  • 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.

شکل 5. گونه­ای از آرایش دیوارهای ریزشمع (یا میکروپایل)  اریب

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).

شکل 6. پایدارسازی شیروانی جاده ایالتی شماره 4023 بوسیله ریزشمع (یا میکروپایل) ، استان آرمسترانگ پنسیلوانیا

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.

 

شکل 7. دیوار 600 پورتلند، اورگون

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).

 

شکل 8. پایدارسازی شیروانی با استفاده از “تیپ 2”

پروژه FH-7 ،Mendonico National Forest, California