عملیات تزریق در اجرای ریزشمع یا میکروپایل

عملیات تزریق، تاثیر مهمی بر ظرفیت باربری ریزشمع (یا میکروپایل)  دارد و اساسی­‌ترین تقسیم‌­بندی ریزشمع (یا میکروپایل)­ها به لحاظ ساخت و اجرا نیز مبتنی بر روش تزریق می­باشد. جزئیات هر کدام از انواع عملیات­‌های تزریق گاهی اوقات در اقصی نقاط جهان بسته به مبدا اجرا و کیفیت منابع محلی دست خوش تغییر می­شود. اما با ملاحظات کلی، می­توان چنین گفت که:

  • دوغاب سیمان برای تامین مقاومت و استقامت بالا طراحی می­شود، اما همچنین بایستی قابلیت پمپ شدن را نیز داشته باشند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، این موضوع اشاره ضمنی به نسبت وزنی آب به سیمان (W/C) در محدوده “4/0 تا 5/0″، در تزریق ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها دارد.
  • بمنظور کاستن از خطر خوردگی آرماتورها، دوغاب سیمان باید با آب قابل شرب تهیه ­گردد.
  • اغلب، سیمان­های تیپ I و II منطبق با ASTM C150/AASHTO M85 مورد استفاده قرار می­گیرند که بسته به شرایط محلی، وسعت گارگاه، موجود بودن سیمان در محل و هزینه­ها باید به شکل کیسه­ای یا بونکری نگهداری شوند.
  • بیشتر از مخلوط آب و سیمان استفاده می­شود، اگرچه در برخی کشورهای خاص (مثلاً ایتالیا، انگلستان) ماسه یک افزودنی رایج می­باشد. بنوتنیت (که مقاومت دوغاب را کاهش می­دهد) در مخلوط اولیه همراه با احتیاط زیاد استفاده می­گردد، در حالیکه افزودنی­ها صرفاً محدود به مواردی می­شوند که قابلیت پمپاژ در مسافت­های طولانی و یا در آب و هوای گرم (مثلاً، کاهش زیاد نسبت آب) را ارتقاء دهند.
  • باید مقاومت فشاری طرح، معادل با 28 تا 35 مگاپاسکال را با یک پروسه تهیه و تولید مناسب دوغاب سیمان بدست آورد.

اهمیت حیاتی روش اجرای تزریق با این حقیقت مشخص می­شود که دوغاب تزریق شده بایستی اهداف زیر را تامین کند:

  • بایستی بارهای اعمالی بین آرماتورها و خاک اطرافش را انتقال دهد.
  • دوغاب بخشی از مقطع عرضی شمع، که متحمل بارها می­باشد را تشکیل می­دهد.
  • بایستی آرماتورهای فولادی را از خوردگی حفظ کند.
  • اثرات دوغاب ممکن است بواسطه تراوش، تراکم و یا شکاف و ترک خوردگی، از محدوده گمانه حفاری شده فراتر رود.

 

شکل 1. تاثیر میزان آب بر مقاومت فشاری دوغاب و خاصیت سیالیت آن

(Barley and Woodward, 1992)

بنابراین دوغاب سیمان بایستی خواص لازم سیالیت، مقاومت، استحکام و دوام پذیری را دارا باشد. درک اشتباه از شرط سیالیت دوغاب می­تواند منجر به افزایش میزان آب گردد، که این موضوع تاثیر سوء بر 3 خاصیت دیگر مذکور دارد. در بین همه عواملی که بر سیالیت دوغاب و سایر خواص آن تاثیر دارند، نسبت آب به سیمان غالب می­باشد. شکل 1 نشان می­دهد که چرا این نسبت بین 4/0 تا 5/0 محدود گشته است، اگرچه حتی ممکن است در نسبت آب به سیمان “4/0″، افزودنی­هایی جهت تضمین قابلیت پمپاژ کافی، لازم باشد.

برای ساخت شمع سالم ضروری است که پس از تکمیل عملیات تزریق، در هیچ یک از قسمت­های مختلف شمع که جهت تحمل بار یا حفاظت از خوردگی بکار می­رود، کمبود عمده و قابل توجهی از دوغاب سیمان وجود نداشته باشد. مشکلات ناشی از نقصان دوغاب ممکن است استفاده از یک ماده پرکننده مثل ماسه را برای بستن لایه­ های نفوذپذیر الزامی نماید، یا ممکن است لازم باشد که گمانه را تزریق کرده و مجدداً پس از گیرش تزریق اولیه، حفاری کرده دوباره تزریق را انجام دهیم.

برای یک شمع نوعB ، دستیابی به فشار مورد نظر در طی تزریق همیشه میسر نیست و ممکن است همیشه مهر و موم خاک در اطراف غلاف برای تحمل تزریق تحت فشار کافی نباشد. این مورد ممکن است بعد از تزریق تحت فشار جزئی از طول گمانه اتفاق بیافتد. اگر این مورد رخ دهد، دوغاب بایستی پمپ شود تا زمانیکه سطح آن به بالای شمع برسد، در این زمان تزریق قطع می­گردد. نگه داشتن فشار تزریق در سطح معقول (7/0 مگاپاسکال یا کمتر) به جلوگیری از این رخداد کمک خواهد کرد. اگر طول پیوند شمع­های آزمایشی (جهت بررسی ظرفیت­های ژئوتکنیکی) تحت فشار مورد نظر تا ارتفاع کامل تزریق شوند، ممکن است سوالاتی در خصوص کفایت شمع­هایی که تحت فشارهای پائین تزریق می­شوند مطرح شود. یکی از مزایای انجام آزمایش شمع تحت بارهای بالا (150 تا 200 درصد بار طرح) یا تحت گسیختگی ناشی از کاهش چسبندگی بین شمع و خاک، پی بردن به ظرفیت­های ژئوتکنیکی واقعی شمع­ها و رفع دغدغه خاطر کاذب می­باشد. ارائه آزمایشات مستند، می­تواند نحوه اجرای شمع­های مورد تردید را اصلاح نماید. از آنجا که دوغاب یکی از اجزاء خیلی حیاتی ریزشمع (یا میکروپایل)  می­باشد، بایستی کنترل شدیدی در کیفیت تولید و تهیه آن صورت گیرد.

_ تجهیزات تزریق

بعنوان یک قاعده کلی، بایستی تجهیزات مناسبی در کارگاه برای اختلاط و پمپاژ دوغاب سیمانی جهت تزریق ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها مورد استفاده قرار گیرد. دوغاب با بهترین کیفیت، هم به لحاظ سیالیت و هم مجموعه سایر خواص، بالعکس میکسرهای سرعت پایین و انرژی پایین (مانند میکسرهایی که با دست راه اندازی می­شوند، شکل 3)، بوسیله میکسرهای کلوئیدی با انرژی زیاد و سرعت بالا (شکل 4) تولید می­شود.

منبع تامین نیروی تجهیزات اختلاط می­تواند هوا، دیزل یا نیروی برق باشد که در دامنه وسیعی از ظرفیت­ها و اندازه­ها، توسط تولیدکنندگان مختلف ساخته می­شوند. فشار تزریق پایین برای دوغاب (تا یک مگاپاسکال) معمولاً با استفاده از فشار ثابت، پمپ­های دوار و گردون (پمپ­های Moyno) حاصل می­گردد، در حالیکه تزریق­های فشار بالا، مانند ریزشمع (یا میکروپایل) ­های نوع C یا D، معمولاً مستلزم یک پیستون فشار نوسانی یا پمپ کوبه­ای می­باشند.

شکل 4. انوع متفاوت میکسرهای کلوئیدی

شکل 3. انواع متفاوت میکسرهای پدالی

_ اختلاط دوغاب

در ابتدا، حجم معینی از آب درون میکسر ریخته می­شود، در ادامه سیمان و سپس مصالح دانه­ای یا پرکننده (در صورت نیاز) اضافه می­گردد. عموماً توصیه شده است که دوغاب بایستی حداقل به مدت 2 دقیقه مخلوط گشته و سپس قبل از پمپ شدن به درون شمع، تحت یک تلاطم آرام و پیوسته درون میکسر ثانویه (مخزن) نگهداری شود. تنها در مصارف زیاد، مثلاً در مواردی که انتظار می­رود قطعات بزرگ استثنائی آماده گردد، نیاز به مخزن ذخیره دوغاب می­باشد. دوغاب بایستی، در طی حداکثر زمان خاصی پس از اختلاط تزریق شود. با توجه به آنکه این زمان “کارایی ایمن” به عوامل متعددی وابسته است، لذا این زمان بایستی بر اساس آزمایش­های برجا (در محل) تعیین شود. اما عموماً نباید فراتر از یک ساعت ­رود.

آب نیز بوسیله یک تانکر مدرج یا جریان سنج، به مجموعه درون میکسر اضافه می­شود. سیمان معمولاً بر اساس وزن، یا بصورت سیمان کیسه­ای و یا سیمان ذخیره شده در سیلو به مجموعه اضافه می­شود. ماسه یا مصالح پرکننده نیز بر اساس وزن بوسیله کیسه­های از پیش اندازه­گیری شده یا بطور رایج­تر، با استفاده از یک گیج باکس که پیشاپیش کنترل و وزن شده است به مجموعه اضافه می­شوند. در مورد مصالح فله­ای، برای کنترل کیفیت (سنجش حجم یا وزن) اجزای اضافه شده به مخلوط، بایستی روش­هایی اندیشیده شود.

_ تکنیک­های تزریق دوغاب

چهار تقسیم­بندی از روش تزریق در فصل 2 همین کتاب بیان شد. در ادامه این روش­ها با جزئیات بیشتر توضیح داده می­شوند.

 

  • روش تزریق ثقلی (ریزشمع یا میکروپایل نوع A)

پس از حفر گمانه تا انتها، با دوغاب پر شده و آرماتورها جاگذاری می­شوند. تزریق دوغاب بایستی همیشه از طریق یک لوله ترمی واقع در درون گمانه، از ته گمانه شروع شود. در انتهای کار دوغاب بایستی با کیفیتی مشابه به آنچه که در ابتدا بدرون گمانه تزریق شد، به بیرون از گمانه جریان یابد. اکنون می­توان تزریق را  متوقف نمود. هیچ فشار اضافی در حین تزریق بکار گرفته نمی­شود.

دوغاب معمولاً شامل یک مخلوط سیمان تمیز با نسبت وزنی آب به سیمان حدوداً “45/0 تا 5/0” می­باشد. در اروپا، مخلوط ماسه­ای با نسبت 1:1 یا 2:1،(سیمان:ماسه) نیز اضافه می­شود، اما این ترکیب بخاطر تمایل به استفاده از فشار تزریق بالاتر با دوغاب سیمان تمیز کمتر رواج پیدا کرده است. امروزه روش­های ثقلی تنها زمانی استفاده می­شوند که شمع­ها در بستر سنگی اجرا شوند، یا زمانی­ که شمع­های با ظرفیت پایین، در خاک­های چسبنده سفت و سخت اجرا می­شوند (Bruce and Gemme, 1992).

  • تزریق فشاری از میان غلاف (ریزشمع یا میکروپایل نوع B)

دوغاب ثانویه (مرحله دوم) بعد از تزریق ثقلی دوغاب اولیه، و در حین بیرون کشیدن غلاف موقت، تحت فشار تزریق می­شود. هدف، بالا بردن مشخصه­ها و خصوصیات مجموعه خاک- دوغاب می­باشد. این عملیات می­تواند به طول پیوند ناقل نیرو در داخل لایه تحمل کننده نیرو محدود شده یا اینکه در تمام طول شمع اجرا شود، که حالت دوم مناسب­تر است.

تزریق فشاری معمولاً با وصل کردن یک کلاهک فشار در بالای غلاف (که معمولاً سر مته همین نقش را بر عهده دارد) و تزریق دوغاب ثانویه بداخل غلاف تحت فشار کنترل شده صورت می­گیرد. از آنجا که جزئیات سر مته و تکنولوژی پمپ تزریق را نمی­توان با لزجت نسبی ملات ماسه- سیمان تطبیق داد، در مواردی ایجاد فشار در دوغاب با استفاده از اعمال هوای فشرده در حین تزریق صورت گرفته است. این روش در حال حاضر با افزایش قدرت پمپ­ها، در کنار گرایش به استفاده از دوغاب سیمان تمیز و مستحکم بدون ماسه رو به تکامل است. فشار تزریق تا حد امکان در نزدیکی نقطه تزریق، برای محاسبه اتلاف در مسیر بین پمپ و گمانه اندازه­گیری می­شود. عمدتاً، یک گیج فشار به دکل حفاری نصب شده و بعنوان وسیله پایش نرخ سرعت بیرون کشیدن غلاف در طی مرحله تزریق فشاری توسط شخص حفار مشاهده می­شود.

متعاقباً، اگر از کلاهک تزریق استفاده شود و غلاف با وسیله­ای به غیر از دکل مته (مثلاً، توسط جک­های هیدرولیکی) بیرون کشیده شود، معمولاً یک گیج فشار بر کلاهک نصب می­گردد. استفاده کنندگان از این سیستم تصدیق می­کنند که اتلاف در طول مسیر سیستم وجود خواهد داشت، اما نمونه رکوردهای قرائت شده از روی گیج فشار بدون اصلاحات، بیانگر آنست که این اتلاف­ها توسط فشار اضافی ستون دوغاب ناشی از وزن خود آن در طول گمانه جبران می­شوند.

در روش آمریکایی با هدف تثبیت فشارهای جانبی خاک که ممکن است بواسطه پروسه حفاری و تراوش حاصله بداخل خاک­های دانه­ای تیزگوشه یا سنگ­های شکافته شده کاهش یافته باشد، دوغاب ثانویه تحت فشار متوسطی در حدود “5/0 تا 1” مگاپاسکال تزریق می­شود. فشار تزریق موثر (نوعاً 20 و 40 کیلوپاسکال در هر متر عمق بترتیب برای خاک­های سست و خاک­های متراکم) بر حسب عوامل زیر مشخص می­شود:

  • نیاز به اجتناب از ایجاد آشفتگی در زمین یا نقصان دوغاب کنترل نشده
  • طبیعت سیستم حفاری (فشار مجاز برای اوگرها بدلیل نشت از مفاصل و اتصالات و اطراف flights کمتر می­باشد)
  • قابلیت “آب بند” شدن زمین در اطراف غلاف، در طی بیرون کشیدن آن و تزریق تحت فشار
  • نیاز به اجتناب از “انسداد و گرفتگی” غلاف بوسیله دوغاب بخاطر فشار بیش از حد، که مانع از اجرای مناسب شمع می­شود
  • ” تزریق پذیری” زمین
  • ظرفیت باربری لازم برای مجموعه زمین- دوغاب
  • عمق نهایی شمع

تزریق دوغاب تحت فشار با هدف ارتقاء میزان اصطکاک سطحی (چسبندگی) بین خاک- دوغاب و در نتیجه بالا بردن ظرفیت باربری ریزشمع (یا میکروپایل)  می­باشد. تجربیات موجود از مهارکوبی زمین، موید تاثیر تزریق فشاری بر ظرفیت باربری نهایی بوده است. این موضوع با جزئیات بیشتر در فصل 5 بحث شده است.

در طی تزریق فشاری در خاک­های دانه­ای، قدری تراوش و جابجایی خاک­های سست شده اتفاق می­افتد. مضافاً، پدیده­ای معروف به “پالایش فشاری” رخ می­دهد، یعنی در حین تزریق فشاری دوغاب قدری از آب مخلوط سیمان بیرون زده و داخل خاک­های اطرف رانده می­شود. نتیجه این پروسه کم شدن میزان آب دوغاب تزریق می­باشد که منجر به گیرش سریع دوغاب و افزایش مقاومت آن خواهد شد. این رویه همچنین موجب شکل­گیری سریع کیک سیمان در امتداد سطح تماس خاک- دوغاب می­شود که موجب بهبود مجموعه می­گردد. در خاک­های چسبنده، برخی جابجایی­های جانبی، تراکم­ها یا بهسازی­های موضعی خاک ممکن است در اطراف ناحیه خاک- دوغاب رخ دهد، اگرچه بهسازی صورت گرفته عمدتاً کیفیت کمتری نسبت به مورد مشابه برای خاک­های غیر چسبنده دارد.

همچنین بنظر می­رسد که تزریق فشاری موجب نوعی فشردگی و تراکم مجدد خاک در اطراف گمانه شده و قطر موثر شمع را در ناحیه تزریق شده افزایش دهد. این مکانیزم­ها بطور موثر تماس و درگیری بین خاک- دوغاب را افزایش می­دهند، که منجر به چسبندگی بالاتر و عملکرد بهتر بار- جابجایی می­شود. همچنین فشار تزریق می­تواند بطور مکانیکی خصوصیات خاک مابین شمع­ها را بهبود بخشد. این موضوع مختص شمع­های “تیپ 2” است، اما هنوز بطور کامل بررسی نشده است.

  • پیش تزریق (ریزشمع یا میکروپایل­های نوعC و نوع D)

اعمال تزریق با فشار زیاد، در طی مرحله حذف غلاف مناسب نیست. برای مثال، ممکن است موجب ترک­های هیدرولیکی در خاک و یا نشت در اطراف غلاف گردد. همچنین در بعضی روش­های ساخت و اجرای ریزشمع (یا میکروپایل)  ممکن است احتیاج به استفاده از غلاف موقت نباشد و بنابراین تزریق فشاری در روش نوع B میسر نیست. این شرایط منجر به توسعه روش پیش تزریق شده است، که به موجب آن دوغاب ثانویه را می­توان از طریق لوله­های دوغاب مخصوص، اندکی بعد از اجرای دوغاب اولیه تزریق نمود. چنین دوغاب­هایی همیشه مخلوطی از آب و سیمان تمیز می­باشند (برای پمپاژ راحت) و بنابراین ممکن است میزان آب آنها بیشتر از دوغاب اولیه باشد (در محدوده “5/0 تا 75/0” نسبت وزن). آب اضافی این مخلوط­ها با پالایش فشاری در طی عبور از میان خاک بیرون رانده می­شود، و بنابراین دوغاب نهایی تزریق شده میان خاک، میزان آب کمتری دارد (و طبعاً مقاومت بالاتری دارد).

همانطور که در پاراگراف­های بعدی توضیح داده می­شود، فشار بالای پیش تزریق معمولاً بطور موضعی، برای زمان تقریباً محدود به کار برده می­شود. این کار ممکن است فقط چند دقیقه جهت تزریق یک پوسته و روکش صورت گیرد. طبق گزارش­های اداره بزرگراه­های ایالات متحده (1997)، آقای هربست اشاره می­کند که در ریزشمع (یا میکروپایل) ­های نوع B، تامین ظرفیت باربری بالاتر مجموعه خاک- دوغاب، هرچه بهتر و مطلوب­تر حاصل می­شود. جاییکه فشار تزریق پایین است ولی بر یک سطح بزرگ­تر و در یک زمان طولانی­تر اعمال می­شود. این موضوع هنوز در دست بررسی می­باشد. تقسیم­بندی­های مبتنی بر روش ساخت و اجرا (ارائه شده در بخش 2-1-2)، دو نوع شمع پیش تزریقی C و D را مشخص می­کند.

 

نوع C : دوغاب سیمان تمیز به همان روش نوع A در گمانه ریخته می­شود. 15 تا 25 دقیقه بعد، پیش از سخت شدگی دوغاب اولیه، دوغاب مشابهی این بار از سر گمانه بدون پکر، از طریق یک لوله دوغاب روکش­دار از پیش جاسازی شده به قطر 38 الی 50 م.م. تحت فشار یک مگاپاسکال تزریق می­شود.

نوع D : دوغاب سیمان خالصی مشابه همان روشی که در نوع A صورت گرفت، در تمام گمانه تزریق می­شود. وقتی که این دوغاب اولیه سخت شد، دوغاب مشابهی از طریق لوله تزریق روکش­دار تزریق می­شود. چنین تزریقی تا چند مرحله میسر می­باشد و معمولاً تحت فشاری بین 2 تا 8 مگاپاسکال صورت می­گیرد، بویژه در آغاز هر عملیات اصلاح روکش، زمانیکه دوغاب محصور کننده اولیه بایستی برای اولین بار گسیخته و پاره شود. معمولاً یک وقفه حداقل 24 ساعته قبل از مراحل متوالی وجود دارد. سه یا چهار مرحله تزریق معمول می­باشد. حجم دوغاب­های ثانویه، 250 درصد حجم دوغاب اولیه می­باشد. متغیرهایی در این روش وجود دارد. لوله پیش تزریق می­تواند یک لوله پلاستیک روکش­دار با قطر 25 تا 38 م.م باشد که در کنار آرماتورهای فولادی قرار داده شده است (شکل 4-6). یا اینکه می­تواند همان لوله تقویتی باشد، که بطور مناسب پوشش داده شده است (شکل4-7). در هر کدام از این موارد ممکن است، یک پکر دوبل برای تزریق در بین لوله­ها از غلاف انتهایی تا به بالا استفاده شود.

شکل 4-6.  اصول روش tube á manchette در پیش تزریق

متناوباً، این تزریق فشاری می­تواند از سطح زمین از طریق یک آرایش “حلقه سیار” هدایت شود. با این روش، دوغاب در اطراف سیستم پمپاژ می­شود و فشار با نرخ ثابتی افزایش یافته و به مقدار فشار تنظیمی خروجی نزدیک می­­شود. تحت فشار بحرانی “شیوع “، که بواسطه مقاومت جانبی بدست آمده از دوغاب مجاور مشخص می­گردد، دوغاب شروع به بیرون زدن از لوله از بین روکش­ها می­کند و وارد خاک اطراف در همان تراز می­شود. زمانیکه از روش حلقه سیار استفاده می­کنیم، فرض بر این است که در هر مرحله متوالی از تزریق، روکش­های متفاوتی باز می­شوند، که نهایتاً متضمن بهسازی در کل طول روکش می­باشد. (ویژگی­ای که توسط روش tube á manchette با استفاده از پکرهای دوبل تضمین می­شود).

  • تزریق تکمیلی (ثانویه)

بخاطر نشت، فرار و یا انقباض آرام دوغاب، معمول است که افت سطح دوغاب را کمی قبل از سخت شدگی محاسبه کنیم. در عملیات مهارکوبی زمین، این مسئله بسادگی با پر کردن گمانه از دوغاب کم آب، در مراحل بعدی بر طرف می­شود. اما در عملیات اجرای ریزشمع (یا میکروپایل) ، جاییکه که از غلاف دائمی برای آرماتورها در ارتفاع فوقانی شمع استفاده نمی­شود، از آنجاییکه ستون شمع بایستی جهت تحمل بار و به دلایل حفاظت از خوردگی، پیوسته باشد، بهتر است که از چنین اتصال نامطمئنی پرهیز گردد. بنابراین بهتر است که برای تضمین تمامیت و صحت کار، مرحله پر کردن در طی فاز سخت شدگی صورت پذیرد. بویژه جاییکه تنش­های بین سطحی بالا بین شمع و سازه موجود بایستی تحمل گردد، استفاده از دوغاب انقباض ناپذیر، با مقاومت بالا ممکن است لحاظ گردد.

شکل 4-7. استفاده از لوله آرماتور بعنوان سیستم پیش تزریق tube á manchette