تعریف میکروپایل یا ریزشمع

میکروپایل ها به دو گروه کلی تقسیم می­شوند: “میکروپایل های پیش­ ساخته” و “میکروپایل های درجا” (Fleming, 1985). میکروپایل ها پیش­ ساخته المان­ هایی می­ باشند که در اثر کوبش یا ارتعاش به داخل زمین رانده می ­شوند، بنابراین در طی نصب، خاک­ های اطراف را جابجا کرده و به جلو می­رانند. میکروپایل های درجا در گمانه ­ها و چاه ­هایی از پیش حفر شده، قرار داده می ­شوند و یا اینکه در محل ساخته و اجرا می ­گردند. بنابراین در زمین حفر شده قرار داده می ­شوند.

ریزشمع (یا میکروپایل) ، غالباً جزء شمع ­های حفاری و درجا، البته با قطر کوچک (عمدتاً کمتر از 300 میلیمتر) می ­باشد که اغلب با آرماتور تقویت می­ گردد. ریزشمع (یا میکروپایل)  از طریق حفر یک گمانه یا چاه، سپس استقرار آرماتورها در گمانه و در نهایت تزریق گمانه اجرا می ­گردد.

ریزشمع (یا میکروپایل)  قادر به تحمل بارهای محوری و جانبی بوده و می­تواند جایگزین شمع­ های مرسوم گردد و یا اینکه در کنار سیستم شمع به کار گرفته شود که این موضوع بستگی به روش طراحی دارد. ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها به روش­هایی اجرا می­گردند که کمترین آسیب را به خاک و سازه و محیط اطراف خود وارد آورند. آنها را می­توان در محیط­ های با دسترسی مشکل و در همه نوع خاک و شرایط زمینی اجرا نمود. ریزشمع یا میکروپایل ­ها را می ­توان تحت هر زاویه ­ای نسبت به افق (مایل) با استفاده از همان تجهیزات مورد استفاده در پروژه ­های تزریق و مهار، اجرا نمود.

از آنجا که مراحل اجرا، ارتعاش و سر و صدای کمی را ایجاد نموده و می­ توان آنرا در فضاهای مسقف کم ارتفاع اجرا نمود، اغلب برای تقویت پی­ های سازه ­های موجود مورد استفاده قرار می­ گیرد. در مواردی که فضای زیرزمینی محدود باشد، تجهیزات حفاری ویژه ­ای لازم می­ باشد.

بخش عمده نیروهای اعمالی به شمع ­های درجا، اساساً توسط بتن مسلح تحمل می ­شود؛ و بدین لحاظ برای افزایش ظرفیت باربری سازه ­ای آنها می­توان سطح مقطع و سطح تماس شمع را افزایش داد. در مقابل، ظرفیت باربری سازه­ ای ریزشمع (یا میکروپایل)  متکی بر ظرفیت المان­های فولادی مقاوم موجود در آن می ­باشد. این المان­ های فولادی تقریباً نصف حجم گمانه را اشغال می­ کنند. بکارگیری روش­ های حفاری و تزریق ویژه در اجرای ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها امکان پیدایش مقادیر ظرفیت باربری بالایی را در مجموعه خاک- دوغاب مهیا می­ سازد.

دوغاب، نیروهای موجود در ناحیه پیوند (مجموعه خاک- دوغاب) را به روشی شبیه به مهاربندی زمین، از طریق اصطکاک و به کمک آرماتورها به زمین منتقل می­ کند. بخاطر قطر کوچک ریزشمع (یا میکروپایل) ، عموماً از ظرفیت باربری نوک آن صرفنظر می­شود. مقاومت ناحیه پیوند دوغاب- خاک به نوع زمین و روش ترزیق (مثلاً تزریق فشاری یا ثقلی) بستگی دارد. روش حفاری نیز اگرچه بسیار کم، ولی تاثیر گذار می­ باشد.

  مراحل اجرای ریزشمع (یا میکروپایل)  با استفاده از غلاف گذاری

1) شروع حفاری و یا نصب غلاف موقت  2) ادامه حفاری تا عمق نهایی  3) بیرون کشیدن سرمته و راد

4) استقرار آرماتور یا سایر سیستم­های تسلیح و تزریق دوغاب با ترمی  5) بیرون کشیدن غلاف موقت و تزریق دوغاب ثانویه تحت فشار ممکن  6) تکمیل شمع (ممکن است غلاف در لایه تراکم پذیر باقی بماند)

  • تاریخچه

ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در اوایل دهه 1950 در ایتالیا، برای تقویت پی بناهای تاریخی و یادبودهایی که با گذشت زمان و به ویژه در طی جنگ جهانی دوم در معرض آسیب و تخریب قرار گرفته بودند، ظهور کردند. در آن زمان به یک سیستم مطمئن برای نگهداری بارها و وزن سازه ­ها با کمترین جابجایی، قابل اجرا در فضاهای با دسترسی محدود با کمترین آسیب و خسارت وارده بر سازه­ های موجود، نیاز بود. یک پیمانکار ایتالیایی بنام Fondedile ، روش “palo radice” یا “روت پایل”ها را برای تقویت پی سازه ­ها پیشنهاد داد.

palo radice یک شمع با قطر کوچک می­ باشد که در محل، حفاری و اجرا شده و پس از قرار دادن آرماتور سبک، ترزیق می­شد. شکل 2، آرایش کلاسیک palo radiceها را در پی نشان می­ دهد.

اگرچه فولاد بعد از جنگ در اروپا کم تولید شد، اما نیروی کاری، ارزان قیمت و فراوان بود و اغلب آنها نیز قابلیت­ های فنی بالایی داشتند. چنین شرایطی بستر توسعه روت پایل­ های کم آرماتور را مهیا نمود که عمدتاً توسط پیمانکاران طراحی و اجرا می­شد. آزمایش ­های بارگذاری بر روی این روت پایل­ ها، ظرفیت­ های باربری فراتر از 400 کیلو نیوتن را ثبت کرد، اگر چه برای ظرفیت باربری اسمی طراحی بر پایه روش ­های طراحی شمع ­های مرسوم با روش ­های حفاری همان زمان، چیزی کمتر از 100 کیلونیوتن در نظر گرفته شده بود. آزمایش­ های تمام مقیاس، تقریباً با هزینه­ های نسبتاً پایین اجرا می­ شدند. در طی این آزمایش­ ها، هیچ گونه گسیختگی در ناحیه پیوند خاک- دوغاب ثبت نشد.

استفاده از روت پایل ­ها در طی دهه 1950 در ایتالیا توسعه یافت. آقای fondedile این تکنیک را برای تقویت پی چندین سازه تاریخی به سال 1962 در انگلستان پیشنهاد داد و به سال 1965 این روش در فنداسیون پروژه­ های راه و ترابری آلمان مورد استفاده قرار گرفت. در همان زمان، بنا به دلایل خاص مالکیت زبانی، واژه “ریزشمع (یا میکروپایل) ” جایگزین “روت پایل” شد.

در ابتدا کاربرد اصلی ریزشمع (یا میکروپایل)  برای تقویت پی سازه ­ها در محیط­ های شهری بود. با شروع سال 1957، تقاضاهای مضاعف مهندسی منجر به پیدایش سیستم “reticoli di pali radice” (ریزشمع یا میکروپایل ­های مشبک) گردید. این سیستم شامل چندین ریزشمع (یا میکروپایل)  عمودی و مایل که در یک شبکه سه بعدی در هم قفل شده باشند، می­ گردید.

ریزشمع (یا میکروپایل)  مشبک، برای پایدارسازی شیروانی­ ها، تقویت دیوارهای ساحلی و بندری، حفاظت از سازه­ های مدفون و سایر موارد نگهداری و تقویت خاک ­ها و سازه­ ها و مقاوم سازی زمین به کار گرفته شد.

سیستم ریزشمع (یا میکروپایل)  در سوئیس و آلمان توسعه یافت و خیلی زود خاور دور تبدیل به بازار اصلی این فن­آوری شد. وفور کارگران نسبتاً ارزان، کمبود فولاد و نیاز مبرم به ترمیم و بازسازی محیط­ های شهری، همگی موجب افزایش استفاده از ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در اروپا گردید. بالعکس، رشد تاخیری و آرام استفاده از ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در شمال آمریکا، بازتابی از فراوانی فولاد ارزان قیمت، هزینه­ های نسبتاً بالای کارگر، و اجرای پروژه­ های بزرگ در مناطق برون شهری بود. چنین شرایطی موجب توسعه تکنیک شمع­ های جابجایی گردید که با استفاده از دفترچه­ مشخصات تجویزی اجرا می­ شدند و از تکنولوژی پایین­ تری نسبت به ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها برخوردار بودند. امروزه، هزینه­ های اجرا در سراسر جهان تقریباً مشابه هم هستند و رشد تقاضا برای ریزشمع (یا میکروپایل) ادامه دارد، بویژه در بین پیمانکاران ژئوتکنیکی که توانایی ساخت و طراحی را دارا می­ باشند.