ریزشمع

یک رویکرد که در مواجهه با خاک‌های مسئله‌دار نظیر خاک‌های سست با قابلیت باربری کم، نشست‌پذیری زیاد، روانگرا، خاک‌های دستی و ... استفاده از المان‌های باربر در خاک می‌باشد. بکارگیری ریزشمع‌- مینی‌پایل‌‌ (Minipile) یکی از تکنیک‌های کارآمد در این زمینه است که دارای روش‌ها و مشخصات مربوط به خود می‌باشد و طی سالیان متمادی توسعه فراوانی یافته‌‌ است.
ریزشمع به شمع‌های با قطر کوچک (کمتر از 400 میلی‌متر) اطلاق می‌گردد که غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می‌باشند. ریزشمع با انتقال بارهای استاتیکی و دینامیکی سازه به لایه‌های مقاوم‌تر زمین، به عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل می‌کند. به دلیل قطر کم ریزشمع، درصد عمده‌ی انتقال بار از طریق اصطکاک بین جدار ریزشمع و خاک انجام می‌شود و عموماً از مقاومت نوک آن صرفنظر می‌گردد.
ریزشمع به شمع‌های با قطر کوچک (کمتر از 400 میلی‌متر) اطلاق می‌گردد که غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می‌باشند. ریزشمع با انتقال بارهای استاتیکی و دینامیکی سازه به لایه‌های مقاوم‌تر زمین، به عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل می‌کند. به دلیل قطر کم ریزشمع، درصد عمده‌ی انتقال بار از طریق اصطکاک بین جدار ریزشمع و خاک انجام می‌شود و عموماً از مقاومت نوک آن صرفنظر می‌گردد.
لازم به ذکر است که متأسفانه روش معمول اجرای ریزشمع در ایران نادرست بوده و با روش‌های ارائه شده در آیین‌نامه‌های معتبر که در سایر نقاط دنیا اجرا می‌گردد، متفاوت است. ریزشمع در ایران به عنوان یک روش بهسازی خاک تلقی می‌گردد، در حالیکه بکلی با سایر روش‌های تزریق و بهسازی خاک تفاوت دارد و عمدتاً به عنوان یک المان سازه‌ای و باربر در خاک عمل می‌کند.

مراحل اجرای ریزشمع

 تاریخچه
تاریخچه ابداع ریزشمع به اوایل دهه پنجاه میلادی، زمانی که اروپا با خیل عظیمی از ساختمان‌های در معرض خرابی ناشی از صدمات وارده در جنگ جهانی دوم روبرو بوده است، برمی‌گردد. در این دوره ابداع یک روش تقویت بستر که علاوه بر کارایی و قابلیت اجرا در بین ساختمان‌های تخریب شده، سریع و اقتصادی نیز باشد، بسیار ضروری بود که در چنین شرایطی ابداع ریزشمع‌ توسط Fondedile پیمانکار مشهور ایتالیایی صورت پذیرفت که بدلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، این روش گسترش فراوانی یافت.

در آغاز، استفاده از‌ ریزشمع‌ها تنها در تقویت بستر ضعیف ساختمان‌ها مورد توجه قرار داشت. لیکن رفته‌رفته و با توسعه و اجرای این روش در کشورهای مختلف، دامنه کاربرد آنها به دیگر عرصه‌های مهندسی ژئوتکنیک نظیر پایدارسازی شیب‌ها، سازه‌های نگهبان و ... نیز گسترش یافت.
در حال حاضر، دستورالعمل ارائه شده توسط سازمان بزرگراه‌های آمریکا (FHWA) به عنوان مرجع قابل قبول و مورد استفاده طراحان و پیمانکاران اجرای ریزشمع می‌باشد.

دامنه‌‌ی کاربرد 
در برخی از پروژه‌ها در بحث فنی، تأمین باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر مورد نظر بوده و عامل تعیین‌کننده برای انتخاب طرح، گذشته از بحث‌های اجرایی و اقتصادی می‌باشد. بنابراین در حالت کلی ریزشمع در تأمین باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر سودمند واقع می شود و به عنوان یک گزینه مطلوب توسط مهندسان ژئوتکنیک پیشنهاد می گردد. همچنین از این روش در سالیان اخیر جهت پایدارسازی شیب‌ها و گودبرداری‌ها نیز استفاده شده است.

در رویکرد اشاره شده در صورتی‌که قرار باشد اجرای ریزشمع نقش تأمین باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر را نیز ایفا نماید، طول ریزشمع متناسب با ظرفیت باربری لازم محاسبه خواهد گردید. در این میان با انتخاب روش اجرای ریزشمع بهمراه تزریق دوغاب سیمان برای پروژه مورد نظر، بررسی چیدمان ریزشمع‌ها در پلان، ظرفیت باربری و محاسبه عمق بهینه آنها، به عنوان مهمترین عناصر طراحی مطرح می‌باشند. بدین ترتیب نظم در چیدمان ریزشمع‌ها باعث توزیع یکنواخت عکس‌العمل تکیه‌گاهی در زیر پی ساختمان گردیده و پیکرة سازه‌ای پی فوقانی نیز بر این اساس بصورت همگن و بهینه طرح خواهد گردید. عوامل مؤثر در طرح چیدمان ریزشمع ها به طور کلی عبارتند از:
موقعیت پی‌ها و ستون‌ها، نحوه‌ی توزیع و مقدار بارهای گسترده و متمرکز، پارامترهای مقاومتی و ظرفیت باربری خاک، نفوذپذیری خاک، عمق ریزشمع‌ها و مشخصات هندسی و سازه‌ای پی سازه.

بطور کلی کاربرد ریزشمع‌های با مقاومت بالا در مهندسی ژئوتکنیک مشتمل براستفاده در بستر پی سازه‌ها می‌باشد. اخیراً بکارگیری ریزشمع‌ها جهت پایدارسازی شیب‌ها و ساخت دیواره‌های نگهبان نیز گسترش یافته است. کابرد استفاده در بستر پی سازه‌ها را می‌توان به دو بخش سازه‌های موجود و جدید تقسیم که در هر یک تمام یا بخشی از اهداف زیر دنبال می‌شود:

استفاده از ریزشمع در زیر پی پل‌

ریزشمع در پایداری دیواره تونل

       
کاربرد ریزشمع در زیر دیوار صوتی در بزرگراه‌ها                        استفاده از ریزشمع در زیر دیوار حائل

ریزشمع در مقاوم‌سازی پایه‌های پل

کاربرد ریزشمع در مقاوم‌سازی پی‌های موجود

کاربرد ریزشمع در مقاوم‌سازی پی‌های موجود
 

کاربرد ریزشمع در زیر سازه‌های موجود
 

کاربرد ریزشمع در مقاوم‌سازی پی‌های موجود، پروژه‌ی آبگیر اختر عسلویه، فاز 22 پارس جنوبی (عمران ایستا)

کاربرد ریزشمع در مقاوم‌سازی پی‌های موجود، پروژه‌ی آبگیر اختر عسلویه، فاز 22 پارس جنوبی (عمران ایستا)

کاربرد ریزشمع در مقاوم‌سازی پی‌های موجود، پروژه‌ی آبگیر اختر عسلویه، فاز 22 پارس جنوبی (عمران ایستا)

استفاده از ریزشمع در زیر پی سازه‌های موجود، پروژه‌ی دامون دریا، جزیره‌ی کیش (عمران ایستا)

 استفاده از ریزشمع 62 تنی در پروژه‌ی متانول کاوه، دیر، استان بوشهر (عمران ایستا)

 استفاده از ریزشمع 62 تنی در پروژه‌ی متانول کاوه، دیر، استان بوشهر (عمران ایستا)

بکارگیری ریزشمع در زیر پی سازه‌ی جدید، پروژه‌ی پتروشیمی فجر 2، بندر امام خمینی (عمران ایستا)

بکارگیری ریزشمع در پایدارسازی شیب‌ها

پایدارسازی شیب در مجاورت خط راه‌آهن با ریزشمع

استفاده از ریزشمع به عنوان سازه نگهبان

ریزشمع در پایدارسازی دیواره گود

• پی سازه‌های موجود
1. کنترل نشست پی‌
2. کنترل باربری پی‌
3. تعمیر یا جایگزینی پی‌
4. کنترل شستگی پی‌
5. مقاوم سازی لرزه‌ای پی‌

• پی سازه‌‌های جدید
1. کاهش نشست
2. افزایش باربری فشاری
3. تامین باربری کششی
4. افزایش باربری جانبی

ریزشمع نوین Ischebeck
نحوه اجرای نسل جدید ریزشمع (روش Ischebeck) در زیر نشان داده شده است. در این روش عملیات حفاری، نصب و تزریق ریزشمع همزمان انجام می‌گردد که این باعث کاهش زمان اجرای پروژه و کاهش هزینه‌های اجرا می‌گردد. همچنین به دلیل فشار تزریق بالا در این روش مقاومت جداره به مراتب بالاتر از روش‌های قدیم اجرای ریزشمع است که نتایج آزمایش‌های بارگذاری بعمل آمده به خوبی گویای این موضوع می‌باشد.
 

ریزشمع Ischebeck

مقطع طولی معمول از ریزشمع Ischebeck

مراحل اجرای ریزشمع Ischebeck

 

 

 

مراحل اجرای ریز شمع به روش نوین Ischebeck:

 

1- حفاری:
پس از استقرار دستگاه در محل، عملیات حفاری به روشTop hammer بوسیله رادهای 3 متری که دو سر آن با کنف و گریس پوشانده شده آغاز می‌گردد. در روش Ischebeck، عملیات حفاری، نصب و تزریق ریزشمع همزمان انجام می‌گردد که این باعث کاهش زمان اجرای پروژه و کاهش هزینه‌های اجرا می‌گردد. عملیات حفاری توسط روش حفاری Top hammer، در هر نوع خاک و سنگی امکان پذیر می‌باشد.

2- تزریق به روش Ischebeck:
ساخت دوغاب حفاری و دوغاب تزریق در همزن‌های اولیه صورت می گیرد. ابتدا آب به میزان موردنظر ریخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سیمان (w/c) مورد نیاز، سیمان به آن افزوده می‌شود. دوغاب پس از آماده شدن جهت نگهداری، در داخل همزن ثانویه ریخته شده و سپس بوسیله پمپ‌های تزریق مخصوص با فشار تزریق می‌گردد.

 آزمایش‌های مورد نیاز برای تدقیق فرضیات طراحی
به طور کلی با توجه به کارکرد در نظر گرفته شده برای ریزشمع و برای اطمینان از فرض‌های طراحی صورت گرفته، آزمایش‌های مختلفی می توان انجام داد. این آزمایش‌ها عبارتند از:

 آزمایش بارگذاری فشاری ریزشمع
ریزشمع‌هایی که حداقل 28 روز از زمان تزریق آن‌ها گذشته باشد، به صورت فشاری با استفاده از جک بارگذاری، بارگذاری می‌گردند. این آزمایش با استفاده از تیر بارگذاری صورت می‌گیرد. با توجه به مشخصات فنی و نقشه‌های اجرایی ریزشمع‌ها بارگذاری در دو مورد از آزمایش‌ها، تا رسیدن به بار طراحی و در یک مورد تا رسیدن به بـار نهایی صورت می‌گیرد. در حین انجام آزمایش نیز ریزشمع تا رسیدن به بار آزمایشی باید بطور کامل قابلیت تحمل بارهای اعمال شده را داشته ‌باشد و نشانی از گسیختگی یا تغییر مکان بیشتر از حد استاندارد از خود نشان ندهد.

آزمایش بارگذاری کششی ریزشمع
این آزمایش یا به صورت مستقل و یا بوسیله ریزشمع های بکار رفته به عنوان عکس العمل تیر تکیه‌گاهی در آزمایش فشاری انجام می‌شود. نتیجه‌ی این آزمایش بررسی رفتار مقاومتی و تغییرشکل‌پذیری کششی ریزشمع می‌باشد.
1-4-3- آزمایش بارگذاری جانبی ریزشمع
این آزمایش جهت ارزیابی رفتار جانبی ریزشمع‌ها انجام می‌گردد. در این آزمایش معمولاً از 2 ریزشمع کنار هم استفاده می‌شود.

مبانی محاسباتی ریزشمع‌
در شرایطی که ریزشمع‌ها با هدف تحکیم و بهسازی بستر پی سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، محاسبات فنی ریزشمع‌ها مشابه با محاسبات فنی شمع‌های متداول است.

 کنترل باربری
به طور کلی باربری در 3 بخش زیر مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.
- کنترل باربری سازه‌ای ریزشمع
- کنترل باربری ژئوتکنیکی ریزشمع
- کنترل برش سوراخ‌کننده

 
کنترل نشست
بهترین معیار برای تخمین نشست ریزشمع استفاده از نتایج آزمایش بارگذاری می‌باشد. در صورت نبود اطلاعات کافی می‌توان از تئوری‌های الاستیک یا تحکیم نظیر شمع‌های معمولی استفاده نمود.

مزایای استفاده از ریزشمع
با بررسی وضعیت لایه‌بندی خاک تحت‌الارضی و میزان بار وارده در زیر پی، مناسب‌ترین روش‌ها جهت حل مشکل ظرفیت باربری و نشست استفاده از پی عمیق نظیر شمع (Pile) یا ریزشمع (Micropile) می‌باشد. بکارگیری ریزشمع‌ در مقایسه با استفاده از شمع دارای ویژگی‌های بارزی می‌باشد که در ذیل به صورت خلاصه به آن‌ها اشاره می‌گردد.

جنبه‌‌ی اقتصادی
باتوجه به این امر که اجرای ریزشمع‌ مبتنی بر استفاده از حجم کم مصالح مشتمل بر فولاد و سیمان، هزینه‌های پائین تجهیز کارگاه و نیز حجم بالای کار نیروی انسانی در زمان کوتاه می‌باشد، روش ریزشمع‌ در مقایسه با استفاده از شمع با قطر بالا که مبتنی بر استفاده از حجم زیاد مصالح و یا بکارگیری ماشین‌آلات سنگین و گران‌قیمت می‌باشند، اقتصادی‌تر است.

بعد اجرایی
ماشین‌آلات اجرای ریزشمع‌ در مقایسه با ماشین‌آلات اجرایی شمع دارای ابعاد و حجم کمتری می‌باشد، لذا علاوه برآنکه دارای قابلیت حمل و جابجایی آسان در کارگاه می‌باشد، امکان اجرای عملیات در چند جبهه کاری مختلف را بدون تداخل کاری فراهم می‌نماید. امکان اجرا در فضاهای محدود و محل‌های مسقف که امکان اجرای شمع در آن‌ها وجود ندارد، از دیگر مزایای ریزشمع است. همچنین با توجه به ابعاد کوچک بدنه‌ی ریزشمع و قطر ناچیز حفاری، میزان لرزش و سایر اثرات جانبی بر روی سازه‌های مجاور در مقایسه با اجرای شمع به حداقل ممکن کاهش می‌یابد.
ویژگی بسیار مهمی که باعث گسترش روزافزون کاربرد ریزشمع شده است، امکان استفاده از آن برای افزایش ظرفیت باربری در زیر پی‌های سازه‌های موجود می‌باشد در حالیکه در چنین مواردی نمی‌توان از شمع‌های قطور بتنی و فولادی استفاده نمود.
یکی دیگر از ویژگیهای ریزشمع‌ قابلیت اجرای بسیار ساده در شرایط وجود آب زیرزمینی است. در مناطقی که سطح آب زیرزمینی بالا بوده و حفاری‌های قطر بزرگ جهت اجرای شمع‌های بتنی نیازمند پایدارسازی دیواره چاهک‌ها و تخلیه آب زیرزمینی و ... می‌باشد، اجرای ریزشمع‌ از سطح زمین و تزریق دوغاب سیمان از داخل آن، با سرعت فراوان انجام پذیرفته و به علت چگالی و ویسکوزیته بیشتر دوغاب سیمان، آب حفره‌ای در اثر فشار دوغاب سیمان تخلیه و با دوغاب جایگزین می‌گردد. همچنین اجرای شمع‌های قطور بتنی در خاک‌های ریزشی، زمین‌های سنگریزه‌ای و خاک‌های درشت‌دانه با مشکلات زیادی مواجه بوده و بدلیل نیاز به مواردی از قبیل کیسینگ‌گذاری جهت حفاری و ... هزینه و زمان زیادی را در چنین شرایطی به پروژه تحمیل می‌کند. در حالیکه اجرای ریزشمع در این شرایط به دلیل قطر کوچک و نحوه‌ی اجرای آن براحتی امکان‌پذیر است و برتری مطلق نسبت به اجرای شمع دارد.

بعد فنی
ریزشمع با توجه به نحوه‌ی اجرای آن باعث تراکم نسبی در خاک اطراف خود می‌گردد. این ویژگی باعث می‌شود تا نسبت به شمع درجای بتنی، مقاومت اصطکاکی بیشتری با خاک اطراف خود داشته باشد و راندمان باربری بالاتری نسبت به شمع در آن حاصل گردد. به همین دلیل ریزشمع علیرغم قطر کوچک خود، قادر به تحمل نیروهای قابل توجهی می‌باشد، بگونه‌ای که ظرفیت باربری 200 تن براحتی در ریزشمع‌ها قابل حصول است.

تضمین کیفیت عملکرد
انجام تست بارگذاری ریزشمع‌ با روش‌های ساده و ارزان یکی از مزایای بسیار بزرگ این روش در مقایسه با اجرای شمع‌های قطور بتنی یا فولادی می‌باشد. با توجه به باربری کمتر ریزشمع‌ها نسبت به شمع‌های قطور و عمیق، انجام تست بارگذاری با استفاده از جک‌های سبک، با تامین نیروی عکس العمل تکیه‌گاهی کافی، با دقت بالا و به سادگی امکان‌پذیر خواهد بود. با استفاده از نتایج تست بارگذاری ریزشمع، امکان بررسی رفتار، میزان باربری، نشست‌های الاستیک و تغییر شکل‌های پسماند در حین بارگذاری وجود خواهد داشت. بدین ترتیب امکان ارزیـابی صحت و سقم فرضیات طراحی فراهم گردیده و امکان تعدیل و تغییر طرح، تعداد و چیدمان ریزشمع‌ها با توجه به مشاهده رفتار واقعی و میزان باربری نهایی آنها در محل وجود خواهد داشت.

مدت زمان اجرا
همان‌گونه که قبلاً ذکر گردید، اجرای ریزشمع‌ بدلیل سهولت فراوان اجرایی، امکان اجرا در چند جبهه‌ی مختلف کاری و اجرای پی در پی و همزمان کلیه مراحل ساخت، در مقایسه با روش‌های دیگر از سرعت بسیار بالایی برخوردار خواهد بود. همچنین عدم نیاز به امکانات خاص برای تجهیز و در نتیجه عدم اتلاف وقت جهت آغاز عملیات اجرایی در مقایسه با سایر روش‌ها، از مزیت‌های این روش به شمار می‌آید.

با توجه به آنچه شرح داده شد می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از ریزشمع در اغلب موارد هزینه و زمان کمتری را به پروژه تحمیل می‌کند. در مجموع مزایای ریزشمع را می‌توان به طور خلاصه بصورت زیر برشمرد:
- استفاده از حجم کم مصالح مشتمل بر فولاد و سیمان
- هزینه‌های پائین تجهیز کارگاه
- استفاده از ماشین‌آلات سبک‌تر نسبت به اجرای شمع
- امکان اجرای عملیات در فضای محدود
- میزان لرزش کم ناشی از اجرای آن و اثرات ناچیز بر سازه‌های مجاور
- امکان استفاده از ریزشمع برای افزایش ظرفیت باربری در زیر پی‌های سازه‌های موجود
- اجرای آسان در شرایط وجود سطح آب زیرزمینی بالا
- اجرای آسان در خاک‌های ریزشی، زمین‌های سنگریزه‌ای و خاک‌های درشت دانه
- راندمان باربری بالاتر نسبت به شمع
- تجهیزات سبک‌ و زمان کوتاه‌ جهت انجام آزمایش بارگذاری ریزشمع
- امکان تغییر طرح در طول انجام پروژه با توجه به نتایج آزمایش بارگذاری
- سرعت بالای اجرا