مقدمه
دو روش کلی مقابله با خاک های مسئله دار، یکی استفاده از المان های باربر و دیگری اضافه کردن مواد و مصالحی به خاک جهت بهسازی پارامتر های مقاومتی آن می باشد. میکروپایل یا ریزشمع روشی است که به نوعی مزایای هر دو روش بالا را در بر می گیرد.
لوله کوبی یا حفاری و لوله گذاری خاک، تزریق و تسلیح، سه مرحله ای است که اساس بهسازی خاک به روش استفاده از میکروپایل را تشکیل می دهد. میکروپایل ابتدا برای ترمیم پی ها و ساختمان های موجود به کار گرفته می شد. اما با پیشرفت تجهیزات حفاری و تزریق به سرعت ذهن محققین و مهندسان عرصه ژئوتکنیک را به خود معطوف کرد تا به استفاده بهینه تر و کابردی از این روش دست یابند
زمین و خاک همیشه بستر ایده‌آلی برای ساخت سازه‌های عمرانی نیستند. در بسیاری از موارد خاک‌ها سست هستند، نشست پذیری زیاد و قابلیت باربری کمی دارند و به طور کلی برای پی کنی و ساخت سازه باید بهسازی شوند. میکروپایل یکی از تکنیک‌های کارآمد بهسازی زمین می‌باشد. این روش با عنوان روش ریزشمع نیز شناخته می‌شود. روش میکروپایل بسته به نوع و هدف پروژه ممکن است با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان در کنار ریزشمع‌ها همراه باشد. با استفاده از این روش در واقع ظرفیت باربری و مشخصات مکانیکی خاک نظیر چسبندگی خاک، سختی خاک و یا تراکم پذیری آن بهبود می یابد
تاریخچه میکروپایل
میکروپایلها (ریزشمع) در مراجع مختلف به شمع های با قطر کمتر از ۳۰ سانتیمتر اطلاق می گردد که با تسلیح فولادی و تزریق همراه خواهد بود. تاریخچه میکروپایل به اوایل دهه ۱۹۵۰ میلادی بر می گردد. در آن زمان نیاز به ترمیم ساختمان های آسیب دیده در جنگ جهانی دوم در اروپا زیاد بود. ابداع میکروپایل توسط Fondedile پیمانکار مشهور ایتالیایی به همراه دکتر Fernando Lizzi صورت پذیرفت.
با توجه به کارایی و قابلیت اجرای آن در ساختمان های آسیب دیده و همچنین سرعت اجرای آن به سرعت در ایتالیا گسترش یافت. Fondedile در سال ۱۹۶۲ این تکنولوژی را با ترمیم چند ساختمان تاریخی به انگلستان و در سال ۱۹۶۵ با استفاده از این روش در پروژه های حمل و نقل، آن را به آلمان معرفی کرد. پس از حدود دو دهه، در سال ۱۹۷۳ و انجام ترمیم ساختمان هایی در بوستون و نیویورک تکنولوژی ریزشمع به آمریکای شمالی معرفی شد.
بعد از معرفی میکروپایل، سازمان ها و پژوهشکده های علمی به تنظیم آئین نامه ها و استانداردهای میکروپایل پرداختند. معروف ترین آن ها آیین نامه Micropile Design and construction است که توسط انجمن بزرگراه های آمریکا (FHWA) تنظیم شده است. همچنین در پروژه ملی Forever فرانسه نیز در مورد بررسی رفتار میکروپایل ها تحقیقات جامعی صورت گرفت.
بهسازی خاک به روش تزریق با مواد افزودنی از قبیل سیمان، آهک و… انجام می شود. هدف از بهسازی خاک به روش تزریق، دستیابی به پارامترهای ژئوتکنیکی اصلاح شده از قبیل مقاومت فشاری، مقاومت برشی و یـا نفوذپذیری است. اختلاط خاک برای محدود کردن و یا ثابت نمودن مواد شیمیایی مضر در خاک نیز کاربرد دارد. معمولاً سیمان بصورت دوغاب (ترکیب با آب) با خاک مخلوط می‌شود. هر چند امکان استفاده از سیمان بصورت خشک نیز مقدور است، برحسب نوع خاک حجم دوغاب بین ۲۰ تا ۳۰ درصد حجم خاک انتخاب می‌شود.
افزودنی‌ها شامل مواد زیرمی‌شوند:
سیمان، خاکستر آتشفشانی، سرباره کوره، آهک، سایر مواد شیمیایی
ساخت دوغاب طبق مراحل زیر انجام می‌شود:
- سیستم اختلاط مرکزی، با میکسرهای دور بالا برای اختلاط
- محل ذخیره موقت دوغاب همراه با همزن‌های دور پایین
- سیستم پمپاژ
خاک های غیرچسبنده معمولاً ساده‌تر از خاک های چسبنده مخلوط می‌شوند. به خاکهای نباتی مقادیر قابل ملاحظه‌ای از مـواد افزودنی باید اضافه نمود و قبل از شروع عملیات اجرایی لازم است از عملکرد سیستم اختلاط در آزمایشگاه اطمینان حاصل کرد.
با بهسازی خاک به روش تزریق در محل می‌توان انواع متفاوت خاک ها را اصلاح نمود. روش بهسازی خاک زیر فونداسیون بسته به میزان انرژی اختلاط و نوع مواد افزودنی متفاوت است. در خاکهای نرم این روش در مقایسه با سایر روشهای اصلاح خاک از اقتصادی‌ترین شیوه‌های بهبود است. در بهسازی خاک زیر فونداسیون با اختلاط دوغاب با خاک، مصالحی ساخته می‌شود که با گذشت زمان سخت تر شده و مقاومت آن افزایش می‌یابد و می‌تواند بعنوان مصالح مهندسی با خصوصیات ژئوتکنیکی بهتر از خاک محل در طراحیها استفاده شود.
اجرای میکروپایل
اجرای میکروپایل در طی چهار مرحله صورت می گیرد که شامل مراحل حفاری، لوله کوبی، تزریق و تسلیح فولادی می باشد. در ادامه به بیان جزئیات بیش تر در مورد هر یک می پردازیم.
حفاری
آن چه که لازم است قبل از هر کاری انجام شود، حفاری می باشد. حفاری به دو روش دورانی و دورانی-ضربه ای صورت می گیرد. حفاری انجام شده متناسب با عمق مورد نیاز برای انجام پروژه جهت استفاده از میکروپایل صورت می گیرد.
لوله کوبی
پس از اجرای عملیات حفاری و ایجاد عمق برای استقرار لوله های میکروپایل، عملیات لوله کوبی انجام می شود. برای انجام لوله کوبی، در ابتدا باید از قسمت نوک تیز آن برای فرو رفتن به داخل خاک استفاده کرده و پس از فرو رفتن لوله اول، لوله دوم متصل و کوبیده شود. مرحله لوله کوبی به این گونه است که اگر پس از ۳۰ ضربه پشت سر هم، لوله بیش تر از ۱۰ سانتی متر به داخل خاک فرو نرود، فرآیند کوبش متوقف شده و باید از حفاری برای رسیدن به عمق مورد نظر استفاده شود. پس از رسیدن به عمق مورد نظر، می توان نسبت به نصب لوله های میکروپایل اقدام کرد.
تزریق
آن چه که در مرحله تزریق صورت می گیرد، ساخت دوغاب و تزریق آن می باشد. این مرحله از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. تزریق دوغاب در سه بخش میکسر اولیه، ثانویه و پمپ تزریق صورت می گیرد. در مرحله میکسر اولیه ساخت دوغاب انجام می شود. در این روش ابتدا آب متناسب با میزان سیمان، مورد استفاده قرار گرفته و بعد از آماده شدن آن داخل میکسر ثانویه ریخته می شود. در مرحله سوم به وسیله پمپ های تزریق، عملیات تزریق انجام می شود
تسلیح فولادی
تسلیح فولادی آخرین مرحله بوده و در آن عملیات جا گذاری آراماتور تسلیح در داخل میکروپایل صورت می گیرد. انجام این مرحله باید قبل از گیرش سیمان صورت پذیرد. در این مرحله در صورت نیاز باید نسبت به نصب فلنج نیز اقدام کرد. نصب فلنج به منظور ایجاد اتصال بین میکروپایل و بتن فونداسیون و جلوگیری از برش پانچ سر میکروپایل که در داخل بتن قرار دارد، صورت می گیرد
اصول طراحی میکروپایل
اصول محاسبات مهندسی میکروپایل تابع نوع کاربری میکروپایل و به تبع آن نحوه رفتار آن می باشد. در شرایطی که میکروپایلها با هدف تحکیم و بهسازی بستر پی سازه‌ها مورد استفاده قرار می گیرند، محاسبات فنی میکروپایل مشابه با محاسبه شمع‌های متداول است. این محاسبات مبتنی بر سه بخش طرح سازه ای (Structural Design)، طرح ژئوتکنیکی (Geotechnical Design) و کنترل برش پانج (Cone Shear) می باشد.
در طرح سازه‌ای، ظرفیت باربری المان های میکروپایل مشتمل بر جدار فولادی، آرماتور تسلیح و دوغاب سیمان محاسبه می شود. این ظرفیت می بایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده به میکروپایل باشد.
در طرح ژئوتکنیکی، مقاومت اصطکاکی جداره میکروپایل با خاک اطراف محاسبه می گردد. این مقاومت اصطکاکی می بایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده باشد تا امکان جدایی میکروپایل از خاک قبل از وقوع تسلیم عوامل مسلح کننده میسر نگردد.
در گام نهایی طرح، با توجه به این امر که میکروپایلها دارای بار متمرکز زیاد و قطر کوچک بوده و برش پانج باتوجه به سربارهای وارده محتمل می باشد، کنترل مقاومت در برابر برش پانچ که منتهی به ارائه طرح فلنج مناسب می گردد، انجام می شود
