انکراژ و نیلینگ

با افزایش تراکم در عرصه‌های محدود و در نواحی پر‌تراکم شهری بر تعداد طبقات زیر‌زمینی و عمق گودبرداری افزوده گشته است. گسترش روز افزون شهرها و نیاز به فضاهای کار و سکونت از یک طرف و افزایش شدید قیمت زمین در شهرها و ضرورت استفاده حداکثری از زمین از سوی دیگر باعث گشته که احداث ساختمان‌های مرتفع اداری، تجاری و مسکونی با طبقات متعدد در زیر‌زمین گسترش چشمگیری یابند. از این رو با افزایش عمق گودبرداری، خطرات ناپایداری و گسیختگی دیواره‌های گودبرداری به شدت افزایش می‌یابد.

 

پیاده‌سازی سازه نگهبان برای پایدارسازی گودهای عمیق به چند شیوه امکان پذیر است. روشهای نیلینگ، انکراژ، دوخت به پشت، دیواره دیافراگمی، شمع، ریزشمع، سپرکوبی و اجرای خرپا ازجمله‌ی این روش‌ها هستند. هرکدام از این روش‌ها مزایا و معایبی دارند که با توجه به ارزیابی‌های فنی، اقتصادی، و امکانات در دسترس، روش یا روش‌هایی انتخاب و پیاده سازی می‌شود.

نیلینگ- میخ‌کوبی (Nailing) و استفاده از انکراژ- زمین‌مهارها (Ground anchors) ایمن‌ترین روش‌های حفاظت از گود در مقایسه با سایر روش‌های تثبیت و پایدارسازی ترانشه‌های خاکی می‌باشند. این امر ناشی از خاکبرداری مرحله به مرحله و تثبیت هر مرحله از گود با استفاده از ردیف میخ‌های مربوط به آن مرحله و سپس انجام عملیات خاکبرداری مرحله‌ی بعدی می‌باشد. بنابراین تا تراز ماقبل هر رقوم ارتفاعی از گودبرداری، عمل پایدارسازی گود به طور کامل انجام شده است. عدم پرت فضا و نیز عدم ایجاد مزاحمت در سایر عملیات ساختمانی از مزایای دیگر این روش‌ها در مقایسه با با روش‌هایی نظیر خاک مسلح می‌باشد.

نیلینگ و انکراژ و ترکیب آنها باتوجه به کارایی خوب، قابلیت اجرای بالا در شرایط مختلف و هزینه اجرایی نسبتاً پایین، نسبت به سایر روش‌های سازه نگهبان گودهای عمیق، در سطح دنیا رواج بیشتری دارند. در روش‌های نیلینگ و انکراژ، ابتدا چال‌هایی در دیواره گود حفر شده و سپس میلگردهای فولادی و یا کابل‌هایی با قطرهای مختلف درون چال کار گذاشته می‌شود و تمام چال در روش نیلینگ و قسمتی از آن در روش انکراژ با دوغاب پر می‌شود. در آخر می‌توان در روش انکراژ میلگردها و یا کابل‌ها را درصورت نیاز پیش تنیده کرد. از روش‌های نیلینگ و انکراژ میتوان برای پایدارسازی‌های موقت و دائم استفاده کرد.


میخ‌کوبی (نیلینگ)

برای اولین بار مهندسین استرالیایی از روش نیلینگ برای پایدارسازی شیروانی‌های سنگی در تونل استفاده کردند. آن‌ها در اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰ برای پایدارسازی جداره‌های تونل، شبکه‌ای از سوراخ‌ها را در طاق و دیوارهای سنگی تونل حفاری کرده، در داخل آن میلگردهای فولادی قرار داده و قسمت انتهایی آن را با شبکه‌ی مش‌بندی در محیط تونل گیردار کردند. سپس با دوغاب‌ریزی در سوراخ‌های حفر شده و بتن‌پاشی به جداره‌ی تونل، موفق به پایداری ایمن جداره‌های داخلی تونل شدند. این روش بعدها توسط مهندسین آلمانی و فرانسوی برای پایدارسازی در شیروانی‌های خاکی مورد استفاده قرار گرفت. به عبارت دیگر مهندسین آلمانی و فرانسوی، روش استرالیایی نیلینگ در سنگ را برای شیب‌ها و دیوارهای خاکی به کار بستند. آن‌ها استفاده از تکنولوژی نیلینگ در تونل را به پایدار نمودن شیب‌ها و دیوارهای خاکی گودبرداری شده و کوله‌ی پل‌ها تعمیم دادند.

پس از آن استفاده از نیلینگ به طور گسترده در طرح‌های مختلف عمرانی نظیر تثبیت ترانشه‌های خط آهن و بزرگراه‌ها، ساخت سازه‌های نگهبان گودبرداری شده در مناطق شهری جهت احداث ساختمان‌های بلندمرتبه که شامل چندین طبقه در داخل زمین هستند و تثبیت شیب‌های زمین در برابر لغزش‌های احتمالی به کار بسته شد.
اساس استفاده از روش نیلینگ بر مبنای مسلح کردن و مقاوم نمودن خاک با استفاده از دوختن توده‌‌ی خاک توسط مهارهای کششی فولادی Nail با فواصل نزدیک به یکدیگر می‌باشد. بکارگیری این روش دارای ویژگی‌های زیر می‌باشد.

– افزایش مقاومت برشی توده‌ی خاک

 

– محدود نمودن و تحت کنترل درآوردن تغییر مکان‌های خاک در اثر افزایش مقاومت برشی در سطح لغزش به دلیل افزایش نیروی قائم

– کاهش نیروی لغزش در سطح گسیختگی و لغزش

شایان ذکر است که کلیه سطوح ترانشه‌های حفاری شده که توسط نیلینگ بایستی مسلح شوند، ابتدا با استفاده از شبکه‌ی مش و شاتکریت حفاظت شده و سپس سیستم نیلینگ روی آن‌ها اجرا می‌شود. رویه‌ی شاتکریت‌شده روی ترانشه‌های حفاری‌شده، نقش سازه‌ای نداشته بلکه بیشتر جهت اطمینان برای پایداری موقت خاک بین مهارها استفاده می‌گردد.


اجزای نیلینگ

 

کاربرد نیلینگ در پروژه‌های عمرانی

– پایداری ترانشه‌ها در احداث بزرگراه‌ها و راه آهن‌ها

– پایداری جداره‌ی تونل‌ها و سازه‌های زیرزمینی

– پایدارسازی و حفاظت گود در سازه‌های مناطق شهری (ساختمان‌های مجاور گود) و ایستگاه‌های زیرزمینی مترو

– پایدارسازی کوله‌های مجاور پل‌ها در زمین‌های سست و ریزشی

مراحل اجرای نیلینگ

۱- خاکبرداری: با عمق ۱ الی ۲ متر با توجه به توانایی خاک در پایدار ماندن بدون مهار برای مدت زمان ۲۴ تا ۴۸ ساعت. پهنای خاکبرداری باید به حدی باشد که براحتی بتوان تجهیزات لازم جهت حفاری را نصب نمود.

 

۲- حفاری سوراخ‌ها جهت قرارگیری میخ : سوراخ‌ها باید به طول، قطر، جهت و فواصل معینی بر اساس مراحل تعیین شده ایجاد گردند.

۳– نصب میخ‌ها و اجرای دوغاب ریزی: میخ‌ها در سوراخ‌های حفر‌شده جای می‌گیرند. میخ‌ها به طور رایج‌ تو‌پر می‌باشند، اگرچه میخ‌های توخالی فولادی نیز اجرا می‌گردند. برای آنکه میخ‌ها به خوبی توسط دوغاب‌ احاطه شوند قطعاتی جهت نگهداری فواصل بین میخ‌ها و دیواره داخلی سوراخ‌ها بر روی میخ‌ها تعبیه می‌گردد. لوله‌های تزریق (Tremie) نیز در همین زمان به داخل سوراخ‌ها هدایت می‌شوند. سپس سوراخ‌ها توسط لوله‌های تزریق با ملات پر می‌گردد. دوغاب‌ریزی توسط فشار جاذبه و یا با فشار اندکی اجرا می‌گردد. خاکبرداری در بخش‌های میانی در مجاورت مکان‌هایی که میخ‌گذاری‌شده اجرا می‌گردند. نوارهای زهکشی لوله شده در پاشنه خاکبرداری اولیه برای نصب در مرحله بعد باقی می‌ماند.

۴- اجرای پوسته موقت (Shotcrete facing): پوسته موقت برای ایجاد تکیه‌گاه و مهار سطح خاکبرداری قبل از مراحل بعدی حفاری اجرا می‌گردد. رایج‌ترین دیواره موقتی که اجرا می‌شود شامل یک لایه مسلح‌کننده سبک به همراه لایه شاتکریت می‌باشد.

۵- احداث تراز‌های بعدی خاکبرداری: گام‌های اول تا چهارم برای پایداری خاکریز اجرا می‌شود. در هر مرحله از خاکبرداری نـوارهای عمودی زهکشی تا پایین خاکریز ادامه پیدا می‌کنند. پانل جدیدی از WWM متعاقباً برای یک لایه هم‌پوشانی کامل اجرا می‌گردد. در انتهای خاکبرداری نوارهای زهکشی در پاشنه خاکریز جمع می‌شوند و پاشنه زهکش دیواره را تشکیل می‌دهند.

۶- احداث پوسته دائمی و نهایی (در صورت نیاز): پس از آنکه خاکبـرداری به تراز مورد نظر رسید و میــخ‌ها نصب گشتند و آزمایش‌های بارگذاری صورت پذیرفت، پوستـه و نمای نهایـی احداث می‌گردد. گام‌های مختلف دیگری نیز ممکن است با توجه به نوع و شرایط پروژه ضروری باشند.

اصول طراحی سیستم نیلینگ

مراحل طراحی سیستم نیلینگ به طور خلاصه شامل موارد زیر است:

– هندسه سازه مشخص گردد.

– عمق و زاویه شیب خاکبرداری مشخص گردد.

– بارگذاری و سربار بارهای وارده به Nail و موقعیت سطح لغزش تخمین زده شود.

– انتخاب نوع آرماتور شامل: سطح مقطع، طول و فاصله از یکدیگر و در هر تراز، مقاومت موضعی آنها تضمین گردد تا مقاومت از نظر استحکام و ظرفیت چسبندگی برای تحمل نیروها تخمین زده شده و با ضریب اطمینان مناسب و قابل قبول کنترل شوند.

– پایداری کل سازه نگهدارنده و خاک اطراف آن در زمان حفاری گود و ایجاد پله‌های حفاری و بررسی و کنترل ضریب اطمینان قابل قبول.

– تخمین نیروهای وارده بر صفحه فولادی Bearing plate

– در نظر گرفتن سطح پیزومتریک آب‌های زیر زمینی و لحاظ نمودن سیستم زهکش

پایدارسازی توسط انکرها (Ground Anchors)

زمین مهار یا انکرها، تاندون‌های پیش‌تنیده‌ی دائمی تزریق شده با سیمان هستند که در خاک و سنگ برای مهار و کنترل المان‌های سازه‌ای مانند دیوار (نگهداری گود) یا دال‌ها استفاده می‌شوند. مهاری‌ها در سوراخ‌های حفاری‌شده نصب می‌شوند و تا بار طراحی پیش‌تنیده می‌گردند تا بدین وسیله نیروی مقاومت مورد نیاز را بسیج و از زمین به المان‌های سازه‌ای منتقل کنند. مهارهای موقتی برای بازه‌ی کمتر از دو سال استفاده می‌شوند. زمین مهارهای دائمی از خوردگی محافظت می‌شوند تا از عملکرد بلند مدت آن‌ها در طول عمر طراحی اطمینان حاصل شود

اجزای مختلف انکر

– طول پیوستگی مهاری: که تاندون در حباب تزریق شده اولیه ثابت می‌شود و نیروی کششی را به خاک اطراف منتقل می‌کند. طول پیوستگی مهاری طوری طراحی می‌شود که ظرفیت بیرون‌کشش مورد نیاز را ایجاد کند.

 

– طول بدون پیوستگی: طولی است که تاندون می‌تواند آزادانه تغییرشکل الاستیک دهد تا نیروی مقاوم را از طول پیوسته مهاری به المان سازه‌ای منتقل کند (یعنی دیواره، دال و…) و طوری طراحی می‌گردد که به لایه زیرین برسد یا داخل خاک همگن قرار گیرد تا طول پیوستگی مهاری فراتر از توده خاک مستعد ناپایداری مجاور المان سازه‌ای قرار گیرد.

– دوغاب مهاری: که دوغاب اولیه نیز نامیده می شود، عموماً مخلوط با پایه سیمان پرتلند یا رزین پلیمری است و برای انتقال نیروی مهاری به زمین استفاده می‌شود. تزریق دوغاب ثانویه در سوراخ حفاری‌شده می‌تواند پس از تنیدگی انجام شود تا محافظ خوردگی برای تاندون‌های بدون پوشش باشد.

– مهار یا گیره (Anchorage): وسیله‌ای است که به تاندون وصل می‌شود و شامل صفحه و سرمهاری (Anchor head) (یا مهره رزوه شده) است و اجازه تنیدگی و قفل کردن (lock- off) فولاد پیش تنیده را می‌دهد.

باید توجه داشت، مهار (انکر) به دلیل کشیده شدن در هنگام ساخت، در تمام دوران بهره‌برداری تحت تنش بوده و کارایی بالاتری از خود نشان می‌دهد، در صورتی‌که در روش Nailing هرگاه سازه جابجا شود Nail تحت تنش کششی قرار می گیرد، که از نظر ضریب اطمینان این دو روش اختلاف زیادی با یکدیگر دارند.

انواع انکرها

انواع مختلفی از مهاری‌ها توسط پیمانکاران گوناگون بوجود آمده است که از تاندون‌های مختلف، روش‌های حفاری، شیوه کنترل تزریق مختلف و سیستم‌های محافظت خوردگی متفاوت استفاده نموده‌اند. انتخاب مهاری و روش نصب آن برای کاربرد خاصی عموماً بستگی به خاک زیرین، شرایط آب زیرزمینی، محدودیت‌های محل و تجهیزات موجود بستگی دارد. انواع مهاری‌ها شامل موارد زیر می‌باشند که جزئیات آنها در شکل نشان داده شده است.

انواع مختلف مهارها

 

– زمین‌مهار با استوانه مستقیم با تزریق بدون فشار (Straight shaft gravity-grouted)

– مهاری‌ها با تزریق تحت فشار(Straight shaft pressure-grouted)

– روش پس تزریق(Post-grouted)

– مهارهای ته پهن شده (Underreamed)

سیستم مهار توخالی (Hollow Bar Anchor System)

در روش نوینی که در سال‌های اخیر رواج یافته است و سیستم مهار توخالی (Hollow Bar Anchor System) نامیده می‌شود، از لوله‌های خود تزریق بنام Titan Hollow Bar استفاده می‌شود که عمل حفاری، تزریق و المان فولادی توسط یک قطعه‌ی فولادی انجام می‌پذیرد. در این روش در حین حفاری عملیات تزریق انجام گرفته و راد فولادی و سرمته‌ی آن بعنوان المان فولادی و باربر در زمین باقی می ماند.

این روش در تعدادی از پروژه‌ها صرفه‌ی اقتصادی بسیار داشته و برخلاف تصور اینکه سرمته و راد داخل زمین می‌ماند با محاسبات بارگذاری به این نتیجه می‌رسیم که در پروژه‌های خاصی باعث کاهش هزینه‌های بسیار خواهد شد.