کتاب راهنمای جامع طراحی و اجرای میکروپایل

فصل 1 13
مقدمه 13
اهداف و حوزه های دستورالعمل 13
تعریف و توصیف میکروپایل 15
تاریخچه 17
فصل 2 21
طبقه بندی سیستم های میکروپایل 21
روش تزریق (اجرا). 21
طبقه بندی کاربردی طراحی 21
طبقه بندی اجرایی 25
فصل 3 29
کاربرد میکروپایل در پروژه های حمل و نقل 29
امکان سنجی میکروپایل 29
ملاحظات فیزیکی 32
شرایط زیر سطحی 32
شرایط زیست محیطی 33
سازگاری با سازه موجود 35
محدودیت های میکروپایل 35
صرفه اقتصادی میکروپایل 35
نگهداری سازه ها 36
اتصال از زیر فونداسیون های ساخته شده 38
مقاوم سازی لرزه ای 40
تحکیم درجا 43
فصل 4 49
تکنیک های اجرایی و انواع مصالح مورد استفاده در میکروپایل 49
چالزنی 49
دستگاه های حفاری 51
تکنیک های چالزنی 53
تکنیک کیسینگ گذاری هم زمان با حفاری 55
تزریق 60
تجهیزات تزریق 63
اختلاط دوغاب 65
روش های تزریق دوغاب 65
روش تزریق ثقلی (میکروپایل های نوع A) 65
تزریق با فشار از داخل کیسینگ (میکروپایل نوع B) 66
تزریق ثانویه (میکروپایل های نوع C و D) 67
تزریق سر چاهی 71
فولادهای مورد استفاده در بهسازی خاک 72
جایگذاری میلگرد داخل چال 72
انواع فولادهای تقویتی 72
فصل 5 82
طراحی میکروپایل در فونداسیون سازه ها 82
گام اول: ارزیابی و شناسایی نیازهای پروژه و امکان سنجی اجرای میکروپایل 84
گام دوم: مطالعه اطلاعات موجود و داده های ژئوتکنیک 85
توسعه بارهای ترکیبی کاربردی 88
گام جهارم: طراحی اولیه میکروپایل 88
انتخاب فواصل میکروپایل ها 88
تعیین طول میکروپایل 89
انتخاب سطح مقطع میکروپایل 89
انتخاب نوع میکروپایل 90
طراحی سازه ای طول کیسینگ گذاری 90
سازگاری کرنش بین دوغاب، کیسینگ و میلگرد تقویتی 91
تأثیر قطعات کوپل شده بر ظرفیت فشاری 93
حفاظت در برابر خوردگی 93
کمانش در طول لوله گذاری شده میکروپایل 93
ارزیابی و محاسبه بار مجاز برای طول کیسینگ گذاری شده 93
ملاحضات خوردگی 94
تاثیر کوپلر بر ظرفیت بار کششی 94
گام 6: طراحی سازه ای میکروپایل های بدون کیسینگ 96
گام 7 بازبینی طرح میکروپایل 97
گام 8 ارزیابی ظرفیت ژئوتکنیکی میکروپایل 97
پایدار بودن لایه قرارگیری باند 97
انتخاب تنش گسیختگی باند و محاسبه طول آن 98
ارزیابی ظرفیت فشاری گروه میکروپایل 101
براورد ظرفیت گروه میکروپایل در بالا زدگی (Uplift) 104
گروه میکروپایل در خاکهای چسبنده 105
گروه میکروپایل در خاک های با چسبندگی پایین 105
برآورد میزان نشست درگروه میکروپایل 106
میزان نشست در گروه میکروپایل 107
روند گام به گام براورد نشست گروه میکروپایل در خاک های چسبنده 109
حرکت الاستیک میکروپایل 111
گام دهم: محاسبه اتصال میکروپایل به کلاهک شمع 113
گام یازدهم: برنامه ریزی جهت انجام آزمایشات بارگذاری 119
گام دوازدهم: آماده سازی نقشه ها و مشخصات فنی 120
حفاظت در برابر خوردگی 120
ارزیابی پتانسیل خورندگی خاک 121
سیستم های جلوگیری از خوردگی 121
روش های جلوگیری از خوردگی در فولادهای تقویتی 121
روش های حفاظت از خوردگی کیسینگ های فولادی 122
الزامات حفاظت در برابر خوردگی میکروپایل ها 124
طول فرو رفتگی (غوطه وری) کیسینگ داخل لایه زیرین 125
باربری نوک شمع 127
پایین رفت میکروپایل 127
طراحی میکروپایل برای بارهای جانبی 128
مراحل تجزیه و تحلیل یک میکروپایل منفرد تحت بارگذاری جانبی 128
ارزیابی بار جانبی میکروپایل در اتصالات رزوه ای کیسینگ 135
مقاومت جانبی گروه میکروپایل 135
مراحل طراحی گروه میکروپایل با بارگذاری جانبی 136
تجزیه و تحلیل اثر متقابل خاک و سازه در گروه میکروپایل 140
میکروپایل های مایل 140
ملاحظات خمش میکروپایل ها 141
میکروپایل های اجرای شده در خاکهای بسیار ضعیف یا با قابلیت روانگرایی 141
نصب میکروپایل در مصالح حفره دار 145
ملاحظات لرزه ای 147
استفاده از میکروپایل های مایل در مناطق لرزه خیز 149
تقسیم بار با پی های موجود 150
ظرفیت بالاراندگی (UP LIFT) میکروپایل 151
روانگرایی 151
فصل 6 154
طراحی میکروپایل به منظور پایداری شیب های خاکی 154
ارزیابی نیروی مازاد مورد نیاز برای رسیدن به ضریب اطمینان مورد نظر 164
جانمایی میکروپایل ها در مقطع شیب 164
روش‌های مدل‌سازی نیروی مقاوم از یک میکروپایل 167
ارزیابی پایداری شیب در نقاط دورتر ازمیکروپایل های اجرا شده 170
انتقال بار در میکروپایل ها 172
ممان خمشی و ظرفیت برشی میکروپایل منفرد عمودی 176
ارزیابی ظرفیت ممان خمشی میکروپایل منفرد عمودی 176
ارزیابی ظرفیت برشی میکروپایل های عمودی منفرد 177
ظرفیت برشی گروه میکروپایل های مایل 180
میزان فاصله داری برای تامین نیروی مورد نیاز درپایدارسازی شیب 184
پتانسیل جریان خاک در بین میکروپایل ها 186
گام 4: ارزیابی ضریب اطمینان شیب موجود 189
گام 5: ارزیابی مقدار نیروی مقاوم اضافی مورد نیاز برای به دست آوردن ضریب اطمینان مورد نظر 192
گام 6: انتخاب سطح مقطع میکروپایل 193
گام 7: ارزیابی طول میکروپایل 194
گام 8: ارزیابی ظرفیت خمشی میکروپایل عمودی منفرد 194
گام 9: ارزیابی ظرفیت برشی میکروپایل قایم منفرد 196
گام 10: ارزیابی ظرفیت برشی گروه میکروپایل های مایل 200
گام 11: محاسبه فواصل میکروپایل ها جهت تامین نیروی تثبیت شیب 201
گام 12:کنترل پتانسیل جریان خاک از بین میکروپایل ها 201
گام 13: طراحی سازه تیر کلاهک بتنی 202
تثبیت زمین لغزش مسیر آبی با استفاده از میکروپایل، وایومینگ 207
تثبیت زمین لغزش Sum-271 با استفاده از میکروپایل در اوهایو 211
تثبیت زمین لغزش Littleville آلاباما با استفاده از میکروپایل 214
فصل 7 218
تست بارگذاری میکروپایل 218
تجهیرات تست بار 220
تجهیزات تست بار 220
مراحل انجام تست میکروپایل 226
تست تایید Verification 226
مراحل تست تایید 226
ثبت داده های تست اثبات 227
تست اثبات Proof Test 231
مراحل آزمون اثبات، ثبت و آنالیز داده ها 231
معیارهای پذیرش میکروپایل 231
پذیرش تست تایید 231
پذیرش آزمون اثبات 233
پیامدهای گسیختگی 234
تهیه گزارش تست بار میکروپایل 234
ارزیابی الزامات تست بار در پروژه 235
ملاحظات تست بار تایید 235
مراحل تست بار اثبات Verification Tests 236
بزرگی و مقادیر تست بار 237
روش اعمال بار 238
سایر روش های تست بار 238
تست بار دینامیکی 239
تست بار Statnamic 241
فصل 8 243
نظارت بر اجرای میکروپایل و روش های کنترلی 243
نقش های نظارتی تحت رویکردهای قراردادی معین 243
آماده سازی های قبل از شروع پروژه 244
نظارت بر مصالح میکروپایل ها 246
حمل و نقل و انبار کردن سیمان 247
حمل و نقل و انبارکردن فولادهای تقویتی 247
بازرسی و نظارت بر فعالیت های اجرایی 250
نظارت بر عملیات چالزنی 250
نظارت بر عملیات نصب میلگردهای تقویتی 251
مستندات مورد نیاز پروژه 253
تست بار میکروپایل 253
اتمام اجرای میکروپایل 254
ثبت گزارشات تزریق میکروپایل 254
منابع و مآخذ 259
پیوست ها 264

اهداف و حوزه های دستورالعمل
استفاده از میکروپایل در نیمه دوم قرن 19 علی الخصوص پس از سال 1980 رشد و پیشرفت چشمگیری داشته است. میکروپایلها عموما به منظور افزایش مقاومت ساپورت شالوده ها در برابر نیروهای ایستاتیک لرزه ای و گاها در بهسازی و پایدارسازی شیبها و گودها استفاده می شد. اغلب این موارد در سازه های وابسته به حمل و نقل و ترابری مورد استفاده بود.
در سال 1993 مدیریت بزرگراه های فدرال (FHWA) حمایت پروژه ای را به منظور بررسی عملکرد میکروپایل ها بر عهده گرفت. گروه تحقیقاتی متشکل از پیمانکاران، مشاوران، دانشگاهیان وکارفرمایان بودند.
نتایج و مستندات این پروژه با عنوان ‘ بررسی عملکرد میکروپایل های حفاری و تزریق شده‘ بصورت یک تحقیق جامع بین المللی با تجزیه و تحلیل دقیق نتایج و توسعه آن ارایه شده است.
داده های آزمایشگاهی و میدانی، روش های طراحی، روش های اجرایی، مشاهدات میدانی و پایش پروژه های مورد نظر بخشی از این کار تحقیقاتی به شمار می آید. همچنین برخی از محدودیت ها، عدم قطعیت ها وارزیابی لزوم تحقیقات بیشتر نیز در این مطالعه مد نظر قرار گرفت. یکی از نیازهای اساسی این کار وجود دفترچه راهنمای طراحی و اجرا بصورت دستور العمل برای مهندسان ژئوتکنیک و سازه در موسسه بزرگراه ها بود.
در پاسخ به این نیاز،FHWA از تکمیل و پیشرفت دستور العملی با عنوان “راهنمای طراحی و اجرای میکروپایل ”(FHWA2000) حمایت کرد. هزینه های این کار را FHWA، U.S؛ و برخی از پیمانکاران تخصصی میکروپایل و چند نهاد دیگر تقبل کردند.
این کتابچه راهنما بصورت نسخه آزمایشی بوده و حاوی اطلاعات جامعی در مورد طراحی، اجرای میکروپایل، روشهای آزمایش و بازرسی، براورد هزینه، نحوه تنظیم قرارداد به منظور استفاده ایمن و اقتصادی میکروپایل در پروژه های راه سازی می باشد.
این نسخه ویرایش 2001 بوده که عمده مطالب ویرایش شده به این شرح می باشد:
فصل سوم: برخی از اطلاعات و تاریخچه پروژه ها به روز شده و برخی اطلاعات پروژه های جدید و خاص که در آن ها به ارزیابی و امکان سنجی استفاده میکروپایل می باشد افزوده شده است.
فصل چهارم: شرح تکنیک های حفاری صوتی اضافه شده است.
فصل پنجم:
• اطلاعات مربوط به حفاظت از خوردگی به روز شده تا تلاش FHWA را برای ارزیابی شرایط زمین و توصیه های ارایه شده جهت سطوح مختلف خوردگی در موسسه پی های عمیق DFI را منعکس نماید.
“Guide to Drafting a Specification for High Capacity Drilled and Grouted Micropiles for Structural Support” (DFI, 2003).
• یک فلوچارت طراحی میکروپایل جهت نگهدارنده های سازه ای ارائه شده است. این فلوچارت کلیه نقاط قوت و محدودیت های سازه ای و ژئوتکنیکی مناسب را مشخص می کند.
• تحقیقات و توصیه های مربوط به اطلاعات زیر سطحی مانند عمق و فاصله داری در این کتابچه راهنما اضافه شده است.
• ضریب ایمنی طول گیردار تزریق شده از 2.5 به 2 کاهش داده شده و دلایل آن نیز در قالب یک بحث ارائه شده است.
• اطلاعاتی در مورد محدودیت های مقاومتی ژئوتکنیکی از جمله ظرفیت عمودی (فشارش و بالا زدگی) و پایین راندگی برای میکروپایل ها ارائه شده است
• ارزیابی ترکیب فشردگی محوری و خمشی، همچنین روشهای ارزیابی پتانسیل های کمانش میکروپایل اضافه شده است. جزییات بارگذاری جانبی میکروپایل ها و روشهای ارزیابی ظرفیت سازه ای در اتصالات رزوه ای نیز ارائه شده است.
• ملاحظات طراحی سازه ای برای میکروپایل های آسیب دیده گنجانده شده است.
• اطلاعات مربوط به نشست گروه میکروپایل و حرکت جانبی آن گنجانده شده است.
• بخشی از ملاحظات لرزه ای در طراحی میکروپایل ها برای مقاوم سازی لرزه ای به صورت کاربردی اضافه شده و اطلاعات مربوطه از پروژه های تحقیقاتی FOREVER2003 و اطلاعات طراحی از دستورالعمل طراحی لرزه ای ژاپن (Japanese Public Works Research Institute, 2002 ( می باشد.
فصل ششم:
• اطلاعات مفصلی در مورد امکان استفاده میکروپایل ها برای پروژه های تثبیت شیب از جمله راهنمایی در مورد ارزیابی پارامترهای ژئوتکنیکی مورد نیاز ارائه در تجزیه و تحلیل آن ارائه و همچنین اطلاعات ویژه ای در باره محدودیت های طراحی نیز اضافه شده است.
• سه شرح مفصل از استفاده میکروپایل در پایدارسازی شیب ها اضافه شده است.
• روش طراحی میکروپایل هایی که برای تثبیت دامنه ها استفاده می شود تغییر یافته و شامل یک رویکرد طراحی گام به گام با اطلاعات مربوط به آن است:
1-تاثیر جانمایی میکروپایل در پایداری شیب
2-تاثیر مقاومت منفعل در بخش جلویی سازه میکروپایل
3- استفاده از انتقال نیروی محوری میکروپایل در پایداری شیب
4-رویکرد گام به گام در طراحی مرحله ای شامل تجزیه و تحلیل قسمتهایی از میکروپایل ها در بالا و زیر سطح لغزش بالقوه احتمالی
فصل هفتم:
• راهنمایی در مورد ارزیابی توسعه آزمایش های بارگذاری میکروپایل مانند آزمایش تایید verification و اثبات proof ارایه شده است.
• اطلاعاتی در مورد استفاده از تکنیک های تجزیه و تحلیل شمع های کوبشی (PDA) و آزمایش بارگذاری ایستاتیک به عنوان ابزاری بالقوه برای تضمین کیفیت اجرای میکروپایل ها آورده شده است.
فصل هشتم:
• چک لیستی به روز شده از مسئولیت های کنترل کننده میکروپایل در حین مونتاژ و اجرا ارائه شده است.
فصل دهم:
• اطلاعات مربوط به برآورد هزینه به روز شده و شامل اطلاعات تخصصی در مورد آیتمهای اصلی مانند فولاد و دستمزد اجرا است. همچنین اطلاعات و توصیه هایی درباره هزینه های آزمایش ها، متره و براورد و ردیف های پرداختی در پروژه ها ارایه شده است.
تعریف و توصیف میکروپایل
میکروپایل ها دارای قطر کوچکی (معمولاً کمتر از 300 میلی متر (12 اینچ)) بوده و با روش حفاری چال و تزریق بصورت برجا اجرا شده که عموما مسلح می باشد. برای اجرای میکروپایل ابتدا چال حفاری شده، فولاد را داخل آن قرار داده و سپس با دوغاب تزریق می شود (تصویر 1-1).
میکروپایل ها توانایی تحمل بارهای محوری نسبتاً زیاد و بارهای جانبی متوسط را دارند وممکن است جایگزین شمع های کوبشی، چاهکی یا بصورت ترکیبی توده ای خاک-شمع در نظر گرفته شود که نوع آن بستگی به مفهوم و الزامات طراحی دارد.

میکروپایل ها را می توان با هر زاویه ای کمتر از افقی اجرا نمود و از تجهیزات مورد استفاده برای اجرای انکرها و تزریق آن میتوان در میکروپایلها نیز استفاده کرد.
از آنجا که اجرای میکروپایل ها کمترین لرزش و سر و صدا را ایجاد می کند می توان از آنها در در فضاهای سرپوشده کوتاه و زیر ساختمانها استفاده نمود. اغلب تجهیزات چالزنی برای نصب میکروپایل در داخل ساختمانهای مسقف و دارای محدودیت های ارتفاعی به کار می رود.
بیشتر عامل باربری شمع های معمولی حفاری شده یا غیر برجا بخاطر مقاومت سازه ای بتن مسلح آن است. افزایش ظرفیت سازه ای با افزایش سطح مقطع و مساحت جانبی بوده اما ظرفیت سازه ای میکروپایل، برای مقاومت بار اعمال شده حداکثری، به عناصر فولادی با ظرفیت بالا وابسته است.
این فولاد ها ممکن است نیمی از سطح مقطع چال حفاری شده را اشغال کنند. چالزنی و روش های تزریق ویژه در اجرای میکروپایل، مقدار اتصال بین طول گیردار با دوغاب و همچنین دوغاب و خاک را به مقدار قابل توجهی افزایش می دهد.
دوغاب تزریق شده به واسطه اصطکاک جدار، منتقل کننده نیرو از عناصر تسلیح به زمین در ناحیه درگیر میکروپایل است که کارکردی مشابه انکر های تزریق شده دارد. با توجه به قطر کوچک میکرو پایل ها، سهم باربری انتهای شمع به طور کلی نادیده گرفته می شود.
استحکام باند و دوغاب عمدتاً تحت تأثیر نوع خاک و روش تزریق به کار رفته مانند تزریق پرفشار یا ثقلی می باشد. روش چالزنی تاثیر کمتری در این موضوع دارد.
تاریخچه
میکروپایل پیش از دهه 1950 در ایتالیا، به عنوان تکنیکی جدید برای محافظت بناهای تاریخی قدیمی و در معرض خطر تخریب، مخصوصا آنهایی که در طول جنگ جهانی دوم آسیب دیده بودند به عنوان یک سیستم نگهدارنده قابل اعتماد برای تحمل بارهای سازه ای با حداقل تغییر شکل و قابل اجرا در فضاهای محدود و دارای کمترین آسیب رسانی به سازه های اطراف محسوب می شد.
یک پیمانکار تخصصی ایتالیایی به نام Fondedile که دکتر فرناندو لیزی مدیر فنی او بود برای توسعه برنامه های کاربردی خود روش palo radice یا شمع ریشه ای را توسعه داد. شمع ریشه ای متشکل از چالی حفاری شده با قطر کم که فولادی سبک داخل آن گذاشته و تزریق می شد که نمونه ای از شکل اولیه آن در تصویر 2-1 دیده می شود. اگرچه پس از جنگ، فولاد در اروپا کمبود داشت، اما نیروی کار انسانی ارزان، فراوان و توانمند بودند که در چنین شرایطی باعث توسعه این عناصر تقویتی سبک، درجا و شمع های ریشه ای شد که به طور عمده توسط پیمانکاران تخصصی طراحی و اجرا می شدند. آزمایش بارگذاری روی این شمع های ریشه ای جدید ظرفیت آن ها را بیش از 400 کیلو نیوتن اندازه گیری کرد هر چند ظرفیت طراحی بر مبنای روشهای مرسوم امروزی و مقدار خستگی شمع کمتر از 100 کیلونیوتن در نظر گرفته شده بود. آزمایش بارگذاری مستقیما در مقیاس واقعی با هزینه نسبتاً کمی انجام شده و جمع آوری داده ها و انتشار آنها انجام گشت و همچنین در طی این آزمایشات اولیه هیچ باند تزریق شده ای گسیخته نشد. استفاده از شمع های ریشه ای در دهه 1950 در ایتالیا افزایش یافت. Fondedile این فناوری را سال 1962 در انگلستان برای حمایت از چندین سازه تاریخی معرفی کرد و تا سال 1965 در پروژه های زیرزمینی حمل و نقل شهری آلمان مورد استفاده قرار گرفت. در آن زمان به دلایلی تخصصی، عبارت “میکروپایل ” جایگزین “شمع ریشه ای ” شد. در ابتدا کاربرد عمده میکروپایل ها در زیر سازه های شهری بود. از سال 1957 تقاضاهای مهندسی فراوانی منجر به معرفی سیستم های reticoli di pali radice (شمع های ریشه شبکه ای) گردید. چنین سیستم هایی شامل چندین میکروپایل عمودی و مایل در یک شبکه سه بعدی به هم متصل شده که یک ساختار مرکب خاک-شمع احاطه کننده پیرامونی را ایجاد می کرد. (تصویر 1-3). از میکروپایل شبکه ای برای تثبیت شیب، نگهداری دیوارهای اسکله، حفاظت سازه های مدفون، نگهداری خاک و سازه و بهسازی زمین استفاده می شد.