روش های پایدارسازی گود و سازه های نگهبان در گودبرداری

در حال حاضر با بالا رفتن جمعیت شهری نیاز به اجرای ساختمان های مسکونی و تجاری و حتی تقاطع های زیرسطحی روز به روز در حال افزایش است که اجرای این سازه ها همگی به بکارگیری فضاهای زیرسطحی و گودبرداری اصولی وابسته است. عملیات گودبرداری نیز باعث برهم خوردن تعادل ژئواستاتیکی زمین می شود و این بهم خوردن تعادل باعث ناپایداری هایی شامل زیر می شود:

• ناپایداری جداره گودبرداری ها
• نشست زمین مجاور ناحیه گود
• تورم و بالازدگی کف گود که ممکن است باعث ناپایداری کف گود گردد.

هریک از روش های پایدارسازی جداره گود دارای مزایا، معایب و محدودیت هایی می باشند. از طرفی انتخاب سیستم مهار خاک برای به کارگیری در هر پروژه خاص به وسیله امکانات ساخت، ایمنی اجرا، کسب اجازه در صورت ورود به حریم همسایه و بحث های اقتصادی اعم از قیمت مصالح مانند قیمت میلگرد و سایر تجهیزات محدود می گردد.

با توجه به اهمیت موقعیت و شرایط اقتصادی پروژه های اجرایی روش های مختلفی برای حفاظت از جداره گودبرداری ها به کار گرفته می شود که هریک از این روش ها مزایا و معایب خاص خود را دارند که در ادامه خلاصه ای از خصوصیات این روش ها آورده شده است.

میخ کوبی یا نیلینگ

این نوع سیستم از روش تونل سازی اتریشی گرفته شده است. این روش برای اولین بار در سال ۱۹۶۱ در ونکوور در آمریکای شمالی به کار رفته است. میخکوبی، مسلح سازی و مقاوم سازی خاک موجود در محل با نصب میله های فولادی (که میخ یا نیل نامیده می شوند) در فواصل نزدیک به هم می باشد.

در این سیستم بعد از حفاری ناحیه گود، شبکه آرماتورها بر روی دیوار قرار می گیرد و بر روی آن بتن پاشی انجام می شود، در مرحله بعد گمانه های افقی و یا مایل برای کارگذاری میلگردها (مهارهای کششی) حفر می گردد و بعد از میلگردگذاری مابقی گمانه با ملات سیمان پر می شود، زاویه حفر سوراخ ها معمولا در حدود ۱۵ تا ۲۱ درجه نسبت به سطح افقی و برای جاگیری ملات تحت وزن خود در سوراخ می باشد، در مرحله آخر هم اتصال مناسب برای سر میل مهار به کار گرفته می شود.

این روش به دلیل سرعت اجرای بالا، عدم نیاز به ماشین آلات سنگین و همچنین عدم تداخل سازه نگهبان با عملیات اصلی ساختمانی یک روش متداول گودبرداری پروژه های ساختمانی است. یکی از مشکلات اجرای میخکوبی تجاوز به حریم ابنیه مجاور گود و به دنبال داشتن مسائل حقوقی است. ضمنا باید حین اجرای این سیستم دقت نمود که به تاسیسات شهری آسیبی وارد نشود.

سیستم خرپایی

این روش به عنوان یک راه حل عمومی برای ایمن سازی گودبرداری ها در نواحی شهری، با توجه به اجرای ساده، امکانات در دسترس و قابلیت انعطاف پذیری آن می تواند مورد توجه قرار گیرد. مراحل اجرایی این روش شامل حفر چاه، استقرار عضو قائم توام با نصب شبکه آرماتور در قسمت تحتانی و بتن ریزی در آن جهت تامین گیرداری به فونداسیون مربوطه می باشد. گودبرداری با شیب مناسب با خاک محل اجرای زیرسازی و فونداسیون، اجرای یال مایل خرپا به موازات شیب، اصلاح گودبرداری از حالت شیبدار به حالت قائم و در نهایت نصب اعضای فرعی خرپا (بادبندها) خواهد بود تا سرانجام به کف افقی گود رسیده و در عین حال سیستم محافظ گود یا خرپا نیز تکمیل شود.

به منظور پایداری عضو قائم خرپا و نیز جلوگیری از ریزش خاک می توان پس از نصب عضو قائم، داخل چاه را با ملات ضعیف پر کرد. از شناژبندی جهت افزایش صلبیت بین پی شمعک ها و نیز پی یال های مایل خرپا می توان استفاده نمود. در اجرا باید به گونه ای عمل نمود که فونداسیون های شمعک ها و یال مایل و شناژهای رابط به عنوان بخشی از فونداسیون سازه اصلی به کار گرفته شوند. پس از اجرای کلیه خرپاها یک ردیف، به منظور تامین صلبیت جانبی و به منظور کاهش طول کمانش اعضای اصلی خرپا می توان این اعضا را توسط مهاربندی به صورت یک در میان و یا دو در میان به هم متصل نمود.

از معایب این روش جاگیر بودن خرپاها و الزام برداشتن بخشی از خاک به روش دستی می باشد.

سیستم سپرکوبی

یکی از روش های گودبرداری جدا کردن ناحیه گودبرداری از محیط اطراف با سپر فلزی می باشد. سپرها از ورقه های نازک فلزی، چوبی و یا بتنی بوده که عمدتا به عنوان حائل قبل از هرگونه اقدام مربوط به خاکبرداری و خاکریزی توسط چکش پنوماتیک و با استفاده از لرزش کوبیده می شوند و با انواع اتصالات بین خود به یکدیگر متصل شده و یک جداره پیوسته را تشکیل می دهند. به طور کلی نحوه اجرا به این صورت است که ابتدا سپرها تا عمق مشخص کوبیده شده و سپس خاک جلو سپر برداشته می شود و در عمق های مشخص از مهار کششی برای پایداری جانبی سپر استفاده می شود.

بیشترین موارد کاربرد این روش برای ایجاد دیوارهای حائل موقت در کارهای دریایی و دیوارسازی های کنار ساحل می باشد.

مزایای سیستم سپرکوبی

• راحتی در کوبیدن، نصب و بیرون کشیدن آن ها، به طوری که مصالح آن مجددا قابل استفاده در پروژه های دیگر می باشد.
• دیوارهای سپری نسبت به سایر روش ها فضای کمتری را اشغال می کند.
• به دلیل انعطاف پذیر بودن این نوع دیوارها و پدیده بازپخش لنگرها عمدتا رفتار لرزه ای مناسبی دارند.

معایب سیستم سپرکوبی

• تحمل تغییر شکل های بزرگ پس از گودبرداری
• ایجاد سروصدا و لرزش فراوان ناشی از کوبیدن سپرها
• بلااستفاده بودن این روش در زمین های سنگی و یا خاکی بسیار متراکم

دیوار دیافراگمی

دیوارهای جداکننده با اجرای بتن درجا و با قراردادن پانل های پیش ساخته در قسمت حفاری شده، ساخته می شوند. پس از اتمام دیوار در صورت لزوم عملیات گودبرداری در یک طرف آن تا عمق حفاری شده، ساخته می شوند. در صورت استفاده از قطعات پیش ساخته باید در محل اتصال آن ها، با قفل و بست های مناسب مکانیکی و استفاده از بتن درجا آن ها را یکپارچه نمود.

مراحل ساخت دیوارهای جداکننده بتنی به شرح زیر می باشد:

• دو دیوار بتنی موازی به فاصله ۱ متر از یکدیگر در سطح زمین به عنوان دیوار هادی حادث می شود.
• حفاری خاک با بیل مکانیکی، چنگک، هیدروفرز یا وسیله مناسب دیگر آغاز می گردد.
• وقتی لایه های فوقانی خاک حفاری شد، دوغاب بنتونیت در ترانشه نیمه حفاری شده ریخته می شود.
• حفاری خاک از درون دوغاب بنتونیت ادامه می یابد. همچنانکه خاک بیشتری از درون ترانشه حفر می شود، مقداری دوغاب اضافه می شود تا همواره سطح دوغاب بنتونیت در داخل ترانشه بالاتر از سطح آب زیرزمینی باشد.
• وقتی که حفاری خاک تا عمق موردنظر انجام شود، قالب شکل دهنده انتهای قطعه موردنظر در ترانشه قرار داده می شود. قالب انتهای قطعه ممکن است لوله یا تیرآهن بال پهن H شکل باشد.
• اگر دیوار جداکننده موردنظر مسلح باشد، در این مرحله شبکه میلگردهای از قبل ساخته شده در درون ترانشه پر از دوغاب بنتونیت قرار می گیرد.
• بتن ریزی با استفاده از قیف و لوله از کف ترانشه آغاز می شود و به طرف بالا به بیرون ادامه می یابد.
• قالب های شکل دهنده انتهای قطعه برداشته می شود و کلیه مراحل قبلی برای قطعه بعدی تکرار می شود.
• یک روش جایگزین بتن ریزی درجا است که قطعه پیش ساخته در درون دوغاب بنتونیت قرار گیرد.
• پس از اجرای دیوار خاکبرداری انجام می شود.

سیستم شمع درجا

گاهی برای احداث ابنیه نگهبان خاک، شمع های متصل به هم در یک ردیف مثل یک دیوار اجرا می شوند. این نوع دیواره ها، از یک ردیف شمع ساخته شده از بتن مسلح تشکیل شده اند. برای مسلح کردن شمع ها می توان از میلگرد به صورت تنها یا قفس یا از پروفیل تیرآهن (بسته به شرایط اقتصادی و قیمت تیرآهن و سایر پروفیل ها) استفاده نمود. شمع های مماسی یا متداخل معمولا یک در میان مسلح هستند.

برای اجرا می توان شمع های غیرمسلح را نخست ایجاد و برای گیرش بتن مدتی صبر کرد. محل نصب شمع معمولا از قبل حفاری می شود. پس از گیرش بتن شمع های غیر مسلح، بین آن ها حفاری می شود و شمع های مسلح اجرا می گردند، این نوع دیوارها برای کاربردهای دائمی ساخته می شوند.

سیستم مهار متقابل

در این روش ابتدا چاهک هایی در فواصل معین در دو طرف گود، حفر و در درون این چاهک ها پروفیل H و یا لوله قرار داده می شود. می توان برای تثبیت بیشتر این پروفیل ها، درون چاهک را با ملات سبک پر کرد، سپس عملیات گودبرداری به صورت قائم انجام می گیرد و به منظور مهار نیروی رانش خاک در فواصل معینی بین دو طرف گود تیرک های متکی بر پروفیل های عمودی قرار داده می شود. در صورتی که احتمال ریزش خاک در بین ستون ها وجود داشته باشد بین پایه های قائم، الوارها و یا تخته های چوبی قرار داده می شود. از مزایای این روش می توان به سرعت اجرا و اقتصادی بودن آن اشاره نمود.

سیستم مهارسازی

در این روش در حاشیه زمینی که قرار است گودبرداری شود، در فواصل معین چاه هایی حفر می شود که عمق این چاه ها برابر با عمق گود به اضافه مقداری اضافی برای شمع تحتانی این چاه هاست. پس از حفر چاه ها و قرار دادن پروفیل ها در درون آن ها، به منظور تامین گیرداری و مهار کافی برای این پروفیل ها، انتهای پروفیل را به میزان ۰.۲۵ تا ۰.۳۵ عمق گودبرداری، پایین تر از رقوم کف گود در درون بخش شمع ادامه می دهیم. سپس شمع تحتانی که قبلا آرماتوربندی آن اجرا شده بتن ریزی می شود.

بدین ترتیب پروفیل های فولادی همراه با شمع در خاک مهار می شوند و سپس گودبرداری به صورت مرحله به مرحله اجرا می شود و در هر مرحله، پس از برداشتن خاک برای جلوگیری از ریزش جداره گود در فاصله بین پروفیل ها، با استفاده از دستگاه های حفاری ویژه، در بدنه گود چاهک هایی افقی یا مایل در درون جداره گود حفر می شوند و بعد از قرار دادن میلگردهایی در درون این چاهک ها، اطراف میلگردها را بتن ریزی می کنند.

روش دوخت به پشت

این روش مشابهت زیادی به روش مهارسازی دارد. در این روش نیز حفاری به صورت مرحله ای و از بالا به پایین اجرا می گردد که در هر مرحله به کمک دستگاه های حفاری ویژه، چاهک هایی افقی یا مایل در بدنه دیوار گود حفر می شود و در درون این چاهک ها کابل های پیش تنیده قرار می گیرد و با تزریق بتن در انتهای چاهک، این کابل ها کاملا در خاک مهار می شوند.

روش اختلاط عمیق خاک

عبارت اختلاط خاک در عمق به روشی اطلاق می شود که در آن پایدارکننده ای نظیر سیمان یا آهک با استفاده از یک حفار با محور توخالی به صورت مکانیکی با خاک مخلوط می شود. فرآیند اختلاط خاک موجب تولید ستون یکنواخت با پهنای ثابت از خاک و ماده افزودنی می گردد. با همپوشانی ستون ها قبل از گیرش کامل، دیوارهای پیوسته ای زیر سطح زمین قابل احداث می باشد.

جمع بندی

همان طور که پیش تر بیان گردید هریک از روش های پایدارسازی جداره گود دارای مزایا، معایب و محدودیت هایی می باشند. از طرفی انتخاب سیستم مهار خاک برای به کارگیری در هر پروژه خاص به وسیله امکانات ساخت، ایمنی اجرا، کسب اجازه در صورت ورود به حریم همسایه و بحث های اقتصادی محدود می گردد. در کل سیستم های مهاربندی که زودتر کامل می شوند و یا اینکه موازی با عملیات ساخت سازه پیش می روند در اولویت هستند و به طور کلی باید برای انتخاب سیستم مهار گود در هر سازه با آگاهی از محدودیت ها و قابلیت های هر روش بررسی های لازم صورت گیرد و سیستم مناسب با توجه به نوع پروژه و خاک محل به درستی انتخاب گردد. همچنین در این بین بررسی بکارگیری سیستم ترکیبی شامل دو یا چند سیستم مهار گود از لحاظ فنی و اقتصادی ضروری می باشد.