بخشی از مقاله
بهسازی فونداسیون ساختمان مدارس آسیب دیده با استفاده از ریزشمع (مطالعه موردی: مدرسه نوق رفسنجان)
چکیده
به دلیل نشست های خاک زیر ساختمان مدرسهای واقع در بخش نوق رفسنجان، ترک های عریضی در فونداسیون و بدنه این ساختمان ایجاد شده است. به منظور بهسازی این مدرسه ابتدا مـدل عـددی فونداسـیون مدرسـه بـا نـرم افزارهـای SAFE، FLAC 3D و Plaxis 3D Foundation ساخته شده و همچنین نحوه نشست ساختمان با ایجـاد شـاخص در 10 نقطه از ساختمان مدرسه به مدت 90 روز مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه 6 گزینه تبدیل پی تکی بـه نـواری، پـی تکی افزوده با ریزشمع، پی نواری با ریزشمع، پی گسترده، پی گسترده و ریزشمع و ترکیب گزینه های پی تکی افـزوده و پی نواری با ریزشمع در دو فاز مختلف مدلسازی و مورد بررسی کیفی و اقتصادی قرار گرفت. در نهایت گزینه برتـر بـرای مقاوم سازی این مدرسه پی تکی افزوده با ریزشمع انتخاب شد. در این مقاله خلاصه ای از مدلسازی های عـددی و روش بهسازی که شامل ایجاد ریزشمع و ساخت فونداسیون جدید و اتصال آن به فونداسیون موجـود ایـن مدرسـه مـی باشـد، آورده خواهد شد. نتایج بدست آمده با کنترل نشست ساختمان نشان داد که با بهسـازی سـاختمان بـا ایجـاد 147عـدد ریزشمع و افزودن فونداسیون جدید، نشست های نامتقارن در ساختمان متوقف شده است. در این روش به دلیـل اتصـال ریزشمع ها به فونداسیون جدید و قدیم ریز شمع ها تشکیل شالوده عمیق می دهند و به عنـوان المانهـای باربرسـازهای، بارهای کششی، فشاری و جانبی را تحمل می کنند.
واژگان کلیدی: بهسازی به روش ریزشمع، ریزشمع، مقاوم سازی خاک، بهسازی فونداسیون ساختمان مدارس، میکروپایل
-1 مقدمه
ریزشمع ها به شمعهای با قطر کوچک (کمتر از300 میلیمتر) اطلاق میگردد که تـا عمـق طراحـی در زمـین کوبیـده یـا حفاری می شوند. ریز شمع هاغالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه میباشند. میکروپایل علاوه برآنکه بـه عنوان یک المان باربر و مقاوم در برابر نشست عمل میکند، بـدلیل مقاومـت اصـطکاکی بـین ریزشـمع و خـاک پیرامـون آن و همچنین اثرات شبکهای آنها، سبب بهبود مشخصات مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک اطراف نیز میگردد. ریزشمع ها تحـت بارگذاری دینامیکی به دلیل انعطاف پذیری بالای خود بسیار خوب رفتار می کنند. مشاهدات زلزله 1995 کوبه عملکـرد خـوب شمع های اصطکاکی را تحت بار دینامیکی نشان داده است.
ریزشمع ها میتوانند نیروهای محوری و جانبی را تحمل کنند و میتوانند به عنوان جایگزینی بـرای شـمع هـای متعـارف باشند. از آنها، برای پایدارسازی شیب ها، مسلح کردن دیوارهای ساحلی، حفاظت از سازه های مدفون، مسلح کردن خـاک و در سایر روش های تقویت خاک و سازه استفاده میشود. استفاده از ریزشمع در سازههای جدید باعث اثرات کنترل نشست، کنترل باربری، تعمیر و جایگزینی و کنترل شستگی در پی میشود و استفاده از ریزشمع در سازههای موجـود باعـث کـاهش نشسـت، افزایش باربری فشاری، تامین باربری کششی، افزایش باربری جانبی و مقاوم سازی لرزهای پی میشود. با توجه به سرعت بـالا و هزینه کم اجرای میکروپایل نسبت به شمعهـای کوبشـی و درجـاریز بـالاخص در شـرایط ژئـوتکنیکی خـاص و در منـاطق بـا دسترسی محدود، میکروپایل یک گزینه مناسب برای بهسازی بستر سازههای جدید و موجود میباشد.
1
ریزشمع ها در اوایل دهه 1950 در ایتالیا توسط Fermando Lizzi به منظور تقویت پی سـاختمان هـای تـاریخی و آثـار باستانی، که به مرور زمان و به خصوص در طول جنگ جهانی دوم دچار آسیب شده بودند، ابداع شدند. در آن زمان با بارگذاری این شمع های ریشه ای ظرفیتی بالغ بر 40 تن نتیجه شداین. شمع های درجا ریز دارای قطرکمی بودنـد کـه غالبـاً بـا مسـلح کننده فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان تقویت شده بودند. فوندیل در سال 1962 از این روش برای تقویت ساختمان های تاریخی انگلستان استفاده نمود. همچنین در سال 1965، این روش در آلمان مورد استفاده قرار گرفـت در ایـن سـال اصـطلاح ریزشمع جایگزین نام شمع ریشه ای گردید. این روش بـرای اولـین مرتبـه در آمریکـا توسـط Fondedile در شـهر بوسـتن و نیویورک در سال 1973 مورد استفاده قرار گرفت. در چین در سال 1980 این تکنیک برای محافظت از انحراف برج HU-QIU استفاده شد. تحقیقات زیادی در مورد رفتار و تاثیر ریز شمع ها انجـام شـده اسـت بـه عنـوان مثـال در سـال Lizzi 1984 و Plumelle نشان دادند که ریزشمع ها باعث ایجاد یک سیستم خـاک مسـلح بـا چسـبندگی مـی شـوند همچنـین اسـتفاده از ریزشمع ها باعث افزایش پارامترهای مکـانیکی خـاک مـی شـود. در حـال حاضـر اداره فـدرال بزگـراه هـای آمریکـا((FHWA راهنمایی جهت طراحی و ساخت ریزشمع در سال 2000 ارائه کرده است.[1] از جمله تحقیقات در مورد آزمایش هـای انجـام شده در مورد ریزشمع ها میتوان به آزمایشهای Yamane و همکـاران در سـال 2000 جهـت تعیـین رفتـار قـائم و ظرفیـت خمشی ریزشمع ها[2]، آزمایشات انجام شده توسط Geosystem در سال 2000 بـر روی گـروه ریزشـمعهـا[3] و آزمایشـات صحرایی Han و Ye در سال 2006 بمنظور تعیین رفتار ریزشمع ها تحت بارگذاری کششی و فشاری در رس نرم و تقویت پـی اشاره کرد.[5] [4]
به دلیل نشست خاک زیر ساختمان مدرسه ای واقـع در بخـش نـوق شهرسـتان رفسـنجان تـرک هـای عریضـی بـر روی فونداسیون و کلاف های رابط ایجاد شده است. با توجه به اهمیت ساختمان و روند ادامه نشست ساختمان (با توجه بـه بررسـی 10 عدد شاخص نصب شده بر روی ساختمان مدرسه) تصمیم به مقاوم سازی سـاختمان گرفتـه شـد. بـدین منظـور 6 گزینـه تبدیل پی تکی به نواری، پی تکی افزوده با ریزشمع، پی نواری با ریزشمع، پی گسترده، پی گسترده و ریزشمع و ترکیب گزینـه های پی تکی افزوده و پی نواری با ریزشمع در دو فاز مختلف مدلسازی و مورد بررسی کیفـی و اقتصـادی قـرار گرفـت. در ایـن مقاله خلاصه ای از روند مدلسازی های عددی، روند اجرای 147 ریزشمع در زیر ساختمان مدرسه، اجرای پـی تکـی افـزوده و آزمایش بر روی ریزشمع ها آورده خواهد شد.
-2تعریف پروژه
سازه مدرسه شامل دو طبقه با اسکلت فولادی با کاربری آموزشی و پلان آن به صورت مستطیلی و با طـول 35/4 و عـرض 18/2 متر می باشد. محل احداث سازه بر روی خاک ماسه ای با ظرفیت نشست زیاد می باشد.
با توجه به اطلاعات بدست آمده از گمانه های حفاری و برقراری ارتباط بین اطلاعات بدست آمده از آزمایشات متداول دانه بندی و تعیین حدود اتربرگ و درصد رطوبت بر روی نمونه های دست خورده می توان نتیجه گرفت که خاک بستر تـا عمـق 9 متر از نوع )SMماسه لای دار) میباشد و در عمق 9 تا 11 متر نوع خاک بصورت ماسه لای دار همـراه بـا GW (شـن بـا دانـه بندی بد همراه با ماسه) می باشد. لازم به ذکر است که به دلیل پایین بودن سطح آب زیرزمینـی در منطقـه، در طـول گمانـه؛ خاک کاملا خشک می باشد.
2
ترک های ایجاد شده در ساختمان بر روی کلافهای رابط فونداسیون، فونداسیون و دیوارهای ساختمان می باشـند. شـکل (1) الگوی ترک خوردگی در اعضا ساختمان را نشان میدهد. به منظور تعیین نحوه نشست سازه 90 روز قبل از شروع عملیات بهسازی تعداد 10 عدد شاخص بر روی بدنه ساختمان نصب و در این مدت کنترل گردید.
الف ب شکل :1 الگوی ترک خوردگی، الف) رابط های فونداسیون، ب)دیوارها
-3مدل سازی عددی
در ابتـدا مـدل سـازی پـی تکـی بـا کـلاف هـای رابـط موجـود در نـرم افزارهـای SAFE، FLAC 3D و Plaxis 3D Foundation انجام پذیرفت. از مهمترین مواردی که بدان توجه شد، کنترل تنش خاک زیر پی و همچنین کنترل نشست پـی تحت اثر بارهای بهره برداری بود. شکل (2) میزان نشست پی را در نرم افزارهـای FLAC و Plaxis 3D Foundation نشـان میدهد. میزان حداکثر نشست در نرم افزار Plaxis 3D برابر با 49/96 میلیمتر میباشد.
الف ب
شکل :2 مدلسازی عددی فونداسیون موجود الف) نرم افزار FLAC 3D، ب) نرم افزار Plaxis 3D Foundation
3
در ادامه با توجه به ملاحظات اجرایی به منظور بهسازی فونداسیون موجود 6 گزینه به صورت زیر انتخاب شد. مـدل هـای عددی همه گزینه ها با نرم افزار Plaxis 3D Foundation ساخته شد. شکل (3) نتـایج حاصـل از روش پـی تکـی افـزوده بـا ریزشمع و پی گسترده با ریزشمع را نشان میدهد.
· تبدیل پی تکی به نواری
· پی تکی افزوده با ریزشمع
· پی نواری با ریزشمع
· پی گسترده
· پی گسترده و ریزشمع
· ترکیب گزینه های پی تکی افزوده و پی نواری با ریزشمع در دو فاز مختلف
الف ب شکل :3 مدل سازی فونداسیون مقاوم سازی شده، الف) پی تکی افزوده با ریزشمع، ب) پی گسترده با ریزشمع
با توجه به ملاحظات فنی و اقتصادی (بر اساس فهرست بها ابنیه سال (1394 و نتایج حاصل از مطالعـات عـددی بـر روی گزینه های پیشنهادی جهت بهسازی فونداسیون موجود و ظرفیت پایین خاک محل پروژه، گزینه پی تکی افزوده با ریزشمع به عنوان گزینه برتر انتخاب گردید. در طرح سازهای، ظرفیت باربری المانهای میکروپایل مشتمل بر جدار فولادی، آرماتورتسـلیح و دوغاب سیمان محاسبه میشود که این ظرفیت میبایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده بـه میکروپایـل باشـد. درطرح ژئوتکنیکی، مقاومت اصطکاکی جداره میکروپایل با خاک اطراف محاسبه میگردد که میبایست این مقاومت اصـطکاکی با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتراز بار وارده باشد تا امکان جدایی میکروپایل از خاک قبل از وقوع تسلیم عوامـل مسـلح کننـده میسر نگردد. در گام نهایی طرح، باتوجه به این امر که میکروپایلها دارای بار متمرکز زیاد و قطر کوچک بـوده و بـرش پـانج بـا توجه به سربارهای وارده محتمل میباشد، کنترل مقاومت در برابر برش پانچ که منتهی به ارائه طرح فلـنج مناسـب مـیگـردد، انجام میشود. جهت انتقال بار هر پی تکی افزوده به وسیله 40 میلگرد کاشت به فونداسیون موجود متصل میشود. مشخصـات ریزشمع ها و پی های تکی مورد استفاده در ادامه آورده خواهد شد.
