ایمن سازی گودها (روش خرپا)

در این مطلب قصد داریم به ایمن سازی گود ها(روش خرپا) برای کارشناسان HSE، ایمنی و بهداشت حرفه ای را بررسی کنیم.

هرساله ساخت و سازهای فراوانی در شهرهای کشور صورت می پذیرد و پیش زمینه این فعالیت ها گودبرداری ها می باشد که در اثر گود برداری غیر اصولی و ناایمن ساختمان های مجاور را تهدید و ویران می سازد. مقوله حفاری به سال های بسیار گذشته باز می گردد از حفر کانال هایی برای ایجاد خندق و مقاصد نظامی تا اکتشافات طلا و جویندگان گنج که در این راه بسیاری از انسان ها جان خود را زیر خروارها خاک از دست داده اند.

با پیشرفت علم و تکنولوژی و قدم گذاشتن به قرن بیستم و بنا شدن بسیاری از برج های سر به آسمان کشیده و تونل های زیر زمینی و کانال های خطوط لوله و یا آبرو میزان مواجهه با خطر ریزش بیشتر شده است در نتیجه روش های بسیاری در جهت جلوگیری از ریزش خاک ابداع و بکارگیری شد که البته همه این روش ها اصولی نبوده و نیاز به بررسی دقیقی دارند که تعدادی از آن روش ها فقط در پروژه های خاص کاربرد داشته و در پروژه های کوچک توجیه اقتصادی ندارند.

همیشه به دلیل متغیر بودن شرایط حفاری و گود برداری از جمله عمق،‍ جنس خاک (خواص فیزیکی مکانیکی خاک) بودجه، شرایط و موقعیت پروژه و تاسیسات مجاور... یک روش مشخص و دیکته شده وجود نداشته است و خود این موضوع که خاک در موقعیت های مختلف رفتار تقریبا ناشناخته ای از خود نشان می دهد مبارزه با این امر به کاری سخت و دشوار برای کارشناسان عمران، HSE و مهندسین اجرا تبدیل شده است.

در ابتدا به مروری کوتاه بر انواع روش های پایدار نمودن گود و گودبرداری پرداخته و سپس به روش خرپایی برای مقاوم سازی گود می پردازیم که هدف اصلی این مقاله می باشد.

Diaphragm Wall روش

در این روش به کمک دستگاه های حفاری ویژه ای ابتدا محل دیواره نگهبان حفر شده بطور همزمان برای جلوگیری از ریزش خاک  درون آن با گل بنتونیت و سیمان پر می شود. بعد از اتمام خاکبرداری قفسه آرماتورها درون شیار قرار داده می شود و درون آن را با بتن پر می کنند.

• مزایا:

 1- این روش دارای سرعت قابل ملاحظه ای است و از درجه اطمینان بالایی نیز برخوردار می باشد.

 2- دیوار حائل همزمان با دیوار نگهبان احداث می شود.

 3- از این روش بخوبی می توان برای حفاری هایی که طول زیادی دارند استفاده کرد.

• معایب:

 1-هزینه این روش بسیار زیاد است و در حجم کم گود برداری مقرون به صرفه نیست.

 2-چون دستگاه حفاری نیاز به فضای کار دارد لذا در محل هایی که دارای محدودیت جانبی هستند دستگاه به سختی کار می کند.

 3-هزینه اجرایی این روش در مقایسه با روش های دیگر بالاتر و در مواردی خارج از محدوده قابل قبول است.

 روش مهار روبرو

در این روش ابتدا چاهک هایی در فواصل معین در دو طرف گود حفر و درون این چاهک ها پروفیل اچ قرار داده می شود. می توان برای تثبیت بیشتر این پروفیل ها درون چاهک را با ملات سبک پر کرد. سپس عملیات گودبرداری بصورت قائم انجام می گیرد و به منظور مهار نیروی رانشی خاک در فواصل معینی بین دو طرف گود تیرهایی در بین پروفیل های عمودی قرار داده می شود. درصورتی که خاک خیلی ریزشی باشد باید بین اعضای قائم الوارهای چوبی قرار داد.

• مزایا:

 1- این روش یکی از روش های خوب و مطمئن برای گود برداری هایی است که عرض گودبرداری کم و در ضمن سطح خاک در دو طرف گود یکسان باشد.

 2- این روش بسیار سریع است.

 3- این روش اقتصادی است.

• معایب:

 1- از این روش برای عرض های گودبرداری کم و حداکثر تا 10 متر استفاده کرد. در صورت زیاد بودن عرض گود باید بین تیرهای افقی مهاربندی شود که باعث می شود فضای کار محدود شود این روش اختصاصاً  برای کانال های مختلف بسیار مناسب است.

روش اجرای شمع درجا

در این روش در پیرامون زمینی که قرار است گودبرداری شود شمع های بتنی درجا در فواصل معینی نسبت به یکدیگر اجرا می شود این شمع ها فشار جانبی خاک را بصورت تیر یکسر گیردار تحمل می کنند.

طول گیرداری لازم برای شمع ها را می توان H3٪در نظر گرفت (H ارتفاع گود برداری است). بعد از اجرای این شمع ها می توان عملیات گودبرداری را آغاز و بصورت قائم گودبرداری کرد.

• مزایا:

 1-شمع های اجرا شده به عنوان دیوار حائل نیز عمل می کنند.

 2-سرعت عملیات بالاست.

• معایب:

 1-درصورتیکه ارتفاع گودبرداری زیاد باشد فواصل شمع ها کوچک شده قطر لازم برای شمع زیاد خواهد بود با توجه به مطالعات اولیه انجام گرفته از این روش می توان برای گودبرداری تا 5 متر بخوبی بهره گرفت.

روش خرپا

با توجه به لزوم وجود یک راه حل عمومی برای روش گودبرداری و پایداری گود در تمامی نواحی و برای تمام ساختمان ها مخصوصاً ساختمان های مسکونی باید طرحی در نظر گرفته شود که روش اجرای آن ساده بوده قابلیت انعطاف بیشتری داشته باشد. در ضمن با توجه به تنوع زیاد خود سازه اصلی نیز طراحی و اجرای سازه نگهبان موقت باید مجزا از سیستم سازه اصلی باشد.

با توجه به روش های مختلف پایداری گود که قبلا تشریح شد در این راهنما از سیستم خرپا برای محافظت گود بهره گرفته شده است.

برای اینکه ساخت این سازه های موقت حداقل هزینه را در بر داشته باشد شکل عمومی این سازه ها از لحاظ سهولت اجرا و مقدار مصالح مصرفی بهینه شده است.

خصوصیات فنی این سازه ها به شرح زیر است:

1-نسبت عرض به ارتفاع در اکثر موارد 2/1 اختیار شده است.

2-از آنجائی که در زیر عضو قائم نیروی بالا برنده تولید می شود برای مهار آن از شمع بتنی درجا استفاده می شود.

3-به دلیل وجود نیروی فشاری در زیر عضو مورب از پی تکی استفاده می شود.

4-برای عضو قائم از پروفیل H استفاده می شود.

5-اعضای خرپا عموماً نبشی یا ناودانی است.

6-در صورت ریزشی بودن خاک در بین اعضای قائم الوارهای چوبی یا پانل های بتنی پیش ساخته قرار داده می شود.

طبقه‎بندی خاک ها:

میزان نیروی رانشی خاک با پارامترهای مکانیکی خاک ارتباط مستقیم دارد، لذا برای اینکه بتوان تقسیم بندی صحیحی برای انتخاب نوع سازه نگهبان به عمل آورد دو عامل مکانیکی خاک C (مقاومت چسبندگی) و Ф (زاویه اصطکاک داخلی) به عنوان ملاک طراحی انتخاب می شود علل این انتخاب به شرح زیر می باشد.

1-میزان نیروبا عوامل مکانیکی اصلی C و Ф مستقیماً ارتباط دارد.

2-این دو پارامتر از اساسی ترین اطلاعات بدست آمده از آزمایش های مکانیک خاک است.

نیاز به سازه نگهبان:

اولین سوال در ذهن هر شخص این موضوع می باشد که آیا محل حفاری ریزش می کند یا نه؟ و بعد این موضوع که چه نوع سازه یا روشی راه حل این موضوع می باشد؟

پی بردن به موضوع عدم ریزش ویا ریزش منوط به دانستن عمق پایدار گود می باشد. عمق پایدار به عمقی اطلاق می شود که محل گود برداری بدون هیچ نگهدارنده ای در جای خود باقی بماند و با افزایش ارتفاع گود برداری (H خطر ریزش بیشتر گردد اما عمق پایدار ثابت مانده و بستگی به نوع خاک (Cو Ф) و سربار گود می باشد.

تیپ بندی سازه ها:

از آنجا که ابعاد سازه نگهبان به ارتفاع گودبرداری بستگی کامل دارد، چون اغلب ساختمان ها در سطح شهر حد اکثر تا 5 طبقه زیر زمین هستند و با در نظر گرفتن حداکثر 3 متر ارتفاع برای هر طبقه و 1 متر ارتفاع برای پی، گودهایی با عمق 4،7،10،13،16 متر مورد بررسی قرا می دهیم که به ترتیب برای ساختمان های 1،2،3،4،5 طبقه زیرزمینی در نظر گرفته شده اند. برای مثال برای ساختمانی با 2 طبقه زیر زمین  7=(ارتفاع پی)1+(ارتفاع طبقه)3*(تعداد طبقه)2  ارتفاع گود برداری لحاظ می گردد.

سربار گود:

یکی از عوامل مهم که بر میزان رانش خاک موثر است وجود سربار در کنار گود برداری است و اینکه اکثر ساختمان های مجاور حد اکثر 6 طبقه هستند ساختمان های 2،4و6 طبقه را مد نظر قرار داده و به ازای هر طبقه سربار 1 تن بر متر مربع را برای سربار گسترده در نظر میگیریم در نتیجه 4 حالت زیر ایجاد می گردد.

1- بدون سربار

2- با سربار 2 تن بر متر مربع

3- با سربار 4 تن بر متر مربع

4- با سربار6 تن بر متر مربع

در صورتیکه سربار گسترده از لب گود فاصله داشته باشد، نیز از سربار معادل نسبت به حالتی که بار از لب گود اعمال شود تعیین می گردد.

روابطی که در طراحی سازه نگهبان موقت استفاده می شوند شامل سه بخش الف: بارگذاری سازه  ب: طراحی شمع  ج: طراحی پی.

روش تعیین اجزای ساز نگهبان موقت

برای آنکه به سهولت بتوان از نتایج مطالعات و طراحی های بعمل آمده استفاده کرد نتایج حاصل به صورت منحنی هایی ارائه شده اند در این راهنما هر سازه نگهبان دارای سه جزاصلی است که عبارتند از نوع سازه، طول شمع و ابعاد پی تغییرات این اجزا اصلی توسط منحنی های مشخص شده که توضیحات آن عبارتند از:

1-منحنی های نوع سازه

2-منحنی های طول شمع

3-منحنی های ابعاد پی

برای استفاده از هر سری منحنی ها ابتدا باید متغیرهای اصلی طراحی را تعیین کرد، این متغیرها عبارتند از:

1-ارتفاع گود (H)

2-فاصله کارگذاری خرپاها(L)

3-سربار موثر گسترده در کنار گود (Q)

سپس با داشتن مقادیر C و Ф می توان به راحتی مشخصات مربوط به «نوع سازه» و «طول شمع» و «ابعاد پی» را تعیین و جزئیات اجرایی آنها را از نقشه های اجرایی استخراج کرد.

روش تعیین نوع سازه

همانطور که قبلا اشاره شد برای هر عمق گود برداری سه تیپ سازه در نظر گرفته شده که از لحاظ ظرفیت باربری در سه تراز قرار دارند. این ترازها به ترتیب تیپ I ،II   ، III  نامگذاری شده اند.

برای مشخص کردن تیپ سازه لازم برای هر نوع گود باید به روش زیر عمل شود:

1- تعیین عمق گود برداری (H)

2-تعیین بهترین فاصله کارگذاری خرپاها (L)

3-تعیین مقدار سربار کنار گود(در صورت وجود)(Q)

4-انتخاب منحنی مناسب با توجه به اعداد بدست آمده  برای H و L و Q

5-تعیین C و Ф  در روی محورهای منحنی و رسم عمودهایی از آن نقاط بر محور مربوط و تعیین نقطه تلاقی این خطوط

با توجه به مقادیر مختلف C و Ф وقوع 5 حالت مختلف ممکن است.

الف- نقطه تلاقی خطوط رسم شده در محدوده بالایی که با عبارت «عدم نیاز» مشخص شده واقع شود. دراین حالت خصوصیات خاک بسیار خوب و عمق پایداری گود بیش از عمق گود برداری می باشد لذا عملیات گود برداری را می توان بدون نیاز به سازه نگهبان موقت انجام داد.

ب- نقطه تلاقی در ناحیه I واقع شود، در این شرایط باید از سازه تیپ  I استفاده شود.

ج- نقطه تلاقی در ناحیه II واقع شود، در این شرایط باید از سازه تیپ II استفاده شود.

د- نقطه تلاقی در ناحیه III واقع شود، در این شرایط باید از سازه تیپIII استفاده شود.

ه- نقطه تلاقی در ناحیهIV  واقع شود، در این حالت خاک بسیار ضعیف است و طراحی سازه نگهبان موقت باید بصورت خاص و بر اساس بررسی های بیشتر محلی انجام شود.

روش تعیین طول شمع

از آنجا که تعیین طول شمع لازم برای جذب نیروی کششی تولید شده رابطه مستقیم با خواص مکانیکی خاک دارد و از طرفی مقدار نیروی بالا برنده نیز وابسته به خواص خاک می باشد لذا برای تعیین آن نیز منحنی هایی تهیه شده است که مانند حالت قبل بتوان به سهولت طول شمع مورد نیاز را برای هر حالت استخراج کرد.

قطر شمع برای تمام حالات 80 سانتی متر در نظر گرفته شده است.

روش تعیین ابعاد پی

همانطور که قبلاً اشاره شد نیروهای تولید شده در سازه با خواص مکانیکی خاک رابطه مستقیم دارد. به همین دلیل نیروی ایجاد    

در عضو مورب خرپا نیز که باید توسط پی منفرد که در زیر آن تعبیه شده گرفته شود.

مقادیر C و Ф را میتوان از گزارش مکانیک خاک استخراج کرد. در صورتی که چنین گزارشی موجود نباشد میتوان با در نظر گرفتن میزان ظرفیت باربری مجاز و منحنی های ظرفیت باربری که بر اساس C و Ф تهیه شده است و همچنین تجربه و قضاوت مهندسی اعداد معقولی را برای آنها تخمین زد.

روش اجرای سازه نگهبان موقت

پس از انتخاب نوع سازه نگهبان موقت، ابعاد پی سازه و طول شمع و جزییات اجرایی و طراحی آن مطابق روشی که در بخش های قبلی بیان شد و پس از آماده کردن کلیه ابزار و مصالح لازم عملیات اجرا باید در مراحل به شرح زیر اجرا شود.

1- برای احداث عضو قائم اولین خرپا از سازه نگهبان موقت، باید در روی زمین طبیعی که هیچگونه عملیات گودبرداری بر روی آن شروع نشده چاهی به قطر یک متر در محل مربوط حفر شود، عمق این چاه برابر خواهد بود با جمع ارتفاع سازه و طول شمع.

2- قفسه آرماتورهای مورد نیاز شمع و کف آن، مطابق نقشه آرماتور گذاری آماده شده و سپس در محل خود قرار داده شود. پس از آن عضو قائم خرپا داخل چاه مستقر گردد و پس از شاغول کردن آن بتن ریزی شمع با استفاده از پمپ بتن یا هر وسیله مناسب دیگر انجام شود برای کنترل بتن مورد نیاز شمع، بتن لازم را می توان با توجه به ارتفاع شمع و قطر چاه و محاسبه حجم آن مشخص کرد و بتن ریزی را به همان مقدار انجام داد.

3- گود برداری باید پس از نصب عضو قائم، با شیب مطمئنی آغاز شود. (شیب پایدار خاکبرداری باید بر اساس عوامل مکانیک خاک و شرایط ویژه هر پروژه محاسبه شود. این شیب در تهران بطور معمول 1 افقی به 2 قائم است). گود برداری تا رسیدن به تراز زیر پی ادامه خواهد یافت و چون عضو مایل خرپا با شیب 1 به 2 انتخاب شده، پس محل استقرار پی عضو مایل، قابل دسترسی خواهد بود.

4- در این مرحله میتوان پی عضو مایل را بعد از آرماتور گذاری اجرا کرد.

5- پس از اجرای پی عضو مایل خرپای سازه نگهبان موقت نصب شود.

6- پس از نصب عضو مایل خرپا باید خاک باقی مانده که به صورت گوه است، بطور مرحله ای برداشته شود و با رسیدن به رقوم نصب اولین عضو بادبندی، این عضو در محل خود نصب و سپس عملیات ادامه داده شود تا به ترتیب عضوهای بعدی نیز نصب شوند. در صورت لزوم به منظور جلوگیری از ریزش خاک به موازات عملیات گودبرداری، باید بین خرپاهای سازه نگهبان موقت الوارهای چوبی تا تیر گرد چوبی و پانل های پیش ساخته بتنی قرار داده شود.

7- پس از اتمام عملیات برداشتن گوه خاک، برای تامین صلبیت جانبی و به حداقل رساندن طول کماکش اعضای قائم و مورب، از هر 3دهانه خرپاها یک دهانه باید بادبندی شود.

8- شناژ بین پی عضو مایل خرپا و شمع ها باید طوری اجرا شود که رقوم روی این شناژ برابر رقوم زیر پی اصلی باشد.

مراحل ذکر شده فوق بشکل نمایشی در ذیل نشان داده شده اند: