بررسی 10 روش اجرای سازه نگهبان در گودبرداری مانند نیلینگ، شمع و سازه خرپایی

قطعا شما هم می دانید که اجرای سازه نگهبان باید قبل از خاک‌برداری و در برخی موارد، حتی قبل از تخریب سازه قدیمی صورت گیرد اما هدف از اجرای سازه نگهبان چیست؟ روش اجرای سازه نگهبان به چه صورتی است؟ آیا با اجرای سازه نگهبان به روش شمع آشنایی دارید؟

در این ایبوک جامع ابتدا با انواع سازه نگهبان از جمله سازه نگهبان نیلینگ، شمع، مهار متقابل و… آشنا خواهیم شد و سپس مراحل اجرای 10 سازه نگهبان را به صورت گام به گام بیان خواهیم کرد.

این صفحه تنها بخش کوتاهی از ایبوک اجرای سازه نگهبان می باشد متن اصلی این ایبوک را منطبق بر فهرست مطالب، دانلود کنید.

⌛ آخرین به روز رسانی: 24 مرداد 1400

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث هشتم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398

دلایل ریزش خاک در گودبرداری چیست؟

همان‌طور که می­دانیم ازنظر علم فیزیک، سه حالت تعادل برای اجسام صلب ساکن وجود دارد:

1. تعادل پایدار: هرگاه افتادن یک جسم به‌خودی‌خود اتفاق نیفتد، آنگاه این تعادل یک تعادل پایدار است (مانند بشکه­ای که روی قاعده­اش قرار دارد.)

به‌عبارت‌دیگر، یک جسم وقتی تعادل دارد که تمام نیروهای داخلی و خارجی وارد بر آن در تعادل باشند.

2. تعادل ناپایدار: هرگاه افتادن یک جسم در هرلحظه امکان داشته باشد، آنگاه این تعادل یک تعادل ناپایدار است(مانند بشکه­ای که روی لبه­ی خود ایستاده است.)
3. تعادل خنثی: هنگامی‌که با اعمال نیرو تغییری در وضعیت جسم ایجاد نگردد(مانند بشکه­ای که روی سطح جانبی خود قرارداد.)

خاک­ها نیز از این قاعده مستثنی نمی­باشند و بر اساس شرایط مختلف، ممکن است در اثر عوامل خارجی، از حالت تعادل خود خارج‌شده و براثر ناپایداری آن‌ها خسارات جبران­ناپذیری به وجود آید.

در مبحث هشتم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، به‌طورکلی به این مساله جهت انتخاب ساختگاه اشاره‌شده است.

دو دسته عوامل داخلی و خارجی می­توانند منجر به ناپایداری و ریزش گودبرداری شوند.

عوامل داخلی که منجر به ریزش گودبرداری می شود:

• تراکم پایین خاک
• عدم چسبندگی مناسب دانه­ های خاک
• خاک‌های مسئله‌دار
• بروز کشش ثانویه در لایه ­های بالایی خاک براثر آزاد شدن تنش ­ها

عوامل خارجی که منجر به ریزش گودبرداری می شود:

ارتعاشات

• ارتعاشات ناشی از حرکت وسایل نقلیه سنگین در معابر عمومی مجاور گود.
• انجام عملیات گودبرداری در مجاورت بزرگراه ­ها، خطوط راه­ آهن شهری یا مراکز و تأسیسات دارای ارتعاش زیاد
• ارتعاشات ناشی از زلزله و حرکات زمین
• نزدیک شدن بیش‌ از حد وسایل نقلیه موتوری و ماشین ­آلات سنگین ساختمانی به لبه گود و در نتیجه وارد آمدن فشار بیش‌ از حد به دیواره
• بارندگی شدید و رطوبت بیش‌ از حد دیواره ­های گودبرداری شده

خطاهای انسانی

• عدم لحاظ دقیق فشار سربار ناشی از وزن سازه ­های مجاور در محاسبات گودبرداری و سازه نگهبان
• عدم انجام مطالعات کامل ژئوتکنیک
• عدم توجه به ویژگی­ های ذاتی خاک

براثر گودبرداری در زمین وضعیت تنش در آن تغییر می­ کند و لازم است تغییر شکل‌ها و ناپایداری‌ های ناشی از گود برداری از جمله موارد ذیل بررسی شوند:

• برآمدگی و تورم کف گود، که می‌تواند در شرایطی به ناپایداری کف بیانجامد.
• نشست زمین در نواحی مجاور گود.

لغزش خاک در اثر ایجاد ترک کششی در لبه فوقانی گود

بالا آمدن کف گود در اثر افزایش فشار ناشی از خاک مجاور گود

پدیده جوشش از کف گود هنگامی که سطح آب سفره زیرزمینی بالا باشد .

انواع سازه نگهبان

به‌ طورکلی انواع سازه نگهبان برای پایدارسازی و جلوگیری از ریزش خاک در همه‌ی پروژه­ های دارای خاک‌ برداری، مطابق بند 7-5-2 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان به شرح زیر می ­باشد.

✅ تصورات اشتباه در مورد اجرای سازه نگهبان چیست؟

انواع سازه نگهبان رایج در پروژه های ساختمانی

از آنجایی‌ که همواره در پروژه ­های ساختمانی با گودبرداری عمیق، احتمال ریزش دیواره گود وجود دارد، بررسی و شناخت دقیق لایه ­های خاک و طراحی دقیق سازه نگه‌ دارنده‌ی گود اهمیت بسیار زیادی داشته و گاهی زمان زیادی صرف مطالعات ژئوتکنیک و طراحی سازه نگهبان می­ گردد. بر اساس دانش مهندسی و بررسی ­های انجام‌ شده یکی از روش ­های زیر یا ترکیبی از آن‌ ها برای پایدارسازی خاک دیواره گودها تعیین می ­شود:

• روش اجرای سپر خاکی (گود برداری محافظت نشده)
• روش سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structures)
• روش مهار فشاری (مهار متقابل) دیواره‌های گود (Strut)
• روش میخ‌ کوبی دیواره‌های گود (Nailing)
• روش دوخت به پشت (Tie back) یا مهار کششی دیواره‌ های گود (Anchorage)
• دیوار دیافراگمی (Diaphragm Pile Wall)
• دیوار برلنی (Berliner Wall)
• روش سپرکوبی (Sheet Pile)
• روش اجرای شمع (pile)
• روش ساخت از بالا به پایین (Top/Down Construction)

روش اجرای سازه نگهبان به روش سپر خاکی (خاک‌برداری بدون حفاظت)

عملیات خاک‌برداری می­ تواند برای املاک مجاور گود خطراتی به دنبال داشته باشد. لذا باید با در نظر گرفتن محدوده تأثیر گودبرداری اقدامات لازم برای محافظت گود و هم‌جواری‌ها انجام گردد.

خاک‌ها متناسب با درصد تراکم و مقاومت شان، دارای یک شیب پایدار ذاتی می‌باشند که تحت آن دچار گسیختگی برشی نمی­ شوند. در روش سنتی اجرای سازه نگهبان به روش سپر خاکی با تکیه‌ بر این خاصیت، در مواردی که خاک با چسبندگی مناسب بوده، خطر گودبرداری معمولی و فونداسیون ملک مجاور خارج از گوه گسیختگی خاک است و در مجاورت گود ارتعاش و لرزش وجود نداشته باشد، اقدام به گودبرداری با حفظ سپر خاکی و با رعایت شیب پایدار می­گردد.

شیب پایدار خاک و محدوده تأثیر آن بر املاک مجاور

مراحل اجرای سازه نگهبان به روش سپر خاکی عبارتند از:

1. امکان خاک‌ برداری ایمن تا سطح فوقانی شالوده ملک همسایه وجود دارد.
2. خاک‌برداری با حفظ حداقل یک متر سپر خاکی از بالای فونداسیون همسایه و ادامه دادن آن با یک شیب پایدار
3. اجرای آرماتوربندی کف فونداسیون در تراز موردنظر (در بخش ­هایی که سپر خاکی به محدوده فونداسیون پیشروی دارد باید سر آرماتورها رزوه مناسب شود تا در مرحله بعد با استفاده از اتصالات مکانیکی (Coupler) به بخش بعدی فونداسیون متصل گردد.)
4. بتن‌ریزی فونداسیون
5. اجرای ستون‌ های طبقه اول در فضای میان سپرهای خاکی
6. اجرای سقف اول
7. تکمیل خاک‌برداری و حذف سپرهای خاکی
8. تکمیل فونداسیون با رعایت اصول آرماتوربندی و بتن­ ریزی

نکته: بر اساس بند 9-11-2 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، خم کردن میلگردهایی که یکسر آن‌ها در بتن قرار دارد مجاز نیست. لذا باید از خم کردن آرماتور انتظار فونداسیون در محل سپر خاکی اجتناب شود و فقط از طریق اجرای اتصال مکانیکی نسبت به تکمیل فونداسیون اقدام شود.

روش اجرای سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structures)

این روش سنتی، یکی از آسان ­ترین و متداول­ ترین روش­ های اجرای سازه نگهبان در مناطق شهری برای گود برداری­ های با عمق کم است. اجرای آن نیاز به تجهیزات و تخصص بالایی ندارد و در عین‌ حال قابلیت انعطاف زیادی از نظر اجرا در شرایط مختلف دارد.

مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی عبارت است از:

1. حفر چاهک در محل اعضای قائم خرپا، که در مجاورت دیواره‌ی گود قرار دارند. عمق این چاه‌ها برابر با عمق گود به‌ اضافه مقداری اضافه برای اجرای شمع انتهای تحتانی عضو قائم خرپا است.
2. آرماتوربندی شمع انتهایی به طول طراحی‌شده
3. قرار دادن عضو قائم در داخل شمع و اجرای بتن‌ریزی شمع
4. خاک‌برداری در امتداد دیواره‌ی گود با یک شیب مطمئن تا تراز کف گود (شیب حفاری مایل باید به‌گونه‌ای باشد که خاک پایدار بماند.)
5. اجرای فونداسیون پای عضو مایل و جانمایی صفحه بیس پلیت (Base Plate)
6. اتصال عضو مایل از یک‌ طرف به عضو قائم و از طرف دیگر به ورق کف ستون بالای فونداسیون
7. تکرار عملیات فوق برای کلیه‌ی خرپاهای سازه نگهبان در امتداد دیواره به‌ صورت هم‌زمان
8. خاک‌برداری مرحله‌ای خاک محصور بین اعضای قائم و افقی خرپاها را در سرتاسر امتداد دیواره
9. تکمیل تدریجی خرپا با اجرای مرحله‌ای اعضای افقی و قطری خرپا

مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی

شکل 8 سازه نگهبان خرپایی

روش اجرای سازه نگهبان مهار متقابل

روشی ساده برای پایدارسازی جداره‌های گودبرداری و جلوگیری از تغییر مکان‌های جانبی خاک در گودهایی با عرض کم در محیط‌های شهری می‌باشد.

مراحل اجرای این نوع سازه نگهبان عبارت است از:

1. حفر چاهک‌های متقابل در دو طرف گود، در فواصل معین از یکدیگر

نکته: طول این چاهک‌ها برابر با عمق گود به‌اضافه‌ی حدود ۲۵/. تا ۳۵/. برابر عمق گود به‌منظور تأمین گیرداری انتهـای تحتانی پروفیل‌های قائم می‌باشد.

2. نصب پروفیل‌های فولادی H یا I شکل در درون چاهک‌ها

نکته: طول این پروفیل‌ها را معمولاً به‌گونه‌ای در نظر می‌گیرند که انتهای فوقانی آن‌ها تا حدی بالاتر از تراز بالایی گود قرار گیرند.

3. اتصال قسمت­های فوقانی هر دو پروفیل قائم متقابل به کمک تیرها یا خرپاهایی به یکدیگر
4. شروع عملیات گودبرداری به‌صورت مرحله‌ای
5. اجرای سیستم مهار متقابل در نقاط دیگری از ارتفاع پروفیل‌های قائم در صورت لزوم
6. نصب الوارهای چوبی یا اعضای مناسب دیگر در بین اعضای قائم درصورتی‌که خاک از نوع ریزشی باشد.

نکته: سیستم مهار متقابل، باید در جهت عمود بر سیستم قابی آن، یعنی در امتداد طول گود، به‌صورت مناسب مهاربندی شود.

سیستم مهار متقابل

روش اجرای سازه نگهبان نیلینگ

روشی مؤثر برای مسلح نمودن درجای توده خاک موجود در دیواره گود، با نصب میلگردهای فولادی (Nails) در فواصل نزدیک به هم، روی یک سطح قائم یا شیب‌دار با اجرا از بالا به پایین (Top/Down Construction) می‌باشد. روش میخ‌کوبی یا همان نیلینگ اولین بار در سال ۱۹۶۰ به‌عنوان سیستم پایدارسازی خاک، در حفر تونلی در استرالیا به کار گرفته شد. به‌ مرور زمان، این فن در سطح جهانی گسترش یافت. امروزه میخ‌کوبی (Nailing) یکی از کاربردی‌ترین روش‌های پایدارسازی خاک به‌ویژه در ساخت‌ و سازهای شهری می‌باشد.

مراحل اجرای سازه نگهبان نیلینگ  (Nailing) عبارت است از:

1. حفر گمانه‌ های افقی یا مایل در فواصل معین و به طول محاسبه‌شده
2. قرار دادن میلگردها داخل گمانه‌ها
3. تزریق دوغاب سیمان در داخل گمانه‌ها به‌ منظور انتقال مناسب ­تر نیروها بین خاک و میلگردها و جلوگیری از خوردگی آن‌ها
4. اجرای یک شبکه فولادی روی سطح خارجی خاک
5. اجرای شاتکریت جهت جلوگیری از فرسایش سطحی خاک

نحوه اجرای سازه نگهبان نیلینگ (Nailing)

نحوه اجرای سازه نگهبان دیوار دیافراگمی (Diaphragm Wall/ Slurry Wall)

یکی دیگر از روش­ های مقابله با خطر ریزش گودبرداری‌ های عمیق، استفاده از روش پایدارسازی با دیوار دیافراگمی است که در ایالات‌ متحده امریکا به نام Slurry Wall شناخته‌شده است. این روش، اولین بار در سال 1950 میلادی توسط یک شرکت ایتالیایی در ساخت متروی شهر میلان مورد استفاده قرار گرفت و پس‌ از آن در آمریکا و سایر کشورها گسترش یافت. دیوارهای دیافراگمی به‌ صورت بتن درجا، پیش‌ساخته و پیش کشیده اجرا می‌شوند. این روش جهت جلوگیری از نشت آب در زیر هسته سدهای خاکی کاربرد بسیار دارد.

از مزایای روش دیوار دیافراگمی می‌توان به ایمنی و سرعت اجرای بسیار زیاد، کاربرد دومنظوره این سیستم به‌ عنوان سازه نگهبان موقت و دیوار حائل دائمی، مناسب بودن برای حفاری‌ها و گودهای با طول زیاد (تونل، بزرگراه و …) اشاره نمود.

از معایب روش دیوار دیافراگمی می‌توان به هزینه بسیار بالا برای گودبرداری‌های با حجم کم، نیاز به فضای کار زیاد جهت فعالیت دستگاه‌های حفاری در محدوده گود برداری، نیاز به دستگاه‌های حفاری ویژه و نیاز به نیروهای متخصص برای کار با دستگاه‌های حفاری که مستلزم هزینه‌های بالاست، اشاره نمود.

مراحل اجرای سازه نگهبان دیوار دیافراگمی عبارتند از:

1. حفر محل دیوار نگهبان با استفاده از دستگاه‌ های حفاری ویژه (از قبیل Hydroferez یا Grab)
2. تزریق هم‌زمان گل بنتونیت و سیمان یا مواد پایه پلیمری جهت جلوگیری از ریزش خاک دیوارهای حفاری‌شده
3. استقرار شبکه آرماتوربندی دیوار در داخل محل حفاری‌شده
4. اجرای بتن‌ریزی دیوار با بتن‌های روان با کارایی زیاد و تشکیل دیوار دیافراگمی پیوسته

مراحل اجرای دیوار دیافراگمی (Diaphragm Wall)

اجرای سازه نگهبان به روش شمع (Pile)

استفاده از شمع به‌عنوان راهکاری جهت افزایش پایداری شیب­ ها و در مواردی به‌ عنوان پی­ عمیق، از سال 1950 میلادی در آمریکا و اروپا رواج یافته است. در این روش پایدارسازی، با توجه به نوع خاک و مشخصات گود، سطح آب­ های زیر زمینی و نوع بارگذاری، می ­توان یکی از انواع شمع ­ها را طراحی و اجرا نمود. انواع شمع از نظر نوع مصالح عبارتند از:

1. شمع بتنی پیش­ ساخته
2. شمع بتنی درجا (مسلح یا غیرمسلح)
3. شمع فولادی
4. شمع مختلط (ترکیب شمع فولادی با بتنی یا ترکیب شمع بتنی با چوبی)
5. شمع چوبی

نمای شماتیک انواع شمع

✅ توضیحات تمامی موارد بالا در متن اصلی ایبوک قرار گرفته است.

روش ساخت تاپ دان (Top/Down Construction)

این روش به‌عنوان تحول عظیمی در ساخت سازه‌ های بزرگ زیرزمینی (تونل)، برای اولین بار در دهه ۷۰ میلادی، در ساخت ایستگاه‌های متروی شهرهای پاریس و میلان مورداستفاده قرار گرفت و به نام روش Cut & cover شناخته شد. اساس این روش بر مبنای پیشرفت سازه تونل درون گودبرداری و سپس پر کردن محیط خارجی تونل با مصالح خاک‌ریزی پس از تکمیل سازه تونل می‌باشد. این روشِ ساخت، بیشتر برای ساخت تونل‌های سطحی اقتصادی و قابل‌قبول می‌باشد.

عملیات تونل سازی به روش (Cut & cover) به دو نوع مختلف معرفی‌شده است:

• روش ساخت از بالا به پایین (top-down)
• روش ساخت پایین به بالا (bottom-up)

در سال 1935 میلادی در توکیو ژاپن، گودبرداری یک ساختمان دارای زیر زمین به علت افزایش سرعت ساخت، با این روش انجام شد. در سال 1950 میلادی در شهر میلان ایتالیا کمپانی ICOS ترکیب دیوار و ساخت بالا به پایین را اجرا نمود. به‌ مرور زمان تحقیقات بسیاری در امریکا، اروپا و بخصوص شرق آسیا در این زمینه صورت گرفت. این روش نوین ساخت‌وساز، تاکنون در کشورهای مختلفی چون انگلستان، امریکا، فنلاند، چین، روسیه، ویتنام، سنگاپور و ایران متناسب با نوع نیاز ساختگاه، در پروژه‌های زیر زمینی (تونل و مترو) و برج‌های بلند دارای زیر زمین‌های متعدد، مورد استفاده قرارگرفته است.

مراحل اجرای تاپ-دان به شرح زیر است:

1- اجرای دیوارهای حائل محیطی

2- حفاری محل شمع‌های باربر میانی از زیر تراز ستون‌ها و دیوارهای تراز همکف و نصب ستون‌ های باربر میانی

3- اجرای دال همکف (سقف نهایی سازه زیر زمینی)

4- شروع خاک‌برداری از طبقه زیر همکف

5- تکرار مرحله ۴ تا رسیدن به اجرای فونداسیون

6- اجرای آرماتور بندی و بتن‌ ریزی لایه تکمیلی دیوارهای پیرامونی و ستون‌های میانی

مراحل مختلف روش تاپ دان در یک نگاه

  برای آشنایی کامل با این روش به مقاله اجرای روش تاپ دان سبزسازه مراجعه نمایید.

✅ این صفحه تنها بخش کوتاهی از ایبوک اجرای سازه نگهبان می باشد توضیحات تکمیلی در متن اصلی ایبوک قرار گرفته است.

نتیجه گیری

امروزه به دلیل اهمیت مساله­ ی تامین فضاهای شهری و قیمت بالای زمین، احداث زیر زمین امری رایج است. با توجه به رفتارهای پیچیده و ناشناخته خاک لازم است قبل از اقدام به تهیه طرح سازه، متخصصین ژئوتکنیک و سازه طرحی دقیق درمورد نوع و نحوه اجرای سازه ­نگهبان براساس اهمیت و عمق گودبرداری ارائه نمایند. در این مقاله به طور مفصل به انواع سازه نگهبان از ساده تا پیشرفته پرداخته شده است که مطالعه آن به مهندسان گرامی جهت تعیین سازه نگهبان مناسب، کمک خواهد نمود.

منابع

1. کتابخانه آنلاین عمران
2. مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1392)
3. مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1392)
4. مبحث هشتم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1398)
5. آئین‌نامه 2800 زلزله ایران (ویرایش چهارم)
6. Micropile Design and Construction Guidance Implementation Manual. FHWA-SA-97-070.
7. Design and Construction of Driven Pile Foundations – Volume I
8. Design Implementation of Pile Foundation
9. Technical Specs for CB Slurry Wall
10. Structural Slurry Wall Manual | Drilling Rig | Prestressed Concrete
11. Steel Sheet Piling Design Manual, Updated and reprinted by U. S. Department of Transportation /FHWA with permission. July 1984
12. Diaphragm walls, www.soilmec.it
13. Analysis and design of cast in situ walls (diaphragm walls), Authors: G. J. Tamaro, and J. P. Gould, Published Online: July 07, 2015, © The Authors and the Institution of Civil Engineers
14. Review of Available Methods for Evaluation of Soil Sensitivity for Seismic Design, Osama Abuhajar, University of Western Ontario, Canada M. Hesham El Naggar University of Western Ontario, Canada Tim Newson University of Western Ontario, Canada

• 1. بررسی مفهوم گودبرداری ازنظر مقررات ملی ساختمان
• 2. دلایل ریزش خاک در گودبرداری
• 3. آشنایی با انواع خاک و مفاهیم ژئوتکنیک
• 4. ارزیابی سطح خطر گود
• 5. انواع سازه نگهبان
  • 1.5. اجرای سپر خاکی(خاک‌برداری بدون حفاظ)
  • 2.5. روش سازه نگهبان خرپایی(Truss Retaining Structures)
  • 3.5. روش مهار فشاری(مهار متقابل) دیواره‌های گود(Strut)
  • 4.5. روش میخ‌کوبی دیواره‌های گود(Nailing)
  • 5.5. روش دوخت به پشت(Tie back) یا مهار کششی دیواره‌های گود(Anchorage)
  • 6.5 دیوار دیافراگمی (Diaphragm Wall/ Slurry Wall)
  • 7.5 دیوار برلنی (Berliner Wall)
  • 8.5 روش سپرکوبی (Sheet Pile)
  • 9.5 پایدارسازی گود به روش اجرای شمع (Pile)
    • 1.9.5. شمع بتنی پیش ساخته (Precast Pile)
    • 2.9.5. شمع بتنی درجا (Cast-in-Situ Pile)
      • 1.2.9.5. مزایا و معایب روش پایدارسازي گود با شمع درجا
      • 2.2.9.5. انواع شمع بتنی درجا ازنظر مقطع نوک شمع
    • 3.9.5. اجرای دیوار محافظت پیوسته(آببند) با استفاده از شمعهای سکانتی (Secant Pile Wall)
    • 4.9.5. اجرای دیوار محافظت ناپیوسته با استفاده از شمعهای تانژانتی (Tangent Pile Wall)
    • 5.9.5. شمع های فولادی (Steel  Pile)
    • 6.9.5. شمع های چوبی (Timber Pile)
    • 7.9.5. شمع های مرکب
    • 8.9.5. میكروپایل (Micro Pile)
    • 9.9.5. روش ساخت از بالا به پایین (Top/Down Construction)
• 6. نکات ایمنی در مرحله گودبرداری
• 7. نتیجه گیری

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب