معرفی جامع نیلینگ – روشهای نیلینگ خاک برای پایدارسازی خاک

مقاله حاضر پاسخی به پرسش های شما در مورد پایدارسازی خاک و انواع آن است. تمرکز اصلی این مقاله بر یک روش خاص پایدارسازی دامنه برش یعنی  معرفی نیلینگ خاک است.

در ابتدا به معرفی نیلینگ خاک، کاربردها، مزایا و معایب، ضوابط طراحی، اصول اجرا، ارزیابی عملکرد آن می پردازیم.

روشهای نیلینگ خاک روشهای نیلینگ خاک برای پایدارسازی خاک

پایدارسازی خاک چیست؟

پایدارسازی خاک، عمل تغییر دادن مشخصات فیزیکی خاک برای دستیابی یه اهداف دائمی و بلند مدت در بحث استحکام خاک است. خاک از طریق تقویت مقاومت برشی و تمامی ظرفیت باربری آن پایدارسازی می گردد.

سه روش پیدارسازی خاک عبارتند از: اول روش مکانیکی، دوم روش فشرده سازی و سوم روش شیمیایی

 نیلینگ خاک به چه معناست؟

نیلینگ خاک، روش پایدارسازی زمین است. یک تکنیک ساخت و ساز برای اصلاح دامنه ها یا دامنه برش خاکی ناپایدار و طبیعی و یا دامنه برش ناپایدار و ساخته دست بشر است.

دامنه برش های خاکی بوسیله قرار دادن میلگردها( یا همان nail ها)ی انفعالی (passive) درون سوراخ های از پیش حفر شده و پر شده با ملات رقیق پایدارسازی می گردند. این روش قادر به تحمل فشارهای کششی، نیروهای برشی، و خم شدن می باشد.

پایدارسازی خاک

علاوه بر این نیلینگ خاک، پایداری خاک را افزایش می دهد. این فرآیند سطوح شیب دار، سطوح خاک برداری ها و دیوارهای باقیمانده و دیگر ساختارهای مشابه را پایدارسازی می کند. اصلی ترین عامل تصمیم گیری برای نیلینگ خاک، مشخصات خاک، قابل اجرا بودن دیگر سیستم ها مانند مهارهای زمینی (ground anchors)، مواد ژئوسینتتیک (geosynthetic materials)، و غیره و هزینه می باشند. در ضمن این را هم باید درنظر گرفت که دامنه برش در دست اقدام بالاتر از آبهای زیرزمینی باشند.

بطور کلی دیوارهای میخ خاکی(soil nail walls) از بالا به پایین اجرا می شوند. به این عمل نیلینگ خاک می گویند چرا که مثل این است که میخی با چکش به درون خاک فرو برده شود با این تفاوت که این میخ ها، میلگردهای آهنی اند. عموما این روش برای استحکام بخشی به خاک در جایی است که با مسئله رانش زمین روبرو هستیم.

اولین زمان بکارگیری روش نیلینگ خاک به سال 1972 در ورسای، فرانسه بر می گردد. این تکنیک از یک روش ساخت تونل بنام روش حفاری تونل اتریشی(Austrian Tunnelling Method) به اختصار NATM که از میلگردهای تقویتی که به داخل خاک فرو رفته و با شاتکریت پوشانده می شوند استفاده می کند.

کاربرد نیلینگ خاک

• استحکام بخشی به دامنه برش های طبیعی
• استحکام بخشی به دیوارهای خاکی شیب دار
• استحکام بخشی به مقاطع یا برش ها
• دیوارهای حائل (retaining walls)
• تونل ها
• شمع کوبی (shoring) گودبرداری (excavation)
• تکیه گاه پل

نیلینگ خاک

مزایای نیلینگ خاک

• نیلینگ را می توان در ساخت و ساز جدید، سازه های موقت، پروسه بازسازی، و تعمیر سیستم دیوار موجود با یک سهولت نسبی بکار برد.
• نیلینگ خاک به محدود کردن مرزهای دامنه برش کمک می کند. به همین خاطر فضای بیشتری در دسترس خواهد بود.
• برای اجرای نیلینگ، به آماده سازی خاصی برای دامنه برش (slope) نیاز نیست.
• محدودیتی در ارتفاع دیوار نیست.
• مدت زمان اجرا، در مقایسه با روش سنتی استحکام بخشی دامنه برش کوتاه تر است.
• میلگردها با فاصله قرار داده می شوند بنابراین نیازی به شمع کوبی میان آنها نیست.
• بطور کلی هزینه هم پایین تر از از اجرای دیوار حائل است.
• با بکارگیری مش و شاتکریت می تواند از فرسایش دامنه جلوگیری نماید.
• صدای کم، ایجاد ترافیک کمتر در محل اجرا و بطور کلی تاثیر کمتر در محیط اطراف پروژه. به همین خاطر دوستدار محیط زیست است.
• این تکنیک، قابل انعطاف بوده و نسبتا سریع و آسان اجرا می شود.
• پروژه هایی که در زمان و هزینه صرفه جویی می کنند به نیروی کار کمتری هم نیاز دارند.

محدودیت های نیلینگ

• بالا بودن سطوح آبهای زیرزمینی، موقعیت مطلوبی برای نیلینگ نیست.
• نیلینگ انتخاب خوبی برای خاک های غیر منسجم، خاک های دانه ریز، خاک های با درجه بالای خورندگی و خاک های با دانه های ریز شل نیست.
• تراکم نیل (میلگرد مخصوص نیلینگ) (Nail)، با کاهش مقاومت برشی خاک (soil shear strength)، افزایش می یابد. این بدان معناست که خاک های با مقاومت پایین به نیل های بیشتری برای پایدارسازی نیاز دارند.
• استفاده از نیل ها برای کاربردهای طولانی مدت دائمی در خاک های حساس و گران ممنوع است.
• نیل های فلزی دچار خوردگی می شوند.
• خاک های با انعطاف پذیری بیشتر، حد سیالی و روانی بیشتری دارند و این امر مقاومت برشی زه کشی نشده (undrained shear strength) را کاهش می دهد که منجر به تغییر شکل بلند مدت می شود.
• ممکن است خاک قبل از قرارگیری میلگردها خیلی در معرض نور قرار بگیرد.
• ممکن است شن و ماسه سازگار با تکنیک های خاک نباشند.
• ممکن است برای طراحی و همچنین نصب نیل ها به متخصص نیاز باشد.

انواع نیلینگ خاک

براساس روش اجرا، چهار نوع نیلینگ خاک وجود دارد

1. نیل های دوغاب شده(Grouted Nails)

همانطور که نام این روش نشان می دهد، این نیل ها دوغاب شده اند.در این نوع نیلینگ حفره ها یا سوراخ ها بر روی دیوارها یا سطوح دامنه مدنظر ایجاد می شوند.

پس از آن نیل ها در محل خود درون این سوراخ های از پیش ایجاد شده کوبیده می شوند. پس از آن سوراخ ها با مواد دوغاب کاری که نسبت آب-سیمان، 0.45 به 0.6 می باشد پر می گردند.

قطر دامنه های نیل ها از 100 تا 200 میلی متر و فاصله بین هر نیل معمولا 1.5 متر می باشد.

2. نیل های کوبیده شده(Driven Nails)

این روش نیلینگ، پایدارسازی موقتی دامنه برش های خاک است. سرعت کار در این روش کمی از تکنیک های دیگر بیشتر است. از آنجایی که یک روش موقتی است هیچ کدام از نیل ها و میلگردهای تقویتی در برابر خوردگی محافظت نمی شوند.

روش نیلینگ حاضر شامل قرار دادن نیل ها داخل سطح دامنه همزمان با حفاری سوراخ هاست. قطر دامنه نیل ها تقریبا 19 تا 25 میلیمتر و فاصله میان نیل ها بین 1 تا 1.5 متر می باشد.

3. نیل های خود حفاری (Self-Drilling Nails)

در روش نیلینگ خود حفاری، میله های تو خالی، ابزار کار هستند. حفره هایی در سطح دامنه به منظور جایگذاری میلگردها ایجاد می شود. عملیات حفاری یا همان ایجاد حفره ها همزمان با تزریق دوغاب یا گروت است.

این عمل بسیار کاراتر از سوراخ کردن و دوغاب کردن پیش از نیلینگ است. نیل ها در این روش نسبت به روش قبلی از مقاومت بیشتری در برابر خوردگی برخوردارند.

4. نیل های جریان سریع آب-دوغاب (Jet-Grouted Nails)

این روش از جریان شدید آب برای سایش خاک جهت ایجاد حفره ها در سطح دامنه استفاده می کند. پس از آن از بتن برای دوغاب کاری فاصله میان میلگردهای فلزی که در این حفره ها قرار می گیرند استفاده می شود. روش حاضر محافظت عالی ای از میلگردهای فلزی در برابر خوردگی دارد.

ملاحظات طراحی در نیلینگ خاک

8 نکته قابل توجه در خصوص تصمیم گیری در مورد امکان پذیری روش نیلینگ وجود دارد. در ادامه در مورد این نکات صحبت خواهیم کرد.

نیلینگ خاک

1. حد استحکام

اولین معیار طراحی نیل های خاک، حد شکست آنهاست. حد استحکام به معنی محدوده شکست یا آوار شدن بالقوه است.

2. حد خدمات

معیار دوم طراحی نیل های خاک حد خدمت آنهاست. حد خدمات به معنی حد مجاز تغییر شکل است که مشخص میکند این نیل برای ساپورت دامنه مناسب هست یا خیر.

3. ارتفاع و طول

ارتفاع و طول دامنه بر روی طراحی تاثیرگذار است. ارتفاع دامنه روی استحکام و محدوده خدمت اثر می گذارد و طول دامنه روی هزینه تاثیرگذار است. علاوه بر این ارتفاع های بلندتر به تجهیزات اجرایی خاصی مانند جرثقیل و غیره نیاز دارند.

4. فاصله گذاری عمودی و افقی نیل ها

فاصله گذاری عمودی و افقی نیل ها علاوه بر موقعیت خاک به معیارهای استحکام و خدمات هم بستگی دارند. فاصله میان نیل ها با کاهش استحکام خاک کاهش می یابد. لذا افزایش هزینه به دنبال افزایش تعداد نیل ها با ارتفاع و طول دامنه مدنظر غیر قابل اجتناب است.

5. ویژگی های زمین

وضعیت خاک از جمله تراکم، انسجام، آبهای زیزمینی و غیره بر امکان پذیری فنی و اقتصادی روش نیلینگ خاک تاثیرگذار است. و این امر بر فاصله گذاری نیل نیز اثر دارد.

6. قطر و طول نیل

با توجه به تمامی فاکتورهایی که در بالا بیان شد یک ارزیابی مقدماتی از حداکثر نیرو و طول نیل صورت گرفت.

طول، قطر و فاصله نیل ها فاکتورهای معمول هستند که استحکام دیوار درونی و بیرونی را کنترل می کنند. طی فرآیند طراحی این فاکتورها برای عملی کردن تمامی الزامات پایدارسازی درونی و بیرونی می توانند تغییر کنند.

7. نفوذ آب و یخبندان

جزئیات نفوذ زهکشی و یخبندان در مرحله پایانی طراحی گنجانده شده است. این پارامترها هم برای نیلینگ مهم اند.

8. بارهای خارجی در نتیجه فشار باد و هیدرواستاتیک

مورد آخر اینکه نیل ها در برابر بارهای خارجی مانند فشار باد و هیدرواستاتیک بررسی می شوند. اگر طراحی بصورت بالقوه به دلیل بارهای خارجی شکست بخورد، بر این اساس اصلاح می شود.

روش اجرا

اجرا شامل بخش های بسیاری، از حفاری تا دوغاب ریختن است. در ادامه به بیان روش اجرای نیلینگ می پردازیم.

حفاری

حفاری برش ها و دامنه ها تا ارتفاعی اجرا می شود که بتواند بین 24 تا 48 ساعت از خود ساپورت کند با این تضمین که سیستم زه کشی به آبهای سطحی اجازه تخلیه شدن را بدون فرسایش خاک بدهد. سطح کار نیز جهت کاهش مقدار شاتکریت باید صاف و یکنواخت باشد.

ایجاد سوراخ ها برای ورود نیل ها

نیل ها را می توان با فشار دادن مستقیم آنها درون خاک نصب نمود. از سوی دیگر سوراخ ها را میتوان بوسیله دستگاه مته زنی (drill bit machine)، rope core drill، air leg rock drill، و یا ماشین دریل افقی اجرا نمود و پس از آن نیل ها را وارد این حفره ها کرد.

ایجاد سوراخ ها برای ورود نیل ها

قرار گیری نیل ها و پروسه دوغاب ریزی

در روش دوم سنترالایزرها برای قرارگیری صحیح نیل ها درون حفره ها بکار گرفته شده و بعد از آن حفره ها دوغاب می شوند.

ساخت روکش شاتکریت موقت

یک توری آهنی جهت ساپورت شاتکریتی که روی کار اجرا می شود بر روی نیل ها جوش داده می شود. شاتکریت به ضخامت 3 تا 4 اینچ توسط شاتکیریت گان اسپری می شود. عمل شاتکریت بوسیله هر دو روش میکس خشک و میکس تر اجرا می شود.

در روش میکس خشک، مخلوط سنگدانه-سیمان در سر نازل با آب مخلوط می شوند. در روش میکس تر، سیمان، سنگدانه ها و آب با هم مخلوط شده و توسط پمپ هیدرولیک انتقال می یابد.

ساخت و اجرای روکش دائمی

زمانی که به انتهای سوراخ حفاری شده می رسیم مقدمات ساخت و اجرای روکش دائمی انجام شده است. پس از آن با بتن یا شاتکیریت پوشیده می شود. انتهای زه کش یا گذر آب هم به پایین دامنه یا سطح کار متصل می گردد.

ساخت و اجرای روکش دائمی