گودبرداری و سازه نگهبان یکی از مهم ترین بخش های طراحی و اجرای ساختمان می باشد. عدم آشنایی با با ضوابط و دستورالعمل های اصولی و علمی در زمینه اجرای انواع سازه نگهبان موجب بروز حوادث و صدمات جانی و مالی بسیاری می شود. عوامل زیادی در یک گود برداری و اجرای سازه نگهبان اصولی موثر هستند؛ تمام این عوامل باید کار خود را به نحو احسن انجام دهند تا این هدف محقق گردد.
از این رو در این مقاله سعی کرده ایم که روش اجرا و نکات لازم در هنگام اجرای انواع سازه نگهبان رایج را بیان کنیم. سازه نگهبان هایی که در کشور ما به صورت متداول از آن ها استفاده میشود عبارت اند از: سازه نگهبان خرپایی (Truss Guard Structure)، مهار متقابل (Braced Cuts)، مهار گذاری (Soil Anchorage)، دوخت به پشت (Soil Nailing)، دیوار دیافراگمی (Diaphragm Pile Wall)، سپرکوبی (Sheet Pile)، اجرای شمع درجا (Pile) که در ادامه با هرکدام از آن ها آشنا خواهیم شد.
سازه نگهبان چیست؟
در بسیاری از پروژه های ساختمانی لازم است تا خاک برداری در زمین انجام شود. در نتیجه این خاک برداری دیواره ها یا جداره های خاکی قائم و یا مایل به وجود می آید. به منظور جلوگیری از ریزش دیواره های گودها و ترانشه ها و مقابله با تبعات منفی احتمالی ناشی از گودبرداری سازه های موقتی را برای مهار دیواره های گود یا ترانشه اجرا می کنند که به آن سازه نگهبان می گویند.
مطابق بند 7-1-3-3 از مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان سازه نگهبان به سازه ای اطلاق می شود که برای نگهداری خاک به کار برده می شوند. این سازه ها شامل انواع دیوارها و سیستم های نگهبان هستند، که در آن ها عناصر سازه ای ممکن است با خاک یا سنگ ترکیب شده و یا در آن ها از تسلیح خاک استفاده شود.
سازه نگهبان خرپایی
سازه نگهبان خرپایی یکی از اولین روش های ابداع شده برای پایدارسازی گود میباشد؛ که ساده و انعطاف پذیر است و در گودهای متداول شهری بسیار استفاده میشود. این روش نیازمند بکار گیری نیرو متخصص و دستگاه خاص نیست. در این قسمت روش اجرای سازه نگهبان خرپایی به صورت گام به گام آورده شده است. در اجرای سازه نگهبان خرپایی خاکبرداری و نصب المان‌ها به صورت مرحله ای صورت میگیرد.
حفاری چاه در مسیر گودبرداری
بعد از اتمام عملیات تخریب ساختمان و رسیدن به تراز سطح زمین محل قرارگیری عضوهاي قائم خرپا در لبه دیواره گود مشخص میگردد. در این محل ها چاه هایی حفر میشوند که عمق این چاه ها برابر با عمق گود به اضافه طول شمع (H+LP) میباشد.
- طول شمع از ۲۵% ارتفاع گود نباید کمتر باشد.
- قطر چاه بایستی به گونهای باشد که کارگر برای حفاری به راحتی بتواند داخل آن شود. لذا توصیه می شود حداقل ۸۰ سانتی متر باشد. (در اکثر پروژه ها قطر 1 متر را حفاری می کنند)
ویدئو تکمیلی: آموزش تخریب ساختمان
اجرای عضو قائم و شمع انتهای آن
پس از حفر چاه ها قفسه آرماتورهای شمع را مطابق با طراحی میبندیم و آن را در انتهای چاه ها قرار میدهیم. سپس عضو قائم خرپا در چاه‌ها قرار میگیرد. چند ردیف برش گیر از نبشی یا ناودانی روی عضو قائم خرپا جهت درگیری بیشتر فولاد با بتن نصب میگردد. مقداری از طول عضو قائم در شمع قرار می گیرد. به این ترتیب پس از سخت شدن بتن، انتهای عضو قائم در زمین به صورت گیردار عمل خواهد نمود. قسمت انتهایی چاه تا تراز کف گود با بتن پر می شود.
⇐ هرگونه فاصله بین سازه نگهبان خرپایی و دیوار گود موجب بی فایده بودن و عدم کارایی آن میگردد. در صورت وجود فاصله باید با مصالح مناسب پر شود.
گودبرداری با شیب پایدار
در این مرحله خاکبرداری با شیب پایدار شروع میشود. شیب پایدار یک شیب ایمن است که بر اساس مطالعات ژئوتکنیک و تئوری های مکانیک خاک به دست می آید. خاکبرداری به صورت مرحله ای برای اجرای عضو مایل مطابق شکل زیر صورت میگیرد. این خاکبرداری در خاک هایی که احتمال ریزش آنها بسیار زیاد است فقط در محل قرار گیری عضو مایل انجام میشود و سرتاسری نیست.
اجرای فونداسیون برای عضو مایل سازه نگهبان
پس از گودبرداری با شیب پایدار محل اجرای فونداسیون عضو مایل خاکبرداری میشود. قفسه آرماتورهای فونداسیون و قالبهای کف فونداسیون بسته میشود. صفحه ستون برای عضو مایل نصب میشود و نوبت به بتن ریزی فونداسیون می رسد. معمولا برای پایداری سازه نگهبان در مقابل لغزش پیهای منفرد را با شناژ به هم متصل می کنند.
ویدئو تکمیلی: بتن ریزی فونداسیون
- رقوم ارتفاعی بالای فونداسیون و بالای شمع بر تراز گودبرداری منطبق است.
- تراز کف گود منطبق با تراز کف فونداسیون سازه اصلی است.
عضو مایل سازه نگهبان خرپایی چگونه نصب می شود؟
پس از اجرای فونداسیون عضو مایل، عضو مایل مطابق با نقشه از یک سمت به صفحه ستون و از سمت دیگر به ابتدای عضو قائم متصل میشود. به دلیل آسانی اجرای اتصال مفصلی نسبت به اتصال گیردار معمولا اتصال عضو مایل به صفحه ستون مفصلی اجرا میشود.
ویدئو تکمیلی: کنترل صفحه ستون در سازه فولادی
نصب اولین عضو افقی سازه نگهبان
در این مرحله مطابق شکل زیر خاک به صورت مثلثی در سرتاسر گود تا تراز کف اولین عضو افقی برداشته میشود. سپس اولین عضو افقی پس از قرار گیری در جای خود از یک طرف به عضو قائم و از طرف دیگر به عضو مایل متصل میشود. اتصال این عضو در هر دو سمت مفصلی میباشد.
نصب سایر اعضای افقی و قطری
در این مرحله اعضای افقی و قطری برای صلبیت بیشتر خرپا نصب میشود. مانند قسمت قبلی برای نصب سایر اعضای افقی و قطری تا تراز کفِ عضو افقی بعدی خاکبرداری در طول دیوار صورت میگیرد و عضو افقی و قطری مایل بعدی نصب میشود (شکل 9). این مرحله تا رسیدن به تراز کف گود تکرار میشود.
- در این سازه فقط نیروی محوری وجود داشته و به علت عدم وجود نیروی برشی و لنگر خمشی در اعضا متشکله خرپا، اتصالات باید به صورت مفصلی اجرا شوند.
- اگر خاک ریزشی و سست باشد خاک بین خرپاها پس از تکمیل سازه نگهبان برداشته میشود. در این دسته از خاک ها برای مهار خاک در فضای بین دو خرپا و جلوگیری از ریزش آن میتوان از تخته گذاری، مهاربندهای قطری یا از بتن شاتکریت استفاده کرد.
مهار متقابل
یکی دیگر از روش های پایداری گود، مهار متقابل است. در این روش که برای گود برداری ها با عرض کم (10 تا 15متر) و طول زیاد کاربرد دارد برای نگهداری وجه های عمودی گود از المان هایی به نام مهار متقابل (استرات) استفاده می شود. استرات ها اعضای فشاری هستند که به المان های عمودی به نام Soldier Beam که در مجاور دیوار گود وجود دارد متصل می شوند. این اعضای فشاری باعث کنترل تغییر شکل دیوار های گود می شود، شکل پایین نمونه از یک اجرای مهار متقابل است که اجزای آن در شکل معرفی شده است. برای جلوگیری از ریزش خاک هایی که چسبندگی زیادی ندارند یا ورود آب به داخل گود برای تزار آب زیرزمینی بالا؛ دیوار های گود با بتن شاتکریت، دیوار دیافراگمی، سپرکوبی، شمع و … پوشانده می شود.
حفاری چاه در مسیر گودبرداری
همانند حفاری چاه در اجرای سازه نگهبان خرپایی محل Soldier Beam ها در مجاور دو طرف طول گود حفاری میشود. عمق این چاه برابر با عمق گود به اضافه طول گیرداری تیر نگهبان است. این چاه ها باید دقیقا مجاور دیوار عمودی گود باشد. طول گیرداری از ۲۵% ارتفاع گود نباید کمتر باشد.
اجرای المان قائم Soldier Beam
پس از حفر چاه ها المان های قائم را مطابق با نقشه در چاه قرار میدهیم. معمولا پروفیل های فولادی H و I شکل استفاده میشوند. انتهای چاه تا تراز کف گود (تراز کف فونداسیون سازه) با بتن پر میشود. به این ترتیب پس از سخت شدن بتن، انتهای عضو قائم در زمین به صورت گیردار عمل خواهد نمود. معمولا برای درگیری بیشتر المان قائم با بتن از برشگیر در انتهای المان استفاده میشود.
هرگونه فاصله بین سازه نگهبان خرپایی و دیوار گود موجب بی فایده بودن و عدم کارایی آن میگردد. در صورت وجود فاصله باید با مصالح مناسب پر شود.
اجرای مهارهای متقابل Strut
پس از اجرای المان های قائم نوبت به مهار های متقابل می رسد. همان طور که پیش تر گفته شد این اعضای فشاری باید به المان های قائم متصل شوند. برای این کار تا تراز اولین مهار متقابل خاکبرداری می کنیم. اولین عضو مهار متقابل به صورت گیردار به اعضای قائم متصل می شود. اتصال استرات ها به المان قائم با ورق فولادی و جوش معمولا اجرا می شود اما گاها از اتصال پیچی نیز استفاده میگردد. اگر در اجرای مهار متقابل امکان ریزش موضعی باشد پس از هر مرحله خاکبرداری دیواره گود با مصالح مناسب پوشانده می شوند.
پس از نصب اولین عضو مهار متقابل به ترتیب برای نصب سایر استرات ها خاکبرداری را تراز اجرای آن ادامه می دهیم و آن را نصب می کنیم. اتصال مهار متقابل به جز اولین و آخرین آن ها مفصلی است مطابق شکل زیر.
همانطور که در ابتدای این قسمت هم گفتیم مهار های متقابل اعضای فشاری هستند که به پایداری دو عضو قائمی که در ابتدا و انتهای آن قرار دارد کمک می کند. مسئله مهم برای اعضای فشاری رخ دادن پدیده کمانش است. یکی از عوامل موثر در افزایش خطر کمانش، طول موثر زیاد عضو فشاری است.
روش دیگری برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری وجود دارد آن این است که به جای استفاده از پروفیل فولادی برای این عضو از خرپا استفاده کنیم. خطر کمانش از مهمترین مواردی است که باید در اجرا و طراحی این نوع سازه نگهبان به آن توجه کرد چرا که شکستن یکی از اعضا باعث افزایش نیروی فشاری عضو دیگر شده و آن عضو را هم دچار کمانش میکند، این عمل ادامه پیدا می کند تا کل سیستم از بین برود.
گاها در اجرای این سازه نگهبان نیاز است که در راستای طولی بین المان های قائم مهاربند های نصب شوند. اگر تراز فونداسیون دو همسایه مجاور یکی باشد، توصیه می شود در این تراز یک استرات یا مهار متقابل اجرا شود.
ویدئوی تکمیلی: کمانش موضعی چیست؟
روش اجرا مهار گذاری (Soil Anchorage)
مهار یک المان تزریق شده است که به صورت پیش تنیده در خاک یا سنگ نصب می شود. هدف این عضو انتقال بار کششی اعمال شده به زمین است. مهاری های خاک تزریق شده ی پیش تنیده را به صورت خلاصه مهاری های خاک می نامند. نام دیگر این روش دوخت به پشت نیز می باشد. استفاده از این مهار ها مانند سایر روش ها برای جلوگیری از تغییر شکل های دیوار های گود می باشد. تفاوت المان های مهار با میخکوبی در خاک وجود نیروی بزرگ پیش تنیدگی در مهار است. حرکت توده خاک موجب نیرو در اجزای دیوار می گردد ولی در دیوار های مهار اصطکاکی قبل از هر گونه حرکت توده، نیروی پیش تنیدگی بزرگی وجود دارد که باعث کاهش تغییر شکل می گردد. مهار ها متشکل از میلگرد های منفرد یا کابل های مخصوص با مقاومت بالا هستند که در یک گمانه جای می گیرند. اجرای این روش چون مهار ها در دیوار همسایه وارد می شود نیازمند کسب اجازه قانونی از همسایگان دارد. این روش نسبت به روش های قبلی پیشرفته تر است و برای اجرا نیازمند تجهیزات و نیروی خاص هستیم.
دیوار های مهار اصطحکاکی به دو دسته اساسی تقسسیم بندی می شود:
- دیوار با مهارگذاری و پایه نگهبان و پوشش محافظ
- دیوار با مهارگذاری و بلوک
مهم ترین عضو این روش پایدارسازی گود، مهاری های خاک هستند. اجزای اصلی یک مهاری خاک شامل: 1- مهارساز، طول عاری از تنش (طول آزاد) و طول گیردار می باشد. این موارد و دیگر اجزای مهاری خاک در تصویر زیر نشان داده شده است.
مراحل اجرای دیوار با پایه نگهبان و پوشش محافظ
این نوع دیوار متشکل از المانهای قائم مجزا هست که این المان ها توسط پوشش محافظ که از مصالح مختلف تشکیل می شود، پوشانده می شود و یا می توان آن را توسط شاتکریت مسلح کرد. هنگام کاربرد در خاک های غیر چسبنده و رس های نرم باید دقت نمود زیرا امکان دارد زمان پایداریشان برای نصب پوشش محافظ محدود باشد. مراحل ساخت یک دیوار با پایه نگهبان و پوشش محافظ عبارتند از:
نصب پایه نگهبان
این مرحله شامل حفاری چاه در محل مجاور دیوار گود به عمق مناسب و قرار دادن عضو قائم در آن و تزریق بتن به انتهای چاه برای ایجاد گیرداری عضو می باشد. نکات مهم در این مرحله به شرح زیر است:
- عمق چاه به اندازه 25-35 درصد عمق گود بیشتر از عمق گود می باشد.
- فاصله ی افقی بین پایه نگهبان ها بین 1 متر تا 3 متر متغیر است.
- پایه نگهبان می تواند پروفیل های فولادی یا شمع های بتنی درجا باشند.
- شمع هاي بتنی درجا به ندرت در ترکیب با پوشش محافظ چوبی استفاده می شوند.
گاها می توان پروفیل های فولادی را با کوبش تا عمق مورد نظر نصب کرد و نیازی به حفاری چاه در این حالت وجود ندارد.
گودبرداری و نصب پوشش محافظ
پس از نصب پایه های نگهبان، خاک جلوی دیوار به صورت مرحله به مرحله برداشته شده و در صورت نیاز (وجود خاك هاي بسیار سست) پوشش محافظ اجرا می شود. خاکبرداری اولیه حداکثر تا عمق پایدار گود انجام میگیرد. تا خاک بتواند به صورت موقت پایداری بماند تا دوغاب سیمان تزریق شده در گمانه خود را بگیرد و کشش در مهار ایجاد شود. عمق گودبرداری در هر مرحله معمولا بین 1.2-1.5 متر است.
معمولا هر مرحله از خاکبرداری تا به تراز حدود 0.6 متر پایین تر از ارتفاع طراحی یک مهاری ادامه می یابد. به این دلیل که امکان اجرای مهار یا دسترسی به تجهیزات میسرشود.