اصلاح نشست و کج شدگی ساختمان با تثبیت فونداسیون و برداشت کنترل‌شده خاک

Chen, W., Xiao, P., & Tan, Q. (2023). Application of Anchor-Grouted Static Pressure Pile and Soil Excavation Correction in House Correction. Advances in Frontier Research on Engineering Structures, IOS Press. DOI: 10.3233/ATDE230255.

وقتی یک ساختمان بر اثر نشست نامتقارن کج می‌شود، اولین راهکاری که ممکن است به ذهن برسد، بالا آوردن قسمت نشست‌کرده ساختمان با استفاده از جک‌های هیدرولیکی است. اما شاقول‌سازی ساختمان همیشه به معنای بالا آوردن بخش پایین‌رفته نیست. در بعضی شرایط می‌توان ابتدا بخش پرنشست ساختمان را تثبیت کرد و سپس با ایجاد نشست کنترل‌شده در سمت مقابل، اختلاف تراز ایجادشده را کاهش داد و ساختمان را به وضعیت قائم نزدیک کرد. مقاله حاضر نمونه‌ای واقعی از اجرای چنین روشی در دو ساختمان مسکونی در شهر یانگژو در استان جیانگسو چین را بررسی می‌کند. در این پروژه، ساختمان‌ها با وجود اجرای قبلی عملیات بهسازی خاک، بیش از ۲۰۰ میلی‌متر نشست کرده و به سمت جنوب کج شده بودند. برای اصلاح وضعیت، ابتدا فونداسیون با استفاده از شمع‌های فولادی فشاری مهارشده به فونداسیون تقویت شد و سپس در سمت کم‌نشست ساختمان، خاک زیر فونداسیون به صورت مرحله‌ای و کنترل‌شده خارج شد تا آن قسمت نیز به مقدار مشخصی نشست کند و کجی ساختمان کاهش یابد.

پلان ساختمان‌های مورد مطالعه و مقادیر اندازه‌گیری‌شده کجی پیش از عملیات اصلاح نشست

مشخصات ساختمان‌های مورد مطالعه

پروژه شامل دو ساختمان مسکونی شماره ۴۶ و ۴۷ است که از طریق پارکینگ زیرزمینی به یکدیگر متصل بوده‌اند.

ساختمان شماره ۴۶ یک ویلای سه‌طبقه با ارتفاع ۱۰٫۸۳ متر و ساختمان شماره ۴۷ یک ساختمان مسکونی ۶+۱ طبقه با ارتفاع 17.44  متر بوده است. هر دو ساختمان دارای سیستم سازه‌ای قاب و فونداسیون رادیه بودند. نکته مهم این است که زمین زیر ساختمان‌ها پیش از ساخت نیز بهسازی شده بود. برای این منظور از ستون‌های اختلاط خاک و سیمان به قطر حدود ۶۰۰ میلی‌متر و عمق تقریبی ۱۳ متر استفاده شده بود. با این حال، عملیات بهسازی نتوانسته بود از وقوع نشست قابل توجه جلوگیری کند.

ساختمان‌ها چقدر نشست کرده بودند؟

بررسی نتایج پایش نشان داد که تا اکتبر ۲۰۱۹، نشست ساختمان‌ها هنوز متوقف نشده بود. حداکثر سرعت نشست در نقاط اندازه‌گیری‌شده به حدود ۱٫۴ میلی‌متر در روز رسیده بود. نشست نیز یکنواخت نبود و هر دو ساختمان به سمت جنوب کج شده بودند. حداکثر میزان شیب به حدود ۷ در هزار رسیده بود، در حالی که حد مجاز مورد استناد مقاله ۴ در هزار اعلام شده است. از همه مهم‌تر اینکه نشست کلی ساختمان‌ها از ۲۰۰ میلی‌متر، یعنی بیش از ۲۰ سانتی‌متر، عبور کرده بود.

این شرایط نشان می‌داد که مسئله تنها کج شدن ساختمان نیست. روند نشست همچنان فعال بوده و قبل از هرگونه عملیات اصلاح هندسی، باید ابتدا برای کنترل نشست آتی ساختمان راهکاری در نظر گرفته می‌شد.

چرا ساختمان‌ها با وجود بهسازی خاک نشست کردند؟

این بخش یکی از قسمت‌های مهم مطالعه است. بر اساس مطالعات ژئوتکنیکی، زیر ساختمان لایه‌هایی از خاک با تراکم‌پذیری متوسط تا زیاد وجود داشته است. ستون‌های اختلاط خاک و سیمان اجراشده در زیر فونداسیون حدود ۱۳ متر طول داشتند، اما در زیر آنها همچنان لایه‌های تراکم‌پذیر وجود داشت. از طرف دیگر، در سمت جنوبی ساختمان شماره ۴۶ حدود ۵ متر خاکریز اضافی روی زمین قرار گرفته بود. این حجم قابل توجه خاک، سربار گسترده‌ای در یک سمت ساختمان ایجاد کرده بود. نویسندگان مقاله این خاکریزی را عامل اصلی ایجاد نشست نامتقارن و کج شدن ساختمان معرفی کرده‌اند.

دو عامل دیگر نیز در ایجاد نشست مؤثر تشخیص داده شدند: وجود لایه‌های نسبتاً ضخیم و تراکم‌پذیر در زیر انتهای ستون‌های اختلاط خاک و سیمان و همچنین مناسب نبودن کیفیت بخشی از عملیات بهسازی نسبت به عملکرد مورد انتظار طراحی. این پروژه نمونه خوبی است که نشان می‌دهد صرف اجرای عملیات بهسازی خاک تضمین‌کننده حذف نشست ساختمان نیست. عمق بهسازی، مشخصات لایه‌های زیر آن، کیفیت اجرا و تغییرات بارگذاری زمین اطراف ساختمان همگی می‌توانند بر عملکرد نهایی سیستم تأثیر بگذارند.

چرا ابتدا باید نشست ساختمان متوقف می‌شد؟

از آنجا که پایش‌ها نشان می‌داد نشست هنوز ادامه دارد، انجام مستقیم عملیات شاقول‌سازی نمی‌توانست راهکار مناسبی باشد. اگر هندسه ساختمان اصلاح شود ولی عامل ایجاد نشست همچنان فعال باقی بماند، احتمال دارد پس از مدتی ساختمان دوباره دچار نشست و کجی شود. به همین دلیل، نویسندگان تصمیم گرفتند ابتدا فونداسیون را تقویت و روند نشست را کنترل کنند و سپس عملیات اصلاح کجی را انجام دهند.

روش انتخاب‌شده ترکیبی از دو سیستم بود:

تثبیت فونداسیون با شمع‌های فشاری + ایجاد نشست کنترل‌شده با برداشت خاک

مقاله همچنین تأکید می‌کند که به دلیل نزدیکی ساختمان‌های مجاور، روش اصلاح باید به‌گونه‌ای انتخاب می‌شد که کمترین تأثیر را بر سازه‌ها و فونداسیون‌های اطراف داشته باشد. به همین دلیل، برداشت کم‌عمق و کنترل‌شده خاک به عنوان روش مناسب اصلاح کجی انتخاب شد.

تثبیت ساختمان با شمع‌های فولادی

برای کنترل نشست آتی ساختمان، از شمع‌های فولادی موسوم بهAnchor Static Pressure Pile  استفاده شد. در این روش، سیستم مهار به فونداسیون موجود متصل می‌شود و خود ساختمان نیروی عکس‌العمل لازم برای فروبردن شمع را فراهم می‌کند. به این ترتیب می‌توان بدون نیاز به تجهیزات بزرگ شمع‌کوبی، قطعات شمع را به صورت مرحله‌ای به داخل زمین فشار داد. در این پروژه از لوله فولادی با مشخصات 273×8 میلی‌متر استفاده شد. هر قطعه شمع ۲ متر طول داشت و پس از اجرای شمع، داخل آن با بتن ریزدانه C30 پر شد. برای اتصال سیستم به رادیه نیز از میلگردهای مهاری با قطر ۳۶ میلی‌متر استفاده شده است. برای کنترل اجرای شمع، هم فشار نهایی و هم طول شمع مورد توجه قرار گرفت. فشار طراحی حدود ۱۲۰۰ کیلونیوتن و طول نهایی شمع‌ها تقریباً ۴۰ متر تعیین شد. این شمع‌ها عملاً مسیر جدیدی برای انتقال بار ساختمان به لایه‌های عمیق‌تر و مناسب‌تر زمین فراهم کردند و امکان کنترل نشست آتی ساختمان را به وجود آوردند.

چگونه بدون بالا آوردن ساختمان، کجی آن اصلاح شد؟

بعد از تثبیت فونداسیون، مرحله بسیار جالب پروژه آغاز شد. هر دو ساختمان به سمت جنوب کج شده بودند. این یعنی سمت جنوبی نسبت به سمت شمالی بیشتر نشست کرده بود. در روش جک‌زنی معمولاً می‌توان سمت جنوبی را بالا آورد. اما در این پروژه راهکار دیگری انتخاب شد: به جای بالا آوردن سمت جنوبی، اجازه داده شد سمت شمالی به صورت کنترل‌شده نشست کند. برای این منظور در سمت شمال ساختمان سوراخ‌هایی ایجاد و خاک زیر رادیه به تدریج خارج شد. با کاهش تکیه‌گاه خاک در این قسمت، سمت شمال ساختمان به‌آرامی پایین آمد و اختلاف تراز میان دو سمت کاهش پیدا کرد. برای خارج کردن خاک از زیر رادیه، از آب پرفشار استفاده شد. خاک با جریان آب سست شده و به شکل گل از زیر فونداسیون خارج می‌شد. در ابتدا در سمت شمال هر ساختمان سه محل برداشت خاک ایجاد شد و سپس تعداد نقاط و حجم خاک خارج‌شده بر اساس رفتار واقعی ساختمان و نتایج پایش نشست تغییر می‌کرد.  این نکته بسیار مهم است، زیرا عملیات بر اساس یک مقدار ثابت و از پیش تعیین‌شده برداشت خاک انجام نشده است. مقدار برداشت خاک بر اساس پاسخ واقعی ساختمان تنظیم می‌شد.

چه مقدار اصلاح لازم بود؟

پیش از شروع برداشت خاک، یک مرحله جدید اندازه‌گیری نشست و شیب ساختمان انجام شد تا مقدار نهایی اصلاح مورد نیاز مشخص شود. بر اساس محاسبات مقاله، حداکثر اصلاح مورد نیاز در نقاط مختلف دو ساختمان متفاوت بود. در ساختمان شماره ۴۶، حداکثر جابه‌جایی اصلاحی محاسبه‌شده به حدود ۲۵۱٫۴ میلی‌متر می‌رسید، در حالی که برای ساختمان شماره ۴۷ حداکثر مقدار حدود ۶۳٫۶ میلی‌متر بود. بنابراین در ساختمان شماره ۴۶ با اصلاحی در حدود ۲۵ سانتی‌متر روبه‌رو بوده‌ایم که مقدار قابل توجهی است و اهمیت کنترل مرحله‌ای عملیات را نشان می‌دهد.

چگونه از نشست بیش از حد جلوگیری شد؟

برداشت خاک از زیر یک ساختمان موجود، اگر بدون کنترل انجام شود، می‌تواند باعث تمرکز تغییرشکل و نشست ناگهانی شود. خود نویسندگان نیز به محدودیت کنترل‌پذیری روش برداشت خاک اشاره کرده‌اند. برای کاهش این خطر، از ترکیب عملکرد شمع‌ها و برداشت خاک استفاده شد. قبل از شروع اصلاح، برخی از شمع‌های فولادی به صورت موقت قفل شدند تا بتوان از آنها برای کنترل سرعت نشست ساختمان استفاده کرد. مقاله تأکید می‌کند که سرعت عملیات به‌گونه‌ای کنترل شده که نشست روزانه ساختمان از ۳ میلی‌متر بیشتر نشود. در صورت رسیدن اصلاح به مقدار هدف نیز سیستم شمع در سمت مربوطه قفل می‌شد تا از ادامه حرکت جلوگیری شود.

جزئیات سیستم مهار و قفل موقت شمع برای کنترل حرکت ساختمان هنگام عملیات اصلاح کجی

پایش ۲۴ ساعته ساختمان در حین اصلاح نشست

یکی از نقاط قوت این پروژه، سیستم مانیتورینگ آن است. در طول چنین عملیاتی نمی‌توان صرفاً مقداری خاک برداشت و سپس منتظر مشاهده نتیجه ماند. کوچک‌ترین تغییر در یک نقطه از فونداسیون می‌تواند بر رفتار سایر قسمت‌های ساختمان تأثیر بگذارد. به همین دلیل، قبل، حین و بعد از عملیات، نشست و شیب گوشه‌های مختلف ساختمان به طور مداوم اندازه‌گیری شد. برای این منظور از سیستم تراز هیدرواستاتیکی و سامانه هوشمند اندازه‌گیری استفاده شد که امکان پایش ۲۴ ساعته جابه‌جایی قائم نقاط مهم ساختمان را فراهم می‌کرد. اطلاعات ثبت‌شده حتی از طریق تلفن همراه قابل مشاهده بود. بر اساس نتایج این پایش، ترتیب اجرای شمع‌ها و همچنین مقدار برداشت خاک در هر مرحله قابل اصلاح و تنظیم بود.

تجهیزات مورد استفاده برای پایش مستمر جابه‌جایی ساختمان در حین عملیات اصلاح نشست

بعد از شاقول‌سازی، خاک زیر فونداسیون چه شد؟

این سؤال مهمی است، چون برای ایجاد نشست کنترل‌شده بخشی از خاک زیر رادیه عمداً خارج و سست شده بود. بعد از رسیدن ساختمان به وضعیت مورد نظر، عملیات به همان‌جا ختم نشد. خاک سست‌شده زیر فونداسیون متراکم و با دوغاب سیمان حاوی افزودنی سیلیکات سدیم تزریق شد تا شرایط زیر رادیه مجدداً تثبیت شود. مقاله گزارش می‌کند که حدود ۱۴ روز پس از پایان تزریق، ساختمان تقریباً ۲ میلی‌متر بالاآمدگی کلی نشان داد و پس از آن به‌سرعت پایدار شد. این مرحله اهمیت زیادی دارد. هدف عملیات فقط رساندن ساختمان به وضعیت هندسی مطلوب نیست، بلکه باید شرایط پایدار جدیدی برای فونداسیون ایجاد شود تا اصلاح انجام‌شده ماندگار باشد.

نتیجه عملیات چه بود؟

کل عملیات تثبیت و اصلاح ساختمان‌ها در مدت حدود چهار ماه تکمیل شد. بر اساس گزارش مقاله، پس از پایان عملیات، میزان شیب ساختمان و نرخ نشست نقاط مختلف در محدوده الزامات آیین‌نامه مورد استفاده در پروژه قرار گرفت. همچنین در سازه فوقانی ساختمان‌ها علائم غیرعادی جدیدی مانند ترک‌خوردگی مشاهده نشد و نویسندگان اجرای ترکیبی شمع‌های فشاری و برداشت کنترل‌شده خاک را در این پروژه موفق ارزیابی کردند.

این پروژه چه نکاتی درباره اصلاح نشست ساختمان به ما می‌آموزد؟

شاید مهم‌ترین نتیجه این پروژه آن باشد که برای اصلاح کجی ساختمان یک روش واحد وجود ندارد. در بعضی ساختمان‌ها می‌توان قسمت نشست‌کرده را با استفاده از جک‌های هیدرولیکی بالا آورد. در شرایط دیگر ممکن است تثبیت قسمت پرنشست و ایجاد نشست کنترل‌شده در سمت مقابل، راهکار مناسب‌تری باشد. اما در هر دو حالت یک اصل مشترک وجود دارد: قبل از اصلاح هندسی ساختمان باید علت نشست و احتمال ادامه آن مشخص شود. در پروژه مورد بررسی، ساختمان‌ها بیش از ۲۰ سانتی‌متر نشست کرده بودند و نشست هنوز ادامه داشت. بنابراین ابتدا با اجرای شمع‌های فولادی تا عمق حدود ۴۰ متر، شرایط فونداسیون تثبیت شد و سپس با برداشت مرحله‌ای خاک در سمت کم‌نشست، کجی ساختمان اصلاح گردید. تمام فرآیند نیز تحت پایش مداوم جابه‌جایی ساختمان انجام شد. این مطالعه نشان می‌دهد که انتخاب روش مناسب برای اصلاح نشست باید بر اساس علت نشست، وضعیت لایه‌های خاک، نوع فونداسیون، مقدار و جهت کجی، شرایط ساختمان‌های مجاور و امکان کنترل رفتار سازه در حین عملیات انجام شود. در واقع، هدف صرفاً شاقول کردن ساختمان نیست. راهکار مناسب باید بتواند ابتدا عامل ایجاد مشکل را کنترل کند، سپس ساختمان را با روشی قابل‌کنترل به وضعیت مطلوب برساند و در نهایت شرایط پایدار جدیدی برای فونداسیون ایجاد کند.