اصلاح کجی ساختمان بلندمرتبه با تزریق، (بررسی بالا آوردن یک ساختمان ۲۶ طبقه بدون جک هیدرولیکی)

Cui, X. (2026). Grouting uplift for structural rectification of a high-rise building. Scientific Reports, 16, 10462. DOI: 10.1038/s41598-026-38875-z.

در اصلاح نشست ساختمان، همیشه راه‌حل به معنای قرار دادن جک زیر ستون یا فونداسیون نیست. در برخی پروژه‌ها می‌توان از خود زمین زیر ساختمان برای ایجاد نیروی بالابرنده استفاده کرد. در روش موسوم به Grouting Uplift، تزریق تحت فشار در لایه‌های زیر فونداسیون فقط با هدف پر کردن حفرات یا افزایش مقاومت خاک انجام نمی‌شود. اگر فرآیند تزریق به‌صورت کنترل‌شده طراحی شود، افزایش حجم و تراکم ایجادشده در زمین می‌تواند بخشی از فونداسیون را نیز به سمت بالا حرکت دهد.

مقاله حاضر یک نمونه واقعی از همین روش را بررسی می‌کند. در این پروژه یک ساختمان بلندمرتبه در گوانگشی چین که بر اثر نشست نامتقارن دچار کجی شده بود، ابتدا از نظر زمین‌شناسی و سازه‌ای بررسی شد، سپس رفتار آن با نرم‌افزار FLAC3D شبیه‌سازی شد و در نهایت با یک سیستم تزریق مرحله‌ای، بخشی از نشست جبران و کجی ساختمان اصلاح شد.

ساختمان مورد مطالعه چه مشخصاتی داشت؟ ساختمان دارای ۲۶ طبقه روی زمین و یک زیرزمین بود. طول آن حدود ۷۶٫۹۸ متر، عرض آن ۱۷٫۷ متر و ارتفاع ساختمان حدود ۸۰٫۳ متر گزارش شده است. سیستم سازه‌ای اصلی ساختمان از دیوارهای برشی تشکیل شده و زیرزمین دارای سیستم قاب بوده است. فونداسیون ساختمان یک پی رادیه به ضخامت ۱٫۳ متر بود که روی لایه قلوه‌سنگ قرار داشت. ظرفیت باربری مشخصه این لایه ۳۰۰ کیلوپاسکال در نظر گرفته شده بود. پس از تکمیل سازه اصلی، نشست و کجی ساختمان همچنان ادامه داشت و در ناحیه اتصال ساختمان اصلی به زیرزمین، ترک‌هایی در دال، تیرها، ستون‌ها و دیوارها مشاهده شد. در بعضی نقاط نیز نشت آب وجود داشت.

نمای شماتیک ساختمان بلندمرتبه مورد مطالعه و جهت کجی ایجادشده بر اثر نشست نامتقارن

میزان نشست ساختمان چقدر بود؟ اندازه‌گیری‌های میدانی نشان داد وضعیت نشست قابل توجه است. حداکثر نشست تجمعی حدود ۲۱۶ میلی‌متر و حداقل نشست حدود ۵۰ میلی‌متر بود. بنابراین حداکثر اختلاف نشست در نقاط اندازه‌گیری‌شده به حدود ۱۶۶ میلی‌متر می‌رسید. بیشترین نشست در بخش جنوب‌شرقی و نشست کمتر در شمال‌غرب ساختمان مشاهده شد، در نتیجه ساختمان به طور کلی به سمت جنوب‌شرق متمایل شده بود.

بررسی دقیق‌تر کجی فونداسیون نیز نشان داد مقدار ظاهری کجی در بعضی محورهای شرقی-غربی به حدود ۶ در هزار رسیده بود و از محدوده قابل قبول عبور کرده بود. این یعنی مشکل فقط نشست کلی ساختمان نبود. بخش‌های مختلف فونداسیون به اندازه‌های متفاوت نشست کرده بودند و همین اختلاف نشست باعث دوران ساختمان شده بود.

علت اصلی نشست چه بود؟ یکی از نقاط قوت این مقاله آن است که مستقیم سراغ عملیات اصلاح نرفته است. ابتدا مطالعات ژئوتکنیکی انجام شده تا مشخص شود چرا ساختمان نشست کرده است. بررسی‌ها سه مسئله اصلی را مطرح کردند. لایه قلوه‌سنگ زیر فونداسیون ضخامت محدودی داشت و به دلیل فضای خالی زیاد بین ذرات، رفتار آن یکنواخت نبود. در لایه‌های پایین‌تر نیز سنگ سیلتی رسی هوازده وجود داشت که در تماس با آب می‌توانست نرم و متلاشی شود. مهم‌تر از همه، حفاری‌ها وجود حفرات زیرزمینی در لایه‌های زیر ساختمان را نشان دادند. پژوهشگران این حفرات را یکی از عوامل اصلی ایجاد نشست نامتقارن تشخیص دادند.

مقطع زمین‌شناسی زیر ساختمان و موقعیت حفرات موجود در لایه‌های زیر فونداسیون

مدل‌سازی عددی چه چیزی نشان داد؟ برای بررسی دقیق‌تر، یک مدل سه‌بعدی با نرم‌افزار FLAC3D ساخته شد. مدل شامل ساختمان، فونداسیون و لایه‌های خاک و سنگ زیر آن بود. در این مدل، محل حفرات نیز بر اساس اطلاعات حاصل از مطالعات زمین‌شناسی وارد شد. مدل شامل بیش از ۵۷ هزار المان و ۶۲ هزار گره بود. نتیجه مدل بسیار نزدیک به وضعیت واقعی بود. حداکثر نشست محاسبه‌شده حدود ۲۴۳٫۵۶ میلی‌متر و حداقل نشست حدود ۳۶٫۹۱ میلی‌متر بود. حداکثر اختلاف نشست مدل حدود ۲۰۶٫۶۵ میلی‌متر به دست آمد. از همه مهم‌تر، جهت نشست در مدل از شمال‌غرب به جنوب‌شرق افزایش پیدا می‌کرد، یعنی همان جهتی که در پایش واقعی ساختمان مشاهده شده بود. خطای متوسط بین مقادیر محاسباتی و اندازه‌گیری‌شده نیز حدود ۵٫۳ میلی‌متر گزارش شد.

مقایسه نشست محاسبه‌شده در مدل FLAC3D با مقادیر واقعی اندازه‌گیری‌شده در ساختمان

حفرات زیر زمین واقعاً چقدر در نشست نقش داشتند؟

برای پاسخ به این سؤال، پژوهشگران مدل را یک بار دیگر با همان شرایط خاک، اما بدون حفرات زیرزمینی تحلیل کردند. نتیجه بسیار معنی‌دار بود. در مدل اصلی، اختلاف نشست بسیار زیاد بود، اما وقتی حفرات حذف شدند، حداکثر اختلاف نشست به حدود ۷۲ میلی‌متر کاهش پیدا کرد. بنابراین مقاله نتیجه می‌گیرد که ضعف کلی لایه‌ها در ایجاد نشست نقش داشته، اما وجود حفرات یکی از عوامل مهم تشدید نشست نامتقارن بوده است. این نکته از نظر طراحی راهکار اصلاح اهمیت زیادی دارد. اگر فقط ساختمان را بالا می‌آوردند ولی حفرات و نواحی ضعیف زیر آن باقی می‌ماند، احتمال نشست مجدد یا ایجاد کجی ثانویه وجود داشت. به همین دلیل روش اجرایی در دو مرحله طراحی شد: ابتدا تثبیت، سپس بالا آوردن.

مرحله اول، پر کردن حفرات و مقاوم‌سازی زمین. در مرحله اول هدف اصلی هنوز بالا آوردن ساختمان نبود. ابتدا لایه قلوه‌سنگ زیر فونداسیون و نواحی ضعیف کم‌عمق تقویت شدند و حفرات موجود با تزریق پر شدند تا سختی و ظرفیت باربری زمین افزایش پیدا کند. مقاله تأکید می‌کند که این مرحله برای جلوگیری از بالا آمدن موضعی بیش از حد، پارگی احتمالی رادیه و ایجاد کجی ثانویه ضروری بوده است. به بیان ساده، قبل از اینکه از زمین برای بالا آوردن ساختمان استفاده شود، باید مطمئن می‌شدند خود زمین توان تحمل این عملیات را دارد.

مرحله نخست عملیات، تزریق برای پر کردن حفرات و تقویت زمین زیر فونداسیون

مرحله دوم، زمین زیر فونداسیون تبدیل به سیستم بالابرنده شد. پس از تکمیل مقاوم‌سازی، مرحله اصلی اصلاح کجی آغاز شد. گمانه‌های تزریق تا لایه‌های عمیق‌تر ادامه یافتند و دوغاب تحت فشار به داخل حفرات، شکستگی‌ها و نواحی مورد نظر تزریق شد. با افزایش حجم دوغاب و تراکم زمین اطراف آن، فشار در توده خاک و سنگ افزایش پیدا کرد و مؤلفه قائم این فشار باعث حرکت رو به بالای فونداسیون شد. این مکانیزم تفاوت مهمی با جک‌زنی مستقیم دارد. در جک‌زنی، نیروی قائم از طریق یک عضو مکانیکی مستقیماً به سازه وارد می‌شود، اما در این روش نیروی بالا آورنده داخل زمین ایجاد می‌شود و از طریق خاک به رادیه منتقل می‌گردد.

مکانیزم بالا آوردن فونداسیون با تزریق کنترل‌شده در زمین زیر ساختمان

چرا تزریق معمولی برای این پروژه کافی نبود؟

مقاله به یکی از مشکلات روش‌های سنتی تزریق نیز اشاره می‌کند. در تزریق معمولی، مسیر حرکت دوغاب در خاک و شکستگی‌ها همیشه کاملاً قابل کنترل نیست. دوغاب ممکن است وارد ناحیه‌ای ضعیف شود که انتظار آن نمی‌رود، فشار آب حفره‌ای زیادی ایجاد کند یا باعث بالا آمدن موضعی ساختمان شود. این مسئله در یک ساختمان ۲۶ طبقه اهمیت زیادی دارد، چون بالا آمدن چند نقطه با سرعت متفاوت می‌تواند خود باعث ایجاد تنش و ترک جدید در فونداسیون و سازه شود. به همین دلیل مقاله یک راهبرد تزریق مرحله‌ای، کم‌فشار و آهسته را پیشنهاد می‌کند. اصل اجرایی نیز «ابتدا تثبیت، سپس بالا آوردن» بوده است.

دوغاب تزریق معمولی نبود. یکی دیگر از ویژگی‌های مقاله، استفاده از یک دوغاب مرکب ویژه است. دوغاب از ترکیب سرباره آلومینیوم، سرباره آهن و سیمان با نسبت وزنی تقریبی ۳:۲:۱ تهیه شده است. مقاومت فشاری تک‌محوری ۲۸ روزه آن حداقل ۴۸ مگاپاسکال گزارش شده است. از نظر اجرایی نیز زمان گیرش دوغاب بین ۱۰ تا ۹۰ ثانیه قابل تنظیم بوده و شعاع انتشار آن تا حدود ۲٫۵ متر قابل کنترل اعلام شده است. میزان جمع‌شدگی پس از سخت شدن نیز کمتر از ۰٫۰۲ درصد گزارش شده است. این مشخصات برای چنین پروژه‌ای اهمیت دارد، چون در عملیات اصلاح کجی، فقط مقاومت دوغاب مهم نیست. زمان گیرش و محدوده انتشار آن نیز باید قابل کنترل باشد.

عملیات تزریق در چه محدوده‌ای انجام شد؟ طرح مقاوم‌سازی تقریباً تمام سطح زیر ساختمان را پوشش می‌داد. ناحیه تقویت تا حدود یک متر خارج از محدوده فونداسیون ادامه داشت و مساحت آن در حدود ۱۶۶۴ مترمربع بود. عمق کلی تقویت نیز حدود ۲۰ متر زیر رادیه در نظر گرفته شد. بنابراین حجم تقریبی ناحیه تقویت‌شده حدود ۳۳ هزار مترمکعب بود. گمانه‌ها در دو سمت ساختمان اجرا شدند و در نقاطی که نشست بیشتری وجود داشت، امکان متراکم‌تر کردن آرایش گمانه‌ها در نظر گرفته شد.

جانمایی گمانه‌های تزریق و تجهیزات مورد استفاده در پروژه اصلاح نشست ساختمان

بالا آوردن ساختمان یکباره انجام نشد. کنترل نرخ بالا آمدن یکی از مهم‌ترین بخش‌های پروژه بوده است. در طرح اولیه، حداکثر بالا آوردن کنترل‌شده سمت شرق حدود ۱۳۰ میلی‌متر در نظر گرفته شده بود. در عملیات اجرایی، ۱۰ مجموعه تجهیزات به صورت هم‌زمان به کار گرفته شدند و تزریق از بخش‌هایی که نشست بیشتری داشتند به سمت بخش‌هایی با نشست کمتر پیش رفت. بر اساس معیار اجرایی مقاله، حداکثر بالا آمدن محاسباتی در هر چرخه نباید بیش از ۳۰ میلی‌متر باشد و مقدار بالا آمدن روزانه در محدوده ۳ تا ۱۰ میلی‌متر کنترل شود.  این اعداد یک اصل بسیار مهم را نشان می‌دهند: اصلاح نشست، مسابقه برای سریع‌تر بالا آوردن ساختمان نیست. هرچه سازه بلندتر و صلب‌تر باشد، کنترل اختلاف جابه‌جایی میان نقاط مختلف اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

پایش لحظه‌ای در تمام مدت اجرا انجام شد. در زمان تزریق، سیستم پایش خودکار نصب شده بود تا تغییرات ارتفاع ساختمان در لحظه بررسی شود. هدف این بود که اگر یک ناحیه سریع‌تر از مقدار مورد انتظار بالا آمد یا رفتار غیرعادی مشاهده شد، فشار و توالی تزریق همان قسمت تغییر کند. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا خود مقاله نیز تأکید می‌کند شرایط واقعی زیر زمین پیچیده است و نمی‌توان انتظار داشت فشار یکسان تزریق در تمام نقاط، دقیقاً جابه‌جایی یکسانی تولید کند. در واقع در چنین پروژه‌ای طرح تزریق یک دستورالعمل کاملاً ثابت نیست. نتایج پایش بخشی از فرآیند تصمیم‌گیری حین اجرا هستند.

ساختمان در عمل چقدر بالا آمد؟ عملیات اجرایی از ۲۵ فوریه تا ۱۰ آوریل ۲۰۲۳ ادامه داشت و در مجموع حدود ۴۵ روز طول کشید. بیشترین بالا آمدن اندازه‌گیری‌شده در نقطه F7 حدود ۹۴٫۰۷ میلی‌متر بود. در نقطه F4 که یکی از نواحی دارای نشست زیاد بود نیز حدود ۹۱٫۵۵ میلی‌متر جابه‌جایی رو به بالا ثبت شد. نکته جالب اینکه نقاطی که پیش از عملیات نشست بیشتری داشتند، بالا آمدن بیشتری نیز تجربه کردند و نقاط دارای نشست کمتر، جابه‌جایی کوچکتری داشتند. این همان چیزی بود که برای اصلاح دوران ساختمان لازم بود.

نتیجه اصلاح کجی چه بود؟ طبق نتایج پایش میدانی، پس از پایان عملیات: حداکثر اختلاف نشست شرقی-غربی به کمتر از ۳۰ میلی‌متر کاهش یافت. انحراف قسمت بالای ساختمان به سمت شرق به کمتر از ۳۳ میلی‌متر رسید. و حداکثر کجی ساختمان به حدود ۰٫۴۱ در هزار کاهش پیدا کرد. در چکیده و جمع‌بندی مقاله، نتیجه به صورت کاهش کجی از حدود ۶ در هزار به ۰٫۳ در هزار گزارش شده است. بنابراین در نسخه سایت بهتر است این تفاوت عددی را شفاف بیان کنیم: بخش پایش میدانی مقدار حداکثر کجی را ۰٫۴۱‰ گزارش کرده، در حالی که چکیده و جمع‌بندی مقاله عدد نهایی ۰٫۳‰ را ذکر کرده‌اند. در هر دو حالت، کاهش کجی بسیار قابل توجه است.

مدل عددی هم نتیجه اصلاح را تأیید کرد. در تحلیل عددی مرحله اصلاح، ابتدا حفرات پر شدند، نواحی ضعیف تقویت شدند و سپس فشار انبساطی معادل تزریق به مدل اعمال شد. مدل نشان داد بعد از عملیات، حداکثر بالا آمدن فونداسیون می‌تواند به حدود ۱۶۰ میلی‌متر برسد، حداکثر نشست باقی‌مانده به حدود ۸۳ میلی‌متر کاهش یابد و حداکثر اختلاف نشست به حدود ۳۶ میلی‌متر برسد. همچنین انحراف بالای ساختمان در مدل به کمتر از ۳۳ میلی‌متر و کجی به حدود ۰٫۴۱‰ کاهش یافت. البته نویسنده تأکید می‌کند بین مدل و اندازه‌گیری واقعی اختلاف وجود داشته است، چون شرایط زمین واقعی بسیار پیچیده‌تر از مدل عددی است و فشار تزریق در همه گمانه‌ها دقیقاً یکسان نیست. این یکی از نکات ارزشمند مقاله است: مدل عددی برای طراحی و بررسی امکان‌پذیری بسیار مفید است، اما در زمان اجرا نمی‌تواند جای پایش واقعی ساختمان را بگیرد.

آیا تزریق بالا‌آورنده جایگزین جک‌زنی است؟ نه به صورت مطلق. این مقاله نشان می‌دهد در شرایط مناسب، تزریق می‌تواند هم‌زمان سه کار انجام دهد: پر کردن حفرات، تقویت زمین و جبران بخشی از نشست. اما خود مقاله نیز محدودیت اصلی روش را پنهان نمی‌کند. مسیر حرکت دوغاب در شکستگی‌ها، فضاهای خالی و لایه‌های ضعیف زیر زمین را نمی‌توان با دقت کامل پیش‌بینی کرد. بنابراین این روش وابستگی زیادی به شناخت ژئوتکنیکی محل، کنترل فشار، طراحی مناسب گمانه‌ها و پایش مداوم دارد. برای همین، مقاله توصیه می‌کند در زمین‌های پیچیده مانند خاک رس، ماسه یا نواحی دارای حفرات کارستی، مطالعات دقیق زمین‌شناسی و کنترل مسیر انتشار دوغاب پیش‌شرط استفاده مطمئن از روش باشد.

یک نکته مهم درباره ترک‌های ساختمان: پیش از عملیات، ترک‌های قابل توجهی در سازه زیرزمین مشاهده شده بود. مدل عددی نیز نشان داد در برخی قسمت‌های دیوارها و دال زیرزمین، تنش کششی از مقاومت کششی بتن فراتر رفته است. در مقابل، بخش فوقانی ساختمان ترک مشابهی نشان نمی‌داد و بیشترین آثار تغییرشکل در ناحیه زیرزمین متمرکز بود.

تطابق تمرکز تنش در مدل عددی با ترک‌های مشاهده‌شده در سازه زیرزمین

مهم‌ترین درس این پروژه چیست؟ این مطالعه نشان می‌دهد اصلاح نشست یک ساختمان فقط به معنای (بالا آوردن نقطه پایین‌تر) نیست. در این پروژه ابتدا علت نشست شناسایی شد، سپس حفرات و نواحی ضعیف زیر ساختمان تقویت شدند و فقط بعد از آن عملیات بالا آوردن آغاز شد. یعنی راهبرد کار به صورت زیر بود: شناخت علت نشست → تثبیت زمین → اصلاح هندسه ساختمان → پایش رفتار واقعی اگر ترتیب برعکس می‌شد و ساختمان قبل از تثبیت زمین بالا آورده می‌شد، امکان نشست مجدد، کجی ثانویه یا ایجاد تنش‌های جدید در رادیه وجود داشت. این همان دلیلی است که مقاله بارها بر اصل (اول تثبیت، سپس بالا آوردن) تأکید می‌کند.

جمع‌بندی

این پروژه نمونه‌ای جالب از اصلاح نشست یک ساختمان بلندمرتبه بدون استفاده از جک‌های مکانیکی مستقیم است. ساختمان ۲۶ طبقه و ۸۰ متری مورد بررسی، بر اثر ضعف لایه‌های زیر فونداسیون و وجود حفرات زیرزمینی، دچار حداکثر نشست حدود ۲۱۶ میلی‌متر و اختلاف نشست حدود ۱۶۶ میلی‌متر شده بود. ابتدا با تزریق، حفرات و نواحی ضعیف زیر رادیه تقویت شدند. سپس در مرحله دوم، تزریق کنترل‌شده در نواحی دارای نشست بیشتر باعث ایجاد نیروی بالابرنده و حرکت تدریجی فونداسیون به سمت بالا شد. در عملیات واقعی، بعضی نقاط ساختمان بیش از ۹ سانتی‌متر بالا آمدند و پس از پایان کار، اختلاف نشست به کمتر از ۳۰ میلی‌متر و کجی ساختمان به حدود ۰٫۳ تا ۰٫۴۱ در هزار کاهش پیدا کرد. مهم‌ترین پیام این پروژه این است که: گاهی برای اصلاح نشست ساختمان لازم نیست مستقیماً خود ساختمان را جک بزنیم. اگر شرایط زمین مناسب باشد، می‌توان با تزریق کنترل‌شده ابتدا خاک را تثبیت کرد و سپس از تغییرشکل کنترل‌شده همان زمین برای اصلاح بخشی از نشست استفاده کرد. اما موفقیت این روش به شدت وابسته به شناخت دقیق لایه‌های زیرزمین، کنترل مرحله‌ای تزریق و پایش مستمر حرکت ساختمان است.