شاقول‌سازی ساختمان ۱۱ طبقه با برداشت کنترل‌شده خاک و تثبیت فونداسیون با میکروپایل

Xiao, J., Sun, J., Jiang, Z., Wang, Q., & Guo, D. (2022). Building Rectification by Underexcavation and Practical Design Method. Journal of Performance of Constructed Facilities, 36(6), 04022060. DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001774.

نشست نامتقارن فونداسیون می‌تواند باعث کج‌شدن کل ساختمان شود. در چنین شرایطی، یکی از روش‌های اصلاح این است که سمت نشست‌کرده ساختمان با جک‌های هیدرولیکی بالا آورده شود. اما این تنها راه موجود نیست. در بعضی ساختمان‌ها می‌توان از روشی تقریباً معکوس استفاده کرد. به جای بالا آوردن سمت پایین‌تر، سمتی از ساختمان که کمتر نشست کرده است، به‌صورت کاملاً کنترل‌شده پایین آورده می‌شود تا اختلاف تراز دو طرف کاهش پیدا کند و ساختمان به وضعیت قائم نزدیک شود.

مقاله حاضر نمونه‌ای واقعی از اجرای همین روش روی یک ساختمان مسکونی ۱۱ طبقه در چین است. ساختمان پس از احداث دچار نشست زیاد و کجی قابل توجه شده بود. مهندسان ابتدا علت نشست و کجی را بررسی کردند، سپس با روش برداشت کنترل‌شده خاک از زیر فونداسیون یا Underexcavation ساختمان را به سمت قائم برگرداندند و در نهایت با اجرای میکروپایل، فونداسیون را برای جلوگیری از تغییرشکل‌های بعدی تثبیت کردند.

مشخصات ساختمان و مشکل ایجادشده

ساختمان مورد مطالعه دارای ۱۱ طبقه روی زمین و یک زیرزمین بود و سیستم سازه‌ای آن از نوع دیوار برشی بود. ارتفاع ساختمان از سطح زمین حدود ۳۳٫۵ متر بود. ساختمان از سه واحد مسکونی متصل به یکدیگر تشکیل شده بود و پلان آن نیز کاملاً منظم نبود. وجود قسمت‌های نامنظم در ضلع شمالی ساختمان یکی از عواملی بود که بعدها در تحلیل علت کجی اهمیت پیدا کرد. ساخت ساختمان در ماه مه ۲۰۱۱ آغاز شد و اجرای سازه اصلی در دسامبر همان سال به پایان رسید. اما پس از تکمیل سازه و هنگام نصب آسانسورها مشخص شد که ساختمان از حالت قائم خارج شده است. بررسی‌های بعدی نشان داد موضوع فقط یک کجی ساده نیست و نشست فونداسیون هنوز ادامه دارد. بنابراین مهندسان با دو مسئله متفاوت روبه‌رو بودند: اصلاح کجی موجود ساختمان و جلوگیری از ادامه نشست در آینده. این تفکیک بسیار مهم است، چون اصلاح کجی بدون کنترل علت نشست می‌تواند فقط ظاهر مسئله را برای مدتی اصلاح کند.

ساختمان ۱۱ طبقه مورد مطالعه و وضعیت لایه‌های خاک زیر فونداسیون

ساختمان چقدر نشست کرده بود؟

برای بررسی وضعیت واقعی ساختمان، عملیات پایش نشست از ژانویه ۲۰۱۲ تا ژوئن ۲۰۱۳ ادامه پیدا کرد. هشت نقطه در اطراف ساختمان برای اندازه‌گیری نشست انتخاب شدند. نتایج نشان داد متوسط نشست این نقاط حدود ۱۲۶ میلی‌متر بوده است. اما مهم‌تر از مقدار نشست کلی، تفاوت نشست بین دو سمت ساختمان بود. در امتداد عرضی ساختمان، در فاصله حدود ۱۱٫۹ متر، تقریباً ۵۰ میلی‌متر اختلاف نشست مشاهده شد. این اختلاف نشست باعث ایجاد کجی قابل توجه در ساختمان شده بود.  اندازه‌گیری دقیق قائم بودن سه چاه آسانسور نیز نشان داد کجی کلی ساختمان در زمان بررسی به حدود ۶ در هزار رسیده است. اندازه‌گیری اختلاف تراز کف زیرزمین نیز تقریباً همین مقدار، یعنی ۵٫۹ در هزار را نشان داد. این تفاوت کوچک ظاهری خیلی مهم است. ۶ درصد کجی برای ساختمان ۳۳٫۵ متری یعنی بیش از دو متر انحراف رأس، که اصلاً با داده‌های پروژه سازگار نیست. گاهی یک علامت کوچک تصمیم می‌گیرد مقاله مهندسی باشد یا داستان برج پیزای مسکونی.

کجی ساختمان از چه زمانی شروع شده بود؟

بررسی سوابق پایش نکته جالبی را مشخص کرد. در زمان اتمام سازه اصلی، ساختمان تقریباً ۱٫۸ در هزار کج شده بود. اما کجی پس از پایان ساخت نیز ادامه پیدا کرد و در زمان بررسی به حدود ۶ در هزار رسید. بنابراین مشکل صرفاً مربوط به مرحله ساخت نبود. بخشی از نشست بعد از تکمیل ساختمان و در اثر تحکیم خاک‌های زیر فونداسیون اتفاق افتاده بود. این موضوع از نظر تصمیم‌گیری برای تعمیر اهمیت زیادی داشت، زیرا نشان می‌داد اگر فقط ساختمان شاقول شود و هیچ اقدامی برای تثبیت فونداسیون انجام نشود، احتمال ادامه تغییرشکل وجود خواهد داشت.

علت اصلی نشست چه بود؟

ساختمان روی یک فونداسیون رادیه تیر و دال قرار داشت. ضخامت دال رادیه حدود ۴۵ سانتی‌متر بود و تیرهای داخل آن ارتفاعی بین ۶۰ تا ۷۵ سانتی‌متر داشتند. خاک محل نیز شامل رس، سیلت، رس نرم و لایه‌های مختلف خاک ریزدانه بود و سطح آب زیرزمینی تنها حدود ۳ متر زیر سطح زمین قرار داشت. بار کل ساختمان حدود ۱۱۴ هزار کیلونیوتن برآورد شده بود و فشار خالص زیر رادیه تقریباً ۱۲۰ کیلوپاسکال محاسبه شد. محاسبات نشست بر اساس روش آیین‌نامه‌ای، نشست نهایی حدود ۲۷۴ میلی‌متر را نشان داد. مدل اجزای محدود نیز نتیجه بسیار مشابهی به دست داد و حداکثر نشست را حدود ۲۷۷ میلی‌متر پیش‌بینی کرد. بنابراین اولین مشکل ساختمان روشن بود، مقدار نشست کلی فونداسیون بسیار زیاد بود. اما نشست زیاد به تنهایی الزاماً ساختمان را کج نمی‌کند. اگر تمام ساختمان تقریباً به یک اندازه پایین برود، ممکن است ساختمان همچنان قائم باقی بماند. پس سؤال مهم‌تر این بود که چرا نشست در دو طرف ساختمان یکسان نبود؟ پاسخ در هندسه نامتقارن ساختمان و فونداسیون قرار داشت. پلان ساختمان و رادیه نامنظم بود و بین مرکز بار ساختمان و رفتار فونداسیون نوعی خروج از مرکز ایجاد شده بود. تحلیل اجزای محدود نشان داد حداکثر اختلاف نشست عرضی رادیه حدود ۶۸ میلی‌متر می‌تواند باشد.نویسندگان در نهایت دو عامل اصلی را مسئول کجی دانستند: نشست کلی زیاد فونداسیون و خروج از مرکز ناشی از هندسه نامتقارن ساختمان و رادیه.

پلان نامنظم رادیه و اختلاف نشست اندازه‌گیری‌شده در نقاط مختلف ساختمان

چرا ساختمان را با جک بالا نیاوردند؟

در این پروژه مهندسان روش دیگری را انتخاب کردند، Underexcavation  یا برداشت کنترل‌شده خاک فلسفه این روش بسیار جالب است. فرض کنید ضلع جنوبی ساختمان بیشتر نشست کرده و ساختمان به همان سمت کج شده باشد. یک راه این است که ضلع جنوبی را با جک بالا بیاوریم. اما راه دوم این است که ضلع شمالی که کمتر نشست کرده است، به صورت کاملاً کنترل‌شده کمی پایین آورده شود. اگر مقدار این نشست مصنوعی درست انتخاب شود، اختلاف تراز دو سمت کاهش پیدا کرده و ساختمان به سمت قائم برمی‌گردد. مقاله Underexcavation  را یک روش نسبتاً اقتصادی و «نرم» برای اصلاح کجی ساختمان‌های دارای فونداسیون سطحی معرفی می‌کند.

برداشت خاک چگونه انجام شد؟

در ضلع شمالی ساختمان یک ترانشه به عمق حدود ۴٫۵ متر ایجاد شد. از داخل این ترانشه، سوراخ‌های تقریباً افقی در خاک زیر فونداسیون حفر شدند. به دلیل بالا بودن سطح آب زیرزمینی، همزمان سیستم زهکشی و پایین‌اندازی سطح آب نیز فعال بود تا محیط کار خشک باقی بماند و از ورود آب و ماسه به ترانشه جلوگیری شود. در مجموع ۹۶ سوراخ برداشت خاک اجرا شد. طول سوراخ‌ها عمدتاً ۱۱ و ۱۳٫۳ متر بود و فاصله آنها بین ۳۰۰ تا ۷۵۰ میلی‌متر تغییر می‌کرد. میانگین فاصله سوراخ‌ها تقریباً ۵۵۰ میلی‌متر بود.

پلان عملیات اصلاح کجی ساختمان شامل ترانشه کاری، سوراخ‌های برداشت خاک و میکروپایل‌ها

نقش میکروپایل‌ها فقط مقاوم‌سازی نبود، و یکی از جذاب‌ترین قسمت‌های این پروژه همین‌جاست. میکروپایل‌ها فقط بعد از اتمام شاقول‌سازی اجرا نشدند. بخشی از آنها قبل از شروع Underexcavation نصب شدند و در کنترل حرکت ساختمان نقش داشتند. در یک ردیف، سر میکروپایل‌ها به رادیه متصل شد تا به عنوان عناصر مقاوم در برابر نشست عمل کنند. گروه دیگری از میکروپایل‌ها از داخل رادیه عبور داده شدند ولی سر آنها در ابتدا آزاد باقی ماند. این آرایش کمک می‌کرد در حین پایین رفتن کنترل‌شده ضلع شمالی، حرکت ساختمان در مسیر موردنظر هدایت شود. به بیان ساده‌تر، مهندسان اجازه ندادند ساختمان هنگام برداشت خاک هر طور که خاک دلش خواست حرکت کند. آنها سعی کردند محور و جهت دوران ساختمان را کنترل کنند.

مقطع عملیات شاقول‌سازی ساختمان با برداشت کنترل‌شده خاک و استفاده از میکروپایل برای کنترل حرکت فونداسیون

عملیات شاقول‌سازی در سه مرحله انجام شد و اجرای پروژه را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد.

مرحله اول، آماده‌سازی، زهکشی و ایجاد ترانشه: از اواخر آگوست تا ۱۸ اکتبر ۲۰۱۳، تعدادی از میکروپایل‌ها اجرا شدند، چاه‌های زهکشی فعال شدند و ترانشه کاری ایجاد شد. نکته جالب اینکه خود همین عملیات نیز باعث حرکت ساختمان شد. در اثر حفاری ترانشه و زهکشی، ضلع شمالی ساختمان شروع به نشست کرد و بخشی از اصلاح کجی حتی قبل از آغاز اصلی Underexcavation اتفاق افتاد.

مرحله دوم، برداشت کنترل‌شده خاک: از ۱۹ اکتبر تا ۵ نوامبر، عملیات اصلی برداشت خاک انجام شد. سوراخ‌ها به صورت متقارن، مرحله‌ای و دسته‌ای اجرا شدند. ابتدا سوراخ‌های کوتاه‌تر و سپس سوراخ‌های بلندتر اجرا شدند. در قسمت‌هایی که میزان اصلاح کافی نبود، بعضی سوراخ‌ها مجدداً مورد برداشت خاک قرار گرفتند. حتی اختلاف نشست حدود ۱۰ میلی‌متر در امتداد طولی ساختمان نیز با تنظیم موضعی عملیات اصلاح شد.  این بخش یکی از مهم‌ترین درس‌های اجرایی مقاله است: طرح اولیه فقط نقطه شروع عملیات بود. مقدار واقعی برداشت خاک بر اساس نتایج پایش ساختمان در حین اجرا اصلاح می‌شد.

ساختمان چگونه حرکت کرد؟

در زمان Underexcavation، ضلع شمالی ساختمان به میزان قابل توجهی پایین رفت. در مقابل، ضلع جنوبی حتی مقدار کمی بالا آمد. این رفتار نشان داد ساختمان تقریباً حول محوری که توسط میکروپایل‌های مهارشده ایجاد شده بود، دوران معکوس انجام می‌دهد. این نکته از نظر مهندسی بسیار جالب است. هدف پروژه صرفاً ایجاد نشست نبود. هدف این بود که نشست در محل مناسب و به مقدار مناسب ایجاد شود تا کل ساختمان به صورت کنترل‌شده دوران کند.

اجرای واقعی برداشت کنترل‌شده خاک از زیر فونداسیون ساختمان

مرحله سوم، تثبیت ساختمان: وقتی ساختمان به کجی هدف نزدیک شد، عملیات برداشت خاک متوقف شد. اما پروژه در همین نقطه تمام نشد. مهندسان می‌دانستند خاک زیر ساختمان هنوز مستعد نشست است و اگر فونداسیون تثبیت نشود، ممکن است در آینده بخشی از مشکل دوباره ایجاد شود. بنابراین سوراخ‌های ایجادشده با تزریق پر شدند و تعداد بیشتری میکروپایل برای تقویت فونداسیون اجرا شد. این همان تفاوت بسیار مهم میان شاقول کردن ساختمان و شاقول و تثبیت ساختمان است.

در پایان پروژه مجموعاً ۱۸۸ میکروپایل برای تقویت فونداسیون اجرا شد. طول هر میکروپایل حدود ۱۵ متر و مقطع آن ۲۵ × ۲۵ سانتی‌متر بود. میکروپایل‌ها از قطعات ۱٫۵ متری بتن C30 تشکیل شده و به داخل زمین رانده می‌شدند. نیروی فشاری هنگام اجرا نیز برای جلوگیری از آسیب به شمع به ۴۵۰ کیلونیوتن محدود شده بود. ظرفیت مجاز محاسباتی هر میکروپایل حدود ۳۰۰ کیلونیوتن در نظر گرفته شد. بنابراین مجموع ظرفیت میکروپایل‌ها حدود ۵۶٬۴۰۰ کیلونیوتن بود. این مقدار تقریباً ۴۹٫۵ درصد وزن کل ساختمان را تشکیل می‌داد. هدف این نبود که تمام وزن ساختمان به میکروپایل‌ها منتقل شود. بخش عمده بار همچنان توسط رادیه و خاک زیر آن تحمل می‌شد و میکروپایل‌ها نقش کاهش نشست باقی‌مانده، افزایش ظرفیت و بالا بردن حاشیه ایمنی فونداسیون را بر عهده داشتند.

آرایش میکروپایل‌های اجراشده برای تثبیت و تقویت فونداسیون پس از اصلاح کجی

یک نکته جالب، خود زهکشی حدود ۴۱ درصد نشست اصلاحی را ایجاد کرد. پایش دقیق پروژه یک نتیجه بسیار جالب نشان داد. برای نقطه M6، نشست ایجادشده در سه مرحله تقریباً چنین بود:

یعنی چیزی نزدیک به ۴۱ درصد حرکت این نقطه قبل از برداشت اصلی خاک و در اثر ترانشه و زهکشی اتفاق افتاده است. این نتیجه اهمیت پایش لحظه‌ای را خیلی خوب نشان می‌دهد. اگر طراح فرض می‌کرد فقط سوراخ‌های Underexcavation باعث حرکت ساختمان می‌شوند و اثر زهکشی و حفاری جانبی را نادیده می‌گرفت، امکان داشت ساختمان بیش از مقدار موردنظر اصلاح شود.

تغییرات نشست نقاط مختلف ساختمان در مراحل مختلف عملیات شاقول‌سازی و تثبیت فونداسیون

ساختمان در نهایت چقدر اصلاح شد؟

نتیجه نهایی پروژه بسیار قابل توجه بود. متوسط نشست تفاضلی اجباری ایجادشده در عرض ساختمان حدود ۸۶ میلی‌متر بود. در نتیجه، کجی ساختمان از ۶ در هزار به حدود ۰٫۶ در هزار کاهش پیدا کرد. یعنی تقریباً ۹۰ درصد کجی ساختمان اصلاح شد. اما مهندسان عمداً عملیات Underexcavation را زمانی متوقف کردند که کجی هنوز حدود ۱ در هزار بود.

چرا ساختمان را همان لحظه کاملاً قائم نکردند؟ چون انتظار داشتند پس از توقف عملیات نیز در اثر تحکیم خاک، اتلاف فشار آب حفره‌ای و عملیات اجرای میکروپایل‌ها مقداری Back Tilt  ادامه پیدا کند. بنابراین مقداری از اصلاح موردنیاز را برای حرکت بعدی ساختمان باقی گذاشتند. این شاید یکی از زیباترین نکات مهندسی پروژه باشد: هدف، قائم کردن لحظه‌ای ساختمان نبود، بلکه رسیدن به وضعیت نهایی مطلوب پس از پایان تمام تغییرشکل‌های وابسته به عملیات بود.

آیا محاسبات با رفتار واقعی ساختمان مطابقت داشت؟ مقاله یک روش ساده برای پیش‌بینی فاصله سوراخ‌ها و مقدار نشست ارائه کرده است. برای این پروژه، محاسبات فاصله مناسب سوراخ‌ها را حدود ۵۲۴ میلی‌متر پیش‌بینی کرد. در اجرا، متوسط فاصله واقعی ۵۵۰ میلی‌متر بود. بنابراین از نظر فاصله سوراخ‌ها، تطابق خوبی میان محاسبات و پروژه واقعی وجود داشت. اما در پیش‌بینی مقدار نشست چنین تطابقی وجود نداشت. نشست تئوریک حدود ۱۷٫۲۷ میلی‌متر محاسبه شده بود، در حالی که متوسط نشست واقعی بررسی‌شده حدود ۲۳٫۷۲ میلی‌متر بود. یعنی مقدار واقعی حدود ۱٫۳۷ برابر مقدار محاسباتی شد. علت اختلاف این بود که فرمول ساده فقط اثر برداشت خاک را در نظر می‌گرفت، در حالی که در پروژه واقعی عوامل دیگری مانند زهکشی، تحکیم خاک، آزاد شدن تنش جانبی در اثر ترانشه و برداشت مجدد خاک از بعضی سوراخ‌ها نیز در نشست ساختمان نقش داشتند. خود نویسندگان نیز در پایان مقاله تأکید می‌کنند که هنوز بین نشست تئوریک و اندازه‌گیری‌های واقعی اختلاف وجود دارد و مدل پیش‌بینی نیازمند توسعه بیشتر است.

مهم‌ترین درس این پروژه چیست؟

مهم‌ترین نکته این مقاله را می توان در این موضوع یافت که اصلاح کجی ساختمان یک فرآیند بازخوردی است، نه یک عملیات از پیش تعیین‌شده و غیرقابل تغییر. در این پروژه ابتدا علت نشست بررسی شد. بعد مسیر حرکت موردنظر ساختمان تعیین شد. بخشی از میکروپایل‌ها برای کنترل حرکت اجرا شدند. برداشت خاک به صورت مرحله‌ای انجام شد. پس از هر مرحله، حرکت واقعی ساختمان اندازه‌گیری شد. تعداد و طول سوراخ‌ها بر اساس نتایج پایش تغییر کرد. عملیات قبل از رسیدن به قائم کامل متوقف شد تا تغییرشکل‌های بعدی نیز در محاسبات لحاظ شوند. و در پایان، فونداسیون برای جلوگیری از ادامه نشست تقویت شد. خود مقاله نیز تأکید می‌کند که حتی با وجود روابط طراحی، به دلیل پیچیدگی شرایط زمین‌شناسی، پایش دقیق در طول عملیات ضروری است.

آیا این روش برای هر ساختمان کج‌شده‌ای مناسب است؟

خیر. Underexcavation  بیشتر برای ساختمان‌هایی با فونداسیون سطحی مطرح است و امکان استفاده از آن به عوامل متعددی وابسته است، از جمله نوع و مقاومت خاک، مقدار کجی، میزان نشست باقی‌مانده، سختی سازه و فونداسیون، سطح آب زیرزمینی، امکان دسترسی به زیر فونداسیون و شرایط ساختمان‌های مجاور. در همین پروژه نیز وجود زیرزمین و سطح بالای آب زیرزمینی اجرای عملیات را دشوار کرده بود. بنابراین مشاهده موفقیت این پروژه به این معنی نیست که می‌توان مشخصات اجرایی آن، مثلاً فاصله ۵۵۰ میلی‌متری سوراخ‌ها، را مستقیماً برای ساختمان دیگری استفاده کرد. این اعداد متعلق به شرایط همین ساختمان و همین خاک هستند.

اصلاح کجی بدون تثبیت علت نشست کافی نیست

این مقاله یک نکته بسیار مهم را نیز به خوبی نشان می‌دهد. در ساختمان مورد مطالعه، مشکل فقط این نبود که ساختمان کج شده است. محاسبات و پایش نشان می‌دادند که خاک زیر ساختمان هنوز ظرفیت ایجاد نشست بیشتر را دارد. بنابراین پس از اصلاح هندسه ساختمان، فونداسیون با میکروپایل تقویت شد. نویسندگان صراحتاً بیان می‌کنند که پس از پایان اصلاح، میکروپایل‌ها برای جلوگیری از تغییرشکل‌های آینده و افزایش ظرفیت باربری و حاشیه ایمنی فونداسیون اجرا شدند. پس در برخورد با یک ساختمان نشست‌کرده باید دو سؤال مستقل پاسخ داده شود چگونه کجی موجود را اصلاح کنیم؟ و مهم‌تر از آن چگونه عامل ایجادکننده نشست را کنترل کنیم تا ساختمان دوباره دچار مشکل نشود؟ پاسخ این دو سؤال الزاماً یک روش اجرایی واحد نیست.

در این پروژه، Underexcavation  وظیفه اصلاح کجی را بر عهده داشت و میکروپایل‌ها عمدتاً وظیفه تثبیت و افزایش ایمنی فونداسیون را انجام دادند.

جمع‌بندی

این پروژه نشان می‌دهد که حتی یک ساختمان ۱۱ طبقه که پس از ساخت دچار نشست قابل توجه و حدود ۶ در هزار کجی شده است، الزاماً نیازمند تخریب نیست. در این ساختمان متوسط نشست اندازه‌گیری‌شده به حدود ۱۲۶ میلی‌متر رسیده بود. محاسبات، نشست نهایی بیش از ۲۷۰ میلی‌متر را نشان می‌دادند. علت اصلی کجی، ترکیب نشست زیاد خاک و خروج از مرکز ناشی از هندسه نامتقارن ساختمان و رادیه بود. با ایجاد ۹۶ سوراخ برداشت خاک در سمت کم‌نشست، نشست کنترل‌شده ایجاد شد. بخشی از میکروپایل‌ها در حین اصلاح برای کنترل حرکت ساختمان مورد استفاده قرار گرفتند. پس از اصلاح نیز مجموعاً ۱۸۸ میکروپایل ۱۵ متری برای تقویت و تثبیت فونداسیون به کار رفت. در نهایت با ایجاد حدود ۸۶ میلی‌متر نشست تفاضلی کنترل‌شده، کجی ساختمان از ۶ در هزار به حدود ۰٫۶ در هزار کاهش پیدا کرد. این پروژه نمونه خوبی از یک اصل مهم در اصلاح نشست ساختمان است اصلاح موفق فقط به معنی برگرداندن ساختمان به وضعیت قائم نیست. باید همزمان علت نشست، نحوه حرکت ساختمان در حین اصلاح و پایداری فونداسیون پس از پایان عملیات نیز کنترل شود.