شبیه‌سازی عددی و تحلیل فناوری جک‌زنی مشترک میکروپایل و پی رادیه برای شاقول‌سازی ساختمان‌های کج‌شده ناشی از نشست نامتقارن

Xie, M., Yin, L., Wang, Z., Xu, F., Wu, X., & Xu, M. (2025). Numerical Simulation and Analysis of Micropile-Raft Joint Jacking Technology for Rectifying Inclined Buildings Due to Uneven Settlement. Buildings, 15, 2485. DOI: 10.3390/buildings15142485.

نشست نامتقارن فونداسیون می‌تواند باعث کج شدن ساختمان و ایجاد تغییرات قابل توجه در نیروهای داخلی اعضای سازه شود. در چنین شرایطی، اصلاح وضعیت ساختمان فقط به معنی بالا آوردن بخش نشست‌کرده نیست. عملیات شاقول‌سازی می‌تواند هم‌زمان باعث تغییر در نیروی ستون‌ها، لنگر تیرها و نحوه انتقال بار به فونداسیون شود. مقاله حاضر یک ساختمان بتن‌آرمه ۶ طبقه را بررسی می‌کند که در اثر نشست نامتقارن زمین دچار کجی شده بود. برای اصلاح ساختمان، از ترکیب میکروپایل، فونداسیون رادیه و جک‌زنی مرحله‌ای استفاده شد و رفتار سازه در طول عملیات با مدل عددی ABAQUS  مورد بررسی قرار گرفت.

جک‌زنی در ۲۰ مرحله انجام شد و برای سه محور اصلی ساختمان، نیروهای نهایی متفاوتی در نظر گرفته شد:۲۴۰۰ کیلونیوتن برای محور A، ۲۲۰۰ کیلونیوتن برای محور B و ۱۷۰۰ کیلونیوتن برای محورC.  نتیجه تحلیل نشان داد که حداکثر نرخ کجی ساختمان از حدود ۰٫۵۱ درصد به ۰٫۰۵ درصد کاهش یافته است.

مراحل اجرای شمع‌های زیر ساختمان برای تأمین تکیه‌گاه لازم در عملیات اصلاح کجی

مشخصات ساختمان مورد مطالعه

ساختمان مورد بررسی یک سازه بتن‌آرمه ۶ طبقه است. ارتفاع هر طبقه حدود ۳ متر و ابعاد پلان ساختمان تقریباً ۲۸٫۸ در ۱۴٫۴ متر بوده است. فونداسیون ساختمان از نوع رادیه با ابعاد تقریبی ۲۹٫۸ در ۱۵٫۴ متر و ضخامت یک متر در نظر گرفته شده است. ساختمان دارای ۱۵ ستون و ۲۶ تیر بوده و برای پایش نشست نیز ۱۲ نقطه اندازه‌گیری روی سازه تعریف شده است. مطالعات ژئوتکنیکی محل نشان داده که شرایط زمین شامل خاک‌های لس‌مانند رمبنده، سطح بالای آب زیرزمینی و عدسی‌های ماسه‌ای در میان لایه‌های رسی بوده است. نویسندگان مقاله این عوامل را از دلایل اصلی تشدید نشست نامتقارن معرفی کرده‌اند.

پلان ساختمان و محل نقاط پایش نشست و کجی

ساختمان قبل از اصلاح چه وضعیتی داشت؟

پایش‌های انجام‌شده نشان داد که روند نشست و کجی ساختمان همچنان در حال افزایش بوده است. حداکثر نشست اندازه‌گیری‌شده ساختمان به حدود ۹۰٫۱۴ میلی‌متر رسیده بود و حداکثر نرخ کجی نیز حدود ۰٫۵۱ درصد گزارش شده است. نویسندگان تأکید می‌کنند که هر دو مقدار از حدود مجاز مورد استفاده در مطالعه بیشتر بوده‌اند. تحلیل مدل سازه همچنین نشان داد که در وضعیت نشست نامتقارن، جابه‌جایی ترکیبی در طبقات بالاتر افزایش می‌یابد. حداکثر جابه‌جایی در بالای ساختمان به حدود ۱۰۵ میلی‌متر رسیده بود. این موضوع نکته مهمی درباره ساختمان‌های چندطبقه نشان می‌دهد: یک اختلاف نشست نسبتاً محدود در تراز فونداسیون می‌تواند در ارتفاع ساختمان به جابه‌جایی جانبی قابل توجهی تبدیل شود.

روند افزایش نشست و کجی ساختمان پیش از شروع عملیات اصلاح

چرا میکروپایل در کنار جک‌زنی استفاده شد؟

یکی از مشکلات مهم در عملیات بالا آوردن ساختمان، تأمین نیروی عکس‌العمل مطمئن برای جک‌ها است. جک برای بالا بردن ساختمان باید به تکیه‌گاهی متصل باشد که بتواند نیرویی معادل یا بیشتر از نیروی واردشده به سازه را تحمل کند. اگر این تکیه‌گاه خود دچار نشست شود، بخشی از حرکت جک صرف پایین رفتن تکیه‌گاه می‌شود و کنترل عملیات دشوار خواهد شد. در این پروژه، میکروپایل‌ها در کنار رادیه موجود به عنوان بخشی از سیستم واکنش جک‌زنی مورد استفاده قرار گرفتند. ظرفیت طراحی هر شمع واکنش حدود ۳۶۳۰ کیلونیوتن محاسبه شد. این ظرفیت باید هم نیروی حاصل از جک و هم بار منتقل‌شده از ستون ساختمان را تحمل می‌کرد. پس از پایان عملیات اصلاح نیز همین سیستم شمعی می‌تواند در افزایش پایداری بلندمدت فونداسیون نقش داشته باشد.

سیستم جک‌زنی چگونه طراحی شد؟

جک‌ها یا واحدهای تعادل مستقیماً در امتداد محور ستون‌ها قرار داده شدند تا نیرو تا حد امکان در مسیر اصلی انتقال بار سازه وارد شود. در طراحی، میان فونداسیون موجود و سر شمع جدید حدود ۳۰۰ میلی‌متر فضای کاری برای استقرار تجهیزات در نظر گرفته شده بود. مقدار جک‌زنی نیز برای تمام محورها یکسان نبود. بر اساس مقدار نشست اولیه، نسبت نیرو در محورهای A، B و C تقریباً ۱٫۷ به ۱٫۳ به ۱ تعیین شد. یعنی محوری که نشست بیشتری داشت، نیروی بالابرنده بیشتری دریافت می‌کرد.

شماتیک استقرار سیستم جک‌زنی در زیر ستون و فونداسیون رادیه

چرا جک‌زنی در ۲۰ مرحله انجام شد؟

بالا آوردن ناگهانی یک نقطه از ساختمان می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های ثانویه و تغییرات شدید در نیروهای داخلی سازه شود. به همین دلیل، اصلاح در این پروژه به صورت یک عملیات مرحله‌ای انجام شد و مقدار نیروی نهایی در ۲۰ مرحله افزایشی اعمال گردید. در پایان این مراحل محور A مجموعاً ۲۴۰۰ کیلونیوتن، محور B مجموعاً ۲۲۰۰ کیلونیوتن، و محور C مجموعاً ۱۷۰۰ کیلونیوتن  نیروی اصلاحی دریافت کردند. در هر مرحله نیز پارامترهایی مانند اختلاف جابه‌جایی، حرکت شمع و افزایش تنش کنترل می‌شد و در صورت عقب‌ماندن یک محور نسبت به سایر نقاط، نیروی مرحله بعدی آن اصلاح می‌شد. این شیوه نشان می‌دهد که شاقول‌سازی ساختمان فرآیندی مرحله‌ای و بازخوردی است، نه یک عملیات ساده افزایش فشار جک تا رسیدن به ارتفاع مورد نظر.

وضعیت فونداسیون قبل و بعد از اصلاح

یکی از روشن‌ترین نتایج مقاله مربوط به جابه‌جایی رادیه است. قبل از عملیات، حداکثر جابه‌جایی قائم تحلیل‌شده در فونداسیون حدود ۹۲٫۴۹ میلی‌متر بود. بعد از عملیات جک‌زنی، این مقدار به حدود ۱٫۱۸ میلی‌متر کاهش پیدا کرد. نویسندگان این تغییر را معادل حدود ۹۸٫۷ درصد بهبود در توزیع نشست رادیه گزارش کرده‌اند. هم‌زمان، حداکثر تنش سازه نیز از حدود ۱۱٫۲ مگاپاسکال به ۶٫۵ مگاپاسکال کاهش یافت که تقریباً ۴۲ درصد کاهش محسوب می‌شود.

مقایسه توزیع نشست فونداسیون رادیه قبل و بعد از عملیات اصلاح کجی

آیا بالا آوردن ساختمان باعث تغییر نیروی ستون‌ها می‌شود؟

این یکی از مهم‌ترین بخش‌های مقاله است. وقتی یک سمت ساختمان بالا آورده می‌شود، مسیر انتقال نیرو در سازه تغییر می‌کند. در نتیجه بار ستون‌ها الزاماً همان مقداری نیست که قبل از عملیات بوده است. برای نمونه، نیروی محوری ستون A-5 از حدود ۱۰۹۰ کیلونیوتن به ۱۲۳۱ کیلونیوتن افزایش یافت. در ستون B-1، مقدار نیرو از حدود ۶۹۰ به ۹۸۱ کیلونیوتن رسید و در ستون C-1 نیز از حدود ۱۰۸۱ به ۱۲۴۸ کیلونیوتن افزایش پیدا کرد. نکته جالب این است که محور C کمترین مقدار نشست و کمترین نیروی جک را داشت، ولی بعضی از بزرگ‌ترین تغییرات نیروی محوری ستون‌ها در همین محور اتفاق افتاد. بنابراین مقدار جابه‌جایی یک نقطه به‌تنهایی نشان‌دهنده شدت تغییر نیرو در همان قسمت نیست.



تغییر نیروی محوری ستون‌ها در مراحل مختلف بالا آوردن ساختمان

رفتار تیرها نیز هنگام جک‌زنی تغییر می‌کند

تأثیر عملیات فقط به ستون‌ها محدود نبود. مقاله نشان می‌دهد که لنگر خمشی برخی تیرها در طول اصلاح به میزان قابل توجهی تغییر کرده و حتی در بعضی تیرها علامت لنگر از منفی به مثبت تغییر کرده است. این یعنی ناحیه‌ای از تیر که قبل از عملیات تحت شرایط خاصی از کشش و فشار قرار داشت، می‌تواند پس از جک‌زنی با الگوی متفاوتی روبه‌رو شود. در برخی تیرها میزان تغییر لنگر به حدود ۴۵ درصد رسیده است. نویسندگان بر همین اساس تأکید می‌کنند که قبل از عملیات باید ظرفیت اعضای سازه‌ای بررسی شود و در صورت نیاز، مقاوم‌سازی انجام گیرد. در این مطالعه حتی پیشنهاد شده است که در نقاط حساس، ستون‌ها پیش از جک‌زنی با روش‌هایی مانند ورق فولادی یا FRP تقویت شوند.

نقاط حساس سازه هنگام شاقول‌سازی کجا هستند؟

تحلیل تنش نشان داد قبل از اصلاح، تمرکز تنش عمدتاً در پای ستون واقع در بخش پرنشست و اتصال تیر و ستون‌های مجاور ایجاد شده بود. حداکثر تنش قبل از اصلاح در برخی نقاط پای ستون به حدود ۱۳ مگاپاسکال رسیده بود. بعد از جک‌زنی، مقدار بیشینه تنش در نقاط بحرانی به حدود ۶٫۵ مگاپاسکال کاهش یافت. این نتیجه اهمیت پایش نقاطی مانند: پای ستون‌ها، اتصال تیر و ستون و محل اتصال ستون به فونداسیون را در طول عملیات نشان می‌دهد.




مقایسه توزیع تنش سازه قبل و بعد از عملیات اصلاح کجی

نتیجه عملیات اصلاح چه بود؟

بر اساس نتایج مقاله، استفاده ترکیبی از میکروپایل، رادیه و جک‌زنی مرحله‌ای توانست کجی ساختمان را به مقدار زیادی کاهش دهد. حداکثر نرخ کجی از حدود ۰٫۵۱ درصد به ۰٫۰۵ درصد رسید. مقاله حد مجاز مورد استفاده را ۰٫۲ درصد اعلام می‌کند، بنابراین مقدار نهایی به شکل قابل توجهی کمتر از این حد بوده است. همچنین جابه‌جایی بالای ساختمان که در حالت اولیه تا حدود ۱۰۵ میلی‌متر رسیده بود، پس از اصلاح به حدود ۳٫۷ میلی‌متر کاهش یافت. نویسندگان نتیجه گرفته‌اند که سیستم ترکیبی میکروپایل و رادیه علاوه بر فراهم کردن نیروی عکس‌العمل مناسب برای عملیات جک‌زنی، می‌تواند به پایداری بلندمدت سیستم نیز کمک کند. در طراحی ارائه‌شده، فاصله میکروپایل‌ها در محور A که نشست بیشتری داشت حدود ۲٫۵ متر و در سمت محور C تا حدود ۳ متر افزایش یافته است. مقاله بر اساس مدل خود پیش‌بینی می‌کند که این تغییر تدریجی سختی می‌تواند اختلاف خزش بلندمدت سازه را در محدوده حدود ۰٫۵ میلی‌متر در سال نگه دارد.

مهم‌ترین درس این پروژه چیست؟

این مقاله به‌خوبی نشان می‌دهد که اصلاح نشست و شاقول‌سازی ساختمان فقط مسئله جابه‌جایی نیست، بلکه مسئله کنترل نیرو نیز هست. ممکن است در پایان عملیات ساختمان از نظر هندسی تقریباً به وضعیت مطلوب برسد، اما در طول مسیر، نیروهای محوری ستون‌ها و لنگر تیرها تغییر کنند. اگر این تغییرات قبل از اجرا بررسی نشده باشند، احتمال تمرکز تنش یا اضافه‌بار موضعی در اعضای سازه وجود دارد. به همین دلیل، یک طرح کامل اصلاح نشست باید سه بخش را هم‌زمان در نظر بگیرد:

تثبیت فونداسیون، کنترل عملیات جک‌زنی و بررسی رفتار سازه در تمام مراحل اصلاح.

خود نویسندگان نیز رویکرد پیشنهادی خود را یک سیستم یکپارچه (اصلاح، پایش و مقاوم‌سازی)  معرفی می‌کنند و تأکید دارند نقاطی مانند پای ستون‌ها و اتصالات تیر و ستون باید هنگام عملیات تحت پایش ویژه قرار گیرند. البته مقاله محدودیت‌هایی نیز دارد. تحلیل بر اساس مدل عددی انجام شده و نویسندگان تصریح می‌کنند که مدل‌سازی رفتار خاک، تماس خاک و شمع، فرآیندهای دینامیکی و مخصوصاً پایداری بلندمدت هنوز ساده‌سازی‌هایی دارد. بنابراین نتایج بلندمدت ارائه‌شده را باید بیشتر به‌عنوان نتیجه مدل تحلیلی در نظر گرفت، نه اندازه‌گیری بلندمدت واقعی ساختمان.