مدل‌سازی فرآیند شاقول‌سازی ساختمان به روش جک‌زنی در استان هنان چین

Xiang, L., Ji, Y., & Jia-qi, W. (2023). Modelling the Process of Building Rectification by Jacking-up Method in Henan Province, China. ZSoil Day 2023, 25 August 2023.

نشست نامتقارن فونداسیون در موارد شدید می‌تواند علاوه بر ایجاد ترک و آسیب در اجزای ساختمان، باعث کج شدن کل سازه شود. در چنین شرایطی، متوقف کردن روند نشست لزوماً تمام مسئله را حل نمی‌کند، زیرا پس از تثبیت بستر نیز ساختمان ممکن است با همان شیب ایجادشده باقی بماند. در برخی پروژه‌ها، در صورت فراهم بودن شرایط فنی، می‌توان با استفاده از جک‌های هیدرولیکی و بالا آوردن کنترل‌شده قسمت‌های نشست‌کرده، کجی ساختمان را اصلاح کرد.

مقاله حاضر نمونه‌ای واقعی از اجرای چنین روشی در استان هنان چین را بررسی می‌کند. ساختمان مورد مطالعه یک ساختمان مسکونی بلندمرتبه است که بر اثر رمبندگی خاک لسی دچار بیش از ۳۰۰ میلی‌متر نشست تفاضلی و در نتیجه کجی قابل توجه شده بود. فونداسیون ساختمان در ابتدا بر روی بستر مرکب تقویت‌شده با شمع‌های CFG  قرار داشت. برای اصلاح وضعیت ساختمان، سیستم انتقال بار تغییر داده شد و مجموعه‌ای از شمع‌های لوله‌ای فولادی و جک‌های هیدرولیکی برای تثبیت و بالا آوردن ساختمان مورد استفاده قرار گرفت.

نمای ساختمان مورد مطالعه و وضعیت نشست تفاضلی آن پیش از عملیات اصلاح کجی

علت نشست و کج شدن ساختمان چه بود؟

مطالعات ژئوتکنیکی محل نشان داد که در بخشی از پروفیل خاک، لایه‌های لس رمبنده (Collapsible Loess)  وجود دارد. این نوع خاک در صورت تغییر شرایط رطوبتی می‌تواند کاهش حجم قابل توجهی داشته باشد و نشست ایجاد کند. در این پروژه، نشست ایجادشده در قسمت‌های مختلف فونداسیون یکسان نبود و همین اختلاف نشست باعث چرخش و کج شدن ساختمان شده بود. در واقع، مسئله اصلی تنها مقدار نشست نبود، بلکه تفاوت مقدار نشست در نقاط مختلف ساختمان بود.

پروفیل خاک محل پروژه و وجود لایه‌های لس رمبنده در زیر ساختمان

برای اصلاح ساختمان چه راهکاری اجرا شد؟

برای اصلاح کجی ساختمان، ابتدا لازم بود مسیر مطمئنی برای انتقال بار سازه ایجاد شود. به همین منظور، بار ساختمان از سیستم قبلی متشکل از فونداسیون و بستر مرکب CFG به شمع‌های لوله‌ای فولادی جک‌شده منتقل شد. برای هر یک از شمع‌ها نیز سیستم جک مستقل در نظر گرفته شد تا امکان اعمال نیروی بالابرنده و کنترل جابه‌جایی در نقاط مختلف فونداسیون فراهم شود. این موضوع یکی از نکات مهم این پروژه است. در اصلاح نشست شدید ساختمان، جک صرفاً وسیله‌ای برای بالا بردن سازه نیست. قبل از شروع اصلاح هندسی ساختمان باید مسیر انتقال بار مطمئنی بین ساختمان و لایه‌های مناسب زمین فراهم شود.

استقرار شمع‌های فولادی و جک‌های هیدرولیکی در زیر فونداسیون برای انتقال بار و اصلاح کجی ساختمان

چرا همه جک‌ها به یک اندازه بالا نمی‌آیند؟

یکی از مهم‌ترین نکات این پروژه، روش کنترل جک‌هاست. برای اصلاح کجی ساختمان نمی‌توان همه نقاط فونداسیون را به یک اندازه بالا آورد. اگر چنین کاری انجام شود، ساختمان فقط جابه‌جا می‌شود و شیب آن اصلاح نخواهد شد.

در این پروژه از روشی تحت عنوان بالا آوردن نامتقارن و متناسب (Proportional Asynchronous Jack-up) استفاده شد. در این روش، میزان حرکت هر جک متناسب با مقدار اصلاح مورد نیاز در همان نقطه تعیین می‌شود. بنابراین نقاطی که نشست بیشتری دارند باید بیشتر بالا آورده شوند، در حالی که نقاط دیگر حرکت کمتری خواهند داشت.

برای بررسی دقیق این فرآیند، مدل سه‌بعدی ساختمان تهیه شد و هر جک به صورت مستقل در مدل در نظر گرفته شد. سپس برای هر جک، جابه‌جایی متناسب با مقدار اصلاح مورد نیاز آن نقطه اعمال گردید.

مدل سه‌بعدی ساختمان و مدل‌سازی مستقل جک‌های هیدرولیکی در زیر فونداسیون

ساختمان چه مقدار بالا آورده شد؟

ارتفاع ساختمان مورد مطالعه ۵۴ متر بوده است. مقاله همچنین در محاسبات خود اثر کجی اولیه ساختمان را در دو جهت اصلی در نظر گرفته است. برای آنکه عملیات اصلاح به صورت مرحله‌ای بررسی شود، مقدار جابه‌جایی مورد نظر جک‌ها به ۲۰ مرحله محاسباتی تقسیم شد. در پایان فرآیند، حداکثر مقدار بالا آمدن فونداسیون در مدل عددی به حدود ۳۳۴ میلی‌متر، معادل ۳۳٫۴ سانتی‌متر رسید. این مقدار با جابه‌جایی هدف تعیین‌شده برای اصلاح ساختمان مطابقت داشت. این مقدار جابه‌جایی نشان می‌دهد که با یک عملیات اصلاح جزئی روبه‌رو نیستیم. بالا آوردن بیش از ۳۰ سانتی‌متر یک ساختمان بلندمرتبه، مستلزم کنترل دقیق رفتار سازه و فونداسیون در تمام مراحل عملیات است.

توزیع جابه‌جایی قائم ساختمان و فونداسیون پس از رسیدن حداکثر اصلاح به حدود ۳۳۴ میلی‌متر

نیروی جک‌ها هنگام بالا آوردن ساختمان ثابت نیست

شاید در نگاه اول تصور شود هر جک بخشی از وزن ساختمان را تحمل می‌کند و نیروی آن در طول عملیات تقریباً ثابت باقی می‌ماند. نتایج این پروژه خلاف چنین تصوری را نشان می‌دهد. وقتی نقاط مختلف فونداسیون با مقادیر متفاوت بالا آورده می‌شوند، توزیع بار ساختمان بین جک‌ها مرتباً تغییر می‌کند. بنابراین نیروی بعضی جک‌ها در طول عملیات افزایش پیدا می‌کند، در حالی که نیروی برخی دیگر کاهش می‌یابد. حتی در تعدادی از جک‌ها، نیرو ابتدا افزایش یافته و سپس کاهش پیدا کرده یا رفتار معکوس داشته است. با وجود این تغییرات، مجموع نیروهای جک‌ها باید در تعادل با وزن ساختمان باقی بماند. نتایج تحلیل نشان داد که در طول عملیات، نیروی جک‌ها در محدوده حدود ۴۸۴ تا ۲۲۶۱ کیلونیوتن قرار گرفته است. بیشتر جک‌ها نیرویی کمتر از ۲۰۰۰ کیلونیوتن داشته‌اند و نیروی همه جک‌ها در تحلیل کمتر از ۲۵۰۰ کیلونیوتن باقی مانده است. همچنین حداکثر افزایش نیروی یک جک در طول عملیات حدود ۸۰۲ کیلونیوتن و حداکثر کاهش آن حدود ۸۶۱ کیلونیوتن بوده است. این نتایج یک نکته اجرایی بسیار مهم را نشان می‌دهد: در اصلاح کجی ساختمان، کنترل جابه‌جایی به تنهایی کافی نیست و تغییر نیروی جک‌ها نیز باید در طول عملیات مورد توجه قرار گیرد.

تغییر نیرو در جک‌های مختلف طی مراحل بالا آوردن و اصلاح کجی ساختمان

جک‌زنی چه اثری بر فونداسیون ساختمان دارد؟

یکی دیگر از مسائل مهم در عملیات اصلاح نشست، وضعیت خود فونداسیون است. وقتی نقاط مختلف فونداسیون به مقدار متفاوت بالا آورده می‌شوند، نیروهای جدیدی در فونداسیون ایجاد می‌شود. بنابراین قبل از عملیات باید بررسی شود که آیا فونداسیون توان تحمل این وضعیت جدید را دارد یا خیر. در ساختمان مورد مطالعه، فونداسیون از بتن C35 ساخته شده بود. تحلیل عددی نشان داد که در اثر ترکیب وزن ساختمان، کجی اولیه و جابه‌جایی‌های تحمیلی جک‌ها، تنش فشاری اصلی در فونداسیون در محدوده 4.5  مگاپاسکال و تنش کششی اصلی در محدوده 3.5  مگاپاسکال قرار داشته است. در بخش‌های محدودی از فونداسیون نیز مقدار تنش کششی از مقاومت کششی طراحی بتن بیشتر شده است. این نتیجه اهمیت بررسی سازه‌ای فونداسیون را قبل و حین عملیات نشان می‌دهد. ظرفیت جک تنها یکی از معیارهای طراحی است. فونداسیون نیز باید بتواند نیروهای ناشی از اختلاف جابه‌جایی نقاط مختلف را بدون ایجاد آسیب نامطلوب تحمل کند.

توزیع تنش‌های فشاری و کششی در فونداسیون هنگام عملیات اصلاح ساختمان

یک نکته مهم در شبیه‌سازی جک‌زنی ساختمان

یکی از بخش‌های فنی و در عین حال جالب مقاله مربوط به نحوه مدل‌سازی تماس بین جک و فونداسیون است. در دنیای واقعی، جک هیدرولیکی می‌تواند به فونداسیون فشار وارد کند و آن را بالا ببرد، اما قادر نیست فونداسیون را به سمت پایین بکشد. اگر در مدل عددی، جک و فونداسیون به شکل نامناسبی به یکدیگر متصل شوند، ممکن است در بعضی مراحل تحلیل، جک وارد حالت کششی شود. چنین رفتاری با عملکرد واقعی جک مطابقت ندارد. محققان نشان دادند که یک روش ساده مبتنی بر اتصال مستقیم گره‌ها می‌تواند چنین نیروهای کششی غیرواقعی ایجاد کند. به همین دلیل از المان رابط با قابلیت جابه‌جایی بزرگ بین جک و فونداسیون استفاده شد تا رفتار تماس واقعی‌تر شبیه‌سازی شود. این مسئله نشان می‌دهد که تحلیل عددی عملیات جک‌زنی زمانی قابل اتکاتر است که شرایط واقعی تماس و انتقال نیرو در کارگاه نیز در مدل لحاظ شود.

آیا نتایج محاسبات با پروژه واقعی مطابقت داشت؟

یکی از نقاط ارزشمند این مطالعه آن است که نتایج مدل عددی با نیروهای اندازه‌گیری‌شده در جک‌های پروژه واقعی مقایسه شده است. مقاله در پایان، توزیع نیروی محاسباتی جک‌ها را با مقادیر ثبت‌شده در کارگاه مقایسه می‌کند. البته نویسندگان تأکید دارند که عملیات واقعی پیچیده‌تر از یک مدل عددی است و در حین اجرا ممکن است برخی نقاط اندکی بیشتر یا کمتر از مقدار تعیین‌شده بالا آورده شوند. این تفاوت میان تحلیل و اجرا کاملاً قابل توجه است، زیرا در عملیات واقعی عوامل متعددی بر رفتار جک‌ها و ساختمان اثر می‌گذارند و به همین دلیل پایش و کنترل حین اجرا مکمل محاسبات مهندسی است.

مقایسه نیروهای محاسبه‌شده جک‌ها با مقادیر اندازه‌گیری‌شده در پروژه واقعی

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

نتایج این پروژه نشان می‌دهد که اصلاح کجی ناشی از نشست ساختمان صرفاً یک عملیات جک‌زنی نیست. قبل از بالا آوردن ساختمان باید علت و الگوی نشست مشخص شود، وضعیت فونداسیون و سازه بررسی گردد و مسیر مناسبی برای انتقال بار ساختمان به زمین فراهم شود. پس از آن نیز مقدار اصلاح هر نقطه باید متناسب با وضعیت واقعی ساختمان تعیین شود. در طول عملیات، حرکت یک نقطه می‌تواند توزیع نیرو در سایر نقاط را تغییر دهد. به همین دلیل جابه‌جایی و نیروی جک‌ها باید به صورت مرحله‌ای کنترل شوند. در این پروژه، یک ساختمان مسکونی بلندمرتبه به ارتفاع ۵۴ متر که بیش از ۳۰ سانتی‌متر نشست تفاضلی داشت، با استفاده از شمع‌های فولادی و مجموعه‌ای از جک‌های هیدرولیکی تحت عملیات اصلاح قرار گرفت و حداکثر جابه‌جایی اصلاحی در مدل به حدود 334 میلیمتر  رسید. بررسی نیروهای جک‌ها نیز نشان داد که بار هر جک در طول عملیات می‌تواند به میزان قابل توجهی تغییر کند. از مجموع نتایج این مطالعه می‌توان یک اصل مهم را استخراج کرد:

اصلاح نشست و شاقول‌سازی یک ساختمان، فرآیندی هم‌زمان ژئوتکنیکی، سازه‌ای و اجرایی است. ایمنی و موفقیت عملیات به شناخت علت نشست، تأمین تکیه‌گاه پایدار، بررسی ظرفیت فونداسیون، طراحی صحیح مراحل جک‌زنی و کنترل مداوم رفتار ساختمان در حین اجرا وابسته است.