اصلاح کجی ساختمان با برداشت کنترل‌شده خاک، وقتی با ایجاد نشست عمدی ساختمان را شاقول می‌کنند

Xiao, J., Sun, J., Zhang, X., & Yue, Q. (2022). Mechanism of underexcavation and practical design method for building rectification. SN Applied Sciences, 4, 103. DOI: 10.1007/s42452-022-04993-2.

وقتی یک ساختمان بر اثر نشست نامتقارن کج می‌شود، نخستین راه‌حلی که به ذهن می‌رسد معمولاً بالا آوردن سمت نشست‌کرده با جک یا تزریق است. اما همیشه لازم نیست ساختمان از سمت پایین‌تر بالا آورده شود. در برخی پروژه‌ها می‌توان از روش معکوس استفاده کرد: سمتی که کمتر نشست کرده است، به‌صورت کنترل‌شده و محاسبه‌شده کمی بیشتر پایین آورده می‌شود تا ساختمان به وضعیت قائم نزدیک شود. یکی از روش‌های شناخته‌شده برای این کار Underexcavation  یا برداشت خاک از زیر فونداسیون است. در این روش، سوراخ‌ها یا حفره‌های کنترل‌شده‌ای در خاک زیر فونداسیون و در سمت کم‌نشست ساختمان ایجاد می‌شوند. این حفره‌ها به تدریج تحت وزن ساختمان تغییرشکل داده و بسته می‌شوند و در نتیجه نشست کنترل‌شده‌ای در همان سمت ایجاد می‌شود. مقاله حاضر با استفاده از مدل‌سازی عددی، آزمایش‌های فیزیکی و تجربه چند پروژه واقعی، تلاش کرده توضیح دهد که این روش واقعاً چگونه کار می‌کند و چه پارامترهایی برای طراحی آن اهمیت بیشتری دارند.

برداشت خاک از زیر فونداسیون چیست؟

در روش Underexcavation، در زیر قسمتی از فونداسیون که نیاز است کمی بیشتر نشست کند، تعدادی سوراخ افقی یا مایل ایجاد می‌شود و بخشی از خاک خارج می‌گردد. پس از این کار، تحت وزن ساختمان، خاک اطراف سوراخ تغییرشکل می‌دهد، دیواره‌های حفره به تدریج بسته می‌شوند و نشست کنترل‌شده‌ای در سطح فونداسیون ایجاد می‌شود. با انتخاب محل، قطر، فاصله و تعداد مناسب این سوراخ‌ها می‌توان مقدار نشست ایجادشده را کنترل کرد. این روش در پروژه‌های تاریخی و مدرن استفاده شده است. مقاله به نمونه‌های شناخته‌شده‌ای مانند برج پیزا، ساختمان‌های تاریخی مکزیکوسیتی و سازه‌های بتن‌آرمه مدرن اشاره می‌کند.

چرا این روش می‌تواند برای اصلاح کجی مناسب باشد؟

فرض کنیم سمت شرقی یک ساختمان ۱۰ سانتی‌متر بیشتر از سمت غربی نشست کرده باشد. یکی از راه‌ها این است که سمت شرقی را ۱۰ سانتی‌متر بالا بیاوریم. اما راه دیگر این است که سمت غربی را به صورت کنترل‌شده به پایین حرکت دهیم تا اختلاف تراز دو سمت کاهش پیدا کند. Underexcavation  بر همین اصل استوار است. البته ایجاد نشست عمدی زیر یک ساختمان کار ساده‌ای نیست. اگر مقدار خاکبرداری زیاد باشد یا فاصله سوراخ‌ها نامناسب انتخاب شود، امکان دارد به جای یک نشست کنترل‌شده، ظرفیت باربری خاک کاهش پیدا کند و سازه به وضعیت نامطمئن نزدیک شود. به همین دلیل مقاله تلاش کرده مکانیزم خرابی و جابه‌جایی خاک در اطراف سوراخ‌ها را به‌صورت دقیق بررسی کند.

بعد از ایجاد یک سوراخ در خاک چه اتفاقی می‌افتد؟

در بخش اول مطالعه، نویسندگان یک سوراخ منفرد را در خاک زیر فونداسیون مدل‌سازی کردند. مدل برای یک خاک سیلتی رسی انجام شد و قطر سوراخ نمونه ۲۰۰ میلی‌متر در نظر گرفته شد. پس از برداشت خاک، میدان تنش اطراف سوراخ تغییر کرد. تنش قائم در بالا و پایین سوراخ کاهش پیدا کرد، در حالی که در دو طرف سوراخ افزایش تنش رخ داد. یعنی بخشی از باری که قبلاً از خاک محل سوراخ عبور می‌کرد، به خاک اطراف منتقل شد. همزمان، خاک بالای حفره تمایل به حرکت رو به پایین و خاک پایین حفره تمایل به حرکت رو به بالا پیدا کرد. در نتیجه شکل اولیه سوراخ شروع به تغییر کرد.

میدان جابه‌جایی خاک اطراف یک حفره ایجادشده در زیر فونداسیون

تشکیل ناحیه پلاستیک X شکل

یکی از جالب‌ترین یافته‌های مقاله، شکل گسترش ناحیه گسیختگی خاک است. با افزایش بار وارد بر فونداسیون، در اطراف سوراخ یک ناحیه پلاستیک ایجاد می‌شود که تقریباً به شکل X  گسترش پیدا می‌کند. زاویه این ناحیه با نظریه مقاومت برشی خاک سازگار است و تقریباً با رابطه 45°+φ/2 قابل توضیح است.  هرچه بار بیشتر شود، این ناحیه پلاستیک گسترده‌تر می‌شود و در نهایت می‌تواند به نواحی گسیختگی نزدیک سطح زمین متصل شود.

گسترش تدریجی ناحیه پلاستیک X شکل در اطراف سوراخ زیر فونداسیون

آیا همین تغییرشکل‌های اولیه باعث نشست اصلی ساختمان می‌شوند؟

خیر. این یکی از مهم‌ترین نتایج مقاله است. تحلیل‌های عددی نشان داد جابه‌جایی ناشی از بازتوزیع تنش و تغییرشکل الاستیک خاک فقط در حد چند میلی‌متر است. در حالی که در عملیات واقعی اصلاح کجی، نشست مورد نیاز معمولاً در حد سانتی‌متر است. پس منبع اصلی نشست کجاست؟ پاسخ مقاله این است: بسته شدن و فروپاشی تدریجی حفره‌ها. وقتی خاک بین سوراخ‌ها و اطراف آنها به حد گسیختگی می‌رسد، حفره‌ها شروع به بسته شدن می‌کنند. حجم خالی ایجادشده با خاک فروریخته پر می‌شود و همین تغییر شکل بزرگ، نشست مورد نیاز را ایجاد می‌کند. یعنی در این روش، سوراخ فقط فضایی خالی نیست. در واقع یک ظرفیت تغییرشکل کنترل‌شده در داخل زمین ایجاد می‌کند.

آزمایش فیزیکی مقاله این رفتار را تأیید کرد. گروه تحقیق پیش از این آزمایش‌هایی در مقیاس مدل روی خاک سیلتی رسی انجام داده بود. در این آزمایش‌ها ابتدا یک دال بتنی روی خاک قرار داده شد و سپس سوراخ‌هایی با قطر حدود ۱۵۰ میلی‌متر در خاک ایجاد شد. با افزایش بار یا کاهش فاصله سوراخ‌ها، چند مرحله رفتاری مشاهده شد: ابتدا دیواره پایین سوراخ تغییرشکل می‌داد، بعد بخشی از خاک از سقف سوراخ ریزش می‌کرد، سپس دیواره‌ها شروع به فروپاشی می‌کردند و در نهایت سوراخ تقریباً بسته می‌شد. در برخی مراحل حتی ترک‌هایی در سطح خاک مشاهده شد.

مراحل واقعی تغییرشکل و فروپاشی حفره در آزمایش مدل خاک

فاصله سوراخ‌ها چه تأثیری دارد؟ در عملیات واقعی، یک سوراخ منفرد کافی نیست و معمولاً چند سوراخ در یک ردیف یا چند ردیف اجرا می‌شود. مقاله دو حالت مهم را بررسی کرده است: فاصله 4d و فاصله 2d که در آنها d قطر سوراخ است. نتایج نشان داد وقتی فاصله سوراخ‌ها از 4d به 2d کاهش پیدا می‌کند، رفتار خاک به شکل قابل توجهی تغییر می‌کند. در مدل: حداکثر نشست فونداسیون از حدود ۱٫۳ میلی‌متر در فاصله 4d به حدود ۸٫۱ میلی‌متر در فاصله 2d افزایش پیدا کرد. این یعنی هرچه سوراخ‌ها به هم نزدیک‌تر شوند، اثر متقابل آنها بیشتر می‌شود و نشست افزایش پیدا می‌کند.

چرا نزدیک شدن سوراخ‌ها نشست را بیشتر می‌کند؟ وقتی فاصله سوراخ‌ها زیاد باشد، هر سوراخ تقریباً مستقل رفتار می‌کند. اما با نزدیک شدن آنها، تنش در نوار خاک بین دو سوراخ افزایش پیدا می‌کند. مقاله نشان می‌دهد در فاصله 2d، تنش در نوار بین سوراخ‌ها می‌تواند حتی به بیش از دو برابر حد الاستیک خاک برسد. در این شرایط، خاک بین سوراخ‌ها به گسیختگی نزدیک می‌شود و سوراخ‌ها تمایل بیشتری به بسته شدن پیدا می‌کنند.

اثر فاصله سوراخ‌ها بر تمرکز تنش و گسیختگی خاک بین حفره‌ها

وقتی نواحی پلاستیک به هم وصل می‌شوند، شرایط حساس می‌شود. در فاصله‌های کم، ناحیه پلاستیک X  شکل هر سوراخ گسترش پیدا می‌کند و به ناحیه سوراخ مجاور می‌رسد. در این حالت یک ناحیه پیوسته ضعیف زیر فونداسیون شکل می‌گیرد. مقاله تأکید می‌کند که در این مرحله، فونداسیون به شرایط نزدیک به ظرفیت نهایی باربری خاک نزدیک می‌شود. این دقیقاً مرز میان یک عملیات اصلاح کنترل‌شده و یک وضعیت خطرناک است. بنابراین هدف طراحی این نیست که (هرچه سوراخ بیشتر و نزدیک‌تر باشد بهتر است). هدف این است که سوراخ‌ها به اندازه‌ای نزدیک باشند که نشست مؤثر ایجاد شود، ولی ایمنی خاک و فونداسیون حفظ شود.

فاصله مناسب سوراخ‌ها چقدر است؟ مقاله با استفاده از تعادل نیرو و نتایج آزمایش و تجربه اجرایی، یک رابطه ساده برای تعیین فاصله مناسب پیشنهاد می‌کند. برای ساختمان‌های کج‌شده که ضریب اطمینان ظرفیت باربری آنها حدود ۱٫۵ تا ۲ در نظر گرفته شود، فاصله مناسب تقریباً ۲ تا ۳ برابر قطر سوراخ به دست می‌آید. این نتیجه با تجربه اجرایی گروه تحقیق نیز همخوانی داشته است. نویسندگان اشاره می‌کنند که گروه آنها بیش از ده پروژه اصلاح کجی انجام داده و در خاک سیلتی رسی با مقاومت متوسط، همین محدوده 2d تا 3d عملکرد مناسبی داشته است. البته این عدد را نباید به‌عنوان یک دستور ثابت برای هر پروژه در نظر گرفت. رفتار واقعی به نوع خاک، عمق سوراخ، بار فونداسیون، ابعاد پی و وضعیت نشست ساختمان بستگی دارد.

قطر سوراخ چگونه تعیین می‌شود؟

مقاله برای قطر سوراخ نیز یک روش ساده‌شده پیشنهاد می‌کند. فرض اصلی این است که حجم نشست مورد نیاز در سطح فونداسیون تقریباً با حجم خاک خارج‌شده مرتبط باشد. بنابراین با مشخص بودن: نشست هدف، تعداد ردیف‌های سوراخ، فاصله سوراخ‌ها، و طول منطقه اصلاح می‌توان قطر تقریبی سوراخ‌ها را محاسبه کرد.

از نظر مهندسی این موضوع مهم است، چون طراحی Underexcavation را از یک عملیات صرفاً تجربی به سمت یک روش محاسباتی هدایت می‌کند.

اما آیا می‌توان فقط با فرمول طراحی کرد؟ خود نویسندگان پاسخ روشنی می‌دهند: خیر. آنها تأکید می‌کنند که فرمول‌ها فقط یک مبنای نظری برای طراحی اولیه هستند. در هر پروژه واقعی، پایش لحظه‌ای، مدیریت حین اجرا و اصلاح مرحله‌ای عملیات همچنان ضروری است. این نکته در اصلاح کجی ساختمان اهمیت زیادی دارد. خاک یک محیط یکنواخت و کاملاً قابل پیش‌بینی نیست. ممکن است دو سوراخ با قطر و فاصله مشابه، به دلیل تغییرات موضعی جنس خاک یا رطوبت، رفتار متفاوتی داشته باشند. بنابراین پس از هر مرحله برداشت خاک باید:

حرکت ساختمان اندازه‌گیری شود، مقدار نشست واقعی بررسی گردد و مرحله بعد بر اساس رفتار واقعی تنظیم شود.

این روش چه مزیتی دارد؟

یکی از مزایای اصلی Underexcavation این است که نیازی به ایجاد سیستم‌های سنگین جک‌زنی زیر ساختمان ندارد. همچنین مقاله اشاره می‌کند که بخش عمده تغییرشکل در محدوده بین فونداسیون و تراز سوراخ‌ها متمرکز می‌شود و اثر بر محیط اطراف نسبتاً محدود است. از طرف دیگر، این روش برای سازه‌هایی با فونداسیون نسبتاً صلب و ساختمان‌هایی که بتوانند دوران کلی را بدون تغییرشکل موضعی زیاد تحمل کنند، می‌تواند بسیار مناسب باشد.

اما خطر اصلی روش چیست؟

خطر اصلی Underexcavation همان چیزی است که باعث کارکرد آن می‌شود:

نزدیک شدن خاک زیر فونداسیون به گسیختگی.

برای ایجاد نشست مورد نیاز، باید حفره‌ها تغییرشکل بدهند و بخشی از خاک اطراف آنها به حالت پلاستیک وارد شود. اما اگر این فرآیند از کنترل خارج شود، گسیختگی موضعی می‌تواند به سمت گسیختگی گسترده‌تر زیر فونداسیون توسعه پیدا کند. مقاله صراحتاً نشان می‌دهد با توسعه ناحیه پلاستیک و نزدیک شدن سوراخ‌ها، ایمنی فونداسیون به حالت حدی نزدیک می‌شود. بنابراین این روش ذاتاً نیازمند طراحی مرحله‌ای و پایش مداوم است.

تفاوت این روش با جک‌زنی چیست؟

در جک‌زنی، سمت نشست‌کرده ساختمان به سمت بالا حرکت داده می‌شود. در Underexcavation، معمولاً سمت کم‌نشست ساختمان به صورت کنترل‌شده پایین آورده می‌شود.

در هر دو روش هدف یکی است:

کاهش اختلاف تراز و بازگرداندن ساختمان به وضعیت قائم.

اما مسیر رسیدن به این هدف متفاوت است. جک‌زنی یک اصلاح رو به بالا است. Underexcavation یک اصلاح رو به پایین است. و در بعضی پروژه‌ها حتی می‌توان از ترکیب هر دو روش استفاده کرد.

مهم‌ترین درس این مقاله

این مقاله یک نکته مهم را به خوبی روشن می‌کند: برداشت خاک زیر فونداسیون فقط (کم کردن حجم خاک) نیست. فرآیند واقعی شامل:  بازتوزیع تنش، تغییرشکل ارتجاعی، تشکیل ناحیه پلاستیک، گسیختگی خاک بین سوراخ‌ها و در نهایت بسته شدن حفره‌ها است. و طبق نتایج مقاله، بخش اصلی نشست مورد نیاز برای اصلاح کجی، از بسته شدن حفره‌ها ایجاد می‌شود، نه صرفاً از تغییرشکل الاستیک اولیه خاک. این شناخت برای طراحی بسیار مهم است، چون نشان می‌دهد چرا فاصله سوراخ‌ها، قطر آنها و میزان بار موجود روی فونداسیون مستقیماً روی عملکرد روش تأثیر می‌گذارد.

جمع‌بندی

روش Underexcavation یکی از روش‌های جالب و متفاوت اصلاح کجی ساختمان است. در این روش به جای بالا آوردن قسمت نشست‌کرده، زیر سمت کم‌نشست ساختمان سوراخ‌های کنترل‌شده ایجاد می‌شود. با تغییرشکل و بسته شدن این سوراخ‌ها، نشست محدودی در همان سمت ایجاد می‌شود و ساختمان به تدریج به وضعیت قائم نزدیک می‌شود. تحلیل‌های مقاله نشان داد:

• بازتوزیع تنش به تنهایی فقط نشست‌های کوچک در حد میلی‌متر ایجاد می‌کند.
• عامل اصلی نشست مورد نیاز، بسته شدن و فروپاشی حفره‌ها است.
• با کاهش فاصله سوراخ‌ها، اثر متقابل آنها افزایش می‌یابد.
• فاصله حدود ۲ تا ۳ برابر قطر سوراخ برای شرایط بررسی‌شده مناسب تشخیص داده شده است.
• نزدیک شدن بیش از حد سوراخ‌ها می‌تواند خاک زیر فونداسیون را به وضعیت نزدیک به ظرفیت نهایی برساند. طراحی اولیه باید حتماً با پایش واقعی و تنظیم مرحله‌ای عملیات همراه باشد.

بنابراین Underexcavation را نمی‌توان یک روش ساده خاکبرداری دانست. این روش در واقع یک فرآیند کنترل‌شده برای ایجاد نشست مهندسی‌شده در خاک زیر ساختمان است.