مزایای سولجر پایل چیست و اجرای آن چگونه است؟

یکی از راههای جلوگیری از ریزش خاک گود در ساختمان سازی، روش دیوار برلینی است که به عنوان سولجر پایل (Soldier pile) نیز شناخته می‌شود. این روش در اواخر قرن هجدهم در برلین، لندن و نیویورک با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت. Pile به معنی شمع است؛ شمع ها حکم سربازهایی (Soldier) را دارند که از گود در برابر ریزش محافظت می‌کنند. در استفاده از روش دیوار برلینی، خاک پروژه باید مقداری انسجام اولیه را داشته باشد تا در حین عملیات تثبیت خاک و ایمن سازی و تا قبل از نصب موارد لازم، از فروپاشی گودال جلوگیری شود.

 سیستم مهارگود دیوار برلینی یا همان سولجر پایل، یک سیستم ساده است که از دو عضو اصلی تشکیل شده است:

1. شمع (pile)
2. رویه (Lagging)

شمع در سیستم سولجر پایل

جنس شمع‌ها می‌تواند بتنی، فولادی یا چوبی (الوار چوب) باشد. اینکه از کدام نوع شمع استفاده شود، به مشخصات خاک و بار مجاور گود بستگی دارد. انتخاب قطر شمع ها نیز به این دو عامل وابسته است. در مورد شمع‌های فولادی، می‌توان از تیرآهن هاش، تیرآهن IPE و یا لوله استفاده کرد. شمع‌ها باید در فواصل منظم و یکسان کار گذاشته شوند. این فاصله باید بین 6 فوت تا 12 فوت باشد. مقاومت لحظه‌ای توسط شمع های سولجر تأمین می‌شود. در مواردی که شمع‌های بتنی و فولادی نتوانند به تنهایی نیروها را تحمل کنند، با ترکیب این روش با روش‌های دیگر پایدارسازی، کمک می‌شود تا شمع‌ها بتوانند فشارهای وارده را بهتر تحمل کنند.

رویه یا لاگینگ

به منظور جلوگیری از ریزش خاک موجود در بین شمع ها، از لاگینگ (رویه) استفاده می‌شود. این رویه ها را همانند صفحاتی، بر سطح خاک ما بین شمع ها قرار داده می‌شود. جنس آن‌ها می‌تواند بتنی، چوبی و یا از ورق فولادی باشد. رویه های بتنی می‌تواند از نوع پیش ساخته باشد، یا اینکه در محل پروژه ساخته و اجرا شود (نوع درجا). برای اجرای رویه‌های بتنی درجا، اغلب از روش شاتکریت (بتن پاشی) استفاده می‌شود.

پس از خاک برداری و قراردادن شمع ها در محل‌های مشخص، در فضای بین شمع‌ها را شبکه آرماتور قرار می‌دهند و سپس بتن ریزی صورت می‌گیرد. همانطور که گفته شد، علاوه بر رویه‌های بتنی، از الوار چوبی و ورق فولادی نیز می‌توان برای پر کردن فضای بین شمع‌ها استفاده کرد.

به طور کلی می توان گفت که در پایدارسازی های دائم از رویه های بتنی و در پایدارسازی های موقت، از رویه های الوار چوبی استفاده می شود. عمر مفید الوارهای چوبی برای تمام سازه هایی که مطابق با مشخصات طراحی LRFD (حالت حدی نهایی) طراحی شده اند، 75 سال در نظر گرفته می شود. بنابراین، اگر قرار است از سازه ای بیش از 75 سال استفاده شود، جهت تثبیت خاک نباید از الوارهای چوبی استفاده شود. در شرایط مرطوب نیز نباید از چوب های نامقاوم استفاده شود.

بر اساس طبقه بندی خاک، خاک ها در سه نوع A، B و C دسته بندی می‌شوند. در صورتی که طبق آزمایش خاک مشخص شود که خاک پروژه از نوع C است، دیگر نمی‌توان از روش پایدارسازی موقت و در نتیجه از الوارهای چوبی استفاده کرد. شرایط استفاده از الوارهای چوبی برای سه نوع مختلف خاک (A، B و C) بر اساس آیین نامه آمریکا و FHWA در جدول زیر ارائه شده است.

نرم افزارهای طراحی

محاسبات سازه ای دیوار برلینی بر اساس نتایج آنالیزهای تنش – تغییر شکل انجام می شود. برای طراحی این سیستم تثبیت خاک، می‌توان از نرم افزارهای Geo-Slope و Plaxis 2D استفاده کرد. هر دو نرم افزار مذکور، دو بُعدی هستند و با استفاده از آن ها، می‌توان ضریب اطمینان و تغییر مکان دیواره را به دست آورد و تعیین کرد. برای شبیه سازی نیز می‌توان از نرم افزار سه بُعدی Plaxis 3D استفاده کرد. فشارهای جانبی منتقل شده از دال لحظه ای (moment slab) باید در زمان طراحی دیوار سولجر پایل در نظر گرفته شود.

برنامه GEO5 از برنامه های خوبی است برای طراحی سریع و داشتن یک طراحی پیشرفته از دیوارهای سولجر پایل ارائه است. این نرم افزار، امکان مدل سازی رفتار ساختار واقعی در مراحل ساخت، محاسبه تغییر شکل و فشارهای وارد بر سازه، تأیید ثبات لنگر داخلی، تأیید شمع فولادی، بتنی، الوار چوبی و همچنین ظرفیت باربری لنگرها را فراهم می‌آورد. انواع مختلف لنگرهای خاک، از جمله لنگرهای پیش فشار، لنگرهای رشته‌ای و لنگرهای مارپیچی با استفاده از نرم افزار GEO5 قابل تجزیه و تحلیل و بررسی است.

1- طراحی رویه یا لاگینگ

در زمان طراحی سیستم مهار گود دیوار برلینی، پنل یا رویه بتنی پیش ساخته را باید به عنوان یک عضو دائم طراحی کرد. حدأقل ضخامت ساختاری این پانل ها باید 9 اینچ باشد. در مورد دیوارهایی که دارای لنگر ثابت و دائمی هستند، ضخامت باید بیشتر در نظر گرفته شود. به طور کلی، پنل های بتنی پیش ساخته باید طوری طراحی شوند که 100% بار را که ممکن است در طول عمر دیوار ایجاد شود، حمل کنند. روش معمول طراحی این است که فرض کنیم بار به طور کامل به پنل بتنی منتقل می‌شود. اتصالات پنل‌های پیش ساخته با شمع‌های سرباز باید برای همه بارهای احتمالی و موجود، طراحی شود و طراح باید سفتی، طول عمر (بارگذاری چرخه ای، خوردگی و غیره) و انتقال بار را در طراحی خود در نظر بگیرد.

2- طراحی شمع ها (پایل)

طراحی سازه شمع های سرباز برای کل طول شمع باید بر اساس مدول بخش الاستیک "S" انجام شود. مدول بخش پلاستیکی به هیچ عنوان نباید برای طراحی شمع سرباز استفاده شود.

انحراف جانبی (Lateral Defelection) پیش‌بینی شده در بالای دیوار شمع سرباز باید در نقشه ها نشان داده شود. این کار به پیمانکار هشدار می‌دهد که هنگام اجرای رویه بتنی، انحراف جانبی واقعی را برآورده کند.

اجرای دیوار برلینی شامل دو مرحله اصلی است:

1. اجرای شمع ها
2. اجرای لاگینگ

اجرای شمع، اولین مرحله در اجرای دیوار برلینی جهت مهارگود است. محل شمع‌ها بر اساس نقشه‌ها و طراحی‌های انجام شده، تعیین می‌گردد و حفاری آغاز می‌شود. حفاری به منظور جای دادن شمع‌ها صورت می‌گیرد. پایه یا ریشه شمع‌ها بتن‌ریزی می‌شود و سپس شمع ها را در محل خود قرار می‌دهند. بتن‌ریزی جهت گیرایش بهتر پایه شمع و تثبیت آن در محل حفاری شده صورت می‌گیرد. شمع‌های فولادی هم به صورت مذکور و هم به صورت کوبشی (بدون بتن‌ریزی در ریشه) قابل اجرا هستند. اندازه طول شمع‌ها، 25 تا 35 درصد از عمق کل گود، پایین‌تر از کف گود در نظر گرفته می‌شود.

پس از اجرای شمع‌ها، نوبت به خاک‌برداری است. خاک‌برداری به منظور رسیدن به یک سطح تراز مناسب و همسان صورت می‌گیرد. سپس نوبت به تثبیت خاک است. برای این منظور، از شبکه مش فولادی و بتن استفاده می‌شود. به این ترتیب که ابتدا سطح مورد نظر مش بندی شده و سپس بتن پاشی (شاتکریت) می‌شود. بجای بتن پاشی، می‌توان از الوارهای چوبی نیز استفاده کرد و با تعبیه الوارهای چوبی، به تثبیت خاک کمک کرد. در مواردی که مکان‌های مجاور حساس یا نسبتاً حساس باشد، لازم است تا پشت الوارهای چوبی با مصالح متراکم پر شود. ضخامت رویه بتنی و الوارهای چوبی به فاصله شمع‌ها و نوع خاک بستگی دارد.

1. روشی ساده، سریع و آسان است.
2. برای اجرا، نیاز به تکنیک و تجهیزات ویژه و خاص نیست.
3. هزینه ساخت شمع‌های سولجر در مقایسه با سایر سیستم ها مناسب است.
4. به دلیل صلبیت بیشتر دیواره در این روش، می‌توان تغییرات مکانی را بهتر کنترل کرد.
5. به دلیل کشش انکرها، کنترل کیفی بهتر صورت می‌گیرد.
6. تطبیق پذیری که اجازه می‌دهد تا تنظیمات لازم به راحتی در محل پروژه انجام شود.
7. انعطاف پذیری خوب در استفاده از مصالح ساختمانی.
8. امکان بررسی و محاسبه تغییر شکل‌ها وجود دارد؛ برای این منظور می‌توان از نرم افزار Plaxis استفاده کرد.
9. در مورد گودبرداری‌ های عمیق می‌توان از این روش با ضریب اطمینان بالا استفاده کرد. این مزیتی است که در بسیاری از روش‌های دیگر، مثل سازه نگهبان خرپایی وجود ندارد.

اجرای دیوار برلینی در برخی پروژه ها با محدودیت رو به روست نباید اجرا شود. در شرایطی که تراز آب زیرزمینی بالاست، نباید از سولجر پایل استفاده کرد. اگر این روش مورد نیاز است، عملیات حذف آب باید قبل از شروع کار، صورت گیرد. در صورت وجود نیروهای متخصص، در شرایط گودهای عمیق و بالا بودن تراز آب زیرزمینی، روش تاپ داون کاربردی است.

معایب روش دیوار برلینی عبارتست از:

1. به اندازه سایر سیستم‌های مهارگود، محکم و صلب نیست؛ به همین دلیل، استفاده موقت دارد.
2. از آنجا که فقط فلنج (flange) شمع سرباز در زیر لایه خاک تعبیه می‌شود، کنترل حرکات خاک بسیار مشکل است.
3. یک سیستم نگهبان و حائل موقت است؛ بنابراین، در مورد تثبیت و پایدارسازی دائم خاک نمی‌توان از این روش استفاده کرد.
4. عدم توجه در زمان پر کردن پشت می‌تواند باعث نشست سطحی زمین شود.

در صورتیکه شمع های سولجر به تنهایی قادر به تحمل نیروها نباشند، اجرای دیوار برلینی به تنهایی نا کارآمد است. در چنین شرایطی، با استفاده از ترکیب این روش با روش‌های دیگر پایدارسازی، مانند میخ کوبی دیواره‌ها، مهارگذاری (انکراژ) و یا روش مهار متقابل، فشار خاک وارد بر شمع‌ها کنترل می‌گردد.

علاوه بر این، هنگامی که گودبرداری از عمق پیش بینی شده فراتر رود، می‌توان با استفاده از روش تای بک، پایداری سیستم دیوار برلینی را افزایش داد.

در شرایطی که سازه‌های حساس به نشت در اطراف پروژه قرار دارد، نباید از این روش جهت پایدارسازی گود پروژه و تثبیت خاک آن استفاده کرد. در چنین شرایطی، باید از ترکیب روش سولجر پایل با روش های نیلینگ و انکراژ و یا مهارمتقابل استفاده کرد.