شاتكريت و نيلينگ
شاتکریت را میتوان به عنوان بتن یا ملاتی که از طریق شیلنگهای لاستیکی حمل شده و با استفاده از هوای فشرده و با سرعت زیاد به سطح مورد نظر پاشیده میشود، تعریف کرد.
تاریخچه شاتکریت ٫ شاتکریت چیست؟
اولین کاربرد شاتکریت به سال 1909 میلادی برمیگردد که در آن زمان تحت عنوان گونیت نامیده میشد و به کمک دستگاهی موسوم به تفنگ سیمان به کار میرفت.در سال 1914 برای اولین بار شاتکریت در یک معدن آزمایشی در ایالات متحده آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.پس از آن این سیستم برای پوشش سطوح سنگها و حفاظت آنها در برابر هوازدگی و گاه نیز بعنوان سیستم نگهداری موقتی به کار ميرفت.در اين سال كارل اكلي دستگاهي براي پاشيدن مخلوط ماسه و سيمان ساخت و آنرا گانايت ناميد.و بعدها نامهايي چون گان گريت، پنو كريت، بلاست كريت و جت كريت بكار برده شده است.اما در سال 1930 واژه شاتكريت از طرف انجمن مهندسين راه و ساختمان آمريكا بكار برده شد و تاكنون مورد استفاده قرار ميگيرد.
تعريف شاتكريت از نظر مؤسسه بين المللي ACI
شاتكريت عبارتست از ملات يا بتني كه با فشار و سرعت بالا به سطح مورد نظر پاشيده ميشود.
از آنجا که شاتکریت به صورت ورقههایی از سنگ زیرین جدا میشد، لذا بعنوان یک سیستم نگهداری اصلی چندان مورد توجه واقع نشد.از جمله امتیازات شاتکریت آن است که سطوح ناهموار حفریات زیر زمینی را میپوشانند و به شکل یک سطح نسبتاً صاف در میآورد .البته شاتکریت همراه با پیچ سنگ، بعنوان سیستم نگهداری بسیاری از تونلها به کار رفته است.در سالهای اخیر، کاربرد شاتکریت در معادن زیر زمینی، نگهداری حفریات دائمی از قبیل جادههای مورب، راهروهای اصلی حمل و نقل، ایستگاههای چاه و حجرههای زیر زمینی سنگ شکن است.
بازسازی پیچ سنگها و توریهای متداول در سیستم نگهداری ممکن است مشکل ساز و گران باشد. تعداد حفریات زیر زمینی که بلافاصله بعد از حفاری شاتکریت میشوند رو به فزونی است. مسلح ساختن شاتکریت با الیاف فولادی یکی از مهمترین عوامل در گسترش کاربرد شاتکریت است زیرا کار طاقت فرسای نصب توری را کاهش میدهد.آزمایشات و تجربیات اخیر نشان داده است که شاتکریت در شرایط ترکش سنگ ملایم بسیار مؤثر است.
اگرچه نتایج این مطالعات برای نتیجه گیری قطعی در این زمینه هنوز زود است ولی علائم موجود بیانگر آن است که در آینده در مورد کاربرد شاتکریت توجه جديتري خواهد شد.
بطور کلی شاتکریت نوعی بتن مرکب از سیمان، ماسه و خرده سنگ است که به کمک هوای فشرده اجرا ميشود و در اثر سرعت زیاد به صورت دینامیکی فشرده میشود .
(برگرفته از کتاب تونل سازی جلد چهارم نوشته حسن مدنی)
شاتكريت امروزه در دنيا به دو صورت مورد استفاده قرار ميگيرد:
۱-شاتكريت مخلوط خشك Dry Mix Shotcrete
۲- شاتكريت مخلوط تر Wet Mix Shotcrete
شاتكريت مخلوط خشك (DMS)
آب مورد نياز در حين خروج از سرنازل (Nozzle) اضافه ميشود.
از اين روش براي كارهاي تعميراتي، روكش و تعميرات به ضخامت كمتر از 10 Cm استفاده ميشود و از طرفي بدليل فقدان مصالح سنگي درشت دانه، از اين روش براي كارهايي كه مقاومت مكانيكي مطرح نباشد، استفاده ميشود.
معايب روش DMS
1- ممكن است به همه دانهها آب نرسد و هيدراته نشده باقي بمانند.
2- در محل كارگاه گرد و غبار ناشي از پراكنده شدن دانه سيمان زياد است.
3) بدليل نچسبيدن ملات (بدليل هيدراته نشدن) پرت كار زياد است.
شاتكريت مخلوط تر (WMS)
بتن آماده به داخل پمپ شاتكريت ريخته ميشود و پس از عبور لوله انتقال به سرنازل رسيده و از آنجا به سطح كار پاشيده ميشود.
مزاياي شاتكريت مخلوط تر (WMS)
از مخلوط تر در مكانهائي كه مقاومت فشاري مورد نظر است، استفاده ميشود و از طرفي در اين روش امكان اجراي ديوار بتني با ضخامت 50Cm و 20Cm براي سقف در يك مرحله امكان پذير است.
مزاياي استفاده از شاتكريت تر (WMS)
1. مزاياي زماني
2. مزاياي كيفي
3. مزاياي اجرايي
مزاياي اجرايي:
1) در اغلب موارد نياز به قالب بندي ندارد و در موارد خاص استفاده از يك سپر چوبي براي استقرار بتن كافي است و همين مورد هزينههاي كلان قالب بندي و تجهيزات نيروي انساني را كاهش ميدهد.
2) امكان اجراي سازههاي بتني با اشكال منحني، مدور و غير منظم (مثل استخر و آبگير)
3) تثبيت كوهها و صخرهها با پوشاندن آنها با يك شبكه مش و پاشيدن بتن روي آنها
4) روكش كردن پايه پلها و لاينينگ تونلها
5) افزايش ضخامت لولههاي بتني در محيطهاي خورنده و خطرناك در مقابل آتش
تصاویر زیر (مكان اجراي سازههاي بتني با اشكال منحني، مدور و غير منظم .مثل استخر و آبگير )
نصب و اجرای شاتکریت شات کریت دیوارهای تری دی پنل
مقاوم سازی دیوارها سد آبگیر حوض شاتکریت
نصب و اجرای شاتکریت با دستگاه تمام اتوماتیک پیستونی
شات مواد پلیمری شاتکریت
مقاوم سازی مدارس در مقابله با زلزله شات کریت
شاتکریت سد و تونل شات کریت shotcrete tunnel dam
مزاياي كيفي شاتكريت
1. مقاومتهاي مكانيكي
2. چسبندگي بين بتن و ميلگرد
3. كاهش نفوذ پزيري (آب بندي)
مقاومتهاي مكانيكي
- ميزان نسبت آب به سيمان (W/C) در شاتكريت مخلوط خشك بين 5/0 تا 3/0 و در مخلوط شاتكريت تر بين 4/0 تا 55/0 ميباشد.
- مقاومت فشاري در محدودهاي بين 250-480 (Kg/Cm2) كه با افزايش ميكرد و سيليكا به بيش از 550 (Kg/Cm2) هم ميرسد.
- استفاده از هواي فشرده سبب قفل شدن مصالح سنگي درهم و در نتيجه افزايش وزن مخصوص در محدودهاي
بين 2290-2230 (Kg/m2) ميشود.
همچنين هواي فشرده سبب چسبيده شدن ملات به زير كار و عدم ورقه ورقه شدن در آينده ميگردد.
چسبندگي بين بتن و ميلگرد
عدم استفاده از قالب سبب ميشود Nozzleman بتواند فضاي كار را ديده و بتن را به شكل مناسبي بين ميلگردها جاي دهد.
كاهش نفوذ پذيري
يكي از كاربردهاي وسيع (WMS) و شايد راحتترين آن كه نياز به تخصص نازلمن Nozzelman ندارد، احداث استخرها و آبگير است كه به خوبي با فشار بالاي هوا، آب بندي انجام ميشود و نفوذ پذيري بسيار اندك ميگيرد.
مزاياي زماني
حذف سيستم قالب بندي خود باعث از بين رفتن زمان تهيه ساخت قالب، قالب بندي و باز كردن ميگردد.
(بخصوص در جاهاييكه قالب فقط يكبار مصرف است، يعني در جاي ديگر كاربرد ندارد. مثال سازههاي منحني و لاينينگ تونلها و ...)
سرعت بتن پاشي در (WMS) تقريباً برابر 3 M3 ميباشد.
كاربرد WMS در تعميرات سدها
شامل:
- اجراي سر ريزها
- لاينينگ تونلهاي انحراف
- روكش كردن بدنه سد (بمنظور تقويت سازهاي)
- تثبيت ديوارهاي حايل و كوههاي اطراف
- توسيههاي مهم در تعميرات سد در شاتكريت
1. لايه لايه شدن
2. درز انقباض و انبساط
3. آب بندي سطوح زير كار
4. آماده سازي سطوح زير كار
5. لايه لايه شدن
يكي از مسائل مهم در تعميرات با شاتكريت، چسبندگي به لايه زير كار است. به خوبي آب بندي نشدن زير كار و سيكلهاي ذوب و انجماد داخل تركها، باعث لايه لايه شدن ميگردد.
درز انقباض و انبساط
شاتكريت نيز مانند هر بتن ديگر نيازمند درز انقباض و انبساط است كه اين فاصلهها متغير است و در محدوده بين 5 تا 10 سانتيمتر ميباشد.
آب بندي سطوح زير كار
درصورتيكه آببندي بخوبي صورت نگيرد، تركها و شكافها با جذب رطوبت كاملاً از آب اشباع شده و پس از اجراي شاتكريت در اثر سرما رطوبت داخل اين تركها، به يخ تبديل شده و موجب از بين رفتن لايه شاتكريت ميگردد.
درباره سیستم نیلینگ ومراحل اجرای آن
مهاربندی به روش نیلینگ (Soil nailing) و سیستم های حفاظت جانبی گودبرداری
یکی از مهمترین مشکلات و دغدغه های موجود در رشته مهندسی عمران، احداث سازه ها، حفاظت از گودبرداری و ساختمان های موجود در مجاورت آن می باشد و در صورت عدم رعایت روش های مناسب به منظور حفاظت گودها و همچنین شیب های در حال احداث، منجر به خسارت جبران ناپذیری خواهد گردید و مخاطرات بوجود آمده ناشی از نشست های احتمالی و تقلیل ظرفیت باربری و تغییر مکان های جانبی موجب ایجاد ترک در سازه های مجاور گود خواهد شد.
به منظور جلوگیری از موارد ذکر شده لازمست از قبل از شروع عملیات گودبرداری از روش های نگهداری و مهار بندی جانبی استفاده شود تا در محیطی پایدار و ایمن بتوان عملیات را ادامه داد. در این راستا سیستم های حفاظت جانبی بطور کلی شامل موار زیر تقسیم بندی می شوند:
جداره های مهاربندی شده توسط المان های افقی و مایل (Braced wall using wale struts)
جداره های مهاربندی شده توسط المان های کششی (Soldier beam& lagging)
جداره های مهاربندی شده توسط سپر کوبی (Braced sheet pile)
جداره های مهاربندی شده توسط شمع های درجا (Bored pile walls)
جداره های مهار بندی شده توسط دیوار دیافراگمی (Diaphragm walls-Slurry wall)
جداره های مهاربندی شده توسط نیلینگ (Soil nailing)
روش های متداول مهار بندی گود
مهار بندی جداره ها توسط المان های پشت بندهای افقی و مایل (Braced wall using wale struts)
این روش ساده برای نگهداری و حفاظت جداره های حاصل از گودبرداری و برای جلوگیری از تغییر مکان های جانبی در گودهایی با عرض کم در محیط های شهری استفاده می شود از معایب این روش اتلاف قابل توجهی از فضای کاری داخل گود و محدودیت در بکارگیری ماشین آلات و تجهیزات مورد نیاز و همچنین افزایش ریسک برخورد با المان ها و به مخاطره انداختن آنها می باشد.
مهاربندی توسط المان های کششی (Soldier beam& lagging)
از این روش بعنوان روش متداول در پایدار سازی موقت گود در مناطق شهری استفاده می گردد. در این روش از پروفیل های معمول فولادی بصورت ستونهای پیوسته که درون خاک فرو برده می شوند استفاده می گردد که تا عمق کف گود اجرا خواهند شد. فاصله بین المان ها بین 2 الی 4 متر می باشد بطوریکه بتوان فضای بین آنها را با الوارهای چوبی (لارده چینی) پرنمود. در این روش از مهارهای کششی به منظور حفاظت جانبی گود استفاده می شود و اتصال ما بین ستونها توسط میل مهارها و جوشکاری انجام می شود.
مهاربندی توسط سپر کوبی (Braced sheet pile)
در این روش صفحات فلزی Sheet pile داخل خاک و جداره گود توسط چکش پنوماتیک و با استفاده از لرزش کوبیده می شوند و با انواع اتصالات بین خود به یکدیگر متصل شده و یک جداره پیوسته را تشکیل می دهند از مزایای این روش راحتی در کوبیدن ـ نصب و بیرون کشیدن آنها به دیگر روش ها برتری داشته و مصالح آن مجددا قابل استفاده در پروژه های دیگر می باشد، همچنین در این روش به المانهای افقی و مایل کمتری نیاز می باشد.
بنابراین محدودیت های اشغال فضای داخل گود کمتر وجود دارد. لیکن از جمله معایب این روش وابستگی به نصب سپرهای فلزی می باشند که در محیط های شهری بدلیل وجود تاسیسات زیربنایی شهری و ایجاد لرزش و صدای ناشی از کوبش سپرها محدودیت هایی را بوجود می آورد. همچنین کوبیدن سپرها در زمین های سنگی و یا خاک های بسیار متراکم به سختی انجام پذیر است و در زمین های با شرایط بالا با محدودیت مواجهه می گردد.
مهار بندی توسط شمع های درجا (Bored pile walls)
یکی از روشهای متداول در پایداری و حفاظت جداره ها با شرایط متنوع اعم از زمین سخت و سست و نرم استفاده از شمع های درجا می باشد و در برخی موارد علاوه بر ایفای نقش حفاظت جانبی نقش آب بندی را نیز انجام می دهد و همواره درصورت نیاز بار قائم نیز تحمل می کند. مهار بندی جداره ها توسط شمع های درجا در موارد زیر بعنوان گزینه برتر برای سیستم های حفاظت جانبی گود مطرح می باشند:
- در مواردیکه امکان اجرای سپر فولادی (کوبیدن و نصب) وجود ندارد و یا سختی و تراکم زمین بیش از حد توان سپر کوبی و با دشواری زیادی مواجهه می باشد.
- در شرایطی که بدلیل وجود آبهای زیر زمینی و بالا بودن سطح آن نیاز به آب بند بودن جداره می باشد.
- در مواردیکه امکان ایجاد مهارهای جانبی (کششی) در زیر ساختمان های مجاور ناشی از گودبرداری وجود ندارد و یا در تلاقی با تاسیسات زیر بنایی شهری و مستحدثات زیرزمینی (تونل) باشد.
- در مواقعیکه امکان استفاده از سیستم حفاظت گود بعنوان بخشی از سازه اصلی و باربری وجود داشته باشد.
روشهای مختلف برای اجرای تکنیک های شمع های درجا ریز وجود دارد و متداولترین آنها عبارتند از:
الف) اجرای دیوار محافظت پیوسته (آب بند)
ب) اجرای دیوار محافظت ناپیوسته
الف) اجرای دیوار محافظ پیوسته (آب بند)
دراین روش ابتدا شمع هایی با بتن پلاستیک یک در میان حفاری و اجرا می گردد و سپس با رعایت هم پوشانی شمع های اصلی و سازه ای با رعایت احداث جداره زنجیره ای و پیوسته اجرا می گردد.
ب) اجرای دیوار محافظت ناپیوسته
در مواردیکه توده خاک و سنگ دارای چسبندگی زیاد بوده و سطح آبهای زیر پایین بوده می توان از شمع های درجا ریز ناپیوسته و با فاصله استفاده نمود. در این روش بدلیل چسبندگی بین دانه ها خاک بین شمع ها با وجود پدیده قوس خوردگی پایداری جانبی وجود دارد . با در نظر گرفتن شرایط و پارامترهای ژئوتکنیکی خاک معمولا حداکثر فاصله محور تا محور شمع های اصلی 2 برابر قطر شمع ها می باشد همچنین در این روش پایداری در برابر نیروهای جانبی نیز مدنظر قرار می گیرد این روش در پایداری های کوتاه مدت کارایی داشته و در اثر مرور زمین احتمال هوازدگی بین شمع ها وجود دارد و در دراز مدت نیز تغییر مشخصات خاک و برخی از پارامترهای آن مانند از دست دادن آب و یا حالت اشباع پیدا نمودن آن باعث ریزش خاک بین شمع ها شده و برای جلوگیری از آن می توان از بتن پاشی (شاتکریت) و با بستن مش پوشش لازم را جهت پایداری ایجاد نمود.
مهار بندی توسط دیوار دیافراگمی (Diaphragm walls-Slurry wall)
یکی دیگر از روشهای محافظت از جداره گود احداث دیوار دیافراگمی و یا دیوار دوغابی Slurry Wall می باشد. در این روش ابتدا توسط دستگاههای گراب متناسب با شرایط زمین حفاری قسمتی از دیوار انجام می شود و همزمان با حفاری جهت پایداری جداره دیواره حفاری شده و جلوگیری از ریزشهای موضعی از دوغاب بنتونیت استفاده می شود تشکیل کیک بنتونیت در داخل دیواره حفاری شده و نفوذ در لایه های دانه ای جداره باعث می گردد جداره همواره پایدار بماند و سپس بلافاصله پس از رسیدن به عمق مورد نظر آرماتور گذاری شده و در نهایت بتن ریزی می گردد. این روش در زیر هسته سدهای خاکی نیز کاربرد بسیار دارد و از هرگونه نشتی را جلوگیری می نماید. استفاده از این تکنیک در مناطق شهری نیز با محدودیت های نظیر استفاده از روش مهار بندی افقی و مایل و المانهای کششی دارا می باشد.
جداره های مهاربندی شده توسط نیلینگ (Soil nailing)
این روش از حدود سه ده اخیر آغاز شده و تاکنون نیز بعنوان یک تکنیک برای پایداری ترانشه ها و حفاظت گود با انعطاف پذیری بالا استفاده می گردد.
روش اجرای نیلینگ (nailing)
تئوری استفاده از روش نیلینگ بر مبنای مسلح کردن و مقاوم نمودن توده خاک با استفاده از دوختن توده خاک توسط مهارهای کششی فولادی Nail با فواصل نزدیک به یکدیگر می باشد.
استفاده از این روش موجب:
1- افزایش مقاومت برشی توده خاک می گردد.
2- محدود نمودن و تحت کنترل در آوردن تغییر مکانهای خاک در اثر افزایش مقاومت برشی در سطح لغزش Slid بدلیل افزایش نیروی قائم می شود.
3- باعث کاهش نیروی لغزش در سطح گسیختگی و لغزشی می شود.
باید توجه داشت کلیه سطوح ترانشه های حفاری شده که توسط نیلینگ بایستی مسلح شوندبا استفاده از شبکه مش و شاتکریت ابتدا حفاظت شده و سپس سیستم نیلینگ روی آنها اجرا می شوند.
کاربرد نیلینگ در پروژه های عمرانی
1- پایداری ترانشه ها در احداث بزرگراه ها و راه آهن ها.
2- پایداری جداره تونلها وسازه های زیر زمینی.
3- پایدار سازی و حفاظت گود در سازه های مناطق شهری، ساختمانهای مجاور گود، ایستگاه های زیر زمینی مترو و...
4- پایدار سازی کوله های مجاور پل ها در زمین های سست و ریزشی.
مهار کششی نیلینگ معمولا از آرماتورهای فولادی با قطر 20 الی 40 میلیمتر و با حدتسلیم 420 الی 500 نیوتن بر میلیمتر مربع استفاده می شوند که درون یک چال حفاری شده با قطر 76 الی 150 میلیمتر قرارگرفته و دور آن درون چال تزریق می گردد. فواصل بین مهارهای کششی در حدود 1 الی 2 متر می باشد و طول آنها نیز در حدود 70 الی 100 درصد ارتفاع گود می باشد و حداقل شیب نسبت به افق حدودا 15 درجه می باشد.
باید توجه داشت که رویه شاتکریت شده روی ترانشه های حفاری شده نقش سازه ای نداشته اما می توان جهت اطمینان برای پایداری موقت خاک بین مهارها استفاده نمود.
مطابق با شکل مراحل اجرای نیلینگ بصورت شماتیک نشان داده شده است .
1- گودبرداری در مرحله اول ترانشه و یا گود و ایجاد پله بعدی عملیات.
2- حفاری چال جهت نصب مهار کششی Nail.
3- قراردادن آرماتور داخل چال و تزریق چال.
4- اجرای سیستم زهکشی و اجرای شاتکریت جداره و نصب ضخامت فولادی.
5- گودبرداری مرحله بعدی ترانشه و یا گود و ایجاد پله های بعدی علمیات.
6- اجرای پوشش شاتکریت نهایی پس از اتمام آخرین مرحله حفاری.
اصول طراحی نیلینگ (nailing)
مراحل طراحی سیستم نیلینگ مطابق زیر است:
• هندسه سازه مشخص گردد.
• عمق و زاویه شیب خاکبرداری مشخص گردد.
• بارگذاری و سربار بارهای وارده به Nail و موقعیت سطح افزایش تخمین زده شود.
• انتخاب نوع آرماتور شامل: سطح مقطع، طول و فاصله از یکدیگر و در هر تراز مقاومت موضعی آنها تضمین گردد تا مقاومت از نظر استحکام و ظرفیت چسبندگی برای تحمل نیروها تخمین زده شده و با ضریب اطمینان مناسب و قابل قبول کنترل شوند.
• پایداری کل سازه نگهدارنده و خاک اطراف آن در زمان حفاری گود و ایجاد پله های حفاری و بررسی و کنترل ضریب اطمینان قابل قبول.
• تخمین نیروهای وارده بر صفحه فولادی Bearing plate
• در نظر گرفتن سطح پیزومتریک آبهای زیر زمینی و لحاظ نمودن سیستم زهکش
نتیجه گیری
استفاده از روش نیلینگ بعنوان یک سیستم حفاظت جداره ترانشه و گود در مناطق شهری و فضاهای محدود بسیار کارا بوده و بدلیل امکان همزمانی اجرا در چند جبهه کاری از سرعت خوبی برخوردار می باشد و با توجه به درجه پایداری امکان اجرای گود قائم وجود داشته و همچنین در انواع شرایط خاک، اجرای آن امکان پذیر می باشد که مهمترین ویژگی این روش محسوب می شود و برای سازه های زیر زمینی بخصوص در فضای های محدود شهری مانند ایستگاه های مترو مناسب می باشد.