نیلینگ

نیلینگ، فرآیند پایدارسازی و تقویت خاک(دیواره گود یا شیب و ترانشه) با استفاده از مهار(میله)های فولادی (نیل) است

در طی این فرآیند ابتدا یک تراز از خاک به ارتفاع حدود ۲ متر برداشته شده، سپس گمانه‌های نیل با آرایش مشخصی که توسط طراحی تعیین می‌شود حفاری می‌شود، سپس نیل‌ها در گمانه جایگذاری شده و با استفاده از دوغاب تزریق می‌شوند. سپس برای تأمین رفتار یکپارچه مهارهای فولادی سطح رویه دیواره نیل‌شده را با استفاده از روکش مش و شاتکریت و یا روکش بتنی می‌پوشانند. این فرآیند در مقابل ریزش و لغزش دیواره گود حائلی مسلح ایجاد می‌کند.

عملکرد دیواره نیل‌شده زمانی آغاز می‌شود که دیواره شروع به لغزش کند (عملکرد منفعل دارد) سپس در نیل‌ها به علت درگیر بودن با خاک (توسط دوغاب) نیروی کشش ایجاد می‌شود؛ نیروی کششی ایجاد شده در نیل توسط عملکرد برشی از نیل به دوغاب و از دوغاب به خاک منتقل خواهد شد. نیروی غالب نیل از نوع کششی است اما گاهی تنش‌های برشی و خمشی نیز در نیل‌ها اهمیت پیدا می‌کنند.

نیل‌های فولادی معمولا در قطرهای ۲۰ تا ۳۵ میلی‌متر و در فاصله ۱تا ۲ متر و با مقاومت تسلیم ۴۲۰ تا ۵۰۰ مگاپاسکال اجرا می‌شوند. قطر گمانه نیل عموماَ بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ میلی‌متر است. طول نیل‌ها در بازه ۷۰ تا ۱۰۰ درصد ازتفاع دیواره قرار می‌گیرد و برای سهولت تزریق دوغاب عموما در زاویه‌ ۱۵ درجه زیر خط افق اجرا می‌شوند.

در عملیات نیلینگ از دوغاب آب و سیمان به نسبت آب به سیمان ۰٫۴ تا ۰٫۵ استفاده می‌شود. هنگامی که به دوغابی با غلظت بیشتر نیاز باشد (مثلا برای جلوگیری از نشت دوغاب به درون خاک‌هایی با نفوذپذیری بالا یا سنگ‌های متخلخل) دوغاب شن و سیمان با اسلامپ کمتری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صورتی که طول نیل‌ها زیاد شود استفاده از دوغاب سیمان و ماسه اقتصادی خواهد بود.

هنگام حرکت دیواره گود نیروی کششی موجود در نیل از سر نیل تا یک مقدار بیشینه افزایش می‌یابد و سپس با انتقال این نیرو به خاک اطراف، مقدار نیروی کششی کاهش می‌یابد تا در انتهای نیل به صفر برسد. دو مکانیزم اصلی تحمل نیرو در نیل‌ها عبارتند از، مقاومت کششی نیل و مقاومت بیرون کشیدگی نیل.

اعضای تشکیل‌دهنده عملیات نیلینگ

بر اساس نوع مهاری که در پروژه مورد استفاده قرار می‌گیرد، دیوارهای نیل شده را می‌توان در دو گروه تقسیم بندی کرد:

  • میله‌های توپر فولادی (میلگرد): این نیل‌ها در گمانه‌های با قطر ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلی‌متر اجرا شده و در دو مرحله حفاری و تزریق می‌شوند. در مرحله اول ابتدا گمانه در با زاویه‌ای اندک نسبت به افق (حدودا ۱۵ درجه) با یا بدون استفاده از کیسینگ حفاری می‌شود. در مرحله دوم تاندون‌ها در گمانه قرار گرفته و دوغاب به داخل گمانه تزریق می‌شود. نیل‌های توپر (میلگرد)، رایج‌ترین نوع نیل‌ها است و به وفور در انواع اندازه، عاج و سیستم محافظ (در برابر خوردگی) یافت می‌شوند.
  • میله‌های توخالی (خودحفار): این نوع نیل‌ها از میله‌های توخالی عاج داری تشکیل شده‌اند که در یک مرحله حفاری و تزریق می‌شوند. در حین پیشروی نیل درون گمانه، دوغاب نیز از داخل نیل به گمانه تزریق می‌شود. به طور کلی در صورتی که شرایط خاک مناسب باشد، استفاده از این گونه نیل به عملیات اجرای نیلینگ سرعت می‎بخشد. استفاده از نیل‌های خودحفار به خصوص زمانی که گمانه ریزش می‌کند و برای حفظ پایداری گمانه باید از کیسینگ استفاده کرد مفید است. البته باید توجه داشت که استانداردهای موجود برای کنترل کیفیت این گونه نیل‌ها هنوز به طور کامل تدوین نشده است.

مؤلفه‌های اصلی تشکیل‌دهنده دیواره نیل‌شده

دیواره‌های نیل‌شده از مؤلفه‌های مختلفی تشکیل شده‌اند. این مؤلفه‌ها به صورت تفصیلی در اینجا شرح داده می‌شوند.

تاندون‌ها

تاندون‌های مورد استفاده در نیلینگ باید رزوه باشند. حداقل طول رزوه‌ باید ۱۵۰ میلی‌متر باشد تا پیوستگی لازم میان صفحه نیل و مهره را ایجاد کند. تاندون‌ها می‌توانند در کارخانه به صورت تمام رزوه تولید شوند یا اینکه رزوه بر روی میلگرد ایجاد شود. اگر رزوه بر روی میلگرد ایجاد شود، باید کاهش مقطع میله در طراحی لحاظ شود. فولاد مورد استفاده در تاندون‌ها معمولا از نوع St37 است.

فولاد با مقاومت بیشتر نیز ممکن است در نیلینگ مورد استفاده قرار گیرد. البته استفاده از فولادهایی با گرید بالا در انکرها رایج‌تر است، زیرا نیروی طراحی بیشتری انسبت به نیل داشته و استفاده از گریدهای پایین منطقی نیست. استفاده از نیل‌هایی با گرید بالا تا زمانی که شکل‌پذیری لازم تأمین شود، بلامانع خواهد بود. اگر از فولاد گرید ۱۵۰ استفاده شود، این فولاد باید با مفاد بند ASTM A772 مطابقت داشته باشد.

استفاده از نیل‌های با شماره‌های پایین (قطر کم) مرسوم نیست زیرا ممکن است این نیل‌ها در طی فرآیند جاگذاری خم شده و درنتیجه پس از نصب فاصله مناسب میان نیل‌ها تأمین نشود. استفاده از اندازه‌های بزرگ میلگرد هم ممکن است سودی نرساند، زیرا ممکن است مقاومت بیرون کشیدگی و مقاومت روکش  (مش و شاتکریت) کنترل کننده شود.

بیشینه طول  تولید میله‌های تمام رزوه ۱۲۰۰ سانتی‌متر است. تاندون‌ها عموما پیوسته و بدون استفاده از جوش و یا وصله استفاده می‌شوند. در صورت نیاز به طول‎های بیشتر استفاده ازسیستم کوپلینگ توصیه می‌شود.

میله‌های توخالی مورد استفاده در نیلینگ معمولا مقاومتی در بازه ۴۱۰ تا ۶۲۰ مگاپاسکال دارند. قطر خارجی این میله‌ها در محدوده ۳۰ تا ۷۵ میلی‌متر و صخامت آن‌ها در بازه ۷ تا ۲۵ میلی‌متر قرار می‌گیرد.

مؤلفه‌های اتصال

مؤلفه‌های اتصال شامل ابزاری می‌شوند که نیل‌ها را به روکش متصل می‌کنند. از جمله این ابزار می‌توان به صفحه نیل، واشر زاویه، مهره‌ها و گل‌میخ‌ها اشاره کرد. صفحه نیل، واشر و مهره، اتصال نیل به روکش اولیه را تأمین می‌کند در حالی که گل‌میخ، اتصال نیل به روکش نهایی را تأمین می‌کند. وظیفه صفحه نیل، توزیع نیروی اعمال شده به نیل، به روکش اولیه و خاک پشت آن است. فولاد صفحه نیل معمولا از گرید ۳۶ یا ۵۰ است. صفحه نیل‌ها عموما مربعی و تخت بوده و ابعاد ۲۰۰ تا ۲۵۰ میلی‌متر دارند. ضخامت صفحه نیل‌ها عموما ۲۰ تا ۲۵ میلی‌متر خواهد بود. بیشتر  پیمانکاران پیش از خشک شدن لایه اولیه شاتکریت، صفحه نیل را نصب می‌کنند. باید توجه داشت که در این حالت، صفحه نیل نباید در شاتکریت فرو رود.

به منظور تأمین زاویه مورد نیاز، میان صفحه نیل و مهره‌ یک واشر زاویه قرار می‌دهند. مهره‌ها را با استفاده از آچارهای معمولی سفت می‌کنند. پس از گیرش شاتکریت، باید دقت کرد که مهره‌ها بیش از حد سفت نباشند. واشرها و مهره‌ها باید مشخصات موجود در AASHTO M291/ASTM A563 را برآورده کنند.

اتصال نیل به روکش نهایی معمولا توسط ۴ گل‌میخ تأمین می‌شود. این گل‌میخ‌ها به صفحه نیل جوش می‌شوند. به طور کلی، ابعاد سفحه نیل باید به گونه‌ای انتخاب شوند که فاصله گل‌میخ‌ها از لبه صفحه نیل، از یک مقدار مشخص بیشتر نشود. این مقدار معمولا در بازه ۲ تا ۴ میلی‌متر قرار می‌گیرد.

دوغاب

دوغاب مخلوطی است که فاصله میان خاک و نیل را در گمانه پر می‌کند. در اکثر مواقع دوغاب فقط از آب وسیمان تشکیل شده است. کمینه مقاومت فشاری سه روزه دوغاب باید ۱۵۰۰psi و مقاومت فشاری ۲۸ روزه آن باید بین ۳۰۰۰ تا ۴۰۰۰ psi باشد. آزمایش مقاومت فشاری دوغاب باید بر اساس AASHTO T106/ASTM C109 انجام شود. اگر در مخلوط دوغاب از ماسه نیز استفاده شود، برای تست مقاومت فشاری دوغاب باید از آزمایش AASHTO M6/ASTM C33 استفاده کرد.

از سیمان‌های نوع ۱، ۲، ۳ و ۵ پرتلند می‌توان در تهیه دوغاب استفاده کرد. در بیشتر موارد از سیمان نوع ۱ استفاده می‌شود. سیمان نوع ۲ (مقاومت متوسط در برابر حمله سولفات‌ها) با نرخ کمتری گیرش پیدا کرده و دمای هیدراسیون پایین‌تری دارد و مقاومت بیشتری در برابر حمله سولفات‌ها از خود نشان می‌دهد. سیمان نوع ۳ به سرعت گیرش پیدا کرده و مقاومت اولیه بالاتری دارد. این سیمان گرمای هیدراسیون بالاتری را نیز تولید می‌کند. از سیمان نوع ۵ در مواردی که خطر خوردگی توسط عامل‌های سولفاته وجود دارد می‌توان استفاده کرد.

نسبت آب به سیمان مورد استفاده در دوغاب نیلینگ معمولا بین ۰٫۴ و ۰٫۵، برای دوغاب آب وسیمان خواهد بود. این نسبت، چگالی ویژه بین ۱٫۸ تا ۱٫۹ را باعث می‌شود. اندازه‌گیری چگالی مخصوص دوغاب سیمان در حین تهیه دوغاب انجام می‌شود. اندازه‌گیری چگالی ویژه دوغاب را می‌توان به عنوان اولین ایستگاه کنترل کیفیت دوغاب در نظر گرفت.

در صورتی که نیلینگ در خاک‌های دانه‌ای یا سنگ‌های متخلخل انجام شود و نیاز به کنترل نشتی وجود داشته باشد، استفاده از دوغاب‌های سخت‌تر ضروری است. در این گونه موارد، دوغاب ماسه و سیمان با روانی کمتری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صورتی که سختی دوغاب از حد معینی کمتر شود، پمپ کردن دوغاب به داخل گمانه با استفاده از ماشین‌آلات معمولی ممکن نخواهد بود و نصب تاندون‌ها دشوار خواهد بود. در این گونه موارد باید زمین را پیش از جاگذاری نیل‌ها بهسازی و پرداخت کرد.

اندازه‌گیری چگالی مخصوص دوغاب ماسه‌ سیمان، شاخص مناسبی برا کنترل کیفیت دوغاب نیست. در برخی از خاک‌های دانه‌ای که چسبندگی پایین است، احتمال ریزش گمانه و نشت دوغاب بسیار بالاست بنابراین از یک روکش بر روی نیل استفاده می‌شود. استفاده از این روکش به منظور جلوگیری از ریزش گمانه و نشت دوغاب ضروری است. این روکش از یک غلاق ژئوتکستایل تشکیل شده که پیش از قرار دادن تاندون دورن گمانه دور روی آن قرار می‌گیرد.

به طور معمول استفاده از افزودنی‌ در دوغاب رایج نیست. البته گاهب برخی از افزودنی‌ها از جمله کنترل‌کننده آب اندازی، کاهنده آب و دیرگیرکننده، ممکن است در دوغاب مورد استفاده قرار گیرد. افزودنی‌ها باید مفاد AASHTO M194/ASTM C494 را برآورده کنند، با دوغاب سازگار باشند و طبق توصیه تولیدکننده مورد استفاده قرار گیرند. به طور استفاده از تندگیر کننده‌ها مجاز نیست. استفاده از تندگیرکننده‌های حاوی کلسیم کلرید مجاز نیست. این افزودنی‌ها باعث افزایش احتمال خوردگی تاندون‌ها می‌شوند.

در صورتی که دوغاب باید در مسافت‌های طولانی پمپ شود یا در صورتی که تزریق دوغاب در هوای گرم انجام شود، برای افزایش کارایی می‌توان از روان‌کننده‌ها استفاده کرد. این بهبود کارایی تا حدود یک ساعت ادامه خواهد داشت. استفاده از افزودنی‌های حباب‌ساز باعث افزایش کارایی  و کاهش ترک می‌شود. اما باید توجه داشت که استفاده از این نوع افزودنی احتمال خوردگی میلگردها را افزایش می‌دهد. بنابراین استفاده از افزودنی‌های حباب‌ساز فقط در صورتی مجاز است که علاوه بر دوغاب از محافظ دیگری در برابر خوردگی استفاده شود. برخی از سیمان‌ها حاوی افزودنی‌های ضد انقباض هستند. این افزودنی‌ها ترک‌های انقباضی را کاهش داده و چسبندگی را افزایش می‌دهد. هنگامی که از افزودنی‌ها استفاده می‌شود باید توجه داشت که این افزودنی‌ها خصوصیات مثبت دوغاب را تحت تأثیر قرار ندهند.

هنگامی که از میلگرد (توپر) به عنوان تاندون استفاده می‌شود، دوغاب اندکی پس از جاگذاری نیل به داخل گمانه تزریق می‌شود. دوغاب با استفاده از روش‌های ترمی درون گمانه تزریق می‌شود. دوغاب را به وسیله شلنگ‌های که در پایین گمانه است درون گمانه تزریق می‌کنند تا گمانه را پر کند. با توجه به مایع بودن دوغاب و زاویه‌دار بودن گمانه، دوغاب تازه نمی‌تواند فضای ابتدا دهانه گمانه را پر کند. برای پرکردن کامل گمانه، با استفاده از اندکی دوغاب اضافی پر می‌شود. البته راهکار رایج‌تر استفاده از شاتکریت است. در این راهکار شاتکریت را یا با دست، یا هنگام ایجاد روکش درون گمانه می‌پاشند. از آنجا که این ناحیه بسیار در برابر نفوذ آب آسیب‌پذیر است، باید دقت کافی برای پر کردن این ناحیه مبذول داشته شود.

شلنگ تزریق، معمولا لوله‌های پلاستیکی است که قطر خارجی آن بین ۱۸ تا ۲۵ میلی‌متر متفاوت است. شلنگ تزریق عموما پس از تزریق دوغاب برداشته می‌شود. البته برخی از پیمانکاران شلنگ تزریق را درون گمانه باقی می‌گذارند، البته این کار تأثیر چندانی نخواهد داشت. اگر شلنگ تزریق برداشته نشود، باید در ابتدای گمانه بسته و مهروموم شود. تزریق دوغاب باید با آرامی و به صورت پیوسته انجام شود تا فضای بین تاندون و گمانه به طور کامل پر شود.

روکش‌ها

به طور معمول روکش‌ها از یک لایه اولیه شاتکریت مسلح و یک لایه نهایی بتن درجا تشکیل شده است. هدف از روکش اولیه را می‌توان موارد زیر نام برد:

  • نگهداری از سطح دیواره در هنگام گودبرداری و جاگذاری نیل‌ها
  • ایجاد یک پیوند اولیه میان نیل‌ها
  • حفاظت از دیواره در مقابل فرسایش

کارکرد روکش نهایی همان کارکرد روکش اولیه است با این تفاوت که روکش نهایی می‌تواند به دیواره ظاهری زیبا نیز بدهد. در طراحی روکش نهایی باید تغییرات آب و هوایی و خوردگی در بلند مدت در نظر گرفته شود.

روکش اولیه به طور معمول شامل یک لایه شاتکریت است که با مش مسلح شده است. روکش نهایی معمولا یک لایه بتن درجاست، البته می‌توان از یک لایه شاتکریت مسلح نیز استفاده کرد. مش مورد استفاده باید مشخصات ذکر شده در AASHTO M55/ASTM A1064 را برآورده کند. از بتن پیش‌ساخته نیز می‌توان در روکش نهایی استفاده کرد، به خصوص در شرایطی که زیبایی ظاهری دیواره گود مهم باشد.

فرآیند اجرای نیلینگ

شرح یک نمونه از اجرای عملیات نیلینگ در زیر آورده شده است .

  • گودبرداری تراز اولیه

پیش از شروع گودبرداری، تمام آب‌های سطحی باید با استفاده از روش‌های مناسب کنترل شوند. بسته به توانایی که خاک در حفظ پایداری خود در بازه زمانی ۲۴ تا ۴۸ ساعته، گودبرداری اولیه تا عمقی حدود اولین ردیف  نیل‌ها انجام می‌شود. این عمق حدودا ۱ تا ۲ متر خواهد بود. هنگامی که دیواره توانایی حفظ پایداری خود را در بازه زمانی ۲۴ تا ۴۸ ساعت نداشته باشد، می‌توان با ایجاد یک برم، ابتدا نیل‌ها را اجرا کرد و سپس پیش از ایجاد لایه روکش نهایی، برم را برید.

عملیات گودبرداری امری رایج است و با دستگاه‌های مختلفی قابل انجام است. رگلاژ نهایی دیواره گود را معمولا با بیل مکانیکی انجام می‌دهند. دست‌خوردگی خاک در هنگام گودبرداری باید به حداقل برسد و خاک دستخورده باید پیش از اجرای شاتکریت حذف شود. به منظور کمینه کردن میزان شاتکریت مورد استفاده باید دیواره گود هموار بوده و رگلاژ شده باشد.

به منظور تأمین فضای لازم برای مانور بدون نقص دستگاه حفاری، محدوده‌ای به عرض حدود ۱۰ متر مورد نیاز است. البته دستگاه‌های حفاری نیز موجود هستند که در عرض‌های کمتر و تا ۵ متر نیز توان مانور و حفاری دارند. به طور کلی فضای مانور بسته به نوع دستگاه حفاری و جاگذاری متفاوت خواهد بود.

 

  • حفاری گمانه نیل

با توجه به شرایط خاک و طول و زاویه تعیین‌شده، گمانه‌ها حفاری خواهند شد. در خاک‌های غیرریزشی و مطلوب، حفاری را می‌توان بدون استفاده از کیسینگ انجام داد. اما در صورتی که خاک نامناسب و ناپایداری باشد، حفاری باید با کمک کیسنگ انجام شود تا عملیات جاگذاری نیل با مشکل مواجه نشود.

  • نصب و تزریق نیل‌ها

در صورتی که از دوغاب با غلظت بالا استفاده نشود، از هم‌محور سازهای پلاستیکی به منظور وسط قرار گرفتن نیل در گمانه استفاده می‌شود. نیل‌ها داخل گمانه قرار گرفته و دوغاب به درون گمانه تزریق می‌شود. تزریق دوغاب به منظور ایجاد چسبندگی مناسب میان خاک و نیل انجام می‌شود.

  • جاگذاری سیستم زهکشی

  • اعمال لایه روکش و نصب صفحه نیل

روکش معمولا شاتکریت مرطوب و مسلح به مش با صخامت حدودا ۱۰۰ میلی‌متر تشکیل می‌شود. البته جزئیات مسلح‌سازی و اجرای دوغاب بستگی به شرایط اجرای پروژه دارد. بعد از اجرای لایه شاتکریت، صفحه نیل (یک صفحه فولادی مربعی با ابعاد ۲۰۰ تا ۲۵۰ میلی‌متر و صخامت ۱۵ میلی‌متر) به وسیله مهره روی نیل قرار می‌گیرد. انتهای نیل باید از پیش رزوه شده باشد. صفحه نیل را هنگامی که شاتکریت به طور کامل خشک نشده اجرا می‌کنند و مهره را به گونه‌ای می‌بندند که فاصله اندکی میان صفحه نیل و شاتکریت باقی بماند.

  • تکرار فرآیند تا تراز نهایی

تمام مراحلی که در بالا ذکر شد باید تا رسیدن به تراز نهایی دیواره گود ادامه یابد. معمولا اگر پایداری دیواره در ابهام باشد، پیش از اجرای نیل‌ها لایه شاتکریت را اجرا می‌کنند.

  • اجرای روکش نهایی

معمولا به منظور حفظ پایداری در طولانی‌مدت و همچنین حفظ زیبایی ظاهری دیواره گود به خصوص در دیواره‌های آزادراه‌ها و بزرگراه‌ها از روکش بتنی استفاده می‌شود. در شرایط مناسب حتی می‌توان از یک لایه نهایی شاتکریت پس از اجرای گود استفاده کرد. گاها حتی می‌توان از پنل‌های پیش‌ساخته بتنی نیز برای روکش کردن دیواره گود استفاده کرد.

مراحلی که در بالا شرح داده‌شد، ممکن است با توجه به شرایط پروژه، نظر طراح و ظرفیت پیمانکار تغییر کند. برای مثال، ممکن است شاتکریت اولیه بلافاصله پس از گودبرداری تراز مورد نظر انجام شود و پس از آن نیل‌ها نصب شوند. این کار به خصوص در هنگامی که پایداری دیواره محل تردید است، رایج است. یک مثال دیگر می‌تواند تزریق دوغاب به گمانه، پیش از نصب نیل باشد.