نیلینگ یا میخ کوبی دیواره ها روشی جهت پایدارسازی گودها، ترانشه ها، شیروانی ها و … می باشد. در این روش توسط میلگردهای فولادی با قطر ۲۸ الی ۴۰ میلیمتر که اصطلاحاً نیل (Nail) گفته می شود، خاک را مسلح می کنند. فواصل تقریبی میلگردها (میخ ها) حدود ۲ متر بوده و زاویه میخ ها نسبت به افق حدود ۱۰ الی ۲۰ درجه می باشد. عملیات نیلینگ (Nailing) غالباً به صورت اجرای از بالا به پایین (Top Down Construction) بر روی یک سطح شیب دار یا قائم اجرا می گردد. نیل ها (میلگردها) در گمانه های داخل دیواره خاکی قرار داده شده و جهت انتقال نیروها بین خاک و میلگرد و جلوگیری از خوردگی میلگردها توسط دوغاب سیمان پر می شوند. دیواره میخ کوبی شده یک مقطع مسلح ایجاد می کند که خاک پشت آن را نگه می دارد.
میخ کوبی یا نیلینگ روشی اقتصادی و نسبتاً جدید جهت پایدارسازی شیب ها، شیروانی ها، ترانشه های مجاور راه ها و تعریض راه ها، گودبرداری در مجاورت سازه ها، مقاوم سازی سازه های نگهبان قدیمی، افزایش ظرفیت باربری، محدود کردن تغییر شکل ها با ایجاد حداقل دست‌خوردگی و … می باشد.
تثبیت ترانشه ها توسط میخ کوبی (نیلینگ) جهت احداث راه آهن و بزرگراه ها
تثبیت شیب های زمین توسط میخ کوبی (نیلینگ) در برابر رانش احتمالی
پایدار سازی گود به روش میخ کوبی برای ساختمان های بلند در مناطق شهری
پایدار سازی گود به روش میخ کوبی (نیلینگ) در ایستگاه های زیرزمینی مترو
تاریخچه روش میخ کوبی (نیلینگ)
روش میخ کوبی برای اولین بار در حدود سال ۱۹۶۰ میلادی توسط مهندسین استرالیایی جهت پایدارسازی شیروانی های سنگی در تونل استفاده گردید و از دهه ۷۰ در اروپا متداول گشت. مهندسین استرالیایی تعدادی گمانه را در طاق و دیوارهای سنگی تونل حفاری کرده و در داخل گمانه ها، میلگردهای فولادی قرار داده و داخل گمانه ها را دوغاب سیمان تزریق کرده و قسمت انتهایی میلگردها را با مش بندی و شاتکریت در محیط تونل گیردار کردند. مهندسین آلمانی و فرانسوی، روش استرالیایی نیلینگ در سنگ را برای شیب‌ها و دیوارهای خاکی به کار بستند. آنها استفاده از تکنولوژی نیلینگ در تونل را به پایدار نمودن شیب‌ها و دیوارهای خاکی گودبرداری شده و کوله پل‌ها تعمیم دادند.
مبانی طراحی روش میخ کوبی (نیلینگ)
روش نیلینگ بر خلاف روش مهارگذاری به صورت مقاوم (Passive) عمل کرده و اثر خود را از طریق اندرکنش خاک – میلگرد (Bar-Soil Interaction) حاصل از ایجاد تغییرشکل در خاک، اعمال می کند. بنابراین استفاده از روش میخ کوبی در مجاورت سازه های حساس به تغییرمکان نظیر سازه های قدیمی توصیه نمی گردد.
برای تحلیل و طراحی دیوارهای میخ کوبی شده دو حالت حدی در نظر گرفته می شود:
الف ) حالت حدی مقاومت: دیواره طراحی شده می بایست در مقابل ۳ حالت گسیختگی زیر پایداری خود را حفظ نماید:
- حالات گسیختگی خارجی (External failure Modes)
- حالات گسیختگی داخلی (Internal failure Modes)
- حالات گسیختگی رویه (Facing failure Modes)
ب ) حالت حدی بهره برداری: تغییر شکل دیواره طراحی شده می بایست از تغییرشکل مجاز کمتر باشد.
انواع حالات حدی مقاومت
حالات گسیختگی خارجی (External failure Modes)
حالات گسیختگی رویه (Facing failure Modes)
آیین نامه طراحی پایدارسازی گود با روش میخ کوبی (نیلینگ)، آیین نامه FHWA (Federal Highway Administration ) می باشد که توسط اداره مرکزی بزرگراه های آمریکا تهیه گردیده است. پیشنهاد این آیین نامه جهت ضرایب اطمینان جهت پایدارسازی گود در مقابل حالات گسیختگی به صورت جدول زیر است:
ضرایب اطمینان پیشنهادی آیین نامه FHWA
نحوه عملکرد میخ کوبی (نیلینگ)
عملکرد اصلی میخ ها در روش نیلینگ به صورت کششی می باشد و عملکرد خمشی و برشی کمی هم برای آنها می توان در نظر گرفت. میخ ها با دو عملکرد زیر در پایداری دیوار مؤثر هستند:
- افزایش مقاومت برشی سطح لغزش در خاک های اصطکاکی به علت افزایش نیروی قائم.
- کاهش نیروی رانشی سطح لغزش در خاک های اصطکاکی و چسبنده.
روش اجرای میخ کوبی (نیلینگ)
روش پیشنهادی جهت اجرای میخ کوبی شامل چند مرحله اصلی می باشد که با توجه به شرایط خاک و … از یکی از طرق زیر اجرا می گردد:
- خاکبرداری تا زیر تراز میخ اول (گودبرداری مقطعی)
- بتن پاشی(شاتکریت) همراه با یک لایه تسلیح فولادی شبکه ای (مش) و نصب زهکش
- حفاری گمانه ها
- نصب میلگرد تسلیح
- تزریق دوغاب سیمان
- نصب صفحه و مهره
- خاکبرداری تا زیر تراز میخ اول (گودبرداری مقطعی)
- حفاری گمانه ها
- نصب میلگرد تسلیح
- تزریق دوغاب سیمان
- بتن پاشی(شاتکریت) همراه با یک لایه تسلیح فولادی شبکه ای (مش) و نصب زهکش
- نصب صفحه و مهره
پس از تکمیل مراحل فوق، این مراحل تا رسیدن به تراز کف گود، تکرار می گردد.
طریقه اول مراحل اجرای میخ کوبی (نیلینگ)
طریقه دوم مراحل اجرای میخ کوبی (نیلینگ)
در ادامه توضیحاتی در مورد هر یک از مراحل داده می شود:
الف) خاکبرداری:
خاکبرداری اولیه حداکثر تا عمقی صورت می پذیرد که خاک بتواند پایداری موقت خود را حفظ نماید تا دوغاب سیمان تزریق شده در گمانه خود را بگیرد. بعد از اجرای میخ کوبی و گیرش سیمان، مرحله بعدی خاکبرداری به همین ترتیب انجام می پذیرد. جهت پایداری بهتر و تغییرشکل کمتر دیواره، خاکبرداری هر مرحله به صورت یک در میان یا دندان موشی انجام می گردد. عرض هر قسمت نیز می بایست جهت قرارگیری ماشین آلات اجرای نیلینگ مناسب باشد.
ب) حفاری
یکی از مهمترین مراحل پایدارسازی در روش نیلینگ، حفاری گمانه می باشد. زیرا متغیرهای فراوانی وجود دارد که می بایست در نظر گرفته شود:
- طول گمانه: توان تولید هوای کمپرسور برای گمانه های بالای ۱۵متر می بایست بیشتر از گمانه های کوتاه باشد.
- جنس خاک: در خاک های درشت دانه احتمال ریزش های موضعی گمانه و فرار هوا وجود دارد.
- قدرت و سرعت دوران دستگاه حفاری: می بایست متناسب با جنس خاک در نظر گرفته شود.
- توان حرکت دستگاه حفاری: در خاک های اشباع یا خاک های دستی می بایست بیشتر از خاک های طبیعی و خشک در نظر گرفته شود.
- اندازه چکش و سرمته: می بایست متناسب با قطر گمانه انتخاب شود.
روش های مختلف حفاری و قرار دادن میخ داخل دیواره گود:
- حفاری و تزریق: این روش غالباً در خاک های غیر ریزشی استفاده می گردد که دارای ۴ مرحله زیر می باشد:
- حفر گمانه توسط دستگاه حفاری
- خروج ابزار حفاری (مته یا راد)
- قرار دادن میخ (نیل) داخل گمانه
- تزریق
- خود حفار: این روش در خاک های ریزشی و یا جهت تسریع در اجرای پروژه استفاده می گردد. در این روش، ابزار حفاری (راد خود حفار و سر مته) نقش میلگرد (میخ) را ایفا می کند و در دیواره باقی می ماند. ضمناً در حین حفاری، عملیات تزریق صورت می گیرد.
مشخصات خودحفارها (راد نیل ها)
- کوبیدن: کوبیدن میلگرد داخل دیواره
- تزریق پر فشار
جهت حفاری در دیواره از تجهیزات حفاری استفاده می شود. مشخصات گمانه ها غالباً به صورت زیر است:
- قطر گمانه: ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر
- طول گمانه: ۴ تا ۱۵ متر
- زاویه گمانه نسبت به افق: ۰ تا ۲۰ درجه
- فاصله گمانه ها با یکدیگر: ۱/۵ تا ۲ متر
ج) نصب میلگرد تسلیح و تزریق دوغاب سیمان
پس از حفاری گمانه تا طول مورد نظر طراح، نوبت به نصب میلگرد می رسد. عناصر تسلیح معمولاً به ۳ صورت زیر می باشند:
- غالباً میلگردهای فولادی تو پر (قطر ۲۸ الی ۴۰ میلیمتر)
- گاهی اوقات میلگردهای فولادی توخالی (Hollow core soil nail FHWA 2006)
- گاهی اوقات میخ های ساخته شده از فایبرگلاس (EFRI Fiberglass Nail Team2005)
جهت قرار گیری میلگرد در وسط گمانه و جلوگیری از چسبیدن میلگرد به جدار گمانه از وسیله ای به نام فاصله نگهدار (Spacer) استفاده می گردد.
فاصله نگهدار میخ
میلگرد داخل فاصله نگهدار قرار داده شده و سپس در داخل گمانه جایگذاری می شود. در صورتی که خاک خورنده باشد، از پوشش اپوکسی جهت جلوگیری از خوردگی میلگردها استفاده می گردد. بعد از قرارگیری میخ داخل گمانه، نوبت به تزریق دوغاب سیمان می رسد. غالباً دوغاب به صورت ثقلی و با همان شیب ۱۰ تا ۲۰ درجه توسط شلنگ از انتها به سمت ابتدای گمانه داخل چال ریخته می شود. با پر شدن حد فاصل بین میلگرد و جدار گمانه، امکان انتقال تنش به میخ ها فراهم می گردد.
تجهیزات تزریق ۳ بخش دارد:
- مخلوط کننده (میکسر) اولیه
- مخلوط کننده (میکسر) ثانویه
- پمپ تزریق
آب و سیمان، با نسبت مشخص شده در نقشه های اجرایی، در مخلوط کننده های اولیه و ثانویه مخلوط می شوند و از طریق شلنگ به درون گمانه تزریق می شوند. فشار تزریق بستگی به شرایط خاک و … دارد.
د) بتن پاشی (شاتکریت) دیواره، نصب صفحه و مهره
بعد از اتمام عملیات میلگرد گذاری و تزریق:
- اجرای نوارهای زهکش: نوارهای زهکش (ژئوکامپوزیت) جهت کاهش فشار آب پشت دیواره و هدایت آب در سطح دیواره کار گذاشته می شود.
- اجرای شبکه فولادی میلگرد (مش): شبکه ای از سیم های جوش داده شده به نام مش (WWM: Welded Wire Mesh) می باشند که تقریبا در وسط ضخامت شاتکریت اجرا می شوند. طول شبکه های فولادی به گونهای باید باشد که حداقل یک چشمه کامل شبکه با شبکه بعدی هم پوشانی داشته باشد.
- بتن پاشی (شاتکریت): بعد از نصب شبکه های فولادی میلگرد (مش)، سطح دیواره با یک لایه ۱۰ تا ۲۰ سانتیمتری، بتن پاشی (Shotcrete) می گردد، تا با حفظ یکپارچگی بیشتر بین میخ ها از فرسایش خاک جلوگیری گردد. این پوشش به ۲ صورت اجرا می گردد:
- پوشش موقت (Temporary): اجزای سازه ای نیلینگ را به یکدیگر متصل می کند.
- پوشش دائم (Permanent): بعد از نصب میخ ها و پوشش موقت، اجرا می شود. ضخامت این پوشش غالباً به ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر محدود می‌شود.
- نصب صفحه و مهره: به علت:
- اتصال کامل سر میخ ها به دیواره
- جلوگیری از بروز برش پانچ در دیواره
- در صورت نیاز تنش‌دهی به میخ ها
یک صفحه فلزی به عنوان سر نیل بر روی دیواره قرار گرفته و توسط یک مهره به آرماتور درون گمانه متصل می شود.
با اتمام این ۴ مرحله، ردیف اول میخ ها تمام می گردد و برای ردیف دوم میخ ها تا انتهای گود می بایست همین مراحل تکرار گردد.
مزایای میخ کوبی (نیلینگ)
معایب میخ کوبی (نیلینگ)
اجزای میخ (نیل)
نیل (Nail)
میلگردهایی با قطر ۲۵ الی ۴۰ میلیمتر هستند که با زاویه ۱۰ تا ۲۰ درجه نسبت به افق در دیواره گود قرار داده می شوند.
رویه موقت
معمولاً به صورت بتن پاشی (شاتکریت) همراه با شبکه فولادی سبک (مش) اجرا می شود و ضخامت آن ۱۰ تا ۲۰ سانتیمتر می باشد.
رویه دائمی
می تواند به صورت بتن پاشی (شاتکریت) همراه با شبکه فولادی سبک (مش)، بتن ریزی در جا و قطعات پیش ساخته (بتن مسلح و …) اجرا شود و ضخامت آن معمولا ۲۰ سانتیمتر در نظر گرفته می شود.
فاصله نگهدار
وظیفه فاصله نگهدارها نگهداشتن میخ در امتداد مرکز سوراخ است. فاصله نگهدارها را می توان در هر ۲/۴ متر در طول میخ و به فاصله ۴۵ سانتیمتر از سر و انتهای گمانه نصب کرد.
گمانه (سوراخ)
قطر سوراخ معمولاً بین ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر می باشد سوراخ غالباً با شیب ۱۰ درجه نسبت به خط افق حفاری می شود. فاصله بین انتهای نیل و انتهای سوراخ حداقل ۱۵ سانتیمتر می باشد.
دوغاب (Grout)
وظیفه دوغاب، اتصال و در گیر کردن میخ با خاک و محافظت از میخ در برابر خوردگی می باشد. حداقل پوشش دوغاب روی میلگرد ۲۵ میلیمتر باشد. معمولاً نسبت آب به سیمان در دوغاب سیمان، ۰/۵ الی ۰/۴ می باشد.
صفحه باربر
وظیفه صفحه باربر توزیع نیروی (میخ) نیل بر رویه موقتی و خاک پشت آن می باشد. معمولا مربعی به ضلع ۲۰ تا ۲۵ سانتیمتر و با ضخامت ۲ سانتیمتر می باشد.
گل میخ (Headed Stud)
وظیفه گل میخ در گیر کردن رویه دائمی و سر میخ است. معمولا برای هر میخ ۴ عدد گل میخ بر روی صفحه باربر نصب می شود. حداقل پوشش روی گل میخ ۵۰ میلیمتر می باشد.
نوارهای زهکش (Strip Drain)
پشت رویه موقت، بین ۲ یا چند ستون عمودی میخ قرار می گیرد و به وسیله آنها و با کمک لوله های زهکش می توان آبهای پشت دیوار را به بیرون هدایت کرد.
چند نکته اجرایی برای اجرای عملیات میخ کوبی (نیلینگ)
- برای وصله کردن میلگردها می توان از روش های زیر استفاده کرد:
- جوش سر به سر میلگرد (فورجینگ سر به سر)
- اتصال مکانیکی (کوپلر)
- جهت جلوگیری از مشکلات حقوقی، قبل از اجرای عملیات میخ کوبی، رضایت نامه ای در دفاتر ثبت اسناد رسمی از مالکین مجاور گرفته شود.
- میلگردهای مورد استفاده در عملیات میخ کوبی غالباً از نوع AIII می باشد و طول آنها هم مطابق نقشه مشخص می گردد.
- عملیات میخ کوبی (نیلینگ) در زیر سطح آب امکان پذیر نمی باشد. بنابراین ابتدا می بایست زهکشی صورت بگیرد.
- قبل از اجرای میخ کوبی می بایست مطالعات خاک پروژه جهت تعیین مشخصات خاک انجام گردد.
- ارتفاع مجاز خاکبرداری به عواملی مانند؛ مقاومت برشی خاک، میزان سربار، میزان نفوذ آب های سطحی و … بستگی دارد که باید محاسبه گردد.
- قبل از حفاری گمانه ها، عوارض زیرزمینی مجاور گود مثل: چاه های فاضلاب، قنات، سازه های زیرزمینی و … بررسی می گردد تا موقع حفاری به آنها برخورد نشود.
