از پیشرفته‌ترین روش های بهسازی خاک میکروپایل می باشد که علاوه بر آنکه تحت عنوان یک المان باربر و مقاوم به خاک اضافه شده، در پی تزریق دوغاب سیمان، خواص مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک را نیز بهبود می‌بخشد. همواره جهت بهسازی و تقویت خاک دو راه مورد استفاده مهندسین قرار دارد که شامل استفاده از المان‌هاي باربر در خاك و اصلاح خواص فيزيكي- مكانيكی با افزودن مواد و مصالحی به خاک، می‌باشد. هر یک از این مورد شامل راه‌ها و روش‌های مشخصی هست که در این میان روش‌هایی نظیر استفاده از ميكروپايل‌ها به همراه تزريق دوغاب سيمان مزایای هر دو دسته را شامل می‌شود.

میکروپایل شمع‌هایی با قطر کمتر از 300mm هستند كه غالباً با تسليح فولادي سبك و تزريق دوغاب سيمان همراه مي‌باشند. تاریخچه استفاده از این روش به جنگ جهانی دوم برمی‌گردد که با گذشت زمان با توجه به کارایی و قابلیت اجرای آن در ساختمان‌های آسیب دیده و همچنین سرعت بالای اجرا در ترمیم و تقویت سازه‌ها رواج یافت.

کاربردهای روش میکروپایل

جهت انجام یک پروژه ابتدا باید مشخصات ژئوتکنیکی محل قرارگیری پروژه مورد مطالعه قرار گیرد سپس روانگرایی اعماق مختلف زمین و پتانسیل روانگرایی ناحیه در صورت وقوع زلزله بررسی شود. زیرا با وقوع روانگرایی مقاومت برشی خاک کاهش شدید یافته و نشست‌های بزرگی در پی سطحی اتفاق می‌افتد که آسیب‌های جدی و درنهایت تخریب را به دنبال دارد. در برخی دیگر از پروژه‌ها نیز  هدف تأمين باربري ستون‌های روي پي و انتقال بار به لايه‌هاي عميق‌تر می‌باشد. میکروپایل در هر دو نوع کارکرد ذکر شده بعنوان گزینه‌ای مطلوب پیشنهاد شده است.

در کاربرد اول، معمولاً با توجه به شرایط در 10 متري اعماق نزديك به سطح زمين روانگرايي خطرناك بوده و در اعماق بيش از 10 متر تأثیرات آن کاهش خواهد یافت. لذا جهت اجرای میکروپایل، عمق بهسازي بايستي به‌گونه‌ای انتخاب گردد كه ضمن تضمين رفتار مناسب خاك در شرايط بحراني نظير زلزله و تأمين مقاومت پي در برابر اضافه بارهاي وارده و جلوگيري از نشست‌های ناهمگن، از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه باشد.

از دیگر معیارهای تعیین عمق مناسب اجرای میکروپایل مشاهدات ميداني ناشي از كوبش میکروپایل در خاك و ثبت تغييرات سرعت فرو رفت براساس تعداد ضربات كوبش (انرژي وارده) می‌باشد. بنابراين با پيشرفت كار عمق طراحي متناسب با شرايط زمين قابل تغيير است.

در کاربرد دوم که میکروپایل بهمراه تزریق دوغاب اجرا می‌شود، علاوه بر بهبود مشخصات مقاومتي خاك، تأمين باربري ستون‌های روي پي و انتقال بار به لايه‌هاي عميق‌تر را به دنبال دارد لذا طول میکروپایل متناسب با ظرفيت باربري لازم محاسبه خواهد شد.

در این راستا چیدمان ریز شمع‌ها در پلان و محاسبه عمق بهينه آن‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا نظم در چيدمان ريزشمع‌ها باعث توزيع يكنواخت عكس‌العمل تكيه‌گاهي در زير پي ساختمان گرديده و پیکره سازه‌اي پي فوقاني نيز بر اين اساس بصورت همگن و بهينه طرح خواهد گرديد. عواملی مانند موقعيت پي‌ها و ستون‌ها ، نحوه توزيع و مقدار بارهاي گسترده و متمركز ، پارامترهاي مقاومتي و ظرفيت باربري خاك، نفوذپذيري خاك، عمق ريزشمع‌ها و مشخصات هندسي و سازه‌اي پي سازه در طرح چيدمان میکروپایل تأثیرگذار می‌باشند.

روش اجرای میکروپایل

اجرای میکروپایل تحت چهار مرحله اصلی مشتمل بر حفاري (در صورت نياز)، لوله‌كوبي، تزريق و تسليح فولادی مي‌باشد که در ادامه به شرح هر مرحله پرداخته شده است :

1. حفاری : در شرایطی مانند وجود كف‌سازي، بتن مگر، لايه متراكم خاك که امکان کوبش لوله‌های میکروپایل وجود ندارد، در ایتدا نیاز به عملیات حفاری داریم که به روش‌هایی مانند حفاری دورانی یا دوراني- ضربه‌اي انجام می‌شود. حفاری انجام شده باید متناسب با عمق مورد نیاز پروژه جهت میکروپایل صورت پذیرد.

2. لوله کوبی : پس از ایجاد عمق مورد نظر، جهت استقرار لوله‌های میکروپایل لوله کوبی انجام داده می‌شود که در مرحله اول از نوک تیز آن استفاده شده و پس از فرو رفتن لوله اول، لوله دوم نیز متصل گردیده و کوبیده می‌شود. جهت اتصال كامل لوله‌‌ها به يكديگر علاوه بر استفاده از بوشن‌هاي رزوه شده، لوله‌ها به لبه بوشن نيز، جوش داده مي‌شوند. لازم به ذکر است اگر پس از 30 ضربه متوالی، لوله بيشتر از 10سانتي‌متر فرو نرود، عمليات کوبش لوله میکروپایل متوقف گشته و تا عمق موردنظر حفاري انجام شده و سپس لوله‌های مربوط به میکروپایل در درون گمانه نصب می‌گردد.

3. تزریق : ساخت دوغاب مورد نظر و تزریق مناسب آن در این بخش بسیار مهم می‌باشد. دستگاه تزریق دوغاب از سه بخش ميكسر اوليه، ميكسر ثانويه و پمپ تزريق تشكيل مي‌گردد که در میکسر اولیه اختلاط از نوع سیستم چرخش سریع آب می‌باشد و میکسر ثانویه از نوع پره‌ای می‌باشد. ساخت دوغاب تزريق در همزن‌های میکسر اوليه صورت می‌گیرد. ابتدا آب به ميزان مورد نظر ريخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سيمان (WCR) مورد نياز، سيمان به آن افزوده می‌شود. زمان حداقل هم زدن دوغاب سيمان، 30 ثانيه می‌باشد. پس از آماده شدن دوغاب، جهت نگهداري، دوغاب در داخل همزن ثانويه ريخته شده و سپس بوسيله پمپ هاي تزريق مخصوص تزريق می‌گردد. تزریق تا زمانی که دوغاب از سطح يا میکروپایل هاي جانبي نشت کند، عمليات تزريق متوقف می‌گردد.

در عملیات تزریق باید به نکات زیر توجه شود :

• در صورتی که درون لوله میکروپایل قبل از تزریق دوغاب سیمان ،کثیف باشد باید توسط فشار آب یا هوای فشرده درون لوله تمیز شود.
• فشار تزريق در مراحل مختلف تزريق، در اعماق مختلف، تحت تأثیر جنس زمين و شرايط ژئوتكنيكي می‌تواند متغير باشد.
• با توجه به شرايط ژئوتكنيكي و ميزان باربري طراحي ريزشمع ها، مقدار سيمان برآوردي معادل هر متر طول میکروپایل تا 100 كيلوگرم می‌تواند باشد. البته با توجه به اين امر كه بايد تزريق تا فشار 10 اتمسفر ادامه يابد، لذا ممكن است مقدار سيمان از برآورد اوليه بيشتر گردد.
• نوع سيمان مصرفي در ملات تزريق سيمان از نوع سيمان پرتلند تيپ دو و يا سيمان تيپ پنج با توجه به شرايط شيميايي محل مورد نظر تعيين می‌گردد.
• آب مصرفی در ساخت دوغاب، بايد تميز و صاف بوده و داراي كليه شرايط لازم براي آب مصرفي در ساخت بتن باشد. این آب بايستي عاري از هر نوع ماده‌اي از قبيل اسيدها، قليا‌ها، مواد قندي، نمك‌ها و مواد آلي كه منجر به ايجاد صدمه‌ به بتن می‌شود، باشد.

4. تسلیح فولادی : در مرحله آخر، عمليات جاگذاری آرماتور تسليح در داخل لوله ميكروپايل و نصب فلنج (در صورت نياز) مي‌باشد. بديهي است كه آرماتور تسليح مي‌بايست قبل از گيرش سيمان، در داخل گمانه نصب شود. فلنج كه به منظور ايجاد اتصال كامل بين ميكروپايل و بتن فونداسيون و همچنين جلوگيري از برش پانچ سر ميكروپايل در داخل بتن پي بكار مي‌رود، مي‌بايست در آخرين مرحله به آرماتور تسليح ميكروپايل جوش شود

نکته : در مواردی که سازه مورد نظر جزء آثار باستانی بوده یا شامل دیوار خشتی و گلی باشد، احتمال فروریزش دیوار در اثر میکروپایل وجود دارد برای جلوگیری از این اتفاق بعنوان مثال می‌توان دور تا دور آن را با FRP می‌بندند و اثر محصورشدگی ایجاد می‌کنند. حال اگر قرار باشد شکل سازه اصلاً تغییری نکند لایه‌ای بین سازه و FRP قرار می‌دهند و پس از اتمام کار FRP را برمی‌دارند یا می‌توان روی لایه FRP نمایی مانند قبلی ایجاد کرد.

آزمایشات بررسی صحت عملکرد میکروپایل

میکروپایل با دو هدف استفاده در بستر پی سازه‌ها و اصلاح و بهسازی برجای خاک استفاده می‌شود. پس از اجرای آن نیز آزمایش‌های کنترل کیفی مختلفی شامل آزمایش بارگذاری فشاری، کششی و جانبی جهت بررسی عملکرد سازه انجام می‌شود.

آزمایش بارگذاری فشاری

این آزمایش در خصوص میکروپایل هایی انجام می‌شود که حداقل 28 روز از زمان تزريق آن‌ها گذشته و به صورت فشاري با استفاده از جك بارگذاري انجام می‌شود. با توجه به مشخصات فني و نقشه‌هاي اجرايي میکروپایل ها بارگذاري در دو مورد از آزمایش‌ها، تا رسيدن به بار طراحي و در يك مورد تا رسيدن به بـار نهايي صورت مي‌گيرد. در حين انجام آزمايش نيز میکروپایل تا رسيدن به بار آزمايشي بايد بطور كامل قابليت تحمل بارهاي اعمال شده را داشته ‌باشد و نشاني از گسيختگي يا تغيير مكان بيشتر از حد استاندارد از خود نشان ندهد.
در اين آزمايش، بارگذاري به روش پله‌ای تا رسيدن به بار آزمايشي و باربرداري تا بار صفر بوسيله جك بارگذاري انجام می‌گیرد. بارگذاري در پله‌های 3 تني انجام می‌پذیرد و در هر مرحله بار به مدت 5 دقيقه بر روي میکروپایل قرار می‌گیرد. قرائت نشست‌های حاصل از هر پله بارگذاري در سه مرحله صورت می‌پذیرد.
در نهایت باربرداری نیز مانند بارگذاری به روش پله‌ای انجام شده و در هر مرحله تغيير مکان‌ها بوسيله گیج‌های اندازه‌گیری تغییر مکان در سه نقطه مونيتور می‌شوند.

آزمایش بارگذاری جانبی

در این مورد معمولاً از 2 شمع مجاور هم‌جهت ارزیابی رفتار جانبي میکروپایل ها استفاده می‌شود.

آزمایش بارگذاری کششی

اين آزمايش يا به صورت مستقل و يا بوسيله میکروپایل‌هاي بكار رفته به عنوان عکس‌العمل تير تکیه‌گاهی در آزمايش فشاري انجام شود. نتيجه اين آزمايش بررسي رفتار مقاومتي و تغییر شکل‌پذیری كششي ریز شمع می‌باشد.

مزایای استفاده از روش میکروپایل

• در این روش به دلیل استفاده از آرماتور و سختی بالای آن، نشست خاک کنترل شده و بار موجود به لایه‌های مقاوم زیرین منتقل می‌شود.
• تزریق دوغاب در این روش خصوصیات مکانیکی خاک نظیر سختي، تراکم‌پذیری، ظرفيت باربري، ضريب اصطكاك و چسبندگي و غيره را بهبود مي‌بخشد.
• کوبش میکروپایل ها موجب تراکم و تحکیم توده خاک اطراف می‌شود.
• انرژی پایین کوبش و قطر ناچیز حفاری، اثرات جانبی و لرزش در سازه‌های مجاور را به حداقل می‌رساند.
• این روش دارای قابلیت اجرای بسيار ساده در شرايط وجود آب زيرزميني است. در مناطقي كه سطح آب زيرزميني بالا باشد، اجراي ميكروپايل از سطح زمين و تزريق دوغاب سيمان از داخل آن، با سرعت فراوان انجام پذيرفته و به علت چگالي و ويسكوزيته بيشتر دوغاب سيمان، آب حفره‌اي در اثر فشار دوغاب سيمان تخليه و با دوغاب سيمان جايگزين مي‌گردد.انجام تست بارگذاري با استفاده از جک‌های سبك، با تأمین نيروي عکس‌العمل تكيه‌گاهي كافي، با دقت بالا و به سادگي برای این روش امكان‌پذير خواهد بود. با استفاده از نتايج تست بارگذاري ریز شمع، امكان بررسي رفتار، ميزان باربري، نشست‌های الاستيك و تغيير شکل‌های پسماند در حين بارگذاري وجود خواهد داشت. لذا امکان ارزيـابي درستی طراحي فراهم گرديده و تغيير طرح، تعداد و چيدمان ميكروپايل‌ها با توجه به مشاهده رفتار واقعي و ميزان باربري نهايي آن‌ها در محل میسر خواهد بود.
• به جهت استفاده از حجم کم مصالح مشتمل بر فولاد و سيمان، هزينه‌هاي پائين تجهيز كارگاه روشی اقتصادی می‌باشد.
• با توجه به ابعاد کمتری که ماشين‌آلات اجراي ميكروپايل نسبت به سایر ماشین‌آلات دارند، علاوه بر آنکه داراي قابليت حمل و جابجايي آسان در كارگاه مي‌باشد، امكان اجراي عمليات در چند جبهه كاري مختلف بدون تداخل كاري را فراهم مي‌نمايد.