گودبرداری به عنوان یکی از مراحل اجرای ساختمان بسیار مورد اهمیت است. در همین راستا سازه نگهبان به عنوان سازه‌ای با هدف پایدارسازی دیواره‌های گود و همچنین جلوگیری از ریزش گود اجرا می‌شود. سازه‌های نگهبان انواع زیادی دارند و از آنجایی که انتخاب بهترین روش سازه نگهبان باید توسط مهندس عمران انجام بگیرد، اطلاع از انواع آن امری ضروری به نظر می‌رسد.

سازه نگهبان چیست؟

در مراحل اجرای ساختمان یکی از مهم‌ترین مراحل، گودبرداری است. در گودبرداری، فشار جانبی بر دیواره‌های گود وارد می‌شود که ناشی از رانش خاک پشت دیوارها است و رانش خاک نیز به علت وزن خود خاک بالای تراز گودبرداری و سازه‌های مجاور است.

اما سازه نگهبان چیست؟ به سازه‌های موقت یا دائمی که برای جلوگیری از ریزش دیواره گود اجرا می‌شود سازه‌ نگهبان یا به انگلیسی Retaining Structure می‌گویند. در واقع سازه نگهبان مجموعه‌ای از المان‌های فولادی و غیر فولادی است که برای جلوگیری از ریزش خاک و سنگ در دیواره‌های گود اجرا می‌شود.

سازه‌های نگهبان هم به صورت موقت و هم به صورت دائمی اجرا می‌شوند. برای مثال برخی سازه‌های نگهبان پس از اتمام گودبرداری برچیده نشده و از آن به عنوان دیوارهای حائل دائمی استفاده می‌شود. استفاده از سازه نگهبان، در راستای افزایش ایمنی در محوطه گودبرداری، حفاظت از تجهیزات، حفاظت از کارگران داخل گود و علاوه بر آن محافظت از سازه‌های مجاور گود و افزایش مقاومت خاک زیر آن‌ها است.

سازه‌ نگهبان معمولا در پروژه‌های ساختمانی و در گودبرداری سازه برای قرارگیری فونداسیون ساختمان، احداث زیرزمین، پارکینگ و حتی کانال‌های آب اجرا می‌شود.

به طور کلی اهداف زیر برای ایمن سازی دیوارهای گود با استفاده از سازه‌های نگهبان مطرح می‌شوند:

1-حفظ جان انسان‌های داخل و خارج گود
2-حفظ اموال داخل و خارج گود
3-فراهم کردن شرایط ایمن برای اجرای کار

انواع سازه نگهبان

به طور کلی انواع سازه نگهبان شامل موارد زیر است:

سازه نگهبان خرپایی
سازه نگهبان مهار متقابل
سازه نگهبان نیلینگ
سازه نگهبان انکراژ
سپرکوبی
شمع کوبی
سازه نگهبان دیوار دیافراگمی

سازه نگهبان خرپایی

سازه نگهبان خرپایی متدوال‌ترین شیوه در گودبرداری با عمق کم است. در این روش، خاکبرداری و تکمیل المان‌ها به صورت مرحله‌ای بوده و پشت سازه نگهبان با مصالح مناسب پر می‌شود.

با توجه به اینکه در این سازه فقط نیروی محوری وجود داشته و از طرفی به علت عدم وجود نیروی برشی و لنگر خمشی در اعضای تشکیل دهنده خرپا، باید اتصالات به صورت مفصلی مدل شوند.

از آنجایی که سازه نگهبان خرپایی، طوری قرار می‌گیرد که تحت اثر بار جانبی ناشی از رانش خاک دیواره گود که مستقیما در امتداد عضو قائم به آن وارد می‌شود باشد، بنابراین در این سازه نگهبان، عضو قائم خرپا تحت اثر خمش در محدوده بین المان‌های افقی سازه قرار می‌گیرد.

توجه داشته باشید که هرگونه فاصله بین سازه نگهبان خرپایی و دیوار گود باعث بی‌فایده شدن و عدم کارایی سازه نگهبان می‌گردد. همچنین فاصله خرپاها به نوع و جنس خاک بستگی داشته، و حداکثر 4 متر است.

اجرای سازه نگهبان خرپایی

به طور کلی اجرای سازه نگهبان خرپایی شامل مراحل زیر است:

1-حفاری چاه در امتداد مسیر گودبرداری
2-نصب عضو قائم
3-گودبرداری با شیب پایدار
4-اجرای فونداسیون برای عضو مایل
5-نصب عضو مایل
6-نصب اولین عضو افقی و ردیف‌های بعدی اعضای افقی و قطری
7-تثبیت جداره‌های گود

مزایا و معایب سازه نگهبان خرپایی

_مناسب برای مناطق درون شهری
_مناسب برای گود کم عمق و عریض
_قابلیت انعطاف بالا
_قابلیت انطباق با روش‌های زهکشی
_سرعت اجرا پایین‌تر نسبت به روش‌های پیشرفته‌تر
_لزوم خاکبرداری بخشی از کار به صورت دستی
_احتمال تداخل خرپاها در کنج‌ها
_ورود افراد غیرمتخصص به دلیل سهولت اجرا

سازه نگهبان مهار متقابل

روش سازه نگهبان مهار متقابل برای گودهای با عرض کم یعنی تا 10 متر اجرا می‌شود. در واقع این روش مشکل جا گیر بودن سازه نگهبان خرپایی برای گودهای کم عرض را ندارد.

سازه نگهبان مهار متقابل را با نام روش پشت‌بندهای افقی و مایل نیز می‌نامند. به طور کلی از روش مهار متقابل بیشتر برای گودهای با عرض کم که در مناطق شهری حفر شده‌اند، استفاده شده و هدف از اجرای آن، جلوگیری از تغییر مکان جانبی خاک است.

اجرای سازه نگهبان مهار متقابل

روش اجرای سازه نگهبان مهار متقابل شامل مراحل زیر است:

_حفر چاه‌هایی روبه‌روی هم در حاشیه زمین
_قرار دادن قفسه‌های آرماتور داخل چاهک‌ها
_اتصال شاخک‌هایی مانند ناودانی و نبشی به پروفیل‌ها برای درگیری بیشتر با بتن چاه
_قرار دادن پروفیل‌های مناسب با توجه به عمق گود و مشخصات در درون چاه‌ها
_بتن‌ریزی درون چاه
_اتصال قسمت فوقانی هر دو سولجر متقابل به یکدیگر به وسیله تیرها یا خرپاها

مزایا و معایب سازه نگهبان مهار متقابل

_بالا بودن سرعت اجرا
_هزینه کمتر نسبت به روش‌های دیگر
_جاگیری کمتر نسبت به سازه نگهبان خرپایی در گودهای کم عمق
_دارای اتصالات کمتر نسبت به سازه نگهبان خرپایی
_در صورتی که عرض گود زیاد باشد (مثلا بیش از 10 متر) احتمالا هزینه و زمان اجرای کار _افزایش یافته و کار سخت ‌تر انجام می‌شود.
_احتمال دارد مهار متقابل برای ماشین آلات سرگیر باشد و در صورت خوردن ضربه به دستک‌ها باعث ریزش گود شود.

سازه نگهبان نیلینگ

نیلینگ روشی است که برای پایدارسازی بخش ناپایدار خاک اجرا می‌شود. از روش سازه نگهبان نیلینگ برای پایدارسازی گودهایی با عمق متوسط و زیاد، و مهار کردن دیواره‌های کنار راه‌ها استفاده می‌شود. از طرفی نیلینگ یک روش ابداعی برای پایدارسازی ترانشه‌ها و تامین تکیه‌گاه افقی دیواره‌های خاکبرداری و جلوگیری از لغزش خاک است.

نکته مهم نیلینگ این است که زمانی نیروی کششی در میخ‌ها فعال می‌شود که مقداری جابجایی در سیستم ایجاد شود و این موضوع می‌تواند باعث ایجاد مشکل در ساختمان‌های مجاور با کاربری حساس شود. در نتیجه در انتخاب نوع سیستم نگهدارنده باید به مقدار مجاز جابجایی سازه‌های مجاور توجه شود.

از آنجایی که نیلینگ یک سازه نگهبان موقت است، عواملی مانند گذشت زمان، هوازدگی سطح خاک، خوردگی آرماتورها و نفوذ آب‌های سطحی باعث از دست دادن مقاومت آن می‌شود. پس باید هرچه سریع‌تر اقدام به ساخت و نصب سازه اصلی کرد.

اجرای سازه نگهبان نیلینگ

اجرای روش نیلینگ اصولا در 6 مرحله اصلی انجام می‌شود. به این صورت که بعد از تکمیل مراحل اجرایی که در ادامه عنوان می‌کنیم، ابتدا برای گام اول گودبرداری و در ادامه برای گام‌های بعدی تا رسیدن به رقوم کف گود مورد نظر تکرار می‌شوند.

مراحل روش اجرای نیلینگ عبارتند از:

گودبرداری مقطعی
حفاری گمانه‌ها
نصب میلگرد تسلیح
تزریق دوغاب سیمان
بتن پاشی
نصب صفحه سر نیل و مهره

مزایا و معایب سازه نگهبان نیلینگ

در این قسمت تعدادی از مزایا و معایب این روش را عنوان کردیم.

امکان پیاده سازی در فضاهای کوچک
روش اجرای بدون لرزش و صدا
امکان اجرا در مجاورت سازه‌های دیگر
امکان اجرای سریع
نیاز به افراد با تجربه و ماهر در اجرای نیلینگ
روش نیلینگ قابلیت اجرا در هر خاکی را ندارد.

سازه نگهبان انکراژ

انکراژ (Anchorage) یکی از روش‌های پایدارسازی گودهای عمیق است که با نام‌های میل مهار و دوخت به پشت نیز شناخته می‌شود. مراحل اجرایی این روش تقریبا شبیه روش نیلینگ است. در روش انکراژ میل مهارها پیش تنیده می‌شوند اما در روش نیلینگ اینطور نیست. به عبارتی در روش انکراژ دو لایه مقاوم و فعال خاک پیش از حرکت توده فعال، به هم دوخته می‌شوند و به کار بردن میل مهار باعث کاهش جابجایی‌ در خاک دیواره‌ گود و سازه‌های مجاور گود می‌شود.

اجرای انکراژ

مراحل روش اجرای انکراژ عبارتند از:

1-گودبرداری مقطعی
2-حفاری گمانه‌ها
3-نصب میل مهارها و تزریق دوغاب سیمان
4-پیش تنیدگی میل مهارها
5-اجرای پوشش رویه

مزایا و معایب سازه نگهبان انکراژ

برخی از مزایا و معایب این روش عبارتند از:

-نیاز به فضای کم
_کم شدن حجم عملیات حفاری
_توانایی تحمل نیروهای افقی نسبتا زیاد بدون افزایش قابل توجه در ضخامت دیوار
_هزینه اجرای انکراژ در پروژه‌های کوچک بیشتر از روش‌های معمولی دیگر است.
_به دلیل استفاده از تکنولوژی پیشرفته‌تر، این روش به دستگاه‌های خاص مانند دریل واگن، تزریق و پیش تنیدگی نیاز دارد.

سپرکوبی

در روش سپرکوبی یا شیت پایل به کمک دستگاه سپرکوب، سپرهای فلزی، چوبی یا بتنی در زمین کوبیده می‌شوند. به این سپرها، شمع‌های صفحه‌ای هم گفته می‌شود و ارتفاع آن‌ها برابر است با عمق گود به اضافه طولی از سپر که داخل زمین فرو می‌رود. در واقع فرو رفتن سپر به داخل زمین برای تامین طول مهاری است.

بعد از انجام سپرکوبی، خاک جلوی آن‌ها را خالی کرده و عملیات گودبرداری را انجام می‌دهند. سپرها به وسیله مقاومت و سختی خمشی خود، رانش خاک را تحمل می‌کنند. پس از پایان خاکبرداری، تیرهای پشت‌بند افقی در کمرکش سپرها نصب شده و در انتها نیز قیدهای فشاری قائم به پشت‌بندهای افقی متصل و روی صفحه سپر کوبیده می‌شوند.

اجرای سپرکوبی

مراحل اجرای سازه نگهبان سپرکوبی عبارت است از:

_مشخص نمودن محدوده گود با نقشه برداری
_کوبیدن سپرهای فلزی داخل خاک با ضربه زدن یا ارتعاش استاتیکی در محیط گود
_انجام مرحله اول گودبرداری به عمق 2 تا 3 متر با توجه به نوع خاک و فشار هیدرواستاتیک آب
_قرار دادن پشت بندهای فرعی در مکان مناسب خود و نصب قیدهای فشاری به صورت افقی
_ادامه گودبرداری و تکرار مراحل 3 و 4 تا رسیدن به عمق مورد نظر
_تکمیل گودبرداری و شروع ساخت پی ساختمان
_ساخت دیوارهای داخلی زیرزمین، برچیدن قیدهای فشاری به صورت مرحله به مرحله و _ساخت سقف طبقات
_تکمیل طبقات زیرزمین
_در انتها بیرون کشیدن سپرهای فلزی از خاک

مزایا و معایب سپرکوبی

در این بخش به بررسی چند مورد از مزایا و معایب روش سپرکوبی می‌پردازیم.

سرعت اجرای مناسب
درجه ایمنی بالا
مناسب برای اجرای کانال‌ها و ترانشه‌ها به خصوص با طول‌های زیاد
مناسب برای زمین‌های سست و آبدار
نیاز به دستگاه سپرکوب
نیاز به نیروی متخصص
نیاز به فضای کافی برای قرارگیری دستگاه سپرکوب
ایجاد سر و صدای زیاد در حین ضربه زدن به سپرها

شمع کوبی

در روش شمع کوبی یا پایدارسازی گود با شمع، خود شمع‌ها کار پروفیل قائم را در دیگر روش‌های سازه نگهبان انجام می‌دهند. شمع‌ها اطراف گود و در فواصل مشخصی اجرا می‌گردند و عمدتا به صورت بتنی هستند.

البته روش شمع کوبی به دلیل اشغال فضا برای ساخت و سازهای شهری مناسب نیست، چرا که در این روش قسمتی از زمین مجاور و زمین خود پروژه نیز اشغال می‌شود. کاربرد این روش معمولا برای پایدارسازی تونل‌ها و زیرگذرها بوده و با توجه به انعطاف کم این نوع سازه نگهبان، تغییر مکان جانبی خاک در آن کم است.

اجرای شمع کوبی

برای اجرای شمع کوبی به این صورت عمل می‌کنیم که ابتدا چاه‌هایی با قطر 80 تا 100 سانتی‌متر در اطراف گود حفر شده و از گل بنتونیت نیز برای پایدارسازی جداره چاه استفاده می‌شود. سپس شبکه آرماتور و اسپیسر را در داخل چاه قرار داده و پس از آن، شمع‌های بتنی در داخل چاه قرار می‌گیرند.

مزایا و معایب شمع کوبی

سرعت بالای اجرا در شمع‌های پیش ساخته
هزینه کم
امکان استفاده به عنوان سازه نگهبان دائم و موقت
لزوم استفاده از تعداد شمع بیشتر در عمق زیاد
عدم امکان استفاده از شمع‌های آماده در پروژه‌های داخل شهر

سازه نگهبان دیوار دیافراگمی

دیوار دیافراگمی برای اولین بار در دهه 1950 در ایتالیا اجرا شد. به نوعی می‌توان گفت که دیوارهای دیافراگمی، روش پیشرفته‌تر سازه نگهبان شمع هستند. چرا که دیوار دیافراگرمی در طول‌های وسیع‌تری اجرا شده و از طرفی اجرای تعداد زیاد شمع‌ها به صرفه نبوده و بهتر است به صورت دیوار اجرا شوند. به دیوار دیافراگمی به خاطر استفاده از دوغاب بنتونیت در اجرای آن، دیوار دوغابی نیز گفته می‌شود. دیوار دیافراگمی نیز مانند سپرکوبی و شمع کوبی، یک روش پایدارسازی گود دائمی است.

به طور کلی این روش عمدتا برای ایجاد پرده آب‌بند در عملیات سدسازی استفاده می‌شود. اما در پایدارسازی دیواره گود نیز تا حدودی کارایی داشته و امروزه مخصوصا در ساخت ایستگاه‌های زیرزمینی مترو بسیار کاربرد دارد. گاهی این روش در ترکیب با روش تاپ دان یا ساخت از بالا به پایین مورد استفاده قرار می‌‌گیرد.

همچنین دیوار دیافراگمی می‌تواند جایگزین مناسبی برای روش سپرکوبی باشد. چرا که اگر عملیات گودبرداری در منطقه وسیعی صورت گیرد و نوع زمین نیز سخت باشد، به دلیل سختی اجرای عملیات سپر کوبی، ممکن است روش دیواره دیافراگمی جایگزین مناسبی باشد.

اجرای دیوار دیافراگمی

روش اجرای دیوار دیافراگمی طی مراحل زیر اجرا می‌شود:

اجرای حفاری محل بارت به صورت یکی در میان
پر کردن دیواره بارت به وسیله بنتونیت
آماده سازی قفسه آرماتور و جاگذاری در بارت
بتن ریزی به وسیله لوله ترمی
تکرار مراحل 1 تا 4 برای قسمت‌های باقی مانده
اتصال مناسب بارت‎‌ها
انجام عملیات گودبرداری

عوامل موثر در انتخاب انواع سازه نگهبان

تا اینجای مقاله درباره تمام انواع سازه نگهبان، روش اجرای آن‌ها و مزایا و معایبشان صحبت کردیم. اما چطور باید تشخیص دهیم که کدام نوع از سازه نگهبان برای پروژه ما مناسب است؟

در واقع می‌توان گفت عوامل بسیاری هستند که در تعیین نوع سازه نگهبان موثرند اما برخی از آن‌ها از اهمیت بالاتری برخوردار بوده و نمی‌توان آن‌ها را نادیده گرفت. این عوامل عبارتند از:

زاویه شیب طبیعی (حداکثر زاویه پایدار سطح خاک بدون نیاز به سازه نگهبان)
سازه‌های مجاور گود
شرایط جوی پروژه
سطح آب زیرزمینی
نوع خاک
عمق گود

نحوه طراحی و اجرای سازه نگهبان

یکی از موضوعات مهمی که درباره سازه نگهبان باید به آن توجه کنیم، نحوه طراحی سازه‌ نگهبان است. در این باره باید بدانید که طراحی سازه نگهبان باید مطابق با دستورالعمل‌ها و استانداردهای مختلف نظیر مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان باشد. به طور کلی طراحی سازه نگهبان از دو روش حالات حدی و روش تنش مجاز انجام می‌گیرد که در ادامه به بررسی این دو می‌پردازیم.

1) روش تنش مجاز

این روش قدیمی ترین روش طراحی است و با توجه به تئوری الاستیک انجام می‌شود. در روش تنش مجاز فرض می‌کنیم که فولاد و بتن الاستیک بوده و از قانون هوک پیروی می‌کنند.

در واقع تنش مجاز مواد، طبق تئوری الاستیک و با این فرض که اتصال بین فولاد و بتن بدون نقص است به دست می‌آید. اساس این روش این است که حتی در بدترین حالت ترکیب بار، در هیچ نقطه ای از سازه تنش‌های مجاز از مقادیر معلوم تجاوز نکند. این فرض را برای طراحی سازه نگهبان با توجه به ویژگی‌های خاک نیز در نظر می‌گیرند.

ضریب اطمینان کلی برای دیوارهای خاک مسلح، مشابه دیوارهای وزنی یعنی با ضریب اطمینان ظرفیت باربری 2 در نظر گرفته می‌شوند.

ضریب اطمینان تنش کششی مجاز نیز مطابق با رابطه زیر طبق کبحث هفتم مقررات ملی ساختمان به دست می‌آید:

2) حالات حدی سازه نگهبان

حالت حدی سازه نگهبان به عنوان مشخصه‌ای برای تعیین نوع شکست احتمالی خاک بعد از گودبرداری و اجرای سازه نگهبان است. این روش ترکیبی از دو روش تنش مجاز و بار نهایی در طراحی است.

از آنجایی که انواع مختلف سازه‌های نگهبان که پیش از این بررسی کردیم، عملکرد متفاوتی در برابر حالت‌های مختلف شکست دارند. لذا در این روش، طراحی این سازه‌ها متناسب با حالت‌های حدی انجام می‌گیرد. برای مثال در طراحی دیوارهای سپرگونه حالت‌های حدی مختلفی از جمله گسیختگی کششی مهارها، گسیختگی مواد تزریقی، کمبود عمق فرورفت، گسیختگی واژگونی و چندین حالت دیگر در نظر گرفته می‌شود.

به طور کلی دو حالت حدی مهم که در طراحی به آن‌ها توجه می‌شود عبارتند از:

حالت حدی فروریزش

حالت حدی فروریزش با مقاومت سازه ارتباط داشته و دارای چهار مورد حالت حدی فروپاشی در خمش، فشار، برش و پیچش است.

حالت حدی بهره برداری

این روش همانطور که از نامش مشخص است با الزامات بهره برداری ارتباط دارد و در سه مورد حالت حدی ترک خوردگی، ارتعاش و تغییر شکل بررسی می‌شود.

جمع بندی

سازه نگهبان روشی است که از آن برای ایمن سازی دیوارهای گود و اهدافی از جمله حفظ جان افراد، حفاظت از تاسیسات و همچنین حفاظت از سازه‌های مجاور استفاده می‌شود. با اجرای این روش، دیواره‌های گود پایدارتر شده و شرایط ایمن‌‌تری برای اجرای پروژه ایجاد می‌شود. سازه نگهبان دارای انواع مختلفی است که هر کدام روش اجرای متفاوتی داشته و به دنبال آن مزایا و معایب مختلفی نیز دارند.