جايگاه مهندسي ژئوتکنيک در ساخت و سازهاي شهر اصفهان
نويسنده: مهندس علي طاهري (1)
چکيده
کليد واژه ها: اصفهان، مهندسي ژئوتکنيک، عمران شهري، ساخت و سازهاي شهري، نظام مهندسي.
ديباچه
1- کهن بودن بافت و وجود بناهاي ميراث فرهنگي در جاي جاي شهر،
2- تنوع شرايط زمين شناسي و ويژگي هاي مهندسي زمين،
3- تنوع شرايط آب زمين شناسي و وضعيت آب هاي زيرزميني.
کارهاي مهندسي ژئوتکنيک که از ديرباز بستر هر نوع فعاليت عمراني در سطح و زير زمين بوده، مي بايد با توجه به واقعيت هاي بالا در شهر اصفهان سامان داده شود، و داده هاي مورد نياز طراحانِ بناها، با در نظر گرفتن شرايط پروژه ها تأمين شود.
در اين مقاله که با هدف تبيين جايگاه مهندسي ژئوتکنيک در ساخت و سازهاي شهري در اصفهان تهيه گرديده، با شرح مختصر ويژگي هاي زمين شناسي مهندسي شهر اصفهان، به موارد کاربردي آن ها در ارتباط با پي سازي، پايداري و پايدارسازي شيب و استفاده ي بيش تر از فضاهاي زيرزميني در بناهاي شهري اشاره مي شود.
شايان ذکر است ک مقاله ي پيش رو تنها با هدف طرح مسأله و شرح کلي موضوع و فراهم آوردن بستري مناسب براي ادامه ي مباحث ريز و تخصصي در آينده، تهيه و تنظيم گرديده است. انتظار مي رود با رويکرد فعالي که سازمان نظام مهندسي ساختمان استان اصفهان براي به کار گرفتن دانش و فن ژئوتکنيک در ساخت و سازهاي شهري از خود نشان داده، اين توجه نقطه ي آغاز مناسبي براي ادامه ي مطلوب راه در آينده، با همکاري و همفکري تمامي متخصصان و کارشناسان و اهل فن در سطح استان و کشور باشد.
گفتني ست در مقاله ي پيش رو، طرح هاي زيربنايي مانند تونل ها و ايستگاه هاي قطار شهري و تونل هاي تأسيسات زيرزميني مورد توجه قرار نگرفته اند، و بحث در مورد آن ها به فرصت هاي بعدي موکول شده است.
مروري بر شرايط زمين شناسي مهندسي شهر اصفهان
چينه شناسي زير سطحي
سنگ بستر
توده هاي شيل اغلب در سطح هوازده و سُست اند، به تدريج با افزايش عمق بر کيفيت مهندسي آن ها افزوده مي شود. در هر حال، عليرغم هوازدگي در سطح، کيفيت اين سنگ ها چندان پايين تر از کيفيت رسوبات آبرفتي پوشاننده ي آن ها نمي باشد. ماسه سنگ که در لابه لاي لايه هاي شيل آشکار مي گردد، از ويژگي هاي مهندسي برتري، از لحاظ مقاومت و ظرفيت باربري، برخوردار است.
رسوبات آبرفتي دامنه اي
رسوبات آبرفتي رودخانه اي
رسوبات آبرفتي ريزدانه که سطح شهر اصفهان را در اغلب بخش ها پوشانيده، در بخش جنوبي زاينده رود از ضخامتي متغير برخوردار بوده، در بخش شمالي رودخانه به سمت شمال، به تدريج بر ضخامت آن ها افزوده مي شود؛ به طوري که مثلاً در حوالي خيابان عباس آباد ضخامت اين رسوبات حدود 6 متر است و در ميدان امام حسين (ع) به حدود 10 متر، حوالي ميدان شهدا به حدود 13 متر و در ورودي خيابان بهارستان به حدود 19 متر مي رسد، اين رسوبات در بستر فعلي زاينده رود از ميان رفته، بستر رودخانه کلاً از رسوبات درشت دانه تشکيل مي گردد.
رسوبات رودخانه اي درشت دانه که به جز بستر زاينده رود، در ساير نقاط شهر در زير رسوبات ريزدانه اي رويين قرار گرفته، از مخلوط شن و ماسه ي ساييده و صيقلي با پُر کننده ي ناچيزي از لاي تشکيل گرديده است. اين رسوبات داراي چسبندگي ناچيز و يا فاقد چسبندگي مي باشند. از مشخصه هاي اين رسوبات، تراوايي و ظرفيت آب گذري بالاي آن ها است؛ به طوري که تشکيل آبخوان اصلي آب هاي زيرزميني را در منطقه مي دهند. رسوبات درشت دانه اي رودخانه اي بيش ترين ضخامت را (حدود 30 متر) در زير بستر زاينده رود، حوالي سي و سه پل دارا مي باشد، که به سمت شمال و شمال غرب به تدريج از ميزان آن کاسته شده، در بخش شمال غربي شهر (غرب ملک شهر) به کلي ناپديد مي گردد.
در زير رسوبات درشت دانه، لايه ي ديگري از رسوبات ريزدانه ي رودخانه اي قرار دارد، که در عمق حدود 30 متري سطح سزمين به پايين، تشکيل دهنده ي زمين در محدوده ي شهر اصفهان مي باشد. اين لايه متراکم تر و مستحکم تر از لايه ي رسوبات ريز دانه ي رويين مي باشد. در ضمن، در بخش شمال غربي شهر، با فقدان لايه ي رسوبات درشت دانه، لايه هاي رسوبات ريزدانه عملاً يکي شده، تفکيک آن ها از هم مشکل مي گردد.
يکي از پديده هايي که به فراواني در منطقه يافت مي شود، وجود عدسي هايي از رسوبات ريزدانه در لابه لاي رسوبات درشت دانه و برعکس مي باشد، که در برخي موارد مي تواند درخور توجه باشد. همچنين، وجود عدسي هايي از ماسه ي ريزدانه ي يکنواخت (Uniform) در ميان رسوبات درشت دانه ي رودخانه اي، که در اصطلاح عاميانه به «ماسه بادي» موسوم است، از ديگر پديده هاي درخور توجه در شهر اصفهان مي باشد. پديده ي قابل ملاحظه ي ديگر در رسوبات درشت دانه ي رودخانه اي، جوش خوردگي موضعي آن ها با ملات کربناته و تشکيل نوعي جوش سنگ است که در اصطلاح محلي به «سورد» موسوم است؛ ضمن آن که ضخامت و حدود گسترش هيچ يک از پديده هاي موضعي ياد شده از قانونمندي معيني تبعيت ننموده، در صورت عدم برخورد از حين گمانه زني هاي مطالعاتي، قابل پيش بيني نمي باشد.
خاک هاي دستي
به لحاظ شرايط کنترل نشده ي حاکم بر تشکيل خاک هاي دستي و نيز ميزان تراکم متفاوت پس از شکل گيري (در اثر لرزش و يا نفوذ آب)، خاک هاي دستي از ويژگي هاي فيزيکي - مکانيکيِ بس متغيري در محدوده ي شهر برخوردار بوده، کلاً شرايط نامطمئني را از نظر مهندسي دارا مي باشند.
وضعيت آبخوان و آب هاي زيرزميني
آبخوان رسوبات رودخانه اي
جهت عموميِ جريان آب هاي زيرزميني در بخش شمالي زاينده رود، جنوب غرب به شمال شرق با شيب ميانگين حدود 0/3 درصد مي باشد. ضمن آن که با پايين رفتن سطح آب در بستر رودخانه، اُفت سطح ايستايي آب زيرزميني به سمت شمال به تدريج بيش تر و بيش تر شده، در نتيجه، شيب آبي جريان افزايش مي يابد. تعداد قابل توجهي چاه آب در سطح شهر اصفهان در حال بهره برداري هستند که آب آبخوان مزبور را براي تأمين نياز فضاهاي سبز و ديگر نيازهاي آبي شهر تخليه مي نمايند.
آبخوان رسوبات آبرفتي دامنه اي و سنگ بستر
جهت عمومي جريان آب هاي زيرزميني در آب خوان رسوبات آبرفتي دامنه اي و سنگ بستر از جنوب به شمال بوده، شيب جريان آب در آن به طور ميانگين حدود 10 برابر شيب جريان آب در رسوبات رودخانه اي مي باشد. در ضمن، ميزان نمک هاي محلول در آب هاي زيرزميني در اين آبخوان بيش تر از آبخوان رسوبات آبرفتي رودخانه اي مي باشد.
ويژگي هاي مهندسي سازندهاي زمين شناسي
به طوري که در جدول 1 ملاحظه مي گردد، ويژگي هاي مهندسي زمين در گستره ي شهر اصفهان، با توجه به تفاوت شرايط زمين شناسي سازندهاي تشکيل دهنده ي آن، بسيار متفاوت و متنوع مي باشد.
تأثير شرايط زمين شناسي مهندسي و ژئوتکنيکي بر طرح هاي عمران شهري
مهندسي پي و پي سازي
پيش از پرداختن به اصل موضوع، ذکر يک نکته ي اساسي و مهم ضروري ست: در تعيين بار مجاز پي، مي بايد دو معيار مستقل زير به طور توأم مورد توجه قرار گيرند:
1- بار پي از ظرفيت باربري ايمن (Safe Bearing Capacity) خاک بستر پي، با اعمال ضريب ايمني مجاز، تجاوز ننمايد.
2- نشست پي در حدي نباشد که ايمني سازه را به خطر اندازد.
بدين ترتيب، با توجه به ويژگي هاي ژئوتکنيکي متفاوت سازندهاي زمين شناسي در محدوده ي شهر اصفهان، که در جدول 1 آورده شده، بار مجاز پي ممکن است از نقطه اي به نقطه ي ديگر تفاوت چشمگيري داشته باشد. ضمن آن که، علاوه بر ويژگي هاي ژئوتکنيکي زمين، بار مجاز پي متأثر از شکل، ابعاد، عمق بستر و عمق فروشاني (Embedment Depth) پي نيز مي باشد.
براي روشن شدن مسأله و نشان دادن چگونگي تغيير بار مجاز پي در نقاط مختلف شهر اصفهان، بار ايمن و نشست يک پي فرضي به ابعاد 10×2 متر، عمق بستر 2 متر و عمق فرونشاني 0/5 متر، با ضريب ايمني 4 محاسبه گرديده، در جدول 2 عرضه مي شود. در اين محاسبات، با توجه به بالا بودن سطح ايستابي در منطقه، تمامي سازنده ها به صورت غوطه ور در آب فرض شده است، تا امکان مقايسه ي بهتر تأثير ويژگي هاي ژئومکانيکي زمين بر ظرفيت باربري ايمن پي فراهم گردد.
گودبرداري و پايداري شيب
در شهر اصفهان، با توجه به شرايط ويژه ي زمين شناسي مهندسي و آب هاي زيرزميني، که شرح آن رفت، گودبرداري در برخي نقاط با مشکلات زيادي همراه بوده، مستلزم اعمال تمهيداتي براي حفاري و يا نگه داري ديواره هاي گود مي باشد. براي مثال، در بخش جنوبي شهر که سنگ بستر در سطح زمين ظاهر مي گردد، درصورت برخورد به لايه هاي ماسه سنگي سخت و ساينده، گودبرداري با ماشين آلات حفاري متداول ممکن است امکان پذير نگرديده، نيازمند چال زني و آتش کاري و يا استفاده از چکش هاي هيدروليکي سنگين باشد. از سوي ديگر، گودبرداري در رسوبات درشت دانه اي رودخانه اي در کنار زاينده رود و يا بخش هاي شمال شهر، مستلزم خشک اندازي و پايدارسازي ديواره هاي گود است، که تنها با به کارگيري فنون و تمهيدات خاص ميسر مي گردد.
گودبرداري در کنار ساختمان هاي قديمي که در بخش هاي مرکزي شهر، برخي بر روي خاک هاي دستي بنا گرديده، مشکلات و مسائل خاص خود را دارد، که فائق آمدن بر آن که مستلزم آگاهي کافي از وضعيت زمين و اعمال روش هاي مناسب پايدارسازي و نگه داري مي باشد.
استفاده ي بيش تر از فضاهاي زيرزميني
در شهرهايي همچون اصفهان، که بر روي رسوبات آبرفتيِ تراوا و آب دار بنا گرديده، رفتن به عمق و استفاده از فضاهاي زيرزميني به سادگي ميسر نبوده، نيازمند اعمال تمهيداتي براي ناتراواسازي و پايدارسازي زمين مي باشد. بدين منظور، امروزه فنوني نظير کوبيدن سپر فولادي (Sheet Pile)، نصب شمع هاي هم پوشان (Secant Piles)، نصب ديوار ديافراگمي (Diaphragm Wall) و يا تزريق دوغاب (Grout Injection) به کار گرفته مي شوند.
از ميان فنون ياد شده، کوبيدن سپر فولادي در اصفهان، به دليل وجود عدسي هايي از جوش سنگ آبرفتي (سورد) در لابه لاي رسوبات درشت دانه اي رودخانه اي، عملي نبوده، استفاده از روش هاي ديگر ميسر مي باشد؛ که انتخاب آن بستگي به نتايج بررسي هاي فني - اقتصادي خواهد داشت. تزريق دوغاب که مي تواند با «فشار پايين» يا «فشار بالا» صورت گيرد، شايد اقتصادي ترين راهکار براي ناتراواسازي و پايدارسازي خاک در محدوده ي مرکزي شهر اصفهان باشد.
در بخش هاي جنوبي شهر که بر روي سنگ بستر و يا رسوبات آبرفتي دامنه اي بنا گرديده، با توجه به شرايط متفاوت زمين و آبخوان آب هاي زيرزميني، به کارگيري فنون فوق موردي نداشته، نگه داري ديواره ها با ريز شمع هاي فولادي و ميل مهارهاي تزريقي (يا ميخ خاک - Soil Nail)، و خشک اندازي از کف گود، اقتصادي ترين روش تجربه شده در منطقه مي باشد.
نتيجه گيري و پيشنهادها
1- تهيه ي مدل ژئوتکنيکي و آب زمين شناسي مهندسي شهر اصفهان، با همکاري سازمان ها و ارگان هاي دولتي، دانشگاه ها و بخش خصوصي، زير نظر سازمان نظام مهندسي، با هدف دست يابي آسان به اطلاعاتِ وضعيت ژئوتکنيکي و آب هاي زيرزميني هر محل در محدوده ي شهر. بدين منظور، مدل اوليه ي تهيه شده توسط نگارنده براي طرح قطار شهري اصفهان (در سال 1370) مي تواند به عنوان الگوي اوليه مورد استفاده قرار گرفته، داده هاي گردآوري شده طي 17 سال گذشته به آن اضافه گردد.
2- رشته ي مهندسي ژئوتکنيک به صورت يکي از رشته هاي نظام مهندسي ساختمان پذيرفته شده، دانش آموختگان اين رشته همانند ديگر فارغ التحصيلان رشته ها، با عضويت در نظام مهندسي، به فعاليت در زمينه ي ساخت و سازهاي شهري بپردازند.
3- طراحي و ساخت هر پروژه ي عمراني موکول به انجام مطالات ژئوتکنيکي متناسب با شرايط زمين و طرح، ولو در حد مراجعه به مدل و داده هاي موجود، بازديد محلي و قضاوت مهندسي گردد.
4- با برگزاري سمينارها و کارگاه هاي آموزشي، شرايط لازم براي آشنايي بيش تر مهندسان ناظر کارگاه هاي ساختماني با وضعيت ژئوتکنيکي گستره ي شهر و نوآوري هاي عملي و کاربردي در زمينه ي مهندسي ژئوتکنيک فراهم شود.
پينوشتها:
1- مدير عامل مهندسان مشاور زمين فن آوران، Email: zafa@zaminfanavaran.com
1- آزمايشگاه فني و مکانيک خاک وزارت راه و ترابري استان اصفهان، (1364 تا 1367)، «گزارش هاي مطالعات ژئوتکنيکي طرح هاي عمران شهري اصفهان»، 10 پروژه.
2- بخش تحقيقات زمين شناسي ذوب آهن اصفهان، (1361 تا 1366)، «گزارش هاي مطالعات زمين شناسي مهندسي و ژئوتکنيکي طرح هاي عمران شهري اصفهان»، 6 پروژه.
3- طاهري، ع. و همکاران، مهندسان مشاور، (1367 تا 1379)، «گزارش هاي مطالعات ژئوتکنيکي طرح هاي قطار شهري و عمران شهري اصفهان»، 26 پروژه.
4- زمين فن آوران، مهندسان مشاور، (1380 تا 1387)، «گزارش هاي مطالعات ژئوتکنيکي طرح هاي عمران شهري شهرداري اصفهان و ساير ارگان ها و سازمان ها»، 28 پروژه.
5- زمين فن آوران، مهندسان مشاور (1380 تا 1387)، «گزارش هاي مطالعات ژئوتکنيکي طرح قطار شهري اصفهان»، 20 جلد گزارش.
ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.
/ج