Published in: الهندسة المدنية

طرق بناء الأوتاد

Author م. مناس مراد

Published on: 12 ديسمبر، 2023

م. مناس مراد

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تمّ استخدام أساسات الأوتاد (الأكوام) لسنواتٍ عديدة لحمل ونقل الأحمال إلى التربة التي تُعتبر ضعيفة البنية بسبب ظروفها. كانت القرى والبلدات تقع على مقربةٍ من البحيرات والأنهار بسبب توافر المياه، وقد تمّ تدعيم الأرض الضعيفة التحمُّل باستخدام أوتادٍ خشبيةٍ تمّ غرسها يدوياً في الأرض، أو تثبيتها في الثقوب التي مُلئت بالحجارة والرمل، وقد تمّ تعديل الطرق البدائية، وتمّ إدخال تقنيات التثبيت بواسطة الآلات التي تعمل بالبخار أو الديزل. مع التقدُّم في التقنيات، تمّ تطوير أنظمة تركيب الأوتاد، وغالبًا ما تكون أسس الأوتاد مطلوبةً لمقاومة التحميل الجانبي، والتي تأتي من مجموعةٍ متنوعةٍ من المصادر بما في ذلك الرياح، والزلازل، والأمواج، وتأثيرات السفن. ^[1]

ما هي طرق بناء الأوتاد؟

يتمُّ بناء أساسات الأوتاد بعدة طرقٍ مختلفة، مع مجموعةٍ متنوعةٍ من الفوائد والتطبيقات، حيث يتمّ حفر جميع الأساسات أو دفعها إلى الأرض بطريقةٍ أو بأخرى، وهناك أربعة أنواعٍ رئيسيةٍ من أساسات الأوتاد، ولكل منها طريقة البناء الخاصة به: ^{[2] [3]}

1- أوتاد مدفوعة

الأوتاد المدفوعة هي النوع الكلاسيكي من الأساسات، حيث يتمّ دفع الأوتاد إلى التربة، مما يدفع حجمًا متساويًا من التربة إلى الجانب، ويضغط المنطقة حول الأوتاد، مما يزيد من قدرتها على التحمُّل، وهذا النوع من الأوتاد غير مناسبٍ للتربة المُشبعة أو الغرينية، لأنها تجفّ ببطء، ولا يمكن ضغطها بنفس الطريقة.

ويمكن بناؤها باستخدام الخشب، وهي تقنيةٌ عمرها قرون، وما زالت تُستخدم في جميع أنحاء العالم، أو أوتاد خرسانية مُسبقة الصب المقواة، لتتحمّل الضغوط، ويتمّ دفع هذه الأوتاد باستخدام مطرقة الخوازيق، وهناك أوتادٌ فولاذيةٌ ذات مقطعٍ أنبوبي، أو صندوقي أو H، كما يتمُّ استخدام أوتاد صفائح الفولاذ المتشابكة على نطاقٍ واسع، وفي الغالب لبناء الجدران.

يتمُّ تصنيع هذه الأوتاد مسبقًا قبل وضعها في موقع البناء، وقد تكون الأوتاد الخرسانية مسبقة الصب مربعةً، أو مثمنةً، أو أي شكلٍ آخر في المقطع العرضي، وقد يتمُّ صبّها بالطول الكامل المطلوب وفق القدرة على النقل والتعامل معها، أو يمكن جمع الوحدات لتشكيل أطوال أطول.

ما هي طرق تركيب الأوتاد المدفوعة؟

1- يتمُّ ضربها بواسطة المطرقة على رأس الأوتاد لجعلها تخترق الأرض.

2- يتمُّ دفع العناصر الواحدة تلو الأخرى عن طريق الاهتزازات.

2- الأوتاد المحفورة

يتمُّ إنشاء الأوتاد المحفورة، والمعروفة باسم الأوتاد البديلة، حيث يتمُّ حفر ثقوبٍ كبيرةٍ في الأرض إلى العمق المطلوب، وملؤها بالخرسانة، وتُعتبر فعالةً للغاية، لأنها تنقل الحمل إلى طبقات الصخور والتربة العميقة في الأسفل مع الحدّ الأدنى من الاستقرار، وهو مثاليٌّ لدعم الهياكل.

مثل: الجسور، والحماية من الفيضانات، أما بالنسبة لبعض الأوتاد المحفورة، فيتمُّ توسيع الجزء السفلي من الحفرة، مما يؤدي إلى إنشاء بصيلةٍ في النهاية، ويتمُّ إنزال قفصٍ حديدي في الحفرة قبل وضع الخرسانة أو إسقاطها بعد صب الخرسانة، وتستخدم بالقرب من المباني القائمة، ويمكن أن تختلف طرق بنائها اعتمادًا على ظروف الأرض، وهناك نوعان فرعيان شائعا الاستخدام، وهما:

الأوتاد الدوّارة (Bored Piles)

تستخدم في الحالات التي توجد فيها عوائق كبيرةٌ في الأرض، حيث يتمُّ تركيب غلافٍ مؤقتٍ بواسطة منصة الأوتاد لتوفير الدعم، وتتمُّ إزالة الأرض والصخور عن طريق عملية الثقب من داخل الغلاف، ثم يتمُّ تركيب قفص حديد التسليح، وعند هذه النقطة يتمُّ ملء الحفرة بالخرسانة، وتتم إزالة الغلاف.

الأوتاد المستمرة (Continuous Flight Auger (CFA))

لا يتطلب استخدام غلافٍ مؤقت، فهو النوع الأكثر تنوعًا وفعاليةً، وشائع الاستخدام من أساسات الأوتاد المدفوعة، وبمجرد حفر الحفرة، يتمُّ ضخُّ الخرسانة، ثم يتمُّ إدخال قفصٍ حديدي. من الضروري استخدام وسيلةٍ لتثبيت الجدران عندما تكون التربة منخفضة التماسك لتجنُّب التدفُّق العكسي للأرض إلى التجويف الذي تمّ إنشاؤه، فمثلاً: يمكن استخدام طين البنتونيت (خليط الماء والطين) الذي يمكن أن يجعل من الممكن استبدال الغلاف، وفي هذه الحالة تمتلئ جوانب الحفر بالطين مع تقدمه ثم يتمُّ صب الخرسانة بدءاً من أدنى نقطة باستخدام أنبوب الغمس.

3- الأوتاد المدفوعة والمصبوبة في الموقع

تجمع الأكوام المدفوعة والمصبوبة في الموقع بين مزايا الطريقتين السابقتين، وأحد الخيارات هو نوع الغلاف الدائم، حيث يتمُّ دفع غلافٍ أنبوبي أو غلافٍ مصنوعٍ من الفولاذ الرقيق المموّج والمقوى إلى الأرض باستخدام شياق يتمُّ إدخاله في الغلاف. بعد ذلك يتمُّ سحب الشياق، وترك الغلاف في مكانه، أخيرًا يتمُّ صبُّ الخرسانة في الغلاف، لتكوين أوتادٍ مركبة من الفولاذ والخرسانة.

خيارٌ آخر من هذا النوع من الأساسات المعروف باسم نوع فرانكي، يتمُّ إنزال (قميص) أنبوبٍ مغلقٍ من مقدمته في التربة، ويشكل هذا القميص الفراغ الذي سيجري تنفيذ الوتد داخله ثم يتمُّ إنزال قفصٍ حديديّ مسلح في الغلاف، والذي يتمُّ بعد ذلك سحبه أثناء وضع خليط الخرسانة الجاف. يتمُ ضغط الخرسانة، ويتمُّ دفع بعضها للخروج من قاع الغلاف، مما يشكل بصيلةً مكبرةّ، مما يزيد من قدرة تحمُّل الركيزة.

ما هي طرق الدقّ في أوتاد فرانكي

1- يمكن أن يُدَّق القميص داخلياً بسقوط كتلةٍ سقوطاً حراً على أسفل الأنبوب للوصول للمستوى المطلوب.

2- يمكن استخدام مدقةٍ تعمل بالديزل عند الطرق على القميص في القسم العلوي.

4- الأوتاد المجمّعة

الأوتاد المجمعّة، أو الأعمدة الحجرية، تعني أن الركام المضغوط يُستخدم لتشكيل الأساس عوضاً من الخرسانة، ويعمل هذا النوع باستخدام العملية التالية:

1- يتمُّ إدخال الغلاف عندما يُحفر الثقب، ويتمُّ إسقاط الركام فيه في طبقات، وبعد ذلك يتمُّ اهتزازها أو ضغطها أثناء سحب الغلاف.

2- يُدفع الركام بشكلٍ جانبي إلى التربة المحيطة لتحسين قدرة التحمُّل.

3- تعمل الأوتاد المجمّعة من النوع الاهتزازي على إنشاء أعمدةٍ مضغوطة بكثافةٍ مصنوعةٍ من الحصى أو مادةٍ مشابهة باستخدام غلافٍ اهتزازي، وتعمل عملية الإزاحة على تكثيف التربة الحبيبية المحيطة.

4- مع أوتاد الركام من نوع (Geopier)، يتمُّ دكُّ الركام في غلاف، مما يجبره على الخروج من القاع لإنشاء بصيلةٍ كثيفة، ويتكرر ذلك على مراحل، حيث يُسحب الغلاف، ويُكثّف وتُحسّن قوة التربة المحيطة به.

ما هي المزايا الرئيسية للأوتاد المحفورة؟

1- يمكن تمديد الأوتاد ذات الأطوال المتغيرة من خلال التربة الناعمة، أو القابلة للضغط، أو المنتفخة.

2- يتمُّ تقليل الحفريات الكبيرة والردم اللاحق.

3- يحدث اضطرابٌ أقل في التربة المجاورة.

4- يمكن تمديد الأوتاد إلى أعماقٍ أقل من اختراق الصقيع، وتغير الرطوبة الموسمية.

5- بالنسبة للعديد من حالات التصميم، توفر الأوتاد المثقوبة قدراتٍ أعلى مع اقتصادياتٍ أفضل من الأكوام المدفوعة.

6- الاهتزاز منخفضٌ نسبيًا، مما يُقلّل من اضطراب الأوتاد أو الهياكل المجاورة. ^[4]

ما هي مزايا الأوتاد المدفوعة؟

تشمل المزايا الرئيسية للأوتاد المدفوعة ما يلي: ^[4]

1- يمكن أن تكون الأوتاد مسبقة الصنع حسب المواصفات المطلوبة.

2- يمكن عمل أوتادٍ من أي حجم، وطول، وشكل مسبقًا، واستخدامها في الموقع، ونتيجةً لذلك، فإن التقدُّم في العمل سيكون سريعاً.

3- تعمل الأوتاد المدفوعة في التربة الحبيبية على ضغط كتلة التربة المجاورة، ونتيجةً لذلك يتمُّ زيادة قدرة تحمُّل الأوتاد.

4- العمل أنيق ونظيف، ويمكن تقليل الإشراف على العمل في الموقع إلى الحدّ الأدنى، ومساحة التخزين المطلوبة أقلّ بكثير.

5- يمكن استخدام الأوتاد المدفوعة بشكلٍ ملائمٍ في الأماكن التي يُنصح فيها بعدم حفر الثقوب خوفًا من خروج المياه الجوفية تحت الضغط.

6- تُعتبر الأوتاد المدفوعة هي الأكثر تفضيلاً للأعمال فوق الماء، مثل: الأوتاد في هياكل الرصيف، أو الأرصفة البحرية.

ما هي الأمور التي تؤدي إلى اختيار طريقة تركيب الأوتاد؟

هنالك عدة عوامل مختلفة تؤثر على نوع الوتد التي نحتاج إليه، والطرق التي يمكن بها تركيب الوتد، وهي: ^[5]

1- عمق الحفر الخاص.

2- المادة التي تتكون منها الأساسات.

3- الزاوية التي يتمُّ بها دفع الأساسات.

4- القضايا البيئية التي قد تؤثر على السكان المحليين، أو النباتات، أو الحيوانات.

بمجرد تقييم احتياجنا، سنشعر بقدرةٍ أفضل على تحديد أي من طريقتي تركيب الأوتاد الأكثر شيوعًا التي ستستخدم في المشروع (الإزاحة أو الاستبدال)، ويشير تركيب أوتاد الإزاحة إلى طريقة دفع الأساسات إلى الأرض دون إزالة أي من التربة أو المواد الأخرى أولاً، ويشير تركيب أوتادٍ بديلةٍ إلى طريقة حفر حفرة أولاً ثم تُّتم مناورة الوتد فيها.

ما هي معايير وطرق اختيار أفضل نوعٍ من الأساسات؟

1- التنسيق الهيكلي والجيوتقني

يجب أن يضمن الجهد المنسّق بالكامل من المهندسين، والجيولوجيين، الجيوتقنيين، والإنشائيين دمج نتيجة تحليل الأساس بشكلٍ صحيح في تصميم الأساس العام، ويمتدُّ هذا التنسيق من خلال الخطط، والمواصفات، واجتماعات ما قبل البناء، والبناء.

2- اعتبارات الفشل

يمكن تصنيف فشل الهيكل أو الأساس على أنه انهيارٌ فعليٌّ أو فشلٌ وظيفي، ويمكن أن يكون الفشل الوظيفي نتيجةً للانحراف المفرط، والاهتزاز المفرط، والتدهور المبكر بسبب العوامل البيئية. بالنسبة للهياكل الحيوية، قد يكون الفشل في تلبية المتطلبات الوظيفية خطيرًا، لذلك يجب على المصممين أن يكونوا على درايةٍ ليس فقط بدرجة الأمان ضدّ الانهيار، ولكن أيضًا بتأثيرات الاستقرار والاهتزاز على الأداء الوظيفي.

3- اعتبارات بنية التربة

ستحدّد الأهمية الوظيفية والاعتبارات الاقتصادية للهيكل نوع ودرجة برنامج استكشاف واختبار الأساس، وبرنامج اختبار الأوتاد، وتحليلات التسوية والتسرُّب، والنماذج التحليلية للوتد والهيكل. بالنسبة للهياكل الحرجة، يجب أن يحدّد برنامج اختبار الأساس بوضوح المعلمات الضرورية لتصميم أساس الأوتاد، مثل: أنواع التربة، وملامحها، وقوة التربة. ^[5]