کنترل تغییر شکل و پایداری دیواره حفاری‌ها و گودبرداری‌ها تحت بارهای لرزه ای و استاتیک، یکی از مهمترین موارد در مهندسی ژئوتکنیک است. انتخاب یک سیستم پشتیبانی مناسب در مناطق شهری که بتواند پایداری حفاری‌ها را افزایش دهد نیز یکی از چالش طولانی مدت مهندسان طراحی بوده است. در میان انواع روش‌های پایدارسازی گود، روش خرپایی به چشم می‌خورد. خرپا یک سیستم پشتیبانی عمودی مثلثی شکل است که جهت ایمنی و بهبود قابلیت تحمل و مقاومت دیوارۀ گود ساختمان‌های در حال ساخت، در برابر تنش‌های جانبی استفاده می‌شود.

هنگامی که بخشی از خاک حفر می‌شود، تغییراتی در آن به وجود می‌آید. این تغییرات سبب ایجاد تنش و کرنش در اطراف خاک می‌گردد. این نیروها می‌تواند به ساختارها و زیرساخت‌های مجاور نیز منتقل شود و بر آن ها تأثیر بگذارد. با توجه به گسترش فضاهای شهری و افزایش میزان ساخت و ساز در مناطق مسکونی، تقاضای فزاینده‌ای برای استفاده از فضاهای زیرزمینی وجود دارد. بنابراین، ایمنی ساختمان‌های اطراف در مناطق شهری با طراحی حفاری‌های مهاربندی شده، به یک نگرانی جدی برای ساکنان مجاور تبدیل شده است. سیستم پایدار سازی گود به روش خرپایی، در صورتیکه اصولی اجرا شود، تا حدّ زیادی این نگرانی‌ها را رفع می‌کند.

• اعضای قائم
• اعضای افقی
• اعضای مایل
• ریشه یا پی عضو مایل
• ریشه یا پی عضو افقی

اعضای قائم را به صورت عمودی در چاه قرار می‌دهند و به طور کامل به دیواره می‌چسبانند. سپس ریشه شمع فلزی بتن‌ریزی می‌شود.

 یکی از مهمترین موارد برای طراحی و ساخت سیستم پشتیبانی از سازه‌های حفاری، پیش بینی عملکرد آنها قبل از شروع ساخت است. دو روش جهت طراحی سیستم سازه نگهبان خرپایی وجود دارد:

1. طراحی با استفاده از نرم افزارهای اجزای محدود مانند Plaxis
2. طراحی با استفاده از جدول‌های استاندارد

استفاده از نرم افزارهایی مانند Plaxsis مدل های دو بُعدی و سه بُعدی از طراحی سازه نگهبان‌های خرپایی به شما ارائه می‌دهد. در این نرم افزار، شبیه سازی‌ها، بر اساس سختی خمشی و محوری اعضای عمودی، مایل و خرپایی انجام می‌گیرد. تغییر شکل عوارض مجاور گود نیز بر همین اساس محاسبه می شود.

گاه نیز طراحی سیستم خرپایی از روی جداول مخصوص استاندارد صورت می‌گیرد. در این جدول‌ها، ابعاد فونداسیون و جزئیات اجرای سازه نگهبان خرپایی براساس ویژگی های خاک (مثل چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک) به صورت خطوط و نموداری ارائه شده است.

رفتار سیستم دیوار حائل و تجزیه و تحلیل عملکرد با توجه به تجزیه و تحلیل دو بعدی را می‌توان با استفاده از روش های استاتیک و نیمه استاتیک انجام داد. روش نیمه ایستا یکی از روش‌های تجزیه و تحلیل لرزه‌ای سازه‌ها است.

1. حفر چاه اعضای قائم
2. قرار دادن اعضای قائم در چاه
3. اجرای اعضای مایل سازه نگهبان
4. اتصال اعضای افقی و مورب خرپایی به اعضای قائم و مایل اصلی (تکمیل سیستم سازه نگهبان خرپایی)
5. اجرای مش بندی و بتن پاشی (شاتکریت)
6. اتصال خرپاهای مجاور به یکدیگر توسط اعضای مهاربندی

1- حفرچاه اعضای قائم اولین مرحله در اجرای خرپا

قدم اول در پایدارسازی گود ساختمان به روش خرپایی، حفر چاه اعضای قائم است. حفر چاه قبل از گودبرداری یا خاکبرداری صورت می‌گیرد. محل حفر چاه‌ها از طریق نقشه‌برداری مشخص می‌شود. قطر چاه‌ها حدود 80 – 100 سانتی‌متر در نظر گرفته می‌شود. عمق چاه‌ها نیز می‌بایست در حدی باشد که پایین‌تر از تراز کف فونداسیون باشد. این عمق اضافی، به منظور بتن ریزی در ریشه اعضای قائم (مرحلۀ بعد) می‌باشد.

2- قراردادن اعضای قائم در چاه

با حفر چاه، اعضای قائم را در چاه ها جایگذاری کرده و آن‌ها را به طور کامل به دیواره چاه می‌چسبانند. چسبیدن کامل اعضای قائم به دیواره کمک می‌کند تا تغییر شکل‌ها به حدأقل برسد و به این ترتیب عملکرد سازه نگهبان خرپایی به بهترین حالت برسد. سپس در قسمت ریشه یا پایۀ این المان‌های قائم، بتن‌ریزی انجام می‌شود. بتن‌ریزی باید به نحوی انجام شود که هیچگونه فضای خالی بین عضو قائم و دیوار باقی نماند. اعضای قائم می‌تواند تیرآهن IPE و یا نبشی باشد.

3- اجرای اعضای مایل سازه نگهبان

برای کارگذاری اعضای مایل، لازم است یک شیب پایدار در جلوی اعضای عمودی سیستم خرپایی ایجاد شود. این شیب از طریق خاکبرداری ایجاد می‌شود. عضو مایل را درون شیب قرار می‌دهند. سپس یک سمت آن را به عضو قائم جوش داده و یک سر آن را نیز روی فونداسیون قرار می‌دهند. بعد از آنکه اعضای مایل همگی در جایگاه شان قرار داده شدند، آن‌ها به وسیلۀ شناژ به یکدیگر وصل می‌کنند. این کار باعث می‌شود تا عملکرد سیستم خرپایی جهت تثبیت خاک و پایدارماندن گود، یکپارچه و هماهنگ شود.

4- مرحلۀ تکمیل سازه نگهبان خرپایی و مش بندی و بتن پاشی

سازه نگهبان خرپایی زمانی تکمیل می‌شود که اعضای افقی و مورب را به اعضای قائم و مایل اصلی جوش دهند. بعد از این کار، نوبت به خاکبرداری می‌رسد. خاکبرداری به صورت مرحله‌ای و طیّ چند مرحله صورت می‌گیرد. در هر مرحله برای جلوگیری از ریزش خاکبرداری، مش‌بندی و بتن‌پاشی صورت می‌گیرد. مش‌بندی با استفاده از مش فولادی انجام می‌شود.

5- اتصال خرپاهای مجاور به یکدیگر

پس از تکمیل سیستم خرپاها و مش‌بندی و بتن‌پاشی دیوارۀ گود، نوبت به وصل کردن خرپاها به یکدیگر می‌رسد. اتصالات از طریق اعضای مهاربندی انجام می‌شود. اتصال با اعضای مهاربند، از کمانش خارج از صفحۀ خرپاها جلوگیری می‌کند. نکته‌ای که در این مرحله وجود دارد این است که در اجرای اعضای مهاربندی نباید تعلل کرد و با پیشروی عملیات خاکبرداری باید آن را اجرا کرد.

1. در مواردی که نیاز به افزایش عمق باشد (چه در حین اجرا چه بعد از اتمام گودبرداری) نمی‌توان از سازه نگهبان خرپایی استفاده کرد.
2. از روش خرپایی نمی‌توان برای گودهای عمیق استفاده کرد. در مورد گودهای عمیق، یکی از گزینه‌های انتخابی روش‌ سولجر پایل و دیگری روش دیوار دیافراگمی است.
3. در برخی مواقع لازم می‌شود تا بخشی از خاک گود برداری شود؛ در این صورت این کار باید با روش‌های دستی انجام شود.

نکات مهمی که در اجرای سیستم خرپایی باید مورد توجه باشد این است که:

1. افزایش پارامترهای ژئوتکنیکی خاک مانند انسجام، زاویه اصطکاک و مدول الاستیسیته باعث کاهش حداکثر جابجایی افقی در دیواره سنگر عمودی خواهد شد. علاوه بر این، حدأکثر نشست در زمین مجاور و حداکثر تورم در پایین حفاری کاهش می‌یابد. به این ترتیب، بهبود پارامترهای مقاومت خاک ضریب ایمنی را افزایش می‌دهد.
2. با افزایش فاصله افقی بین خرپاها، حداکثر جابجایی افقی در زمین مجاور و حداکثر تورم در کف گود (حفاری) افزایش یافته و ضریب ایمنی کاهش می‌یابد.
3. رز روفینگ