سؤال اول این است که اصولاً چرا بهسازی خاک مطرح میشود؟
در گام اول میشه به این مورد اشاره کرد که دو نوع پی اصلی برای انتقال بار سازه به خاک وجود دارد.
– پی سطحی
– پی عمیق (شمع)
در صورت عدم ظرفیت باربری خاک زیر پی یا تراکم پذیر بودن زیاد خاک که منجر به نشستهای یکنواخت و غیریکنواخت زیادی میشود، بهطورکلی میتوان از شمع استفاده کرد.
استفاده از شمع باعث انتقال بارهای سازهای به بستر مقاوم در زیرزمین میشود که در مقایسه با خاک نزدیک به سطح زمین، ازنظر پارامترهای مقاومتی و تغییرشکلی در وضعیت مطلوبی به سر میبرد.
در سالهای اخیر، پس از مطالعات گسترده راهکار دیگری مبنی بر استفاده از ظرفیت باربری خاک سست و ضعیف زیر پی مطرحشده است. با این تفاوت که خاک سست مورد بهسازی قرارگرفته و بهبود مشخصات در آن صورت گیرد.
بهعبارتدیگر، با بهسازی خاک موردنظر و رساندن به شرایط مطلوب، میتوان از خاک سست تقویتشده، انتظار تحمل بارهای سازهای را داشت.
اهداف عمده بهسازی خاک:
– خاک سست موردنظر، مقاومت برشی و ظرفیت باربری مطلوبی داشته باشد.
– خاک موجود در مقابل بارهای وارده، نشستهای آنی و تحکیمی کم مطابق با نشستهای مجاز داشته باشد.
– دامنه تغییرات حجمی انبساطی خاک یا تغییرات حجمی انقباضی آن در حد معقولی باشد.
در ادامه، لیستی از مهمترین روشهایی که میتوان با به کاربردن آنها مشخصات مکانیکی خاک را بهبود بخشید، آورده میشود.
1- پیش بارگذاری و زهکشی:
زهکشی جزء اصلی بهسازی زمین میباشد. چه در شیروانیها و چه در بقیه نقاط زمین، به خاطر ایجاد ناپایداری با حضور آب در خاک، نیاز به زهکشی آب و خروج از خاک مخصوصاً در خاکهای ریزدانه رسی میباشد.
بسیاری از زیرساختهای ضروری جهان درکمربند ساحلی واقعشده است که از خاک بهشدت سست و ضعیف تا عمق قابلتوجهی تشکیلشده است. خاکهای آبرفتی نرم و رس دریایی ظرفیت باربری بسیار کم و ویژگیهای نشست پذیری زیادی دارد و برای ساخت سازههای بلند و ساختمانهای بزرگ تجاری و همچنین بندرگاهها و زیرساختهای حملونقل، تثبیت این نوع خاکها قبل از شروع ساختوساز ضروری است. تثبیت قبل از ساختوساز خاک نرم از طریق استفاده از یکبار اضافه بهتنهایی اغلب زمان زیادی طول میکشد. بهغیراز آن، بار موردنیاز برای رسیدن به بیش از 95 ٪ تحکیم این لایهها، مستلزم بهکارگیری میزان قابلتوجهی خاکریز در مدت طولانی است. برای غلبه بر این موانع، استفاده از پیش بارگذاری همراه با زهکشهای قائم و یا همراه با خلاء مفید بوده و اثربخشی این تکنیک را به نحو چشمگیری تسریع و هزینههای مربوط به آن را کاهش میدهد.
در بعضی موارد مخصوصاً راه و فرودگاه، برای بهسازی زمین نرم میتوان از پیش بارگذاری استفاده نمود که در حالت عادی تحکیم خاک رس کند صورت میگیرد. حالت رایج آن، استفاده از ستونهای زهکش زیر خاکریزی میباشد که به تسریع فرآیند تحکیم و انجام نشستهای اولیه الاستیک و ثانویه میانجامد.
در حالت کلی این روش زمانبر میباشد به این معنی که باید زمان طولانی، خاکریزی روی زمین موردنظر باقی بماند تا عمل تحکیم تکمیل شود. گرچه وجود زهکشها تا حدودی الزامی میباشد چون سرعت تحکیم را چند برابر میکند.
2- تراکم دینامیکی:
منارد در اوایل سال 1969 تراکم دینامیکی را اختراع و ترویج داد. مفهوم این روش بهبود خواص مکانیکی خاک با انتقال ضربات انرژی بالا به خاک سست است که در ابتدا باید ظرفیت باربری کم و پتانسیل تراکمپذیری بالا داشته باشد. در خاکهای غیراشباع، امواج دانههای خاک را جابهجا میکند و دوباره آنها را در یک پیکربندی متراکمتر مرتب میکند. تراکم دینامیکی تکنیکی است که بهوسیله آن مشخصات خاک موردنظر بهبود مییابد و بهخصوص این تکنیک در خاکهای دانهای سست و غیراشباع مؤثر میباشد.
تراکم دینامیکی با تکرار سقوط یک وزنهی سنگین در نقاط مختلف در سطح زمین انجام میگیرد. وزنهها معمولاً از صفحات فولادی یا بتن مسلح با وزن 10 تا 40 تن ساختهشدهاند. ارتفاع سقوط معمولاً در حدود 10 تا 30 متر میباشد که انرژی کل منتقلشده به خاک تابعی از وزن وزنه، ارتفاع سقوط، ابعاد شبکه و تعداد ضربات در هر نقطه میباشد. ریختن یکلایه از شن و ماسه درجایی که سفره آب زیرزمینی نزدیک سطح زمین باشد، قبل از تراکم موردنیاز میباشد. یکی از علل اصلی خرابیها در هنگام زلزله و زمان اعمال نیروهای شدید، گسیخته شدن زمین است. گسیختگی زمین ممکن است بهواسطه وجود ترکها و شکافها، حرکاتی مانند خزش یا از دست دادن مقاومت زمین به وقوع بپیوندد. پدیده از دست دادن مقاومت زمین در زمینهای ماسهای، ممکن است به دلیل افزایش فشار آب حفرهای روی دهد و این پدیده سیلان یا روان گرایی خاک نامیده میشود. یکی از روشهای بهسازی خاک برای افزایش مقاومت در هنگام اعمال بارهای دینامیکی، فرآیند تراکم دینامیکی است. معمولاً طراحی و کاربرد تراکم دینامیکی تا حد زیادی بر اساس ارزیابیهای مهندسی و اجرای آن بهصورت آزمایشی انجام میشود.
3- ستونهای خردهسنگی:
یکی دیگر از راههای مؤثر بهسازی زمین، استفاده از ستونهای سنگی است. با استفاده از ستونهای سنگی میتوان خاکهای سست را چنان تثبیت کرد تا بتوانند با استفاده از پیهای کمعمق قادر به تحمل بار سازههای سنگین باشد. ستونهای سنگی از ستونهای ماسهای یا تلفیقی از ماسه و سنگ شکسته (از سنگ تنها برای قابلیت کوبیده شدن استفاده میشود) تشکیل میشوند که در توده خاکهای دانهای ریز یا درشتدانه کوبیده میشوند. ستونهای سنگی در درجه اول به علت جابهجایی خاک سبب متراکم شدن آن میگردند، علیالخصوص در شمعهای ابتدایی که در آن زمان هنوز خاک بسیار شل است و در طراحی تنها از این موضوع استفاده میشود. ولی در مراحل نهایی هنگامیکه خاک تقریباً متراکم شده، لرزش حاصل از کوبیدن شمع میتواند یک فاکتور مهم در بهسازی خاک باشد؛ اما در مورد زهکشهای شنی میتوان گفت که از آنها در خاکهای مستعد روانگرایی استفاده میشود. زهکشهای شنی همانگونه که از اسمشان پیداست تنها از شن ساخته میشوند و برخلاف ستونهای سنگی نقش عمدهای در بهبود ظرفیت باربری خاک ندارند. آنها با استهلاک اضافه فشار آب حفرهای که در اثر زلزله ایجاد میشود، باعث کاهش نشست ناشی از روانگرایی میشوند. در خاکهای مستعد روانگرایی، ستونهای سنگی علاوه بر خصوصیات مقاومتی نقش زهکش را نیز ایفا میکنند.
از این روش برای بهسازی زمینهای رسی نرم و ماسهای با قابلیت روانگرایی میتوان بهره برد و در خاکهای لجنی این روش کاربرد چندانی نداشته و بهجای آن از روشهایی مثل اختلاط عمیق در خاک یا jet grouting استفاده میشود.
نکته مهم حائز اهمیت این است که در خاکهای بسیار نرم، پایداری ستونهای شنی یا خردهسنگی به خطر میافتد به این معنی که محصورشدگی برای حفظ پایداری ستون خردهسنگی از طرف خاک اطراف تأمین نمیشود. درنتیجه میتوان از ژئوسنتتیک برای محصور کردن ستون استفاده کرد.
این روش به دو صورت Vibro Replacement و Vibro Compaction صورت میگیرد.
4- اختلاط عمیق در عمق:
یکی از روشهای موفقیت آمیز بهسازی خاکهای نرم و زمینهای نامناسب جهت ساختوساز (مخصوصاً خاکهای لجنی)، روش اختلاط عمیق است که ازنظر اقتصادی و سرعت اجرا بهعنوان یکی از روشهای موفق در حوزه بهسازی شناختهشده است. در این روش سیمان بهعنوان یکی از مواد افزودنی مناسب معرفیشده است که باعث کاهش نشست و افزایش ظرفیت باربری میشود. بهعبارتدیگر، اختلاط عمیق در عمق روشی است که در آن مواد پایدارکنندهای نظیر سیمان یا آهک با استفاده از یک حفار و بهصورت مکانیکی با خاک مخلوط میگردد. فرآیند اختلاط خاک موجب تولید ستون یکنواختی با پهنای ثابت از خاک و ماده افزودنی میگردد. باهم پوشانی ستونها قبل از گیرش کامل، دیوارهای پیوستهای زیر سطح زمین به وجود میآید. دستگاه اختلاط ممکن است شامل متههای تکی به قطر 0.6 تا 1 متر و یا مجموعهای از 2 تا 8 مته به قطر تقریبی 1 متر باشد. این ستونها در آمریکا تا عمق بیشتر از 20 متر و در ژاپن تا عمق 60 متر اجراشده است.
مقاومت مخلوط بهدستآمده تابع عواملی نظیر نوع ماده افزودنی، نوع خاک و روش اجرا است. روش اختلاط عمیق برای بهسازی محدوده وسیعی از خاکهای نرم غیر آلی و خاکهایی که سایر روشهای بهسازی مثل ستونهای خردهسنگی در آنها مناسب نیستند، کاربرد دارد. البته در مورد خاکهای آلی نیز میتوان با در نظر گرفتن تمهیداتی نظیر اضافه کردن ماسه به مخلوط، ویژگیهای خاک را بهبود بخشید. محدودیتهای اقتصادی، زمانی یا محیطی گاه سبب میشود سایر روشهای بهسازی مانند پیش بارگذاری و روشهای دینامیکی مناسب نباشند چون روشهای تراکم دینامیکی یا انفجار به خاطر ارتعاشات و صدای زیاد برای مناطق شهری چندان قابلاستفاده نیستند فلذا روش اختلاط عمیق جایگزینی مناسب برای اغلب این روشها میباشد.
5- تزریق با فشار (Jet Grouting):
این روش که کاربرد آن طیف وسیعی از انواع خاکها را در برمیگیرد، با استفاده از تزریق دوغاب سیمان، رس و سیمان، بنتونیت و یا رزینها میسر میگردد. از مزایای این روش میتوان به کاهش نشست و افزایش قابلتوجه ظرفیت باربری خاک به علت افزایش در مقدار پارامتر چسبندگی اشاره کرد. روش جت گروتینگ با کاربری در انواع خاکها، بهمنظور ایجاد ستونها و یا دیوارهای با ظرفیت سازهای بالا یکی از بهترین، کاربردیترین و سریعترین روشهای بهسازی خاک میباشد که به علت فشار بسیار بالا حین تزریق، بافت خاک را کاملاً بر هم زده و باعث ایجاد ستونهای باربر با ظرفیت باربری بالا میشود. جت گروتینگ همچنین با افزایش پارامترهای مقاومت برشی خاک اطراف ستونها، مشخصات خاک اطراف را نیز بهبود بخشیده و از نشستهای احتمالی جلوگیری میکند.
درروش اجرای جت گروتینگ پس از حفاری گمانه تا عمق موردنظر، دوغاب تزریق به همراه آبوهوای فشرده تحتفشار بسیار زیاد (بین ۲۵۰ تا ۷۰۰ bar) و با سرعت بیش از یکصد متر بر ثانیه از نازل انتهای میله حفاری خارجشده و همزمان با دوران میله حفاری، خاک اطراف محل خروج مخلوط تخریب گشته و با آن آمیخته میشود. این عملکرد باعث ایجاد ستونی با مقاومت بالا از جنس خاک سیمانته شده میگردد.
یکی از بزرگترین مزیتهای استفاده از روش جت گروتینگ، امکان تحکیم در زمین باوجود آب زیرزمینی میباشد. وجود آب زیرزمینی در خاک باعث ایجاد هیچگونه مشکلی در اجرای جت گروتینگ نمیباشد.
6- ریز شمعها:
میکروپایل یا ریزشمع، شمعهایی با قطر کمتر از 300 میلیمتر هستند که غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه میباشند. تاریخچه استفاده از این روش به جنگ جهانی دوم برمیگردد که باگذشت زمان با توجه به کارایی و قابلیت اجرای آن در ساختمانهای آسیبدیده و همچنین سرعتبالای اجرا در ترمیم و تقویت سازهها رواج یافت.
لازم به ذکر است که این روش در ترمیم سازههای مهم و یا تاریخی، تونل سازی، تثبیت پیهای گسترده موجود و بسیاری از پروژههای مشابه کاربرد دارد.
لولهکوبی، حفاری و لولهگذاری خاک، تزریق و تسلیح، سه مرحلهای است که اساس بهسازی خاک به روش استفاده از میکروپایل را تشکیل میدهد.
در شرایطی که میکروپایلها باهدف تحکیم و بهسازی بستر پی سازهها مورداستفاده قرار میگیرند، محاسبات فنی میکروپایل مشابه با محاسبه شمعهای متداول است. این محاسبات مبتنی بر سه بخش طرح سازهای (Structural Design)، طرح ژئوتکنیکی (Geotechnical Design) و کنترل برش پانج (Cone Shear) میباشد.
در طرح سازهای، ظرفیت باربری المانهای میکروپایل مشتمل بر جدار فولادی، آرماتور تسلیح و دوغاب سیمان محاسبه میشود. این ظرفیت میبایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده به میکروپایل باشد.
در طرح ژئوتکنیکی، مقاومت اصطکاکی جداره میکروپایل با خاک اطراف محاسبه میگردد. این مقاومت اصطکاکی میبایست با ضریب اطمینان مناسبی، بالاتر از بار وارده باشد تا امکان جدایی میکروپایل از خاک قبل از وقوع تسلیم عوامل مسلح کننده میسر نگردد.
در گام نهایی طرح، با توجه به این امر که میکروپایلها دارای بار متمرکز زیاد و قطر کوچک بوده و برش پانج با توجه به سربارهای وارده محتمل میباشد، کنترل مقاومت در برابر برش پانچ که منتهی به ارائه طرح فلنج مناسب میگردد، انجام میشود.
نتیجه گیری:
در آخر برای درک بهتر کاربرد هریک از روش های بهسازی متناسب با نوع خاک، می توان به دیاگرام زیر اشاره کرد که اکثر روش های بهسازی را متناسب با کاربرد آنها در خاک های مختلف دسته بندی کرده است.
