اصلاح و تثبیت خاک - تعاريف گروه اصلاح و تثبیت خاک | Definitions of Soil Modification & Stabilization

اصلاح و تثبیت خاک

خاک طبیعی موجود در محل عملیات ساختمانی، همواره به‌طور کامل مناسب برای تحمل سازه موردنظر نیست به‌عنوان مثال در نشست‌های دانه‌ای خاک طبیعی ممکن است خیلی شل باشد. و نشست الاستیک زیادی از خود نشان دهد در چنین حالتی لازم است که قبل از احداث ساختمان خاک متراکم شود تا وزن مخصوص و در نتیجه مقاومت برشی آن افزایش یابد.

گاهی مواقع لایه فوقانی خاک نامطلوب است و باید برداشته شود و با خاکی باکیفیت بهتر که شالوده روی آن قابل احداث باشد عوض گردد

خاکی که از آن به‌عنوان خاکریز استفاده می‌شود، برای رسیدن به‌استحکام کافی، باید متراکم شود. همچنین در مناطق پست برای افزایش ارتفاع زمین خاکریزی و تراکم لازم می‌گردد.

گاهی مواقع در اعماق کم به‌لایه‌های نرم و اشباع رس برخورد می‌شود که ممکن است نشستهای قابل توجهی به‌وجود بیاورند برای جلوگیری از چنین نشستهایی لازم است تکنیکهای خاصی برای بهبود وضعیت خاک به‌کار گرفته شود.

بهبود خاکها به‌منظوره‌های زیر انجام می‌گیرد:

1- کاهش نشست سازه

2- بهبود مقاومت برشی خاک و در نتیجه افزایش ظرفیت باربری آن

3- افزایش ضریب اطمینان در مقابل لغزش شیروانی خاکریزها و سدهای خاکی

4- کاهش خصوصیات جمع‌شدن و تورم خاک

روشهای اصلاح خاکهای درجا برحسب نوع خاک محیط به سه گروه تقسیم می‌شوند:

- خاکهای دانه‌ای

تراکم ارتعاشی، شمع تراکمی ماسه‌ای، انفجار، سیستم قلم چاه (زهکشی)، خاک مسلح، تراکم و ستون سنگی.

- خاکهای چسبنده ریزدانه

الکترواسمز، انجماد زمین، اصلاح حرارتی، ترانشه خاک‌های دانه‌ای، تراکم دینامیکی، شمعهای آهکی، ستون سنگی، زهکشهای ماسه‌ای، ژئوگریدها، لایه‌های چسبنده غیرمتورم شونده، پیش تحکیم و انفجار

- سنگهای شکسته، درزه‌دار، ترک‌خورده

تزریق

تراکم

در صورتیکه مقدار کمی آب به‌خاک اضافه شود سپس باانرژی مشخصی متراکم شود. خاک تا وزن مخصوص خشک مشخصی متراکم خواهد شد. میزان رطوبتی که به‌ازاء آن حداکثر وزن خشک به‌دست می‌آید میزان رطوبت بهینه نامیده می‌شود. این تراکم معمولاً به‌وسیله غلطکها به‌دست می‌آید. نوع غلطکها بسته به‌نوع زمین تفاوت می‌کند.

- تراکم ارتعاشی (لرزه شناوری)

در این روش عامل اصلی تراکم واحد مرتعش کننده یا لرزنده می‌باشد که طول آن در حدود 2 متر است.

عملیات تراکم ارتعاشی شامل مراحل زیر است:

ابتدا توسط جت آب واحد مرتعش کننده به زمین رانده می‌شود. پس از اینکه به قسمت سست رسید به علت تراکم در آن ناحیه فضای خالی ایجاد می‌شود. این فضای خالی با ریختن مصالح دانه‌ای از سطح زمین پر می‌شود و مرتعش کننده به فواصل 0/3 متری بالا کشیده می‌شود و در هر وضعیت با حدود 30 ثانیه ارتعاش باعث تراکم می‌شود.

چنانچه خاکهای دانه‌ای باوزن مخصوص کمتر از حداکثر تحت ارتعاشات عمیق قرار گیرند، وزن مخصوص و در نتیجه ظرفیت باربری آنها افزایش می‌یابد.

روش لرزه شناوری از پروسه فشار ارتعاش استفاده می‌کند که در آن ارتعاشات عمیق امواج افقی را منتشر می‌کنند.

 پیش تحکیم

وقتی که لایه رسی عادی تحکیم یافته باقابلیت فشردگی زیاد در عمق محدودی از سطح زمین قرار گرفته باشد و به‌علت احداث سازه، انتظار نشت زیاد داشته باشیم از پیش بارگذاری برای حذف نشستهای بعد از احداث سازه استفاده می‌شود.

در این روش به‌کمک زهکشهایی که در زمین قرار داده شده و قراردادن سربار موقت با مقدار بیشتر از سربار ناشی از ساختمان خاک نشست خود را در زمانی کوتاه‌تر از زمان تحکیم تحت وزن سازه انجام می‌دهد و پس از برداشتن سربار موقت، سازه روی محل احداث می‌گردد.

زهکشی

با زهکشی کردن و خروج آب، مقاومت خاک افزایش می‌یابد و خاک نشست خود را می‌کند. از این روش در خاکهای دانه‌های و مخصوصاً رسی استفاده می‌شود، زهکشها می‌توانند عمودی، مایل یا افقی باشند.

ستون‌های سنگی

یک روش که امروزه از آن برای افزایش ظرفیت باربری شالوده‌های سطحی روی لایه‌های رس نرم استفاده می‌شود، استفاده از ستونهای سنگی است. در این روش سوراخی بامقطع دایره در لایه رس تا لایه سخت حفر شده با شن پر می گردد و متراکم می‌شود.

قطر ستون‌های سنگی بین 0/5 تا 0/75 متر و فواصل بین آنها حدود 1/5 تا 3 متر می‌باشد.

تراشه خاک‌های دانه‌ای

وقتی که عرض شالوده کم می‌باشد نشست عامل اصلی در ظرفیت باربری شالوده است. در رس‌های نرم نشست زیاد بوده و مشکلات زیادی ایجاد می‌کند به‌همین دلیل شالوده‌ها را روی ترانشه‌هایی از خاکهای دانه‌ای (ماسه) می‌سازند و به علت کاهش نشست، ظرفیت باربری مجاز آنها به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد.

لایه های چسبنده غیرمتورم شونده (CNS)

این تکنیک در پایداری شیروانی‌ها، برش در خاکریزها و همچنین مقاومت در برابر فشارهای تورم و بالا آمدگی بسیارموثر است. از این رو برای مقابله بافشارهای تورم در حین انتقال دیوارهای جناحی یا شالوده از لایه ت‌پ‌آ به‌ضخامت یک متر بین رس سست سیاه و دیواره‌های جناحی یا شالوده سازه استفاده می‌شود.

شمع تراکمی ماسه‌ای

شمع تراکمی یک شمع تغییر مکانی است که به منظور تراکم ماسه سست کوبیده می‌شود شمع‌های تراکمی ماسه‌ای با کوبش یک غلاف توخالی که یک صفحه جداشدنی در انتهای آن می باشداحداث شده و داخل غلاف ماسه ریخته می‌شود و همزمان متراکم می‌گردد، این روش محدود به خاک‌هایی می‌شود که حداکثر مقدار رد شده از الک شماره 200 (0/074  میلیمتر)  برابر 15 درصد و ذرات با قطر( کمتر از 0/005 میلی متر) حداکثر 3 درصد باشد.

انفجار

تراکم عمقی خاک‌های غیرچسبنده به کمک انفجار مواد منفجره مدفون به‌دست می‌آید. این روش زمانی قابل اجرا است که خاک کاملاً اشباع باشد. آب حفره‌ای در ابتدا به عنوان محیط ارتباطی عمل کرده بنابراین انتشار امواج ارتعاشی ناشی از انفجار را آسان می‌کند انفجار باعث ایجاد روانگرایی شده آب حفره‌ای اضافی به‌سطح زمین فرار کرده و خاک را متراکم می‌کند.

همچنین به کمک انفجار می‌توان لجن‌ها را تحکیم دینامیکی کرد. به این شکل که با انفجار خرجهای انفجاری خطی عمود بر لایه، حفره‌هایی عمودی به قطر بزرگ ایجاد می‌شود. این حفره با ماسه‌ای که قبلاً روی این منطقه ریخته شده بلافاصله پر می‌شود و در داخل لجن شمع‌های ماسه‌ای به‌وجود می‌آیند.

به علت موج انفجار، تنش‌ها افزایش یافته و باعث تحکیم می‌شود که زهکشی شمع‌های ماسه‌ای این امر را تسریع می‌کند.

الکترواسمز یا تحکیم الکتریکی

هنگامی که یک جریان مستقیم به‌یک خاک ریزدانه مرطوب متصل می‌شود آب حفره‌ای از آند به‌طرف کاتد حرکت می‌کند. این روش نوعی زهکشی می‌باشد در این روش باساخت یک چاه در کاتد آب را خارج می‌کنند. در این روش ولتاژ برق حدود 100 ولت می باشد.

انجماد زمین

یخبندان مصنوعی ( انجماد آب حفره‌ای) برای تسهیل در اجرای گودبرداریهای باز یا زیرزمینی (از قبیل تونل‌ها) به‌کار می‌رود. در این روش به‌کمک سردکن و یا مواد مختلف آب حفره‌ای محل را منجمد می‌کنند و سپس عملیات حفاری انجام می‌شود ضمناً به‌کمک این روش می‌توان سازه‌هایی را که بر اثر حوادثی نظیر رگاب و غیره به خطر افتاده‌اند نجات داد. با یخبندان، زمین ناتراوا و مقاوم می‌شود.

- انجماد به روش باز با ازت مایع

در این روش به‌کمک برودت ازت مایع، خاک محل را منجمد می‌کنند این روش پرهزینه، بی‌ضرر (ورود ازت به جو مشکل‌ساز نیست) و سریع می‌باشد.

- انجماد به روش بسته با آب نمک

در این روش به‌کمک سیالی مانند آمونیاک یا گاز فرئون و به‌کمک تبخیر سیال و در نتیجه ایجاد برودت، مایع تبرید را که معمولاً آب نمک است منجمد می‌کنند این روش کندتر از روش قبل می‌باشد و قطر لوله‌ها نیز بیشتر است.

- انجماد به روش مرکب

در این طریق یخبندان به‌کمک ازت و در نتیجه انجام سریع انجماد و نگهداری در حالت انجماد به‌روش آب نمک انجام می‌شود و در بعضی مواقع بهتر است قبلاً به‌وسیله تزریق فضاهای خالی را پر و تا حدی زمین را تحکیم نمود.

اصلاح حرارتی

اصلاح حرارتی به حرارت دادن خاک در محطیهای رسی گفته می‌شود. خاک چسبنده در کوره سوزانده می‌شود تا یک سنگدانه مصنوعی تولید کند در عمل مشعل‌های جاده‌ای متحرک را روی قشر اساس جاده باحرارت 500 تا 600 درجه سانتی‌گراد حرکت می‌دهند. خاک‌های بادی را می‌توان با سوزاندن سوخت‌های مایع یا گاز در گمانه‌های درزبندی شده پایدار نمود. باتوجه به‌نیاز این روش به منبع بزرگ حرارتی مقرون به صرفه نمی‌باشد.

 تراکم دینامیکی

تراکم دینامیکی عبارت از سقوط جرم سنگین (2 تا 4 تن) از فاصله 4 تا 35 متر می‌باشد، در این روش انرژی لازم برای تحکیم خاک تا عمق 15 تا 20 متر تولید می‌شود. عیب این روش ارتعاش زمین و ایجاد مشکل برای سازه‌های اطراف است و فقط می تواند دور از مراکز جمعیت مورد استفاده قرار گیرد.

پرده زمینی یا ژئو گریدها

ژئوگرید از مشتقات نفت ساخته می‌شود و دارای چشمه‌هایی با ابعاد مناسب برای قفل وبست با خاک یا سنگ‌های اطراف است به طوریکه بتوانند نقش مسلح کننده را ایفا کنند. از ژئوگریدها برای بهبود خاک در پروژه‌هایی مانند بزرگراهها، خاکریزها، سازه‌های نگهبان، مخازن، بندها، کانال‌ها و مهندسی سواحل استفاده می‌شود.

این ماده مقاومت بالا، شکل‌پذیری زیاد، مقاومت سایشی زیاد، توانایی در مقابل خستگی و پایداری در مقابل عوامل شیمیایی را دارا می باشد.

شمع آهکی

لای ریز و رس‌های لای‌دار با درصد رطوبت بالا (50%) به‌وسیله شمع‌ها و ستون‌های آهک زنده سریعاً پایدار می‌شوند. آهک زنده به‌وسیله کوبش داخل زمین شده تا 30% وزن خود آب جذب می‌کند انبساط حجمی آهک حساس باعث ایجاد فشار و در نتیجه تحکیم خاک می‌شود.

زهکش ماسه‌ای

این زهکش‌ها ممکن است همراه با پیش‌بارگذاری یا بدون آن (قلم چاه) باشند.

- زهکش ماسه‌ای همراه با پیش‌بارگذاری

در این روش که همراه با پیش بارگذاری می‌باشد زهکش‌های ماسه‌ای عمود در محل قرار می‌دهند و فشار سربار قرارداده شده باعث خروج آب از طریق زهکش‌ها و تحکیم زمین و انجام نشست نهایی می‌شود. برای این کار ابتدا طبق یک طرح منظم، سوراخ‌هایی در فواصل منظم در لایه‌های رسی حفر کرده و آنها را توسط ماسه بانفوذپذیری بالا پر می‌کنند.

- زهکش ماسه‌ای بدون پیش بارگذاری (قلم چاه)

از این سیستم برای زهکشی و در نتیجه متراکم‌تر کردن خاک‌های دانه‌ای (ماسه‌ای) استفاده می‌شود.

تزریق

از تزریق بیشتر به‌عنوان یک تکنولوژی نام می‌برند. پرکردن فضاهای خالی یک زمین با ماده‌ای روان (شل) که به‌تدریج خود را بگیرد و سخت شود تزریق نامیده می‌شود.

از تزریق در اصلاح خاک‌ها، جهت کنترل نفوذ و مقاومت دره‌ها، تونل‌ها، میله چاه‌ها، اجرا و نگهداری زیراساس راه‌ها، پایداری خاک‌های سست یا سنگ‌های شکسته در طی حفر تونل، دیوار جداکننده زیرزمین، کاهش احتمال روانگرایی رسوبات دانه‌ای، اشباع هسته در طی زلزله، نفوذناپذیر کردن فونداسیون سدها، تحکیم زمین و ناتراوا کردن آن، کنترل مشکل آب در زمان حفاری و نمونه‌گیری، پرکردن حفرات برای جلوگیری از نشست‌های اضافی، افزایش ظرفیت باربری مجاز نسبت به‌خاک بهبود نیافته برای سازه‌های جدید یا موجود و احداث کف افقی و پرده عمودی به‌داخل زمین برای تامین ناتراوایی و جدا نمودن مناطق آلوده از بقیه سطح زمین استفاده می‌شود.

از تزریق معمولاً در سنگ‌های شکاف‌دار توده‌های آبرفتی، سنگ‌های آهکی و سنگ‌هایی که در آن حفره‌ها و فضاهای خالی به‌وجود آمده استفاده می‌شود.

هنگام انجام تزریق باید مقدار دوغاب تزریقی و سرعت و فشار آن در هر زمان کنترل گردد تا باعث گسستگی، ایجاد شکست و خروج مواد از مسیرهای دیگر نگردد.

از این روش در اجرا و احداث شمع‌های اتکایی یا متقاطع، شالوده ها، دیوارهای پرده‌ای، و دیوارهای حفاظتی چاههایی به‌قطر بزرگ استفاده شده‌است.

از کاربردهای اساسی تزریق می‌توان به‌موارد ذیل نیز اشاره کرد:

- نفوذپذیری یا تراوایی

در اینجا دوغاب درون حفره‌های خاک یا رگه‌های سنگ نفوذ می‌کند و اثر بسیار اندکی برترکیب ساختار اصلی وارد می‌کند.

- تراکم یا تغییر مکان کنترل‌شده

در این حالت دوغاب، فشاری بر خاک یا سنگ وارد می‌کند تا آن را متراکم کند و نتیجتاً مناطق ضعیف‌تر متراکم می‌شود.

- شکست هیدرولیکی

هنگامی‌که فشار تزریق بزرگتر از مقاومت کششی خاک یا سنگ باشد مصالح جانبی گسیخته می‌گردند و دوغاب به‌سرعت درون مناطق شکسته شده نفوذ می‌کند بنابراین عدسی‌های دوغاب تقریباً جامد درون مناطق متراکم شده خاک یا سنگ جابه‌جا شده وارد می‌شوند.

معمولاً دوغاب‌ها و مواد تزریقی به دو حالت دوغاب نوع مخلوط و دوغاب نوع محلول استفاده می‌شوند، مایه تزریق به‌نوع زمین و هدفی که دنبال می‌شود بستگی دارد. هدف ممکن است تحکیم زمین یا ناتراوا نمودن آن باشد.

معیارهای تزریق به‌طور ساده عبارتند از:

- فشار پس‌زدن مایع سنگ‌ها

- حجم مایع تزریق شده برای حفره‌ها و زمین‌های آبرفتی

دوغاب نوع مخلوط

این دوغاب شامل خاک، سیمان، آهک، مواد کلوئیدی، رس، بنتونیت، سیمان با افزودنی‌های شیمیایی یا ماسه سیمان بدون مواد افزودنی، سیمان با مصالح پرکننده، سیمان رس، سیمان بنتونیت، رس با مواد مضاف یا بدون آن و سیمان با خاکستر بادی است.

اضافه کردن مواد شیمیایی و پراکنده‌سازها به دوغاب ویسکوزیته و تیکسوتروپی بیشتری به آنها می‌دهد. دوغاب سیمان هم برای نفوذپذیری و هم ایجاد مقاومت استفاده می‌شود هرچه نسبت آب به سیمان کمتر باشد مقاومت جرم پایدار شده بیشتر است.

دوغاب خاک رس به‌منظور نفوذناپذیری و تراکم به‌کار می‌روند. پیوندی که در دوغاب رسی شکل می‌گیرد بسیار ضعیفتر از دوغاب شیمیایی است. از پراکنده سازها مانند اکسید سدیم و کلرید کلسیم نیز در این سیستم استفاده می‌شود.

قابلیت نفوذ دوغاب‌های نوع مخلوط، تابعی از نسبت اندازه ذرات به‌اندازه حفره‌ها و ترک‌ها، روانی اولیه و همچنین ویسکوزیته اولیه آن است.

به‌این دوغاب‌ها، دوغاب‌های ریز یا دانه‌ای معلق نیز می‌گویند.

دوغاب ماسه نرم و سیمان با مقداری مواد شیمیایی برای تحکیم مناطق حفره‌دار به‌کار می‌رود. دوغاب سیمان‌-‌خاک اره و مقداری مواد شیمیایی برای ناتراوا کردن زمین به‌کار می‌رود.

دوغاب سیمان و ملات‌های فعال شده بامقاومت در حد بتن برای ناتراوایی و تحکیم به‌کار می‌روند.

دوغاب سیمان رس - بنتونیت بامقاومت 1 تا 5 میلی بار در حفره‌ها - سنگ‌ها و آبرفت‌ها برای ناتراوایی و تحکیم به‌کار می‌روند.

دوغاب رس و بنتونیت بامقاومت 1 تا 10 میلی‌بار در آبرفت‌ها و برای ناتراوایی به‌کار می‌رود دوغاب رس و سیمان در شالوده‌های ماسه‌ای به‌کار می‌رود.

دوغاب نوع محلول

دوغاب نوع محلول یا نرم محلول شامل مواد شیمیایی است. تزریق شیمیایی به دو دسته یک مرحله و دو مرحله‌ای تقسیم می‌گردد. در تزریق یک مرحله‌ای سیستم طوری طراحی می‌شود که واکنش در محل اتفاق افتاده و توده خاک را ژلاتینی و یکپارچه کند در روش دو مرحله‌ای یک ماده شیمیایی درون خاک تزریق می‌شود و سپس تزریق دومین ماده شیمیایی صورت می‌گیرد که واکنش با اولی در محل انجام می‌شود برای تزریق این نوع دوغاب‌ها باید اطلاعات کافی در مورد ویسکوزیته  0  زمان گیرش و مقاومت را داشت.

معروفترین این دوغاب‌ها عبارتند از:

- اکریلایید ژل سیلیکات

- فنو پلاست

- لیگنوسولفانات

- سیلیکاتها

- آکریلیت

- صمغ اپوکسی

- صمغ پلی‌استر

- پلی‌یورتان

قابلیت نفوذ دوغاب‌های نرم تابعی از ویسکوزیته اولیه و زمان گیرش ژل می‌باشد.

از دوغاب‌های مایه خمیری سیلیکاتی بامقاومت 50 میلی‌بار برای ناتراوا کردن خاک‌های آبرفتی استفاده می‌شود.

از دوغاب‌های مایه سفت سیلیکاتی بامقاومت 10 تا 20 میلی‌بار برای تحکیم خاک‌های آبرفتی استفاده می‌شود.

از دوغاب صمغ‌های آبی بامقاومت 1 تا 1000 بار در سنگ‌ها و آبرفت‌ها برای تحکیم استفاده می‌شود.

از دوغاب‌های مواد نفتی بامقاومت چند میلی‌بار برای ناتراوا کردن آبرفتها استفاده می‌شود.