Blog

تحكيم خاک

تحکیم خاک

چکیده: مساله تحکیم خاک با استفاده از روش های متعدد و متنوع بهسازی، امروزه یکی از مهمترین کاربردهای علم ژئوتکنیک به شمار می آید. احداث سازه ها روی بستر های نامناسب و خاک های مساله دار، این الزام را ایجاد می کند که پیش از شروع طراحی و عملیات اجرایی سازه عملیات بهسازی جهت مناسب سازی بستر در اولویت قرار گیرد. در مورد     سازه های در حال احداث و یا بهره برداری نیز در صورت لحاظ نشدن صحیح شرایط بستر در طراحی و اجرا و متعاقبا رخ دادن نشست و آسیب های وارده ناشی از نادیده گرفتن شرایط ژئوتکنیکی ضرورت اجرای تحکیم خاک بوجود خواهد آمد. لذا در این مقاله به شرح مختصری از روش های معمول بهسازی خاک پرداخته می شود.

علم ژئوتکنیک با تکیه بر تجربیات و ابتکارات اجرایی چند صد ساله و نیز بیش از یک قرن مبانی علمی و آکادمیک، امروزه امکان طراحی و اجرای بسیاری از ابر پروژه ها را فراهم ساخته است. یکی از مهمترین کاربردهای دانش ژئوتکنیک بهره گیری از مبانی آن در راستای ساخت بستری مناسب جهت احداث پروژه های واقع در محدوده خاک های مساله دار[۱] است. بستر مناسب از دیدگاه مهندسی ژئوتکنیک به بستری گفته می شود که در آن، خاک دارای ظرفیت باربری و مقاومت برشی کافی در مقابل بارگذاری طرح بوده و نشست های تحکیمی و تغییرات حجمی انبساطی و انقباضی ناشی از بارگذاری در توده خاک در محدوده مجاز باشد. از این رو ساخت چنین بستر مناسبی در عموم پروژه ها به ویژه پروژه های واقع در خاک های مساله دار، موضوع تحکیم خاک را در اولویت بررسی قرار می دهد.

 

تحکیم خاک و بهسازی خاک

تحکیم خاک و بهسازی خاک

نشست تحکیمی خاک

نشست خاک از نقطه نظر زمانی به دو دسته تقسیم می شود:

  1. نشست کوتاه مدت و یا نشست الاستیک که با عنوان نشست آنی نیز شناخته می شود.
  2. نشست بلند مدت و یا غیر الاستیک که با عنوان نشست تحکیمی نیز شناخته می شود.

نشست الاستیک عموما با بارگذاری سریع و خروج سریع هوا و یا مقدار کمی آب از خاک های دانه ای اتفاق می افتد و نشست بلند مدت با ثابت و ادامه دار بودن بارگذاری و متعاقبا افزایش فشار آب حفره ای[۲]  در خاک های ریزدانه و یا چسبنده روی میدهد. مرحله غیر الاستیک نشست را اصطلاحا نشست تحکیمی و یا تحکیم خاک می نامند که تنش های ایجاد شده ناشی از بارگذاری در ابتدا با نزدیک شدن ذرات خاک، باعث خروج نسبی هوا از توده خاک و سپس با افزایش فشار آب حفره ای، در دراز مدت موجبات خروج آب از توده خاک را فراهم می آورد و این امر در نهایت با استهلاک اضافه فشار آب حفره ای منجر به تغییر شکل های دائمی و نشست تحکیمی در خاک  یا بعبارتی تحکیم خاک می گردد.

از آنجایی که تحکیم خاک پس از احداث سازه باعث آسیب به سازه مورد نظر می گردد و با توجه به امکان پیش بینی مقدار نشست در خاک با استفاده از پارامتر های مستخرج از آزمایشات صحرایی و یا آزمایشگاهی، می توان با بهره گیری از روش های بهسازی و تحکیم خاک، نشست های پیش بینی شده را به حدود مجاز آیین نامه ای محدود نمود. بدین منظور پیش از احداث سازه در بسترهایی که حدود نشست های محاسبه شده در آنها بر اساس بارگذاری طرح، از حدود مجاز آیین نامه ای تجاوز می کند و یا در سازه های که بعلت ملحوظ نداشتن صحیح شرایط بستر در مراحل احداث یا بهره برداری دچار آسیب های ناشی از نشست گردیده اند الزام به تحکیم خاک و بهسازی خاک بستر به وجود می آید.

 

تحکیم خاک و بهسازی خاک بستر

نخستین اقدام جهت تصمیم گیری برای احداث یک پروژه عمرانی در مواجهه با بستر های نامناسب و خاک های مساله دار، امکان سنجی رویکرد های پیش رو به ترتیب ذیل می باشد:

  1. اجتناب از محل مورد نظر برای احداث پروژه
  2. طراحی سازه مورد نظر متناسب با شرایط موجود خاک
  3. تلاش برای تغییر خصوصیات خاک با استفاده از تحکیم خاک و یا بهسازی خاک بستر

در صورتی که هیچ کدام از دو مورد نخست امکان پذیر نبوده و تحکیم خاک موردنظر در دستور کار قرار گیرد، بهره گیری از روش های بهسازی خاک که امروزه از پرکاربردترین حوزه ها در مهندسی عمران می باشد مد نظر قرار خواهد گرفت. از اهداف تحکیم خاک می توان به مواردی از قبیل بهبود و افزایش مقاومت و یا ظرفیت باربری، کنترل و کاهش نشست های آنی و تحکیمی، کاهش تراکم پذیری، افزایش چگالی توده خاک و کاهش تخلخل، یکسان سازی خصوصیات تغییر شکل پذیری، کاهش استعداد روانگرایی، کاهش فرسایش، کاهش جمع شدگی و تورم، کنترل تراوایی، کاهش فشار آب حفره ای، تغییر جهت نشت و جلوگیری از واکنش های فیزیکی و یا شیمیایی مضر ناشی از شرایط محیطی اشاره کرد. در ادامه به اختصار به ارائه تکنیک های معمول روش های بهسازی خاک با توجه به شیوه اجرا و عمق تاثیر اشاره شده است:

  1. کارهای خاکی[۳]

در این روش جهت بهسازی خاک های مساله دار در موارد سطحی از برداشت خاک و جایگزینی آن با مصالح مطلوب، در موارد عمیق تر نیز با خاکبرداری تا لایه های دارای مقاومت مناسب استفاده می شود.

  1. تراکم سطحی[۴]

به منظور تحکیم خاک در این روش از از متراکم سازی با وزن و ارتعاش غلطک های متنوع  در لایه های شل سطحی استفاده می شود. به این منظور برای مثال در پروژه های کوچک از کمپکتور های صفحه ای دستی و یا در خاک های چسبنده از غلطک های پاچه بزی استفاده می شود. لازم به ذکر است که این روش صرفا برای تحکیم سطحی خاک استفاده می گردد.

  1. تراکم دینامیکی[۵]

این روش بهسازی که تا حدود عمق ۲۰ متری خاک را پوشش می دهد، با استفاده از رها کردن وزنه های سنگین از ارتفاع زیاد به صورت سقوط آزاد میسر می گردد. البته از محدودیت های این روش می توان به عدم کارایی لازم در خاک های ریزدانه و همچنین ایجاد سر و صدا و گرد و غبار در محیط های مسکونی و عدم امکان استفاده از این روش در زمینهای نزدیک تاسیسات فعال اشاره کرد.

  1. تراکم ویبره شناوری[۶]

این روش از تحکیم خاک با متراکم سازی با میله مرتعش معلق در عمق مورد نظر انجام شده و کاربرد آن عموما در خاک های دانه ای با کمتر از ۲۰% مصالح ریزدانه و حدود کاربری این روش تا عمق ۲۰ متر می باشد. تراکم خاک توسط شمع کوبی نیز یکی از روش های متراکم سازی خاک در عمق توام با ضربات و تحمیل جابجایی به خاک است که باعث ایجاد عمدی فشار آب حفره ای در خاک های دانه ای و زهکشی و متعاقبا تحکیم خاک می گردد که با استفاده از نصب سیستم ویبراتور به روی شمع و راندن آن در خاک انجام می شود.

  1. انفجار[۷]

در این روش استفاده از شوک امواج انفجاری با اعمال فشار ناگهانی آب حفره ای به توده خاک و متعاقبا روانگرایی و یا جابجایی عمدی در خاک، موجب زهکشی و تحکیم خاک گشته و با ایجاد فرم جدید در ساختار خاک می توان در خاک های ماسه ای و ماسه ای لای دار اشباع و نیمه اشباع و معمولا تا عمق ۲۰ متر  عملیات بهسازی انجام می گردد.

  1. اختلاط عمیق خاک[۸]

در این روش که در انواع خاک های نرم و شل غیر آلی کاربرد دارد پس از حفاری تا عمق مورد نظر همزمان با بالا آمدن حفار، خاک محل با آهک و یا سیمان مخلوط شده و ستونی از مصالح مطلوب ایجاد می کند. از مزایای این روش می توات به استفاده از خاک موجود در محل و از محدودیت های آن نیز می توان به عدم توانایی در کنترل مناسب کیفیت اشاره کرد.

  1. تحکیم خاک به روش تزریق[۹]

این روش که کاربرد آن طیف وسیعی از انواع خاک ها را در بر می گیرد، با استفاده از تزریق دوغاب سیمان، رس و سیمان، بنتونیت و یا رزینها میسر می گردد. از مزایای این روش می توان به کاهش نشست و افزایش قابل توجه ظرفیت باربری خاک به علت افزایش در مقدار پارامتر چسبندگی[۱۰] اشاره کرد. روش جت گروتینگ با کاربری در انواع خاک ها، به منظور ایجاد ستون ها و یا دیوار های با ظرفیت سازه ای بالا یکی از بهترین، کاربردی ترین و سریع ترین روش های بهسازی خاک می باشد که بعلت فشار بسیار بالا حین تزریق بافت خاک را کاملا بر هم زده و باعث ایجاد ستون های باربر با ظرفیت باربری بالا می شود. جت گروتینگ همچنین با افزایش پارامتر های مقاومت برشی خاک اطرف ستون ها ، مشخصات خاک اطراف را بهبود بخشیده و از نشست های احتمالی جلوگیری میکند.

  1. ریز شمع ها [۱۱]

یکی از گزینه های بسیار مهم برای اصلاح و تحکیم خاک زیر پی ها و سازه های موجود که دچار نشست های نامطلوب (نظیر نشست نامتقارن) ریز شمع های می باشند. این روش در ترمیم سازه های مهم و یا تاریخی، تونل سازی، تثبیت پی های گسترده موجود و بسیاری از پروژه های مشابه کاربرد دارد.

  1. ستون های سنگی[۱۲]

این روش به دو شیوه ارتعاشی و یا ارتعاشی-جایگزینی اجرا می گردد که محدوده مورد پوشش آن در خاک های نرم تا متوسط و ماسه های رسی یا لای دار و بوسیله ساخت ستون هایی به منظور باربری و یا زهکشی بوده و معمولا تا عمق ۲۰ متر کاربرد دارد.

  1. سیستم های مهاری و میخ کوبی[۱۳]

این روش از جمله روش های تسلیح داخلی خاک می باشد که با استفاده از خود توده خاک و المان های فولادی نظیر تاندونها، میلگردها و یا استرند می توان پروژه هایی نظیر گودبرداری های عمیق را با امنیت بالا و امکان مناسب کنترل کیفیت در محیط های مسکونی اجرا نمود.

  1. زهکشی[۱۴]

در این روش به منظور تسریع تحکیم خاک و اعمال نشست های تحکیمی خاک، جلوگیری از فرسایش خاک ناشی از جریانات داخلی (Piping) و البته کاهش پتانسیل روانگرایی ، می توان از انواع زهکش ها شامل لایه های دانه ای، ستون های ماسه ای، شنی و سنگی، زهکش های صفحه ای، ژئوسنتتیک ها و یا ترکیبی از آن ها بهره جست.

  1. پیش بارگذاری[۱۵]

در این روش با بارگذاری بر روی خاک محل (بعنوان مثال احداث خاکریز) و بهره گیری از زهکش هایی نظیر پتوهای ماسه ای می توان باعث تسریع در امر تحکیم خاک شد که از این روش در ابر پروژه های متعدد نظیر ساخت جزایر مصنوعی استفاده شده است.

  1. تحکیم خاک به کمک افزودنی ها[۱۶]

این روش از بهسازی خاک برای طیف وسیعی از خاک ها کاربرد داشته و مهمترین هدف آن بهبود یا کنترل پایداری حجمی و مقاومت خاک بستر می باشد. مواد غیر آلی متعارف مورد استفاده در این روش شامل آهک و سیمان بوده و از مواد آلی متعارف نیز می توان به اکریل آمیدها، رزیت ها، پلی استرها و قیر اشاره کرد.

در انتها می توان گفت انتخاب روش بهسازی و تحکیم خاک موضوعی است که در گام اول نیازمند در اختیار داشتن اطلاعات ژئوتکنیکی کافی از زمین ساختگاه و تعیین پارامتر های مورد نظر جهت بهسازی نظیر عمق بهسازی خاک ، مقاومت خاک، نشست، پتانسیل روانگرایی و … میباشد. با مشخص نمودن پارامتر های مورد نظر می توان به انتخاب روش بهسازی خاک بر اساس ملاحظاتی نظیر امکان سنجی و یا محدودیت های زمانی، منطقه ای و اقتصادی پرداخت.

نتیجه گیری

مهندسی عمران امروزه با توجه به الزام در ساخت بسیاری از پروژه های عمرانی با هر میزان کیفیت خاک بستر، با دغدغه های ژئوتکنیکی بسیاری رو به رو میباشد . عملیات تحکیم خاک پیش از احداث سازه یکی از بهترین راه حل های موجود جهت کاهش نشست های احتمالی و افزایش ظرفیت باربری خاک مورد نظر و همچنین کاهش پتانسیل روانگرایی می باشد. از این رو با ایجاد اولویت بندی از نظر زمانی، اقتصادی، کاربردی و امکان سنجی در میان روش هایی که به آن ها اشاره شد می توان مناسب ترین روش را جهت بهسازی خاک محل انتخاب کرد.

تحکیم خاک ، بهسازی خاک ، خاک های مساله دار ، نشست آنی و تحکیمی تحکیم خاک ، بهسازی خاک ، خاک های مساله دار ، نشست آنی و تحکیمی

سعید مهدی زاده

کارشناس ارشد مهندسی ژئوتکنیک دانشگاه تربیت مدرس

عضو هیات مدیره شرکت مهندسی ابزار سنگ

امین محمدی

کارشناس ارشد مهندسی ژئوتکنیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر

عضو رسمی انجمن مهندسین عمران آمریکا (ASCE)

 

مراجع:

  1. Engineering Principles of Ground Modification, Hausmann M.R., 1990, McGrawHill International Edition, 632p.
  2. Ground Improvement, Moseley, M.P. and Kirsch, K., 2004, 2nd edition, Spon Press Publication, 430p.
  3. Engineering Treatment of Soils, Bell, F.G., 1993, E&FN Spon Publication, 288p.

 

  1. Ground Improvement Technical Summaries, 2001, Vol. 1&2, by Elias, V., Welsh, J., Warren, J., Lukas, R. FHWA-SA-98-086R.

 

  1. Ground Improvement-Case Histories, ELSEVIER Geo-Engineering Book Series, 2005.
  2. Advances in Ground Improvement: Proceeding of US-China Workshop on Ground Improvement Technologies, 2009, ASCE, Geo-Institute-Geotechnical Special Publication (GSP); No.188.

[۱]– Problematic Soils

[۲]– Water Pore Pressure

[۳]– Earth Work

[۴]– Shallow Compaction

[۵]– Dynamic Compaction

[۶]– Deep Vibro Flotation

[۷]– Blasting

[۸]– Deep Soil Mixing

[۹]– Grouting

[۱۰]– Cohesion

[۱۱]– Micropiles

[۱۲]– Stone Columns

[۱۳]– Nailing and Anchorage

[۱۴]– Drainage

[۱۵]– Pre-Loading

[۱۶]– Admixtures