با افزایش روز افزون جمعیت و توسعه صنایع و مشکل کمبود زمین مناسب جهت احداث سازه های مورد نیاز موجب شده است تا انسان به استفاده از زمینهای با کیفیت مهندسی پایین تر روی آورد . اما برای احداث یک سازه مناسب باید به نوعی کیفیت خاک نامناسب از لحاظ ظرفیت باربری، خواص مکانیکی، خاصیت تورم زایی ارتقاء داده شود تا در اثر نیروهای وارده عملکرد مناسبی داشته باشد . بهسازی خاک در واقع بازسازی کنترل شده خاک برای استفاده مجدد در یک ساختار جدید ژئوتکنیکی و یا بهبود وضعیت ساختار فعلی می‌باشد. از اهداف بهسازی خاک می توان به افزایش ظرفیت باربری خاک، کاهش نشست پذیری خاک، کاهش تخلخل و افزایش چگالی خاک و یکنواخت سازی ویژگیهای تغییر شکل پذیری مصالح اشاره نمود.
روش های بهسازی خاک، از تنوع و کاربری‌های زیادی بهره می‌برند. این روش ها با توجه به اهمیت پروژه، جنس خاک اولیه، وسعت منطقه مورد نظر جهت بهسازی، دسترسی محلی به مصالح، تجهیزات و نیروهای متخصص، فاکتورهای زیست محیطی، تجارب مهندسان، مسائل اقتصادی و زمان مجاز برای تکمیل پروژه انتخاب می شوند. لازم به ذکر است که شناخت منطقه و بررسی انواع خاک هایی که ایجاد مشکل می کنند نیز از ضرورت و اهمیت بالایی برخوردار است. در این مقاله سعی شده است که علاوه برآشنایی با انواع خاک های مشکل ساز به بررسی مهمترین روش های تثبیت و بهسازی خاک پرداخته شود.
در صورت جوابگو نبودن شالوده سطحی برای شرایط پروژه ، قبل از تصمیم گیری در مورد استفاده از شالوده های عمیق ، می بایست روشهای مناسب برای بهسازی خاک سست بررسی شوند تا مزایا و معایب هر یک از نظر کارایی، مشکلات اجرایی و هزینه با شالوده عمیق مقایسه شده و در نهایت نسبت به انتخاب گزینه برتر اقدام نمود .
از دیدگاه مهندسی ژئوتکنیک ، روشهای تقویت خاک را می توان به دو دسته کلی تقسیم کرد :
- روشهای فیزیکی ، که شامل تمام کارهایی است که باعث افزایش دانسیته خاک می شود .
- روشهای شیمیایی ، که شامل تثبیت خاک از طریق افزودن موادی نظیر آهک ، سیمان ، قیر و سایر مواد شیمیایی می باشد .
تصمیم گیری در مورد بهسازی یک پروژه بر اساس ضوابط و سیاستهای حاکم یا درخواست مالک ساختمان انجام می گردد .قبل از اقدام به بهسازی ساختمان باید ویژگی های ساختمان از قبیل اجزای سازه ای و غیر سزه ای آن میزان خطر زلزله در محل ساختمان ، نتایج اولیه ی ارزیابی مقاومت لرزه ای مقاومت لرزه ای، تاریخچه بهره برداری گذشته و آینده ساختمان، ملاحظات خاص اقتصادی، اجتماعی و مقررات و قوانین حاکم، مورد بررسی دقیق قرار گیرد، زیرا شناخت ویژگی های ساختمان موجب ارزیابی بهتر و ارائه طرح بهسازی مناسب تر می گردد .همچنین قبل از اقدام به طرح بهسازی باید با استفاده از روشهای ساده و تقریبی ، برآورد منطقی از هزینه های طرح جهت تصمیم گیری های کلی به کارفرما ارائه شود .
انواع خاک های مشکل ساز در پروژه های عمرانی
شناخت انواع خاک های مشکل ساز در پروژه های عمرانی اهمیت فراوانی دارد، چراکه باعث می شود بهترین راه تثبیت و بهسازی را برای هر نوع خاص خاک انتخاب کنیم. به طور کلی این خاک ها در پروژه های عمرانی را می توان به چهار دسته کلی تقسیم کرد:
الف-خاک های ریزدانه (خاک دستی)
ب- خاک های انبساطی (تورم پذیر)
ج- خاک های رمبنده (فروریزشی)
د-خاک های نرم و شل (آبگونه شونده)
روشهای بهسازی خاک
روشهای بهسازی خاک را می توان از دیدگاهای مختلف طبقه بندی کرد . با توجه به فلسفه روش های بهسازی خاک ، این روش ها به سه گروه کلی زیر تقسیم بندی می شوند :
- حفاری وبرداشت، جابه جایی و جایگزینی
- تراکم سطحی
- تراکم دینامیکی
- تراکم توسط شمع کوبی
- انفجار
- پیش بارگذاری از طریق پیش بارگذاری
- تزریق
- استفاده از مواد افزودنی
- نیلینگ
- سیستم های حرارتی
- تسلیح خاک
- شمع ها و سپرها
- ستون های سنگی و ماسه ای
- میکروپایل
- میل مهارها
- خاک مسلح (تسمه های فولادی و ژئوسنتتیک ها)
حفاری وبرداشت، جابه جایی و جایگزینی
یکی از روش های اصلاح خاک نامناسب، تعویض خاک بستر با خاک مناسب دیگر تا عمق کافی( باتوجه به شرایط پروژه و ظرفیت باربری مد نظر خاک) می باشد.
تراکم سطحی
تراکم سطحی یا غلطک کوبی خاک تا رسیدن به تراکم موردنظر موجب افزایش ظرفیت باربری خاک می شود؛ تراکم موجب کاهش چشمگیر تخلخل، افزایش فزاینده وزن مخصوص و خواص شده و پارامترهای زیادی از خاک را افزایش میدهد.
این روش در لای یا رس به طور خاص اثر چشمگیری ندارد، اما ممکن است که در بستر گود برداری های انجام شده، رس سفت یا سنگ نرم را به دلیل سست و خرد شدن در طی عملیات حفاری، کوبید.
تراکم دینامیکی
این روش که برای متراکم کردن خاک های دستی، زباله ها، ماسه های سست، خاکریز های سنگی، نخاله های ساختمانی، خاک های آهکی و خاکهای بسیار متخلخل مناسب است بر ایجاد ضربه جهت افزایش تراکم خاک استوار است. طی این روش وزنه ای به وزن یک تا صد تن را از ارتفاع ده تا چهل متری رها می کنند. در طول سقوط وزنه، بسته به ارتفاع و وزن وزنه، می توان شدت و قدرت تراکم خاک را کنترل کرد.
تراکم توسط شمع کوبی
یکی از روش های متراکم سازی خاک در عمق، استفاده از شمع های پیش ساخته و مناسب جهت کوبش است، این شمع ها با اعمال ضربات و تحمیل جابه جایی خاک استفاده می شوند. این روش در خاک های دانه ای شل مثل ماسه سست و لای کاربرد دارد. بدلیل اینکه این نوع بارگذاری دینامیکی است، در خاک های دانه ای کاربرد فراوانی دارد؛ لازم به ذکر است که، به دلیل اینکه خاک در این روش دستخورده می شود، پس برای خاک های ربزدانه کاربرد ندارد.
انفجار
تراکم در عمق توسط انفجار در بسیاری از حالت ها می تواند وسیله ای سریع و کم هزینه برای بهسازی خاک باشد، مراحل کلی این روش به صورت زیر است:
- نصب لوله با حفاری جت آب و یا گمانه زنی جهت جایگذاری مواد منفجره
- جایگذاری مواد منفجره در عمق مورد نظر
- پر کردن گمانه همراه با بیرون کشیدن لوله
- منفجر کردن مواد
پیش بارگذاری از طریق پیش بارگذاری
در این روش فشاری بزرگتر و بیشتر از فشاری که فونداسیون سازه قرار است بعدا به خاک وارد کند، به بستر وارد می کند پس نتیجه ی آن، پیش فشردگی بستر قبل از عملیات اجرایی است. پیش بارگذاری به کمک خاکریزی، ایجاد مخازن آب، ایجاد استخر های آب با پوشش نشست ناپذیر و پایین بردن سطح آب زیر زمینی و مکش انجام می شود.
پیش بارگذاری در خاک های لای دار و رس تحکیم عادی یافته از تاثیر بیشتری برخوردار می باشد. از مزایای این روش علاوه بر کاهش نشست، عدم ایجاد سرو صدا می باشد که در مناطق شهری یا در جاهایی که محدودیت همسایگی مطرح است، این روش مناسب است.
تزریق
در روش تزریق، کار با ایجاد چاله ها و گمانه هایی به فواصل معین، توسط دستگاه حفار و پرکردن این چاه ها با مواد سیال سیمانی و نفوذ این مواد با سیستم های مختلف جذبی و ایجاد فشار در زمین مورد نظر می باشد، این روش پر هزینه بوده و در حالت های خاص مثل تثبیت بستر خاک برای بهسازی خاک در موارد ویژه به کار می رود. موادی که برای تزریق به کار می روند، شامل دوغاب سیمان، دوغاب آهک، بنتونیت، مواد سیمانی جدید و رزین ها می باشند. انتخاب نوع ماده تزریقی، غلظت آن و فشار تزریق بستگی به اقتصاد پروژه و نوع خاک، روش اجرایی تزریق، عمق عملیاتی و شعاع تاثیر آن دارد. به طور کلی برای تزریق در شن و ماسه از دوغاب سیمان پرتلند، کانی رس و انواع رزین ها متداول است.
استفاده از مواد افزودنی
تثبیت با افزدونی ها یکی از قدیمی ترین روش های بهسازی خاک است. استفاده از خاک سیمان دار در سازه های هیدرولیکی، روسازی و راهسازی راه ها، محوطه های وسیع و پارکینگ ها، ساختن سدها با شیب تند تر و وسعت عملیات کمتر، رواج بسیاری یافته است. بهترین هدف استفاده از افزودنی های شیمیایی، کنترل و بهبود پایداری حجمی خاک و نیز مقاومت تعویض خواص تنش- کرنش آن می باشد. مواد آلی معروف عملیات تثبیت عبارت است از: رزین ها، پلی استر ها، مواد غیرآلی ( سیمان و آهک)
نیلینگ
یکی دیگر از روشهای بهسازی خاک میخ‌کوبی جدار دیوار یا نیلینگ است که با هدف پایدارسازی شیب‌ها و دیواره‌های حفاری و حفاظت از گودبرداری و ساختمان‌های مجاور سازه اجرا شده و در واقع یک مقطع مسلح پایدار ایجاد می‌کند که توانایی نگهداری خاک پشت خود را دارند. ضمنأ لایه سطحی شاتکریت و شبکه میلگرد پس از نصب نیلینگ ها از فرسایش خاک جلوگیری می‌کند. نیلینگ در مواردی چون پایدارسازی ترانشه ها در احداث بزرگراه‌ها و راه‌آهن‌ها و جداره‌های سازه‌های زیرزمینی و سازه‌های شهری کاربرد دارد.
سیستم های حرارتی
روش های حرارتی، اعم از گرمایی و سرمایی می تواند برای تثبیت خاک و بهبود دائمی خواص خاک شود، ویژگی هایی از جمله کاهش حساسیت نسبت به آب، کاهش تورم و تراکم پذیری با افزایش مقاومت خاک، خواصی هستند که با قرار گرفتن خاک در این درجه حرارت بوجود می آیند. از مهمترین محدودیت ها، نیاز به انرژی زیاد برای ایجاد حرارت می باشد.
دو روش کلی برای تامین انرژی حرارتی استفاده می شود:
روش اول- این روش که روش احتراقی نیز نام دارد، به صورتی است که گمانه ای در داخل زمین زده شده و یک مشعل در بالای گمانه قرار داده می شود. هوای فشرده و مواد سوختنی به داخل گمانه تزریق شده، سپس در یک لحظه چند گمانه که به یک دستگاه مرکزی وصل شده اند، آتش زده می شوند
روش دوم- این روش ایجاد حرارت توسط جریان الکتریسینه می باشد. در روش دوم گرم کننده های الکتریکی داخل گمانه قرار داده شده و حرارت ایجاد می کنند. خاک مجاور گمانه در اثر حرارت بالا به صورت یک توده سفت و سخت و کلوخه ای در می آید.
تسلیح خاک
یکی از روش های بهسازی و مقاوم سازی زمین که امروزه کاربرد زیادی دارد، مسلح کردن خاک می باشد. خاک را به روش های مختلف می توان مسلح نمود، همچنین تسلیح خاک را می توان به صورت قائم، افقی و یا مایل انجام داد. تسلیح خاک توسط شمع ها و سپرها، ستون های سنگی و ماسه ای، ریز شمع ها، میل مهارها و خاک مسلح (ژئوسنتتیک ها) انجام می شود.
شمع ها و سپرها
شمع ها مانند ستون های داخلی خاک می باشند، که بار سازه ای را گرفته و به لایه های پایین خاک انتقال می دهند. انتقال بار توسط مقاومت جانبی و انتهایی شمع ها صورت می گیرد. در جاهایی که خاک های سطحی، مقاومت مناسب و کافی نداشته باشند، یا بارهای وارده خیلی زیاد باشند، از شمع ها استفاده می شود. شمع ها می توانند پیش ساخته و یا در جا باشند. در روش پیش ساخته، شمع ها در کارگاه و روی زمین ساخته شده و سپس توسط شمع کوب داخل زمین کوبیده می شوند. در روش در جا، ابتدا چاه ها حفاری شده و سپس قفسه آرماتور داخل آن قرار می گیرد و از پایین به بلا، بتن ریزی می شود.
ستون های سنگی و ماسه ای
این روش شامل ستون هایی از شن یا سنگ شکسته متراکم شده در خاک های نرم می باشد که نهایتا یک سیستم حفاظتی را در بال های فوقانی خاک ایجاد می کند، این سیستم حفاظتی برش های افقی یا مایل را تحمل کرده و نیز به عنوان زهکش قائم عمل می کند.
میکروپایل:
شمع های کوچکی با قطر کمتر از 30 سانتی‌متر و معمولا از جنس بتن هستند. ریز شمع ها با روش درجا ایجاد شده و در مرکز آن عموما دارای میله های مسلح کننده می باشند. می توان آن ها را به صورت قائم یا مایل به صورت گروهی ایجاد نمود؛ برای محافظت از سازه های فوقانی و تثبیت، جلوگیری از جابه جایی و ناپایداری خاک استفاده شود. برای اجرای ریز شمع ها، ابتدا دستگاه حفاری دورانی، گمانه ای را در زمین احداث کرده و سپس لوله ای در داخل گمانه قرار گرفته و میله مسلح کننده در وسط لوله قرار داده شود. سپس بتن با درجه کارایی بالا، روانی مناسب و اسلامپ بالا داخل لوله ریخته شده و به آرامی لوله به سمت بالا کشیده می شود.
میل مهارها:
میل مهارها که از بسیاری جهات شبیه ریز شمع ها می باشند، در تثبیت شیروانی ها و محافظت جداره ترانشه و نیز تثبیت سطوح حفاری شده در سنگ، مورد استفاده قرار می گیرد. میل مهارها معمولا از جنس فولاد بوده که داخل سنگ یا خاک کوبیده شده و یا داخل چاله هایی پیش حفاری شده قرار داده می شوند؛ سپس اطراف آن در اکثر موارد بتن با فشار تزریق می شود، طول آن ها معمولا نصف ارتفاع ترانشه محافظت شده، می باشد.
خاک مسلح:
خاک مسلح شامل دو قسمت می باشد، که یکی استفاده از تسمه های فولادی و دیگری ژئوسنتتیک ها می باشند. معمولا باتوه به گسترش ساخت تولیدات داخلی ژئوسنتتیک ها، استفاده از تسمه های فولادی پرهزینه تر می باشد.
تسمه های فولادی: خاک مسلح شامل پوسته های بتنی، تسمه های فلزی و خود خاک می باشند. در واقع در این روش برای جلوگیری از جابه جایی خاک از خود خاک و اصطکاک خاک با تسمه ها، استفاده می شود. بهتر است از تسمه های آج دار استفاده شود. خاک مورد استفاده، اصولا خاک دانه ای است، تا اصطکاک بین تسمه ها و خاک بهتر انجام شود.
ژئوسنتتیک ها: خانواده گسترده ای از مصالح که با هدف بهبود ویژگی های مکانیکی و فیزیکی خاک به کار می روند. انواع مختلف مشابه این مواد هزاران سال است که مورد استفاده قرار می گیرد. آن ها در زمان رومیان باستان برای کارهای متعددی مورد استفاده واقع می شدند. این ژئوتکستایل های ابتدایی از فیبرهای طبیعی، به صورت پارچه ساخته شده بودند وقتی که بنا یا بستر جاده روی یک خاک با ظرفیت باربری کم و به نوعی ناپایدار قرار داشت با خاک مخلوط شده و برای بالا بردن کیفیت آن خاک مورد استفاده واقع می شدند. شاید ژئوسنتتیک های امروزی شباهت های کمی با پیشینیان خود داشته باشند ولی همگی از یک اصل پیروی می کنند.
ژئو سنتتیک ها عمدتاً به دلیل محدودیت هایی که در استفاده از مواد سازنده ی آن ها وجود داشته است کند بوده است. در پی پیشرفت ها ی اخیر در صنعت پلیمر، توسعه ی ژئوسنتتیک ها نیز روند رشد بسیار سریعتری به خود گرفت. ژئوتکستایل ها در دو نوع بافته شده (منسوج) و بافته نشده (غیرمنسوج) وجود دارند.
ژئوگریدها: از این نوع مواد پلیمری برای مسلح کردن خاک، جداسازی، فیلتراسیون و به طور کلی برای بهسازی خاک به کار می روند.
ژئوسل ها: المان های سه بعدی هستند که از مواد پلیمری و پلی اتیلنی همانند کندوی زنبورعسل ساخته شده اند.
ژئوممبرین ها: ژئوممبرین ها صفحاتی نفوذناپذیر هستند که از پلی اتیلن سنگین و برخی مواد افزودنی ساخته شده اند و در برابر اشعه ی ماوراءبنفش UV خورشید و عوامل مختلف اکسید کننده محیط آب و خاک مقاوم است. ژئوکامپوزیت ها: به هر ژئوسنتتیکی که از ترکیب چند ماده پلیمری با یکدیگر ساخته شده و چند ویژگی مختلف را با هم داشته باشند، ژئوکامپوزیت می گویند.