خاک هاي مشکل آفرين و روش هاي بهسازي آن (1)

چکيده
 

در سال هاي اخير رشد جمعيت و افزايش تقاضا براي تهيه ي مسکن موجب شده است، توسعه ي صنعت ساختمان شتابي روزافزون بگيرد و با وجودي که دانش و توان بالا بسياري از اعضاي جامعه ي مهندسي و صنعت ساختمان در کشور ما خود موضوعي برجسته و افتخارآميز است، ليکن تهيه و تدوين مدارک و مستندات فني ساختمان بر طبق استانداردها و آيين نامه و مقرررات ملي کُند گرديده است و نقطه ضعف آشکاري را در عرصه ي خدمات مهندسي ايجاد کرده است. با توجه به دلايل مذکور و رشد سريع ساخت و ساز در شهرهاي بزرگ از جمله اصفهان بدون رعايت مسائل زمين شناسي و ژئوتکنيکي مشکلات فني و مهندسي زيادي را به همراه داشته است که از جمله مي توان به موارد ذيل اشاره کرد.
ريزش و يا ترک خوردگي ساختمان ها، نشست ناهمگون ساختمان، بالا آمدن سطح آب زيرزميني که در نقاط پست مي تواند مشکلاتي را براي پي ساختمان ها به وجود آورد، عدم تشخيص دقيق سازند مورد حفاري در پروژه ها نظير مترو، عدم تشخيص گسل ها و پتانسيل لرزه خيزي آن ها در هنگام تعريف شهرهاي جديد، روان گرايي خاک در هنگام زلزله و محل عبور گسل ها از زير پروژه هاي عمراني، عدم دقت به مکان دفن زباله هاي شهري و استقرار شهرک ها روي خاک هاي مسأله دار و مشکلات فراوان ديگري از اين قبيل که اطلاع از خصوصيات زمين شناسي و ژئوتکنيکي محل انجام پروژه را امري اجتناب ناپذير مي سازد.
کليد واژه ها: خاک مسأله دار، ژئوتکنيک، تزريق، ريزش، گودبرداري، تراکم، تثبيت، مقاومت برشي.

مقدمه
 

اين تحقيق با معرفي خاک هاي مشکل آفرين آغاز مي گردد، سپس با توجه به نوع خاک و مشخصات آن راه کارهاي مناسب جهت بهسازي اتخاذ مي گردد.

خاک هاي واگرا
 

واژه ي رس در علم مکانيک خاک در دو مورد، يکي توصيف اندازه ي ذرات خاک و ديگري توصيف انواع خاک به کار برده مي شود. در مورد اول کلمه ي رس بر آن دسته از ذرات خاک اطلاق مي گردد که از 0/002 ميليمتر کوچک ترند، اما در حالت دوم، خاک رس خاکي است که چسبندگي و خواص خميري ويژه اي دارد با اين نگرش تمام ذرات با اندازه ي رس الزاماً کاني رس نيستند. بالا بودن درصد ذرات کاني هاي رس در يک خاک، بر ويژگي هاي آن خاک اثر مي گذارد و ميزان اين تأثير به نسبت درصد وزني اين ذرات در خاک بستگي دارد. خاصيت واگرا رس (Dispersivity) نيز عمدتاً از خواص ذرات رس و واکنش ان ها نسبت به آب و يا به عبارت ديگر از پديده هاي فيزيکي - شيميايي در سطح ذرات رسي ناشي مي شود که به محض تماس يافتن اين گونه خاک ها با آب حتي اگر سرعت جريان کم باشد شسته مي شوند.

مشکلات ناشي از خاک هاي واگرا
 

وجود مقدار و نوع املاح موجود در خاک، يکي از مسائل مهمي است که همواره بايد در انتخاب قرضه ي خاک هاي زير دانه در نظر گرفت که عدم توجه به آن در اجراي سازه هاي آبي، مشکلات فراواني را به وجود مي آورد.
عمده ترين مسأله در خاک هاي واگرا، مسأله ي آب شکستگي هاي داخلي و مشکلات ناشي از آن است که به ويژه در سازه هاي آبي مطرح است، اين پديده در بسياري از سدهاي خاکي و خاکريزها، بستر کانال ها و سازه هاي آبي ديگري که بر روي اين خاک ها ساخته شده است ديده مي شود.

روش هاي شناسايي خاک هاي واگرا
 

شناسايي خاک هاي واگرا در بررسي هاي محلي
 

اين مرحله از شناسايي، در بازديدهاي مقدماتي از محل و در ضمن بررسي هاي اوليه ي زمين شناسي در سطح منطقه صورت مي گيرد.
در جاهايي که سطح زمين شيب نسبتاً تندي دارد، شناسايي خاک هاي واگرا آسان تر است. در اين مناطق، بر اثر بارندگي ها و فرسايش سريع بريدگي هاي بسيار عميق و مشخصي در سطح زمين به وجود مي آيد که مشخصه ي اصلي اين گونه خاک هاست. از سوي ديگر در مناطق مسطح و کم شيب، تشخيص خاک هاي واگرا به سادگي ميسر نيست. معمولاً در مناطق دربردارنده ي خاک هاي واگرا آثار آب شستگي از قبيل کانال هاي تنگ و عميق طبيعي، خلل و خرج و حفره هاي بزرگ يا ديواره هاي عمودي جويبارها و تونل هاي آب شستگي هاي کوزه اي ديده مي شود.

آزمايش هاي متداول در شناسايي خاک هاي واگرا
 

متداول ترين آزمون هاي شناسايي خاک هاي واگرا عبارت اند از:
1- آزمايش پين هول
2- آزمايش تعيين درصد نمک هاي محلول در آب
3- آزمايش هيدرومتري دوگانه
4- آزمايش کرامب
5- آزمايش استوانه ي چرخان
6- آزمون شاخص واگرايي
7- آزمايش جريان سطحي آب در کانال هاي کوچک
8- آزمايش تورم آزاد Free swellin Test

ملاحظات طراحي در مواجه با خاک هاي واگرا و روش هاي بهسازي
 

شناخت پديده ي واگرايي و شناسايي خاک هاي واگرا باعث شده است که در انتخاب منابع قرضه خاک هاي ريزدانه ضوابط بيش تر و دقيق تري در نظر گرفته شود. پس به طور کلي اولين راه حلي که در مواجه به خاک هاي واگرا برسي مي گردد، عدم استفاده از آن هاست. اما اگر استفاده از خاک هاي واگرا ضرورت داشته باشد، بايد براي مقابله با پديده ي آب شستگي در آن ها چاره اي انديشيد، که شامل بهبود با افزودن مواد شيميايي مانند آهک، سولفات آلومينيوم، سنگ گچ آبدار به خاک يا مخزن سد يا استفاده از فيلتر در مواجهه با اين گونه خاک ها است.

خاک هاي رمبنده (فروريزشي)
 

تعريف
 

اين خاک ها از خاک هاي غير اشباعي هستند که در هنگام اشباع شدن، تغيير حجم زيادي در آن ها به وجود مي آيد. اين تغيير حجم مي تواند ناشي از اعمال بار اضافي باشد و يا نباشد. شالوده اي که روي چنين خاک هايي احداث گرديد در صورت اشباع درآمدن خاک به علت يک رطوبت غير منتظره ممکن است تحت نشست زياد و ناگهاني قرار گيرند. اين رطوبت ممکن است ناشي از عوامل ذيل باشد:
الف) شکسته شدن لوله هاي آبرساني
ب) نشست از لوله ي فاضلاب
ج) نشست از مخازن آب يا استخرها
هـ) بالا آمدن تدريجي تر از آب زيرزميني
نشست خاک هاي رمبنده (فروريزشي) معمولاً باعث خسارت سازه اي قابل توجه مي شود بنابراين شناسايي خاک هاي رمبنده در حين شناسايي صحرايي بسيار مهم است.
اکثر خاک هاي رمبنده ي طبيعي بادرفت هستند. بادرفت هاي خاک هاي محل و رسوب داده شده توسط باد مانند ماسه بادي و نهشته هاي خاکسترهاي آتش فشاني هستند. اين نهشته ها داراي نسبت تخلخل بزرگ و وزن مخصوصي کم هستند و چسبندگي آن ها صفر و يا ناچيز است. بسياري از خاک هاي فروريزشي مي توانند از خاک هاي برجا باشند، که حاصل هوازدگي سنگ هاي منشا مي باشند.
نوع ديگري از خاک هاي رمبنده، رسوبات ناشي از سيلاب هاي گل آلود مي باشند. اين رسوبات در صورتي که خشک شوند داراي تخلخل بزرگ خواهند بود. [4]

خاک هاي مستقر بر روي زمين هاي دفن زباله
 

چون در نزديکي مناطق شهري زمين کمياب است، شايد استفاده از زمين هاي قبلي دفن زباله ضرورت پيدا مي کند. زمين هاي زباله که اکنون مورد استفاده مي گيرند، اغلب در مکان هاي مناسبي قرار داشته اند که معمولاً زمين ناهموار بود. و بدين ترتيب امکان تخليه ي مواد در فرورفتگي ها و پوشاندن بعدي آن ها وجود داشته است. [3]
در حال حاضر مکان زمين هاي دفن زباله را بايد طوري تعيين کرد که آلودگي آب زيرزميني کنترل شود. معمولاً پوشاندن روزانه ي ابنوه زباله ها با لايه اي از خاک ضرورت دارد. روش خوب پوشاندن 6/0 تا 1 متر زباله با 15/0 تا 2/0 متر خاک متراکم در لايه هاي متناوب است. اين کار ممکن است به دليل تخليه ي لوازم قديمي، قطعات اتومبيل، نخاله هاي ساختماني و ... همچنين مواد کوچک تر امکان پذير نباشد.
به هنگام استفاده از زمين هاي دفن زباله براي ساختمان سازي بعدي، به دليل تجزيه و يا تحکيم زباله ها، اجتناب از نشست بسيار دشوار است. مطمئناً به دليل خصوصيت متنوع زباله ها و روش هاي مورد استفاده ساخت خاکريز نشست هاي ناهمسان خواهند بود. براي کاهش فشار ناشي از پي بر روي منطقه ي دفن زباله مي توان خاکريزي بيش تري انجام داد. با اين روش، تحکيم زمين دفن زباله سرعت و افزايش پيدا مي کند و چنانچه وقت کافي وجود داشته باشد براي کاهش نشست هاي آينده روش مطلوبي است.
ضخامت خاکريز اضافي جهت کاهش تنش هاي روي منطقه ي دفن زباله در حدود 1/5 B است. براي سازه هاي سبکي همچون ساختمان هاي مسکوني يک يا دو طبقه، آپارتمان ها، ساختمان هاي دفتري و انبارها که ظرفيت باربري لازم تنها 25 تا 5 Kpa است، استفاده از پي هاي يکسره يا پيوسته (يا ميلگردهاي آرماتوربندي زياد) ظرفيت باربر، کافي ايجاد مي کند و امکان پل زدن بر روي نقاط نرم يا فضاهاي خالي موضعي وجود دارد. در صورت کافي نبودن اين روش يا عدم تمايل مالک به پذيرش احتمال آسيب ديدگي ساختمان، تنها چاره استفاده از شمع يا پايه هاي عميق (صندوقه) جهت عبور از زمين دفن زباله و رسيدن به خاک زيرين است. [3]

خاک هاي متورم شونده
 

خاک هاي متورم شونده خاک هايي هستند که در اثر افزايش رطوبت تغيير حجم افزايشي قابل توجهي از خود بروز مي دهند. در واقع مي توان گفت که خاک هاي قابل تورم در جهت کاملاً مخالف با عمل تحکيم حرکت مي کنند، يعني به جاي از دست دادن آب و کاهش حجم، آب را جذب کرده و افزايش حجم پيدا مي کنند، پديده ي تورم، پديده اي برگشت پذير است، يعني خاک بعد از کم شدن رطوبت منقبض مي گردد.
بهترين تعريف از پديده ي تورم عبارت است از: واکنش فيزيکي و شيميايي خاک و محيط، که مقدار تورم در آن بستگي به شدت نيروهاي جاذبه و دافعه ي فيزيکي و فيزيک و شيمايي دارد.

نشانه هاي صحرايي تورم در خاک
 

1- توپوگرافي 2- وزن مخصوص و سختي خاک 3- رنگ خاک 4- عمق آب زيرزميني 5- بارندگي 6- تبخير و دماي منطقه [10]

روان گرايي Liquefaction
 

خاک ماسه اي اشباع هنگامي که تحت اثر ارتعاش هاي زلزله قرار گيرد ممکن است شبيه گل مايع ناگهان به شکل يک سيال درآيد اين پديده روان گرايي ناميده مي شود. در مفهوم گسترده تر پديده اي که در آن مصالح دانه اي به علت ارتعاش به حالت مايع درآمده، خواه توده ي خاک به وسيله ي آب اشباع شده باشد يا خير. در خاک هاي ماسه اي قبل از اين که زلزله و نيروهاي ناشي از آن از طريق تماس ذرات بتوانند منتقل شوند، ذرات خاک داراي تماس هاي پايداري بين يکديگر هستند. اين امر موجب مي شود که مقاومت بررشي خاک پايداري سازه اي که بر سطح زمين قرار دارد را تأمين کند.
هنگامي که خاک در اثر تنش هاي برشي ناشي از زلزله تغيير شکل دهد تماس ميان ذرات از بين مي رود در نتيجه نيروهايي که اصولاً به وسيله ي تماس هاي ذرات در امتداد قايم تحمل مي شوند به آن منفذي منتقل مي گردند که در اين حالت همان بروز شرايط روان گرايي خواهد بود. در اين حالت تماس ميان ذرات از بين رفته و مقاومت برشي خاک صفر مي شود و خاک ماسه اي رفتاري شبيه يک مايع که وزن مخصوص آن برابر خاک اشباع است از خود نشان مي دهد.

استعداد روان گرايي
 

از آن جايي که تمامي خاک ها استعداد روان شدن را ندارند لذا اولين قدم در ارزيابي مخاطرات روان گرايي معمولاً ارزيابي استعداد روان گرايي مي باشد. [19] روان گرايي تنها در خاک هاي اشباع رخ مي دهد، لذا عمق تراز آب زيرزميني (چه آزاد و چه تحت فشار) بر استعداد روان گرايي اثر مي گذارد. استعداد روان گرايي با افزايش عمق تراز آب زيرزميني کاهش مي يابد، اثرات روان گراي معمولاً در ساختگاه هايي که تراز آب زيرزميني چند متري با سطح آب زيرزميني فاصله دارد مشاهده شده است.

روان گرايي خاک هاي رسي
 

داده هاي به دست آمده از آزمايش هاي آزمايشگاهي و عملکرد واقعي نشان داده اند که بيش تر خاک هاي رسي در اثر زلزله دچار روان گرايي نمي شود با اين حال مطالعات اخير در چين [19] نشان داده اند که در انواع معيني از مصالح رسي ممکن است در اثر تکان هاي زلزله، افت مقاومت زيادي ايجاد شود. به نظر مي رسد که اين خاک ها داراي ويژگي هاي زير باشد:
- درصد اجزا ديرتر 0/005 ميليمتر < 15
- حد رواني < 35
- درصد آب > حد رواني 0/9
در صورتي که خاک ها يا ويژگي هاي فوق در نمودار خميري بالاي خط A قرار گيرند، بهترين روش تعيين ويژگي هاي مقاومتي آن ها در بارگذاري دوره اي انجام آزمايش بارگذاري دوره اي است، در غير اين صورت مي توان خاک هاي رسي را در مقابل روان گرايي ايمن در نظر گرفت. در خاک هاي شن دار هنگامي که به علت وجود لايه هاي غيرقابل نفوذ امکان استهلاک فشار آب منفذي وجود نداشته و در نتيجه شرايط غيرزهکشي حاکم شود خاک هاي شني نيز ممکن است مستعد روان گرايي گردد. استعداد روان گرايي تحت تأثير دانه بندي مي باشد معمولاً خاک هاي خوب دانه بندي شده نسبت به خاک هاي با دانه بندي نامناسب استعداد کم تري براي روان شدن دارند، پُر شدن حفره هاي بين ذرات بزرگ تر از، با ذرات ريزدانه در يک خاک خوب دانه بندي سبب کاهش پتانسيل تغيير حجم در شرايط زهکشي نشده مي گردد. شواهد محلي نشان مي دهد اغلب گسيختگي هاي روان گراي در خاک هاي با دانه بندي يکنواخت اتفاق افتاده است.

مقاوم سازي لرزه اي خاک
 

خاک ها جهت بهبود خواص مهندسي خود صدها سال است که مورد اصلاح واقع شده اند ليکن در 80 سال گذشته ارتقا دانش بشر در زمينه ي رفتار خاک و مخاطرات ژئوتکنيکي موجب بروز روش هاي بديع و جديدي در خصوص اصلاح خواص خاک ها گرديده است. در نواحي فعال و غير فعال از نظر زلزله، روش هاي اصلاح خاک معمولاً در ساختگاه هايي که انتظار مي رود شرايط موجود خاک به رفتار نامطلوبي منجر شود، مورد استفاده قرار مي گيرد.

روش هاي متراکم سازي
 

ذرات ساختمان يک خاک به طرق بسيار متفاوتي قابل آرايش است. به هر حال مقاومت و سختي خاک هنگامي که ذرات در يک بافت متراکم قرار گيرند بيش تر از زماني که به صورت متخلخل کنار هم واقع باشند است. همچنين تمايل به گسترش فشار آب حفره اي مثبت زماني که خاک متراکم است کم تر از هنگامي است که متخلخل باشد در نتيجه عمليات متراکم سازي يکي از مؤثرترين و متداول ترين روش ها جهت اصلاح خواص خاک ها براي کاهش خطرات لرزه اي مي باشد.
متداول ترين روش هاي متراکم سازي عبارت اند از تراکم ديناميکي، انفجار و تزريق که از تمايل خاک به متراکم شدن در ارتعاش استفاده مي کنند. به همين علت ميزان مؤثر بودن آن ها براي خاک هاي غيرچسبنده از قبيل ماسه هاي تميز و شن ها بيش ترين مقدار مي باشد.

روش هاي ارتعاشي
 

ارتعاش شناوري (Vibro Flotation)
 

در ارتعاش شناوري يک وسيله ي اژدر (مرتعش شونده ي شناور Vibro flot) که توسط جرثقيل معلق نگاه داشته مي شود، براي متراکم کردن يک لايه ي خاک مورد استفاده قرار مي گيرد. مرتعش شونده هايي شناوري که معمولاً داراي قطر (30 تا 46 سانت) و طول حدود (3 تا 4/9 متر) مي باشند. از وزنه هايي که به صورت خارج از مرکز حول يک محور قرار دارند، تشکيل مي شوند. محور فوق الذکر را به وسيله ي يک محرک الکتريکي يا هيدروليکي مي توان جابه جا کرد. [14]
مرتعش شونده ابتدا به وسيله ي ترکيبي از ارتعاش و جت آب يا هوا از منافذ مخروطي خود تا انتهاي لايه ي خاک پايين برده مي شود. سپس مرتعش شونده در ضخامت هاي 60 تا 90 سانت با سرعت متوسط 30 سانتيمتر بر دقيقه در حالي که هنوز مرتعش مي باشد، بالا کشيده مي شود. ارتعاش شناوري مؤثرترين روش براي خاک هاي دانه اي يا درصد ريزدانه کم تر از 20 و درصد رس زير 3 مي باشد در چنين خاک هايي اين روش در شعاع 30 تا 46 سانتيمتر از مرتعش شونده دانسيته ي بالا و در شعاع هاي بزرگ تر دانسيته ي پايين تري توليد مي کند.

روش ديناميکي
 

ميله ي مرتعش
 

سيستم هاي ارتعاش ميله از يک چکش شمع کوب ويبره استفاده مي کند تا ميله ي ايبلند (probe) را داخل خاک فرو برند، سپس در حالي که ميل هنوز مرتعش مي باشد از خاک بيرون کشيد موجب تراکم نمودن آن مي گردد به منظور حداقل رساندن نشست ناشي از متراکم سازي در سطح زمين و يا عمق مقداري خاک اضافه ريخته مي شود.

تراکم ديناميکي
 

تراکم ديناميکي با تکرار سقوط يک وزنه ي سنگين در نقاط مختلف در سطح زمين انجام مي گيرد. وزنه ها معمولاً از صفحات فولادي و يا بتن مسلح با وزن 6 تا 30 تن ساخته شده اند. ارتفاع سقوط معمولاً در حدود (10 تا 30 متر) مي باشد. انرژي کل منتقل شده به خاک تابعي از وزن وزنه، ارتفاع سقوط، ابعاد شبکه و تعداد ضربات در هر نقطه مي باشد. ريختن يک لايه از شن و ماسه در جايي که سفره ي آب زيرزميني نزديک سطح زمين باشد قبل از تراکم مورد نياز مي باشد.

تراکم توسط انفجار
 

مصالح دانه اي متخلخل و سست به وسيله ي عمليات انفجاري نيز قابل متراکم ساختن مي باشند. تراکم توسط انفجار شامل انفجار خرج هاي متعددي بوده، که در چال هاي قايم به فواصل 3 تا 6 متر از هم ديگر جاگذاري مي شود. چال ها معمولاً در فواصل 5 تا 15 متري تعبيه شده و قبل از انفجار دهانه ي آن ها مسدود مي گردد. انفجار مؤثرترين روش جهت تراکم ماسه هاي متخلخلي است که داراي کم تر از 20 درصد لاي و 5 درصد رس مي باشد، حتي مقدار کمي رس يا رگه هاي باريکي از رس مي تواند مقدار قابل ملاحظه اي تاثير انفجار را کاهش مي دهد انفجار در خاک هاي خشک کاملاً مؤثر مي باشد.

روش زهکشي
 

هدف از اجراي روش زهکشي براي مقابله با روان گرايي، افزايش ظرفيت زهکشي مقطع خاک با استفاده از به کار بردن مصالح با نفوذپذيري بالا در سطح زمين است. اين چنين زهکشي عموماً به شکل اجراي شمع انجام مي گيرد (Noda 1975) ديگر روش هاي زهکشي پيشنهادي، زهکشي توسط چاه زهکشي اطراف يک سازه و الحاق يک وسيله ي زهکشي به شمع فولادي يا پرده ي سپر مي باشد. قلوه سنگ و بتن را نيز مي توان به عنوان مصالح پشت ديوارهاي ساحلي به عنوان نوعي زهکشي در نظر گرفت البته به شرطي که پرده ي سپر نفوذپذير استفاده شده از شسته شدن ماسه ها جلوگيري کند. [15]

پي‌نوشت‌ها:
 

1- کارشناس ارشد خاک و پي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجف آباد.
2- استاديار گروه عمران، دانشگاه صنعتي اصفهان.
 

منبع:ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.