خاک هاي مشکل آفرين و روش هاي بهسازي آن (2)
تزريق تراکمي
تزريق از بالا به پايين موجب خواهد شد که حباب ملات فوقاني، احتمال فرار بعدي ملات در سطح و بالاآمدگي آن را کاهش داده و مقاومت و تغيير اضافي ايجاد نمايد که در اعمال بيش تر امکان استفاده از فشار تزريق بزرگ تر فراهم آيد.
کاربردهاي تزريق در بهسازي خاک
2- کنترل نشست و کاهش قابليت نفوذپذيري خاک و يا ايجاد پرده هاي آب بند در سازه هاي خاکي جهت جلوگيري از فرار آب.
3- مقاوم سازي خاک ريز سازه موجود به منظور جلوگيري از جابه جايي ساختمان به دليل خاکبرداري در هسمايگي. کوبيدن شمع و اجرايي شمعک هاي تزريقي.
4- کنترل جابه جايي زمين در حين عمليات احداث تونل
5- مقاوم سازي خاک براي کاهش سيستم هاي حفاظتي جانبي
6- مقاوم سازي خاک براي افزايش مقامت در برابر بارگذاري جانبي شمع ها
7- تثبيت شيرواني ها
8- کنترل تغيير حجم خاک هاي انبساطي به کمک تزريق دوغاب آهکي
معمولاً براي تثبيت خاک هاي ريزدانه ي پلاستيسيته بالا و قابليت تورم 3 تا 6 درصد وزن خشک خاک به آن آهک افزوده مي شود و براي تثبيت خاک ماسه اي و خاک با پلاستيسيته کم 3 تا 8 درصد وزن خشک به آن سيمان پرتلند مي افزايند. [4]
تزريق با فشار
روش هاي پيش بارگذاري
روش ديگر پيش بارگذاري استفاده از سازه ي نهايي براي اعمال فشار است. اين روش که بهتر است به آن پس بارگذاري گفته شود، به ميزان وسيع در ساخت مخازن ذخيره ي نفت به کار برده مي شود که قبل از پيش بارگذاري مخزن ساخته شده، و به تدريج با آب پُر مي شود يا اين که مي توان از اجزا سازه ي نهايي استفاده کرد مانند شکل که از بلوک هاي پيش ساخته شده ي همان تأسيسات به کار رفته است. [15]
لزوم استفاده از روش هاي بالا بردن مقاومت خاک
ولي در مواردي که عمق خاک سست سطحي زياد باشد، مسأله ي برداشت خاک خود باعث افزايش مشکلات ذيل مي گردد.
1- خاک برداري تا رسيدن به اولين لايه ي خاک قابل قبول موجب تحميل هزينه ي زياد خاکبرداري به پروژه مي گردد، که در برخي مواقع پروژه را از نظر توجيه اقتصادي دچار مشکل مي سازد.
2- برداشت خاک سطحي تا چندين متر موجب افزايش عمق گودبرداري و ايجاد مسائل حاشيه اي مانند جلوگيري از لغزش و فروريزي سازه هاي جانبي و يا معابر دسترسي مي گردد که اين نيز موجب به تعويق افتادن زمان پروژه و نهايتاً هزينه هاي نسبتاً سنگين مهاربندي سازه هاي کناري شود که باز هم ريسک و خطر ريزش بسيار زياد مي باشد.
3- گودبرداري تا رسيدن به اولين لايه ممکن است موجب به هم ريختن کدهاي معماري و ايجاد يک تا 2 طبقه ي زيرين بر طرح اوليه گردد، که اين نيز با توجه به نظر کارفرما ممکن است مورد اقتصادي نداشته باشد.
4- مشکل آب زيرزميني که با استقرار پي در ترازهاي پايين تر رخ مي نمايد، که اين نيز خود موجب تدابير خاص براي اين مشکل است.
با توجه به موارد ياد شده ضرورت بررسي و امکان سنجي در روش هاي افزايش خواص ژئوتکنيکي خاک منطقي به نظر مي رسد. جهت نيل به اين هدف در ابتدا بررسي دسته بندي خاک هاي مورد مطالعه با چند ويژگي آن ها ضروري است. در ابتدا، به بررسي چند سازه ي سبک که بر اثر گودبرداري سطحي و عدم رعايت اصول ايمني در گودبرداري ريزش نموده اند يا در آستانه ي ريزش قرار گرفته اند مي پردازيم که مشکل آن ها ناشي از استقرار بر روي خاک سست و دستي بوده است.
تثبيت خاک
الف) افزايش مقاومت و خواص ژئوتکنيکي و افزايش توان باربري خاک
ب) تغيير نفوذپذيري و کاهش درصد جذب آب و جلوگيري از تورم
ج) پيش گيري از نشست
د) کاهش چسبندگي در خاک هاي با چسبندگي زياد
هـ) افزايش چسبندگي در مورد خاک هاي با چسبندگي کم (ماسه بادي)
انتخاب روش تثبيت خاک به صورت طبقه بندي شده امر مشکلي است، مهندسي ژئوتکنيک مي بايد با توجه به کليه ي مسائل فني - اقتصادي - نيروي انساني و ماشين آلات، تجربه ي شخصي و نتايج آزمايشات، روش بهينه را انتخاب و اقدام به تثبيت خاک کند. به طور کلي اهم روش هاي اصلاح يا تثبيت خاک به صورت فهرست به شرح زير است:
1- تثبيت مکانيکي، 2- تثبيت الکتريکي، 3- تثبيت حرارتي، 4- تثبيت به روش زهکشي، 5- تثبيت شيميايي، 6- تثبيت مکانيکي با سيمان، 7- تثبيت با آهک، 8- تثبيت با قير. اصلاح خاک در کليه ي موارد مهندسي خاک و به خصوص در شرايط ضعيف بودن خاک مطرح است. صرف نظر از مسائل مربوط به مکانيک خاک و کاربرد آن در پي سازي و غيره ... يکي از معمول ترين کاربرد آن در تقويت راه سازي و باند فرودگاه است. بنابراين مسأله ي مورد توجه براي مهندس طراح اين است که به چه ترتيب خاک نامناسب را براي کاربرد مورد نظر اصلاح نمايند.
علل عدم گستردگي استفاده از روش هاي تثبيت خاک در ايران
1- عدم وجود ماشين آلات مناسب اجراي کار، 2- عدم آشنايي برخي از پيمانکاران به شيوه هاي اجراي کار، 3- عدم آگاهي از فن آوري هاي نوين و پرهيز از کارهاي فني جديد، 4- مسائل مربوط به فاصله ي حمل مصالح و مواد، 5- عدم استفاده از روش هاي بهسازي و تثبيت سبب مي گردد تا بر حسب نياز و مورد مصالح مناسب از فواصل زياد حمل شود. در اين شرايط هزينه ي اجراي کار با توجه به حجم زياد مصرف مصالح منتخب و مسائل مربوط به آن بسيار گران خواهد بود.
تثبيت سيمان
خواص خاک هاي تثبيت شده به وسيله ي سيمان
تأثير ميزان سيمان بر مقاومت برشي حداکثر مخلوط هاي سيماني 28 روزه نشان داده شده است. اين شکل نشان مي دهد که در مخلوط هاي سيماني، تنش برشي حداکثر، به طور پيوسته با افزودن مقدار سيمان افزايش مي يابد. تنش برشي حداکثر خاک به همراه 6 درصد سيمان، 3/08 برابر همين مخلوط بدون افزايش سيمان است. [9]
تثبيت خاک با آهک
خاک هاي مناسب اختلاط با آهک
استفاده از مواد پليمري چسبناک
امولسيون پلي وينيل اکريليک (PVA): پلي وينيل اکريليک ماده اي شيميايي مي باشد که از 1970 تاکنون در بازار موجود است و به تازگي، از اين ماده جهت تثبيت جاده هاي خاکي استفاده مي شود که با ايجاد نفوذ و چسبندگي بهينه در بين اجزاي خاک، مقاومت سطح را در برابر آب افزايش مي دهد. اين ماده به دليل ساختار شيميايي متشکل از مولکول هاي آرايش يافته در يک زنجيره ي نسبتاً مستقيم که از عرض داراي پيوندهاي جانبي با زنجيرهاي مجاور مي باشند و تشکيل يک شبکه ي مولکولي را مي دهند؛ در مقايسه با ساختارهاي مولکوليِ روغن ها، قير امولسيوني و ... داراي ساختار شيميايي يکنواخت تري هستند.
سريش خاک: اين محصول مشتکل از دو نوع پليمر به همراه يک مقاوم گر در برابر U.V مي باشد. همان طور که از اسمش پيداست اين ماده نيز جهت تثبيت جاده هاي روستايي خاکي، اراضي کشاورزي و راه هاي شني به کار مي رود. به سبب وجود خاصيت چسبناکي در اين ماده از آن به جاي قير مي توان به عنوان لايه ي محافظ بتن در پي ساختمان استفاده نمود. واکنش سريع اين ماده با سطح ممزوج شده از مزاياي منحصر به فرد سريش خاک مي باشد؛ به طوري که در بحث عايقِ پي که اشاره گرديد تنها 15 دقيقه زمان لازم است تا اين ماده خشک شود و يک لايه ي محافظ را بر روي بتن تشکيل دهد.
محصولي جهت کنترل فرسايش و تخريب و جابه جاي خاک مي باشد که به لحاظ محيط زيستي، سازگار با طبيعت است. کاربري اين ماده افزايش قابليت باربري انواع خاک مي باشد.
اين ماده زود محکم مي شود (مي بندد) و در شرايط مختلف آب و هوايي قابل استفاده است. براي بست سازي فرودگاه بسيار ايده آل مي باشد. اين ماده که داراي زنجير پليمري بر پايه ي کربن مي باشد سبب به هم چسباندن اجزاي خاک به يکديگر مي شود. ناحيه اي که با اين ماده مخروج مي گردد داراي سطحي سخت مي گردد و ظاهري شبيه به يک سطح سيماني دارد.
از خصوصيات محيطي اين ماده مي توان به موارد زير اشاره کرد:
1- غيرسمي، 2- عدم خوردندگي، 3- عدم اشتعال پذيري، 4- عدم آلوده کنندگي آب
کلسيم ليگنوسولفات: (ليگنين) اين محصول به عنوان تثبيت گر خاک در بازار موجود است. اين ماده يک محصول جانبي از صنايع کاغذسازي مي باشد. ماده اي خميري شکل و قهوه اي تيره است کاربرد قابل توجه آن به عنوان خمير چسبناک براي تغذيه ي حيوانات است. ليگنين حتي سنگدانه هاي بزرگ (شماره ي 53) را هم به هم مي چسباند. اين ماده بايستي به صورت 50/50 با آب مخلوط گردد. پس از اختلاط عمليات کوبش لازم نيست و اين کار را بار ترافيک انجام خواهد داد.
امولسيون پلي وينيل اکريليک (PVA): يک نوع از اين پايه ي شيميايي همان مي باشد. [11]
جهت تثبيت از پليمر PVA پلي ونيل استات با ترکيب هاي مختلف ذيل استفاده شده در تمامي آزمون ها برش بر روي نمونه ها با تراکم 100 درصد و داراي رطوبت بهينه صورت پذيرفت براي حصول به اين هدف، تمام مخلوط هاي ساخته شده، مورد آزمايش تراکم پروکتور قرار گرفتند. تا وزن مخصوص خشک حداکثر و رطوبت بهينه ي هر يک تعيين گردد.
با توجه به نمودار، افزودن پليمر به خاک موجب بالا بردن ضريب ارتجاعي برشي و نيز چسبندگي و زاويه اصطکاک نمونه ها گرديد.
در شکل تأثير ميزان پليمر بر مقاومت برشي و افزايش خواص چسبندگي و مخلوط ها نشان داده شده است. اين شکل نشان مي دهد که در مخلوط هاي پليمري و خاک، تنش برشي حداکثر، به طور پيوسته با افزودن مقدار ماده مضاف افزايش مي يابد. چسبندگي حداکثر خاک به همراه 004/0 درصد پليمر 9 برابر شده و زاويه ي اصطکاک، 15 درجه اضافه گرديد. [4]
اين آزمايش نشان مي دهد که در شرايط آزمايشگاهي افزودن پليمر به خاک موجب افزايش خواص مکانيکي خاک مي شود.
تجربه در حد صنعتي اين روش با توجه به ريزدانه بودن خاک و نيز کوچک بودن حباب تزريقي در اين خاک ها مشکل است.
جمع بندي و نتيجه گيري
2- آهنگ کاربرد روش هاي بهسازي در ايران هماهنگ با کشورهاي ديگر نبوده، از روش هايي با تأخير زماني و از ديگر روش ها تاکنون استفاده نشده است. با به کارگيري بهسازي در پروژه ها ساليانه ميلياردها تومان صرفه جويي مالي به عمل آمده و زمان اجرا به تناسب کوتاه خواهد شد.
3- عدم استفاده از روش هاي بهسازي و تثبيت سبب مي گردد تا بر حسب نياز و مورد مصالح مناسب از فواصل زياد حمل شود. در اين شرايط هزينه ي اجراي کار با توجه به حجم زياد مصرف مصالح منتخب و مسائل مربوط به آن بسيار گران خواهد بود.
4- نقش آهک در تثبيت خاک هاي ريزدانه از زمان هاي قديم شناخته شده است. به طور کلي خاک هايي جهت اختلاط با آهک مناسب مي باشد که داراي مقدار کافي رس باشند. واکنش هاي شيميايي تبادل يوني بين آهک، آلومين و سيليس موجود در خاک رس باعث بالا رفتن کارايي، کاهش خصوصيات خميري خاک و همچنين واکنش هاي پوزولاني منجر به ايجاد يک جسم سمنته با مقاومت نسبتاً بالا مي شود.
5- با توجه به نتايج مقاومت فشاري با درصدهاي مختلف آهک، مقاومت نمونه ها روند افزايش يابنده داشته است.
6- تأثير ميزان آهک بر پارامترهاي مقاومت برشي (تغييرات ميزان چسبندگي و زاويه ي اصطکاک داخلي) در درصدهاي متفاوت آهک به 2 صورت هواي خشک و مرطوب مورد بررسي و مطالعه قرار گرفته است، مقايسه ي ميزان چسبندگي نمونه هاي آزمايشي هواي خشک در درصدهاي مختلف آهک نشان مي دهد، نمونه هايي با 6 درصد آهک پس از 20 روز بيش ترين مقدار چسبندگي را از خود نشان مي دهند. اين موضوع در مورد زاويه ي اصطکاک داخلي نيز صادق است.
7- در آزمايش برخي مستقيم، بر اثر کاهش 5 تا 8 درصد رطوبت، ميزان چسبندگي و زاويه ي اصطکاک داخلي نمونه هايي خشک نسبت به مرطوب به ترتيب 15-80 و 5 تا 50 درصد افزايش داشته که اين نتايج اهميت شرايط نمونه از لحاظ مقدار رطوبت بر مقادير پارامترهاي مقاومتي را نشان مي دهد.
8- مقايسه ي ميزان چسبندگي نمونه ها در حالت مرطوب و درصدهاي مختلف نشان مي دهد، نمونه هايي با 6 درصد آهک بيش ترين چسبندگي را نسبت به نمونه هاي با درصدهاي آهک 3 درصد و 9 درصد از خود نشان مي دهد. بررسي نمودار زاويه ي اصطکاک داخلي نيز نشان مي دهد که نمونه هاي محتوي 6 درصد آهک داراي مقدار زاويه اصطکاک داخلي مناسبي نسبت به ساير نمونه ها است.
بنابراين نمونه ها با 6 درصد آهک مناسب ترين گزينه هستند. لذا با توجه به نمودارهاي مقاومت فشاري و برشي مي توان نتيجه گرفت که نمونه ها با 6 درصد آهک بهترين پاسخ را داده اند.
9- افزودن سيمان به خاک رس در مخلوط خاک - سيمان، باعث کاهش نشانه ي خميري مخلوط مي شود و بناراين کارآيي مخلوط خاک - سيمان کم تر مي باشد.
10- مقاومت فشاري محدود نشده ي مخلوط هاي خاک - سيمان با افزودن سيمان افزايش مي يابد.
11- مقاومت برشي مخلوط هاي خاک - سيمان با افزودن سيمان با 6 درصد، تنش برشي حداکثر 3 برابر مي گردد. [9]
12- استفاده از پليمر در خاک هاي دانه اي با توجه به طريقه ي قرار گيري ذرات و فواصل لازم جهت چسبانيده شدن نتايج بهتري را نشان مي دهند.
13- مزيت تقويت خاک با استفاده از پليمرهاي رايج مانند P.V.A و ... به علت عدم خوردگي و تجزيه ي شيميايي، مدت دوام بالاي آن مي باشد.
14- با افزودن 004/0 درصد پلي ونيل استات به خاک ML مقاومت برشي 16 درجه و چسبندگي 9 برابر اضافه شد. [4]
15- افزودن پليمر نيز مانند تزريق سيمان در خاک هاي ريزدانه بسيار مشکل و شعاع تأثير ماده ي تزريقي محدود مي باشد و اين روش در صورت استفاده به صورت آميختگي با خاک بسيار مؤثرتر است.
16- افزودن پليمر در خاک هاي دانه اي با توجه به فواصل لازم جهت چسبانيده شدن نتايج بهتري را نشان مي دهد. [4]
مراجع و منابع
1- اشرفي، ح، 1386، «اصول و مباني گودبرداري و سازه هاي نگهبان»، چاپ دوم، انتشارات بهينه.
2- اسلامي، ا، 1385، «آسيب شناسي لرزه اي شالوده ها و روش هاي بهسازي»، مجموعه مقالات اولين همايش بين المللي مقاوم سازي.
3- اسلامي، ا، 1385، «مهندسي پي طراحي و اجرا»، چاپ اول، نشريه ي ک-437، مرکز تحقيقات مسکن.
4- بقولي زاده، ع، 1387، «خاک هاي مشکل آفرين و روش هاي بهسازي خاک»، پايان نامه ي کارشناسي ارشد.
5- بقولي زاده، ع، 1385، «مقاوم سازي لرزه اي خاک در مقابل روان گرايي»، اولين همايش بين المللي مقاوم سازي.
6- بقولي زاده، ا، 1387، «کاربرد ميکروپايل در سازه هاي نگهبان».
7- روشندل، پ، 1378، «بررسي روش هاي مختلف تثبيت خاک و مصالح سنگي در روسازي»، فصلنامه ي ژئوتکنيک و مقاومت مصالح، ش 83.
8-شادمهر، ه، سرشار، پ، 1370، «شناسايي پديده ي واگرايي خاک»، نشريه ي عمران، ش 6.
9- عبدالهي، ر، 1385، «تثبيت خاک هاي ريزدانه به وسيله ي سيمان»، مجموعه مقالات اولين همايش بين المللي مقاوم سازي.
10- عسکري، ف، فاخر، ع، «تورم و واگرايي از ديد مهندس ژئوتکنيک»، چاپ اول، انتشارات دانشگاه تهران.
11- علايي، حامد، 1387، «ارزيابي خواص مکانيکي خاک هاي تثبيت شده ي شيميايي توسط مواد پليمري»، پايان نامه ي کارشناسي ارشد.
12- قضاوي، م، 1386، «مهندسي پي»، جزوه ي درسي آموزش مهندسان عمران نظام مهندسي ساختمان اصفهان.
13- کاووسي، ا، هاشميان، ا، 1380، «بررسي تثبيت خاک با آهک در فرودگاه پارس»، مجموعه مقالات اولين کنفرانس بهسازي زمين، دانشگاه اميرکبير.
14- ليتکوهي، س، اميني، ح، 1386، «روش هاي بهسازي و پايداري شيرواني ها»، کنفرانس بهسازي خاک، نظام مهندسي ساختمان اصفهان.
15- منتظرالقائم، س، 1375، «اصلاح خاک از طريق پيش بارگذاري»، چ اول، انتشارات پژوهشگاه بين المللي مهندسي زلزله.
16- منتظرالقائم، س، 1384، «حرکت زمين و روان گرايي خاک»، چ اول، انتشارات پژوهشگاه بين المللي مهندسي زلزله.
17- مهندسين مشاور خدمات مهندسي مکانيک خاک، 1386، کنفرانس بهسازي خاک، نظام مهندسي ساختمان اصفهان.
18- ميرمحمد حسيني، م، 1383، «راهنماي مقاوم سازي زمين هاي سست در برابر روان گرايي»، چ اول، پژوهشگاه بين المللي مهندسي زلزله.
19- ميرمحمد حسيني، م. 1378، «مهندسي ژئوتکنيک لرزه اي»، چ اول، انتشارات پژوهشگاه بين المللي مهندسي زلزله.
20- ميرمحمد صادقي، م، 1387، جزوه ي ارتقاي مهندسان عمران سازمان نظام مهندسي ساختمان اصفهان.
21- وفاييان، م، 1380، «سد هاي خاکي»، چ دوم، انتشارات دانشگاه صنعتي اصفهان.
ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172. :
/ج