بهسازی خاک(اختلاط عمقی خاک)

اختلاط عمقی خاک از جمله روش های بهسازی است که در طیف وسیعی از خاک ها تا عمق حدود ۵۰متر کاربرد دارد. هدف از اختلاط خاک دستیابی به فراسنج ها یا پارامترهای ژئوتکنیکی اصلاح شده از قبیل مقاومت فشاری مقاومت برشی و نفوذپذیری است. در زمینه های زیست محیطی نیز به منظور محدود کردن یا ثابت نمودن مواد شیمیایی مضر در خاک به کار می رود. همچنین در ساخت بندرها و سازه های دریایی، با اجرای کار از روی بارج، میتوان به نتایج باارزشی دست یافت. در استفاده از اختلاط عمقی خاک، زمین در شرایط درجا اصلاح می شود، مشخصات ژئوتکنیکی  آن به سطح قابل قبول رسانده می شود و این زمین اصلاح شده بخشی از سامانه خاک-سازه می گردد. کنترل و تایید کیفی کار نیز مقدور است.

روش کار

در اختلاط عمیق پره هایی با چرخش به داخل خاک رانده می شوند و سپس با رسیدن به عمق مورد نظر جریان دوغاب سیمان(گاه دوغاب آهک) به دااخل خاک هدایت می شود و همزمان با چرخش پره ها، خاک نامناسب محل با دوغاب مخلوط می گردد و چیزی که به آن خاک-سیمان (soilcrete) می گویند حاصل می شود. تعداد محورهای پره ها حداقل ۱ و گاه تا ۸ نیز می رسد. با اجرای پشت سر هم، می توان دیوار های آب بند ایجاد نمود و یا آن که هرگونه آرایشی را برای زیر پی ها لحاظ کرد و بعد از حصول مقاومت کافی، پی را بر  روی آن ساخت. گاه برای ایجاد دیوارهای حایل، هنگامی که مخلوط خاک-سیمان هنوز نگرفته و سخت نشده است، مقاطع فولادی بال پهن و یا تیر آهن های جفت شده به داخل خاک رانده می شوند و به این ترتیب در گود برداری ها با کمک اجرای مهاری ها مقاومت جانبی تامین و حفاظت گود مقدور می گردد.

افزودنی ها

رایج ترین افزودنی سیمان است که عموما به صورت دوغاب (ترکیب با آب) و گاه به صورت خشک مورد استفاده قرار می گیرد. حجم دوغاب مصرفی بسته به مورد و شرایط خاک حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد حجم خاک اصلاح نشده است.آهک نیز از افزودنی های مناسب است که گاه با سیمان مخلوط شده و به طور مشترک استفاده می شوند. در این صورت نسبت وزنی سیمان به آهک حدود ۱ به ۴ و مجموعه آنها به میزان حدود ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلوگرم به هر مترمکعب خاک اصلاح نشده اضافه می شود. افزودنی های دیگر مثل خاکستر آتشفشانی، سرباره کوره و سایر مواد شیمیایی نیز می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

طراحی

پس از تعیین اهداف پروژه و قبل از شروع عملیات اجرایی، لازم است با اخذ نمونه های خاک و اختلاط آن ها با افزودنی ها با نسبت ها و شرایط متفاوت در آزمایشگاه، از عملکرد طرح اختلاط اطمینان لازم حاصل گردد. بایستی توجه داشت که با اختلاط  دوغاب با خاک، مصالح جدیدی ساخته می شود که با گذشت زمان نیز سخت تر و مقاوم تر می گردد. مقاومت تک محوری مصالح جدید در حدود ۱ تا ۳۵ کیلوگرم بر سانتی متر مربع قابل حصول است و طراحی مناسب در چنین دامنه گسترده ای می تواند صورت گیرد. مقدار مقاومت بستگی به نوع خاک و مقدار افزودنی ها دارد. مصالح جدید، شکننده است و مقاومت های گفته شده در تغییر شکل های حدود ۱ درصد به دست می آید. تجزیه و تحلیل سامانه مرکب خاک طبیعی و خاک مخلوط همراه با اعمال بارهای وارده توسط برنامه هایی مانند FLAC و PLAXIS انجام می شود.

روش های کنترل

ساخت نمونه های آزمایشگاهی که برای تعیین بهترین نسبت اختلاط و روش اجرای بهینه انجام می شود نقطه آغاز کنترل کیفی است و به دنبال آن لازم است در هنگام اجرا اطلاعات مرتبط مثل شماره و قطر ستون ها، نسبت اختلاط، عمق اختلاط، زمان شروع، زمان در انتهای عمق ستون،زمان خاتمه، مدت اختلاط، جزئیات دوغاب، دبی و فشار تزریق دوغاب، حجم کل دوغاب تزریق شده، سرعت چرخش در پیش روی و پس روی پره ها و نکات فنی دیگر مرتبا ثبت و کنترل گردند.

نمونه گیری تازه از مصالح افزودنی نیز در هنگام تزریق ضروری است. نمونه های مغزه از کار اجرا شده گرفته می شوند که مورد آزمایش قرار می گیرند. اگر ستون های اجرا شده بزرگ باشند می توان داخل آنها را حفاری دستی نمود و از شرایط اختلاط بازدید نمود.

بهسازی خاک(روش های لرزه ای)

گاهی پس از انجام بررسی های ژئوتکنیکی، مهندس ژئوتکنیک مقاومت خاک را برای باربری سازه مورد نظر کافی نمی بیند و یا مقدار نشست را بیش از مقادیر مجاز ارزیابی می کند و یا اگر مشکلی در بارگذاری تحت شرایطی استاتیکی نباشد، ممکن است خاک زیر پی در شرایط زمین لرزه گرفتار پدیده ای به نام روانگرایی یا روانگونگی(soil liquefaction) گردد که تخریب و فروپاشی تمام سامانه سازه و پی را به دنبال خواهد داشت.

روش های لرزه ای

با کمک یک کاوشگر(probe) که دارای موتور و وزنه خارج از محور است، لرزش لازم به خاک داده می شود و همزمان جریان آب نیز کمک می کند که کاوشگر با وزن خود به داخل خاک نفوذ کند. در هنگام نفوذ خاک اطراف متراکم می شود و دانه های سست خاک محل جاکن شده و با جریان آب به سطح زمین می آیند. پس از رسیدن به عمق مورد نظر، مصالح مناسب دانه ای(ماسه، شن یا سنگ شکسته) به درون فضای ایجاد شده ریخته می شود و همزمان کاوشگر به مرور و آرامی بالا آورده می شود تا مصالح ریخته شده را متراکم و جایگزین کند. پس از بیرون آمدن کاوشگر، خاک محل متراکم شده است و افزایش مقاومت یا کاهش نشست و یا رفع مشکل روانگرایی حاصل می گردد.

درصورتی که خاک محل دانه ای باشد(شن یا ماسه با درصد کمی سیلت یا لای) تراکم خاک به خوبی انجام می شود و مصالح اضافی ریخته شده فضای ایجاد شده ناشی از تراکم و فشرده شدن دانه های خاک را پر می کنند، لیکن هنگامی که خاک محل بیش از ۱۵-۱۰ درصد رس یا سیلت(لای) باشد تراکم خاک به خوبی حاصل نمی شود،اما با نفوذ کاوشگر، فضای لازم برای اضافه نمودن مصالح مناسب به وجود می آید که این مصالح پس از رسیدن به عمق با کمک لرزش دستگاه هم به درون خاک اطراف فرو می روند و هم خودشان متراکم می شوند و نتیجه کار چیزی است که به آن ستون سنگی می گویند. روش اخیر تراکم جایگزینی (vibero-replacement) و روش های قبلی که در آن خاک های دانه ای متراکم می گردند تحت عنوان تراکم لرزه ای(vibero-compaction) شناخته می شوند.

مشخصات  دستگاه

قدرت کاوشگرها، برحسب نیاز، نوع خاک و عمق اصلاح متفاوت است،لیکن قدرت ۱۵ تا ۱۵۰ کیلووات معمول و متعارف است. قطر کاوشگرها حدود ۵۰-۴۰ سانتی متر، وزنه ها در حدود ۱ تا ۲ تن و بسامد(fequency) در حدود ۱۵۰۰ دور بر دقیقه است. دامنه نوسان در حد چند میلیمتر می باشد.

طراحی

ویژگی های هر پروژه طراحی خاص آن پروژه را نیاز دارد. آرایش ستون ها در پلان می تواند مثلثی یا مربعی باشد. تعیین فاصله ستون ها نیز تحت تاثیر قطر ستون ایجاد شده می باشد که خود ناشی از نوع خاک محل است. تقریبا فاصله های ۳/۱-۵/۳ متر متعارف و معمول می باشند و تا حد زیادی کیفیت مصالح جایگزین نیز در تعیین فاصله دخیل است.

انجام مطالعات ژئوتکنیک	تعیین دانه بندی خاک
محاسبه نشست، روانگرایی، . . .	درک مساله
تعیین تراکم مورد نیاز	بارسیدن به تراکم مورد نیاز نشست کاهش می یابد و یا رانگرایی برطرف می شود
انتخاب روش مناسب تراکم ارتعاشی و حدود آن	تصمیم گیری برای اصلاح کل محوطه و یا فقط زیر پی ها
تعیین آزمایش های کنترلی	تراکم نسبی، نفوذ استاندارد، داچ کن، پرسیومتر،…

روش های کنترلی

در حین اجرا، مقدار مصالح مصرفی و هم چنین آمپر دستگاه کاوشگر اندازه گیری و ثبت می شود. خاک متراکم شده آمپر بالاتری را نشان می دهد و بنابر این می توان آمپراژ مورد نیاز را به عنوان عامل کنترلی از قبل تعیین و آن را آستانه تراکم در نظر گرفت. پس از پایان کار نیز طیف وسیعی از آزمایش های کنترلی مقدور است. از جمله رایج ترین آن ها نفوذ استاندارد(SPT)، نفوذ استاتیکی(CPT) و پرسیومتر(PMT) می باشند. استفاده از آزمایش های پر هزینه تر نظیر بارگذاری(PLT) نیز که گاه با ابعاد پی واقعی انجام می شود، کنترل عینی بهسازی را مقدور می سازد.

شرایط خاک پیش از بهسازی و پس از بهسازی در نمودار مناسبی وارد می شوند به طوری که بتوان مقایسه لازم را به عمل آورد. به این ترتیب کیفیت خاک بهسازی شده از نظر افزایش ضریب اطمینان در مقابل روانگرایی، افزایش مقاومت مجاز و یا کاهش نشست قابل ارزیابی است.