اختلاط عمیق خاک
تاریخچه
نمونههایی از بهسازی خاک به روش اختلاط عمیق
روش اختلاط عمیق خاک از آغاز دهه ۱۹۶۰ به عنوان یکی از روشهای سریع و مؤثر در بهسازی خاک در کشورهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. عبارت اختلاط عمیق خاک به روشی اطلاق میشود که در آن مواد تثبیت کنندهای نظیر سیمان یا آهک با استفاده از یک حفار با محور توخالی بصورت مکانیکی با خاک مخلوط میگردند. فرآیند اختلاط خاک موجب تولید ستونهای یکنواختی با قطر ثابت از خاک و دوغاب میگردد. با همپوشانی این ستونها قبل از گیرش کامل، دیوارهای پیوستهای زیر سطح زمین قابل احداث میباشند. از مزایای عمده این روش میتوان به سرعت بالای اجرا، افزایش ظرفیت باربری خاک، بهبود پارامترهای مقاومتی خاک، جلوگیری از حرکتهای جانبی در شیبها نظیر زمین لغزش و کنترل نشست زیر سازهها اشاره کرد.
بهسازی خاک به روش اختلاط عمیق در زیر مخازن پالایشگاه
معرفی
روش اختلاط عمیق یک تکنیک بهسازی خاکی میباشد که در آن خاک در محل با مواد چسباننده (مانند سیمان، آهک، خاکستر بادی و مانند آن)، مواد شیمیایی و یا بیولوژیکی به صورت دوغاب و یا پودر، به منظور بهسازی خصوصیات مهندسی و محیطی خاکهای نرم و یا آلوده، مخلوط میشود. ماشینهای طراحی شده خاصی که با چندین شافت و تیغه اختلاط مجهز شده و ماده تثبیت کنندهای که از طریق یک مجرا ستونهای خاک تثبیت شده درجا را با الگوها و مشخصاتی که بعدا ذکر خواهد شد، ایجاد مینماید. واکنشهایی که بین خاک و عامل تثبیت کننده بهوقوع میپیوندد باعث افزایش مقاومت و کاهش نفوذپذیری و کاهش پتانسیل آبشویی زمین میشود. در حالت تثبیت درجا، بهسازی خاک بصورت درجا و بدون حفاری، شمعزنی و یا آبگیری انجام میشود. پیشرفتهای اخیر در تکنولوژی اختلاط خاک شامل تثبیت خاکهای آلوده و بیمصرف، حذف مواد آلی سبک همراه با تزریق هوای داغ و تکنولوژی استخراج بصورت بخار میباشد. مواد آلوده ابتدا بصورت شیمیائی تثبیت شده و بصورت تودهای جامد در میآیند. این عمل باعث جلوگیری از آبشویی مواد آلوده شده و در عین حال خصوصیات مهندسی خاک را بهبود میبخشد. این تکنیک میتواند برای خاکهای آلوده آلی و غیرآلی استفاده شود. تثبیت با کمک مواد آهکی تاریخچه بسیار طولانی دارد و یافتههای مرتبط با مخلوط نمودن خاک و مواد تثبیت کننده نیز بسیار زیاد میباشد. همانطور که اشاره گردید روش اختلاط عمیق بطور جدی از اواسط دهه ۱۹۶۰ در کشور ژاپن و برخی کشورهای اسکاندیناوی مورد استفاده قرار گرفت. پس از آن در کشورهایی نظیر چین، آسیای جنوب شرقی و سپس دیگر مناطق دنیا مانند آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. بیش از چهار دهه است که روش اختلاط عمیق در پروژههای متعددی بکارگرفته شده است. همزمان تحقیقات گستردهای بر روی تقویت این روش صورت گرفته که موجب پیشرفتهای بسیاری در تجهیزات مربوطه، تغییرات در مواد تثبیت کننده و همچنین تنوع کاربرد این روش گردیده است. در میان تثبیت کنندهها، آهک توانسته است به عنوان یک جایگزین مناسب برای سیمان در ژاپن معرفی شود. البته هنوز در کشورهای اسکاندیناوی منظور بهسازی خاک، مخلوط آهک و سیمان رواج بیشتری نسبت به استفاده از آهک تنها دارد. البته تا به امروز مصالح متعددی نظیر گچ، خاکسترهای آتشفشانی و تفاله کورههای آهن(روباره) با سیمان و آهک ترکیب شده اند.
فلوچارت ذیل خلاصهای از کاربردهای مختلف سنتی و مدرن تکنولوژی اختلاط عمیق را ارائه کرده است. در توسعه کاربردهای جدید عمدتا سعی شده است تا مزیتهای ویژهای نظیر سخت شدگی سریع در دوره زمانی کوتاه و همچنین رعایت اصول و قوانین زیست محیطی در نظر گرفته شود. اگرچه لازمه ابتدایی روش اختلاط عمیق بدست آوردن مقاومت بالاتر با هزینه کمتر میباشد، با این حال سهولت اجرا در ساخت و سازهای پیچیده و دشوار منجر به اعتماد بیشتری در عمل به این تکنیک شده است. پتانسیل گسترده تکنیک اختلاط عمیق که همگام با مسائل زیست محیطی و براساس بهسازی در محل و حذف آلودگیهای مختلف از خاک بوده است، زمینهای امیدبخش جهت مطالعات بیشتر میباشد. علاوه بر این، هنوز زلزله به عنوان یک مخاطره طبیعی جدی در بسیاری از کشورهای جهان مانند ژاپن و آمریکا مطرح میباشد، از این رو استفاده از تکنولوژی اختلاط عمیق در کاهش روانگرایی بسیار کار آمد نشان داده شده است.
کاربردهای مختلف تکنولوژی اختلاط عمیق
مراحل اجرا
چنانچه در شکل زیر قابل مشاهده است، در این روش ابتدا اوگر حفاری با بازوهای خود در زمین حفاری را آغاز میکند. سپس زمانی که به عمق مورد نظر رسید، حفاری متوقف شده و اوگر حرکت خود را به صورت معکوس آغاز میکند و به طور آهسته به سمت بالا رانده میشود. در زمان حرکت اوگر به سمت بالا از درون نازلهای تعبیه شده در نوک بازوها دوغاب با فشار بسیار زیاد به درون خاک تزریق میگردد. این حرکت به سوی بالا مرحلهای بوده و پس از طی فاصله یک متر رو به بالا، به مدت تقریباً یک دقیقه در همان تراز میچرخد و دوغاب به داخل زمین تزریق میشود. البته فاصلهها و زمانهای اشاره شده با توجه به نوع دستگاه و نوع خاک متغیر است.
مراحل اجرای اختلاط عمیق خاک (DSM)
افزودنی ها
رایجترین افزودنی در این روش سیمان است که عموماً به صورت دوغاب (ترکیب با آب) و گاه به صورت خشک مورد استفاده قرار میگیرد. حجم دوغاب مصرفی بسته به مورد و شرایط خاک حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد حجم خاک اصلاح نشده است. آهک نیز از افزودنیهای مناسب است که گاه با سیمان مخلوط شده و به طور مشترک استفاده میشوند. 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 میشود. افزودنیهای دیگر مثل خاکستر آتشفشانی، سرباره کوره و سایر مواد شیمیایی نیز میتوانند مورد استفاده قرار گیرند.
انواع اختلاط
۱) روش تر: روش تر همان روش معمول اختلاط خاک میباشد که در قسمتهای قبل به شرح آن پرداخته شد.
۲) روش خشک: بر خلاف روش تر، اختلاط خاک به روش خشک تنها در خاکهایی امکانپذیر است که رطوبت کافی جهت بروز واکنش شیمیایی بین مخلوط ترزیق شده در حالت خشک و آب زیرزمینی وجود داشته باشد. در این روش مخلوط تزریق که ممکن است سیمان، آهک یا ترکیبی از آنها باشد، به صورت پودر تزریق شده و با خاک مخلوط میگردد. عمل اختلاط ماده خشک تزریق با خاک بوسیله اعمال هوا با فشار زیاد صورت میگیرد که از طریق نازلهای قرار گرفته در انتهای تحتانی لوله حفاری خارج میگردد. بدین ترتیب مادهی تزریق شده با رطوبت خاک واکنش میدهد و ستونهایی مشابه با روش تر ایجاد میگردد. قطر ستونهای ایجاد شده به روش خشک کوچکتر از روش تر میباشند و بین ۶۰ تا ۸۰ سانتیمتر متغیر هستند. حداکثر عمق اصلاح خاک با این روش به ۲۵ متر میرسد.
انواع چیدمانهای DSM
مزایای استفاده از روش اختلاط عمیق خاک
- کاهش نفوذپذیری خاک
- افزایش مقاومت خاک
- کاهش نشست خاک بر اثر سربار
- جلوگیری از روانگرایی
- اصلاح درجای زمین
- زمین بخشی از سیستم خاک – سازه میگردد
- مقدور بودن کنترل و تایید کیفی کار
- کمتر بودن هزینه تجهیز کارگاه نسبت به موارد مشابه نظیر تراکم دینامیکی یا اجرای شمع
- سرعت اجرای بسیار بالا
- هزینه اجرای بسیار کمتر در مقایسه با موارد مشابه
- تولید صدا و ارتعاش کمتر در محیط شهری نسبت به روشهای مشابه
- ایده آل بودن از لحاظ زیست محیطی
انواع کاربرد اختلاط عمیق جهت بهسازی خاک
پروژههای ساخته شده در دریا و اسکله ها:
ساختن لنگرگاهها نیازمند انواع مختلف سازهها مثل دیوارههای ساحلی، بارانداز جهت مسافرین و کشتیهای بارگیری و همچنین موج شکن جهت محافظت تجهیزات لنگرگاه در مقابل امواج سهمگین دریا است. سازههای ساحلی با نیروهای مختلفی نظیر ضربات کشتیها، فشار آب، وزن سنگین جرثقیلها، فشار زمین، و نیروهای ناشی از زلزله مواجه هستند. از این رو معیارها و اندازه گیریهای خاصی به منظور حفظ و کنترل پایداری و ایجاد ایمنی در موقع ساخت این سازهها مد نظر قرار میگیرد.
۱- دیواره های محافظ ساحلی
دیوارههای ساحلی سازههایی هستند که در طول خط ساحلی جهت جلوگیری از فرسایش و خطرات دیگر ناشی از امواج ساخته میشوند. آنها همچنین پایداری خاک را در مقابل نیروهای کرانه ساحل تضمین میکنند و به اشکال مختلفی مانند انواع صندوقهای، سلولی، پرده سپرها و سازههای وزنی ساخته میشوند.
۲- موج شکن ها
موج شکن یک حصار تقریبا دور از ساحل است که بعضی اوقات در یک یا دو انتها به ساحل اتصال داده میشود. موج شکنها در برابر نیروهای امواج مقاومت کرده و به عنوان سپری برای سازههای دریایی و بارگیری کشتیها مورد استفاده قرار میگیرند.
پروژههای ساخته شده بر روی زمینهای نرم:
۱- فونداسیونهای مخازن و برجها
از جمله پروژههای مطرح که از تکنیک اختلاط عمیق به عنوان عامل تقویت بستر فونداسیون سازهها استفاده شدهاست میتوان به پروژه توسعه پالایشگاه نفت سنگاپور که شامل یک مخزن سوخت به ارتفاع ۲۱ متر و قطر ۴۲ متر روی زمین بهسازی شده نزدیک به ساحل بود اشاره نمود.
۲- تکیه گاههای پلها
کاربردهای روش اختلاط عمیق در پل سازی یا بصورت فونداسیون شمعی جهت تکیه گاهها و یا عاملی برای جلوگیری از حرکت جانبی و لغزش با کاهش فشار خاک واقع در پشت تکیه گاههای پلها میباشد. همچنین با این روش نشست در مناطق اطراف پل و زیر آن نیز به میزان زیادی کاهش مییابد.
۳- محافظت از تجهیزات زیر زمینی
جهت محافظت از تجهیزات زیرزمینی بصورت کنترل تغییر شکل زمین و یا ممانعت از نشت و ورود آبهای زیرزمینی میتوان از روش اختلاط عمیق استفاده نمود. در اجرای یک پروژه بهسازی زمین در ژاپن به منظور افزایش ظرفیت باربری یک کانال آب چهارگوش که قرار بود در زیر یک خط راه آهن موجود ساخته شود، از تکنیک اختلاط عمیق بهره گرفته شد.
۴- بهسازی خاکریزها
بهسازی با روش ستونهای اختلاط عمیق میتواند برای تثبیت بدنه، کنارهها و یا پنجه خاکریزهای خاکی و همچنین برای بهسازی کامل یا جزئی فونداسیون آنها مورد استفاده قرار گیرد. هدف از بهسازی در این موارد، جلوگیری از گسیختگی دامنه و نشست غیر یکنواخت، کاهش فرسایش در پنجه و جلوگیری از گسیختگی ناشی از نشت آب و یا روانگرایی میباشد. در سوئیس ستونهای آهکی یا سیمانی برای خاکریز بستر راه آهن و جادهها در تعداد زیادی از پروژهها برای افزایش پایداری و کاهش نشست مورد استفاده قرار گرفتهاند.
۵- سازههای نگهدارنده
در سازههای نگهدارنده به منظور جلوگیری از گسیختگی خارجی و یا کاهش نشست خاک پشت دیوار مورد استفاده قرار میگیرد. بطور مثال در توسعه فرودگاه بین المللی توکیو تکنیک اختلاط عمیق سیمان به شکل اختلاط خشک برای ساخت فونداسیون سازه نگهدارنده استفاده شد.
۶- فونداسیونهای ساختمان
فونداسیون ساختمانها معمولا به منظور تحمل بار سازه بدون رخ دادن گسیختگی ناشی از ظرفیت باربری و یا نشستهای غیر یکنواخت طراحی میگردند. بکارگیری تکنیک اختلاط عمیق به عنوان راه حل مناسبی برای فونداسیونهای عمیق در ساختمان سازی به ویژه در مناطق مستعد زلزله و جهت ممانعت از تغییر شکلهای برشی و روانگرایی شناخته شده است. این روش در بعضی از پروژهها، جهت افزایش استقامت افقی فونداسیونهای شمعی موجود نیز به کار برده میشود.
۷- مهارکردن فشارهای جانبی خاک
عملکرد ستونهای اختلاط عمیق نصب شده در یک سایت حفاری شده همانند یک میله مهار نفوذ کرده در میان صفحاتی با پتانسیل لغزشی است. از این رو وجود ستونهای اختلاط عمیق میتواند عامل کاهش تورم خاک ناشی از حفاری نیز باشد (به علت برداشته شدن خاک در یک عملیات حفاری، کف گود تمایل به تورم و بالا آمدن دارد که این پدیده به نام تورم کف شناخته میشود). در برخی پروژهها، اطراف گودبرداری نیز به منظور کاهش طول نفوذ پرده سپرها، بهسازی میگردد.
۸- کنترل گودبرداری
به عنوان یک راه حل مناسب و به جهت کنترل گودبرداری یک دیوار آب بند میتوان در کنار دیوار مهار صلب دیافراگمی (که توسط تکنیک اختلاط عمیق ساخته شده بود) ساخته شد تا از نشت آب به داخل گودبرداری ممانعت به عمل آورد. همچنین این روش میتواند جهت کاهش قابل ملاحظه فشار سربار عمل کننده روی دیوار دیافراگمی، نیروی اصطکاکی لازمه را فراهم میکند. حتی در بعضی از حالتها میتوان مقاومت خمشی دیوارهای ساخته شده با روش تکنیک اختلاط عمیق را به وسیله نصب تیرهای H شکل قائم داخل ستونهای سیمانی و یا آهکی اختلاط عمیق بلافاصله پس از اختلاط، افزایش داد. بدین طریق یک دیوار ضد آب سازهای شکل میگیرد. این روش میتواند راه حلی موثر برای گودبرداریهای عمیق واقع در مناطق شهری با سطح آب زیرزمینی بالا باشد.
۹- جلوگیری از گسیختگی شیبها و زمین لغزش
ایجاد خاکریزهای بلند بر روی خاکهای آبرفتی نرم که دارای درصد رطوبت بالا نیز هستند نیازمند بررسی احتمال حرکت جانبی خاک و نشست تحکیمی میباشد. جهت اطمینان یافتن از پایداری در مقابل شکست لغزشی و پتانسیل جابه جایی سازههای مجاور ناشی از حرکت جانبی زمین، راه حل حفاظتی خاصی باید در نظر گرفته شود.
۱۰- محافظت از سازههای مجاور
در بسیاری از سازهها بویژه سازههایی که دارای فونداسیون سطحی هستند هنگامی که عملیات گودبرداری در سایت مجاور وجود دارد، سازه مذکور (که دارای فونداسیون سطحی است) در منطقه تحت تاثیر تنش ناشی از عملیات حفاری گود مجاور میباشد. از این رو احتمال ایجاد نشستهایی ناشی از عملیات گودبرداری در ساختمانهای مجاور بسیار بالا میباشد. مشکلاتی نظیر در معرض نشستهای غیریکنواخت بودن و یا کج شدگی بسیار محتمل هستند. با توجه به اینکه ایجاد ستونهای اختلاط عمیق سبب دست خوردگی کمتری در خاک پیرامونی میگردد، این ستونها می توانند در مجاورت فونداسیونهایی که با چنین مخاطراتی روبرو هستند نصب گردند.
۱۱- کنترل نشت و دیوار آب بند
در اکثر کشورهای توسعه یافته و یا در حال توسعه جهت عملکرد ایمن و کنترل نشت در سازههای قدیمی ذخیره کننده آب و همچنین مطابقت این سازهها با آئین نامههای جدید، نگرانیهای فزایندهای وجود دارد. به همین جهت تکنولوژی اختلاط عمیق جهت نوسازی سدهای خاکی موجود توسط ایجاد دیوارهای آب بند برای کنترل نشت و همچنین پایدارسازی خاکریزها و سواحل رودخانهها به شکلی موفق به کار گرفته شده است.
۱۲- نوسازی سد
به منظور نوسازی یک سد و کنترل نشت آب آن، یک دیوار خاکی سیمانی در میان خاکریز سد و انباشتههای یخچالی طبیعی سازه سرریز تا سنگ بستر ساخته میشود.
۱۳- بهسازی سواحل رودخانه
خاک بهسازی شده با ستونهای سیمانی به منظور جلوگیری از لغزش شیب سواحل رودخانه در کوماموتوکن، جزیره کیشو، ژاپن استفاده گردیدهاست.
۱۴- مقابله با روانگرایی
روش اختلاط عمیق، مخصوصا از نوع مشبک آن، مقاومت برشی خاک را بهبود قابل ملاحظهای بخشیده و در نتیجه قادر است تا پتانسیل روانگرایی زمینهای با خاک نرم، اشباع، و سست را کاهش میدهد.
کاربردهای زیست محیطی:
مواد تثبیت کننده بکار گرفته شده در تکنولوژی اختلاط عمیق میتواند همزمان با ارسال مواد واکنش دهنده جهت بهسازی، جلوگیری از فرسایش بیولوژیکی و همچنین خنثی سازی زمینهای اسیدی را نیز به همراه داشته باشد. از این رو بهسازی در محل مخازن مواد باطله نیز با این روش ممکن است .به منظور کاهش نفوذپذیری، دیوارهای آب بند را میتوان با ترکیب کردن افزودنیهایی به خاک ایجاد نمود. البته به منظور محصور کردن سایت و داشتن یک آرایش منظم، خطی از همپوشانی ستونهای خاک بهسازی شده استفاده میشود. سیستم آب بند سلولی جهت آب بند کردن خاکها در محل انباشتههای مواد زائد و باطله موجود و یا در دست ساخت، مناسب میباشد.
۱- متوقف کردن انتشار پلی کلورینات بیفنیل ها(PCB)
طی پروژهای کارایی اختلاط عمیق به عنوان یک راه حل جهت متوقف کردن انتشار پلی کلورینات بیفنیل (PCB) در یک فروشگاه سرویس الکترونیکی عمومی در هالی، فلوریدا، به عنوان بخشی از برنامه محافظت از خاک محیط زیست ایالت متحده آمریکا، مورد بررسی قرار گرفت.
۲- بهسازی مواد آلی با قابلیت بخار شدن (VOC)
یک تکنولوژی بهسازی موثر جهت خاکهای آلوده شده با مواد آلی بخارشدنی ( VOC) سیستم استخراج بخار مکشی میباشد که در آن مواد آلوده بصورت گاز درآمده و با مکش از بین میروند. این روش در خاکهای ماسهای بخوبی عمل میکند، اما ممکن است به علت نفوذپذیری کم لایههای خاکی چسبنده، در اینگونه خاکها قابل استفاده نباشد. هیدهتوشی و همکاران با استفاده از یک ماشین اختلاط عمیق، آهک زنده را با استفاده از هوای فشرده به انتهای تیغه مخلوط کننده که خاک را به هم می زند، تزریق کردند. در اثر واکنشهای شیمیائی انجام شده، آب و مواد آلی بخارشدنی، بخار شدند و حرارت هیدراتاسیون از طریق یک دودکش به سطح منتقل گردید. سپس بخار جمع آوری شده مواد آلوده به یک دستگاه بازیافت حلال تزریق شد که در این دستگاه بخار بصورت مایع درآمده و هوای تصفیه شده به اتمسفر وارد شد.
۳- تونلزنی سپری در خاک نرم
تکنیک تونلزنی سپری به روش ساخت دیوار تونل در مراحل حفاری اطلاق میشود. این روش بطور وسیعی در زمینهای نرم با درصد رطوبت بالا و ساخت تونل در زیر دریا استفاده میشود. به منظور حفاری پیوسته با استفاده از ماشین تونلزن سپری، روش اختلاط عمیق با مقاومت پایین بکار برده میشود.
۴- دوختن خاک با استفاده از مهارهای اختلاط عمیق
در برخی مناطق متراکم شهری، حفاری شیبهایی با دیوارههای تقریبا قائم در مجاورت خاکریزهای موجود قطار واقع در فضای باز مورد نیاز میباشد. البته علاوه بر دوختن خاک ابزارهای دیگری نیز بایستی به کار گرفته شود. زیرا اولاً اکثر خاکریزهای قطارها از انباشتههای متراکم تشکیل شدهاند و خاکهای آنها طبیعی نمیباشد و ثانیاً تغییرشکل مجاز شیروانی در حین عملیات حفاری و بعد بایستی بسیار کم باشد تا تردد روزانه قطارهای بصورت ایمن انجام شود.
۵- کاهش لرزش با استفاده از بلوکهای کاهش دهنده ارتعاش(WIB)
در حالی که قطارهای سریع السیر محبوبتر میشوند، به منظور کاهش اثرات مضر لرزش در سازههای پیرامونی آنها، ابزارهای موثرتری بایستی بکار برده شود. تکنیک استفاده از بلوکهای کاهش دهنده ارتعاشی یک روش جدید کاهش لرزش میباشد که در آن بلوکهای تخت با صلبیت بالا در زیر فونداسیون سازه و یا نزدیک آن بکار برده میشود. با استفاده از این روش که با تکنولوژی اختلاط عمیق ایجاد میگردد، انتقال لرزش از منبع داخلی به سمت بیرون و از منبع خارجی به سمت داخل، جلوگیری به عمل میآید.
جمع بندی اشکال ۶ و ۷ نشاندهنده کاربردهای روش اختلاط عمیق در ساخت و سازهای خشکی و دریا میباشند. در ساخت و ساز در خشکی، روش اختلاط عمیق در خاکریزها، مخازن نفتی و فونداسیونهای ساختمانی استفاده میشود، در حالی که در ساخت و سازهای دریایی روش اختلاط عمیق در موج شکنها، خاکریزهای درون دریا و شمع های دریایی، کاربرد دارد. علاوه بر اشکال نشان داده شده، این تکنیک جهت توقف نشت، کاهش جابجایی و لرزش دیواره ها در خاکهای مسئله دار نیز استفاده میشود.
کاربردهای روش اختلاط عمیق