تحقیق مقاله پایدار سازی و تثبیت خاک زیر پی

فصل اول

- تزریق پر کنندگی به منظور پایدار سازی خاک های غیر چسبیده

چکیده

عملیات تزریق، عبارتست از اقداماتی که طی آن سیالی سخت شونده تحت عنوان دوغاب با عبور از مسیری خاص که توسط عملیات حفاری احداث گردیده است، وارد محیط زمین شده و تحت فشاری معین، درون ناپیوستگی های آن قرار می گیرد.

در صورتی که حین فرایند تزریق، تقابل چندانی بین دوغاب و محیط میزبان صورت نگیرد، به گونه ای که دوغاب فضاهای خالی را پرکرده و هیچگونه جابجایی یا تغییر شکلی را در پیکره محیط ایجاد نکند، عملیات تحت نام تزریق پرکنندگی معرفی می گردد. این نوع تزریق را عموما بمنظور رفع مشکلات ژئومکانیکی و پایدارسازی خاک های غیرچسبنده که عموما درشت دانه اند، بکار گرفته می شوند. به علت نفوذپذیری بالا، ورود دوغاب به این قبیل خاکها براحتی صورت می پذیرد. در ادامه، دوغاب سخت شده در فضاهای خالی، موجب ایجاد اتصالات مکانیکی مناسبی در محیط خاک می شود که پیوستگی آن را افزایش خواهد داد. بنابراین، عملیات تزریق پرکنندگی به عنوان یکی از روش های اصلی بهبود خواص مکانیکی در خاکهای غیر چسبنده است.

در این مقاله، ضمن بررسی کیفی این عملیات از نظر پارامترهای اصلی آن، یعنی موقعیت و ابعاد منطقه تزریق، ملاحظات اجرایی، آرایش گمانه ها، فشار تزریق و مواد مورد استفاده، به عنوان مطالعه موردی، پروژه بهسازی پی ایستگاه راه آهن کلگن آلمان و تزریق در آبرفت های پی سدالاعلی مصر، مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند.

کلمات کلیدی

تزریق پرکنندگی، بهسازی پی، پایدارسازی خاکهای غیر چسبنده

1-مقدمه

تزریق در خاک، از جمله مباحث مهم در بهسازی پی های خاکی و کم عمق است. بعضی از خاکها به علت نسبت تخلخل زیاد و عدم پیوستگی دانه ها در برابر بارهای وارده بسیار تغییر شکل پذیر هستند. به منظور استحکام این نوع خاکها روش های بسیار متعدد و پیشرفته ای وجود دارد. روش های لرزشی تحکیم خاک، تراکم دینامیکی، زهکشی و.. از جمله روش های بهبود شرایط ژئوتکنیکی خاک است. تزریق دوغاب نیز می تواند به عنوان یک روش بهسازی بکار گرفته شود که بسته به شرایط، دارای تکنولوژی اجرایی مختلفی نیز می باشد. البته شرایط خاص خاک، بویژه چسبندگی ذرات، وجود رس، نفوذپذیری کم در خاک های ریزدانه و.. باعث می گ تا عملیات تزریق در خاک، بسادگی تزریق در سنگ نباشد. همین امر باعث بوجود آمدن تکنیک های متنوع تزریق در خاک می شود که بعضا آنان را از هدف اصلی تزریق، یعنی جانشینی دوغاب به جای سیال موجود در ناپیوستگی ها جدا میسازد. در برخی از روش ها، دوغاب به جای نفوذ در محیط، به عنوان ابزاری جهت فشرده سازی، تحکیم و یا برداشت خاک بکار می رود. تزریق پرکنندگی را می توان نزدیک ترین روش بهسازی ی به تزریق تحکیمی در سنگ دانست. در این فرایند، دوغاب با نفوذ به محیطهای ناپیوسته و پرکردن فضای متخلخل، باعث افزایش مقاومت محیط می گردد. این عمل می تواند در خاکهای درشت دانه و غیرچسبنده بسیار مفید واقع گردد.

پایدارسازی خاکهای غیرچسبنده به جهت بهبود مقاومت (مقاومت برشی و مقاومت فشاری) انجام می گردد. بعلت پرشدن فضاهای خالی با مواد سخت شونده، آب بندی خاک نیز بطور همزمان صورت می پذیرد. شکل 1 نشان دهنده دو مورد پایدارسازی خاک در پی ساختمان و محیط اطراف تونل است. در واقع، خاک های پایدار شده، می توانند بعنوان دیواره های حفاظتی نیز بکار روند. از مزایای مهم پایدارسازی، می توان به موارد زیر اشاره کرد:

خاک پایدارشده، بارهای ناشی از ساختمان (سازه) را بدون ایجاد تغییر شکل زیاد، به لایه های زیرین خاک منتقل می کند.

-خاک پایدارشده، مقاومت لازم برای پی را در شرایط بارگذاری جدید تامین می نماید.

-خاک پایدارشده سازه را در برابر تغیر شکلهای ناشی از فشار زمین (که به سمت ناحیه گودبرداری شده مجاور اعمال می گردد)، محافظت می نماید.

براساس دستیابی به اهداف فوق، می توان به موقعیت و شکل منطقه تزریق پی برد. از جمله خواصی که بهمراه تزریق پایدارسازی در خاک ایجاد می گردد، آب بندی است. بهرحال، پس از انجام عملیات درمنطقه تزریق شده، اهداف زیر باید تامین گردند.

-پایدارسازی محدوده ای مشخص از پی یا اطراف تونل

-آب بندی منطقه در برابر جریان ابهای زیرزمینی

2-موقعیت و ابعاد منطقه تزریق

موقعیت منطقه تزریق، براساس تامین مقاومت لازم برای انتقال بار به لایه های پایین تر و جلوگیری از ایجاد تغییرشکلهای غیرمجاز، تعیین می گردد. عملیات تزریق را می توان قبل از شروع گودبرداری به پایان رساند. در نتیجه عملیات تزریق، هیچگونه تداخلی با عملیات گودبرداری نخواهد داشت. ابعاد منطقه تزریق به میزان پایداری لازم در محل وابسته است. ساده ترین طرح در این موارد، ایجاد یک دیواره وزنی است. ناحیه تزریق، تحت بار ناشی از ساختمان، تنش های محلی ناشی از وزن خاک و آبهای زیرزمینی واقع می شود. در محاسبات پی این منطقه ضریب اطمینان در برابر لغزش دوران، نشست و شکست مدنظر قرار می گیرد. مولفه های افقی بار ناشی از وزن خاک و آبهای زیرزمینی را نیز می توان با اجرای مهار متعادل ساخت.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 1: نمونه هایی از بهسازی خاک توسط تزریق پر کنندگی (الف و ب) بهسازی پی ساختمان  (1) بدنه ساختمان  (2) ساختمان جدید  (3) ناحیه تزریق شده با مقاومت فشاری 3 مگا پاسکال  (4) ناحیه تزریق شده با مقاومت فشاری 5/1 مگا پاسکال   (5) مهارهای با ظرفیت 500 کیلونیوتن  (پ) بهسازی فضای اطراف تونل  (1) مقطع خاک (2) سطح زمین    (3) تونل راه آهن    (4) شفت حفر شده به منظور انجام عملیات تزریق  (6) پر شدگی متشکل از ماسه و شن   (7) شن   (8) رس ترشیاری (ابعاد و فواصل تماما بر حسب متر می باشد.)

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 2: نمایی از ملزومات محاسباتی در طراحی محدوده تزریق

(1) سطح فونداسیون ساختمانی که تحت بهسازی پی می باشد. (2) سطح فونداسیون ساختمان جدید.(3) منطقه تزریق  (4) سطح لغزش دایره ای و شعاع آن به منظور تحلیل شکست خاک (5) محدوده ترشح دوغاب  (6) محدوده گسترش نامطلوب تزریق   (7) سطح برش   (8) حاشیه فرضی سایت جدید، p: بار ساختمانی

   G: وزن مرده ناحیه تزریق  E0 فشار اولیه خاک  R برآیند بارها   P0 فشار خاک تحت ناحیه تزریق

به منظور تحلیل تنش و ارزیابی آن، باید به میزان مقاومت منطقه تزریق یعنی وضعیت تنش های منطقه در شرایط شکست، پی برد. این مقاومت به خواص درونی خاک و نوع مواد تزریق شده وابسته است. ارزیابی و تعیین مقاومت خاکهای پایدار شده بوسیه تزریق توسط سیمان، با نمونه برداری و آزمایش براحتی امکان پذیر می باشد. اما ارزیابی خاکهای تزریق شده با ژل های سیلیکاتی، مشکل تر است. این مساله به علت رفتار خزشی این گونه خاکها تحت بار ثابت می باشد. با توجه به شکل 2 ضریب اطمینان در برابر شکست در سطح شماره 7 را می توان با استفاده از میزان مقاومت برشی محاسبه نمود. بعد از تزریق، مقدار زاویه اصطکاک داخلی ثابت مانده و چسبندگی افزایش می یابد. زاویه سطوح برشی   ، از رابطه (1) بدست می آید.

که   زاویه اصطکاک داخلی خاک است.

گسترش ناحیه تزریق، باعث تراوش، نشست و تورم محیط به سمت گودبرداری های مجاور می گردد. که این خود، باعث افزایش ضریب اطمینان در برابر لغزش، دوران و شکست برشی است. با این وجود، این قبیل گسترش یافتگی ها به علت کاهش در فضای ساختمانی جدید، نامطلوب است. ممکن است تورم و تراوش دوغاب به محیط مجاور، ناخواسته و غیرقابل جلوگیری باشد، اما بهر حال باعث ایجاد شرایط تغییر شکل قابل قبول می گردد.

3-ملاحظات اجرائی

محیط عملیات تزریق پرکنندگی، اغلب یک محیط ابرفتی (خاک درشت دانه) است. در این حالت، مسیر ماده تزریق، شبکه ای از مجراهای نامنظم و با ابعاد مختلف می باشد. به همین علت معمولا قابلیت تزریق پذیری رسوبات آبرفتی بسیار کمتر از محیط سنگی است، که این خود نیازمند بکارگیری روش های ویژه و دوغاب های متفاوت می باشد.

به علت ریزشی بودن اکثر گمانه های حفر شده در این گونه خاکها، لوله گذاری اهمیت ویژه ای می یابد. حفاری به هر دو صورت دورانی یا ضربه ای ممکن است انجام گیرد.

اما لوله گذاری گمانه باید به طور همزمان با حفاری صورت پذیرد. مایع حفاری مورد استفاده، می تواند آب باشد. در شرایط نفوذپذیری بسیار زیاد، می توان حفاری و ترزیق را بطور همزمان انجام داد. در این شرایط در قطعات 30 تا 50 سانتی متری، بلافاصله پس از حفاری، حجم مقرری از دوغاب تزریق می گردد و این کار تا عمق مورد نظر ادامه می یابد. در این روش، اثر تزریق و توزیع دوغاب در خاک بسیار نامنظم بوده و منطقه نفوذ دوغاب گسترده است. معمولا در ساختگاههای دائمی و حساس از این روش استفاده نمی شود.

یکی از روش های معمول در تزریق پرکنندگی و حتی تزریق خاک شکنی، تزریق مانشس است. در این روش، ابتدا گمانه ای به قطر حدود 100 میلی متر تا عمق معین حفر و لوله گذاری می گردد. پس از آن، یک لوله پلاستیکی یا فولادی به قطر داخلی بسیار کمتر وارد گمانه می شود. این لوله، لوله مانشت نام دارد و حاوی سوراخ هایی به فاصله 30 تا 50 میلی متر و یا بیشتر می باشد. این سوراخ ها با یک لاستیک نرم پوشیده شده اند. عملکرد این لاستیک ها مانند سوپاپ است. قبل از تزریق، ابتدا فضای بین لوله مانشت و لوله جدار با دوغابی غنی از رس پر می شود. این محدوده از گمانه که توسط دوغاب پرشده است را آستین یا جلد گویند. همزمان با این عمل، لوله جدار نیز به بالا کشیده می شود. پس از طی مدتی که دوغاب مقاومت کافی بدست آورد، لوله دیگری بنام لوله تزریق که قطر آن از لوله مانشت کمتر است به آن وارد می گردد. عمل لوله تزریق، انتقال دوغاب به مقطع مورد نظر تحت فشار معین می باشد. همراه لوله، یک سیستم پکر منفرد یا مضاعف وجود دارد. سیستم پکر باید بگونه ای در گمانه مستقر گردد که خروج دوغاب تنها از سوراخ های موجود در مقطع مورد تزریق، صورت پذیرد. لاستیک های موجود در سوراخ ها به گونه ای طراحی شده اند که اجازه خروج به دوغاب را خواهند داد، اما از بازشت یا ورود آن به محیط درون لوله مانشت ممانعت می کنند.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل (3) تزریق مانشت قطر گمانه در حدود100 میلیمتر می باشد. (الف) مراحل عملیات (1)حفاری و لوله گذاری  (2) پر نمودن گمانه توسط دوغاب جلدی  (3 و 4) حرکت دوغاب از گمانه به مقطع (ب) جزئیات تجهیزات درون گمانه در حین تزریق (1) دوغاب جلدی   (2) پکر مضاعف  (3) لوله سوپاپ دارPVC   (4) سوپاپ لاستیکی (5) لوله تزریق

در روش مانشت، ابتدا گمانه های دسته اول از پایین به بالا تزریق می شوند. دوغاب مورد استفاده در مرحله ابتدایی سوسپانسیون سیمان بنتونیت است که نسبت آب آن بر اساس مشخصات خاک تعیین خواهد شد. در هر مقطع، حجم تعیین شده ای از دوغاب تزریق می گردد. در مرحله دوم، گمانه های دسته دوم نیز با دوغاب سوسپانسیون سیمان بنتونیت تزریق می شوند. اما دراین مرحله سعی بر آن است که حجم بیشتری از دوغاب به نقاطی که در مرحله قبل حجم کمتری را دریافت کرده اند وارد شود. بعد از طی این رویه می توان لوله های مانشت را با محلول شیمیایی تزریق نمود. روند مذکور را می توان در موردگمانه های دسته سوم نیز بکار برد.

پس از اتمام عملیات، گمانه های کنترلی به جهت ارزیابی وضعیت نفوذ دوغاب در زمین حفر می گردند. همانطور که ذکر شد، یکی از بهترین راههای برریس یک منطقه به لحاظ تزریق پذیری (چه در تزریق آب بند و چه در نوع تحکیمی) انجام آزمایش های فشار آب است. گمانه های کنترلی در جایی حفر می گردند که میزان مصرف دوغاب آنها بیش از متوسط مصرف بوده است. تعیین نفوذپذیری با تزریق اب در فشاری کمتر از فشار تزریق در این گمانه ها صورت می پذیرد و در صورتی که قم دار نفوذپذیری تا حد مطلوب کاهش نیافته باشد، فرایند تزریق در لوله های مانشت،دوباره آغاز می گردد. پس از آن، کنترل مجدد انجام می شود و این روال تا جایی ادامه می یابد که بتوان به نفوذپذیری مطلوب دست یافت.

3-1-آرایش گمانه ها

بطور کلی، آرایش گمانه ها و لوله های مانشت با هدف ایجاد یک محیط تزریق همگن و بهم چسبیده طراحی می گردد. در شکل 4 نمونه هایی از آرایش گمانه های تزریق پرکنندگی در خاک نشان داده شده است. فاصله بین لوله های مانشت در مقطع AAدودا یک متر می باشد و از دو گروه گمانه استفاده شده است. ابتدا گمانه های گروه 1 و پس از آن گمانه های گروه 2 مورد تزریق قرار گرفته اند. البته در بخش های بالایی، فاصله گمانه ها بهم نزدیک می شود. گمانه های تزریق دارای آرایش های گوناگونی هستند. اما در حالت معمولی، می توان گمانه ها رادر یک شبکه و در چند سری متعدد (معمولا سه

سری) قرار داد که به نوبت تزریق می شوند. فاصله بین لوله ها با افزایش حجم تزریق، بیشتر می گردد.

این فاصله، در خاکهای درشت دانه و شدیدا نفوذپذیر حتی به 4 متر نیز می رسد. میزان حفاری در هر مترمکعب خاک مورد تزریق، براساس هزینه و مدت کار تعیین می شود. بعنوان مثال منطقه کوچکی چون شکل 4-الف، نیازمند 44/1 متر حفاری در هر مترمکعب است. درحالی که برای منطقه بزرگی چون اطراف یک تونل در حد 6/1 متر در هر مترمکعب می باشد.

مثالی از نحوه ی آرایش گمانه ها و نقاط تزریق. (الف) مقطع قائم (1) گروه اول لوله های مانشت، در حدود 100 تزریق در هر آستین (گمانه) (2) گروه دوم لوله های مانشت،در حدود 200 تزریق در هر آستین (گمانه) (3) سطح عملیات (ب) مقطع افقی در سطح AA (ابعاد و فواصل تماما برحسب متر هستند)

معمولا بعنوان پیش فرض اولیه باید به ازای هر متر مکعب زمین مورد تزریق 6/0 تا 1 متر حفاری در نظر گرفته و فرض گردد که 60 تا 80 درصد منافذ با دوغاب تزریق پر می شود.

3-2-فشار تزریق

سطح فشار تزریق باید همواره کمتر از حد فشار شکست نگاه داشته شود. فشار معمول در این گونه عملیات در حدی بین 1/0 تا 2/0 مگاپاسکال است. سرعت تزریق نیز مقداری بین 5 تا 151 لیتر بر دقیقه متغیر می باشد.

3-3-مواد تزریق

مواد تزریق و خواص رفتاری آنها،باید براساس نفوذپذیری خاک تعیین گردد. در شکل 5 محدوده کاربردی از مصالح سنگی و خاکی نشان داده شده است.

پس از تزریق مواد، دوغاب باید مقاومت محیط را به حدکافی افزایش دهد. این مساله ناشی از سیمانته کردن خاک بوده که از تماس ذرات محیط با یکدیگر و اندرکنش بین آنها بوجود می آید. محیط پایدار شده، باید در برابر آبهای زیرزمینی مقاوم باشد. این مساله باعث می شود که در مقاوم سازی خاک فقط سوسپانسیون هایی که تشکیل دهنده پیوندهای آبی هستند (و مخلوطهای شیمیایی با خواص مشابه) مدنظر قرار گیرند. دوغاب، پس از سفت شدن در محیط باید در برابر نفوذ اب مقاوم باشد. این خود مستلزم پایداری دوغاب در برابر فرسایش است. سوسپانسیون های پایه سیمانی با پرکننده و ژل های مقاوم پایه سیلیکاتی، مقتضیات موجود در این گونه عملیات تزریق را برآورده می کنند. طبق شکل 5 قابلیت پذیرش و کاربرد سوسپانسیون های سیمانی و ژل های مقاوم، محدود به دانه بندی خاک مورد تزریق است.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 5-محدوده کاربردی مواد تزریق. (1) قطر ذرات عبوری از الک (درصد وزنی)، (2) قطر دانه ها، (3) سیلت، (4) ماسه، (5)گراول، (6) گبل ها، (7)شفته (8)سیمان معمولی، (9)سیمان ریزدانه، (10) دوغاب پایه سیلیکاتی، (11)رزین، (12) عملیات تزریق با فشار، (13) سیمان فوق ریزدانه

خواص مقاومتی دوغاب سیمانی، توسط محتوای سیمان و نوع پرکننده بکار رفته در آن کنترل می گردد. انجام تست های آزمایشگاهی به منظور ارزیابی میزان پایداری دوغاب، قبل از شروع عملیات تزریق یک امر معمول است.

دوغاب های مختلف، حداقل باید به لحاظ خواص جریانی، ته نشین شدگی و مقاومت فشاری، مورد آزمایش قرار گیرند و در نهایت باید تمامی اجزاء تشکیل دهنده دوغاب و مقدار آنها ثبت گردد. این اجزاء می تواند مخلوطی از سیمان، پرکننده، بنتونیت، افزودنی ها و اب باشند. در صورت لزوم باید میزان سازگاری و مقاومت دوغاب در برابر آبهای زیرزمینی نیز مورد آزمایش قرار گیرد.

در مورد مواد پایه سیلیکاتی، باید به دو مساله توجه داشت، دوام و صدمات زیست محیطی آنها. ژل های سیلیکاتی مقاوم تحت شرایط اولیه خنثی (نبود خاک یا آب های زیرزمینی قلیایی) بسیار بادوام هستند. همچنین برخی از ژل ها به لحاظ رفتار خزشی نیز باید مورد توجه قرار گیرند. از سویی صدمات زیست محیطی این مواد شیمایی، دیگر نکته مورد توجه است. از این رو، بکارگیری پمپ های شیمیای، مطالعه سوابق این قبیل مواد در پروژه های پیشین و مقایسه ترکیب های مختلف و عملکرد محیطی آنها از مسائل پیشنهادی است.