جت گروتینگ و اختلاط عمیق
Jet Grouting & Deep Soil Mixing
جت گروتینگ چیست؟
یکی از روش های نوین و مبتنی بر تزریق روش جت گروتینگ است. این روش یکی از شیوه های پایدارسازی و افزایش مقاومت و توان باربری خاک به صورت درجا می باشد. تکنیک جت گروتینگ اولین بار در ژاپن مورد استفاده قرار گرفت. ایده برش بوسیله جت آب با فشار بالا در اوایل دهه ۷۰ میلادی برای استفاده در معادن زغال سنگ ایالات متحده و همچنین بریتانیا مطرح شد و پس از آن در اواسط این دهه ژاپنی ها (برادران یاماکادو در سال ۱۹۶۵) از این روش نه فقط برای برش و فرسایش خاک بلکه برای تزریق سیمان نیز استفاده کردند.
در روش اجرای جت گروتینگ پس از حفاری گمانه تا عمق مورد نظر، دوغاب تزریق بهمراه آب و هوای فشرده تحت فشار بسیار زیاد (بین ۲۵۰ تا ۷۰۰ بار) و با سرعت بیش از یکصد متر بر ثانیه از نازل انتهای میله حفاری خارج شده و همزمان با دوران میله حفاری، خاک اطراف محل خروج مخلوط تخریب گشته و با آن آمیخته می شود. این عملکرد باعث ایجاد ستونی با مقاومت بالا از جنس خاک سیمانته شده می گردد.
پروژه های جت گروتینگ و اختلاط عمیق سامان پی را ببینید…
می خواهید بیشتر بدانید؟ به پایگاه دانش ما بپیوندید…
نمایی از ستون های جت گروتینگ اجرا شده
روش اجرای جت گروتینگ
به طور کلی اجرای روش جت گروتینگ شامل مراحل زیر است:
- حفاری تا عمق مورد نظر با قطر مناسب (حدود ۷۶ تا ۱۱۰ میلیمتر) به روش دورانی و همراه با فشار آب (۲۰ بار) انجام می شود.
- دوغاب مورد نظر در میکسر های اولیه و ثانویه تهیه می شود و آماده تزریق می گردد.
در روش جت گروتینگ یا تزریق پرفشار دوغاب سیمان به صورت دورانی در مراحل مشخص (توقف – تزریق دورانی پرفشار – بیرون کشیدن) انجام می شود. به عنوان مثال ۸ دور در ۴ ثانیه تزریق (با فشار ۳۵۰ تا ۷۰۰ بار) و سپس ۴ سانتی متر بیرون کشی و تکرار. لازم به ذکر است اعداد مذکور نظر به وجود شرایط ژئوتکنیکی مختلف در پروژه های گوناگون برای دستیابی به قطر های مختلف طراحی می گردد. پس از اجرای آزمایشی ستون ها در سایت با اعداد بدست آمده. قطر ستون های اجرا شده اندازه گیری می شود تا مشخصات فنی و اجرائی پروژه حاصل شود.
در زمان تزریق، فشار زیاد جت تزریق قادر است به داخل خاک دیواره گمانه نفوذ کرده و موجب تغییر ساختار خاک گردد. از ترکیب دوغاب سیمان و خاک، ترکیبی خاک – سیمانی پدید می آید که پس از سخت شدن، ستونی مقاوم با مشخصات باربری و ناتراوایی مناسب برای پروژه مورد نظر ایجاد می گردد. شعاعی از خاک که تحت تاثیر تزریق جت قرار گرفته، شعاع تاثیر نامیده می شود و به عواملی نظیر فشار تزریق، زمان تزریق، مقاومت برشی برجای خاک، اندازه نازل ها و وزن مخصوص دوغاب تزریق بستگی دارد.
جت آب خروجی از نازل دستگاه حفاری
بطور کلی وابسته به نوع خاک، سه مکانیزم اندرکنشی نشت، فرسایش و برش نشان داده شده در شکل زیر و جدول روبرو می تواند شکل گیرد.
به طور معمول، سه شیوه جهت اجرای تزریق پرفشار وجود دارد که بر اساس تعداد سیال های مورد استفاده، تقسیم بندی می شوند. این سه روش عبارتند از سیستم تک سیال، دو سیال و سه سیال. انتخاب بهترین روش عموماً به نوع خاک، خواص فیزیکی و نوع کاربرد موردانتظار از توده خاک سیمان بستگی دارد.
| نوع خاک | مکانیزم اندرکنشی |
|---|---|
| خاک های شنی و ماسه ای | خوردگی و فرسایش |
| خاک های سیلتی، سیلتی ماسه ای و رسی | خوردگی و فرسایش |
| در خاک های ماسه ای، ماسه ی شنی و ماسه ی سیلتی | خوردگی و فرسایش |
| در خاک های شنی تمیز | نفوذ و تراوش |
ارتباط مکانیزم های اندرکنشی جت گروتینگ با نوع خاک
سه مکانیزم اندرکنشی در جت گروتینگ
معمولاً، سه شیوه جهت اجرای تزریق پرفشار وجود دارد که بر اساس تعداد سیال های مورد استفاده، تقسیم بندی می شوند. این سه روش عبارتند از سیستم تک سیال، دو سیال و سه سیال. انتخاب بهترین روش عموماً به نوع خاک، خواص فیزیکی و نوع کاربرد موردانتظار از توده خاک سیمان بستگی دارد.
لازم به ذکر است نوع اتصالات (واترسویل و …) و نازل (مانیتور) در سه روش مذکور متفاوت است.
انواع نازل ها و واترسویل های مختلف در سه روش تزریق پرفشار
روش های مختلف تزریق پرفشار
اصول طراحی
بطور کلی ستون های تزریق پرفشار با اهداف کلی افزایش ظرفیت باربری خاک در فشار و برش، کنترل نشست، مقابله با روانگرایی و کاهش نفوذپذیری مورد استفاده قرار می گیرد. در هریک از اهداف مذکور مطابق با روابط مربوطه محاسبات صورت می گیرد. پس به طور خلاصه رفتار این ستون ها مشابهت زیادی به رفتار سایر المان های قائم نظیر شمع دارد. به عنوان مثال با در نظر گرفتن مقاومت اصطکاکی و نوک، ظرفیت باربری مجاز ژئوتکنیکی ستون های تزریق پرفشار تعیین می شود.
همانند شمع ها، ظرفیت این ستون ها عبارت است از حداقل ظرفیت مجاز ژئوتکنیکی و سازه ای ستون ها. ظرفیت سازه ای ستون ها نیز براساس مقاومت تک محوری مغزه های اخذ شده از ستون و یا بارگذاری بزرگ مقیاس ستون ها قابل محاسبه و کنترل می باشد. بنابراین یکی از پارامترهای مهم طراحی ستون های تزریق، مقاومت فشاری محصورنشده مخلوط خاک و سیمان حاصل از این روش می باشد.
می توان پس از اجرای آزمایشی یک ستون در خاک پروژه و نمونه گیری از عمق های مختلف این ستون، مقاومت ۲۸ روزه نمونه ها را بدست آورد و طراحی اولیه بر این اساس اصلاح گردد. همانطور که در جدول زیر و شکل روبرو دیده می شود مقاومت فشاری خاک سیمان رابطه مستقیمی با جنس خاک و میزان سیمان بکار رفته در گروت دارد.
| نوع خاک | تک سیاله | دو سیاله | سه سیاله |
|---|---|---|---|
| خاک های ماسه ای | ۱۰-۳۰ | ۷.۵-۱۵ | ۱۰-۲۰ |
| خاک های رسی | ۱.۵-۱۰ | ۱.۵-۵ | ۱.۵-۷.۵ |
مقاومت فشاری نمونه های خاک اصلاح شده بروش تزریق پرفشار بر حسب مگاپاسکال (Kauschinger et al., 1989)
رابطه نسبت سیمان مصرفی و مقاومت فشاری ستون تزریق پرفشار
کاربردها
جت گروتینگ از جمله روش هایی است که در بازه بزرگی از خاک های مختلف کاربرد دارد. در شکل زیر محدوده های عملکرد بهینه روش جت گروت نسبت به روش های مختلف بهسازی و پایدارسازی خاک نشان داده شده است.
جت گروتینگ علیرغم اینکه به عنوان روشی جدید در زمینه بهسازی خاک شناخته میشود، کاربردهای بسیار متنوعی دارد که نمونه هایی از آن در زیر عنوان شده است.
- دوخت به کف (Underpinning)
- ترمیم و بازسازی پی ها
- دیوار های نگهبان
- آب بندی گود ها و سازه های زیر سطح آب زیرزمینی
محدوده کاربرد روش جت گروت در مقایسه با سایر روش های بهسازی بستر
مزایا و محدودیت ها
محدودیت های اقتصادی، زمانی و یا محیطی گاهی سبب می شود سایر روش های بهسازی مانند پیش بارگذاری، یا روش های دینامیکی مناسب نباشند. روش تزریق پرفشار به عنوان جایگزینی مناسب برای این روش ها و همچنین روش شالوده های عمیق (اجرای شمع)، قابلیت های خود را به اثبات رسانده است.
متاسفانه با گذشت حدود ۴۰ سال از آغاز بکارگیری این روش در جهان، به دلیل نبود تکنولوژی لازم جهت اجرا، امکان بومی سازی تکنولوژی در ایران فراهم نشده بود. از آنجا که کشور ایران دارای زمین های ساحلی بسیاری با موقعیت استراتژیک ویژه ای در شمال و جنوب است و این زمین ها بدلیل مقاومت کم و ساختار سست و نشست پذیر خود و قرار گرفتن در نواحی زلزله خیز مستعد پدیده هایی نظیر روانگرایی و نشست می باشند، اهمیت بهسازی بستر با توجه به اهداف سازندگی و توسعه کشور نمایان گردیده است.
هم اکنون روش جت گروتینگ که برای بهسازی محدوده وسیعی از مشخصات خاک ها قابل استفاده است، به عنوان گزینه ای مناسب مورد توجه قرار گرفته است و با همت متخصصین ژئوتکنیک و مکانیک ایرانی و با تکیه بر دانش و تجربه چندین دهه خود تمام موانع پشت سر گذاشته شده و سرآغازی بر اجرای این روش نوین در کشور گشوده شده و با اجرای موفق چند پروژه در ایران، نوید توسعه سریع روش جت گروت در کشورمان را به ارمغان آورده شده است.
از جمله مزایای این روش میتوان به موارد ذیل اشاره کرد:
- کاهش نفوذپذیری خاک
- افزایش مقاومت خاک
- کاهش نشست خاک بر اثر سربار
- جلوگیری از روانگرایی
- اصلاح زمین بصورت درجا
- تبدیل زمین به بخشی از سیستم خاک – سازه
- امکان کنترل و تایید کیفی کار
- هزینه کمتر تجهیز کارگاه نسبت به موارد مشابه نظیر اجرای شمع
- سرعت اجرای بسیار بالا
- هزینه اجرای کمتر نسبت به موارد مشابه
- تولید صدا و ارتعاش کمتر در محیط شهری نسبت به روش های مشابه
ترکیب شمع های اجرا شده جت گروتی و انکرهای کششی
یکی دیگر از روش های بهسازی خاک که مبتنی بر تزریق مصالح به دورن خاک است که در نهایت ستون های خاک سیمانی ایجاد می کند روش اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing) است که به اختصار DSM خوانده می شود. این روش یکی از کاربردیترین روش های بهسازی خاک در جهان محسوب می شود که عبارت است از اختلاط خاک با مواد سیمانی و … که با استفاده از همزن هایی در عمق انجام می گیرد و منتج به شکلگیری ستون های خاک سیمان می شود.
در سال ۱۹۷۱ اولین بار روش اختلاط عمیق در نزدیکی فرودگاه هاندا اجرا شد. در این پروژه از آهک به عنوان مواد افزودنی استفاده شد. در ابتدا، در اکثر پروژه های اختلاط عمیق از آهک به عنوان پایدارساز استفاده می شد. ولی به مرور زمان و با شناخت اثرات سیمان بر خاک و همچنین در دسترس بودن آن، استفاده از سیمان به عنوان ماده افزودنی رواج بیشتری گرفت.
گسترش این روش در خاک اروپا از کشور های شمالی قاره و از اواسط دهه ۱۹۷۰ آغاز گردید. در آمریکا آغاز بکارگیری این روش زمانی بود که در ژاپن پیمانکاران تخصصی زیادی در این زمینه فعالیت می کردند. اولین پروژه اختلاط عمیق آمریکا در سال ۱۹۸۶ و مربوط به بهسازی خاک در زیر سدی واقع در دریاچه جکسون می باشد. بعد از آن در پروژه های وسیعی در آن کشور توسط این روش اجرا گردید به نحوی که انجمن بزرگراه های ایالتی (Federal Highway Administration) در آمریکا در سال ۱۹۹۷ به تدوین آئین نامه ها و ضوابطی برای اجرای روش اختلاط عمیق دست زد.
ستون های اجرا شده توسط روش اختلاط عمقی خاک
اصول طراحی
بطور کلی ستون های اختلاط عمیق با اهداف کلی افزایش ظرفیت باربری خاک در فشار و برش، کنترل نشست، مقابله با روانگرایی و کاهش نفوذپذیری مورد استفاده قرار می گیرد که در هریک از اهداف مذکور مطابق با روابط مربوطه محاسبات صورت می گیرد.
مبانی طراحی ستون های اختلاط عمیق تقریبا مانند مبانی طراحی ستون های جت گروتینگ است و مقاومت فشاری خاک سیمان رابطه مستقیمی با جنس خاک و میزان سیمان بکار رفته در اختلاط دارد.
فلوچارت طراحی و ساخت ستون های اختلاط عمیق در پروژه ها
روش اجرای اختلاط عمیق خاک
مطابق تعریف اختلاط خاک که در آن مواد پایدارکنندهای نظیر سیمان یا آهک با استفاده از یک حفار با محور توخالی بصورت مکانیکی با خاک مخلوط می شود، فرآیند اختلاط خاک موجب تولید ستون یکنواختی (با پهنای ثابت) از خاک و ماده افزودنی می گردد. با همپوشانی ستون ها قبل از گیرش کامل، دیوار های پیوسته ای زیر سطح زمین قابل احداث می باشند.
همانطور که در شکل مشاهده می شود، در این روش ابتدا اوگر حفاری با بازوهای خود در زمین حفاری را آغاز می کند. زمانی که به عمق مورد نظر رسید حفاری متوقف شده و اوگر دارای بازو به صورت معکوس حرکت را آغاز می کند و به طور آهسته به سمت بالا رانده می شود. در زمان حرکت اوگر به سمت بالا از درون نازل های تعبیه شده در نوک بازوها دوغاب با فشار بسیار زیاد به درون خاک تزریق می شود. این حرکت به سوی بالا مرحله ای بوده و پس از طی فاصله ی یک متر رو به بالا، تقریباً یک دقیقه در همان تراز می چرخد و دوغاب به داخل زمین تزریق میشود. البته فاصله ها و زمان های اشاره شده با توجه به نوع دستگاه و نوع خاک متفاوت است.
مراحل اجرایی روش اختلاط عمیق خاک
محدوده کاربرد و کاربرد ها
همانطور که در شکل دیده می شود، روش اختلاط عمیق برای بهسازی محدوده وسیعی از خاک های نرم غیر آلی و خاک هایی که سایر روش های بهسازی در آن ها مناسب نیستند کاربرد دارد، البته در مورد خاک های آلی نیز می توان با در نظر گرفتن تمهیداتی نظیر اضافه کردن ماسه به مخلوط خواص خاک را بهبود بخشید.
با اختلاط خاک در محل می توان انواع متفاوت خاک ها را اصلاح نمود. روش اصلاح بسته به میزان انرژی اختلاط و نوع مواد افزودنی متفاوت است. در خاک های نرم و در مقایسه با سایر روش های اصلاح خاک، این روش از اقتصادی ترین شیوه های بهبود است. در این روش، با اختلاط دوغاب با خاک، مصالحی ساخته می شود که با گذشت زمان سخت تر شده و مقاومت آن افزایش می یابد و می تواند بعنوان مصالح مهندسی با خصوصیات ژئوتکنیکی بهتر از خاک محل در طراحی ها استفاده گردد.
روش اختلاط عمیق خاک کاربرد وسیعی در بهسازی بستر دارد که برخی از آن ها در ذیل نام برده شده است:
- تقویت پی انواع سازه
- کاهش پتانسیل روانگرایی
- تقویت فونداسیون اجرا شده
- تقویت پی در راهسازی
- فونداسیون مخازن نفتی
- دیوار آب بند
- اجرای دیواره های قائم
- حفاظت شیب خاکبرداری
- توسعه بنادر
- پایدار سازی تونل
محدوده کاربرد روشهای مختلف بهسازی بستر
کنترل کیفی
بطور کلی آزمایش های مورد نیاز برای کنترل کیفی محصول اختلاط عمیق عبارتند از:
- کنترل کیفیت آب مصرفی (مطابق استانداردهای ملی)
- کنترل کیفیت سیمان مصرفی (مطابق استانداردهای ملی)
- کنترل کیفیت افزودنیهای مصرفی (مطابق استانداردهای ملی)
- کنترل کیفیت دوغاب مصرفی
- کنترل پساب خروجی
- آزمایش های کنترل مشخصات هندسی (قطر، امتداد، طول و …)
این آزمایش ها عموماً بصورت اندازه گیری مشاهده ای انجام می شود که شامل موارد ذیل می گردد:
- انحراف در پلان
- انحراف در عمق
- انحراف قطر در عمق
نمونه ای از کنترل هندسی ستون های اختلاط عمیق
میکروپایل
Micropile and Underpinning
ستون شنی ارتعاشی
Vibro Stone Column
