اختلاط عمیق خاک

اختلاط عمیق خاک یا DSM یکی از روش های کاربردی بهسازی خاک در جهان است که با استفاده از تزریق مواد پایدار کننده ای نظیر سیمان یا آهک با استفاده از یک حفار با محور توخالی به صورت مکانیکی در خاک، باعث تولید ستون های خاک سیمانی و اصلاح مشخصات خاک می گردد. در این روش به وسیله اختلاط خاک با مصالح سیمانی توسط همزن هایی در عمق و ایجاد ستون های خاک سیمان مشخصات خاک بهبود می یابد. ضمناً با همپوشانی ستون ‏ها قبل از گیرش کامل، دیوار های پیوسته ­ای زیر سطح زمین قابل احداث می­ باشند.

در این روش با اجرای متوالی ستون‌ها و ایجاد همپوشانی بین آنها، می توان دیوارهای آب‌بند ایجاد نمود و یا هر گونه آرایشی را در زیر پی ساختمان اجرا کرد و پس از حصول مقاومت کافی، پی سازه را بر روی ستون‌های اجراشده بنا نمود. گاه برای ایجاد دیوارهای حائل، قبل از گیرش مخلوط خاک – سیمان، نیمرخ های فولادی زوج یا تک به داخل خاک رانده می شوند و به این ترتیب در گودبرداری ها در کنار استفاده از مهارگذاری (انکراژ)، مقاومت مورد نیاز تأمین و حفاظت از گود در برابر نیروهای جانبی امکان پذیر خواهد بود.

 

 

 

دستگاه اختلاط دارای مته های تکی به قطر ۰/۶ تا ۲ متر می باشد و از نظر ارتفاع نیز این ستون ها در آمریکا تا عمق ۲۰ متر و در ژاپن تا عمق ۶۰ متر اجرا گردیده است.

مقاومت ستون به دست آمده تابع عواملی نظیر:

  • نوع ماده افزودنی
  • نوع خاک
  • روش اجرا

می باشد.

Deep Soil Mixing

Deep Soil Mixing

 

 

تاریخچه روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

اختلاط عمقی خاک اولین بار در سال ۱۹۷۱ در نزدیکی فرودگاه هاندا در کشور ژاپن جهت بهسازی خاک استفاده گردید. در این پروژه، آهک به عنوان پایدار کننده و تثبیت کننده خاک استفاده گردید. ولی به مرور زمان به علت:

  • آشنایی با اثرات سیمان بر خاک
  • در دسترس بودن سیمان

استفاده از سیمان به عنوان ماده افزودنی رواج یافت.

از اواسط دهه ۱۹۷۰، روش اختلاط عمقی خاک از کشورهای شمالی قاره اروپا در این قاره گسترش پیدا کرد. در آمریکا به علت وجود پیمانکاران تخصصی ژاپنی، این روش به کار گرفته شد. اولین پروژه اختلاط عمیق خاک در آمریکا در سال ۱۹۸۶ در زیر سدی واقع در دریاچه جکسون انجام گردید. بعد از اجرای این پروژه، این روش به طور گسترده در بهسازی خاک در این کشور مورد استفاده قرار گرفت به نحوی که انجمن بزرگراه های ایالتی  (Federal Highway Administration)  در آمریکا در سال ۱۹۹۷ به تدوین آئین نامه ها (FHWA-RD-99-138) و ضوابطی برای اجرای روش اختلاط عمیق پرداخت.

 

ستون های اختلاط عمیق که به صورت سکانت و با همپوشانی اجرا گردیده اند

ستون های اختلاط عمیق که به صورت سکانت و با همپوشانی اجرا گردیده اند

 

 

مبانی طراحی روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

ستون‏ های اختلاط عمیق خاک جهت افزایش ظرفیت باربری خاک در فشار و برش، کنترل نشست، مقابله با روانگرایی، کاهش نفوذپذیری و همچنین در زمینه‌های زیست محیطی نیز به منظور محدود کردن یا ثابت نمودن مواد شیمیایی مضر در خاک 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 به کار رفته در اختلاط دارد.

ستون های اختلاط عمیق خاک را در چیدمان های متفاوتی می توان اجرا کرد:

 

چیدمان های متفاوت اجرای ستون های اختلاط عمیق خاک

چیدمان های متفاوت اجرای ستون های اختلاط عمیق خاک

 

 

روش اجرای اختلاط عمیق خاک (DSM)

همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، ابتدا توسط اوگر، حفاری تا عمق مورد نظر انجام می گردد. سپس حفاری متوقف شده و اوگر به صورت آهسته به سمت بالا حرکت می کند و در حین حرکت، دوغاب از نازل های تعبیه شده در نوک بازوها با فشار زیاد به درون خاک تزریق می گردد. این حرکت و تزریق به صورت مرحله ای بوده و پس از طی ۱ متر رو به بالا، ۱ دقیقه در آن تراز می چرخد و دوغاب را تزریق می کند و این کار تا رسیدن به تراز زمین طبیعی ادامه می یابد. البته فاصله­ ها و زمان­ های اشاره شده با توجه به نوع دستگاه و نوع خاک متفاوت است. ضمناً روش تزریق بالا به پایین نیز بسته به شرایط اجرایی پروژه و محل قرار گیری نازل های تزریق، قابل انجام می باشد.

 

مراحل اجرای اختلاط عمیق خاک (روش تر)

مراحل اجرای اختلاط عمیق خاک (روش تر)

 

 

افزودنی های روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

دوغاب سیمان و یا سیمان به صورت خشک رایج ترین افزودنی در روش اختلاط عمیق خاک است. 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 همزمان 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 در صورت امکان می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

 

 

نمونه ای از دستگاه روش خشک اختلاط عمیق خاک
نمونه ای از دستگاه روش خشک اختلاط عمیق

انواع اختلاط در روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

  1. روش تر: روش معمول اختلاط عمیق خاک می باشد که در قسمت‌های قبل توضیح داده شد.
  2. روش خشک: در صورت وجود رطوبت کافی جهت انجام واکنش شیمیایی بین مخلوط ترزیق شده و خاک، می توان از روش خشک استفاده کرد. در این روش مخلوط تزریق (سیمان، آهک یا ترکیبی از آنها) به صورت پودر تزریق شده و با خاک مخلوط می گردد. عمل اختلاط ماده خشک تزریق با خاک به وسیله اعمال هوا با فشار زیاد صورت می گیرد که از طریق نازل‌های قرار گرفته در انتهای تحتانی لوله حفاری خارج می گردد. بدین ترتیب ماده تزریق شده با رطوبت خاک واکنش می دهد و ستون‌هایی مشابه روش تر ایجاد می گردد.قطر ستون‌های ایجاد شده به روش خشک کوچکتر از روش تر بوده و مابین ۶۰  تا ۸۰ سانتی‌متر می باشند. حداکثر عمق اصلاح خاک با این روش به ۲۵ متر می رسد.

 

فشار خروجی دستگاه در روش خشک
فشار خروجی دستگاه در روش خشک

 

 

 

 

 

 

 

مراحل اجرای روش خشک اختلاط عمیق خاک

مراحل اجرای روش خشک اختلاط عمیق خاک

 

 

اختلاط سطحی خاک  (Shallow soil mixing)

اختلاط سطحی خاک

در مواقعی که فقط چند متر ابتدایی سطح زمین دارای مقادیر زیادی از خاک‌های ضعیف یا آلوده با درصد رطوبت بالا نظیر نهشته های رسوبی و لایروبی‌شده، خاک‌های آلی تر یا خاک‌های لجنی باشد، می توان با استفاده از اختلاط سطحی خاک، این چند متر را اصلاح نمود. در این روش ابزار اختلاط ویژه ای مورد استفاده قرار می گیرد که در اکثر مواقع به بازوی دستگاه حفاری متصل می باشد.

 

روش اختلاط سطحی خاک

روش اختلاط سطحی خاک

 

 

اختلاط سطحی خاک1

اختلاط در این روش به صورت افقی یا قائم توسط اوگر پره ای و نازلی در مرکز آن که برای خروج مخلوط تزریق تعبیه شده است، انجام می پذیرد. مخلوط تزریق از طریق دستگاه جداگانه ای که شامل محفظه تحت فشار مخلوط، کمپرسور، خشک‌کننده هوا و واحد کنترل می باشد، به درون خاک تزریق می شود. بسته به مشخصات ابزار مورد استفاده، اصلاح خاک در این روش تا عمق حداکثر ۴ متر میسر است. پس از آنکه حجم مورد نیاز از مخلوط، تزریق گردید، اختلاط ادامه می یابد تا مشخصات مورد نظر طراحی به دست آید.

 

 

کاربردهای روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

 

با توجه به شکل، 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.

روش اختلاط عمیق خاک، جزء اقتصادی ترین روش ها جهت اصلاح خاک های نرم است. محدودیت‌های اقتصادی، زمانی و یا محیطی گاه سبب می شود سایر روش‌های بهسازی مانند پیش بارگذاری، یا روش‌های دینامیکی مقرون به صرفه نباشند. از طرفی این دو روش به دلیل ایجاد ارتعاشات و صدای زیاد در مناطق شهری چندان قابل استفاده نیستند. روش اختلاط عمیق به عنوان جایگزینی مناسب برای این دو روش و همچنین روش شالوده های عمیق (اجرای شمع)، قابلیت های خود را به اثبات رسانده است.

با گذشت حدود ۵۰ سال از ابداع این روش، به دلیل کمبود تکنولوژی لازم جهت اجرا، در مواردی اندک از این روش در ایران استفاده شده است. با توجه به وجود زمین‌های ساحلی در شمال و جنوب ایران، اهمیت استفاده از این روش بیش از پیش روشن می گردد. به ویژه آن که در کشور ما به علت لرزه خیزی زیاد و امکان وقوع پدیده روانگرایی در مناطق ساحلی، استفاده از این روش باعث کاهش پتانسیل روانگرایی و جلوگیری از بروز مشکلات ناشی از آن می‌شود. همچنین امکان بهسازی خاک از روی بارج در ساخت بندرها و سازه های دریایی، از دیگر مزایای این روش جهت استفاده در مناطق ساحلی می باشد.

میزان اصلاح خاک در روش اختلاط عمیق خاک بسته به:

  • نوع مواد افزودنی
  • سطح انرژی اختلاط

متفاوت 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 به عنوان مصالح مهندسی با مشخصات ژئوتکنیکی بهتر از خاک محل، در طراحی ­ها استفاده گردد.

برخی از کاربردهای روش اختلاط عمیق خاک در بهسازی بستر:

  • تقویت پی انواع سازه
  • کاهش پتانسیل روانگرایی
  • تقویت شالوده (فونداسیون) اجرا شده
  • تقویت پی در راهسازی
  • شالوده (فونداسیون) مخازن نفتی
  • دیوار آب بند
  • اجرای دیواره حائل قائم
  • حفاظت شیب خاکبرداری
  • توسعه بنادر
  • پایدارسازی تونل

 

محدوده به‌کارگیری روش‌های مختلف بهسازی برای انواع خاک‌ها

محدوده به‌کارگیری روش‌های مختلف بهسازی برای انواع خاک‌ها

 

 

کنترل کیفی روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

 

آزمایش ‏های مورد نیاز جهت کنترل کیفی ستون های اختلاط عمیق:

  • 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 به صورت اندازه‏ گیری مشاهده ‏ای انجام می ‏شود که شامل موارد ذیل می ‏گردد:

  • انحراف در پلان
  • انحراف در عمق
  • انحراف قطر در عمق

 

 

مزایای روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

 

  • اقتصادی بودن این روش در مقایسه با روش های مشابه بهسازی
  • هزینه تجهیز کارگاه بسیار پایین در مقایسه با روش‌های مشابه نظیر تراکم دینامیکی یا اجرای شمع
  • کاهش نفوذپذیری خاک
  • افزایش مقاومت خاک
  • کاهش نشست خاک بر اثر سربار
  • جلوگیری از روانگرایی
  • اصلاح درجای زمین
  • تبدیل شدن زمین به بخشی از سیستم خاک – سازه
  • امکان کنترل و تأیید کیفی کار
  • سرعت اجرای بسیار بالا
  • ارتعاش و آلودگی صوتی بسیار پایین در مقایسه با سایر روش های بهسازی متداول شهری
  • ایده آل از لحاظ زیست محیطی

 

در این زمینه بیشتر مطالعه کنید : 

 

مطالب مرتبط :

آیین نامه های FHWA

Keller , Deep Soil Mixing