تثبیت و پایدارسازی خاک در احداث تونل و گودبرداری، مخصوصا در مناطقی که خاک سست وجود دارد از اهمیت خاصی برخوردار است. برای این منظور روش های مختلفی وجود دارد. یکی از این روش ها، روش بهسازی خاک از طریق انجماد خاک است. در روش انجماد خاک، از طریق یک لوله مرکزی جریان آب نمک فوق سرد (معمولا از 52- تا 3 درجه سانتیگراد) و یا نیتروژن مایع به پایین هدایت می شود. این جریان، گرما را از خاک اطراف خود گرفته و باعث – یخ زدن آن می شود. اساس کار روش انجماد در بهسازی خاک بدین صورت است که وقتی رطوبت داخل خاک یخ می زند، ذرات خاک به یکدیگر می چسبند و باعث ایجاد یک ساختار صلب با مقاومت و استحکام قابل ملاحظه می شود. این روش برای انواع خاک ها مانند رس، سیلت، ماسه، شن و حتی سنگ ها کاربرد داشته و روشی سبز و در راستای حفظ محیط زیست تلقی می شود. با وجود تاریخچه طولانی این روش در خارج از کشور و استفاده رو به رشد کشورهای خارجی از آن به دلیل موثر بودن و نیاز به وقت و انرژی کمتر، به کار بردن روش انجماد در بهسازی خاک توسط پیمانکاران در کشور ایران خصوصا برای مناطقی که دارای خاک های سست و یا سطح آب زیرزمینی آنها بالا است، بسیار موثر خواهد بود.
انجماد خاک فرآیند ایجاد لایه های موقت غیرقابل نفوذ، مقاوم و افزایش مقاومت فشاری و برشی با تبدیل و انجماد آب در حال جریان و موجود درخاک می باشد بر اساس نتایج حاصل، تسلیح خاک موجب:
- افزایش مقاومت فشاری و برشی
- بهبود پاسخ توده خاک نسبت به بارهای دینامیکی
- افزایش مدول برشی دینامیکی
- کاهش پتانسیل روانگرایی
- افزایش شکل پذیری خاک
می گردد.
علاوه بر این، مواد مسلح کننده دیگر دارای نقطه ضعف هایی بوده اما روش انجماد خاک روشی:
- عملیاتی
- مستقل
- سریع
- آسان
- مقرون به صرفه
- قوی تر
- قابل استفاده در دامنه وسیعی از انواع خاک ها
- قبال استفاده در زمینه های مختلف مهندسی
است که به عنوان روشی مناسب جهت تثبیت خاک نسبت به سایر روش های اصلاح خاک می باشد.
تاریخچه روش انجماد در بهسازی خاک
اولین گزارش استفاده از روش اصلاح خاک به روش انجماد به حفّاری معدن در South Wales در سال 1682 بر می گردد و امتیاز کاربرد عملیات انجماد خاک به نام Poetsch آلمانی در سال 1661 ثبت شده است و اولین مورد استعمال آن در ایالات متحده امریکا در سال 1888 در عملیات ساخت و حفاری معدن در ایالت Louisiana گزارش شده است. استفاده اخیر از این روش در یک پروژه حفاری بزرگ در Boston می باشد. امروزه فریز کردن خاک در سراسر دنیا رو به گسترش می باشد و یکی از روشهای حفاظت حفاری سازههایی مانند تونل و ایستگاه های مترو می باشد. ضمناً استفاده از این روش در جلوگیری و مهار آلودگی خاک مورد توجه می باشد.
فرآیند انجماد خاک
فرآیند انجماد خاک تبدیل کردن آب زیرزمینی به یخ به وسیله چرخش مداوم یک مایع برودتی در میان یک مجموعه از لوله هایی که قطر آن کم و در عمق زمین کار گذاشته میشود، انجام میگردد. آب زیرزمینی یخ زده به عنوان یک عامل پیوند دهنده بین ذرات خاک و سنگ می باشد که جهت افزایش چشمگیر مقاومت فشاری و جلوگیری از نفوذ آب برای اجرای عملیات حفاری زیر سطحی به کار می رود.
از جمله راهکارهای ایجاد پایداری موقت در زمین های سست و اشباع منجمد نمودن خاک اشباع می باشد. بر اثر انجماد آب، حجم آب افزایش مییابد. این افزایش حجم باعث تغییر در خصوصیات مهندسی خاک های اشباع مانند مقاومت تراکمی تک محوری، مدول الاستیسه، تورم و حدود روانی آنها میشود.
در عملیات انجماد خاک مجموعه ای از لوله های فریز که عموما به صورت عمودی و موازی نصب میشوند. مایع خنک کننده داخل آنها پمپ می شود که با شروع عملیات فریز کردن از انتهای لوله های فریز حلقه های یخی تشکیل و تا بالاصعود میکند که گرمای موجود در زمین اطراف لوله ها را می گیرد و وقتی که دما به صفر رسید یخ شروع به تشکیل شدن در اطراف لوله ها میکند که مانند یک ستون عمودی و استوانه ای در خاک تشکیل و با گذشت زمان این استوانه ها بزرگتر و به یکدیگر پیوند می خورند و تشکیل یک دیواره یخی ممتد را می دهند. وقتی دیواره تشکیل شده به ضخامت طراحی شده می رسد عملیات فریز کردن سرعت آن کمتر می شود تا شرایط موجود تثبیت گردد و عملیات حفاری شروع شود این روش بر خلاف روش های دیگر حفاری و مهار آبهای زیرزمینی یک روشی است که اصطلاحا تهاجمی نبوده و وقتی عملیات حفاری به اتمام رسید و فریز کردن قطع شد زمین به حالت اولیه خود بر میگردد و زمین تا حد زیادی دست نخورده باقی می ماند.
اصول انجماد خاک
تاثیرگذاری انجماد، وابسته به حضور آب برای ایجاد یخ، سیمانی بودن فواصل بین ذرات و افزایش مقاومت زمین جهت ایجاد تعادل بین سنگ نرم و متوسط است. اگر زمین اشباع یا نزدیک به اشباع باشد، نفوذناپذیر محسوب می شود. اگر رطوبت سوراخ ها را پر نکرده باشد، ممکن است نیاز به اضافه کردن آب باشد. رسیدن به مقاومت مورد نظر خاک منجمد شده بستگی به دمای انجماد، رطوبت و طبیعت خاک دارد. فرآیند انجماد مخصوصاً میتواند روی پایداری سیلت هایی که برای تزریق بسیار ریز هستند تاثیر بگذارد.
در حین یخ زدن، آب حدود 3% افزایش حجم می دهد که البته به تنهایی باعث اعمال تنش و کرنش روی خاک نمی شود، مگر اینکه آب بین دو لایه محدود شده باشد. تورم حاصل از یخ زدگی که ممکن است در سیلتهای ریزدانه و رسها اتفاق بیافتد، پدیده ای متفاوت است. لنزهای یخ در سنگ و رس، ممکن است به صورت رگه های ریز بزرگ شوند. بنابراین باعث افزایش نفوذپذیری پس از آب شدن می شوند. همانند تمام روش های بهسازی خاک:
- بررسی کافی محل اجرای پروژه برای انتخاب بهترین روش
- طراحی مناسب لوله های انجماد
- انتخاب دستگاه با قدرت کافی جهت انجماد
ضروری به نظر می رسد.
هنگام طراحی سازه های زیرزمینی یخی در رس، رسیدن به دمای پایین تر جهت افزایش مقاومت مورد نظر، ضروری به نظر می رسد. به طور مثال، رسیدن به دمای 7- درجه سلسیوس ممکن است برای زمین ماسه ای کافی باشد، در حالیکه برای رس نرم دمای کمتر از 23- درجه سلسیوس ممکن است نیاز باشد. زمین یخ زده ابتدا به شکل استوانه های قائم اطراف لوله های انجماد شکل می گیرند و همین طور که از این فرآیند می گذرد این استوانه ها گسترش یافته و با هم تشکیل یک دیوار پیوسته را می دهند. ضخامت این دیوار یخی بستگی به نرخ کاهش دما و خروج حرارت از خاک دارد. یکبار که دیوار یخی به ضخامت مورد نظر رسید، برای حفظ شرایط، کاهش دما متوقف می شود و فقط گرمای خاک خارج می گردد تا دما ثابت بماند. طراحی یک دیوار خاکی منجمد توسط خصوصیات گرمایی خاک زیرین تحمیل میشود.
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
- تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
- ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
- پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
- اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
- تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
- ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
- شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
- روش انجماد خاک چیست؟(Ground Freezing)
در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- روش اجزای محدود چیست؟ (Finite Element Method) (FEM)
- اندرکنش خاک و سازه چیست؟ (Soil Structure Interaction) (SSI)
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار GEOSLOPE
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار ABAQUS
- معرفی نرم افزار FLAC
- معرفی نرم افزار MIDAS
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
- خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
- سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
- دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
- دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
- زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
- نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
- پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
- دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
- آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
- ژئوفیزیک (Geophysics)
- زمین شناسی (Geology)
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
- مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
- خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
- رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
- گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
- گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
- گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
- نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
- مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
- مدیریت پیمان (Management Contracting)
- مدیریت طرح (Construction Management)
- مدل کسب و کار (B2B) یا بی تو بی (Business-to-Business)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
- سازه فلزی و سازه بتنی (Steel and concrete structures)
- طراحی سازه بر اساس عملکرد (Performance Based Seismic Design, PBSD)
- تغییرمکان جانبی نسبی طبقات چیست؟ (Drift)
- طیف پاسخ و طیف طرح چیست؟ (Spectrum Response)
مطالب مرتبط :
