با توجه به واقع شدن بخش بزرگی از مسیرهای راه آهن در کشور ایران در مناطق کویری با خاک ماسه ای، توجه به استفاده از روش های تثبیت و بهسازی خاک ضروری به نظر می رسد. در این نوشتار، همزمان با معرفی روش اختلاط عمیق خاک (DSM) به عنوان یک روش کارآمد و اقتصادی جهت عملیات بهسازی خاک، در قالب مثالی کاربردی و با فرض متغیرهای خاک ماسه ای سست، امکان سنجی کاربرد روش ستون اختلاط عمیق (DSM) مورد بررسی قرار خواهد گرفت. بدین منظور با انجام آزمایش بارگذاری صفحه (PLT) و آزمایش برش مستقیم (DST) بر روی خاکریزهای راه آهن و مصالح ماسه ای زیرسازی یا بستر (Subgrade)، پارامترهای مقاومت برشی و نیز پارامترهای تغییر شکل پذیری آنها به دست می آید. در ادامه با توسعه یک مدل دو بعدی اجزا محدود (Finite element) با استفاده از نرم افزار اجزا محدود پلکسیس (Plaxis)، پایداری خاکریز راه‌آهن روی بستر ماسه ای سست با استفاده از روش Reduction C-Φ ارزیابی شد. تجزیه و تحلیل مذکور برای زیرسازی در دو حالت جداگانه یعنی با و بدون ستون خاک – سیمان انجام شد. نتایج به دست آمده از مدلسازی عددی برای خاکریز با ارتفاع 1.5 متر نشان می دهد که در مورد بستر ماسه ای سست، بار گسیختگی خاکریز به 447 کیلونیوتن معادل ضریب اطمینان 1.0 محدود می شود، در حالی که با استفاده از ستون اختلاط عمیق با قطر 90 تا 120 سانتیمتر، گسیختگی تحت اثر بارگذاری از 741 تا 1274 کیلونیوتن و ضریب اطمینان از 1.26 تا 1.66 متغیر خواهد بود. همچنین نشست کل خاکریز در بهترین الگوی چینش تا 25 درصد کاهش یافته است.
معرفی
ایمنی، سرعت بالا، هزینه پایین و اثرات زیست محیطی حداقلی باعث ایجاد تمایز میان حمل و نقل ریلی نسبت به سایر روش های حمل نقلی شده است. از آنجایی که یکی از مهم ترین بخش های سیستم حمل و نقل ریلی زیرسازی است، بروز هر گونه آسیب در آن می تواند باعث اختلال در سرویس دهی کل سیستم ریلی شود. حالت های مختلف گسیختگی در خاک بستر یا زیرسازی را می‌توان به این صورت طبقه بندی کرد:
الف) تحکیم و گسیختگی برشی
ب) گسیختگی برشی پیش رونده
ج) سایش (attrition)
د) تغییر شکل پلاستیک بیش از حد
ه) تورم و انقباض بیش از حد
و) نرم شوندگی بر اثر فرآیند انجماد و ذوب شدن
در بین موارد اشاره شده، حالت های گسیختگی الف، ب و ج به طور مستقیم به حجم ترافیک مسیر ریلی و ماهیت تکراری بارگذاری آن بستگی دارد. خرابی از نوع گسیختگی برشی معمولا به دلیل افزایش وزن خاکریز در هنگام بارندگی یا مقدار بار بیش از حد محور قطار رخ می دهد. در این نوع شکست، عمده سطح لغزش از خاکریز راه آهن و زمین طبیعی عبور می کند. در عمل برای اجتناب از مکانیسم های گسیختگی ذکر شده می توان از روش های بهسازی عمیق خاک مانند اجرای ستون های سنگی (Stone columns)، استفاده از ریزشمع ها (Micropiles)، استفاده از تزریق پر فشار (Jet grouting) یا اجرای ستون اختلاط عمیق خاک (Deep soil mixing) استفاده کرد. بین روش های بهسازی خاک، روش اجرای ستون اختلاط عمیق خاک (DSM) به روشی اطلاق می شود که از مواد سیمانی برای اختلاط با خاک های سست استفاده می شود. از روش اختلاط عمیق خاک (DSM) به روش خشک برای بهسازی زیرسازی و بستر نرم مسیر راه آهن در کشور سوئد استفاده شده است. علاوه بر این، در چارچوب پروژه تحقیقاتی INNOTRACK، از روش ستون اختلاط عمیق به روش تر جهت بهسازی بستر استفاده شده است. در مطالعه حاضر به منظور بررسی اثر ساخت ستون اختلاط عمیق بر ظرفیت باربری و نشست، در مرحله اول با استفاده از دستگاه DSM که در دانشکده مهندسی راه آهن توسعه یافته است پنج ستون سیمانی خاک در یک خاک ماسه ای سست ساخته شد. در ادامه آزمایش های فشاری محصور نشده تک محوره بر روی نمونه های خاک سیمان انجام شد و ظرفیت باربری و مدول الاستیسیته آنها برآورد گردید. زاویه اصطکاک ستون اختلاط عمیق (DSM) مانند خاک ماسه ای فرض گردید و چسبندگی آن نیمی از مقاومت فشاری تک محوری در نظر گرفته شد. از سوی دیگر، مدول الاستیسیته خاک ماسه ای از طریق انجام آزمایش بارگذاری صفحه (PLT) مطابق با استاندارد (ASTM D1194-94) به دست آمد. همچنین زاویه اصطکاک داخلی خاک ماسه ای سست با آزمایش برش مستقیم (ASTM D3080-90) ارزیابی شد. بعد از به دست آوردن شاخص های مقاومتی و تغییر شکلی ستون اختلاط عمیق و خاک ماسه ای، مدل دو بعدی اجزا محدود از مسیر راه آهن برای دو حالت جداگانه خاک ماسه ای بهسازی شده و بهسازی نشده ساخته شد. تعدادی آنالیز حساسیت بر روی قطر و فاصله ستون اختلاط عمیق خاک انجام شد تا تاثیر آنها بر بهبود ظرفیت باربری و کنترل نشست مسیر راه‌آهن بررسی گردد.
تعریف ستون اختلاط عمیق
روش DSM یک روش بهسازی خاک است که کیفیت خاک را با تثبیت درجای خاک نرم بهبود می بخشد. روش ستون اختلاط عمیق (DSM) غالبا جهت بهسازی خاک برای عمق بیشتر از 3 متر استفاده می شود. مطابق شکل زیر ستون های اختلاط عمیق را می توان در الگوهای مختلفی اجرا کرد. هر الگو یا چینش می تواند برای موقعیت خاصی مناسب باشد. به عنوان مثال، الگوهای شبکه ای مربع یا مثلثی ستون های منفرد یا ترکیبی معمولا زمانی به کار می روند که هدف از اجرای ستون اختلاط عمیق کاهش نشست و در برخی موارد بهبود پایداری باشد و برای خاکریزهای جاده ای و راه آهن مناسب هستند.
آزمایش آزمایشگاهی بر روی خاک بستر و خاکریز
- طبقه بندی خاکریز و خاک بستر
از آنجایی که بخش بزرگی از خطوط راه‌آهن در ایران بر روی خاک های ماسه ای سست با نشست زیاد و ظرفیت باربری پایین قرار گرفته است، ماسه بد دانه بندی شده (SP) با تراکم ۷۰ درصد برای خاک بستر و ماسه رسی (SC) برای خاکریز انتخاب شده است. شکل 2 منحنی دانه بندی ذرات خاک را نشان می دهد.
- آزمایش برش مستقیم (DST)
آزمایش برش مستقیم بر روی نمونه های خاک بستر و خاکریز انجام شد و نتایج حاصل شامل چسبندگی و اصطکاک به دست آمد که در جدول 1 ارائه شده است.
- آزمایش بارگذاری صفحه (PLT)
آزمایش بارگذاری صفحه بر روی خاک بستر و خاکریز و بر اساس استاندارد ASTM D1194-94 انجام پذیرفت. شکل 3 منحنی بار – جابجایی را در نتیجه آزمایش روی بستر ماسه ای سست نشان می دهد. بارگذاری بر روی خاک ماسه ای در جعبه فولادی به ابعاد 1.0×1.2×1.2 (بر حسب متر) و ابعاد صفحه 30×30 (بر حسب سانتیمتر) انتخاب شده است. روند بارگذاری تا لحظه گسیختگی در سه مرحله مختلف ادامه یافت. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. حداکثر بار اعمال شده در لحظه گسیختگی به 3.3 تن رسید که مربوط به نشست 62 میلیمتر است. محفظه بارگیری و دستگاه PLT مورد استفاده در شکل 4 نشان داده شده است.
- آزمایش آزمایشگاهی بر روی ستون اختلاط عمیق
یک دستگاه اختلاط عمیق خاک آزمایشگاهی با مقیاس 1:10 در دانشکده مهندسی راه آهن مطابق شکل 5 نشان توسعه یافت. 5 نمونه ستون به قطر 10 سانتیمتر ساخته شد و ملات سیمان به عنوان مصالح اصلی در نظر گرفته شد. تعداد زیادی آزمایش فشاری محصور نشده (Unconfined compression test) پس از گذشت 28 روز و به منظور تعیین ظرفیت باربری و همچنین مدول الاستیسیته روی ستون ها انجام شد. زاویه اصطکاک ستون ها مانند خاک ماسه ای در نظر گرفته شد و چسبندگی آن نیمی از مقاومت فشاری تک محوری به دست آمده در نظر گرفته شد. شکل 5 دستگاه DSM و تعدادی از نمونه های تولید شده از ستون های خاک – سیمان را نشان می دهد.
مدلسازی عددی
- هندسه مدل
به منظور انجام مطالعه موردی، یک مدل عددی دو بعدی با استفاده از نرم افزار اجزا محدود Plaxis2D با فرض ارتفاع خاکریزی 1.5 متر و با در نظر گرفتن عمق 7 متری برای خاک بستر (مطابق شکل 6) توسعه داده شد. نتایج مدل در 2 حالت با ستون اختلاط عمیق و بدون آن مقایسه شده است. همچنین در حالت وجود ستون اختلاط عمیق خاک (DSM)، ستون با دو قطر 90 و 120 سانتیمتر و تحت 4 فاصله مرکز به مرکز (c/c) مختلف در نظر گرفته شد. پارامترهای مصالح ستون اختلاط عمیق خاک، خاک بستر و خاکریز از آزمایش های آزمایشگاهی (مطابق جدول 1) به دست آمده است.
- شرایط بارگذاری
وزن بالاست (ballast) و زیربالاست (subballast) در قسمت بالای خاکریز (تاج) و به عرض 2.6 متر به عنوان بار گسترده یکنواخت مطابق شکل 6 اعمال گردید. بارگذاری تا حد رسیدن به نقطه گسیختگی مربوط به ضریب اطمینان 1.0 برای حالت بدون ستون افزایش داده شد. سپس ستون هایی با قطر و فواصل مرکز به مرکز متفاوت در خاک بستر قرار داده شد و ضریب اطمینان و نشست مورد ارزیابی قرار گرفت (جدول 2). حالت های گسیختگی در شکل 7 و 8 نشان داده شده است. از این شکل ها مشاهده می گردد که بخش قابل توجهی از سطح گسیختگی در خاک بستر ایجاد شده است، بنابراین استفاده از روش ستون اختلاط عمیق (DSM) می تواند برای خاک بستر سست و ارتفاع کم خاکریزها مناسب باشد.
نتیجه گیری
تاثیر قطر و فاصله ستون های مختلف بر ضریب اطمینان و نشست در جدول 2 و شکل های 9 و 10 نشان داده شده است. طبق نتایج به دست آمده مشاهده می گردد که ستون های با قطر 120 سانتیمتر حتی در صورت تعداد ستون کمتر نیز از ستون با قطر 90 سانتیمتر عملکرد بهتری از خود نشان می دهند. اجرای ستون اختلاط عمیق (DSM) با قطر 120 سانتیمتر منجر به ضریب اطمینان بالاتر در تمامی فاصله ها، اما نشست های بیشتر در حالت S/D بین 2.5 تا 3 از ستون با قطر 90 سانتیمتر می شود. از طرفی افزایش مقدار S/D باعث کاهش ضریب اطمینان و افزایش نشست در حضور ستون ها می شود. علاوه بر این، وجود ستون ها می توانند منجر به ایجاد ضریب اطمینان 1.26 در بدترین حالت گردد.
منبع:
Esmaeil, Morteza, Hamid Khajehei, and Farshad Astaraki. “The effectiveness of deep soil mixing on enhanced bearing capacity and reduction of settlement on loose sandy soils.” International Journal of Railway Research 4.2 (2017): 33-39.
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)
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- روش 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)
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)
در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار ABAQUS
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
- ژئوفیزیک (Geophysics)
- آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
- روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
- آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
- آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
- سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
مطالب مرتبط :
