ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)

روش تراکم ارتعاشی یا ستون شنی ارتعاشی یا ستون سنگی، توسعه یافته روش ارتعاش شناوری (vibro-flotation) است. این روش مشتمل بر سه مرحله “حفاری”، “تراکم و تسلیح” و “اجرای بالشتک شنی” می باشد. در این روش، خاک های دانه ­ای سست، مانند خاک های ماسه­ ای و شنی تمیز، تحت اثر لرزش های اعمالی آرایش قبلی خود را از دست داده و در متراکم ­ترین حالت قرار می­ گیرند. در این روش، میله مرتعش (ویبراتور) به همراه جت آب تحت فشار در داخل خاک نفوذ می­ کند. ذرات خاک در مجاورت میله مرتعش کننده از هم جدا شده و تنش موثر بین آنها به صفر می­ رسد و در داخل آب به حالت شناور در می­ آیند. این ذرات در اثر حرکات میله مرتعش و در اثر وزن خود در متراکم ­ترین حالت قرار می ­گیرند. از آنجایی که قرارگیری دانه­ ها در کنار همدیگر بدون اعمال تنش خاصی صورت می ­پذیرد، تراکم بدست آمده پایدار خواهد بود.

در این روش بهسازی، ستون هایی با مصالح شن و ماسه ای با دانه بندی مناسب در یک شبکه منظم اجرا می گردند. طی اجرای این روش، خاک سست و مسئله دار با خاک مناسب جایگزین گردیده و با تراکم جزئی و نسبی توده خاک، بهسازی به پایان می رسد.

 

میله مرتعش (ویبراتور)

 

میله مرتعش

میله مرتعش (ویبراتور)

 

 

تاریخچه روش ستون شنی ارتعاشی (تراکم ارتعاشی)

سابقه تاریخی روش ستون شنی ارتعاشی به فرانسه و به سال های ۱۸۳۰ بر می گردد. این روش از سال ۱۹۳۰ در اروپا (البته به صورت ارتعاش شناوری) و سال ۱۹۷۰ در آمریکا و دیگر نقاط جهان رواج یافته است. این روش ماهیتی فیزیکی – مکانیکی دارد و جهت اصلاح عمیق خاک های دانه ای، چسبنده و مخلوط مورد استفاده قرار می گیرد. روش تراکم ارتعاشی یکی از کارآمدترین روش های بهسازی خاک می باشد که انجمن بزرگراه های آمریکا (FWHA) نیز آئین نامه ای را تحت عنوان “طراحی و ساخت ستون های سنگی” در مورد تئوری، روش های طراحی و اجرای این روش در سال ۱۹۸۳ منتشر کرده است.

 

تاریخچه روش ستون شنی ارتعاشی (تراکم ارتعاشی)

 

 

 

مبانی طراحی روش ستون شنی (تراکم ارتعاشی)

بسته به مشکل خاک سست، طراحی ستون شنی متفاوت خواهد بود:

  • اگر هدف افزایش ظرفیت باربری باشد، مقاومت فشاری ستون شنی همانند یک شمع در محاسبات لحاظ می گردد.
  • اگر هدف کاهش نشست باشد، می بایست با محاسبه مدول الاستیسیته سیستم خاک – ستون شنی، محاسبات را انجام داد.
  • اگر هدف رفع مشکل روانگرایی باشد، می بایست کاهش فشار آب حفره ای ایجاد شده توسط ستون های شنی در محاسبات در نظر گرفته شود.

 

 

 

روش اجرای ستون شنی ارتعاشی (تراکم ارتعاشی)

این روش مشتمل بر سه مرحله “حفاری”، “تراکم و تسلیح” و “اجرای بالشتک شنی” می باشد.

۱) حفاری: میله مرتعش (ویبراتور) از جرثقیل آویزان می ­شود و تحت اثر وزن خود و با کمک جت آب یا جت هوا در داخل خاک نفوذ می­ کند. در مجاورت میله مرتعش، خاک دانه ­ای به حالت روان در می ­آید.

۲) تراکم و تسلیح: با نفوذ ویبراتور تا عمق بهسازی و با بالا آمدن مرحله به مرحله آن، تراکم واقعی خاک آغاز می­ شود. بدین ترتیب اثر تراکم در سطح زمین نمودار می­ شود و یک حفره مخروطی شکل بزرگ در اطراف نقطه نفوذ ویبراتور تشکیل می­ گردد. بعد از حدود ۲ دقیقه از قرار گیری ویبراتور در پایین ترین نقطه، ویبراتور به اندازه ۳۰ تا ۵۰ سانتیمتر بالا آمده و سپس عملیات تراکم تکرار می­ شود و متعاقب آن مصالح دانه­ ای مناسب از سطح زمین در داخل چاله تراکم ریخته می ­شود.

بدین ترتیب با بالا آمدن آهسته میله مرتعش، تراکم یکنواخت و پیوسته در توده خاک ایجاد می­ گردد و کاهش حجم خاک با مصالح دانه­ ای مناسب جبران می­ شود. افزودن مصالح دانه ­ای، وزن مخصوص خشک خاک را به طور تقریبی ۱۰ تا ۱۵% افزایش می­ دهد. در سطح زمین نیز نشستی به میزان ۵-۱۵% عمق تراکم ایجاد خواهد شد. مقدار نشست سطح زمین به میزان تراکم خاک قبل و بعد از بهسازی بستگی دارد. حداکثر عمق اجرایی برای تراکم ارتعاشی نیز در حدود ۳۰ متر است و بیش از آن صرفه اقتصادی ندارد.

۳) بالشتک شنی: در انتهای عملیات بهسازی، جهت هموار کردن سطح نهایی، یک بالشتک شنی بر روی ستون های شنی اجرا می گردد.

تجهیزات اصلی اجرای ستون ­های شنی عبارت است از:

  • یک میله مرتعش با قطر ۳۰ تا ۴۰ سانتیمتر
  • طول ۲ تا ۴ متر
  • وزن ۲ تا ۳ تن

میله (که نام های متعددی دارد Probe ،‌Vibrator، Vibroflot، Pocker  و …) درون خاک فرو می رود. فرکانس ارتعاش افقی و در برخی موارد فرکانس ارتعاش قائم این میله مرتعش، حدود ۳۰ تا ۵۰ هرتز و دامنه ارتعاش آزاد آن، بین ۷ تا ۲۵ میلیمتر می باشد. در این حالت نیروی افقی گریز از مرکز حاصله حدود ۱۰ الی ۲۰ تن خواهد بود.

 

مراحل اجرای ستون شنی (ستون سنگی)

مراحل اجرای ستون شنی (ستون سنگی)

 

 

تشکیل حفره مخروطی شکل در اطراف ویبراتور در حین عملیات تراکم ارتعاشی

تشکیل حفره مخروطی شکل در اطراف ویبراتور در حین عملیات تراکم ارتعاشی

 

 

 

عملیات اجرای ستون شنی (ستون سنگی)

عملیات اجرای ستون شنی (ستون سنگی)

 

 

روش های مختلف اجرای ستون شنی ارتعاشی (ستون سنگی)

روش ستون شنی ارتعاشی به ۴ صورت کاربرد دارد:

۱) تراکم ارتعاشی (Vibro-Compaction): در این روش، توده خاک موجود به کمک ارتعاش و بدون اضافه کردن مصالح درشت دانه متراکم می گردد. ارتعاش و تراکم حاصل از این ارتعاش برای خاک های ریزدانه و چسبنده مفید نمی باشد. بنابراین کاربرد این روش به خاک های درشت دانه محدود می گردد. این روش برای خاک های خشک و مرطوب مناسب می باشد.

۲) جایگزینی ارتعاشی (Vibro-Replacement): یکی از متداول ترین روش های اجرای ستون های شنی است که معمولا در خاک های رسی عادی تحکیم یافته، خاک های دارای مصالح ارگانیک، سیلت های اشباع و خاک های آبرفتی استفاده می گردد. در این روش توده خاک ضعیف با مصالح دانه ای مناسب جایگزین می شود و چون قطر گمانه حفر شده بزرگتر از اندازه میله مرتعش است تراکم قابل توجهی در خاک اطراف به وجود نمی آید. از طرفی به دلیل ناپایدار بودن چاله حفاری در خاک های ضعیف، بایستی از جت آب استفاده شود تا خاک حفاری شده با فشار به بیرون رانده شده و گِل ناشی از مصالح ریزدانه، سرتاسر جداره را تحت پوشش قرار داده و پایداری آن را تأمین نماید. از این رو این روش به عنوان روش مرطوب ستون های سنگی نیز نامیده می شود.

روش جایگزینی ارتعاشی در خاک های رسی با مقاومت زهکشی نشده ۷ کیلو پاسکال با موفقیت اجرا شده است، اما به طور معمول نباید در خاک هایی که مقاومت برشی زهکشی نشده آنها کمتر از ۱۴ کیلو پاسکال است استفاده شود؛ زیرا در چنین شرایطی مقاومت جانبی لازم برای عملکرد مناسب ستون های سنگی وجود نخواهد داشت. این روش به عنوان یک روش بهسازی برای نهشته های عمیق رس و لای دارای مصالح ارگانیک زیاد مناسب نیست. احداث ستون های سنگی در نقاط متعددی در داخل خاک رس صورت می پذیرد. قطر هر ستون به طور معمول برابر با ۰/۹ متر است اما این قطر از ۰/۵ تا ۱/۵ متر تغییر می کند. حداکثر مقدار قطر به مشخصات خاک رسی بستگی دارد و هر ستون می تواند باری در حدود ۳۰ تن را تحمل نماید.

در خاک های نرم، میله مرتعش با کمک جت آب در داخل خاک نفوذ می کند و در نتیجه چاله ای بزرگتر از اندازه ویبراتور تشکیل می شود. آویزان شدن ویبراتور از جرثقیل، این اطمینان را به وجود می آورد که چاله حفر شده قائم است. میله مرتعش تا عمق مورد نظر نفوذ می کند و سپس به طور آهسته بیرون کشیده می شود.

با خروج میله مرتعش (ویبراتور) مصالح درشت دانه از بالای چاله به داخل آن ریخته شده و از فضای خالی بین ویبراتور و دیواره گودال عبور کرده و در انتهای گودال توسط ویبراتور متراکم می شوند. بنابراین روش رایج احداث ستون های شنی جایگزینی به صورت تغذیه از بالا است. البته این بدان معنی نیست که احداث این ستون ها با روش «تغذیه از پایین» صورت نمی پذیرد. با ایجاد تراکم، خاک اطراف به صورت جانبی تغییر مکان می دهد. این فرآیند در گام های متوالی ۱ متری صورت می پذیرد و نهایتاً ستون سنگی تشکیل می شود. به طور کلی ابعاد دانه ها در مصالح خاکریز از ۵ تا ۱۰۰ میلیمتر تغییر می کند و مقدار ذرات ریزتر از ۵ میلیمتر نباید بیشتر از ۱۵% باشد. در برخی مراجع نیز ابعاد دانه ها از ۳۰ تا ۸۰ میلیمتر ذکر شده است.

فرآیند تراکم مصالح خاکریز در داخل چاله همراه با خروج جت آب از بدنه میله مرتعش، ممکن است موجب به وجود آمدن گسیختگی های موضعی در خاک ریزدانه اطراف شود، به ویژه زمانی که خاک اطراف حساس باشد. مصالح گسیخته شده، با جریان آب از داخل گمانه خارج شده و قطر چاله افزایش پیدا می­کند و مصالح خاکریز بیشتری مورد نیاز خواهد بود.

 

 

مراحل ساخت ستون های شنی یا سنگی جایگزینی - روش مرطوب تغذیه از بالا

مراحل ساخت ستون های شنی یا سنگی جایگزینی – روش مرطوب تغذیه از بالا

 

 

مفهوم پدیده تراکم در خاک های دانه ای

مفهوم پدیده تراکم در خاک های دانه ای

 

 

۳) جابجایی ارتعاشی (Vibro-displacement): روش جابجایی ارتعاشی، روش خشک احداث ستون های سنگی در خاک های رسی غیرحساس است. منظور از روش خشک این است که از جت آب در طی فرآیند ساخت استفاده نمی­ شود. در این نوع خاک ها حداقل مقدار مقاومت برشی زهکشی نشده برابر با ۲۰ کیلو پاسکال است. روش خشک در شرایطی به کار می ­رود که چاله پایدار باقی بماند و خطر نفوذ آب زیرزمینی به داخل آن وجود نداشته باشد.

این روش در خاک های رسی غیراشباع بسیار موثر است. در این روش، جابجایی خاک اطراف در اثر تراکم، موجب افزایش مقاومت خاک بین ستون های سنگی خواهد شد. چنین چیزی در روش جایگزینی ارتعاشی وجود ندارد یا اثر آن بسیار کم است. به طور مثال در صورتی که فاصله بین ستونها برابر با ۱/۵ متر باشد، افزایش مقاومتی در حدود ۱/۵ برابر حاصل خواهد شد. در طی فرآیند احداث ستون سنگی، میله مرتعش با برش و جابجایی خاک اطراف در آن نفوذ می­ کند و به دلیل اینکه به طور کامل با چاله در تماس است، هیچ گونه فضای حلقوی بین میله مرتعش و گمانه برای ریختن مصالح خاکریز وجود ندارد.

بنابراین لازم است که میله مرتعش بیرون کشیده شده و سپس مصالح خاکریز به صورت تغذیه از بالا در داخل چاله ریخته شود. ستون های سنگی جابجایی ارتعاشی به صورت تغذیه از پایین نیز احداث می­ شوند. در این روش، نوع میله مرتعش اندکی تفاوت می­ کند و تغذیه مصالح سنگی از طریق لوله­ ای که در بدنه آن تعبیه شده است صورت می­ پذیرد. در این نوع ویبراتورها تجهیزات ویژه­ ای برای تغذیه و پر کردن چاله استفاده می­ شود که اصطلاحاً آن را Vibrocat می­ نامند.

 

 

مراحل ساخت ستون های شنی - روش خشک تغذیه از پایین

مراحل ساخت ستون های شنی – روش خشک تغذیه از پایین

 

 

تفاوت بین ویبراتورهای تغذیه از بالا و تغذیه از پایین

تفاوت بین ویبراتورهای تغذیه از بالا و تغذیه از پایین

 

 

۴) ستون های سنگی کوبشی:

این روش در خاک های رسی غیر حساس کاربرد دارد. اجرای این ستون ها طی ۳ مرحله انجام می گیرد:

  1. حفاری چاله ستون سنگی
  2. احداث حباب مقاوم تحتانی
  3. احداث ستون سنگی

بعد از حفاری گمانه ستون سنگی، مصالح شنی خوب دانه بندی شده در لایه های ۳۰ سانتیمتری در چاله ریخته شده و توسط چکش خاصی کوبیده می­ شوند. این چکش می­ تواند به ۲ صورت زیر باشد:

  • سیستم دستی وینچ و طناب
  • هیدرولیکی

چکش هیدرولیکی می­ تواند انرژی معادل با ۱ تا ۲ میلیون پوند – فوت در هر مرحله وارد نماید که تعداد ضربات آن در حدود ۴۰۰ ضربه در هر دقیقه خواهد بود. در نتیجه تراکم ناشی از چکش در مرحله اول، حباب مقاوم تحتانی شکل می­ گیرد که باعث جابجایی خاک ریزدانه به طور جانبی و به سمت پایین می­ شود. بعد از آن، ستون سنگی مرحله به مرحله ساخته می­ شود و در اثر تراکم اعمالی خاک اطراف به صورت جانبی تغییر شکل می­ دهد. در صورتی که خاک اطراف مقاومت لازم برای پایداری جداره گمانه بعد از حفاری را نداشته باشد، استفاده از کیسینگ الزامی خواهد بود. در این صورت هنگام ریختن مصالح شنی در داخل چاله، کیسینگ به آرامی و مرحله به مرحله بیرون کشیده می­ شود.

 

 

نمونه ای از چکش هیدرولیکی جهت ساخت ستون های سنگی کوبشی

نمونه ­ای از چکش هیدرولیکی جهت ساخت ستون های سنگی کوبشی

 

 

 

کاربردهای روش ستون شنی ارتعاشی (ستون سنگی)

در حال حاضر روش ستون شنی در گستره وسیعی از انواع خاک ها اجرا می­ شود، هر چند که کاربرد اصلی آن در خاک های ریزدانه است.

  • ستون های سنگی ظرفیت باربری خاک های غیرچسبنده سست را افزایش می­ دهند و عملکرد آنها به عنوان زهکش در این نوع خاک ها اهمیت چندانی ندارد.
  • در شرایطی که توده خاک روانگرا باشد، علاوه بر رفع پتانسیل روانگرایی، عملکرد زهکشی ستون های شنی نیز مورد توجه است.
  • در خاک های چسبنده نیز علاوه بر افزایش ظرفیت باربری، نشست تحکیمی در اثر بارهای وارده به طور قابل توجهی کم شده و زهکشی آن با سرعت بیشتری صورت می ­پذیرد.

 

 

گستره کاربرد هر یک از روش های تراکم ارتعاشی و جایگزینی ارتعاشی بسته به منحنی دانه بندی خاک

گستره کاربرد هر یک از روش های تراکم ارتعاشی و جایگزینی ارتعاشی بسته به منحنی دانه بندی خاک

 

 

مزایای روش ستون شنی ارتعاشی (ستون سنگی)

 

  • سرعت اجرای بالا
  • آسانی اجرا
  • قیمت مناسب اجرا
  • افزایش ظرفیت باربری شالوده ها
  • کاهش نشست شالوده ها
  • کاهش پتانسیل روانگرائی
  • افزایش سرعت نشست تحکیمی خاک های ریزدانه
  • پایدارسازی شیب های طبیعی و یا مصنوعی (خاکریزها)

 

مزایای روش ستون شنی ارتعاشی (ستون سنگی)

مزایای روش ستون شنی ارتعاشی (ستون سنگی)

 

 

 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

 

مطالب مرتبط :