روش تزریق پرفشار (جت گروتینگ) همچنان در بسیاری از چالشی ترین مسائل مهندسی عمران اثرگذاری خود را نشان می دهد. روش های بهسازی متفاوتی به کار گرفته شده اند تا کیفیت مخلوط خاک و دوغاب را بهبود بخشند، هزینه ها را کاهش دهند و سرعت ساخت را افزایش دهند. ولی با توجه به سیستم های بسیار موجود برای انجام تزریق پرفشار (جت گروتینگ) و پیمانکاران متخصصی که همگی پارامترهای متفاوتی را برای رسیدن به الزامات طراحی با کمترین میزان هزینه اتخاذ می کنند، افراد چطور می توانند بهترین طرح را برای پروژه خود انتخاب کنند و طراحان چطور می توانند از طرح ارائه شده اطمینان حاصل کنند؟ چه سیستمی و چه پارامترهایی برای هر کاربرد و گونه های مختلف خاک مناسب است؟ پارامترها و سیستم های بسیاری در دسترس است، پس افراد غیر متخصص چگونه می توانند این موارد را انتخاب کنند؟ به این پرسش ها به سادگی نمی توان پاسخ داد و در واقع، ممکن است برای رسیدن به الزامات طراحی مورد نظر بیش از یک سیستم و یک مجموعه ی پارامترها قابل استفاده باشد.
این مقاله جزئیات سیستم ها و پارامترهای مختلف را بررسی و تفاوت های ظریفِ گونه های مختلف خاک را مقایسه می کند و راهنماهایی را برای کاربرد روش جت گروتینگ (تزریق پرفشار) ارائه می دهد.
سیستم های روش تزریق پرفشار (جت گروتینگ)
به طور کلی همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، برای انجام تزریق پرفشار سه سیستم مقدماتی وجود دارد:
تنوع این سیستم ها بیشتر از این موارد مذکور بوده ولی در بسیاری از این سیستم ها فرآیند اجرا از پایین به بالاست که در آن تا رسیدن به عمق طراحی حفاری هیدرولیکی دورانی انجام می شود و در آن نقطه تزریق با سرعت بالا انجام می گیرد تا مخلوط خاک و دوغاب حاصل شود (شکل 2).
در حین دوغاب ریزی، گمانه های حلقه ای شکل باید به اندازه ای باشند که امکان بازگشت پسماند به سطح زمین را فراهم کنند. این مسئله کنترل تنش های در محل را تسهیل می کند. عدم بازگشت پسماند منجر به شکست هیدرولیکی در خاک و از دست رفتن کنترل تنش می شود که به ناپیوستگی های شدید در کیفیت مخلوط دوغاب و هندسه آن می انجامد.
دیگر سیستم های نوظهور تزریق پرفشار (جت گروتینگ) شامل سوپر جت (SuperJet) و ایکس جت (X-Jet) می شود. سوپر جت یک سیستم دو سیاله است که از ابزار های به خصوص و انرژی تزریق بالا برای بهبود قابلیت فرسایش در خاک بهره می برد (تا قطر 5 متر، شکل 3). ایکس جت یک سیستم سه سیاله است که از یک جفت جت همگرا شونده برای ایجاد ستون های یکنواخت تر با قطری کنترل شده استفاده می کند (شکل 4).
در نظر گرفتن خاک در انتخاب سیستم جت گروتینگ
نوع خاک و لایه بندی آن ممکن است عوامل تاثیرگذاری در انتخاب سیستم مناسب تزریق پرفشار باشند. از دیدگاه کاربردی، در محدوده مشخصی از خاک ها، هیچ سیستم دوغاب ریزی دیگری به اندازه تزریق پرفشار موثر نیست. با این حال سیستم های بسیاری وجود دارد که می توانند برای حل مشکل موجود موثر باشند که باید نسبت به هزینه و برنامه زمانی اجرای آن مورد توجه قرار گیرند.
در مورد خاک، باید به فرسایش پذیری آن دقت شود؛ این که چطور و به چه میزان ساختار آن با انرژی حاصل از تزریق پرفشار به هم می ریزد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، خاک غیر چسبنده راحت تر فرسایش می یابد. در نواحی محلی تزریق سیال، آشفتگی ایجاد شده به تنهایی برای ایجاد دست خوردگی در خاک غیر چسبنده کافی است. با افزایش خاصیت خمیری و سختی خاک، فرسایش پذیری تا جایی کاهش می یابد که این روش در بسیاری از رس های سخت موثر نخواهد بود.
به لایه بندی خاک نیز باید توجه کرد چرا که شرایط متغیر خاک منجر به ایجاد مخلوط خاک و دوغابی با کیفیت و پارامترهای متغیر خواهد شد. همچنین، برای ایجاد هندسه ای یکنواخت، پارامترهای تزریق پرفشار نیز باید در عمق تغییر کنند در غیر این صورت باید ستونی با هندسه متغیر را پذیرفت.
شن و قلوه سنگ هم که غیر چسبنده در نظر گرفته می شوند، بسته به وزن مخصوص در محل، ساختار خاک و دیگر شرایط، ممکن است از قابلیت فرسایش پذیری بالا تا کم دسته بندی شوند. تخته سنگ ها می توانند در مقابل مسیر عبور جریان جت سدی ایجاد کرده و در پشت خود سایه ای از خاک بهسازی نشده ایجاد کنند. درخت مدفون در خاک و خاک سیمانی شده نیز می توانند دلیلی برای فرسایش ضعیف باشند.
اثر تجهیزات
عمل فرسایش خاک محلی تماما به انرژی مربوط می شود. انرژی جنبشی سیال با سرعت بالا منجر به فرو پاشیدن ساختار خاک می شود. این انرژی به موارد زیر وابسته است:
- فشار دینامیکی سیال جت. نوع طراحی ابزار مربوطه بر میزان این انرژی اثرگذار است. سیستم سوپرجت بالاترین فشار دینامیکی را در محل ارائه می دهد.
- هوای اطراف دوغاب. غلاف هوای اطراف سیال جت به دلیل جلوگیری از اثرات ناشی از اصطکاک نسبت به فاصله از نقطه خروجی آن، می تواند به سادگی تا 5 برابر انرژی فرسایش را افزایش دهد.
- جرم سیال. حجم و چگالی سیال در واحد زمان و حجم، بر هندسه خاک دوغابی ایجاد شده اثرگذار خواهد بود.
- سرعت دوران و بالا کشیدن. بسیاری از تجهیزات برای دوران با سرعتی مشخص طراحی شده اند و میل مهار در گام های زمانی به خصوصی به بالا کشیده می شوند. دوران با سرعت کمتر به معنی انرژی بیشتر در واحد حجم فرسایش است. به طور کلی دوران در محدوده 1 دور در هر گام تنظیم می شود مگر این که چند نازل به کار برده شود. گام ارتفاعی قابل تنظیم است و معمولا برای خاک چسبنده کوچکتر (2 تا 3 سانتی متر به ازای هر نازل در هر دوران) و برای خاک غیر چسبنده بزرگتر (3 تا 5 سانتی متر به ازای هر نازل در هر دوران) اتخاذ می شود.
- ویسکوزیته سیال. سیال های با ویسکوزیته بالا معمولا بیشتر از سیال های با ویسکوزیته پایین پراکنده می شوند و از آنجا که از تمرکز سیال می کاهند، بر انرژی فرسایش تاثیرگذار خواهند بود.
- سرعت سیال. سرعت بیشتر به معنی انرژی بیشتر است ولی اگر متمرکز نباشد، منجر به افزایش اندازه ستون به طور متناسب نخواهد شد.
تجهیزات جت گروتینگ باید تمام این مسائل، از آماده سازی سیال گرفته تا فشار و حجم پمپ و کنترل حفاری و ابزارگذاری، را در نظر بگیرد. تعدادی از پارامترها وجود دارند که نیاز به کنترل کیفیت دارند و امروزه ابزارهایی برای کنترل آن وجود دارد (جدول 1):
روش های تزریق پرفشار (جت گروتینگ)
تزریق پرفشار معمولا به عنوان یک روش اجرای از پایین به بالا به کار برده می شود. با این حال، تنوع زیادی وجود دارد. در حین حفاری برای ایجاد گمانه با حلقه بزرگتر می توان از پیش برش استفاده کرد. برش دوبل ناحیه طراحی می تواند برای حذف درصد بیشتری از خاک چسبنده و بهبود کیفیت مخلوط خاک و دوغاب مورد استفاده قرار گیرد.
زمانی که عملیات فرسایش فرآیند تزریق پرفشار دقیقا پس از برش اول تکرار شود، به برش دوبل شناخته می شود. برش دوم می تواند تمامی ناحیه طراحی را پوشش دهد و به مانند برش اول، به منظور اطمینان از اختلاط دقیق دوغاب و خاک در محل و حذف خاک چسبنده، با محاسبه نرخ دوران و سرعت بالا بردن انجام گیرد. برش دوبل در خاک چسبنده که حجم زیادی از رس خمیری کماکان پس از برش اول در ناحیه طراحی باقی می ماند، رایج است.
بازگشت پسماند روش تزریق پرفشار (جت گروتینگ) و کنترل آن ممکن است دلیلی برای تغییر روش باشد. این مسئله مهم ترین جنبه است و موارد زیادی برای کنترل بازگشت این پسماند می تواند تنظیم شود مثل:
- تغییر ویسکوزیته دوغاب
- تغییر فشار هوا و دبی جریان
- استفاده از پوشش (کیسینگ) برای کاهش اصطکاک
- پیش حفاری
- سیستم کشش هوای کمکی
- تغییر اندازه گمانه
- افزایش قطر حفره
- کاهش انرژی جت
بسیاری از موارد می تواند دلیل کاهش بازگشت پسماند باشد مثل:
- محدودیت گمانه… کوچک بودن حفره گمانه؛ رس فشاری نرم؛ شنی که قوسی نمی شود
- کاهش بازگشت هوا… نواحی شنی متخلخل؛ رس بسیار نرم؛ پیت الیافی
- فرسایش خاک چسبنده… اگر خمیری باشد، می تواند مسیر حلقه گمانه را مسدود کند؛ اگر گام ارتفاعی بسیار بلند باشد می تواند توده های بزرگتری ایجاد و مسیر را محدود کند؛ اگر پسماند به اندازه ای ضخیم باشد که نتواند به بالای گمانه برسد از راهی دیگر با مقاومت کمتر این کار انجام می گیرد.
پارامترهای سیستم های تزریق پرفشار (جت گروتینگ)
پارامترهای تزریق پرفشار به کار رفته معمولا تا حدودی با ابزارآلات کنترل می شود. تمام بخش های این فرآیند باید با توالی مناسبی انجام گیرد و البته محدودیت هایی هم وجود دارد. باید توجه شود که، برای ایجاد مخلوط خاک و دوغاب با کیفیت لازم است چند سیستم مختلف کار خود را به خوبی انجام دهند. به دلیل محدودیت در تجهیزات و تجربه موجود در استفاده از سیستم ها و روش ها، توصیه می شود که تنها پیمانکاران متخصص پارامترهای مورد نظر را انتخاب کنند. در کل، پارامترهای تزریق پرفشار در محدوده عنوان شده در جدول 2 قرار می گیرند.
بررسی کیفیت مخلوط خاک و دوغاب معمولا بر اساس تجربه مربوط به پارامترها و نوع خاک انجام می گیرد. بیشتر پیمانکاران متخصص، چگالی سیمان مخلوط خاک و دوغاب را برای بخشی از ارزیابی خود در نظر می گیرند. برای این منظور، مجموعه ای از پارامترها برای ایجاد هندسه مورد نظر در خاک باید اتخاذ شود. با داشتن این پارامترها و هندسه، محاسبات زیر را می توان انجام داد:
چگالی سیمان = (سیستم های تک سیاله، دو سیاله و سوپرجت) وزن سیمان خشک / (حجم مخلوط خاک و دوغاب + حجم دوغاب)
چگالی سیمان = (سیستم های سه سیاله، ایکس جت) وزن سیمان خشک / (حجم مخلوط خاک و دوغاب + حجم دوغاب + حجم جت آب)
هندسه مورد انتظار را هم می توان با توجه به جدول 3 تعیین کرد. هم پوشانی بسیار زیادی میان سیستم های دو سیاله و سه سیاله وجود دارد. به طور کلی، سیستم دو سیاله ستون هایی با قطر بزرگتری را ایجاد خواهد کرد که البته به پارامترهای مورد استفاده و خاک فرسایش یافته بسیار وابسته است. برعکس آن نیز ممکن است اتفاق بیفتد ولی رایج نیست. در حالت کلی، مقاومت مخلوط خاک و دوغاب مورد انتظار را می توان در شکل 6 مشاهده کرد.
مزیت ها و معایب انتخاب سیستم های مختلف
هیچ پاسخ یکتایی برای این سوال که، مناسب ترین سیستم برای کاربردی مشخص چه سیستمی است، وجود ندارد. بسته به تجربه، سیستم، پارامتر و روش های مورد استفاده، انتخاب های بسیاری برای رسیدن به مقاصد مورد نظر وجود دارد. کلید این کار، آماده کردن دستورالعملی است که صحت سنجی تقریبی روش ها و نظارت برای به حداکثر رساندن درجه موفقیت را شامل می شود.
برای ارائه راهنمایی برای این کار، مزیت ها و معایب هر سیستم در ادامه شرح داده شده است:
منبع:
Burke GK (2004) Jet grouting systems: advantages and disadvantages. In: GeoSupport 2004: Drilled shafts, micropiling, deep mixing, remedial methods, and specialty foundation systems, Orlando, pp 875–886
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)
- 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)
- مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
- بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
- مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)
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)
- فشار جانبی خاک چیست؟ (Lateral earth pressure)
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)
- روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
- آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
- آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
- آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
- پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
- نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
- خاک های رمبنده (Collapsible Soil)
- آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
- مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
- میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)
- پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
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)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
- 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 :
