ارزیابی فیزیکی و مکانیکی ستون خاک – سیمان در مقیاس کامل ساخته شده در خاک رسی

تزریق جت اخیراً به یک روش اصلاح خاک تبدیل شده است که برای حل اکثر مشکلات خاک مورد استفاده قرار می گیرد. در این مطالعه، هفت ستون تزریق پر فشار در مقیاس کامل در خاک رسی با تزریق فشارهای مختلف (300، 325، 350، 375، 400 بار)، چرخش جت گروت (25، 35، 45 دور در دقیقه) و یک وزنه ساخته شد با نسبت w/c برابر با 1. این متغیرها برای بررسی خواص ژئومکانیکی تزریق پرفشار، مانند ویژگی‌ های مقاومت تک محوری و اولتراسونیک و اصطکاک سطح ستون تزریق پر فشار استفاده شدند. خواص فیزیکی با ارزیابی نرخ جذب آب، چگالی و تخلخل مشاهده شد. تغییرات قطر برای تعیین اثر هر دو پارامتر بر قطر ستون مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. خواص ژئومکانیکی ستون های تزریق پرفشار به طور کلی با فشار تزریق و سرعت زاویه ای متفاوت است. میانگین تغییرات مقاومت برای فشار و سرعت زاویه ای به ترتیب 38% و 9% بود. میانگین درصد جذب آب 13% و 22% بود. میانگین تخلخل 8% و 11% بود. میانگین تخلخل به ترتیب 6% و 10% بود. حداکثر زاویه اصطکاک سطح برای SC350-35 و SC400-45 به ترتیب ◦19 و ◦18 بود. این مطالعه به صورت نظری، قطر ستون دوغاب را برای ساخت و ساز در خاک رسی پیش بینی می کند.

تکنولوژی جت دوغاب

فن آوری تزریق پر فشار از معرف های شیمیایی مختلف – چسباننده ها (تقویت کننده ها) است که به بهبود خواص خاک کمک می کند. در این مطالعه، ستون تزریق پرفشار در محل غازیانتپ – ترکیه در 37◦08′47.76′′ شمالی و شرقی 37◦22′24.96′′ ساخته شده است که در شکل 4a نشان داده شده است. علاوه بر این، پس از مرحله حفاری، فرآیند تزریق برای ساخت ستون تزریق پر فشار با استفاده از دستگاه Comacchio MC 15 که در شکل 4b ارائه شده است، آغاز شد. سپس دوغاب، با استفاده از سیمان پرتلند  نوع CEM I-42.5R با نسبت آب به سیمان یک ساخته شد. سپس خمیر دوغاب با تزریق فشارهای مختلف از جمله 300، 325، 350، 375 و 400 بار در خاک رسی و سرعت زاویه ای 25، 35، 45 دور در دقیقه تزریق شد تا 7 ستون تزریق پر فشار در مقیاس کامل ساخته شود. روش جت تزریق در مطالعه موردی به عنوان روش دو سیاله انتخاب شد. در این روش از دو نازل مختلف استفاده می شود که در یک میله روبروی یکدیگر قرار می گیرند و از هر یک، دوغاب و هوا با فشار بالا برای فرسایش خاک تزریق می شود و سپس با دوغاب جایگزین می شود و پس از سخت شدن، ستون تزریق پر فشار را تشکیل می دهد. شکل 5 نمودار اجمالی روش های تشکیل ستون جت گروتینگ را نشان می دهد.

روش های آماده سازی و آزمایش نمونه

این بخش آماده سازی نمونه آزمایشی را پس از ساخت ستون تزریق پر فشار در مقیاس کامل در خاک رسی بررسی می کند. پس از ساخت ستون، به مدت 28 روز در خاک رسی عمل آوری شد، سپس اطراف ستون به ابعاد کامل استخراج شد و به آزمایشگاه ژئوتکنیک متعلق به دانشگاه غازیانتپ ترکیه منتقل شد و سپس از هسته ستون، نمونه گیری شد. همانطور که در شکل 6a-c نشان داده شده است که برای محافظت از رطوبت نمونه، آن ها با ورقه های پلاستیکی پوشانده شده است. پس از آماده ‌سازی نمونه‌ های آزمایشی، همه نمونه ‌ها برای بررسی خواص مکانیکی (UCS، UPV) و فیزیکی (جذب آب، چگالی و تخلخل) در ستون های تزریق پر فشار در مقیاس کامل، برای آزمایش های مکانیکی استفاده شدند. نمونه های آزمایشی با توجه به تزریق فشارهای مختلف مانند 300، 325، 350، 375، و 400 بار با سه چرخش جت دوغاب مختلف 25، 35 و 45 دور در دقیقه برچسب گذاری می شوند، بنابراین، نمونه آزمایش به عنوان SC300-35 برچسب گذاری شده است. به این معنی که نمونه مورد آزمایش از ستونی گرفته شده است که دارای فشار تزریق 300 بار و سرعت زاویه ای جت گروت 35 دور در دقیقه است. با توجه به دستورالعمل ها، 5 نمونه برای هر متغیر در همان لایه سطحی انتخاب شده است. حرکت از مرکز (C) به راست (R) – چپ (L) و بالا (U) – پایین (D)، به عنوان مثال: SC300-35-C، SC300-35-R، SC300-35-L، SC300- 35-U و SC300-35-D.

نتیجه و بحث

خواص مکانیکی ستون تزریق پرفشار

نتایج خواص مکانیکی ستون تزریق پر فشار با توجه به متغیرهای مختلف از جمله فشار تزریق 300، 325، 350، 375 و 400 بار و در سرعت زاویه های متفاوت (25، 35، 45) دور در دقیقه با توجه به مکان های مختلف برای هر کدام در این بخش ارائه شده است. متغیرها که از مرکز ستون تزریق پر فشار از سمت راست به چپ و بالا به پایین منتقل می شود.

تست مقاومت فشاری محدود نشده (UCS)

آزمون مقاومت فشاری محدود نشده ستون تزریق پر فشار در خاک رسی در 28 روز عمل آوری، با متغیرهای فشار تزریق و سرعت زاویه ای متفاوت، همانطور که در شکل 10a و b نشان داده شده است، نشان داد، به طور کلی، نتایج نمونه های ستون تزریق پر فشار تهیه شده برای این مطالعه از 6.2 تا 10.0 مگاپاسکال است و می توان آن را به عنوان تثبیت خاک رسی در نظر گرفت. شکل 10a تأثیر فشار تزریق بر روی مقاومت نمونه ‌های اخذ شده را با توجه به جهات مختلف نشان می‌ دهد که از مرکز به راست، به چپ و بالا به پایین است، همانطور که از این مطالعه مشخص شد، مقاومت متوسط با افزایش فشار تزریق کاهش می‌یابد. در فشارهای (300، 325، 350، 375 و 400) بار، نمونه با فشار 300 بار (SC300-35) بالاترین مقدار را به دست آورد که 10.0 مگاپاسکال است، در مقایسه با سایر متغیرهای تزریق فشار که مقدار مقاومت آن 8.2 ، 7.8 ، 7.2 و 6.2 مگاپاسکال همانطور که در شکل 10a نشان داده شده است، می باشد. به عنوان مقایسه با مقالات، آکسوی در سال 2020 نتیجه گرفت که مقاومت فشاری با کاهش فشار تزریق برای خاک رس، ماسه خشک و خاک شنی مرطوب در 28 روز افزایش می یابد و از 4.4 تا 9.9 مگاپاسکال، 20.3 تا 24.3 مگاپاسکال و 21.5 تا 24.6 مگاپاسکال افزایش می یابد. این مطالعه تغییرات قابل توجهی از مقاومت را ارائه داد که حداکثر و حداقل مقاومت در 300-35-R و 325-35-L ثبت شد که به ترتیب 15.0 و 3.0 MPa است. علاوه بر این، در این مطالعه بررسی شده که مقاومت نمونه ‌های ستون تزریق پر فشار به ‌دلیل تغییر در توزیع خاک، به ‌طور تصادفی از مرکز از راست به چپ و بالا به پایین افزایش و کاهش یافته است. 15.0 مگاپاسکال به عنوان حداکثر مقدار ثبت شده در R-35-300 در مقایسه با جهت های دیگر مانند SC300-35-C، SC300-35-L، SC300-35-U، و SC300-35-D که 11.0، 7.0، 8.0 و9.0 مگاپاسکال می باشد.

سرعت زاویه ای تزریق جت نیز به عنوان متغیر اصلی برای بررسی تغییرات مقاومت ستون ‌های تزریق پر فشار همانطور که در شکل 10b ارائه شده است، استفاده شده است. همانطور که مشاهده می شود، میانگین مقاومت نمونه های ستون تزریق پر فشار با توجه به سرعت زاویه ای های (25، 35، و 45 دور/دقیقه) تغییرات قابل توجهی دارد. علاوه بر این، حداکثر مقدار اندازه گیری شده در SC400-25 که 6.8 مگاپاسکال در مقایسه با SC400-35 و SC400-45 که به ترتیب 6.2 و 6.4 مگاپاسکال است، می باشد. علاوه بر این، جهت (از مرکز از سمت راست به چپ  و بالا به پایین) به عنوان متغیر اصلی برای ارائه تغییرات مقاومت فشاری با توجه به پارامتر سرعت زاویه ای تزریق جت در نظر گرفته شده است. با توجه به نتایج، مقاومت به طور تصادفی از مرکز از راست به چپ و بالا به پایین به دلیل عدم قطعیت در خاک افزایش و کاهش یافت. 8.0 مگاپاسکال به عنوان حداکثر مقدار در SC400-25-C و 400-25-R در مقایسه با SC400-25-L، SC400-25-U و SC400-25-D ثبت شده است که 7.0، 6.0 و 5.0 MPa است. به ترتیب. سایر چرخش ها با توجه به جهت ها تغییر مشابهی را ثبت کرده اند. شکل 11a و b تنوع کلوخ رسی را با توجه به فشار تزریق و سرعت زاویه ای تزریق جت نشان می دهد و تقریباً بر اساس میزان تعداد کلوخ رسی به چند دسته بدون کلوخه، کلوخه های رسی کمتر، متوسط و بزرگ طبقه بندی می شود. شکل 11a جزئیات هسته های خرد شده ستون های تزریق پر فشار را نشان می دهد که به ترتیب با فشار تزریق 300، 325، 350، 375 و 400 بار ساخته شده اند.

این مطالعه نشان می دهد که با افزایش فشار، مقدار اختلاط خاک و سیمان کاهش می یابد، بنابراین دوغاب خالص در فشار بالای 300 بار در 35 دور در دقیقه به دست می آید و ستون ها به کلوخه های رسی کمتر تبدیل می شوند و یکنواختی نمونه ها در مقایسه با نمونه های دیگر SC325-35، SC350-35، SC375-35 و SC400-35 بیشتر می باشد. کاهش کلوخه های رسی به دلیل کاهش مسیر شکست منجر به افزایش مقاومت و همگنی نمونه ها می شود. علاوه بر این، نمونه SC300-35 هیچ نشانه ای از کلوخه های رسی را نشان نمی دهد و به عنوان یکنواخت ترین نمونه در نظر گرفته شده و بیشترین مقدار مقاومت فشاری را برای این مطالعه به دست آورده است. بنابراین کاهش تعداد کلوخه های رسی باعث افزایش مقاومت و توزیع همگن بیشتر نمونه ها می شود. شکل 11b اثر چرخش جت تزریق (25، 35، 45) دور در دقیقه را بر میزان در دسترس بودن کلوخه رسی نشان می دهد و درصد کلوخه های رسی با افزایش چرخش ها افزایش و کاهش می یابد. همانطور که مشاهده شد، نمونه SC400-25 در مقایسه با SC400-35 و SC400-45 به عنوان کلوخه های رسی کمتر نشان داده شده است که منجر به همگنی بیشتر و افزایش خواص مقاومتی آن می شود.

نتیجه گیری

علیرغم استفاده گسترده از تزریق پر فشار به عنوان یک روش اصلاح خاک، خواص فیزیکی و مکانیکی ستون تزریق پر فشار تاکنون به طور دقیق مورد بررسی قرار نگرفته است. علاوه بر این، بیشتر تحقیقات جدیدترین نیستند و مطالعات اخیر نشان می دهد که خواص ستون های تزریق پر فشار در مقیاس کامل بسیار محدود است. بنابراین، روش ‌های تزریق جت در خاک رسی با فشار تزریق و سرعت زاویه ای تزریق متفاوت با توجه به جهتی که از مرکز به راست – چپ و بالا به پایین قرار دارد، برای بررسی تغییرات خواص ستون‌ های تزریق پرفشار در سایت مورد استفاده قرار گرفت. 7 ستون در مقیاس کامل برای بررسی تغییرات مکانیکی (UCS، UPV)، مقاومت برشی و خواص فیزیکی (جذب آب، چگالی، تخلخل) ستون دوغاب ساخته و اندازه‌گیری کردند. برای هر متغیر، این مطالعه تغییرات تصادفی از مرکز به تمام جهات دیگر، مانند راست – چپ و بالا – پایین را بررسی کرد. بنابراین، خواص ژئومکانیکی ستون تزریق پرفشار مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و نتیجه‌گیری زیر حاصل شد:

• این مطالعه مشخص کرد که مقاومت فشاری با فشار تزریق و سرعت زاویه ای جت متفاوت است. حداکثر مقاومت 10 مگاپاسکال در نمونه SC300-35 مشاهده شد. میزان مقاومت  SC325-35، SC350-35، SC375-35، SC400-35، SC400-25 و SC400-45  به ترتیب 8.2، 7.8،  7.2، 6.2،  6.8  و 6.4 مگاپاسکال بود. مقاومت با افزایش فشار تزریق کاهش می یابد که نشان می دهد غلظت سیمان با افزایش فشار تزریق، کاهش می یابد.
• آزمون اولتراسونیک (UPV) برای تعیین تغییر در سرعت با فشار تزریق و سرعت زاویه ای انجام شد. محدوده سرعت از 1938 تا 2588 متر بر ثانیه بود که به عنوان سرعت بسیار کم تا کم طبقه بندی می شود. نتایج UPV تا حدودی با نتایج مقاومت فشاری، به ویژه در مورد درصد خاک رس، متفاوت بود. نمونه SC375-35 بهترین عملکرد را نشان داد (2588 متر بر ثانیه)، که می تواند به چگالی بیشتر نسبت به نمونه های دیگر نسبت داده شود که منجر به انتقال سریعتر امواج می شود.
• جذب آب در ستون تزریق پرفشار مورد مطالعه قرار گرفت. میانگین جذب آب از 38٪ تا 50٪ برای فشار تزریق و سرعت زاویه ای متغیر بود. درصد جذب آب از 36٪ تا 40٪ در SC300-35، 38-41٪ در SC325-35، 40-48٪ در SC350-35، 36-40٪ در SC375-35، 40-43٪ در SC400-35 ، 43-64٪ در SC400-25، و 48-53٪ در SC400-45 متغیر بود.
• تغییرات در چگالی خشک و تخلخل ستون تزریق پر فشار مورد مطالعه قرار گرفت. به طور کلی نتیجه گیری شد که بین چگالی و تخلخل رابطه معکوس وجود دارد. حداقل میانگین چگالی و حداکثر تخلخل به ترتیب در نمونه SC400-45، 1.098 گرم بر سانتی متر مکعب و 55 درصد به دست آمد. SC375-35 حداکثر چگالی و حداقل تخلخل به ترتیب 1.26 گرم بر سانتی متر مکعب و 47 درصد تعیین شد.

منبع:

Hasan, Mustafa Fahmi, and Hanifi Canakci. “Physical-mechanical assessment of full-scale soil-cement column constructed in clayey soil.” Case Studies in Construction Materials 16 (2022): e00943.

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)

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 : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)

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 :

• menard-group , Jet grouting
• keller , Jet grouting