ارزیابی کیفیت ساخت ستون ­های اختلاط عمیق خاک (DSM) برای تثبیت خاک های متورم شونده

این مقاله فرآیند و نتایج یک برنامه مدیریت کیفیت انجام شده در طول و بلافاصله پس از ساخت دو بخش آزمایشی ستون اختلاط عمیق (DSM) را ارائه می کند. برنامه مدیریت کیفیت شامل آزمایش‌ های آزمایشگاهی، برجا و کانی شناسی برای پرداختن به اثربخشی بهسازی روش اختلاط عمیق (DSM) در حین و پس از ساخت و ساز بود. بررسی های درجا شامل تحلیل لرزه‌ای و طیفی امواج سطحی (آزمونSASW) برای ارزیابی درجه بهسازی به دست آمده از طریق اندازه‌گیری مقاومت و سرعت موج برشی در ستون‌ها و خاک‌های اطراف انجام شد. نتایج آزمایش‌های آزمایشگاهی روی مغزه های نمونه نشان داد که هم سختی و هم مقاومت نمونه های ساخته شده در پروژه حدود 20 تا 40 درصد کمتر از نمونه های بهسازی شده در آزمایشگاه است. آزمایش‌های لرزه ای داون هول و SASW بهبود قابل‌ توجهی در سختی در داخل و اطراف ستون های DSM نشان دادند. مطالعات کانی‌شناسی نشان دهنده تشکیل هیدرات‌های سیلیس و آلومینا همراه با ساختار در هم تنیده ذرات رس آهکی در نمونه های آزمایشگاهی و در محل بود که نشان دهنده اختلاط کافی خاک و چسباننده در هر دو محیط است.

هدف پژوهش

از آنجایی که تثبیت شیمیایی اغلب روش ارجح برای کاهش حرکت خاک های متورم شونده است، امکان سنجی روش DSM برای این منظور مورد بررسی قرار گرفت. برای ارزیابی اثربخشی روش DSM در شرایط پروژه واقعی در به حداقل رساندن رفتار متورم شدن زیر خاک‌های گسترده، دو بخش آزمایشی بر روی دو نوع خاک گسترده ساخته شد و برای یک دوره دو ساله از ژوئن 2005 تا ژوئیه 2007 پایش شدند. فرآیند ارزیابی شامل مطالعات آزمایشگاهی برای شناسایی مناسب‌ترین نوع چسباننده، غلظت و نسبت آب به چسباننده برای اجرای روش اختلاط عمیق خاک (DSM) در شرایط پروژه واقعی بود. جزئیات مربوط به محل اجرا، برنامه کنترل کیفیت انتخاب شده، روش های آزمایش و نتایج به دست آمده در بخش های بعدی مورد بحث قرار می گیرد.

طراحی و جزئیات محل بهسازی شده با روش اختلاط عمیق (DSM)

دو محل در میانه یک بزرگراه بین ایالتی در فورت ورث، تگزاس در می 2005 با روش اختلاط عمیق بهسازی شد. در هر محل، یک منطقه مستطیلی 12 در 4.5 متری با ستون های اختلاط عمیق بهسازی شد. میانگین شاخص های پلاستیسیته (PI) خاک‌های بهسازی نشده در محل 1 حدود 30% و در محل 2 حدود %50  بود. بهسازی با روش “تک سیاله” با مخلوط کردن در محل انجام شد. خاک با آهک 3 درصد و سیمان 9 درصد برای تولید ستون­ هایی به طول حدود 3 متر به کار گرفته شد. قطر هر ستون 600 میلی متر بود. ساخت ستون اختلاط عمیق (DSM) با تزریق چسباننده با سرعت 0.078 متر مکعب در دقیقه در حین اختلاط انجام شد.

در مجموع 44 ستون در شبکه 11*4 در محل 1 و 65 ستون در شبکه 13*5 در محل 2 نصب شد. فاصله اسمی مرکز به مرکز بین ستون های اختلاط عمیق در سایت های 1 و 2 به ترتیب 1 متر و 0.9 متر می باشد. جداول 1 و 2 جزئیات طراحی هندسی، مواد و شرایط اختلاط اتخاذ شده در طول ساخت ستون های اختلاط عمیق را خلاصه می کند.

آزمون های غیر مخرب در ارزیابی ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM)

دو روش آزمایش غیر مخرب در محل برای ارزیابی کیفیت اولیه ستون های ساخته شده بلافاصله پس از ساخت ستون­ ها صورت پذیرفت. آزمایش‌های انجام شده شامل روش‌ های ثبت سرعت موج P و روش SASW بود. اگرچه همان آزمون‌ها در سال‌های بعدی 2006 و 2007 انجام شد، اما نتایج آنها در این مقاله مورد بحث قرار نمی‌گیرند زیرا برای ارزیابی کیفیت در نظر گرفته نشده اند. آزمایش‌های سرعت موج P داون هول در محفظه های شیب سنج نصب شده در هر محل انجام شد. آزمون های انجام شده و شماره های مورد استفاده برای تعیین محل هر آزمون در جدول 1 خلاصه شده است. نتایج حاصل از این آزمون ها همراه با توضیح مختصری در مورد روش های آزمایش میدانی و تجزیه و تحلیل داده در بخش بعدی ارائه شده است.

آزمون دانهول

یک رکورد لرزه ای از آزمایش‌های انجام شده در یک ستون (S1-100) در شکل 2 نشان داده شده است. خطی که اولین ورود امواج P را در هر رکورد به هم متصل می‌کند در شکل نشان داده شده است. سرعت موج P به صورت ساده شده شیب خط در نظر گرفته است. میانگین سرعت موج P حاصل از آزمایش‌ دانهول در هر دو سایت در جدول 2 خلاصه شده است. میانگین سرعت موج P در مناطق بهسازی شده محل 1 و محل 2 به ترتیب 1158 و 1097 متر بر ثانیه است. سرعت متوسط آن در سایت‌های بهسازی نشده برای محل 1 و محل 2 به ترتیب 514 و 782 متر بر ثانیه است که به طور قابل توجهی کمتر از میانگین در مناطق بهسازی شده است.

آزمون SASW

منحنی‌های پراکندگی (تغییرات سرعت با طول موج) به دست آمده از تمام فاصله ها برای تشکیل یک منحنی پراکندگی نماینده منفرد همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، ترکیب شدند. منحنی های پراکندگی با استفاده از یک الگوریتم وارونگی پیشنهاد شده توسط یوان و نظریان (1993) تشکیل شدند. پروفیل‌های سرعت موج برشی به دست آمده در عمق عملیات در شکل 4 نشان داده شده اند. میانگین سرعت‌های موج برشی (تا حدود 10 فوت) تعیین شده از آزمایش‌های SASW در مناطق بهسازی شده در هر دو مکان، یک ماه پس از ساخت آنها اندازه­گیری شد که 225 متر بر ثانیه برای محل 1 و حدود 228 متر بر ثانیه برای محل 2 بود. این مقادیر کمتر از میانگین سرعت های 300 متر بر ثانیه برای محل 1 و 320 متر بر ثانیه برای محل 2 می باشد که از نمونه های آزمایشگاهی با همان مشخصات یکسان با پروژه، ساخته شده است.

تغییرات فوق در سرعت موج برشی قابل انتظار است زیرا SASW بخشی از زمین را که شامل ستون‌ های اختلاط عمیق (DSM) و خاک بهسازی نشده اطراف آن ستون‌ها است، آزمایش می کند. عوامل دیگری که به این تغییرات کمک می کنند عبارتند از: مقیاس خاک بهسازی شده در محیط های آزمایشگاهی و پروژه و روش های ساخت ستون اختلاط عمیق (DSM) در پروژه. متوسط سرعت موج برشی نواحی بهسازی نشده برای محل های 1 و 2 به ترتیب حدود 183 و 152 متر بر ثانیه بود.

خلاصه و نتیجه گیری

مطالعات کنترل و ارزیابی کیفیت به عنوان بخشی از تحقیقات شامل ارزیابی اثربخشی روش اختلاط عمیق (DSM) در کاهش رفتار تورمی در خاک ­های متورم شونده در اعماق متوسط تا بالا انجام شد. ارزیابی‌های کیفیت بر اساس آزمایش‌های آزمایشگاهی به تعیین مقاومت فشاری و مدول برشی کرنش کوچک، G_max، ویژگی‌های نمونه های در محل پروژه و سپس مقایسه آن‌ها با موارد اندازه‌گیری شده از نمونه های آزمایشگاهی می پردازد. مقادیر سختی و مقاومت نسبت به عمق نشان می دهد که یک مخلوط یکنواخت از خاک و تثبیت کننده در شرایط پروژه به دست آمده است. بهبود سختی نمونه های خاک بهسازی شده در پروژه در مقایسه با نمونه های شاهد برای خاک های محل های 1 و 2،  2 تا 3 برابر بود، در حالی که بهبود نمونه های آزمایشگاهی برای همان نوع چسباننده، درصد و نسبت آب به چسباننده 3 تا 5 برابر نمونه های شاهد بود. مقایسه بین نتایج آزمایش صحرایی و آزمایشگاهی نشان می دهد که نسبت سختی G_max/field /G_max/lab، برای نمونه های محل 1 و محل 2 به ترتیب بین “0.43-0.67” و “0.56-0.65” متفاوت است. q_ucs/field / q_ucs/lab  برای محل 1 و محل 2 بالاتر است و به ترتیب از 0.67-0.70 و 0.83-0.86 متغیر است.

هر دو نسبت سختی و مقاومت نشان می دهند که مقادیر سختی و مقاومت در محل در مقایسه با بهسازی آزمایشگاهی مربوطه تنها 30 تا 60 درصد و 20 تا 30 درصد کمتر است. تغییرات در بهسازی آزمایشگاهی و در محل به تفاوت در انرژی های اختلاط، مقیاس بهسازی و شرایط محیطی نسبت داده شد.

آزمایش‌های دانهول و SASW مدت کوتاهی پس از ساخت بخش‌های آزمایشی ستون های سیمانی انجام شد و میزان بهسازی را در محل پروژه از طریق اندازه‌گیری سرعت‌های موج P و موج برشی نشان داد. میانگین سرعت موج P ثبت شده از آزمایش‌های داون هول در داخل و اطراف ستون‌های اختلاط عمیق برای محل 1 و محل 2 تقریبا 1.4 تا 2.3 برابر نسبت به موارد ثبت شده در مناطق بهسازی نشده بود. سرعت‌های موج برشی ثبت شده از آزمایش‌های SASW، بهسازی کلی مقاطع با روش ستون سیمانی اختلاط عمیق را ارائه می کند و مشخص شد که 1.3 و 1.5 برابر آن‌هایی است که در مقاطع بهسازی نشده ثبت شده اند. به طور کلی، نتایج حاصل از بررسی‌های آزمایشگاهی و درجا نشان داد که اختلاط درجا خاک و چسباننده به دست آمده است که منجر به بهبود خواص مقاومت و سختی مقاطع آزمایشی بهسازی شده با روش اختلاط عمیق (DSM) می شود.

همبستگی تجربی ایجاد شده بین qu و Vs راهی برای ارزیابی کیفیت نقاط قوت و ضعف ستون­ ها در آینده با استفاده از Vs توسط آزمون‌های غیر مخرب فراهم می کند. با این حال، استفاده از رابطه تجربی به مقادیر آزمون بیشتری در موارد دیگر نیاز دارد.

به طور کلی، مطالعات و ارزیابی کیفیت ارائه شده در این مقاله نشان داد که ساخت ستون‌ های اختلاط عمیق خاک (DSM) در خاک‌ های متورم شونده، الزامات پروژه مورد نظر را مطابق با فرآیند اختلاط عمیق برآورده می کند. بهسازی فوری در مقاومت و سختی و نتایج آزمون تورم نیز اثربخشی روش اختلاط عمیق را در بهبود رفتار مهندسی خاک­های متورم شونده نشان داد.

منبع:

Madhyannapu, R. S., Puppala, A. J., Nazarian, S., & Yuan, D. (2010). Quality assessment and quality control of deep soil mixing construction for stabilizing expansive subsoils. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 136(1), 119-128.

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)

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)

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)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)

در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار Plaxis

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• تخریب ساختمان چیست؟ مراحل و هزینه تخریب اصولی (Building Demolition)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
• سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
•  سوله چیست؟ انواع و کاربرد سوله (Industrial Shed)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله

مطالب مرتبط :

• Keller , Deep Soil Mixing