ایستاسازه
En Ar

خانه - خدمات ایستاسازه - بهسازی خاک - بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک

ستون های سنگی به عنوان روشی جهت اصلاح ظرفیت باربری خاک های سست و دانه ای و کاهش نشست در سازه های احداث شده بر این خاک ها مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله عملکرد روش ستون های شنی در بهسازی خاک با استفاده از آزمایش های مختلف بررسی شده است که به طور نمونه در آزمایش نفوذ استاندارد مشاهده شده است که قبل و بعد از بهسازی، متوسط عدد آزمایش نفوذ استاندارد در عمق های مختلف و در چیدمان 2، 1/8، 1/6 متری به ترتیب در حدود 1/47، 2/1، 1/95 برابر شده است.


مقدمه


لایه های نرم رس در بسیاری مناطق ساحلی و غیر ساحلی وجود دارد که تراکم پذیری بالا و مقاومت کمی دارند. وجود چنین خاک هایی اجرای بسیاری از پروژه ها را با مشکلات جدی رو به رو کرده است. راه حل حاضر برای افزایش ظرفیت باربری و مشخصه های تحکیم رس های نرم، استفاده از ستون های سنگی می باشد. جهت تراکم مصالح درون چاه از سال 1935 به بعد استفاده از دستگاه های مخصوص متداول شده است. از ستون شنی جهت اصلاح خاک در فرانسه برای اولین بار در سال 1830 استفاده شد. در آمریکا از ستون سنگی نخستین بار در سال 1972 در چندین پروژه به صورت محدود استفاده شد. اما در اروپا از سال 1950 به طور وسیعی از ستون های سنگی جهت اصلاح خاک استفاده می شود.


تشریح کامل روش های ساخت ستون شنی


برای ساخت ستون های شنی روش های مختلفی وجود دارد. ساخت ستون شنی به روش ارتعاشی یکی از کارآمدترین این روش ها می باشد.


برای ساخت ستون های شنی ارتعاشی، سه روش اصلی زیر از اهمیت بالایی برخوردارند:


1. روش ارتعاش شناوری و یا روش خشک با مصالح ریزی از بالا.

2. روش خیس با مصالح ریزی از پایین.

3. روش franki و یا روش خشک با مصالح ریزی از پایین.

بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک
بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک

روش های اصلی برای ساخت ستون های شنی ارتعاشی



ساخت ستون شنی به روش خشک با تغذیه از بالا


ابتدا چاه هایی با قطر کوچکتر از قطر نهایی ستون سنگی حفر می شود؛ پس از آن دستگاه در چاه قرار گرفته و مصالح از سمت بالا به درون چاه در لایه های 15 تا 30 سانتی متری ریخته و مصالح متراکم می گردد و سپس دستگاه به سمت بالا کشیده می شود. این کار تا اجرای کامل ستون سنگی تا سطح زمین ادامه پیدا می کند و این کار در خاک های نسبتاً اشباع، استفاده می شود. اما اگر احساس شود که خطر ناپایداری دیواره چاه وجود دارد، از روش تراکمی – جایگزینی (خیس) استفاده می گردد (شکل 1).

شکل 1. روش خشک با تغذیه از بالا
شکل 1. روش خشک با تغذیه از بالا

مزایای استفاده از روش خشک با تغذیه از بالا


1. کمتر کردن هزینه نسبت به روش خشک.

2. ایجاد ستون سنگی با عمق زیاد.

3. قابلیت استفاده از مصالح سنگی تا قطر 130 میلی متر.

بررسی عملکرد و مزایای استفاده از روش خشک ستون شنی با تغذیه از بالا
مزایای استفاده از روش خشک با تغذیه از بالا

ساخت ستون شنی به روش خشک با تغذیه از پایین


در ابتدا دستگاه تحت اثر وزن خود و به وسیله لرزش به داخل زمین فرو می رود. سپس به وسیله لوله هادی و قیف بالای دستگاه، مصالح به عمق مورد نظر هدایت شده و به وسیله نیروی جانبی و لرزش مصالح متراکم شده و دستگاه آرام آرام با متراکم کردن و ریختن مصالح، بیرون کشیده می شود و بدین ترتیب ستون سنگی تشکیل می شود. چون در این روش مصالح به طور افقی نیز جابجا می شود، از این رو این روش را Vibro-Displacement می نامند. (شکل 2)

شکل 2. بررسی عملکرد ستون شنی به روش خشک با تغذیه از پایین در بهسازی خاک
شکل 2. روش خشک با تغذیه از پایین

مزایای استفاده از روش خشک با تغذیه از پایین


1. کم کردن دور ریز مصالح مصرفی.

2. کم کردن هزینه با حذف سیستم واترجت.

3. اندازه گیری دقیق حجم مصالح مصرفی.

4. نداشتن اثر سوء زیست محیطی نسبت به روش تراکمی جایگزینی (خیس)، به دلیل عدم استفاده از آب.

مزایای استفاده از روش خشک با تغذیه از پایین
مزایای استفاده از روش خشک با تغذیه از پایین

ساخت ستون شنی به روش خیس با تغذیه از بالا


در روش خیس با تغذیه از بالا، نیروی ناشی از واترجت سبب کنده شدن خاک شده و خاک کنده شده با کمک نیروی بالا رونده آب، از چاه بیرون آمده و بعد از رسیدن به عمق مورد نظر، مصالح دانه ای (10 الی 30 میلی متر) در چاه ریخته شده (در هر مرحله 1/2 تا 0/3 متر ارتفاع چاه) و با لرزش متراکم می گردد و دستگاه کم کم به بیرون کشیده می شود. البته حجم مصالح مصرفی و لرزش دستگاه به طور منظم در طول کار کنترل می شود تا از تراکم مناسب مصالح اطمینان حاصل گردد. پس از احداث ستون های سنگی بر روی قسمتی که ستون های سنگی اجرا شده است، مصالح به طورافقی (مانند پتو) بر سطح زمین متراکم و پخش می گردد (شکل 3).

شکل 3. بررسی عملکرد ستون شنی به روش خیس با تغذیه از بالا در بهسازی خاک
شکل 3. روش خیس با تغذیه از بالا

مراحل ساخت ستون های شنی


1. حفر گمانه با دستگاه حفاری نظیر اوگر.

2. ریختن میزان مناسبی از سنگ شکسته تمیز با ریزدانه کم در انتهای گمانه.

3. استفاده از روش کوبش مصالح انتهایی گمانه با ضربات یک چکش در جهت تراکم کامل آنها و ایجاد یک جسم حبابی شکل تحتانی.

4. ریختن مصالح خوب دانه بندی شده شنی در لایه هایی با ضخامت حدود 30 سانتی متر در داخل گمانه و کوبش هر لایه برای رسیدن به تراکم کامل و انجام این عمل تا تشکیل یک ستون شنی کامل.

مراحل ساخت ستون های شنی
مراحل ساخت ستون های شنی

هندسه و مصالح ستون شنی


چیدمان و قطر استاندارد ستون های شنی آزمایشی در شکل 4 زیر آورده شده است. مصالح مورد استفاده در ستون های شنی، تشکیل شده از شن با دانه بندی مناسب مطابق استاندارد FHWA می باشد که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 4. نقشه دید از بالای (پلان) نمونه ستون های شنی مورد آزمایش
شکل 4. نقشه دید از بالای (پلان) نمونه ستون های شنی مورد آزمایش
شکل 5. حدود مناسب دانه بندی مصالح شنی
شکل 5. حدود مناسب دانه بندی مصالح شنی مورد استفاده در ستون شنی مطابق استاندارد FHWA

نتایج بررسی عملکرد ستون شنی در بهسازی خاک


آزمایش نفوذ استاندارد:


به منظور ارزیابی عملکرد و تاثیر اجرای ستون شنی (سنگی) از حفر 6 حلقه گمانه ماشینی و انجام آزمایش نفوذ استاندارد قبل و بعد از اجرای ستون های شنی آزمایشی در محل استفاده شده است. موقعیت آزمایش نفوذ استاندارد در شکل 4 نشان داده شده است. محل حفر هر گمانه جهت انجام آزمایش SPT از سه ستون شنی اطراف آن به یک فاصله است. آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) براساس استاندارد ASTM (D1586) انجام گرفت. با توجه به موقعیت آزمایش نفوذ استاندارد نسبت به ستون شنی عدد نفوذ استاندارد بیشتر منعکس کننده عملکرد ارتعاشی و تا حدودی انبساطی ستون شنی می باشد. شکل 6 نتایج آزمایش های انجام شده را در هر یک از چیدمان های 2، 1/8، 1/6 متری نشان می دهد.

شکل6. نتایج آزمایش های SPT در بین ستون های شنی آزمایشی
شکل6. نتایج آزمایش های SPT در بین ستون های شنی آزمایشی

در جدول 1 متوسط عدد نفوذ استاندارد (NSPT) در چیدمان های مختلف قبل و بعد از بهسازی نشان داده شده است.

جدول 1. متوسط عدد SPT
جدول 1. متوسط عدد SPT قبل و بعد از بهسازی به کمک ستون شنی ارتعاشی جایگزینی در ساختگاه مورد مطالعه.

در ستون شنی های با شبکه اجرای 2 متری، فاصله ستون ها آن قدر دور است که عملکرد انبساطی و ارتعاشی به حداقل خود رسیده است. در ستون شنی های با شبکه اجرای 1/6 متری، عملکرد توام ارتعاشی و انبساطی باعث ایجاد دست خوردگی می گردد که باعث کاهش ضریب بهسازی نسبت به شبکه 1/8 متری می شود. در ستون شنی با شبکه اجرای 1/8 متری عملکرد انبساطی و ارتعاشی خاک به حالت بهینه خود رسیده است.


تغییرات نشست و بار محوری


در شکل 6 نتایج تغییرات بار محوری نمونه های آزمایشی بر حسب تغییر طول محوری برای سه حالت رسم شده است:


الف) نمونه آزمایشی با ستون سنگی به قطرهای مختلف.

ب) نمونه آزمایشی بدون ستون سنگی.

ج) نمونه آزمایشی با ستون سنگی به قطرهای مختلف که توسط ژئوگرید مسلح شده اند.


نتایج آزمایش ها بیانگر آن است که در صورت جایگزین نمودن خاک نرم بستر توسط ستون های سنگی، ظرفیت باربری خاک تقویت شده به نسبت خاک بستر به طور قابل ملاحظه ای افزایش پیدا می کند. این موضوع با افزایش قطر ستون سنگی مشهود تر است. به طوری که در شکل 6 ملاحظه می گردد، برای یک کرنش ثابت (مثلا 0/1)، بار قابل تحمل نمونه با قطر ستون سنگی 60 میلیمتر از بار نمونه با قطر ستون سنگی 40 میلیمتر بیشتر است و به همین ترتیب، بار قابل تحمل نمونه با قطر ستون سنگی 40 میلی متر از بار نمونه با قطر ستون سنگی 20 میلیمتر بیشتر می باشد. نتایج تغییرات بار محوری نمونه های آزمایشی بر حسب تغییر طول محوری آنها برای نمونه هایی که در آن ستون های سنگی توسط ژئوگرید مسلح شده اند، نشان می دهد که ظرفیت باربری این نمونه ها نسبت به نمونه های مشابه به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته است.

شکل 6. تغیرات بار محوری بر حسب تغییر طول محوری نمونه های آزمایش
شکل 6. تغیرات بار محوری بر حسب تغییر طول محوری نمونه های آزمایش

سیر افزایش بار محوری، در خاک بستر و سایر نمونه ها، در کرنش های کم، سریع بوده اما در کرنش های بالاتر این روند کاهش پیدا می کند. سیر افزایش بار محوری، در خاک بستر، در کرنش های بیشتر از 5 درصد کاهش می یابد. روند افزایش مقاومت در سایر نمونه های آزمایشی نیز مشهود است. با ترسیم نتایج بار محوری – نشست در دستگاه لگاریتمی، بار نهایی این نمونه ها را می توان به دست آورد. در این حالت بار متناسب با نقطه ای که شیب منحنی تغییر می کند، به عنوان بار نهایی در نظر گرفته می شود. مقادیر بار نهایی محاسبه شده به روش فوق در جدول 2 آمده است و با توجه به اعداد جدول 2 مشخص است که برای نمونه های حاوی ستون سنگی نمونه های بستر معمولی، بار نهایی به دست آمده از روش لگاریتمی بسیار نزدیک به بار نهایی متناسب با 10 میلیمتر نشست (حدودا 5 درصد ارتفاع نمونه ها) می باشد. اما برای نمونه های بستر معمولی همراه ستون سنگی مسلح شده، بار نهایی به دست آمده از روش لگاریتمی همواره بیشتر از بار متناسب با 20 میلیمتر نشست (حدودا 10 درصد ارتفاع نمونه ها) است.

جدول 2. مقادیر بار نهایی در نمونه های تست شده
جدول 2. مقادیر بار نهایی در نمونه های تست شده

تاثیر ستون سنگی بر افزایش ظرفیت باربری خاک سست


اعداد جدول 2 و دیاگرام تغییرات بار محوری بر حسب نشست محوری نشان می دهند که وجود ستون سنگی در مرکز نمونه های سه محوری سبب افزایش ظرفیت باربری نمونه های آزمایشی شده است. به عنوان مثال، در روش برآورد بار نهایی بر اساس روش لگاریتمی، نسبت افزایش بار محوری در نمونه های با ستون سنگی به نسبت نمونه آزمایشی که از جنس خاک بستر تهیه شده، برابر %16، %19، %38 به ترتیب برای ستون های 60، 40، 20 میلی متر می باشد.

ستون های سنگی با قطر 60 میلی متر ظرفیت باربری نمونه آزمایشی را تا حدود %40، افزایش داده است. دلیل آنکه ستون های با قطر بیشتر در افزایش ظرفیت باربری موثرترند، آن است که ستون های مذکور از لاغری کمتری به نسبت ستون های با قطر کمتر برخوردارند.


بررسی تغییرات مدول سکانت نمونه های آزمایشی


برای درک رفتار نمونه های آزمایشی و بررسی تغییرات سختی آن ها در نشست های بالاتر، مدول سکانت نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت. اگر بخواهیم برای مدول سکانت تعریفی را در نظر بگیریم می توان آن را اینگونه تعریف کرد که به نسبت تنش تفاضلی به کرنش محوری برای هر سطح از تنش، مدول سکانت می گویند.

در شکل 7 سیر تغییرات مدول سکانت بر حسب کرنش محوری را برای نمونه های آزمایشی نشان داده است. روند کاهش مدول سکانت در نمونه ای که صرفا از خاک بستر تهیه شده به مراتب کمتر از سیر کاهش مدول سکانت در نمونه های حاوی ستون سنگی بوده و این روند کاهش در نمونه های حاوی ستون سنگی مسلح شده با ژئوگرید سریع تر می باشد. تفاوت مدول سکانت برای نمونه های متفاوت در نشست های بالاتر کاهش می یابد.

شکل 7. تغیرات مدول سکانت بر حسب تغییر طول محوری نمونه های آزمایشی
شکل 7. تغیرات مدول سکانت بر حسب تغییر طول محوری نمونه های آزمایشی

نسبت نشست در مواد متفاوت تحت بار خارجی توسط پارامتری به نام نسبت مدول سکانت بررسی می شود. علاوه بر این، نسبت مدول سکانت در مصالح مرکب، پارامتری است، که به ما اجازه می دهد تا نیروی خارجی را بین اجزای تشکیل دهنده مصالح مرکب، به نسبت سختی آنها توزیع نماییم. برای فهم این موضوع در کرنش های برابر، نسبت مدول سکانت در نمونه های مختلف به مدول سکانت بستر طبیعی محاسبه شده و نتایج حاصله در شکل 8 آمده است .

شکل 8. .تغییرات مدول سکانت نسبی بر حسب تغییر طول محوری نمونه های آزمایشی
شکل 8. .تغییرات مدول سکانت نسبی بر حسب تغییر طول محوری نمونه های آزمایشی

از منحنی های ترسیم شده در شکل 8، می توان چنین استنباط کرد که مدول سکانت نسبی، تابعی از نشست نمونه های آزمایشی می باشد. این مقدار در نمونه های حاوی ستون سنگی که با ژئوگرید مسلح شده اند بیشتر از نمونه های حاوی ستون سنگی ساده می باشد. در نمونه های مسلح نشده، برای مقادیرکم نشست، با افزایش نشست، این نسبت کاهش می یابد و برای کرنش بیش از 3 درصد این مقدار ثابت می ماند.


نتیجه گیری


1. نتایج بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک بیانگر آن است که ظرفیت بارگذاری نمونه هایی که با ستون سنگی مسلح شده اند، بهبود پیدا می کنند و در نهایت همچنان که قطر نمونه افزایش پیدا می کند، سختی نمونه نیز افزایش می یابد.

2. سختی ستون های سنگی مسلح شده بیشتر از ستون های سنگی ساده بوده، بنابراین تحت اثر بارگذاری، این نمونه ها بار وارده بر خاک را کاهش داده و در نتیجه نشست بستر کاهش می یابد.

3. در بسترهای مسلح شده با ستون های سنگی نسبت مدولی آنها با افزایش نشست افزایش می یابد. اما این امر در ستون های سنگی ساده قابل اغماض بوده ولی در ستون های سنگی مسلح شده با ژئوگرید چشمگیر می باشد.

4. افزایش قطر ستون سنگی نیز موجب افزایش ظرفیت باربری بستر معمولی گردید. در این ارتباط در صورت مسلح نمودن ستون های سنگی، ظرفیت باربری به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافت.


مرجع:

سید مجتبی موسوی اوریمی، محمد رضایی”بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک” دومین کنفرانس ملی مهندسی ژئوتکنیک ایران  _ کرمانشاه، 9 و 10 مهر ماه 1393.


در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

سایر مقاله ها

انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)

انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و [...]


بیشتر بخوانید

پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

با توجه به اهمیت زیاد شالوده در پایداری سازه ها، [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش سه محوری سیکلی (Cyclic triaxial test)

آزمایش سه محوری سیکلی از جمله آزمایش های متداول و [...]


بیشتر بخوانید

خاک های واگرا و آزمایش های واگرایی خاک (Dispersive Soil)

به خاک هایی که در معرض آب های کم نمک، [...]


بیشتر بخوانید