8:30 ب.ظ

بهسازی خاک به روش تزریق و انواع روش های تزریق در خاک (Soil Injection)

تاریخچه بهسازی خاک به روش تزریق

بهسازی خاک به روش تزریق، برای نخستین بار توسط شخصی به نام برینی در سال 1802 میلادی انجام شد، ولی در ایران از سال‌های 1363-1364 روش تزریق درخاک به صورت مستقل اجرا شد؛ در سال 1802 میلادی در فرانسه تزریق برای بهبود ظرفیت باربری مصالح تشکیل دهنده موجود در زیر یک سازه آبگیر، به کار برده شد. گسترش تزریق سیمان از سال 1800 میلادی در فرانسه و انگلستان ادامه یافت. کاربردهای این روش، بیشتر در مورد سازه های عمرانی نظیر کانال ها، لنگر گاه ها و پل ها بود.

اولین استفاده از تزریق سیمان در ساخت فضاهای زیر زمینی به سال 1864 مربوط می شود. در آن سال، پتر بارلو با استفاده از یک پوشش آهنی قالب ریزی شده، سپر یک تکه استوانه ای شکل تونل را (که از داخل ساخته می شد) به وجود آورد. در این حالت، فضای خالی کروی شکل قسمت انتهایی سپر با استفاده از ملات تزریق، پر گردید (یترولو 1994). در سال 1938، نیز اولین عملیات منظم تزریق توده های سنگی در ایالات متحده آمریکا، در سد نیو کراتون انجام پذیرفت (ویور 1991). گفته می شود که اجرای تزریق در سد هوور، بین سال های 1932 و 1935، نقطه شروع طراحی سیستماتیک برنامه های تزریق در ایالات متحده آمریکا بوده است.

هدف و کاربرد بهسازی خاک به روش تزریق

اگر چه تزریق در خاک، سنگ و سازه ممکن است اهداف گوناگونی داشته با شد ولی شاید بتوان گفت در یک دید کلی انواع روش های بهسازی خاک از طریق تزریق به خاطر افزایش پایداری، افزایش مقاومت، کاهش نفوذ پذیری و یا اتصال بین سازه و ساختگاه صورت می گیرد. عملیات تزریق کاربرد گسترده ای در مهندسی عمران جدید دارد. این کاربرد ها عبارتند از:

الف ) کاهش نفوذ پذیری تشکیلات واقع در زیر پی سازه های آبی جهت کنترل تراوش و کاهش آب مخزنی

ب ) کنترل نیروی بلندشدگی (آپلیفت: uplift) سازه یا جلوگیری از خطر فرسایش خاک شالوده

پ ) افزایش مقاومت مصالح زیر پی سازه های سنگین و یا کاهش تغییر شکل پذیری مصالح شالوده که گاهی به آن تزریق تحکیمی گفته می شود

ت ) ارتباط عناصر ساختمانی مجزا در یک سازه همگن به کمک تزریق نظیر سدهای بتنی وزنی و یا در سدهای قوسی

ث ) کار گذاشتن یا نصب کابل های تقویتی در سازه های بتنی پیش فشرده یا پیش ساخته

ج ) نصب میل مهارهای پیش فشرده

چ ) بالا آوردن و قائم نمودن ساختمان ها و سازه های مایل

ح ) پر نمودن حفره بین سنگ ها و پوشش تونل که به آن تزریق تماسی گویند

خ ) نو سازی و تقویت ساختمان های تاریخی آسیب دیده

د ) ساخت بتن در زیر آب با تزریق در شن هایی که قبلا جایگزین شده و به روش پیرپاکت معروف است

روش بهسازی خاک به روش تزریق

تزریق با فشار، یکی از روش های بهسازی خاک می باشد که در آن دوغاب، با فشار بالا و سرعت زیاد از طریق نازل‌هایی به درون خاك تزریق شده و باعث تخریب ساختار خاك موجود می‌شود. طی این فرآیند، بخشی از ذرات خاك و دوغاب از درون گمانه حفاری بیرون آمده و بخش دیگر به صورت درجا با دوغاب مخلوط می‌شود. در نتیجه این فرآیند، توده‌ای از خاک اصلاح شده به وجود می‌آید که به آن، اصطلاحاً توده خاک – سیمان اطلاق می‌شود.

ستون خاک – سیمان ایجاد شده از طریق روش تزریق با فشار در داخل خاک، دارای مقاومت بالا، تغییر شکل پذیری اندك و نفوذپذیری بسیار پایین هستند و باعث تقویت خصوصیات خاک محل می‌شوند. به عبارت دیگر عملیات تزریق با فشار موجب تقویت خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک ساختگاه از جمله مقاومت فشاری‌، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی تا چندین برابر می باشد.

‌مزایای بهسازی خاک به روش تزریق

افزایش ظرفیت باربری و توان خاک در حالت اشباع
نفوذناپذیر نمودن ساختگاه ترک ها در برابر نفوذ آب و جلوگیری از وقوع پدیده آب شستگی
تثبیت و تراکم لایه سست موجود در عمق ساختگاه مورد مطالعه
ترمیم و پر نمودن تمامی خلل و فرج موجود در درون ساختگاه

انواع تزریق در خاک

تزریق نفوذی (اسلاری) (Permeation Grouting)

تزریق تحکیمی (جابجایی) (Consolidation Grouting)

تزریق تراکمی (جایگزینی) (Compaction Grouting)

تزریق شکست هیدرولیکی (Hydro‌fracture Grouting)

تزریق تماسی یا تعادلی (Contact Grouting)

تزریق جت در خاک (jet Grouting)

میکروپایل (micropile)

تزریق دوغاب سیمان در خاک -شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه — تزریق دوغاب سیمان در خاک

تزریق در خاک-شرکت عمرانی ایستاسازه — تزریق در خاک

انواع روش های تزریق در خاک

روش های تزریق در خاک دارای انواع مختلفی می باشد که در زیر به آن ها اشاره شده است.

تزریق تحکیمی در خاک

روش تزریق تحکیمی، یکی از انواع روش های بهسازی خاک است که در آن تزریق دوغاب باعث تحکیم یک لایه از بستر خاک می شود که منجر به بالا بردن کیفیت تراکم خاک می شود. این روش هم چنین برای پرکردن ناپیوستگی ها و خلاهای مابین توده های سنگ ها می شود. هدف از این کارها یکپارچه سازی؛ پرکردن شکستگی ها و ناپیوستگی های توده های سنگی با دوغاب سیمان است. ناپیوستگی موجود در سنگ ها بر روی خواص سنگها مانند نفوذ پذیری و مقاومت تاثیر گذار است. فرآیند اصلی تزریق برای پرکردن حفره هایی است که در صورت نفوذ هوا و مایعات در این حفره ها امکان از بین رفتن سنگها می باشد که هدف تزریق کاهش شیب هیدرولیکی است که مانع انتقال مایعات و گاز ها می شود. عملیات تزریق باعث بهبود بخشیدن خصوصیات پایه ای سنگها می شود.

موارد استفاده:

احداث سد و مقاوم سازی سدها
حفاری و تونل زنی سطح تثبیت کننده زمین
کنترل نشست آب

تزریق تحکیمی در خاک - شرکت مهندسی ایستا سازه — تزریق تحکیمی در خاک

تزریق تراکمی در خاک

یکی دیگر از انواع روش های تزریق در خاک تزریق تراکمی می باشد که در این روش، با تزریق دوغاب با ویسکوزیته (لزجت) بالا و فشار بیشتر و در مراحل متعدد، حباب‌هایی از دوغاب ایجاد می گردد که باعث جابه جایی خاک و درنتیجه متراکم شدن آن می‌شود. این روش برای محیط‌ های کارستی (Karst پدیده‌ای در پوسته زمین است که آثار آن به صورت اشکال مختلف از قبیل حفره‌ها و غارها، در سطح و در زیر سطح وجود دارد)، خاک‌های بسیار سست و فروریزشی ماسه‌ای و ریزدانه کاربرد بسیاری دارد. این روش به ندرت باعث بروز تغییرمکان ‌های جزئی در سطح زمین شده و در صورت وجود سازه حساس در این محل، این روش تزریقی خاک باید محتاطانه به کار گرفته شود. در ادامه به برخی از نکات این روش اشاره می کنیم:

طرح اختلاط مخلوط دوغاب می بایست با دقت انتخاب گردد تا به حفرات موجود در خاک نفوذ نکند و یا با خاک مخلوط نگردد، در عوض، در خاکی که تزریق می‌شود، جایگزین شود.
حجم فضاهای خالی کاهش و محیط متراکم می شود.
ملات خیلی سخت به خاک‌ های سست تزریق شده و حبابی از ملات تزریقی تشکیل می گردد و در خاک جایگزین گردیده و زمین اطراف را بدون نفوذ در حفرات خاک، متراکم می‌سازد.
در محیط ‌های شنی تراکم حداکثر ندارد، اما در محیط‌های ریزدانه سست از کارایی بهتری برخوردار است.
اغلب در پی‌های کم عمق برای بالا بردن دال‌های نشست کرده به کار برده می شود.
تقریباً در همه نوع خاک‌ها می تواند کاربرد داشته باشد.

مراحل مختلف تزریق تراکمی در خاک - ایستا سازه — مراحل مختلف تزریق تراکمی در خاک

تزریق نفوذی در خاک

تزریق نفوذی یکی دیگر از این نوع تزریق قدیمی‌ترین روش های تزریق در خاک می‌باشد. در بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی در خاک، درزها، شکاف‌ها و یا شکستگی‌ها در سنگ و فضاهای خالی در خاک با دوغاب، بدون برهم زدن ساختار سنگ یا خاک با حداقل فشار توسط دوغاب پر می شود. سیال دوغاب با حداقل فشار تزریق در یک بازه زمانی در فضاهای خالی موجود در بین ذرات خاک و یا در شکاف‌های سنگ تزریق می گردد تا از وقوع شکستگی ‌های جدید جلوگیری به عمل آید. هدف اصلی از انجام تزریق نفوذی، کاهش نفوذپذیری و کنترل جریان آب زیرزمینی و افزایش مقاومت خاک و ایجاد توده‌ای یکپارچه‌تر و منسجم‌تر می‌باشد. تزریق سیمان در خاک و تزریق شیمیایی از این دسته روش تزریق می باشد.

در تزریق نفوذی، ملات تزریق به داخل فضاهای خالی و حفرات خاک تزریق می گردد. از روش تزریق نفوذی، برای کنترل جریان آب به داخل تونل و یا بهبود ساختار خاک، استفاده می شود. بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی، قدیمی ترین نوع از روش های تزریق درخاک بوده و جزء متداول ترین نوع به کار رفته در انواع روش های تزریق در خاک، نیز به شمار می آید. یک مخلوط سیمانی تزریق، نوعاً از سیمان، بنتونیت، و آب تشکیل می یابد.

هنگامی که عملیات تزریق در شن یا شن ماسه ای درشت دانه، انجام می گیرد، عموماً برای کاهش هزینه تأمین مصالح، از پر کننده هایی نظیر خاکستر آتشفشانی و ماسه دانه ریز، استفاده می شود. سیمان پورتلند تیپ I و II بیشترین استفاده را در ملات های تزریق نفوذی دارا می باشند. سیمان پورتلند زودگیر تیپ III و سیمان فوق العاده دانه ریز، برای تزریق خاک های دانه ریز مورد استفاده قرار می گیرند. همان طور که اشاره خواهد شد گستره زیادی از دوغاب های تزریق در این روش مورد استفاده قرار می گیرند.

این تزریق مانند تزریق نفوذی در سنگ و سازه (Penetration Grouting) که ترک ها، درزه ها و به طور کلی عیوب سنگ و سازه و مصالح بنایی را پر می کند، حفرات خاک ها و سنگدانه ها و جاهای خالی لایه های خاک را پر می کند. هدف این نوع تزریق پر کردن فضای حفرات بدون هیچگونه جابه جایی در ساختار و تغییری در پیکربندی حفره ها یا حجم می باشد. هدف از این نوع تزریق، بالا بردن مقاومت اولیه، جلوگیری از جریان آب یا ترکیبی از این دو است که مکانیسم عمل آن جاذبه بین ذرات و سیمانتاسیون خاک است. تزریق نفوذی تنها نوع تزریق است که استفاده آن در همه انواع لایه ها وجود دارد.

در خاک ها، این روند شامل نفوذ کردن دوغاب تزریق و پر شدن فضاهای حفره ای بدون هرگونه دست خوردگی یا حرکت هر یک دانه موجود در خاک است. برای اجتناب از شکست هیدولیکی باید سرعت و فشار تزریق را به دقت در نظر داشت؛ زیرا زمانی که شکست رخ می دهد، دوغاب تزریق به طور پیوسته به ترک ها نفوذ کرده در نتیجه به ناحیه مورد نظر خاک نفوذ نمی کند. در این حالت بیشترین استفاده تزریق، یکپارچگی (solidification) موقت خاک های دانه ای با چسبندگی پایین به منظور کمک کردن به ساخت یا کاهش یا از بین بردن دستخوردگی یا گسیختگی ناشی از خاکبرداری است.

تزریق نفوذی موجب کاهش پتانسیل روانگرایی خاک و بالا رفتن ظرفیت باربری آن می شود. فاصله گمانه های تزریق نفوذی در خاک کمتر از فواصل مشابه در سنگ هستند. اغلب آن ها به شکل یک شبکه که یک منطقه را برای یکپارچه سازی می پوشانند، هستند. معمولا پس از تزریق گمانه های اولیه، گمانه های ثانویه که بین گمانه های اولیه هستند تزریق می شوند، ولی گمانه های مرحله سوم به ندرت مگر در شرایط غیر معمول ایجاد می شوند.

بالا بردن مقاومت، اساسا به ماسه ها و خاک های ماسه ای حاوی مقداری ذرات ریز تر، محدود می شوند. اما با دوغاب تزریق مناسب می توان به خاک های ریزدانه تر هم تزریق نفوذی انجام داد به شرط اینکه سرعت تزریق به طور قابل ملاحظه ای پایین باشد. این کار، به طور قابل ملاحظه ای زمان و هزینه را بالا برده و ممکن است موجب عدم انتخاب این روش را در پی داشته باشد.

اثرات تزریق نفوذی - ایستاسازه — اثرات تزریق نفوذی

اثرات تزریق نفوذی در خاک

اساسا تزریق نفوذی از سایر روش های تزریق گران تر بوده و استفاده از آن در جایی معمول است که افزایش قابل توجهی در چسبندگی مورد نیاز بوده یا در خاک های درشت دانه تمیزی که از سایر روش ها نتوان استفاده کرد، از این روش استفاده می شود. البته به خاطر اینکه دوغابی که با هدف کنترل تراوش باید تزریق شود از حالت افزایش مقاومت بیشتر است، هزینه آن نیز بیشتر است.

ساختار و اندازه حفرات خاک، نوع دوغابی را که به طور موثر استفاده می شود، تعیین می کند. به خاطر اندازه بیش از حد ذرات دوغاب سیمان پورتلند معمولی، این نوع دوغاب در ماسه های درشت دانه و شن ها استفاده می شود. بنابراین در تزریق نفوذی بسیاری از خاک ها، دوغاب سیمان های بسیار ریز یا محلول های شیمیایی با قابلیت نفوذ بالا استفاده می شوند. خارج از ایالات متحده، اصولا در اروپا، رس، یا مخلوطی از رس و سیمان یا دوغاب محلول های شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد.

تزریق نفوذی در خاک - شرکت ایستاسازه — تزریق نفوذی

تزریق شکست هیدرولیکی در خاک

زمانی که فشار تزریق بزرگ‌تر از مقاومت کششی خاک یا سنگ باشد، باعث شکست هیدرولیکی، گسیختگی و ایجاد ترک شده و دوغاب به‌ سرعت داخل ناحیه ترک کرده نفوذ می کند. این روش جهت متراکم و سخت کردن زمین و یا دسترسی به حفرات دیگری که در دسترس نیستند، به کار می روند. کاربرد این روش زمانی است که بر هم زدن ساختار خاک و ایجاد جابجایی تحت فشار تزریق در سطح زمین موجب مشکل خاصی نگردد.

مزایای روش تزریق شکست هیدرولیکی در خاک

افزایش ظرفیت باربری و توان خاک در حالت اشباع
نفوذ ناپذیر نمودن ساختگاه ترک ها در برابر نفوذ آب و جلوگیری از وقوع پدیده آب شستگی
تثبیت و تراکم لایه سست موجود در عمق ساختگاه مورد مطالعه
ترمیم و پر نمودن تمامی خلل و فرج موجود در درون ساختگاه

تزریق جت در خاک (جت گروتینگ)

در این روش لایه‌ های نازکی از ملات سیمانی، با فشار بسیار زیاد به دیواره ‌های گمانه برخورد کرده و پس از اصابت به دیواره ‌های گمانه، به طور همزمان از یک سو مصالح موجود را حفاری نموده و از سوی دیگر نیز با خاک مخلوط می‌گردند. هم چنین عمل برش دهندگی لایه ‌های نازک ملات سیمانی تزریقی را می‌توان با وارد کردن هوای فشرده در آن افزایش داد.

در این روش بعد از حفاری تا عمق مورد نظر توسط جت ‌های تعبیه شده در انتهای سیستم حفاری آب یا دوغاب را با فشار زیاد وارد خاک کرده همزمان با چرخش جت و بالا آمدن آن ستونی از خاک اصلاح شده ایجاد می شود. استفاده از آب با فشار بالا جهت گسیختن ساختار فیزیکی خاک استفاده می‌شود که از طریق این روش باعث اصلاح و بهبود زمین می گردند.

عملیات تزریق پر فشار که یکی از روش‌های بهسازی و مقاوم نمودن خاک است، از طریق نفوذ مواد مناسب و تحت فشار به درون خاک و یا سنگ از طرق چاه‌ها و گمانه‌های حفر شده بوده و در اثر آن خصوصیات فیزیکی خاک یا سنگ بهبود یافته و ساختار آن تثبیت می‌شود. نتیجه این عملیات، پر شدن درزه‌ها، حفرات، شکاف‌ها، لایه‌ها و شکستگی‌های موجود در سنگ و یا در خاک و در نهایت ایجاد تشکیلات با نفوذپذیری کمتر و مقاومت بالاتر است.

ستون سیمانی تشکیل شده از تزریق دوغاب سیمان -شرکت مهندسی عمرانی ایستاسازه — ستون سیمانی تشکیل شده از تزریق دوغاب سیمان

تزریق پر فشار دارای انواع مختلفی است که هر یک برای منظور خاصی از بهسازی خاک استفاده می‌شوند. این اهداف به وسیله نوع پروژه و هدفی که در آن دنبال می‌شود، تعیین می‌گردد. در هر حال بسته به نوع دوغاب، مقدار فشار تزریق و همچنین آرایش گمانه‌های حفاری، انواع روش‌های تزریق مختلفی وجود دارد. این اهداف به وسیله نوع پروژه و هدفی که در آن دنبال می‌شود، تعیین می‌گردد.

ستون سیمانی پس از تزریق دوغاب سیمان — ستون سیمانی بدست آمده از تزریق دوغاب سیمان

میکروپایل

بهسازی خاک با استفاده از میکروپایل یکی از پیشرفته ترین روش های بهسازی می باشد که به عنوان روش ریزشمع نیز شناخته می شود. میکروپایل ها دارای قطر کوچکی بوده (کمتر از 30 سانتیمتر) و از آنها به منظور انتقال بارهای استاتیکی و دینامیکی سازه به لایه های مقاوم زیرین و در نتیجه افزایش مقاومت خاک در برابر نشست استفاده می گردد.

روش بهسازی خاک با استفاده از میکروپایل اغلب با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب همراه است. در واقع میکروپایل ها نقش یک المان باربر را ایفا کرده و علاوه بر افزایش مقاومت خاک، به دلیل تزریق دوغاب سیمان خصوصیات مکانیکی خاک را نیز اصلاح می کنند. در واقع می توان گفت با استفاده از میکروپایل، ظرفیت باربری خاک افزایش یافته و چسبندگی، سختی و تراکم پذیری خاک بهبود می یابد.

روش استفاده از میکروپایل شامل چهار مرحله حفاری، لوله کوبی، تزریق و تسلیح می باشد. کنترل کیفی میکروپایل نیز با انجام آزمایش های بارگذاری فشاری میکروپایل، بارگذاری کششی میکروپایل و بارگذاری جانبی میکروپایل انجام می شود.

اجرای ریزشمع (میکروپایل) جهت افزایش ظرفیت باربری و کاهش نشست

کنترل کیفیت عملیات حفاری و تزریق

به منظور کنترل کیفیت اجرای عملیات و مصالح به کار گرفته شده در دو بخش حفاری و تزریق بر اساس نقشه ها و مشخصات فنی اجرا، آزمایش هایی در محل و نیز در آزمایشگاه کنترل کیفیت صورت می گیرد.

هدف از این خدمات اطمینان از حسن اجرای عملیات و رسیدن به اهداف پروژه می باشد.

در ادامه این آزمایشات کنترل کیفیت فهرست گردیده و شرح مختصری برای هر یک از آنها آورده شده است:

1- انحراف سنجی:

هدف از آن تعیین میزان انحراف در گمانه های حفر شده توسط دستگاه حفاری می باشد.

2- مغزه گیری:

هدف از مغزه گیری در عملیات حفاری، مشاهده عینی وضعیت و کیفیت سنگ و یا خاک در اعماق می باشد. در طول مدت حفاری گمانه، نمونه های به دست آمده پس از ثبت مشخصات و ویژگی های ژئوتکنیکی آنها همچون شاخص کیفیت سنگ (RQD) و درصد بازیابی مغزه (CR) در داخل جعبه های مخصوص نگهداری نمونه سنگ یا خاک چیده شده و پس از عکس برداری و تهیه لوگ زمین شناسی به انبار نگهداری جعبه های نمونه منتقل می گردند.

3- آزمایش آب (آزمایش لوفران یا لوژان):

برای اندازه گیری میزان نفوذپذیری سنگ (لوژان) و یا خاک (لوفران) از این آزمایش استفاده می کنند و همچنین به منظور تعیین کنترل کیفیت دوغاب تزریق شده می توان از آزمایش لوژان نیز استفاده کرد.

4- میزان خورند

به منظور تعیین کنترل کیفیت عملیات تزریق مورد استفاده قرار گرفته می شود.

5-کنترل کیفیت دوغاب

6-آزمایش قیف مارش:

از این آزمون برای اندازه گیری جریان پذیری یا گرانروی (ویسکوزیته) مخلوط های دوغاب در عملیات تزریق استفاده می گردد.

7- آزمایش دانسیته یا چگالی دوغاب:

برای اندازه گیری میزان چگالی دوغاب تزریق از آن استفاده می کنند.

8- آزمایش آب اندازی (بلدینگ):

میزان آب اندازی یا نشست سیمان در مخلوط دوغاب با استفاده از این روش محاسبه می گردد.

9- مقاومت فشاری دوغاب:

برای اندازه گیری مقاومت دوغاب در سنین 3، 7 و 28 روزه استفاده می شود.

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 :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

مطالب مرتبط :

مقررات ملی ساختمان
آیین نامه های FHWA

دسته بندی: آموزش, خدمات ایستاسازه, مقالات تخصصی ژئوتکنیک و سازه فلزی

بهسازی خاک به روش تزریق و انواع روش های تزریق در خاک (Soil Injection)

تاریخچه بهسازی خاک به روش تزریق

هدف و کاربرد بهسازی خاک به روش تزریق

روش بهسازی خاک به روش تزریق

‌مزایای بهسازی خاک به روش تزریق