تاثیر بهسازی با سیمان بر مقاومت فشاری محصور نشده و تراکم پذیری رس ضعیف با خاصیت خمیری متوسط

این تحقیق، یافته های آزمایشگاهی تاثیر بهسازی با سیمان بر خاک رس با خاصیت خمیری متوسط را ارائه می دهد. تغییرات حدود اتربرگ پس از انجام بهسازی ارزیابی شده است. نقش سیمان در عملکرد مقاومتی و تغییر شکل نمونه های رس به وسیله آزمایش های فشاری محصور نشده بررسی شده است. تراکم پذیری رس های بهسازی شده، به وسیله نتایج آزمایش تحکیم یک بعدی مورد ارزیابی قرار گرفته است.

مواد و مصالح و روش اجرای آزمایش ها

مشخصات مصالح

رس نرم از منطقه ای نزدیک به خط ساحلی در قسمت شمالی شهر ازمیر (ترکیه) از عمق 11 متری سطح زمین به دست آمده است. تاریخچه زمین شناسی این ناحیه نشان می دهد که خاک از ته نشینی دانه های رسوبی در دوره دوم زمین شناسی تشکیل شده است. این خاک در دسته رس ضعیف (CL در سیستم طبقه بندی متحد) طبقه بندی می شود. مشخصات رس طبیعی در جدول 1 به نمایش در آمده است. رس طبیعی در حالت ویسکوز (LI<1.0) و غیر فعال (A<0.5) قرار دارد و درجه سختی آن بر اساس عدد کوبش (N=7) SPT-N نرم – متوسط ارزیابی می شود.

سیمان استفاده شده جهت بهسازی خاک رس در این تحقیق از یک کارخانه سیمان قرار گرفته در قسمت مرکزی ترکیه حاصل شده است. سیمان نوع CEM 42.5 که چگالی ویژه 3/08 گرم بر سانتی متر مکعب و سطح مخصوص 3/960 سانتی متر مربع بر گرم دارد برای پایدارسازی استفاده شده است. مشخصات شیمیایی سیمان در جدول 2 آورده شده است.

آماده سازی نمونه ها و روش آزمایش

این خاک در دمای 105 درجه سلسیوس به مدت 24 ساعت خشک شده و به وسیله الک برقی تا قطر 2 میلی متر الک شده است. پس از فرآیند الک کردن، خاک در ملاتی به وسیله هاون کوبیده می شود. سیمان و آب برای آماده سازی دوغاب سیمان به طور همگن مخلوط شده اند.

نسبت آب/ سیمان دوغاب 0/6 است. نمونه های رسی با دو نسبت سیمان متفاوت (5% و 10%) نسبت به وزن خاک خشک استفاده شده اند. در ابتدا، رس با درصد مشخصی از آب ورز داده شده و سپس دوغاب سیمان اضافه و به طور کامل با آن مخلوط شده است.

درصد رطوبت نمونه های رس برای انعکاس شرایط محیط در پایدارسازی و شبیه سازی مشخصات اساسی رس در فرآیند اختلاط عمیق، بالاتر از محدوده حد روانی و درصد رطوبت طبیعی خاک انتخاب شده اند. طول مدت فرآیند اختلاط، برای جلوگیری از سخت شدگی مخلوط، باید در 10 دقیقه تکمیل شود.

پس از آن، مخلوط در سه لایه در قالب های استاندارد قرار داده شد و با زدن ضرباتی به قالب به وسیله چکش پلاستیکی هوای محبوس در آن خارج شد. نمونه هایی که 38 میلی متر قطر و 76 میلی متر طول داشتند برای آزمایش فشار محصور نشده آماده شدند. این نمونه ها در لایه های LLDPE پیچیده شدند و برای 7 تا 28 روز در اتاق مرطوب قرار داده شدند. نمونه ها به وسیله درصد رطوبت، درصد سیمان و زمان عمل آوری به ترتیب با حروف W، C و D مشخص شده اند.

به عنوان مثال، W40C10D28 نمونه ای با درصد رطوبت 40%، درصد سیمان 10% وزن خاک خشک و زمان عمل آوری 28 روزه را نشان می دهد. برای هر ترکیبی از درصد رطوبت، درصد سیمان و زمان عمل آوری، برای نشان دادن هماهنگی و ثبات در نتایج حداقل 3 نمونه آماده شده است.

نتایج و بحث در مورد آن

حدود اتربرگ

حدود اتربرگ برای رس بهسازی شده با سیمان بر اساس روش استاندارد ASTM D 4318 تعیین شده است که در آن نمونه های رس از الک نمره 40 عبور داده شده اند. علاوه بر روش های معمول، همچنین نمونه های رس بر اساس روش پیشنهاد شده توسط Mesri و Cepeda Diaz که در آن نمونه ها تا رسیدن به اندازه های کوچکتر کوبیده می شوند تا از الک نمره 200 عبور کنند، نیز مورد آزمایش قرار گرفته است. شکل 1، نتایج آزمایش حدود اتربرگ نمونه های خاک بهسازی شده با سیمان بر اساس روش های ذکر شده در بالا را نشان می دهد.

در شکل 1، روش Mesri و Cepeda Diaz با روش ASTM D 4318 برای تعیین حدود اتربرگ نمونه های بهسازی شده با سیمان مقایسه شده است. روش Mesri و Cepeda Diaz تغییرات حدود اتربرگ را متمایزتر نشان می دهد.

حد روانی نمونه ها با 60% رطوبت، با افزایش درصد سیمان، افزایش می یابد در حالی که همین مقدار در درصد رطوبت 40% روندی کاهشی دارد. در نمونه هایی با 60% رطوبت، یک سطح مخصوص بزرگ که یک لایه دوگانه بزرگتر را ارائه می دهد، ممکن است در ارتباط با حد روانی بالاتر تشکیل شود. در نمونه های با درصد رطوبت 40%، پوسته های رسی ممکن است به وسیله محصولات سیمانی که بر رفتار خاک حاکم اند و منجر به کاهش در حد روانی می شوند، پوشیده شده باشد.

همچنین افزایش مداوم در حد روانی در نمونه های بهسازی شده با سیمان به دست آمد. افزایش حد خمیری ممکن است در اثر تغییر در سطح مخصوص باشد. احتمال دوم برای افزایش حد خمیری ممکن است به دلیل افزایش ظرفیت نگهداری آب در ریز ساختار خاک باشد. به طور کلی، شاخص خمیری خاک بهسازی شده با سیمان، در ارتباط با درصد سیمان و رطوبت کاهش می یابد.

بهسازی رس با سیمان منجر به اصلاحاتی می شود که با افزایش کارایی، کارهای ساخت و ساز را سرعت می بخشد. در گذشته نشان داده شده است که با کاهش شاخص خمیری، کارایی مصالح افزایش می یابد. در این تحقیق، شاخص خمیری یک کاهش مداوم را برای تمام نمونه ها به دلیل تمایلات متفاوت در رفتار خاک آشکار شده به وسیله حدود خمیری و روانی، نشان می دهد. مقادیر کوچکتری برای شاخص خمیری در نمونه هایی با 10% سیمان به دست آمده است. بنابراین، اضافه شدن درصدهای بالاتر سیمان به کارایی بهتر خاک خواهد انجامید.

مقاومت فشاری محصور نشده

آزمایش UCS (مقاومت فشاری محصور نشده) خاک پایدار شده، ترجیحا به عنوان شاخصی برای بهسازی روش های مختلف به کار می رود. این آزمایش به دلیل سادگی در مقایسه مقاومت نمونه های با مشخصات مکانیکی متفاوت به دیگر آزمایش ها ترجیح داده می شود.

در این تحقیق، افزایش مقاومت به وسیله سه متغیر درصد رطوبت، درصد سیمان و زمان عمل آوری بررسی می شود. برای ثبات و تکرار پذیری نتایج، حداقل 3 نمونه تحت آزمایش قرار گرفتند. مقادیر متوسط به دست آمده از این آزمون ها برای ارزیابی اثرات بهسازی با سیمان استفاده شده است. با این حال، کیفیت نمونه با انحراف معیار کمتر از 10 کیلوپاسکال، تایید شده است.

اثر درصد رطوبت

شکل 2 نشان می دهد که مقاومت خاک با افزایش درصد رطوبت در محدوده ای که بزرگتر از حد روانی خاک رس اصلی است، برای یک درصد سیمان و زمان عمل آوری مشخص کاهش می یابد. با این حال، Lorenzo و Bergado، تصریح می کنند که در درصد رطوبت کمتر از حد روانی رس، افزایش مقاومت کمتر از نمونه های ساخته شده با رطوبتی در حدود حد روانی است.

بنابراین، انتخاب درصد رطوبت در حدود و بالاتر از حد روانی، بسته به نوع روش پایدارسازی مثل اختلاط عمیق به کار برده شده در محل، اثرگذارتر خواهد بود. حد روانی خاکی که در این تحقیق استفاده شده 33% بود. مقاومت نمونه های رسی با درصد رطوبت 40% در مقایسه با نمونه های با درصد رطوبت 60% حدود 114-204 درصد افزایش را نشان می دهد.

در شکل 2، حداکثر مقاومت 7 روزه نمونه های با درصد رطوبت 40% تقریبا با مقاومت 28 روزه نمونه های با 60% رطوبت یکسان است، که نشان می دهد تعیین دقیق درصد رطوبت برای خاک رس محلی ممکن است منجر به تغییرات شدید در مقاومت فشاری خاک بهسازی شده با سیمان و در نتیجه تاثیر بر عملکرد محلی شود.

اثر درصد سیمان

روابط تنش-کرنش رس بهسازی شده و بهسازی نشده در شکل 3 ارائه شده است. بیشترین مقدار مقاومت فشاری محصور نشده (UCS) از نمونه های با درصد رطوبت 40% و درصد سیمان 10% و زمان عمل آوری 28 روزه به دست آمد. از سویی دیگر، کمترین مقدار UCS از نمونه های بهسازی نشده با درصد رطوبت 60% حاصل شده است. درصد رطوبت کمتر به همراه مقدار سیمان بیشتر به افزایش مقاومت می انجامد که در تایید یافته های Sariosseiri و Muhunthan است. یافته های آنها نشان می دهد که بهسازی با سیمان به خصوص برای درصد سیمان بین 5% تا 10% منجر به افزایش قابل توجه در UCS می شود که در تایید نتایج این تحقیق است.

رفتار تنش-کرنش خاک رس را مطابق شکل 3 می توان به صورت شکل پذیر، نیمه شکننده و شکننده دسته بندی کرد. مشاهده شد که تنش محوری حداکثر به دلیل بهسازی با سیمان به طور چشمگیری افزایش ولی کرنش مربوطه برای تنش محوری حداکثر، تقریبا از 7/5% تا کمی بیشتر از 1/4% کاهش می یابد. پایدارسازی با سیمان منجر به افزایش قابل توجه UCS و کاهش کرنش محوری شد.

از این رو، خاک بهسازی شده با سیمان، رفتار شکننده تری نسبت به خاک بهسازی نشده از خود نشان می دهد. زمان عمل آوری طولانی و درصد سیمان بالاتر منجر به رفتار شکننده می شود؛ بالعکس، نمونه های خاک بهسازی نشده رفتار شکل پذیر از خود نشان می دهند. Balasubramaniam و همکاران و Pakbaz و Alipur نیز به این موضوع اشاره کرده بودند که درصد سیمان بالاتر و درصد رطوبت کمتر منجر به شکننده شدن نمونه ها می شود.

اثر زمان عمل آوری

افزایش مقاومت رس بهسازی شده با سیمان در گذر زمان، عمدتا تحت تاثیر فرآیند هیدراتاسیون است. مخصوصا، مقاومت 7 روزه به دلیل مقدار سیمان، تحت تاثیر واکنش هیدراتاسیون کوتاه مدت قرار می گیرد. در کنار آن، مقاومت به دست آمده در اثر بهسازی با سیمان همچنین به واکنش های پوزولانی کندتر وابسته است که قابلیت ادامه یافتن با زمان را دارد. مقاومت حداکثر در روزهای مختلف، نسبت به مقاومت نمونه با عمل آوری 28 روزه نرمالایز شده است.

با در نظر گرفتن زمان عمل آوری در مقیاس لگاریتمی طبیعی، مقاومت به دست آمده در زمان را می توان به صورت تابعی خطی نشان داد (شکل 4). بنابراین، نسبت مقاومت را می توان به صورت نسبت مقاومت محصور نشده نمونه پس از D روز به مقاومت 28 روزه آن تعریف کرد. از این جهت، رابطه زیر رابطه ای را برای رس بهسازی شده با سیمان (از شکل 4) ارائه می دهد.

یک رابطه کلی از مقاومت برشی با در نظر گرفتن پارامتر A وابسته به زمان عمل آوری و پارامتر B وابسته به درصد رس-آب/ سیمان را می توان ادغام کرد، و رابطه زیر حاصل می شود:

صحت سنجی رابطه بالا را می توان با در نظر گرفتن D=28 روز بررسی کرد. در این مورد، سمت چپ رابطه عدد 1/00 و سمت راست آن 1/004 به دست می آید.

تراکم پذیری

مشخصات تراکمی نمونه های مربوط به درصد سیمان 5% و 10% و زمان عمل آوری 28 روزه، به وسیله آزمایش تحکیم ارزیابی شده است. تغییرات نسبت تخلخل برحسب تنش موثر با درصد رطوبت های متفاوت در شکل 5 (a) نشان داده شده است. تراکم در ناحیه پیش از جاری شدن قابل چشم پوشی بوده که در آن تنش موثر قائم کمتر از تنش پیش تحکیمی است. دلیل این مسئله، مقاومت حاصل از چسبندگی ناشی از سیمانی شدن است.

در تنش های فراتر از تنش پیش تحکیمی، تراکم قابل توجهی اتفاق می افتد. در این ناحیه خمیری، شاخص خمیری (C_c) حتی با افزایش فشار قائم، خطی باقی می ماند. شکل 5 (a) همچنین تاثیر درصد سیمان بر رفتار تراکمی پس از جاری شدن را نشان می دهد. رفتار تراکمی پس از جاری شدن نمونه های با درصد رطوبت بالاتر در نمودار نسبت تخلخل- تنش موثر بر روی خطی صرف نظر از درصد سیمان همگرا می شوند.

نمونه های بهسازی شده با درصد رطوبت بالاتر، نسبت تخلخل بالاتر ولی تنش پیش تحکیمی کمتری داشتند. تنش های پیش تحکیمی با اعمال روش کاساگرانده (ASTM D 2435) بر منحنی های تحکیم به دست آمده است. همچنین تنش پیش تحکیمی با افزایش درصد سیمان افزایش می یابد (شکل 5 (b)). شاخص تراکم نمونه ها با افزایش درصد رطوبت اولیه کاهش می یابد (شکل 5 (c)).

مقاومت چسبندگی ایجاد شده از سیمانی شدن، هم UCS و هم فشار پیش تحکیمی نمونه های رس بهسازی شده را تحت تاثیر قرار می دهد. این رابطه به نوع رس بستگی دارد. بنابراین، رابطه میان مقاومت فشاری محصور نشده و فشار پیش تحکیمی نمونه های بهسازی شده بررسی شد. برای اطمینان از این رابطه، نمونه های موجود در شکل 5 (a) دوباره آزمایش شدند. این رابطه را می توان به صورت خطی و به شکل زیر تعریف کرد:

بر اساس نتایج آزمایش های نمونه های رسی بهسازی شده، ضریب C برابر با 1/4 به دست می آید (شکل 5 (d)).

a) منحنی های تراکم، b) تغییرات تنش پیش تحکیمی با درصد سیمان، c) تغییرات شاخص تراکم با درصد سیمان، d) رابطه میان تنش پیش تحکیمی و مقاومت فشاری محصور نشده رس بهسازی شده با سیمان

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)
• پدیده زمین لغزش چیست؟ (Landslide)
• سد باطله چیست؟ انواع سدهای باطله و کاربرد آن ها (tailing dams)

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 : 

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

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 :

• sciencedirect , Improvement of soft clay with cement
• ascelibrary , Improving the Properties of Soft Clay Using Cement