تحلیل ستون های تزریق پرفشار تک سیاله (Analysis of single-fluid jet grouting)

هر سامانه تزریق پرفشار مزیت ها و محدودیت های خود را دارد و در نتیجه به تمامی سامانه ها باید به یک اندازه توجه شود. این مقاله به تحلیل سامانه تک سیاله می پردازد که غالبا ستون هایی ایجاد می کند که کوچکتر از ستون های ایجاد شده از سامانه های دو سیاله و سه سیاله است. اگرچه سامانه تک سیاله ساده ترین نوع است، ولی در عین حال منعطف ترین و اقتصادی ترین سامانه است. بنابراین، معمولا راحت ترین راه حل را برای بسیاری از پروژه ها فراهم می کند. به عنوان مثال، سامانه تزریق پرفشار تک سیاله روشی است که معمولا برای تکیه گاه موقت تونل استفاده می شود. در ادامه، مفاهیم اخیر و قوانین طراحی ستون های تزریق پرفشار یا جت گروتینگ از مقالات منتشر شده، مرور و مقایسه شده است.

مفاهیم اخیر ستون های تزریق پرفشار (جت گروتینگ)

اولین کارهای منتشر شده از تزریق پرفشار به دهه 1970 بر می گردد و در این سال ها مقالات بسیاری تولید شده است. با این حال به نظر می رسد که هنوز بسیاری از یافته ها به تجربیات فردی نویسندگان محدود می شود، اگر چه در تعدادی از موارد برخی دیدگاه های جمعی نیز گزارش شده است. مفاهیم اخیر که در ادامه مرور شده، سه مسئله کلیدی که نسبتا بحث برانگیزتر است را نشان می دهد که به شرح زیر است:

الف) پدیده ای که در اثر تزریق پرفشار (جت گروتینگ) ایجاد می شود (مثلا اندرکنش میان دوغاب و خاک های طبیعی)

ب) متغیرهای اصلی اثرگذار بر نتایج بهسازی (قطر ستون تزریق پرفشار و مشخصات خام سیمانی شده)

پ) نوع خاک های مناسب برای تزریق پرفشار تک سیاله

با توجه به مسئله اول، به طور کلی فرض شده است که تزریق پرفشار (جت گروتینگ)، با جدا کردن دانه های خاک و سپس مخلوط و سیمانی کردن آن با جت دوغاب، ساختار طبیعی خاک را از بین می برد. اگرچه Kauschinger و همکاران (1992) و Covil و Skinner (1994) بیان می کنند که برای سامانه تزریق پرفشار تک سیاله درجه جایگزینی نسبتا کم است. در مورد شن، Miki (1985) و Bell (1993) مشاهده کردند که دوغاب در حفرات خاک بدون آسیب زدن به ساختار خاک جریان می یابد، در نتیجه این مسئله نشان دهنده این است که در مصالح درشت دانه نفوذپذیری سازوکاری غالب دارد.

با توجه به مسئله کلیدی دوم (متغیرهای اصلی اثرگذار بر نتایج بهسازی و روابط احتمالی آنها) پیشنهادهای گوناگونی ارائه شده است. به خصوص، تاثیر مشخصات خاک بر قطر ستون جت گروتینگ (D) با در نظر گرفتن سه متغیر در نظر گرفته شده است:

• دانه بندی خاک
• تراکم نسبی
• مقاومت برشی زهکشی نشده s_u.

تراکم نسبی به وسیله تعداد ضربات آزمایش SPT تخمین زده شده است. برخی از روابط منتشر شده نشان می دهد که قطر با کاهش اندازه دانه ها کاهش می یابد (شکل 1) در حالی که دیگر روابط نشان دهنده کاهش آن با افزایش عدد SPT و افزایش s_u است (شکل 2 و 3).

برای به حساب آوردن اثر مشخصات بهسازی، تعدادی رابطه تجربی ارائه شده است. اگرچه به نظر نمی رسد که این روابط معنای واضح فیزیکی داشته باشند. یک استثنای قابل توجه توسط Tornaghi (1989) ارائه شده است که رابطه همبستگی قطر ستون های تزریق پرفشار (جت گروتینگ) را بر حسب انرژی بهسازی واحد طول آن پیشنهاد می کند. این انرژی در پمپ و به وسیله رابطه زیر محاسبه می شود:

که در آن p، فشار دوغاب؛ Q، دبی دوغاب و v سرعت بالا بردن مانیتور است.

با ارجاع به مشخصات مکانیکی خاک سیمانی شده، مشخص است که این ویژگی ها به طور کلی به وسیله آزمایش های فشار تک محوری و به ندرت با برش مستقیم یا آزمایش سه محوری ارزیابی شده است. بسیاری از داده های مقاومت تک محوره منتشر شده و برخی از محدوده های مقادیر مورد انتظار در جدول 1 ارائه شده است. ضریب نفوذپذیری خاک سیمانی بررسی نشده که ممکن است به وسیله این واقعیت که نفوذپذیری کلی دیوارهای آب بند عمدتا تحت تاثیر ناپیوستگی خود قرار می گیرند، توضیح داده شود.

در نهایت، با توجه به مسئله کلیدی سوم (نوع خاک های مناسب برای تزریق پرفشار تک سیاله)، اشارات ادبیات فنی بسیار گوناگون است. در واقع، برخی از محققان باور دارند که تزریق پرفشار (جت گروتینگ) در گستره وسیعی از خاک ها قابل استفاده است، در حالی که دیگران در مورد کاربرد آن در خاک ریزدانه تا حدودی تشکیک ایجاد می کنند. دیگر نویسندگان و محققان ادعا دارند که تزریق پرفشار تک سیاله فقط برای مقادیر بسیار کم عدد SPT قابل استفاده است (در خاک چسبنده N<5-10 و برای خاک ماسه ای N<15) ولی توضیحی برای دلیل در نظر گرفتن این محدوده ارائه نمی دهند.

روش های طراحی ستون های تزریق پرفشار (جت گروتینگ)

عدم قطعیت های مشاهده شده اخیر، با در نظر گرفتن میزان پیچیدگیِ پدیده های مربوط به تولید ستون های تزریق پرفشار (جت گروتینگ)، چندان تعجب برانگیز نیست. به این منظور، سه مرحله زیر قابل ارائه است:

1. مخلوط آب- سیمان و پمپ دوغاب
2. اندرکنش مکانیکی میان خاک و دوغاب
3. به تعویق افتادن سخت شوندگی خاک سیمانی

در مرحله اول، پودر سیمان و آب برای تشکیل دادن یک سوسپانسیون (دوغاب) با نسبت های از پیش تعیین شده گوناگونی با هم مخلوط می شوند و پس از آن با پمپ شدن آن به مانیتور تحت فشارهای بالایی قرار می گیرند. دوغاب از طریق لوله های منعطف و سپس به وسیله لوله های توخالیِ فلزیِ تزریق، منتقل می شود و در نهایت به نازل های مانیتور می رسد.

مرحله دوم با این واقعیت مشخص می شود که تنها بخشی از دوغاب تزریق شده توسط خاک جذب می شود، در حالی که باقی آنها با عبور از فضای حلقوی محدود شده به حفره مشبک و لوله تزریق، به سمت سطح زمین حرکت می کند. درصد محاسبه شده از جریان بیرونی به وجود آمده از دوغاب و قسمتی از خاک فرسایش یافته، می تواند بین 0 تا 80% متغیر باشد. چنین محدوده وسیعی از جریان خروجی نشان دهنده این است که فرسایش و جایگزینی ممکن است تا درجات متفاوتی اتفاق بیفتد.

مرحله سوم شامل فرآیند سیمانی شدن به جهت سخت شدگی دوغاب قرار گرفته در خاک است. این فرآیند، یک پدیده وابسته به زمان است که از هیدراسیون دانه های سیمان به وسیله آب موجود در دوغاب و یا آب موجود در خاک طبیعی ایجاد می شود. در این مرحله نهایی، توزیع اندازه دانه های خاک و مشخصات معدنی آن بر مقاومت خاک سیمانی شده اثرگذار خواهد بود.

برای بهبود روش های طراحی، دو روش جایگزین ارائه شده است. روش اول و ساده ترین روش شامل ارتباط قطر ستون با انرژی بهسازی و برخی از ویژگی های ساده خاک است (مثلا اندازه دانه ها، N و S_u). این روش، روشی تجربی است که مزیت آن ارائه اطلاعات کاربردی برای مقاصد طراحی می باشد ولی هیچ دیدگاهی از سازوکار  ارائه نمی دهد. با این حال، پیشنهاد می شود برای به حساب آوردن افت در طول لوله به سمت نازل ها، انرژی به جای پمپ در نازل ها در نظر گرفته شود. با داشتن واحد طول ستون تزریق، L:

که در آن، m، جرم دوغاب منتقل شده در زمان Δt مربوط به طول بهسازی L و v_n سرعت دوغاب در نازل ها است. جرم با رابطه m=ρ_gQΔt محاسبه می شودکه در آن ρ_g چگالی دوغاب و Q دبی جریان دوغاب است. با در نظر گرفتن v_n با نسبت میان Q به سطح مقطع کلی نازل، رابطه قبل به شکل زیر نوشته می شود.

که در آن M تعداد نازل ها، d قطر نازل ها و v سرعت بالا بردن مانیتور.

روش دوم، برای رسیدن به روش طراحی قابل قبول، بر مدلسازی نظری پدیده مکانیکی ایجاد شده به وسیله تزریق پرفشار تکیه دارد. این روش بر اساس تلاش های Croce & Mongiovi (1995) حاصل شده که اندرکنش پیچیده میان جریان جت و خاک را با تقسیم ستون جت به دو ناحیه محوری مدل می کند:

• یک ناحیه داخلی، که در آن دانه های خاک به وسیله دوغاب تغییرمکان داده اند.
• یک ناحیه خارجی که در آن دوغاب از طریق حفرات موجود و بدون جا به جا کردن دانه ها جریان می یابد.

اگرچه این فرضیات باید به جهت آزمایشگاهی تایید شوند.

متاسفانه، مشاهدات از اندرکنش میان دوغاب و خاک طبیعی در حین فرآیند ایجاد ستون امکان پذیر نیست و در نتیجه پدیده های مکانیکی احتمالی (مثلا نفوذ، فرسایش، اختلاط و جایگزینی) باید به وسیله آزمایش دقیق مشخصات فیزیکی ستون ها پس از انجام بهسازی ارزیابی شود. این دستور کار را می توان با یک روش، که امکان تعیین درصدهای دوغاب جذب شده و خاک از بین رفته را فراهم می کند، ادغام کرد. این روش بر اساس شرایط پیوستگی اعمال شده به حجم ستون جت در واحد طول ارائه شده است (V=πD²/4). با در نظر گرفتن اثرات مکانیکی دوغاب (انتهای مرحله 2)، رابطه زیر به دست می آید:

که در آن، V_j حجم دوغاب تزریق شده در واحد طول بهسازی، α درصد حجمی از دوغاب که در خاک باقی می ماند، β درصد حجمی از خاک که در اثر فرآیند جت از بین رفته است، δ درصدی از حفرات خاک که با دوغاب پر شده است و n تخلخل خاک اولیه است.

سپس با در نظر گرفتن فرآیند سخت شدگی (مرحله 3)، حجم ستون های تزریق پرفشار (جت گروتینگ) در واحد طول را به شکل زیر نیز می توان نشان داد:

که در آن، k نسبت حجمی بین سیمان هیدراته شده و دوغاب باقی مانده در خاک و n_sc تخلخل خاک سیمانی شده است.

پارامتر k را می توان به راحتی به وسیله رابطه زیر تعیین کرد که به وسیله اعمال پیوستگی جرم از خاک دوغابی به خاک سیمانی شده به دست می آید:

که در آن، r_s نسبت استوکیومتری آب به سیمان (تقریبا 0/3)، r_g نسبت آب به سیمان دوغاب، ρ_g چگالی دوغاب و ρ_hc چگالی سیمان هیدراته (تقریبا 25/5 کیلونیوتن بر متر مکعب) شده است.

حجم دوغاب تزریق شده، V_j، از مشخصه های معلوم بهسازی (V_j=Q/v) حاصل می شود در حالی که n، V و n_sc باید به وسیله اقدامات آزمایشگاهی که به ترتیب بر خاک طبیعی، شکل ستون و مشخصات خاک سیمانی شده انجام می شودف محاسبه کرد. البته V را می توان به طور مستقیم از D در طول ستون جت و n_sc را با نمونه های خاکِ سیمانی شده دست نخورده بازگشته به وسیله ستون تعیین کرد.

منبع:

Analysis of single-fluid jet grouting, P. CROCE and A. FLORA

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)
• مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
• بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
• مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)

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 , Jet-grout column-reinforced soft soils
• keller , jet grouting