تحلیل پی های مسلح شده با ستون های تزریق پر فشار (جت گروتینگ) (Analysis of jet gutting columns)

تزریق پر فشار (جت گروتینگ)، یک روش محبوب بهسازی خاک بر اساس تزریق پر سرعت مخلوط آب – سیمان در گودال های از پیش حفاری شده برای ایجاد ستون های شبه استوانه ای از خاک سیمانی است. در کنار روش های ممکن مختلف، این روش مکررا به عنوان جایگزینی برای شمع ها، با هدف انتقال بار به لایه های زیرین، در مهندسی پی استفاده می شود. در برخی موارد، ستون ها برای ایجاد یک حجم یکپارچه ایجاد شده از خاک سیمانی به خصوص در شرایطی که به کاهش نشست و مقاومت در برابر بارهای جانبی نیاز است، با یکدیگر هم پوشانی دارند. با این حال، رایج ترین راه حل برای این مسئله اجرای ستون های مسلح شده با میله ها یا لوله های فولادی با فواصلی منظم است. اگر چه، به دلیل نبود بندهای آیین نامه ای برای این نوع مسئله، طراحی این نوع پی ها معمولا بر اساس روش های تجربی، وابسته به افراد و بسیار ساده شده انجام می گیرد. یک روش طراحی منطقی در واقع باید قادر به تخمین دقیق اندازه ها و ویژگی های تنش-کرنشی ستون ها باشد و اثرات عدم قطعیت ها را در نظر بگیرد.

با در نظر گرفتن این مسئله، اخیرا روش های متفاوتی به وسیله آیین نامه های مربوط به روش تزریق پر فشار یا جت گروتینگ ارائه شده است. آیین نامه ژاپن (اتحادیه تزریق پر فشار ژاپن، 2005) مقادیر طراحی قطر ستون و مقاومت خاک سیمانی شده را بر حسب تابعی از سیستم تزریق پرفشار (سیال دوتایی یا سه تایی) و مشخصات خاک دست نخورده (عدد آزمایش SPT) ارائه می دهد و عدم قطعیت ها را با در نظر گرفتن ضرایب اطمینان کلی برای سازه های مختلف مدیریت می کند. در عوض، آیین نامه های اروپایی و آمریکایی، این مقادیر را برای مشخصات تزریق پر فشار پیشنهاد نمی کنند ولی بر نقش اقدامات مقدماتی محلی و آزمایش های کنترل کیفیت و اطمینان از کیفیت، برای کمی سازی محاسباتشان تاکید می کنند. به خصوص، استاندارد ENV 12716، بر ارزیابی تغییرات مشخصات تزریق پر فشار و اثر آن بر عملکرد سازه ها تمرکز می کند.

در این مقاله، روشی آزمایشگاهی برای کمی کردن جنبه های مختلف درگیر با این مسئله و توضیح آنها در طراحی پی های مسلح ارائه شده است. هدف روش ارائه شده، تعریف روشی منطقی برای برنامه ریزی و تفسیر فعالیت های کنترل کیفیت است که معمولا بدون هدف تعیین شده ای انجام می گیرد.

تحلیل بار-نشست

بر اساس نمونه های تاریخی جمع آوری شده، Mandolimi & Viggiani (1997) و Mandolini et al. (2006)، دریافتند که کاهش نشست، مهم ترین عامل برای طراحی پی بر روی شمع است. در نتیجه در دهه گذشته تلاش های بسیاری برای به دست آوردن روابطی جهت روش های تحلیلی متنوعی که قادر به شبیه سازی اندرکنش میان خاک، شمع و پی، از ابتدای بارگذاری هستند، شده است. توسعه این روش ها به ستون های تزریق پر فشار (جت گروتینگ)، نیازمند برخی توافقات است که باید با روش های آزمایشگاهی بررسی شود.

در تحقیق حاضر، پاسخ غیرخطی بار – نشست ستون های تکی به وسیله روش منحنی بار – انتقال، شبیه سازی شده است. توسعه تحلیل به کل پی مسلح با در نظر گرفتن اثر کوپلی بین ستون های مجاور و اندرکنش با پی بالایی انجام شده است. این روش های تقریبی به دلیل امکان انجام محاسبات فراوان مورد نیاز در تحلیل احتمالاتی، بدون تلاش های محاسباتی زیاد، به روش های پیشرفته تر و پیچیده تر ترجیح دارند. اگر چه، روابط موجود در مدل ها با تفسیر نتایج آزمایشگاهی به همراه محاسبات به روش اجزا محدود، کالیبره شده اند.

ستون تکی تزریق پر فشار (جت گروتینگ)

قانون اصلی روش منحنی های بار – انتقال این است که بار به وسیله تنش های قائم فزاینده بسیج شده در سطح و پایه ستون به خاک منتقل می شود. با اختصاص دادن تغییر مکان های در حال افزایش در پایه و حل روابط تعادل و روابط توافقی در طول محور ستون های تزریق پر فشار (جت گروتینگ)به روش تکرار پذیری، می توان کل تابع بار – نشست را به همراه توزیع بار محوری S در مقاطع مختلف محاسبه کرد. در حین محاسبات، به طور پیوسته می توان درستی محاسبات ستون را با مقایسه بار محوری با مقادیر حدی آن S_lim به وسیله رابطه زیر بررسی کرد:

این رابطه امکان در نظر گرفتن مسلح کننده ای به مساحت a_f­ و مقاومت s_f در ستون را فراهم می کند. اگر در حین بارگذاری، در تمامی مقاطع، S از S_lim کمتر شود، منحنی بار – نشست، کلا توسط پاسخ خاک کنترل می شود و یک منحنی هایپربولیک q-w به دست خواهد آمد (مورد A در شکل 1). اگر S حداقل در یک مقطع برابر با S_lim شود، نشست بدون هر افزایشی در مقدار بار، افزایش خواهد یافت (مورد B در شکل 1). باید توجه داشت که شرایط S=S_lim در یک مقطع، لزوما به معنی گسیختگی کل سیستم ستون-خاک نیست چرا که کماکان بارهای بیشتری می تواند از سطوح بالاتر از مقطع گسیخته شده منتقل شود. اگر چه، تقریب بیان شده منطقی به نظر می رسد ولی باید توجه داشت که گسیختگی عمدتا در قسمت بالایی ستون ها یعنی جایی که بارهای محوری بزرگتر فرض می شوند اتفاق می افتد.

توابع انتقال p(w) و t­_i(w) به ترتیب، در کف و جداره ستون، از تحلیل برگشتی مدل اجزا محدود نتایج آزمایش های بارگذاری محوری بر روی ستون های تزریق پرفشار به دست آمده اند. این کار آزمایشگاهی شامل بارگذاری محوری چهار ستون به طول 7 متر است. تعدادی آزمایش پیزوکن (CPTU) و دیلاتومتر مسطح (DMT) برای شناسایی ساختار و مشخصات تنش کرنشی خاک در نزدیکی ستون ها انجام شد. بر اساس نیمرخ های ارائه شده در شکل 2، مشخص است که یک توده خاک ماسه ای یکنواخت تا عمق 15 متر با سطح آب 2/5 متر زیر سطح زمین وجود دارد. با تقسیم این توده خاکی به لایه های تداخل کننده (هر کدام به ضخامت 0/5 متر) و با شبیه سازی پاسخ تنش-کرنش هر لایه با یک مدل رفتاری پلاستیسیته غیر خطی سخت شونده، مشخصات ژئوتکنیکی به دست آمده است.

چهار ستون مختلف با طول 7 متر در این خاک ایجاد شده است. سه تای آن ها با میله فولادی HEB240 مسلح شده که برای مقاومت بیشتر در زمان بهسازی به قسمت میانی خاک سیمانی اضافه شده است. محاسبه مستقیم قطر ستون ها تنها تا عمقی بالاتر از سطح آب زیرزمینی امکان پذیر بود. اگر چه، محدوده قطرهای محاسبه شده در ستون های گوناگون مشخص شده با ناحیه سایه زده شده در شکل 3، در توافق خوبی با تابع قیفی شکل پیش بینی شده توسط مدل تحلیلی (Modoni et al. 2006) قرار دارد که پس از آن در تحلیل های بعدی برای توسعه نیمرخ هندسی به اعماق بیشتر استفاده شده است.

پاسخ بار- نشست دو ستون متفاوت (با مسلح کننده و بدون آن) در شکل 4 به همراه شبیه سازی به روش اجزا محدود با اختصاص دادن هندسه پیش بینی شده در شکل 3 انجام شده است. مقایسه میان دو منحنی آزمایشگاهی نشان می دهد که، وجود مسلح کننده فولادی ارتباطی با پاسخ بار – نشست تزریق پر فشار (جت گروتینگ) ندارد. این نتیجه گیری که خاک سیمانی از خاک اصلی محل بسیار سخت تر است، به وسیله تفاوت های بسیار کوچک مشاهده شده در تغییرمکان های محاسبه شده در عمق های مختلف ستون ها قابل تایید است.

این شکل همچنین نشان می دهد که پاسخ ستون ها در حین بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد اولیه به خوبی توسط مدل اجزا محدود پیش بینی شده است. همچنین این مدل برای به دست آوردن دیدگاهی از پاسخ ستون و به دست آوردن نقش مشخصات تزریق پر فشار در سازوکار انتقال بار نیز قابل استفاده است. بر این اساس، جزئی از بار که از کف و جداره های ستون ها به خاک اطراف منتقل شده است به صورت جداگانه محاسبه و با آن مواردی که توسط ادبیات فنی برای شمع های با قطر مشابه اجرا شده در ماسه مقایسه شده است. تنش های متوسط قائم بسیج شده در پایه ستون ها، به عنوان تابعی از نشست های مربوطه در شکل 5 (a) گزارش شده است. برای مقایسه این منحنی با یک تابع بی بعد پیشنهادی برای شمع های حفاری شده، نشست ها با قطر پایه ستون ها D_b و تنش های قائم با مقدار این تنش در w/D_b=5% مقیاس شده است. این مقدار آخر در شکل 5 (b) به عنوان تابعی از مقاومت آزمایش نفوذ مخروط (CPT) در کف ستون به همراه تابعی برای شمع های حفاری شده توسط Wright & Reese (1977)، ارائه شده است. هر دو شکل، در مورد بسیج شدن بار در کف ستون های تزریق پرفشار (جت گروتینگ) و شمع های حفاری شده تشابه خوبی را نشان می دهند. تابع هایپربولیک زیر (که متغیرهای a_P و b_P آن در شکل 5 (a) کمی شده است) برای برازش دادن به داده های پاسخ انتقال بار در تحلیل های بعدی اتخاذ شده است:

در رابطه بالا، مقدار p_L از شکل 5 (b) محاسبه می شود.

انتقال بار در جداره ستون ها با تقسیم ستون به 14 قطعه به طول یکسان 0/5 متر و با محاسبه تغییرات واحد بار قائم t­_i برای هر کدام از آنها در اثر نشست های ایجاد شده، که از تعادل نیروهای قائم وارده بر سطوح زیرین و فوقانی محاسبه می شود، تعیین می شود. سپس تمام منحنی های t­_i(w_i) با تابع هایپربولیک زیر درون یابی شده است:

تنش های حدی t­_L,i برای هر المان بر حسب مقاومت CPTمربوطه در شکل 6 به نمایش در آمده و با نتایج به دست آمده از همین روش با ستون های استوانه ای با قطر یکنواخت و میانگین 92/0 متر مقایسه شده است. دو منحنی گزارش شده دیگر از ادبیات فنی، یکی ارائه شده توسط Wright & Reese (1977) برای شمع های حفاری شده با قطر بالا و دیگری توسط Bustamante (2002) که یک سری تست بارگذاری را بر روی ستون های تزریق پر فشار تجهیز شده با کشش سنج تفسیر کرده، مقایسه شده است.

این نمودار نقش عوامل مختلف در مقاومت جانبی ستون ها را نشان می دهد. در واقع مشاهده می شود که مقادیر t­_L,i برای ستون های قیفی شکل به طور متوسط با داده های ارائه شده توسط Bustamante (2002) مشابه است ولی به طور قابل توجهی از نتایج Wright & Reese (1977) برای شمع های حفاری شده بزرگتر است. تفاوت ها در این مقادیر را می توان به وسیله نسبت میان مقادیر t­_L,i و t­_L,WR بر حسب ضریب شکل بی بعد ارائه شده در رابطه زیر، نشان داد:

که در آن ΔH، a_c,sup و a_c,inf به ترتیب ارتفاع و سطح مقطع بالا و پایین المان ها را ارائه می دهد. عوامل مختلف در بسیج شدن بارها در این شکل قابل تشخیص است. در واقع در ستون استوانه ای (SF=0)، t­_L تقریبا 35% از مقدار آن برای شمع های حفاری شده بیشتر است که ممکن است به دلیل دست خوردگی کمتر خاک اطراف در اثر تزریق پر فشار یا جت گروتینگ نسبت به حفاری برای شمع و همچنین در اثر بافت بسیار سخت ستون ها باشد. اثر مثبت دیگر مربوط به شکل مخروطی ستون هاست که انتقال جزء تنش های قائم را در سطوح جانبی ارتقاء می دهد. این ملاحظات به وسیله عدم انتقال بار از المان های مخروطی شکل با سطح مقطع بزرگ شونده در عمق منعکس شده که در دیگر تحلیل های به روش اجزا محدود و با وابستگی مقادیر a_s,i به ضریب شکل SF، مشاهده شده است. این نتایج نشان دهنده شکل پذیر تر بودن انتقال بار در المان های مخروطی شکل است که با باور جمعی، که بسیج شدن نیروهای قائم نیازمند تغییرمکان های بیشتری نسبت به نیروهای جانبی دارد، سازگار است. بر اساس این نتایج، منحنی های بار- انتقال بر روی ستون های تزریق پر فشار (جت گروتینگ) به وسیله رابطه ای که پیشتر بیان شد، با پارامترهای a_s و t­_L گزارش شده در شکل 6 (b)، محاسبه می شود.

گروه ستون های تزریق پر فشار (جت گروتینگ)

اندرکنش میان ستون های تزریق پرفشار (جت گروتینگ) مجاور به وسیله یک مدل سه بعدی به روش اجزا محدود با همان مشخصات خاک و ستون پیشتر اعلام شده، مطالعه شده است. در تحلیل اول، نشست های رو به پایین ستون (i) که از کل بار وارد بر ستون کناری (j) قرار گرفته در فواصل مختلف s_i,j حاصل شده، به دست آمده است (شکل 7 (a)). این شکل به طور واضح نشان می دهد که بارگذاری بر روی یک ستون باعث کشش در ستون های کناری خواهد شد که با افزایش فاصله، کاهش می یابد. همچنین مشخص است که، برخلاف استفاده از مدل رفتاری غیرخطی، نشست ستون های مجاور w_i تقریبا به صورت خطی با بار q_j افزایش می یابد. نگاهی عمیق تر به خروجی های حاصل از مدل اجزا محدود این اثر را بخشی با کاهش جزء تنش و کرنش با افزایش فاصله از ستون بارگذاری شده و بخشی با عملکرد سخت شوندگی خاک سیمانی شده توضیح می دهد. بر اساس این مشاهدات، رابطه ای که برای شمع های زیر پی به کار می رود، بین نشست w_i و بار وارده q_j نوشته می شود:

که در آن ضریب M_j نرخ اولیه منحنی بار- نشست حاصل از ستون بارگذاری شده (شکل 7 (a)) است و از طریق برازش یک تابع هایپربولیک بر منحنی w_j-q_j محاسبه می شود. سپس ضرایب کوپلی α_i,j در طرح های هندسی مختلف از جمله سه ردیف خطی ستون با محورها و طول های متفاوت و آرایش هم مرکز ستون ها ارزیابی شد (شکل 7 (b)). این شکل وابستگی تقریبا یکتای پارامتر α_i,j بر نسبت s_i,j/D بین طول و قطر ستون ها در مقطع فوقانی را نشان می دهد. بر اساس این نتایج، ضریب کوپلی با تابع نمایی زیر محاسبه می شود:

که در آن پارامتر m از منحنی برازش داده شده در شکل 7 (b) کالیبره می شود.

پی مسلح

تحلیل بار- نشست پی مسلح به وسیله روشی مشابه با روشی که Russo (1998) برای پی و شمع به کار برده بود انجام شده است. بر اساس این روش، به طور ایده آل، پی به قطعاتی تقسیم می شود که برخی از آنها بر روی شمع (n_q) و برخی مستقیما روی خاک (n_s) قرار می گیرند. در نتیجه بارهای محرک وارد شده بر پی به دسته ای از نیروهای تماسی به تعداد n_q و n_s منتقل می شود و به ترتیب به سر شمع ها و خاک وارد می شود. این نیرو ها با یکسان در نظر گرفتن نشست در سطح مشترک پی و شمع و پی و خاک محاسبه می شود. نشست در سر هر شمع، به وسیله اعمال مستقیم بار بر شمع به وسیله تابع غیر خطی نشان داده شده در شکل 1 و مشارکت n_q-1 بار وارد شده بر شمع های کناری، تعیین می شود (شکل 4). نشست خاک به وسیله مدل فنر وینکلر به عنوان تابعی از بار منتقل شده به خاک در همان مکان محاسبه می شود. نشست پی با تعریف یک گیرداری ساختگی و جمع کردن اثرات تغییرشکل های ایجاد شده به وسیله بارهای محرک (active) و مقاوم (passive) بر پی گیردار محاسبه می شود. باید برای پی، سه رابطه تعادل کلی (یکی انتقالی قائم و دو تای دیگر دورانی) برای یکی شدن تعداد روابط و متغیر های نامعین نوشت.

این سیستم روابط غیر خطی، به وسیله ;”>روش نیوتن-رافسون اصلاح شده با اعمال بار محرک تناوبی و به صورت فزاینده تا رسیدن به میزان نهایی حل می شود. اگر در حین بارگذاری، در شمع گسیختگی رخ دهد، رابطه توافقی مربوطه جایگزین شرایط پس از گسیختگی می شود q_i=q_i,col.

تأثیر پارامترهای ژئوتکنیکی بر کارایی ستون‌های جت گروتینگ در پی‌سازی

در پی‌سازی، استفاده از ستون‌های جت‌گروتینگ می‌تواند به عنوان یکی از روش‌های تقویت خاک و پی‌سازی استفاده شود. پارامترهای ژئوتکنیکی که بر کارایی این ستون‌ها تأثیر می‌گذارند عبارتند از:

۱. نوع خاک اصلی: خاصیت‌های مکانیکی خاک اصلی که ستون‌های جت‌گروتینگ در آن وارد می‌شوند، تأثیر زیادی بر عملکرد آنها دارد.

۲. عمق و قطر ستون‌ها: ابعاد فیزیکی ستون‌های جت‌گروتینگ، از جمله عمق و قطر آنها، به طور مستقیم بر کارایی و عملکرد آنها تأثیر می‌گذارد.

۳. فشار دهی و روش اجرا: فشار دهی صورت گرفته برای تزریق مواد جت‌گروتینگ و نیز روش اجرا (مانند تعداد و الگوی تزریق) نقش مهمی در عملکرد و استحکام نهایی این ستون‌ها دارد.

۴. شرایط محیطی و آبی: شرایط آبی و محیطی مانند رطوبت خاک، میزان آب زیرزمینی و تراوایی خاک نیز به عنوان پارامترهای مهمی در نظر گرفته می‌شوند.

این پارامترها در کنار یکدیگر تعیین کننده عملکرد و کارایی نهایی ستون‌های جت‌گروتینگ در پی‌سازی می‌باشند و باید با دقت و توجه به شرایط محیطی و فیزیکی موجود در محل پروژه انتخاب و اجرا شوند

منبع:

Modoni, Giuseppe, and Joanna Bzówka. “Analysis of foundations reinforced with jet grouting.” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 138.12 (2012): 1442-1454.