پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)

با توجه به رشد روز افزون جمعیت و کمبود زمین های مناسب جهت ساخت مسکن، نیاز به اصلاح زمین های مسئله دار بیش از پیش احساس می گردد. یکی از روش های اصلاح و بهسازی خاک های مسئله دار، روش پیش بارگذاری می باشد. به فرایند تراکم خاك زیر فشار عمودي پیش بارگذاري گفته می شود که قبل از ساخت و قرار دادن بار سازه نهایی اعمال می گردد.

کاربرد اصلی این روش در بهسازی خاک های رسی نرم تحکیم نیافته است که دارای ظرفیت باربری پایین بوده و برای نشست شرایط خوبی را دارند و در برابر بارهای وارده نشست بزرگی را از خود نشان می دهند. بنابراین با اعمال بار قبل از احداث سازه نهایی، نشست های مورد نظر را ایجاد می کنند تا هنگام ساخت سازه اصلی نشست غیر یکنواخت زیادی ایجاد نگردد. روش پیش بارگذاری به دو روش اجرای خاکریز و یا مکش استفاده می گردد. هر کدام از این دو روش غالباً همراه با زهکش های قائم جهت افزایش سرعت تحکیم اجرا می گردند.

روش های مختلف اصلاح خاک غالباً منجر به بعضی از موارد زیر می گردد:

• افزایش مقاومت برشی
• کاهش تراکم پذیری
• کاهش تراوایی خاک

انتخاب روش اصلاح خاک نیز به شرایط زیر بستگی دارد:

• شکل زمین شناسی خاک
• خصوصیات خاک
• هزینه
• منابع قرضه
• نتایج آزمایش های قبلی

مبانی طراحی پیش بارگذاری

ابتدا با توجه به شرایط موجود می بایست تصمیم گیری در مورد روش پیش بارگذاری انجام گردد و سپس با توجه به نوع خاک، بار سازه نهایی و تراز آب زیرزمینی مقدار ارتفاع خاکریز یا مکش و نوع زهکش های قائم تعیین گردد.

متغیرهای اصلی در طراحی به صورت زیر هستند:

• ارتفاع سربار
• ‌فاصله زهکش های قائم
• ‌مدت بارگذاری
• ‌درجه تحکیم
• ‌ضریب تحکیم به خاطر جریان افقی

پیش بینی مقدار و نرخ زمانی نشست به همراه زهکش های قائم نقش بسیار مهمی در طراحی پروژه های بهسازی خاک توسط پیش بارگذاری دارد. صحت پیش بینی مقدار نشست و نرخ زمانی آن، به انتخاب درست متغیرهای خاک و قضاوت مهندسی بستگی دارد.

روش های مختلف پیش بارگذاری

در ادامه برخی روش های مختلف پیش بارگذاری را بررسی میکنیم.

1) پیش بارگذاری به وسیله خاکریز

این روش، ساده ترین روش پیش بارگذاری می باشد. با اعمال بار بر روی خاک، ابتدا بار به آب منفذی اعمال می گردد و در صورت پایین بودن نفوذپذیری، فشار آب منفذی به تدریج کاهش می یابد. گاهی اوقات جهت تسریع در کاهش فشار منفذی از زهکش های قائم استفاده می گردد. معمولاً خاکریزها 3 تا 10 متر ارتفاع دارند و 1 تا 3 متر نشست ایجاد می کنند.

پیش بارگذاری به وسیله خاکریز فقط باعث نشست خاک زیر سطحی نمی شود، بلکه باعث جابجایی و تغییر مکان جانبی به سمت بیرون نیز می شود. این تغییر مکان جانبی اصولاً به خاطر تنش های برشی ایجاد شده توسط بار خاکریز است و اگر این تنش های برشی بزرگ باشند باعث شکست برشی خاک زیرین می شوند.

2) پیش بارگذاری توسط خلأ یا ایجاد مکش

پیش بارگذاری توسط روش خلأ در شرایط زیر مناسب و عملی می باشد:

• فراهم کردن خاك براي احداث خاکریز ممکن نیست.
• فراهم کردن خاك براي احداث خاکریز منوط به صرف هزینه بسیار بالایی می باشد.
• در جاهایی که خاك بستر آن قدر نرم باشد که حتی قرار دادن خاکریزي به ارتفاع 1/5 متر باعث ایجاد مسائل پایداری شود.

سربار اعمالی این روش با فشار جایگزین می گردد. فشار منفی (مکش) توسط پمپ خلأ ایجاد می شود که باعث افزایش تنش مؤثر و در نتیجه افزایش سرعت تحکیم می گردد. این روش گاهی اوقات با زهکش های قائم ترکیب می شود. ضمناً یک لایه زهکش ماسه ای در بالای سطح خاک وجود دارد.

در این روش، تحکیم به صورت همگن اتفاق می افتد و باعث تغییر مکان جانبی به سمت داخل می گردد. این نوع تغییر مکان باعث ایجاد ترک هایی در اطراف سطح بهبود یافته می گردد. اما معمولاً منجر به شکست نمی شود.

علت استفاده از زهکش های عمودی

نفوذپذیری کم خاک های رسی، زمان نشست تحکیمی را بالا می برد. جهت افزایش سرعت تحکیم از زهکش های قائم در روش های پیش بارگذاری استفاده می گردد. فرآیند سرعت تحکیم بدین صورت است:

1) فشار خاکریز یا فشار منفی در روش خلأ باعث ایجاد گرادیان هیدرولیکی شده و آب به صورت افقی سمت زهکش های عمودی جریان می یابد. علت این امر این است که نفوذپذیری خاک های رسی در جهت افقی بیش از جهت عمودی است.

2) آب وارد زهکش های قائم شده و به سمت زهکش افقی یا لایه نفوذپذیر حرکت می کند.

در حقیقت زهکش های قائم با کوتاه کردن مسیر زهکشی و آب بندی سرعت فرآیند تحکیم را افزایش می دهند.

فواید این زهکشی سریع عبارتند از:

• افزایش مقاومت خاک
• پذیرش بار جدید توسط خاک
• جلوگیری از گسیختگی خاک در طی اجرای خاکریز

انواع زهکش های قائم در روش پیش بارگذاری

• زهکش های پیش ساخته: دارای یک هسته پلاستیکی با یک کانال طولی فیتیله ای به عنوان زهکش و یک آستر کاغذی از مواد لیفی که مثل یک فیلتر از هسته محافظت می‌کند، می باشد. این زهکش به داخل زمین هول داده شده یا کوبیده می شود. نصب این زهکش ها توسط مندرال (mandrel‌) می باشد که دست خوردگی کمی ایجاد می کند.
• زهکش های ماسه ای: باعث به هم خوردگی زیاد خاک در موقع نصب و در نتیجه کاهش مقاومت آن می شود.

‌مشخصات زهکش های پیش ساخته قائم

در ادامه به برخی از مشخصات زهکش های پیش ساخته قائم میپردازیم.

‌1) ظرفیت دبی مناسب

هدف استفاده از زهکش های پیش ساخته خارج کردن فشار آب اضافی از خاک و انتقال آن به محلی دیگر است. بنابراین ظرفیت بالای زهکش قائم در بهتر شدن عملکرد آن مؤثر است. وقتی آب وارد زهکش می شود به دلایل مختلفی ممکن است جریان کاهش پیدا کند. ظرفیت دبی به موارد زیر بستگی دارد:

• ‌تنش تحکیمی

با افزایش مقدار تنش وارده به خاک (تنش تحکیمی) فیلتر به داخل شیارها یا شبکه زهکشی وارد شده و باعث کاهش سطح مقطع جریان ورودی به زهکش شده و این کاهش سطح به نوبه خود ظرفیت زهکش را کاهش می دهد.

• ‌تغییر شکل زهکش

تحکیم خاک اطراف زهکش ممکن است باعث تغییر شکل زهکش (خمیدگی و شکست) داخل خاک شود و ظرفیت زهکشی را پایین آورد.

• ‌فشار جانبی خاک

به علت فشار جانبی خاک ممکن است فیلتر به داخل زهکش فرو رفته و در اثر کاهش سطح در دسترس جریان، ظرفیت یا دبی زهکشی کاهش یابد.

• ‌زمان

با گذشت زمان به علت فعالیت های شیمیایی و بیولوژیکی در خاک (بعد از نصب زهکش ها) ظرفیت دبی زهکش ها کاهش می یابد.

• ‌گرفتگی زهکش

در فرایند فیلتراسیون، اگر منافذ فیلتر به اندازه ای بزرگ باشند، ممکن است همراه جریان ذرات ریز خاك نیز منتقل شود. این ذرات اگر در هسته نشست کنند باعث گرفتگی زهکش و کاهش دبی زهکشی می شوند.

• ‌گرادیان هیدرولیکی

دبی زهکشی با گرادیان هیدرولیکی مختلف تغییر می کند. وقتی گرادیان هیدرولیکی زیاد باشد، تلاطم جریان بیشتر شده و انرژی کاهش می یابد. در نتیجه ظرفیت زهکشی کم می‌شود.

• ‌دما

با افزایش درجه حرارت، جریان آب سریع‌تر شده و ظرفیت زهکشی افزایش می یابد.

‌2) نصب زهکش‌

• ‌نصب با فشار

ماشین‌های زیادی با هول دادن مندرال به داخل خاک، زهکش را در خاک نصب می کنند. این ماشین ها با استفاده از یک کابل فولادی مندرال را داخل خاک فشار می دهند که توسط جرثقیل یا یک چکش حرکت می کند.

• ‌نصب به وسیله لرزش

ویبراتورهای مختلف می تواند در مرکز مندرال یا در جای دیگر آن نصب شود. مندرال های هیدرولیکی و الکتریکی به طور گسترده در این روش نصب استفاده می شوند. یکی از ضعف های مندرال های الکتریکی روشن و خاموش شدن های مکرر مندرال است. یکی از مزیت های استفاده از ویبراتور قابلیت نفوذ آن در لایه های سخت است.

انتخاب روش بهینه پیش بارگذاری جهت احداث مخازن ذخیره فرآورده های نفتی

تأسیسات نفتی مانند مخازن ذخیره فرآورده های نفتی به علت عمر بهره برداری بالا، حساسیت زیادی نسبت به نشست های تحکیمی دارند. از طرفی با توجه به وجود خاک های ریزدانه و سست در مناطق ساحلی کشور، اصلاح خاک جهت کاهش نشست و افزایش ظرفیت باربری  اجتناب ناپذیر است. یکی از روش های بهسازی چنین خاک هایی، روش پیش بارگذاری می باشد که دارای انواع زیر است:

سه روش پیش بارگذاری

در مقاله ای با عنوان “انتخاب روش بهینه پیش بارگذاری جهت احداث مخازن ذخیره فرآورده های نفتی” با مروری بر روش های:

• پیش بارگذاری با خاک و زهکش های قائم
• پیش بارگذاری با خلاء
• پیش بارگذاری با آب

روش بهینه پیش بارگذاری جهت احداث مخازن ذخیره فرآورده های نفتی را با استفاده از تحلیل سلسله مراتبی (AHP) که یکی از روش های تصمیم گیری چند معیاره می باشد، بیان کرده است و گزینه مطلوب برای این قبیل پروژه ها در نواحی دارای خاک های سست و ریزدانه را معرفی کرده است.

بررسی عددی نشست تحکیم خاک های ریز دانه ی اشباع توسط سیستم چاه زهکش به همراه پیش بارگذاری

کی از روش های اصلاح خاک های ریزدانه اشباع جهت تسریع در زهکشی و نشست تحکیمی، استفاده از روش پیش بارگذاری به همراه زهکش های قائم می باشد. در مقاله ای با عنوان “بررسی عددی نشست تحکیم خاک های ریز دانه ی اشباع توسط سیستم چاه زهکش به همراه پیش بارگذاری” شبیه سازی عددی در نرم افزار اجزای محدود Plaxis 2D جهت بررسی اثر چاه زهکش به همراه پیش بارگذاری بر میزان نشست تحکیم خاک های ریزدانه ارائه شده است. جهت شبیه سازی از مدل Soft Soil Creep استفاده گردیده و قانون جریان غیر همراه بر قرار بوده است.

جهت شبیه سازی از مدل Soft Soil Creep

پیش بارگذاری

به فرایند متراکم سازی خاك تحت اثر فشار عمودی قبل از ساخت سازه پیش بارگذاری گفته می شود.

تأثیر این روش در خاک ها و سازه های متفاوت:

• در خاک­های با رطوبت و تراکم پذیری بالا و با مقاومت برشی کم، بسیار مؤثر است.
• اما در سازه های با بار متمرکز نتایج مطلوبی ندارد.

نکات مهم در روش پیش بارگذاری:

• معمولاً بار خاکریز اجرا شده 2/1 تا 3/1 برابر بار سازه است.
• خاکریزها به طور متوسط داراي 3 تا 10 متر ارتفاع هستند.
• حدود 1 تا 3 متر نشست ایجاد می گردد.
• بارگذاری به صورت مرحله ای انجام می گردد.
• با رسیدن نشست به مقدار نهایی، خاکریز می تواند برداشته شود.
• تحکیم خاک­های با نفوذپذیری پایین مانند رس و سیلت زمان بر بوده و فشار آب حفره ای در طی زمان از بین می رود.
• جهت تسریع در روند تحکیم، از لوله های زهکش عمودی استفاده می گردد.
• بعضی از انواع زهکش ها به صورت پیش ساخته می باشند که دارای هسته پلاستیکی هستند. این زهکش‌ها نسبت به زهکش‌های ماسه‌ای، که باعث به هم خوردگی زیاد خاک در موقع نصب و در نتیجه کاهش مقاومت آن می‌شود، ترجیح داده می شوند.

از انواع پیش بار گذاری می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1) پیش بارگذاری به وسیله ی خاکریز

2) پیش بارگذاری توسط خلأ یا ایجاد مکش

مقایسه نشست های اولیه و نتایج ابزار دقیق درپروژه بهسازی خاک به روش پیش بارگذاری بااستفاده از روش عددی

یکی از رایج ترین، اقتصادی ترین و کاراترین روش های اصلاح خاک های نرم رسی عملیات پیش بارگذاری می باشد. نشست تحکیمی خاک های ریزدانه اشباع فرآیندی زمان بر است. به همین علت جهت ایجاد نشست لایه های تراکم پذیر قبل از احداث سازه اصلی، از عملیات پیش بارگذاری همراه با زهکش های قائم استفاده می گردد.

پروژه انبار نفت ماهشهر به منظور ذخیره سازی نفت در زمینی 50 هکتاری ساخته شده است. بار مخازن نفت در کنار تراز بالای آب زیرزمینی و وجود لایه های زیرسطحی نرم، باعث نشست­های تحکیمی می شود. به منظور بهسازی خاک زیر پی مخازن از روش پیش بارگذاری همراه با زهکش های نواری با الگوی مثلثی به عمق 25 متر با فاصله 5/1 متری استفاده گردیده است.

در مقاله ای با عنوان “مقایسه نشست های اولیه و نتایج ابزار دقیق درپروژه بهسازی خاک به روش پیش بارگذاری بااستفاده ازروش عددی” با استفاده از روش آنالیز برگشتی (Back Analyze) به مقایسه مشخصه های اولیه تاثیرگذار ژئوتکنیکی به دست آمده از آزمایش های آزمایشگاهی و صحرایی با نتایج به دست آمده از ابزار دقیق به وسیله نرم افزار Settle 3D پرداخته شده است.

نتایج ابزار دقیق درپروژه

مقایسه روش پیش بارگذاری با آب و خاک جهت بستر سازی مخازن سطحی در نواحی ساحلی از دیدگاه زمان اجرای پروژه (مورد مطالعاتی مخازن بندر صادراتی ماهشهر)

تأسیسات نفتی مانند مخازن ذخیره فرآورده های نفتی به علت طولانی بودن عمر بهره برداری، حساسیت زیادی به تغییرشکل های ناشی از نشست های تحکیمی دارند. در مناطق ساحلی کشور، به دلیل عدم امکان ساخت پی های عمیق و وجود خاک سست و ریزدانه، اصلاح و بهسازی خاک جهت کاهش نشست و افزایش ظرفیت باربری، امری اجتناب ناپذیر می باشد.

یکی از روش های مناسب جهت بهسازی چنین خاک هایی، روش پیش بارگذاری می باشد.

روش پیش بارگذاری با خاک از آب مرسوم تر است. در تحقیقی با عنوان “مقایسه روش پیش بارگذاری با آب و خاک جهت بستر سازی مخازن سطحی در نواحی ساحلی از دیدگاه زمان اجرای پروژه (مورد مطالعاتی مخازن بندر صادراتی ماهشهر)”  به بررسی روش پیش بارگذاری با آب جهت ساخت مخازن جدید پرداخته شده است.

در گذشته بارگذاری با خاک انجام می شده است که زمان و هزینه بیشتری نسبت به بارگذاری با آب داشته است.

نتایج این پژوهش، بیانگر برتری قابل توجه بارگذاری با آب از لحاظ زمان نسبت به بارگذاری با خاک می باشد. همچنین نتایج این تحقیق نشان می دهد در صورتی که موانع طبیعی مربوط به ساختار خاک پی و شرایط اقلیمی محدود کننده نباشند، روش پیش بارگذاری با آب شیوه مناسبی برای اجرای پروژه می باشد.

برتری روش بارگذاری با آب نسبت به خاک

تخمین پارامترهای طراحی ژیوتکنیکی خاک بهسازی شده به روش پیش بارگذاری بااستفاده از نتایج ابزارگذاری و روش عددی- مطالعه موردی

در این پژوهش با استفاده از ابزارهای دقیقی نظیر پیزومتر و نشست سنج در پروژه پیش بارگذاری انبار نفت ماهشهر واقع در بندر ماهشهر نتایج محاسبات مقایسه گردیده است. نتایج نشان از کمتر بودن متغیرهای آزمایشگاهی نشست تحکیمی نسبت به مقادیر واقعی دارد. ضمناً نشست تخمینی مخزن نفت، قبل و بعد از اصلاح خاک مقایسه گردیده است که نتایج حاکی از عملکرد مناسب روش پیش بارگذاری دارد.

نتایج عملکرد روش پیش بارگذاری

بررسی روش پیش بارگذاری در بهسازی خاک های نرم

تعداد قابل توجهی از پروژه های عمرانی مهم دنیا در کمربند ساحلی واقع شده اند که تا عمق زیادی دارای خاک سست و ضعیفی هستند. خاک های نرم دریایی، نشست پذیری زیاد و ظرفیت باربری کمی دارند. به همین علت جهت ساخت سازه های ساحلی، تجاری، بندرها و زیرساخت های حمل و نقل تحکیم این نوع خاک ها ضروری است. بهسازی خاک رس از طریق بار اضافی زمان زیادی نیاز دارد و ضمناً مستلزم به کارگیری خاکریز قابل توجهی می باشد. برای حل این مشکل استفاده از پیش بارگذاری همراه با زهکش های قائم همراه با خلأ مفید است و اثربخشی این روش را تسریع کرده و هزینه را کاهش می دهد. در پژوهشی با عنوان “بررسی روش پیش بارگذاری در بهسازی خاک های نرم” به بررسی روش پیش بارگذاری در خاک های نرم پرداخته شده است.

روش پیش بارگذاری در خاک های نرم

تحکیم بستر مخازن نفتی پالایشگاه آبادان به روش پیش بارگذاری

یکی از روش های مناسب جهت تحکیم بستر، روش پیش بارگذاری می باشد. در مقاله ای با عنوان “تحکیم بستر مخازن نفتی پالایشگاه آبادان به روش پیش بارگذاری” به بررسی روش بهسازی خاک مخازن نفتی پالایشگاه آبادان پرداخته شده است. اصلاح خاک این منطقه به دلایل زیر می بایست انجام گردد:

دلایل اصلاح خاک منطقه پالایشگاه آبادان

ضمناً به دلایل زیر گزینه پیش بارگذاری بهترین گزینه جهت بهسازی خاک این منطقه است:

پیش بارگذاری بهترین گزینه جهت بهسازی خاک منطقه پالایشگاه آبادان

مزیت های روش پیش بارگذاری در مقایسه با روش های دیگر:

مزیت های روش پیش بارگذاری در مقایسه با روش های دیگر