خانه - مطالب آموزشی - بررسی خواص ژئومکانیکی و ریزساختاری ستون جت گروتینگ در خاک نباتی

روش‌های تزریق پر فشار (جت گروتینگ) اخیراً به یکی از فناوری های تقویت خاک تبدیل شده اند که برای بهبود مقاومت و حل اکثر مشکلات خاک‌های ضعیف استفاده می شود. در این مطالعه، یک ستون جت گروت (خاکی) در مقیاس کامل به قطر 1 متر و طول 5 متر در محل با نسبت آب به سیمان 1 و تزریق در فشار 400 بار ساخته شد. یک بررسی مکانیکی، فیزیکی و ریزساختاری بر روی نمونه های جت دوغاب گرفته شده از شش عمق مختلف (0.0، 0.5، 1.0، 1.5، 2.0، و 2.5 متر) و در همان عمق در پنج مکان مختلف از جمله مرکز انجام شد. برای شرایط عادی، نمونه ها به مدت شش دوره برای بررسی شرایط خشک و اشباع آماده شدند. آزمایش های زیر بر روی هر نمونه انجام می شود: شاخص مقاومت فشاری (Is) در همه شرایط و تعیین جذب آب، چگالی، تخلخل و زاویه اصطکاک. علاوه بر این، SEM بر روی نمونه های انتخاب شده برای بررسی ریزساختار ستون‌ جت گروتینگ انجام شد. نتایج آزمایش نشان داد که Is با عمق متفاوت است و در همان عمق، تغییرات تقریباً 20٪ است. خصوصیات دیگر نیز با عمق و مکان متفاوت است. به عنوان مثال، میانگین درصد جذب آب و تخلخل حداقل مقادیر در یک مکان در نظر گرفته می شود که به ترتیب 53 و 30 درصد می باشد. با این حال، زاویه اصطکاک مشترک دوغاب خاک – سیمان 48 درجه و چسبندگی 10 کیلو پاسکال تعیین شد. بخش نظری این مطالعه پیش بینی قطر ستون‌ جت گروتینگ در خاک نباتی است.

خواص ژئومکانیکی ستون تزریق پر فشار (جت گروتینگ)

شاخص مقاومت فشاری در شرایط طبیعی

با توجه به الزامات ASTM D5731، آزمایش بار نقطه ای یک آزمایش شاخص است که توسط آن مواد بر اساس قدرت طبقه بندی می شوند. این مطالعه تغییرات تصادفی Is را از مرکز به تمام جهات ارائه می کند که از مرکز به راست، چپ، بالا و پایین به دلیل توزیع بی رویه خاک است. بنابراین، نتایج نشان داد که آیا در مرکز ستون جت گروتینگ تزریق برای تمام اعماق در مقایسه با سایر جهات (R، L، U، D)، همانطور که در شکل 3 توضیح داده شده است، به حداکثر مقادیر رسیده است.

شاخص های مقاومت نمونه های S0.0-C، S0.5-C، S1.0-C، S1.5-C، S2.0-C و S2.5-C به عنوان بالاترین مقادیر به ترتیب 687، 469، 440، 446، 535 و 479 کیلو پاسکال اندازه گیری شد. این را می توان به درصد سیمانی که مرکز ستون جت گروتینگ را می پوشاند نسبت داد که منجر به افزایش مقاومت می شود. علاوه بر این، Is از مرکز ستون‌ جت گروتینگ به لبه ها در همان لایه سطحی کاهش یافته است. بنابراین، 687 کیلو پاسکال از نمونه S0-C در مقایسه با S0-R، S0-L، S0-U و S0-D که به ترتیب 491، 596، 507 و 648 کیلو پاسکال بودند، دارای بالاترین مقاومت می باشد. همین رویکرد برای تمام اعماق دیگر تشخیص داده شد. علاوه بر این، شاخص مقاومت فشاری (Is) با توجه به پارامتر عمق نیز بررسی شده است. 586 کیلو پاسکال میانگین Is نمونه S0.0 است و به عنوان بالاترین مقدار در مقایسه با نمونه های S0.5، S1.0، S1.5، S2.0 و S2.5 که دارای 419، 347، 317، 350 کیلو پاسکال بودند، تشخیص داده شد. مقادیر به طور تصادفی با افزایش عمق به دلیل افزایش فشار محصور کننده خاک، که بر مقاومت فشاری ستون‌ جت گروتینگ تأثیر می گذارد، تغییر می­کند. مطالعات قبلی نشان می دهد که مشخصات فنی تزریق جت تأثیر قابل توجهی بر ویژگی های ستون‌ جت گروتینگ دارد. فاصله زمانی در هر مرحله، مرحله برگشت و فشار تزریق به عنوان متغیرهای مستقل در نظر گرفته شد. متغیرهای وابسته، مقاومت و قطر ستون بودند. نرخ ورودی دوغاب با افزایش فاصله زمانی در هر مرحله افزایش یافت. این افزایش در زمان اختلاط سیمان و خاک، یک نمونه همگن تر با کلوخه های کمتر در هسته ایجاد می کند. در صورت عدم وجود یک مسیر شکست ضعیف در طول آزمایش مقاومت فشاری، با کاهش مرحله بازگشت شفت و افزایش فاصله زمانی در هر مرحله، مقاومت ستون جت گروتینگ افزایش می‌یابد. علاوه بر این، درصد رطوبت در مرکز ستون جت گروتینگ با توجه به لایه های عمقی مختلف را می‌توان در شکل 4 مشاهده کرد. حداقل مقدار آب در نمونه S0.0-C اندازه گیری شد که 30 درصد بود و حداکثر مقدار در نمونه S1.5-C (عمق 1.5 متر) که 81 درصد بود، به دست آمد. محتوای نمونه های S0.5-C، S1.0-C، S2.0-C، و S2.5-Cm به ترتیب 62، 74، 36 و 53 درصد بود و تغییرات غیر یکنواخت در درصد رطوبت و سایر خواص ستون‌ جت گروتینگ مربوط به عدم همگنی توزیع خاک بود.

شاخص مقاومت فشاری (Is) در شرایط اشباع و خشک

هدف این مطالعه تعیین شاخص مقاومت (Is) در شرایط اشباع و خشک است زیرا سطح آب زیرزمینی در این منطقه به طور قابل توجهی متفاوت است و به سطح زمین می رسد، همانطور که در شکل 1 ارائه شده است. شکل 5 تغییر در مقادیر Is خاک – سیمان در شرایط خشک و اشباع را نشان می دهد. نتایج نشان داد که به طور کلی Is با توجه به مکان ها تغییر غیر یکنواخت دارد. با این حال، مقادیر Is در تمام نمونه های اشباع به دلیل وجود الیاف آلی بیشتر از نمونه های خشک بود و مقاومت کششی الیاف آلی به طور کلی با افزایش درصد رطوبت نمونه ها افزایش می یابد و منجر به کاهش انقباض می شود.

آزمون جذب آب

به طور کلی ظرفیت جذب آب بالا نقش مهمی در خواص ژئومکانیکی و فیزیکی ستون‌ تزریق پر فشار (جت گروتینگ) دارد. در مطالعه حاضر مشاهده می شود که نتایج جذب آب برای همه نمونه های آزمایشی تقریباً از مرکز به راست و چپ و بالا و پایین در اعماق مختلف تغییر می کند. تغییرات در جذب آب با توجه به مکان نمونه و متغیرهای عمق در شکل 6 ارائه شده است. در نتیجه، نتایج نشان داد که جذب آب در مرکز ستون‌ تزریق پر فشار به کمترین مقدار در مقایسه با لبه ها می رسد، که به این معنی است که درصد تخلخل حداقل سطح در مرکز ستون‌ جت گروتینگ تعیین می شود زیرا رابطه کلی بین جذب آب و تخلخل خطی است. بنابراین، 29، 33، 51، 53، 42 و 45 درصد به عنوان حداقل درصد جذب آب در مرکز ستون دوغاب برای نمونه های S0.0-C، S0.5-C، S1.0-C ، S1.5-C، S2.0-C و S2.5-C ثبت شده است که با جهات (R، L، U، D) در هر لایه مقایسه شده است که به ترتیب 53، 55، 58 و 47٪ است. در این مطالعه متغیر عمق نیز مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که افزایش جذب آب به طور کلی با افزایش عمق تغییر می کند. بنابراین، حداقل میانگین درصد جذب آب در نمونه S0.0 به دست آمد که 33 درصد بود و در مقایسه با S0.5، S1.0، S1.5، S2.0 و S2.5 که به ترتیب 41 ،62، 70، 49 و 54 درصد بود، کمترین مقدار می باشد. هیچ گونه تغییر یکنواختی در عمق مشاهده نشد، به این معنی که خاک های آلی با توجه به متغیر عمق به طور همگن توزیع نمی شوند.

چگالی ستون تزریق پر فشار (جت گروتینگ)

شکل 7 تغییر در چگالی ستون‌ تزریق پر فشار (جت گروتینگ) را در جهت ها و عمق های مختلف نشان می دهد. در نتیجه، تغییر قابل توجهی در چگالی با توجه به موقعیت ها ارائه شد که از مرکز به تمام جهات دیگر (R، L، U، D) است و همین رویکرد در عمق نیز شناسایی شده است. بنابراین، چگالی در مرکز ستون‌ تزریق پر فشار بالاترین مقدار را در مقایسه با سایر جهات نتیجه می دهد. به این معنی که مقدار سیمان حداکثر، مرکز ستون‌ تزریق پر فشار را پوشش می دهد که منجر به افزایش چگالی می شود. علاوه بر این، جذب آب در مرکز ستون‌ تزریق پر فشار به حداقل رسید زیرا رابطه بین جذب آب و تخلخل به صورت معکوس می باشد و تجزیه و تحلیل آماری همبستگی قابل توجهی را بین چگالی و جذب آب نشان می دهد. مطالعه حاضر گزارش داد که چگالی به طور تصادفی از مرکز به لبه ها در همان لایه افزایش و سپس کاهش می یابد. از این رو، نمونه S0.0-R (1.25 گرم بر سانتی متر مکعب) به عنوان بالاترین مقدار در مقایسه با نمونه های S0.0-C، S0.0-L، S0.0-U، و S0.0 D تشخیص داده شد و همین رویکرد تغییر برای تمام اعماق دیگر نیز تایید شد. کاهش چگالی به معنای افزایش میزان کلوخه های آلی خاک است. در مجموع، با افزایش کمیت خاک، تراکم در همه حالت ها کاهش می یابد. تغییرات در تراکم خاک با عمق نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. برای این منظور شش عمق مختلف برای نمونه برداری از سطح زمین تا عمق 2/50- انتخاب شد که نشان می دهد که چگالی به دلیل توزیع ناهمگن خاک و فشار محدود خاک به طور غیر یکنواخت تغییر کرده است. علاوه بر این، میانگین مقدار چگالی بالاترین نتایج را در نمونه S0.0 متر در مقایسه با نمونه های S0.5، S1.0، S1.5، S2.0 و S2.5 متر به دست آورد.

تخلخل

شکل 8 تغییر در تخلخل ستون تزریق پر فشار را در مقابل متغیرهای مختلف مانند جهت و عمق نشان می دهد. این مطالعه موردی تغییر در درصد تخلخل را از مرکز ستون به سمت بالا، پایین، راست و چپ و در اعماق مختلف (0.0، 0.5، 1.0، 1.5، 2.0 و 2.5 متر عمق) گزارش کرد. بنابراین، 35، 41، 48، 48، 44 و 46 درصد برای نمونه های S0.0-C، S0.5-C، S1.0-C، S1.5-C، S2.0-C و S2.5-C به ترتیب، که در مقایسه با سایر روندها (R، L، U و D) به عنوان حداقل مقادیر شناخته شدند. می توان پیش­بینی کرد که خمیر سیمان مرکز ستون را می پوشاند و بیشترین چگالی را نتیجه می دهد. زیرا تخلخل و چگالی رابطه معکوس دارد. درصد تخلخل به تدریج از مرکز به راست – چپ و بالا – پایین در همان عمق متفاوت بود. در نتیجه، تخلخل های نمونه های S0.0-C، S0.0-R، S0.0-L، S0.0 U، و S0.0-D به ترتیب 35، 38، 42، 43 و 39 درصد بود. همین رویکرد برای سایر اعماق پیشنهاد شده است، به این معنی که توزیع خاک آلی همگن نیست و تراکم پذیری بالایی دارد. از سوی دیگر، تغییرات تخلخل با توجه به متغیرهای عمق نیز اندازه‌گیری شد و نتایج نشان داد که تخلخل به طور معمول با افزایش عمق تغییر می کند. بنابراین، میانگین تخلخل بالاترین نتایج را در نمونه S1.5 (56%) در مقایسه با نمونه های S0.0، S0.5، S1.0، S2.0 و S2.5 در 39، 47، 53، 48 و 52 درصد تعیین شد. می توان مشاهده کرد که درصد تخلخل بالا باعث کاهش در خواص مقاومتی ستون به دلیل رابطه معکوس و خطی مقاوم و تخلخل می شود.

خاک نباتی: اصطکاک ستون تزریق پر فشار

این مقاله تغییرات تنش برشی را برای پیش‌بینی اصطکاک ستون های خاک – سیمان با سطح افقی همانطور که در شکل 14 شرح داده شده است، گزارش کرد. با توجه به شکست Mohr- Coulomb در مکانیک جامدات، تنش برشی به تدریج با افزایش تنش محوری افزایش می یابد. این رویکرد با استفاده از سه تنش محوری در مقابل تنش برشی برای آزمایش گزارش شد. علاوه بر این، چسبندگی (c) برای اندازه‌گیری مقدار مقاومت برشی ستون دوغاب و خاک آلی استفاده شد که یک برازش خطی مناسب با R² برابر با 0.95 فراهم می کند. زاویه اصطکاک (φ) از منحنی نشان داده شده در شکل 9 اندازه گیری شد. تنش برشی با افزایش تنش معمولی افزایش می یابد. زاویه اصطکاک (φ) از 42 درجه فراتر رفت و چسبندگی 10 کیلو پاسکال بود که کمتر از نتایج خاک و خاک است (φ 45 درجه، c = 27.78 کیلو پاسکال). علاوه بر این، از بتن بالاتر است زیرا سطح زبری مستقیماً به تغییر در برش مربوط می شود. شکل 15 آزمایش برشی فصل مشترک ستون دوغاب خاک – جت آلی را برای صفحه افقی در ϕ=0 درجه با توجه به تنش محوری در شرایط عادی نشان می دهد. برش فصل مشترک خاک و خاک نیز در این مطالعه برای مقایسه ارائه شد. در منحنی تنش برشی – جابجایی افقی، تغییر تنش برشی برای ستون خاک – دوغاب و نمونه‌های خاک – خاک همان رویکرد برای افزایش بوده است. بنابراین، تنش برشی رابط به طور چشمگیری با افزایش جابجایی افقی تا رسیدن به بالاترین محدوده مقاومت برشی افزایش یافت و پس از آن ثابت ماند یا کمی کاهش یافت. در نتیجه، مقاومت برشی و جابجایی ها به تدریج با اعمال تنش معمولی افزایش می یابد، به این معنی که افزایش تنش محوری منجر به افزایش مقاومت اصطکاکی ستون‌ تزریق پر فشار می شود. علاوه بر این، نتایج نشان داد که حداکثر تنش برشی در تنش فصل مشترک ستون دوغاب خاک – جت و خاک خاک مشاهده شد که در تنش محوری 56 کیلو پاسکال به ترتیب 62 و 55 کیلو پاسکال بود. این را می توان به این دلیل نسبت داد که سطح ستون دوغاب نقش اصلی را ایفا می کند. بالاترین مقادیر تنش برشی در فصل مشترک بین خاک آلی و بتن در مقایسه با فولاد و چوب به دست آمد. با این حال، کمترین مقادیر در سطح مشترک بین خاک آلی و فولاد تعیین گردید.

منبع:

Hasan, Mustafa Fahmi, and Hanifi Canakci. “An investigation of geomechanical and microstructural properties of full-scale jet grout column constructed in organic soil.” Arabian Journal for Science and Engineering 47.4 (2022): 4605-4621.

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)
• 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)

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)

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)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)

در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار Plaxis

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• تخریب ساختمان چیست؟ مراحل و هزینه تخریب اصولی (Building Demolition)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
• سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
•  سوله چیست؟ انواع و کاربرد سوله (Industrial Shed)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله

مطالب مرتبط :

• keller , Jet grouting
• railsystem , Jet Grouting