طراحی در بهسازی خاک به روش تراکم ارتعاشی (Vibro Stone Columns)

شکل زیر پاسخ ایده آل یک خاک دانه ای نسبت به ارتعاش را نشان می دهد. همان طور که در شکل قابل مشاهده است، در بهسازی خاک به روش تراکم ارتعاشی اطراف دستگاه مرتعش کننده چهار ناحیه با خصوصیات متفاوت وجود دارد:

1. ناحیه اتساع
2. ناحیه ای که در آن خاک در آستانه روانگرایی قرار دارد. (در خاک های اشباع، در شتاب بالا ممکن است روانگرایی رخ دهد.)
3. ناحیه تراکم
4. ناحیه الاستیک

• خاک در ناحیه های اتساع و آستانه روانگرایی، در حالت پلاستیک است.
• در حالی که در ناحیه تراکم ماده در حالت الاستیک-پلاستیک قرا دارد.

 تنش های برشی زیاد موجود در ناحیه پلاستیک موجب تغییر شکل های پلاستیک می شوند. بهترین شرایط برای چگالش خاک در مرز بین ناحیه پلاستیک و ناحیه تراکم رخ می دهد.

تراکم عمیق در برابر تراکم سطحی

برای شبیه سازی تراکم عمیق و سطحی خاک، مدلسازی های عددی قابل توجهی توسط محققین مختلف انجام گرفته است. در این مدلسازی ها غالباً از مرتعش کننده چرخشی افقی در عمق برای تراکم عمیق و مرتعش کننده نوسانی قائم برای مدلسازی تراکم سطحی استفاده شده است. نتایج این تحقیقات نشان می دهد که تراکم عمیق دارای فاصله شعاع تاثیر بزرگتری نسبت به تراکم سطحی است. علاوه بر این، تراکم عمیق همچنین تغییر حجم یکنواخت تری نسبت به تراکم سطحی ایجاد می کند.

مقدار و فاصله تاثیر در بهسازی خاک به روش تراکم ارتعاشی

در شکل 1 تغییرات چگالی نیز در طی ارتعاش از یک نقطه ثابت نشان داده شده است. با مشاهده شکل 2 می توان دریافت که مقدار تاثیر ارتعاش ایجاد شده با فاصله شعاعی نسبت به نقطه ضربه کاهش می یابد. در یک فاصله مشخص، تراکم ارتعاشی تاثیری بر چگالش خاک ندارد.

در شکل 3 میزان تاثیر وابسته به فاصله، انرژی تراکم، ریزدانه در خاک غیر چسبنده نمایش داده شده است. با بررسی این نمودار می توان به این نتیجه رسید که هرچه ابزاری که برای ایجاد ارتعش استفاده می شود قدرتمند تر باشد در فاصله بیشتر تاثیر بیشتری را بر روی چگالش خاک شاهد خواهیم بود. همچنین می توان گفت که حضور ریزدانه کارایی تراکم ارتعاشی در مقدار تاثیر و فاصله تاثیر را کاهش می دهد.

مقدار و فاصله تاثیر در تراکم ارتعاشی

تغییر حجم بدون خاکریزی: تراکم ارتعاشی بدون خاکریزی اغلب باعث فرونشست زمین می شود. تغییر حجم را می توان با استفاده از روابط وزنی حجمی در نظریه کلاسیک مکانیک خاک توجیه نمود. تحت شرایط اولیه، توده خاک شامل بخش جامد و فضای خالی است و حجم کل 𝑉₀ بوده که برابر با مجموع حجم جامد 𝑉_𝑠 و حجم حفره 𝑉_𝑣 است. حالت اولیه خاک را می توان با نسبت تخلخل اولیه 𝑒₀ شرح داد که نسبت 𝑉_𝑣 به 𝑉_𝑠 است. برای محاسبه حجم اولیه کل 𝑉₀ می توان از رابطه زیر استفاده نمود.

فرض شود که تراکم ارتعاشی، در زمین فرونشست S ایجاد می کند. کاهش حجم مربوط به فرونشست زمین در سطح موثر هر میله دستگاه تراکم از رابطه زیر بدست می آید:

با توجه به این مقدار اگر حجم خاک پس از بهسازی 𝑉₁ باشد. تغییر حجم پس از بهسازی به روش تراکم ارتعاشی را می توان به کمک رابطه زیر نیز محاسبه نمود.

در این رابطه دوم h نمایانگر عمق بهسازی است. با تقسیم روابط بالا می توان به رابطه زیر رسید:

تغییر حجم با خاکریزی: گاهی اوقات برای کمک به چگالش بهتر خاک های دانه ای اطراف عملیات خاکریزی انجام می گیرد. با فرض اینکه تراکم در محدوده مورد نظر یکسان باشد می توان گفت که اگر حجم خاکریزی برابر با تغییر حجم از حالت اولیه به حالت بهسازی شده باشد خواهیم داشت:

اگر قطر خاکبرداری را d در نظر بگیریم، می توانیم حجم خاکریزی را به کمک رابطه زیر محاسبه کنیم: (s معرف فاصله بین ستون ها)

در ادامه با توجه به اینکه الگوی استفاده شده مثلثی باشد یا مربعی فواصل ستون ها با استفاده روابط زیر قابل استفاده خواهد بود.

در پروژه های اجرایی طراحی به کمک این روابط انجام می گیرد و سپس با انجام آزمون های مختلف آزمایشگاهی و آزمون های صحرایی روند اجرا و اعداد محاسبه شده در پروسه طراحی تراکم ارتعاشی صحت سنجی و کنترل می شود.

ملاحظات طراحی تراکم ارتعاشی

مساحت و عمق بهسازی: به طورکلی، مساحت بهسازی باید بزرگتر از سطح پی ها در نظر گرفته شود. تحت شرایط کلی، یک تا دو ردیف از نقاط تراکم ممکن است خارج از پی در نظر گرفته می شوند. در صورتیکه خاک منطقه از پتانسیل روانگرایی بالایی برخردار باشد این موضوع در بررسی ها باید لحاظ شود تا از مشکلات احتمالی جلوگیری شود.

معیار عملکرد: در اغلب پروژه های تراکم ارتعاشی، معیار عملکرد زیر باید در نظر گرفته شود:

چگالی نسبی خاک؛

• 𝐷𝑟≥60%  برای دال های طبقات، مخازن مسطح و خاکریزها
• 𝐷𝑟≥70−75%               برای پی ستون ها و پی پل ها
• 𝐷𝑟≥80%                     برای پی های گسترده و ماشین آلات

الگوی شبکه و فواصل: شبکه تراکم ارتعاشی میتواند به صورت الگوی مربعی، مستطیلی یا مثلثی باشد. فواصل رایج برای تراکم ارتعاشی در بازه 1/5 تا 3/5 متر است. این فاصله بسته به نوع، چگالی مد نظر خاک، چگالی اولیه و توان دستگاه ارتعاش می تواند تغییر کند. در این زمینه محققین مختلف نمودار هایی را توسعه داده اند که می تواند به مهندسین در تعیین آرایش نقاط کمک نماید.

پارامتر های مهم در طراحی تراکم ارتعاشی

پارامتر های طراحی برای تراکم ارتعاشی شامل موارد زیر است:

• نوع خاک، درصد ریزدانه و درصد ذرات رس
• مساحت بهسازی
• عمق تراز آب زیرزمینی
• فرکانس نفوذ، تراکم و خارج کردن میله دستگاه ارتعاش
• مدت زمان تراکم
• ضخامت و عمق خاک مساله دار
• چگالی نسبی یا نسبت تخلخل اولیه خاک
• چگالی نسبی یا نسبت تخلخل مد نظر خاک
• الگو و فواصل نقاط تراکم
• نوع ابزار و توان آن
• فرونشست زمین
• قطر ستون در صورت نیاز به خاکریزی

مراحل طراحی تراکم ارتعاشی خاک

مراحل زیر را می توان برای طراحی تراکم ارتعاشی به کار برد:

• براساس پروفیل ژئوتکنیکی خاک و مشکل احتمالی، تخمین زده شود که آیا تراکم ارتعاشی مناسب است یا خیر؟

** مهمترین پارامترها درصد ریزدانه و درصد ذرات رس است.

• اگر خاک برای تراکم ارتعاشی مناسب است، تراکم نسبی یا تخلخل اولیه تخمین زده شود.

• براساس عملکرد مورد نیاز (برای مثال ظرفیت باربری، نشست و روانگرایی)، چگالی نسبی یا نسبت تخلخل مد نظر انتخاب شود.

• براساس چگالی نسبی مورد نیاز یا ظرفیت باربری مجاز، فواصل مورد نیاز نقاط تراکم تخمین زده شود.

• فرونشست احتمالی زمین محاسبه شود.

** اگر فرونشست زمین بزرگتر از مقدار تعیین شده است، خاکریزی باید انجام شود تا فرونشست زمین به حداقل مقدار برسد.

برای آنکه مشخص شود که آیا روش تراکم ارتعاشی برای بهسازی خاک یک منطقه گزینه مناسبی بوده است یا خیر میزان موفقیت عملیات را با استفاده از سنجش نسبت تراکم بدست آمده به نسبت تراکم مورد انتظار تعیین نمود. برای این موضوع، می توان از آزمایش های نفوذ مخروط، نفوذ استاندارد و گاهی اوقات آزمایش بارگذاری صفحه استفاده می شود.

اما نکته ای که باید به آن توجه شود این است که این آزمایش ها باید در مرکز الگوی نقاط تراکم انجام شوند. اگر پیش از انجام عملیات این آزمایش ها در پروژه صورت گرفته باشد و البته بعد از پروژه این آزمایش ها با همان شرایط و روش اجرا تکرا شود می توان نتایج را با یکدیگر مقایسه نمود.

کنترل عملکرد، یک پارامتر بسیار مهم در اجرای عملیات تراکم ارتعاشی است. بهترین عملکرد زمانی حاصل می شود که از فرآیندهای استاندارد در عملیات تراکم استفاده شود. مثلاً رعایت جزئیات خارج کردن مرتعش کننده در بازه های زمانی مقرر و یا اعمال نیروی از قبل تعیین شده، می توان بسیار موثر باشد.