مبانی اصلاح حرارتی خاک ها (Thermal modification of soils)

در این مقاله سعی شده است تا مخاطب با کلیات بهسازی به روش اصلاح حرارتی خاک ها، کاربردها، مزایا و معایب روش بهسازی حرارتی و انواه روش های آن شامل اصلاح گرمایشی و انجماد مصنوعی آشنا شود.

بررسی خصوصیات رفتاری و مکانیکی خاک یک پروژه یکی از اولین اقداماتی است که باید پیش از شروع یک پروژه صورت پذیرد. در بسیاری از موارد این بررسی ها نشان می دهد که خاک موجود در محل صلاحیت لازم برای احداث آن پروژه به خصوص را ندارد. در این مرحله مهندسین دو راهکار را در پیش روی خود مشاهده می کنند. ابتدا بهسازی خاک با روش های متعدد موجود می باشد که محتمل ترین گزینه برای انتخاب است و دومی تغییر محل پروژه است که غالباً آخرین راه حل در یک پروژه عمرانی مواجه شده با مشکل خاک ضعیف است. برای بهسازی خاک، بسته به نوع مشکلی که خاک با آن مواجه است، روش های متعددی وجود دارد. از عمده روش های بهسازی خاک می توان به موارد زیر اشاره نمود:

ریز شمع یا میکروپایل (Micropile)  

ستون شنی یا ستون سنگی (Stone Column)

 تزریق پر فشار یا جت گروتینگ (Jet Grouting)

 اختلاط عمیق خاک (DSM: Deep Soil Mixing)

 تراکم دینامیکی (Dynamic Compaction)

 شمع (Pile)

پیش بارگذاری (Preloading)

زهکشی یا کنترل تراوش آب (Drainage)

خاک مسلح یا ژئوسنتتیک (Geosynthetic)

اصلاح بیولوژیکی

اصلاح حرارتی

منظور از اصلاح حرارتی خاک ها، اصلاح مشخصات خاک به کمک:

1) گرمایش (معمولاً همراه با احتراق سوخت های فسیلی برای اصلاح خاک های رسی)

2) انجماد مصنوعی زمین برای اصلاح موقت، پایدارسازی خاک و سنگ های شکسته می باشد.

در ادامه به توضیح هر یک از روش های اصلاح حرارتی خاک ها پرداخته می شود:

اصلاح گرمایشی

اصلاح گرمایشی روشی برای ارتقای خواص مهندسی خاک های ریزدانه می باشد. گرما از طریق تبخیر آب باعث خشک شدن خاک شده؛ بر ماهیت خاک رس تاثیر گذاشته و قادر است کانی شناسی خاک رس را از طریق سخت شدگی رسوبات  تغییر دهد، در نتیجه باعث بهبود خواص مهندسی خاک های ریزدانه می شود.

خاک های دانه ای عموما تحت تاثیر حرارت کمتر از 1000 درجه سانتیگراد قرار نمی گیرند؛ به جز خشک شدن که تاثیر اندکی بر خواص مهندسی این نوع خاک ها دارد. البته در سال های اخیر از روش اصلاح گرمایشی برای بهسازی خاک های آلوده با ترکیبات رادیواکتیو، آلی و غیر آلی نیز استفاده می شود. با اعمال حرارت به کمک جریان الکتریکی به نوعی خاک به صورت برجا ذوب شده و بلور جدید شکل می گیرد. این امر سبب بهبود خصوصیات خاک می شود. پخت آجرهای رسی نیز به نوعی اصلاح گرمایشی محسوب می شود. به طور کلی، بهبود و اصلاح خواص مهندسی خاک رس، در حداقل دمای 400 درجه سانتیگراد، رخ می دهد.

همان طور که گفته شد استفاده از روش اصلاح گرمایشی خاک ها مستلزم ایجاد حرارت معمولاً به کمک احتراق سوخت های فسیلی است. با توجه به این موضوع، استفاده از این روش تنها زمانی توجیه دارد که اولاً مقدار مورد نیاز سوخت تامین شود، ثانیاً از نظر اقتصادی، انجام این روش باید سود آور باشد. البته ذکر این نکته ضروری است با توجه به استفاده قابل توجه از سوخت های فسیلی، از منظر زیست محیطی استفاده از این روش در پروژه های بهسازی عمیق چندان توصیه نمی شود. اصلاح حرارتی سطحی شامل نزدیک کردن گرمکن های  انتقال گرما است که می تواند با موفقیت در عمق محدود موجود در خاک های سطحی یا لایه های خاکریز عمل کند. بهسازی به این روش باعث کاهش تراکم پذیری، کاهش پتانسیل تورم، کاهش پلاستیسیته، کاهش درصد رطوبت بهینه و افزایش مقاومت می شود.

انجماد مصنوعی

وجود آب در محدوده پروژه یکی از جدی ترین مخاطرات در پروژه های ژئوتکنیکی به ویژه پروژه های پایدارسازی گود و تونل محسوب می شود. در کنار روش های مختلف در جهت دور نگه داشتن آب از پروژه، انجماد مصنوعی یکی از روش هایی است که در حین آب بند کردن، به پایدارسازی موقت خاک نیز کمک می کند. علاوه بر این، انجماد مصنوعی سبب می شود تا نشست سازه های مجاور که به دلیل افت سطح آب زیرزمینی رخ می دهد، کاهش یابد. تجربه های موفقی در زمینه استفاده از این روش در خاک های سیلت، رس، ماسه و شن و حتی سنگ در محل های مختلف مشاهده شده است. از جمله مزایای استفاده از روش انجماد مصنوعی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• افزایش مقاومت فشاری
• افزایش مقاومت برشی
• بهبود پاسخ  دریافت شده در توده خاک تحت بارهای دینامیکی
• افزایش مدول برشی دینامیکی
• کاهش پتانسیل روانگرایی
• آسیب حداقلی به محیط زیست

در روش انجماد مصنوعی آب موجود در خاک به وسیله عبور نیتروژن مایع با دمای نزدیک 180- از میان لوله های جایگذاری شده در داخل خاک، منجمد می شود. استفاده از این روش پس از 1962 رواج یافته است. پیش از این به جای استفاده از نیتروژن مایع از کلسیم کلرید سرد شده به عنوان مایع سرد کننده استفاده شده است.

دامنه کاربرد روش انجماد مصنوعی

با توجه به نیاز روش انجماد مصنوعی به سرما و دمای پایین، استفاده از این روش در نواحی سردسیر توجیه اقتصادی بیشتری دارد. علاوه بر این، همانگونه که گفته شد، ساز و کار این روش بر مبنای انجماد آب در داخل خاک استوار است بنابراین در خاک های اشباع و نیمه اشباع تنها می توان از این روش استفاده کرد و برای خاک های خشک باید به سراغ روش های دیگر رفت. روش انجماد مصنوعی در هر نوع خاک، صرف نظر از اندازه ذرات تشکیل دهنده، قابل استفاده می باشد. البته بررسی ها نشان می دهد که عملکرد این روش در زمین های نرم به مراتب بهتر از زمین های سنگی است.

از نکات مهم و البته زمان بر در روش انجماد مصنوعی برقراری فرآیند انجماد به شکلی پیوسته در داخل خاک است. مقاومت خاک منجمد از 1 تا 10 مگاپاسکال متغیر بوده و به عوامل مختلفی چون نوع خاک، مقدار آب موجود در خاک، سرعت و میزان انجماد و دمای نگهداری خاک منجمد بستگی دارد.

با توجه به اینکه هیچ گونه ماده اضافی به خاک اضافه نمی شود، این روش، یکی از روش های دوست دار محیط زیست است. با افزایش روزافزون به مسائل زیست محیطی در پروژه های مختلف عمرانی، این امر خود می تواند در آینده به استفاده بیشتر از این روش کمک کند.

به طور کلی کاربردهای روش اصلاح حرارتی را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:

• پایداری خاک ها
• آب بندی آب های زیرزمینی
• جلوگیری از زمین لغزش
• محدود کردن جریان آلودگی ها در داخل توده خاک
• استخراج نمونه های دست نخورده
• استفاده در پی های موقت ساختمان ها و سازه های اطراف پروژه، در زمان اجرای پی های دائم

مزایا و محدودیت های روش انجماد مصنوعی

مهمترین مزایای استفاده از این روش عبارتند از:

• قابلیت استفاده در محدوده وسیعی از خاک ها
• نفوذ ناپذیری کامل خاک پس از تکمیل فرایند انجماد در خاک های اشباع و نیمه اشباع
• قابلیت ایجاد تونل در خاک های ریزدانه
• امکان استفاده در پروژه های گودبرداری در زمین های با هندسه و عمق گود متنوع

علیرغم وجود مزایای فوق، این روش محدودیت های زیر را دارا می باشد:

• با توجه به افزایش حجم آب پس از انجماد، این موضوع می تواند در رس ها و سنگ ها باعث ایجاد و گسترش شکاف های موجود و درنتیجه افزایش نفوذپذیری شود.
• این روش در مناطق گرمسیر کاربرد چندانی ندارد.
• در خاک های ناهمگن از نظر جنس، شکل و کیفیت ناحیه یخ زده نامنظم است.
• تجهیزات این روش پیشرفته و البته گران هستند.
• سیستم های سرمایشی باید خیلی بیشتر از میزان سرمایی که برای انجماد نیاز است سرما به خاک دهند (تولید کنند) تا رطوبت خاک به یخ تبدیل شود.
• در صورتی که در لایه های میانی خاک مورد نظر جهت انجماد، جریان آب قابل توجه باشد، فرآیند انجماد زمان بر و غیر اقتصادی می گردد.

منبع: قنبری، علی و محمودی مهریزی، محمد عماد (1398)، مبانی بهسازی خاک، انتشارات دانشگاه خوارزمی.

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)

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)

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)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)

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)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• 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 :

• theconstructor , Thermal stabilization of soil