ایستاسازه
En Ar

خانه - خدمات ایستاسازه - بهسازی خاک - DSM یا اختلاط عمیق خاک - مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)

از روش های بهسازی خاک برای دستیابی به شرایط مناسب ژئوتکنیکی استفاده می شود. روش جت گروتینگ به عنوان یکی از روش های بهسازی خاک مطرح است. در روش جت گروتینگ یا همان تزریق پر فشار، آب یا دوغاب با فشار بالا و سرعت بسیار زیاد از طریق نازل های دستگاه، به داخل خاک تزریق می شود و سبب تخریب ساختار خاک می گردد و در نتیجه، توده ای از خاک اصلاح شده پدید می آید.
در روش اختلاط عمیق به هنگام حفاری، سر مته های برشی در خاک فرور رفته در حالی که مواد تزریقی به عنوان سیماناب حفاری از درون فضای خالی شفت ها به داخل محیط پمپ می شود. سرمته های مارپیچی (اوگری)، خاک را برهم زده ولی موجب بالا آمدن و خارج شدن خاک از چال نمی گردد در این مقاله به بررسی و مقایسه دو روش بهسازی مهم و پرکاربرد جت گروتینگ و اختلاط عمیق می پردازیم.

امروزه به دلیل استفاده از زمین های نامناسب از نظر مقاومتی و کمبود خاک مناسب جهت اجرای سازه های مختلف رو زمینی، سبب شده تا این عوامل، یکی از دغدغه های اصلی مهندسان باشد. در همین راستا استفاده از روش های تثبیت خاک و روش های بهسازی خاک، یک امر ضروری و اجتناب ناپذیر است. روش های متعددی جهت بهسازی خاک و تقویت به منظور بهبود خواص مکانیکی و مهندسی خاک وجود دارد. دو روش جت گروتینگ و اختلاط عمیق به عنوان دو روش کاربردی و تاثیر گذار می باشند. جت گروتینک (Jet Grouting) یکی از شیوه های افزایش مقاومت، بهسازی و توان باربری خاک به صورت درجا است. در روش اختلاط عمیق که با ابزار پیشرفته قابل اجرا است، ستون هایی مدفون از مخلوط خاک و سیمان، به وسیله پمپ تزریق مخصوص با سرعت بالا (800 تا 900 کیلومتر بر ساعت) و همچنین فشار بالای (30 تا 70 مگاپاسکال) در محل تولید می شود. تزریق پر فشار یکی از شیوه های بسیار مطمئن و کارا جهت پایدارسازی و افزایش مقاومت، اصلاح و بهسازی خاک و توان باربری خاک به صورت درجا می باشد. در روش جت گروتینگ بر اساس فشار نهایی مایع یا ماده قابل تزریق با سرعت بالا در خاک، ساختار کلی خاک شکسته شده و ذرات خاک به صورت درجا با یکدیگر مخلوط و یک توده همگن صلب ایجاد می گردد.

در روش اختلاط عمیق، به هنگام حفاری، سر مته های برشی در خاک فرور رفته و در حالی که مواد تزریقی، به عنوان سیماناب حفاری از درون فضای خالی شفت ها به داخل محیط پمپ می شود. سرمته های مارپیچی (اوگری)، خاک را برهم زده ولی موجب بالا آمدن و خارج شدن آن از چال نمی شوند. بالا آمدگی نسبی خاک و اختلاط آن با سیماناب (مخلوط سیمان و آب) طی فرایند هیدراسیون که قابلیت چسبندگی به سایر مواد از قبیل سنگ و خاک را داراست یک ستون همگن را تشکیل می دهد.


پیشینه روش جت گروتینگ و روش اختلاط عمیق


1. روش جت گروتینگ:


سابقه ی تزریق به بیش از 200 سال پیش بر می گردد. در سال 1802 آقای چارلزبرینی با پمپ های چوبی ضربه ای توانست مقداری رس را زیر یک بند خالی به منظور آب بندی تزریق کند. و پس از آن در سال 1821 سیمان پرتلند برای تزریق استفاده شد. همچنین در آمریکا برای اولین بار از روش تزریق پرفشار، در سال 1845 از دوغاب سیمان برای شالوده یک شوت سرریز و در سال 1854 برای پایه یک پل استفاده شد. به تدریج در نیمه دوم قرن 19 و سپس در نیمه اول قرن 20 این روش در کشورهای دیگر نیز توسعه یافت، در صورتی که تا سال 1910 هنوز پمپ تزریق به صورت دستی بود. سپس در سال 1928 “یوستن” تزریق دو مرحله ای انجام داد. و تزریق مواد شیمیایی نیز از ابتکارات وی می باشد که به لحاظ مسائل زیست محیطی از سال 1980 در اروپا متوقف گردید.

صنعت تزریق پر فشار (jet grouting) هم زمان در سه کشور ژاپن، ایتالیا و انگلیس مورد استفاده واقع شده است و این سیستم در سال 1970 برای کاربردهای کنترل آب زیرزمینی توسعه یافت. در واقع جت گروتینگ یک اصطلاح عمومی به کار رفته برای اصلاح بهبود و ویژگی های خاک (نفوذپذیری، مقاومت و …) می باشد.


2. روش اختلاط عمیق:


اختلاط عمیق روشی است که از دهه 1960 و اوایل دهه 1970 در کشور های اسکاندیناوی مانند فنلاند و سوئد و درکشور های آسیایی نظیر ژاپن به منظور پایدارسازی گودبرداری ها و ایجاد دیوار آب بند مورد استفاده قرار گرفت و توسعه پیدا کرد و روش پیشرفته آن توسط شرکت Geo-Con. Inc. در اواخر دهه 1980 در آمریکا استفاده شده است. ضمن اینکه روش اختلاط عمیق، طی 20 سال اخیر به صورت حرفه ای از آن استفاده می شود. این روش در سال 1977 برای اولین بار به چینی ها معرفی شد و از سال 1980 به صورت عملی مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از این روش به منظور نگهداری دیواره حفرات گودبرداری در چین از اواخر سال 1981 برای اولین بار اجرا شد. در ایران نیز این روش برای اولین بار در سال 2005 به منظور پایدارسازی گودبرداری در شهر بندرعباس مورد استفاده قرار گرفت.


روش انجام عملی روش جت گروتینگ و اختلاط عمیق و انواع آن


1. روش جت گروتینگ:


در روش تزریق پرفشار (جت گروتینگ)، با حفاری یک گمانه که قطر آن معمولا بین 100 تا 150 میلیمتر می باشد آغاز می گردد. این حفاری تا عمق مورد نیاز برای اجرای توده خاک اصلاح شده یا خاک سیمان ادامه می یابد. این حفاری برای پایین فرستادن مجموعه نازل ها و لوله های تزریق که مانیتور نامیده می شود، انجام می گیرند. پایداری و حفظ ابعاد گمانه پیش حفاری شده معمولا به کمک بنتونیت ممکن می گردد. در این حال می توان از روش های دیگری همچون کیسینگ گذاری نیز استفاده نمود. بعد از آغاز عملیات جت گروتینگ، گل و لای به وجود آمده به هنگام تخریب بافت و ساختار خاک، پایداری گمانه را حفظ خواهد کرد. پس از انجام عملیات حفاری، در مرحله بعدی ساختار زمین با استفاده از تزریق پر فشار دوغاب و آب تخریب شده و فضای به وجود آمده با دوغاب پر می شود. در شکل های زیر مراحل تولید ستون های تزریق پر فشار آورده شده است. بر اساس پیشرفت ها و اصلاحات به عمل آمده در امر تزریق و روش های مختلف آن، امروزه از سه روش متداول برای انجام تزریق با فشار بالا استفاده می شود. انتخاب هریک از این سه روش به موارد زیر بستگی دارد:


  1. کاربرد
  2. نوع خاک
  3. مشخصات خاک اصلاح شده

تفاوت عمده این سه روش در تعداد، نوع و آرایش نازل های خروج آب، هوا و دوغاب می باشد. از طرفی در این روش، فشار بالای تزریق، باعث افزایش تراکم خاک نیز می گردد و محیطی همگن و صلب در خاک را به وجود می آورد. تغییر در فشار تزریق، سرعت چرخش میله حفاری و سرعت حرکت رو به بالای میله باعث تغییر در ستون ایجاد شده می شود.


انواع روش های جت گروتینگ


1. روش تک جزئی (single fluid)

2. روش دو جزئی (double fluid)

3. روش سه جزئی (Triple fluid)

روش های تزریق پر فشار یا جت گروتینگ در بهسازی خاک
روش های موجود در تزریق پر فشار

1. روش تک جزئی تزریق پر فشار:


در روش تک جزئی تزریق پر فشار (جت گروتینگ) در انتهای عملیات حفاری دریچه های تخلیه بسته شده و مخلوط تزریق با فشار بسیار بالا (تا 600 بار) از طریق نازل ها به داخل خاک تزریق می گردد. همزمان با این عمل میله حفاری می چرخد و به سمت بالا حرکت می کند. فشار دوغاب تزریق با سرعت و انرژی بالا، خاک اطراف را با یکدیگر مخلوط می سازد.


2. روش دو جزئی تزریق پر فشار:


در روش دو جزئی تزریق پر فشار، فشار تا 600 بار به داخل خاک تزریق می شود و همراه آن هوای فشرده تا 12 بار انرژی وارد شده و قدرت عمل نفوذ مخلوط تزریق را افزایش می دهد.


3. روش سه جزئی تزریق پر فشار:


در روش سه جزئی تزریق پرفشار، آب، به همراه هاله هوای فشرده اطراف، با فشار بالا، جهت باز کردن فضای حفرات، مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع روش های جت گروتینگ در بهسازی خاک
انواع روش های جت گروتینگ

2. روش اختلاط عمیق (DSM):


اختلاط عمیق نوعی روش بهسازی خاک است که در آن، خاک با مواد چسباننده نظیر آهک، سیمان، خاکستر بادی، مواد شیمیایی و یا بیولوژیکی به صورت پودر و یا دوغاب، به منظور بهسازی خصوصیات مهندسی و محیطی خاک های نرم و یا آلوده، با یکدیگر مخلوط می گردند. واکنش هایی که بین خاک و عامل تثبیت کننده به وقوع می پیوندد باعث کاهش نفوذپذیری و افزایش مقاومت و کاهش پتانسیل روانگرایی زمین شده است. همانطور که اشاره شد روش اختلاط عمیق به طور جدی از اواسط دهه 1960 در کشور ژاپن و برخی کشورهای اسکاندیناوی مورد استفاده قرار گرفت. پس از آن در کشورهایی مثل چین، آسیای جنوب شرقی و سپس دیگر مناطق دنیا مانند آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. بیش از چهار دهه است که روش اختلاط عمیق در پروژه های متعددی به کار گرفته شده است. همزمان تحقیقات گسترده ای بر روی تقویت این روش صورت گرفته که موجب پیشرفت های بسیاری در تجهیزات مربوطه، تغییرات در مواد تثبیت کننده و همچنین تنوع کاربرد این روش گردیده است. در میان تثبیت کننده ها، آهک توانسته به عنوان یک جایگزین مناسب برای سیمان در ژاپن معرفی گردد. البته هنوز در کشورهای اسکاندیناوی مخلوط آهک و سیمان رواج بیشتری نسبت به استفاده از آهک تنها دارد. البته تا به امروز مصالح متعددی نظیر خاکسترهای آتشفشانی، گچ و آهک و تفاله کوره های آهن (روباره) با سیمان ترکیب شده و مورد استفاده قرار می گیرد.


مراحل اجرای روش اختلاط عمیق خاک:


در این روش ابتدا سرمته های مارپیچی (اوگری) حفاری را با بازوهای خود در زمین آغاز می کند. سپس زمانی که به عمق مورد نظر رسید، حفاری متوقف شده و سرمته های مارپیچی (اوگری) حرکت خود را به صورت معکوس آغاز می کند و به طور آهسته به سمت بالا می آید. در زمان حرکت سرمته های مارپیچی به سمت بالا، از درون نازل های تعبیه شده در نوک بازوها دوغاب با فشار بسیار زیاد به درون خاک تزریق می شود. این حرکت به سوی بالا مرحله ای بوده و پس از طی فاصله یک متر رو به بالا، به مدت تقریباً یک دقیقه در همان تراز می چرخد و دوغاب به داخل زمین تزریق می گردد. البته فاصله ها و زمان های اشاره شده با توجه به نوع دستگاه و نوع خاک متغیر است.


انواع اختلاط در روش DSM:


1. روش تر.

2. روش خشک.

انواع روش اختلاط در عمق یا DSM در بهسازی خاک
انواع اختلاط به روش DSM

1. روش تر:


به عبارتی همان روش معمول اختلاط خاک می باشد. در این روش در ایستگاه دوغاب سازی ابتدا ماده افزودنی با آب به نسبت معینی ترکیب شده و ماده ای دوغابی شکل ساخته می شود و دوغاب ساخته شده در ایستگاه تزریق به وسیله شلنگ مخصوص و پمپ به لوله های حفاری انتقال یافته و به صورت ثقلی وارد خاکی که از قبل به وسیله تیغه ها به هم خورده است می شود. ستون هایی که با این روش اجرا می شوند دارای قطری تا حدود 1.2 متر بوده و نیروی گشتاوری که برای چرخاندن تیغه ها و میله هادی لازم است تا حدود 160 کیلو نیوتن متر می باشد. سرعت چرخش تیغه ها در این روش 100 تا 200 دور بر دقیقه و سرعت نفوذ به داخل خاک 50 سانتی متر بر دقیقه و دبی دوغاب تزریق شده حدود 35 تا 70 لیتر بر دقیقه است. مقدار ماده افزودنی در خاک های سست آلی برای به دست آوردن مقاومت 100 تا 150 کیلو پاسکال حدود 300 تا 400 کیلوگرم بر مترمکعب است.


2. روش خشک:


در روش خشک، دوغاب با فشار هوا وارد خاک می شود و فرق آن با روش تر در این است که دیگر ماده افزودنی با آب مخلوط نمی شود. از روش خشک در خاک های سست دارای مقاومت کم و یا خاک هایی که رطوبت اولیه آنها بالا است استفاده می شود. استفاده از هوای فشرده به عنوان محيط انتقال مواد افزودنی اين امتياز را دارد كه مقدار كمتري ماده افزودني براي به دست آوردن مقاومت مورد نياز لازم است و در نتيجه باعث كاهش هزينه هاي اجرا مي شود. كاربرد اين روش در كشورهاي اسكانديناوی و شمال اروپا می باشد. در روش خشک، قطر ستون هاي اجراشده از 0.5 تا 1 متر متغير است و به همين دليل نيروی گشتاور لازم كه براي چرخاندن ميله هادي و تيغه ها لازم است بين 6 تا 50 كيلو نيوتن متر و سرعت چرخش تيغه ها 120 تا 200 دور بر دقيقه می باشد. مقدار ماده افزودني در خاک های سست آلي در روش خشک برای به دست آوردن مقاومت در حدود 250 تا 350 كيلوگرم بر مترمكعب است.


کاربرد روش جت گروتینگ و روش اختلاط عمیق


تزریق پرفشار:


جت گروتینگ روش جدیدی در مبحث بهسازی خاک به شمار می آید، کاربردهای بسیار گسترده و متنوعی در بهسازی خاک و حوزه های مختلف مهندسی ژئوتکنیک به این روش اختصاص داده شده است که می توان به موارد زیر اشاره نمود:


1. مقاوم سازی زیر پی.

2. مقاوم سازی زیر پی ها همراه با نیلینگ.

3. ایجاد دیواره و کف آب بند.

4. محافظت از تونل و ایجاد کف آب بند.

5. دیواره آب بند سد و خاکبرداری، دیواره شفت و خاکبرداری به عنوان سازه نگهبان.

6. به عنوان پی سازی در خاک های سست، بهسازی و افزایش ظرفیت باربری پی های سازه های موجود.

7. استفاده به جای شمع.

8. کنترل و کاهش خطر روانگرایی در خاک های سست و اشباع.

9. پایدارسازی شیروانی ها، تثبیت خاک و سنگ اطراف تونل.

10. تقویت پی، تثبیت گود یا ترانشه.

11. ایجاد دیوار آب بند در سدها، آب بندی در گودبرداری، پایدارسازی شیب، پایدار سازی مقطع تونل، مقاوم سازی خاک های سست.


اختلاط عمیق:


در شکل زیر خلاصه ای از کاربردهای مختلف مدرن و سنتی تکنولوژی اختلاط عمیق ارائه شده است. در توسعه کاربردهای جدید عمدتا سعی شده است تا مزیت های ویژه ای نظیر سخت شدگی سریع در دوره زمانی کوتاه و همچنین رعایت اصول و قوانین زیست محیطی در نظر گرفته شود. اگرچه لازمه ابتدایی روش اختلاط عمیق به دست آوردن مقاومت بالاتر با هزینه کمتر است، با این حال سهولت اجرا در ساخت و سازهای پیچیده و دشوار منجر به اعتماد بیشتری در عمل به این روش شده است. ظرفیت بالای روش اختلاط عمیق همگام با مسائل زیست محیطی و بر اساس بهسازی در محل و حذف آلودگی های مختلف از خاک بوده و زمینه ای امیدبخش جهت مطالعات بیشتر می باشد. علاوه بر این، هنوز زلزله به عنوان یک مخاطره طبیعی جدی در بسیاری از کشورهای جهان مانند ژاپن و آمریکا مطرح می باشد، از این رو استفاده از صنعت اختلاط عمیق در کاهش روانگرایی بسیار کار آمد نشان داده شده است.

كاربردهای مختلف روش اختلاط عمیق
كاربردهای مختلف روش اختلاط عمیق

مقایسه دو روش جت گروتینگ و روش اختلاط عمیق


در جدول زیر به بررسی موثر و هزینه نسبی روش های متداول بهسازی خاک در عمق می پردازد که نشان دهنده این است که روش اختلاط عمیق محدودیتی تا حدود 20 متر دارد و تزریق با فشار بالا محدودیت عمقی ندارد.

بررسی عمق موثر و هزینه بهسازی خاک در عمق
بررسی عمق موثر و هزینه بهسازی خاک در عمق

شکل زیر نشان دهنده مقایسه محدوده عملکرد روش های متداول بهسازی خاک در عمق می باشد.

محدوده عملكرد روش های متداول بهسازی خاک
مقایسه محدوده عملكرد روش های متداول بهسازی خاک در عمق

نتیجه گیری


انتخاب نوع روش بهسازی به شرایط مختلف و متعددی بستگی دارد.

هر دو روش کاربردهای بسیاری در بهسازی خاک ها در عمق را دارا می باشند. تزریق پر فشار یا جت گروتینگ عمق موثر آن محدودیتی ندارد ولی روش اختلاط عمیق، عمق موثر آن محدودیتی تا حدود 20 متر دارد.


مراجع:

مجتبی پورغلامعلی، فرزین اصغرپور،” بررسی و مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا(Jet Grouting) و اختلاط در عمق (DSM) در بهسازی های عمق”چهارمین کنفرانس بین المللی تحقیقات علوم و مهندسی و کنگره بین المللی عمران، معماری و شهرسازی در آسیا”. 18 جولای 2019، دانشگاه Kasem Bundit، بانکوک، تایلند.


در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

سایر مقاله ها

انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)

انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و [...]


بیشتر بخوانید

پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

با توجه به اهمیت زیاد شالوده در پایداری سازه ها، [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش سه محوری سیکلی (Cyclic triaxial test)

آزمایش سه محوری سیکلی از جمله آزمایش های متداول و [...]


بیشتر بخوانید

خاک های واگرا و آزمایش های واگرایی خاک (Dispersive Soil)

به خاک هایی که در معرض آب های کم نمک، [...]


بیشتر بخوانید