Fundamentals of Ground Improvement Engineering

کتاب مبانی بهسازی خاک مهندسان از دیرباز دریافته اند که خصوصیات خاک و سنگ را می توان بهبود بخشید. بحث جدید بهسازی خاک از دهه 1960 کلید خورد و از آن موقع تا به حال قویا پیشرفت کرده است. این کتاب ادبیات فنی بهسازی خاک و مسائل اجرایی آن را با هم ترکیب می کند و روش آن به شکلی است که برای دانشجویان امکان شروع مطالعاتشان درباره بهسازی خاک را فراهم و به افراد حرفه ای برای عمیق تر کردن اطلاعاتشان درباره مسائلی که در کار با آنها مواجه هستند کمک می کند.

کتاب مبانی بهسازی خاک قصد دارد که مباحث کلیدی و پایه ای بهسازی خاک را برای دانشجویان و افراد حرفه ای توضیح دهد. این کتاب به این شکل سامان دهی شده است که ابتدا هر مبحث را به طور کلی توضیح می دهد و سپس جزئیات را جزء به جزء بررسی می کند.

در کل، این کتاب توضیحی کامل و دقیق از مبحث بهسازی خاک را ارائه می کند و برای مخاطبان تجربه کافی را برای درک و کاربرد روش های ارائه شده فراهم می کند. قصد نویسندگان ارائه کاربردهای اجرایی اخیر از بهسازی خاک و همچنین فهم اساسی از قوانین آن برای مخاطبان است تا مخاطبان خود را با پیشرفت های جدید انجام گرفته سازگار کنند.

از مخاطبان انتظار می رود که پیش از مطالعه کتاب، مطالعاتی در مورد مقدمات زمین شناسی، مبانی مکانیک خاک و علوم طبیعی و ریاضی داشته باشند. البته این علوم در سال های ابتدایی مقطع کارشناسی مهندسی عمران آموزش داده می شوند. برای رسیدن به اهداف نوشتن این کتاب، موارد زیر در کتاب مبانی بهسازی خاک جای داده شده اند:

• ارائه متعادل جنبه های کاربردی و علمی بهسازی خاک.
• ارائه مثال ها به همراه جواب آنها و همچنین مسائل اجرایی.
• ارائه مطالبی که به نیازهای دانشجویان و مهندسان اجرایی پاسخ می گوید.

از دیدگاه دانشجویان، کتاب مبانی بهسازی خاک موارد زیر را ارائه می دهد:

• متنی جدید، به روز شده و کامل که مطالعات اخیر فناوری های بهسازی خاک را با اصول نظری و مطالب کاربردی مربوط به طراحی و ساخت و ساز ترکیب می کند.
• ارائه مثال هایی به همراه جواب و تمرین هایی برای فرصت های یادگیری بیشتر
• واحد درسی بهسازی خاک به همراه منابع آموزشی و ارائه کتابی که در دانشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد.

از دیدگاه مهندسان اجرایی، این کتاب موارد زیر را ارائه می دهد:

• منبعی که امکان درک و انتخاب روش های بهسازی خاک را با اطمینان برای مهندسان اجرایی فراهم می کند.
• فهرست منابع دقیق، کامل و به روز شده که امکان دسترسی به مصالح اصلی مورد استفاده برای ارزیابی گزینه های مختلف و آماده سازی طرح ها را مهیا می کند.
• تصاویری که مهندسان اجرایی را قادر می سازد که با ارائه آنها به کارفرما، ارتباطات را در محیط مهندسی و صنعتی توسعه دهد.

این کتاب برای دانشجویان کارشناسی و کارشناسی ارشد و مهندسان اجرایی نوشته شده است. بیشتر مطالب آن به جای چینش نظری و تحلیلی، بر پایه روش های ساخت و ساز، سازمان دهی شده است. بر این اساس، اهداف و روش های ساخت و ساز ابتدا ارائه شده است و سپس متعاقب آن به اصول مهندسی ژئوتکنیک و ملاحظات طراحی پرداخته شده است. این روش ارائه، ایده یادگیری از کل به جزء که روشی مناسب برای یادگیری عموم افراد است را هم در نظر می گیرد. کتاب مبانی بهسازی خاک همچنین شامل نقل قول های دقیق و به روز شده از ادبیات فنی و همین طور تعداد زیادی عکس و نمودار است.

محدودیت ها

هر عنوانی که در این کتاب بحث می شود موضوع صدها مقاله فنی چاپ شده در مجلات، کنفرانس ها و حتی کتاب هاست. در نتیجه، هر عنوان به آسانی می تواند موضوع یک متن علمی کامل باشد. نویسندگان، مخاطبان علاقه مند به موضوع خاص را به بررسی عمیق تر ادبیات فنی و مطالبی که در کتاب مبانی بهسازی خاک به آنها استناد شده، تشویق می کنند.

مروری بر روش های بهسازی خاک

اصول بهسازی خاک، مشخصات مکانیکی مشخصی دارند که برای توسعه یک سیستم طبقه بندی برای رسیدن به آن به کار می روند. بر این اساس، این کتاب از چهار تعریف زیر برای توضیح بهتر استفاده می کند:

1. کنترل آب – حذف یا کنترل آب زیرزمینی
2. اصلاح مکانیکی – آرایش مجدد خاک یا آب
3. اصلاح به وسیله افزودن مواد –  افزودن مواد شیمیایی
4. اصلاح به وسیله استفاده از برخی اجزا یا فشار همه جانبه – اصلاح رفتار سیستم به وسیله اجزای صلب یا انعطاف پذیر یا فشار همه جانبه خاک.

اختصاص یک روش به خصوص بهسازی خاک به یک طبقه بندی مشخص کاملا درست نیست چرا که برخی از روش ها، دارای چند مشخصه رفتاری هستند یا بهسازی را بر پایه چند اصل انجام می دهند که در نتیجه برخی از روش ها، مشخصاتی دارند که در یک طبقه بندی جای نمی گیرند. با این حال، این سیستم طبقه بندی در فهم چگونگی کار کردن روش به خصوص در سطحی اساسی سودمند است.

در مورد برخی از اصول مهم، ملاحظات مهندسی و روش های ساخت که تمرکز کتاب مبانی بهسازی خاک بر روی آنهاست، در زیربخش های زیر به تفصیل بحث شده است.

1. تراکم: روش های با عمق کم

این روش با متراکم کردن خاک در رطوبت ثابت انجام می شود. برعکس، تحکیم با کاهش رطوبت خاک به دلیل اعمال بار به یک خاک اشباع انجام می شود که وجه تمایز آن با تراکم است. تراکم به وسیله اعمال انرژی مکانیکی به خاک با کاهش حجم خالی و افزایش چگالی خاک حاصل می شود. تراکم سطحی به وسیله تجهیزات مخصوص، مدت مدیدی است که برای افزایش مقاومت، کاهش قابلیت تراکم و کاهش نفوذپذیری خاک انجام می شود. روش های بهسازی خاک که از انرژی مکانیکی به عنوان عامل اصلی در بهبود رفتار خاک استفاده می کنند، شامل مثال هایی از جمله تراکم سطحی، تراکم دینامیکی عمیق و تراکم سریع می شوند. این موارد همگی کاربردهای سطحی انرژی مکانیکی هستند که با حرکت در عمق مستهلک می شوند. با انجام این کار، انرژی مکانیکی منجر به آرایش مجدد سازه خاک و در نتیجه ساختاری متراکم می شود. روش های تراکم با عمق کم به منظور بهسازی خاک در فصل 4 کتاب مبانی بهسازی خاک ارائه شده است.

• تراکم: روش های عمیق

در برخی موارد، عمق موثر تراکم سطحی در مقایسه با عمق مورد نظر برای تراکم، کافی نیست. در این موارد، به روش های تراکم عمیق که انژی مکانیکی را در سطح زیر زمین اعمال می کند، نیاز است. در بیشتر موارد، روش های تراکم عمیق، با ارتعاش نیز همراه است و معمولا در حین فرآیند پر کردن فضای به وجود آمده در اثر تراکم، با اضافه کردن سنگ، دوغاب یا بتن نیز سروکار دارد. بسته به جزئیات فرآیند و کامل کردن کار توسط پیمانکار، نام های گوناگونی به این روش های عمیق اطلاق می شود که شامل شناور ارتعاشی (vibrofloatation)، تراکم ارتعاشی (vibrocompaction)، جا به جایی ارتعاشی (vibroreplacement)، ژئوپییر (Geopiers) و ستون های سنگ دانه ای کوبشی (rammed aggregate piers) می شود و البته به این نام ها محدود نمی شود.

• اختلاط خاک و روش های تزریق

روش های اختلاط خاک، مثل آن هایی که در فصل 6 شرح داده شده است، روش هایی هستند که در آن مشخصات خاک، در محل و با افزودن یک یا چند ماده بهبود داده می شود. تزریق یا اختلاط این مواد مثل دوغاب، سیمان پرتلند، سیمان سرباره ای یا ترکیبی از آنها می تواند منجر به افزایش مقاومت برشی، کاهش قابلیت تراکم و کاهش هدایت هیدرولیکی شود. علاوه بر فهم روش های اختلاط خاک و تزریق، درک سازوکار کارکرد مواد افزودنی در انتخاب درست آن و استفاده از روش های اختلاط خاک و تزریق در آن سودمند است. به عنوان مثال، این مواد می توانند در روش های اختلاط خشک یا اختلاط تر افزوده شوند. فرآیند انتخاب بهترین روش، طراحی اختلاط و پیکربندی محل، به دانشی که از شرایط خاک و خروجی های مورد انتظار وجود دارد بستگی دارد. برای رسیدن به این مقصود، مواد رایج و سازوکار افزودن در کنار روش های ساخت و آزمایش برای صحت سنجی عملکرد در فصل 6 ارائه شده است.

• پایدارسازی و استحکام

بهسازی خاک های آلوده و محل های پر مخاطره دور ریز زباله، با ملاحظات بیشتر، مواد و روش هایی فراتر از آنهایی که برای بهسازی مقاصد ژئوتکنیکی استفاده می شوند، به کار می روند. اغلب تجهیزات مورد استفاده و بسیاری از روش های ساخت با آن مواردی که در مورد آنها در فصل 6 کتاب مبانی بهسازی خاک بحث شده است مشابه یا یکسان است. طبیعت به  خصوص خاک آلوده و همین طور حفاظت از سلامت عمومی و محیط زیست نیازمند اقدامات اضافی است. برای این کاربردها، عناوینی مثل انتقال مواد آلوده و سازوکارهای چسبندگی نیاز است که به همراه ملاحظات معمول مثل مقاومت، نفوذپذیری و تراکم پذیری انجام گیرد. این مطالب در فصل 2 ارائه و در فصل های 6 و 8 بحث شده اند.

• دوغاب ریزی

دوغاب ریزی، به عنوان روشی برای بهسازی خاک، شامل تزریق، معمولا تحت فشار سیال (دوغاب) به زیر سطح زمین است. پس از تزریق، دوغاب یا فضای خالی را پر می کند و یا خاک را جا به جا می کند و شکلی قوی تر از خاک را ایجاد می کند. روش های دوغاب ریزی شامل دوغاب ریزی نفوذی (permeation grouting)، دوغاب ریزی شکافی (fracture grouting)، دوغاب ریزی تراکمی (compaction grouting) و تزریق پرفشار (jet grouting) (نوعی از اختلاط خاک) می شود. از نظر مکانیکی، هر روش به جهت استفاده از مواد، روش انجام و روش طراحی با دیگری متفاوت است.

دوغاب معمولا پس از تزریق سفت می شود. دوغاب های شیمیایی مثل دوغاب سیلیکاتی، گرانروی کمی دارند و به فضاهای خالی کوچک نفوذ می کنند. بیشتر دوغاب های سیمانی، به خصوص آنهایی که با سیمان پورتلند معمولی ساخته شده اند، به منافذ کوچک نمی توانند نفوذ کنند ولی در شکاف و فضاهای باز شامل سنگ به خوبی عمل می کنند. پروژه های دوغاب ریزی موفق، با فهم عمیق از مشخصات رئولوژیکی دوغاب (گرانروی، زمان گیرش و پایداری) برای پیش بینی حرکت دوغاب در سطح زیرین خاک، پیشرفت می کند.

• آبگیری

مواردی وجود دارد که خاک فقط به خاطر حضور یا جریان آب زیرزمینی ناپایدار می شود. در حالی که دوغاب ریزی و دیوار آب بند، دو روش بهسازی خاک هستند که می توانند هدایت هیدرولیکی را کاهش و پایداری را افزایش دهند، موارد متعددی وجود دارد که آبگیری انتخاب بهتری خواهد بود. بدون کنترل مناسب آب زیرزمینی، جریان آب زیرزمینی می تواند منجر به تورم، ناپایداری شیب و شرایط کار سخت یا غیر ممکن شود.

بهسازی خاک به روش آبگیری روشی رایج، ولی معمولا دشوار، است که نیازمند دانش کامل و دقیق از شرایط زیرسطحی، درک نظری از جریان آب زیرزمینی و تجربه است.

• تحکیم

در حالی که تراکم، چگال تر شدن نمونه خاک در رطوبت ثابت است، در تحکیم، چگال شدن خاک با کاهش رطوبت انجام می گیرد. در نتیجه، تحکیم یک فرآیند وابسته به زمان است و زمان قابل توجهی برای خروج آب از رس صرف می شود. در حین تحکیم، خاک مقاومت به دست می آورد و تراکم پذیری آن کاهش می یابد. خاک نرم، تراکم پذیر و ریزدانه نامزد اصلی برای بهسازی به روش تحکیم است. خاک نرم چسبنده، به طور کلی هدایت هیدرولیکی پایینی دارد و از آن جا که طول زمان انجام تحکیم به نفوذپذیری خاک وابسته است، زمان مورد نیاز برای تحکیم خاک نرم چسبنده ممکن است از زمان برنامه ساخت و ساز بیشتر شود. در این موارد، زمان انجام تحکیم با نصب زهکش های عمودی کاهش می یابد. به طور سنتی، زهکش های ماسه ای برای کاهش مسیر زهکش و تسریع فرآیند تحکیم نصب می شدند و امروزه زهکش های عمودی پیش ساخته رایج است. تحکیم، برای بهبود مشخصات خاک با استفاده از روش هایی مثل زهکش های عمودی، پیش بارگذاری و تحکیم مکشی در فصل 5 کتاب مبانی بهسازی خاک بحث شده است.

• خاکریز پایدار شده به روش مکانیکی

برای هزاران سال، سازه های بنایی به روشی ساخته می شدند که تنش های فشاری را بر مصالح ساختمانی سنگی وارد کنند. در بازشوها به طور معمول از اجزای قوسی شکل استفاده می شد تا در فشار قرار گرفتن مصالح بنایی تضمین شود. این روش ساختن سازه، به دلیل کم بودن مقاومت کششی و بالا بودن مقاومت فشاری سنگ اتخاذ می شد. به طور مشابه، خاک مقاومت کششی ناچیز ولی مقاومت فشاری بالایی دارد. خاک به عنوان تکیه گاه برای سازه به خوبی عمل می کند. تعریف مسلح کردن در برابر کشش که در ابتدا با عنوان خاک مسلح معروف شد، در دهه 1960، دری را به روی کاربردهای وسیعی از جمله دیوارهای حائل پایدار شده به شکل مکانیکی، گشود. فصل 10، به بحث در مورد شکل ها و کاربردهای خاک مسلح شده به وسیله ژئوسنتتیک می پردازد.

• موانع و سدهای در محل

سدهای عمودی محلی (دیوار آب بند) برای 40 سال برای کنترل جریان افقی آب زیر زمینی استفاده شده است. بهسازی شرایط خاک، با کاهش جریان در جهت افقی، به منظور آبگیری برای بهبود پایداری شیب و کاهش جریان به داخل حجم حفاری شده مورد استفاده قرار گرفته است. در دهه 1980، این سدها به طور گسترده برای کاربردهای محیط زیستی برای کنترل انتقال آلاینده ها در زیر سطح خاک به کار برده می شد. همچنین مهندسان می دانند و اذعان می کنند که بسیاری از خاکریزها و سدهایی که در طول 100 سال گذشته ساخته شده اند نیاز به بهسازی دارند. مسائلی مثل تراوش و پایداری، عملکرد آنها را به خصوص در حین وقوع سیل مختل می کند. بنابراین، استفاده از سدهای محلی (دیوار آب بند) برای بهبود مشخصات مواد زیر سطحی و بهتر کردن مشخصات سد و خاکریز رواج گسترده ای داشت.

مواد بسیاری وجود دارد که در دیوار آب بند استفاده می شوند و روش های متعددی برای ساخت آنها وجود دارد. محصول نهایی معمولا دیواری همگن با نفوذپذیری پایین است و البته داشتن مقاومتی نسبی از ملزومات کار است. ملاحظات ویژه در مورد سازگاری میان سد و آلاینده ها به هنگام استفاده از آنها برای کنترل انتقال آلاینده ها در محل های آلوده و محل دفع دور ریز لازم است. مواد، روش ها، طراحی و تحلیل دیوارهای آب بند به طور کامل در فصل های 6، 7 و 8 کتاب مبانی بهسازی خاک بررسی شده است.

1.  پیشرفت های آتی در بهسازی خاک

علاوه بر پیشرفت های نوظهور و بهبود فناوری های موجود، برخی از پیشرفت های آتی ممکن است رویکردهای کاملاً جدیدی برای بهسازی خاک ارائه دهند. یکی از این مثال ها را می توان بهسازی به روش بیوژئوتکنیک دانست. محیط میکروبی غنی در خاک وجود دارد. میکروب ها در واکنش های بیوشیمی مشارکت دارند و به طور پیوسته بازتولید می شوند و از بین می روند. روش هایی که میکروب ها بر رفتار خاک تاثیر گذارند شامل ته نشینی معدنی، تبدیل معدنی و رشد بیوفیلم می شوند و البته به این موارد محدود نمی شود. ته نشینی معدنی می تواند به خاک های سخت تر با مقاومت بیشتر، ظرفیت باربری تسلیم بالاتر، مقاوم در برابر روانگرایی و قابلیت تراکم کمتر منجر شود. بیوفیلم ها نیز با تشکیل سدهای زیرزمینی نفوذپذیری را کاهش می دهند.