Geosynthetic Encased Columns
for Soft Soil Improvement

پی سازی روی خاک های بسیار نرم همیشه مشکل ساز است. با این حال، زمانی که مقاومت برشی زهکشی نشده کمتر از 15 کیلو پاسکال باشد، حتی راه حل هایی مانند ستون های سنگی نیز ناکافی به نظر می رسند. این به این دلیل است که تکیه گاه افقی ارائه شده توسط خاک نرم باید بتواند در برابر فشارهای افقی بیرونی در ستون مقاومت کند. با این وجود، نبوغ طراحان و پیمانکاران و توانایی تولیدکنندگان ژئوسنتتیک برای تطبیق خواص مواد برای برآوردن نیازهای طراحی منجر به استفاده از ژئوتکستایل های با مقاومت بالا برای بهسازی خاک به روش ستون های ژئوسنتتیکی (GEC) شده است.

ستون های محصور شده ژئوسنتتیکی (GEC) یک روش نسبتاً جدید است که برای بهسازی خاک نرم توسعه یافته است. این روش برای اولین بار به عنوان یک مفهوم در دهه 1980 معرفی شد و اولین کاربردهای عملی آن در دهه 1990 آغاز شد. ستون های ژئوسنتتیک (GEC) در سه دهه گذشته به طور گسترده در برخی از نقاط جهان مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال، هنوز در ادبیات فنی کتابی وجود ندارد که ارائه کامل و جامعی از دانش موجود در این موضوع را ارائه دهد. در این کتاب سعی شده است تا حد امکان این موضوع تحقق یابد.

هدف از کتاب ستون های ژئوسنتتیکی در بهسازی خاک های نرم ارائه اصول حاکم بر GEC و کاربردهای عملی آن به خوانندگان است. فصل 1 اصول کلی این روش بهسازی زمین، از جمله روش های مورد استفاده برای نصب GEC و نحوه انتخاب خواص مواد را ارائه می دهد. فصل 2 روش های طراحی را ارائه می کند. بنابراین، محاسبات نشست با استفاده از روش های تحلیلی و محاسبات پایداری با روش های تعادل حدی به تفصیل توضیح داده شده است. فصل 3 مثال‌های محاسباتی را ارائه می کند که مراحل معمولی را که باید برای طرح های حالت حد سرویس و حالت حد نهایی انجام شود، نشان می‌دهد. سپس، عملکردهای میدانی نمونه ای از کاربردهای عملی روش GEC در فصل 4 برای برخی از تاریخچه های موردی ارائه شده است. تحلیل‌های عددی، که اغلب در طراحی برای تکمیل روش‌های تحلیلی استفاده می شوند، در فصل 5 ارائه شده اند. پیوست ‌های I و II در پایان شامل نمودارهایی هستند که برای انجام محاسبات نشست ایجاد شده است که می تواند به مهندسین در محاسبه نشست کمک نماید.

کتاب ستون های ژئوسنتتیکی در بهسازی خاک های نرم تجربیات چهار نویسنده را با پیشینه های مختلف دانشگاهی و صنعتی ترکیب می کند تا طراحی و عملکرد GEC را توصیف کند. هدف مخاطب این کتاب مهندسین عمران به طور کلی و مهندسین ژئوتکنیک به طور خاص می باشند چرا که مهندسین تحصیلات تکمیلی در طراحی یا اجرا به احتمال فراوان در بسیاری از پروژه ها با موضوعات بیان شده در این کتاب مواجه می شوند.

فصل اول

طراحی و ساخت سازه ها بر روی توده های خاک نرم، از لحاظ تاریخی، همواره چالشی برای مهندسان ژئوتکنیک بوده است، به طوری که قابلیت بهره برداری و شرایط حالت های حدی همانند هزینه و زمان بندی باید به درستی مورد توجه قرار ‌گیرد. به منظور برآورده ساختن این الزامات، انواع زیادی از روش های ساخت و ساز در دسترس است. به عنوان مثال، جایگزینی خاک نرم، تثبیت خاکریز، استفاده از مواد پرکننده سبک، زهکش های عمودی پیش ساخته و پیش بارگذاری و استفاده از خلاء برای تسریع نشست، اجرا به صورت مرحله ای، استفاده از ستون های سنگی با استفاده از خاک های دانه ای، یا جایگزین های مختلف مخلوط سیمان خاک مانند اختلاط عمیق یا شمع نمونه ای از روش های رایج در بهسازی و تقویت خاک می باشد.

در میان تمام روش های ساخت و ساز موجود، استفاده از ستون های سنگی یکی از رایج ترین روش ها برای کاهش نشست و بهبود پایداری و ظرفیت بار است. با این حال، زمانی که ستون های سنگی در خاک های بسیار نرم نصب می شوند، ممکن است ظرفیت بارگذاری قابل توجهی را به دلیل محصور شدگی جانبی کم خاک فراهم نکنند. علاوه بر این مک کنا و همکاران (1975) مواردی را گزارش نمودند که در آن ستون سنگی توسط خاک رس نرم اطراف مهار نمی شود. این موضوع می تواند کاهش ظرفیت باربری ستون های سنگی و ظرفیت زهکشی را به دنبال داشته باشد. اصول اساسی حاکم بر این روش بهسازی یعنی استفاده از ستون های GEC و توضیحاتی کلی از نحوه نصب و مواد تشکیل دهنده این ستون ها در فصل 1 ذکر شده است.

فصل دوم

این فصل بر طراحی و تجزیه و تحلیل ستون‌های محصور شده ژئوسنتتیکی (GECs) متمرکز است. مانند هر سازه ژئوتکنیکی، روش های طراحی باید دو جنبه اصلی را در نظر بگیرد:

الف) طراحی بر اساس حالت حدی بهره برداری (SLS) یا طراحی “عمودی”: بر اساس این معیار طراحی، خصوصیات ستون های ژئوسنتتیکی GEC برای برآورده کردن معیارهای نشست تعیین می شود. این معیار همچنین شامل تأیید شکست تنش محفظه (طراحی ULS) است.

ب) طراحی بر اساس حالت حدی نهایی (ULS) یا طراحی پایداری ” کلی “: ارزیابی گسیختگی کلی در خاکریز های نرم بهسازی شده با ستون های خرده سنگی.

 در این فصل، یک روش تحلیلی مورد استفاده برای طراحی عمودی و تجزیه و تحلیل پی ها در خاک نرم بهسازی شده با GEC معرفی شده است. یک راه حل تحلیلی برای پیش‌بینی حل و فصل وابسته به زمان نیز ارائه شده است.

فصل سوم

این فصل ویژگی های مواد مورد استفاده در نمودارهای پیش‌طراحی پایه های تقویت شده GEC در ضمیمه‌های I و II را ارائه می کند. برخی از نمونه های محاسباتی نیز در این فصل ذکر شده است. در ادامه برای نشان دادن نحوه استفاده از نمودارهای پیش طراحی ارائه شده است. نمودارهای ارائه شده بر اساس روش محاسبه تحلیلی پیشنهاد شده توسط Raithel و Kempfert (2000) که به تفصیل در فصل 2 توضیح داده شده است، می باشد. مشخصات خاک در این نمودارها به نحوی اتخاذ شده است که محدوده وسیعی از خاک ها که قابلیت بهسازی با ستون های خرده سنگی دارد را شامل می شود.

متغیرهای اصلی مؤثر بر نتایج عبارتند از:

• مشخصات مقاومت خاک نرم زهکشی شده (’c و ’φ)
• ضخامت لایه خاک نرم (H_s)
• کل بار خاکریزی اعمال شده شامل بارهای زنده خارجی و / یا بارهای دائمی خارجی (Δσ₀)
• نسبت جایگزینی مساحت (area ratio)
• مدول سختی کششی پوشش ژئوسنتتیک در جهت «حلقه» (J)

فصل چهارم

پی ستون محصور شده ژئوتکستایل (GEC) برای خاکریزها و دایک ها بر روی رسوبات خاک نرم بیش از 25 سال پیش در آلمان معرفی شد و از آن زمان تاکنون چندین پروژه با موفقیت در سراسر جهان اجرا شده است. تاکنون برخی از روش های محاسبه در ستون های خرده سنگی GEC در فصل دوم کتاب ذکر شده است و یک روش طراحی توسط EBGEO (2011) توصیه شده است و دو روش نصب GEC (به فصل 1 مراجعه کنید) به طور گسترده در عمل آزمایش شده است.

با این حال، برای درک بهتر رفتار سیستم ستون های ژئوسنتتیکی GEC، پاسخ میدانی یک خاکریز آزمایشی ساخته شده بر روی خاک نرم تثبیت شده توسط GECs با جزئیات در این فصل توضیح داده شده است. پس از آن، برخی از مطالعات موردی مهم و پروژه های عملی دیگر که در آنها از GEC استفاده شده است به اختصار شرح داده می شود.

فصل پنجم

در اوایل سال 2000، تحلیل‌های عددی با استفاده از روش‌های اجزای محدود یا تفاضل محدود اغلب برای ارزیابی رفتار سیستم ستون محصور شده ژئوسنتتیک (GEC) مورد استفاده قرار می گرفته است. آنها می توانند فرآیندهای برهم کنش بین خاک و مواد ژئوسنتتیک را با اتخاذ رابطه تنش-کرنش کوپل شده با دقت معقولی شبیه سازی کنند. تحلیل های عددی، به ویژه با استفاده از روش اجزای محدود، درک اساسی‌تری از رفتار GEC از طریق مطالعات پارامتری برای بررسی تأثیر پارامترهای ورودی، که عمدتاً با بررسی‌های تجربی تأیید شدند، ارائه می‌دهد. چندین تجزیه و تحلیل اجزای محدود دو بعدی و سه بعدی برای مطالعه تأثیر پارامترهای اساسی مانند نسبت جایگزینی سطح، مدول سختی مواد پوشش، ضخامت لایه رس، تنش ناشی از خاکریز و مدهای تقویت‌کننده مورد بررسی قرار گرفته است. برخی از مهم ترین تحلیل های عددی سیستم GEC در جدول 5.1 فهرست شده است.

این فصل از کتاب ستون های ژئوسنتتیکی در خاک نرم، نتایج تحلیل عددی خاکریز آزمایشی TKCSA شرح داده شده در فصل 4 را ارائه می کند. شبیه سازی های متقارن محوری و کرنش صفحه  ای با استفاده از نرم افزارهای اجزای محدود Plaxis 2D و Plaxis 3D انجام شده و نتایج با اندازه‌گیری های میدانی مقایسه می شوند .(Brinkgreve and Vermeer, 2012) تجزیه و تحلیل متقارن محوری دو بعدی با شبیه سازی یک ستون دانه ای محصور شده منفرد که در زیر خط مرکزی خاکریز قرار گرفته است، همراه با خاک نرم اطراف آن (یعنی مفهوم سلول واحد) انجام می شود. تحلیل کرنش صفحه دو بعدی با شبیه سازی مقطعی که از خط مرکزی خاکریز عبور می کند با استفاده از روش Raithel و Henne (2000) برای تبدیل ستون محصور شده به دیواری معادل انجام می شود. علاوه بر این، یک آنالیز سه بعدی نواری کامل برای مطالعه تأثیر تقویت ژئوگرید پایه شبیه سازی می شود. پیکربندی مدل، مراحل محاسبه و نتایج تحلیل های عددی با جزئیات در این فصل از کتاب ستون های ژئوسنتتیکی در بهسازی خاک های نرم ارائه شده است، بنابراین کاربرد و محدودیت های هر مدل مورد بحث قرار می گیرد.