دو تکنیک جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک (dsm) از روشهای پرکاربرد بهینهسازی و بهبود شرایط خاک است. هر کدام از این تکنیکها، مزایا و معایب خاص خود را داشته و باید متناسب با موقعیت خاص هر پروژه مورد استفاده قرار گیرند. در ادامه متن به بررسی تفاوت جت گروتینگ و dsm خواهیم پرداخت و هرکدام از آنها را توضیح خواهیم داد.
اهمیت بهسازی خاک با تفاوت جت گروتینگ و dsm
امروزه کمبود خاک مناسب برای اجرای سازههای مختلف روزمینی بهرهگیری از زمینهای نامناسب و با مقاومت ناکافی، یکی از نگرانیهای مهندسان بهحساب میآید. به همین دلیل و برای حل این مسئله، استفاده از روشهای بهسازی و تثبیت خاک لازم و ضروری است. انواعی از روشهای متنوع برای تقویت و بهبود شرایط خاک بهمنظور ارتقا خصوصیات مکانیکی و مهندسی آن وجود دارد.
پرطرفدارترین و کاربردیترین آنها روشهای جت گروتینگ (تزریق پرفشار) و اختلاط عمیق خاک یا (dsm) است. برای شروع توضیح تفاوت جت گروتینگ و dsm در ابتدا هر کدام از تکینکها را توضیح داده و شرایط و کاربردهای آن را بررسی خواهیم کرد.
تعریف کلی جت گروتینگ و اختلاط عمیق
جت گروتینگ یا grouting jet یکی از روشهای بهسازی خاک است که بهصورت درجا در محل اجرا شده و به افزایش مقاومت و توان باربری خاک کمک میکند.
در این روش که با بهرهگیری از ابزار پیشرفته قابلاجراست، ستونهای مدفون از مخلوط خاک و سیمان با استفاده از پمپ تزریق مخصوص، با سرعت بسیار بالا (بین 800 تا 900 کیلومتر بر ساعت) و فشار بالا (بین 30 تا 70 مگا پاسکال) در محل، تولید میشوند.
روش تزریق پرفشار بهعنوان یک روش بسیار مطمئن و کارآمد برای اصلاح و بهسازی خاک، پایدارسازی و افزایش مقاومت و توان باربری خاک بهصورت درجا شناخته میشود. در این شیوه، بر اساس فشار نهایی مایع یا ماده قابل تزریق با سرعت بالا در خاک، ساختار کلی خاک شکسته شده و ذرات بهصورت درجا با یکدیگر مخلوط شده و یک توده همگن و صلب ایجاد میگردد.
در روش اختلاط در عمیق (dsm) نیز، در حین حفاری، سر متههای برشی در داخل خاک فرو رفته و مواد تزریقی بهعنوان سیماناب حفاری از فضای خالی شفتها به داخل محیط، پمپ میشوند. پردههای ناپیوسته اوگلر باعث تخریب ساختار خاک شده ولی باعث بالا آمدن خاک نمیگردند.
این فرآیند همراه با بالا آمدگی نسبی خاک و اختلاط آن با سیماناب (مخلوط سیمان و آب) در طول فرایند هیدراسیون که قابلیت چسبندگی به سایر مواد از قبیل سنگ و خاک را داراست، به ایجاد یک ستون هموژن منجر میشود.
برای توضیح کامل تفاوت جت گروتینگ و dsmباید با دقت به جزئیات هر کدام از این روشها پرداخت و مراحل اجرای آنها را موردبررسی قرار داد. در ادامه هر کدام از این موارد بهصورت جداگانه بررسی خواهیم کرد:
مراحل اجرای جت گروتینگ
تزریق با فشار بالا، با شروع حفاری یک گمانه با قطر معمول بین 100 تا 150 میلیمتر اجرا میشود. این فرایند به عمق لازم برای اجرای توده خاک اصلاح شده یا خاک-سیمان ادامه مییابد. بهمنظور پایین فرستادن مجموعه نازلها و لولههای تزریق (که معمولاً به نام مانیتور مشهورند)، این حفاری انجام میگردد. برای حفظ پایداری و ابعاد گمانه پیش حفاری شده، اغلب از بنتونیت بهره گرفته میشود. همچنین، میتوان از روشهای جایگزینی نظیر کیسینگ گذاری نیز استفاده کرد.
پس از شروع عملیات تزریق جت گروتینگ، گلولای تولید شده در حین تخریب بافت و ساختار خاک، پایداری گمانه را تضمین خواهد کرد. سپس، در مرحله بعدی، ساختار زمین با استفاده از جت پرفشار دوغاب و آب تخریب شده و فضای به وجود آمده بهوسیله تخلیه تخریب شده با دوغاب پر میگردد.
با توجه به پیشرفتها و اصلاحات انجام شده در زمینه تزریق و تکنیکهای متعدد آن، امروزه سه روش متداول برای اجرای جت گروتینگ به کار گرفته میشود.
انتخاب هر یک از این سه روش به نوع خاک، کاربرد و مشخصات خاک اصلاح شده، بستگی دارد. تفاوت اصلی این سه سیستم در نوع، تعداد و آرایش نازلهای خروج آب، هوا و دوغاب است. در این عملیات، ساختار خاک کاملاً شکسته شده و بهطور کامل با مخلوط تزریق میشود. از سوی دیگر، فشار بالای تزریق در این روش باعث افزایش تراکم خاک شده و محیطی همگن و صلب در خاک ایجاد میکند.
تغییرات در فشار تزریق نیز باعث تغییر در سرعت چرخش راد و حرکت رو به بالای راد شده که به تغییر ستون ایجاد شده منجر میگردد. این سه روش عبارتاند از:
روش تک جزئی
در این متد، پس از اتمام عملیات حفاری، دریچههای تخلیه بسته شده و مخلوط تزریق با فشار بسیار بالا (تا 600 بار) از طریق نازلها به داخل خاک تزریق میگردد. در همین حین، راد میچرخد و به سمت بالا حرکت میکند. سپس جت دوغاب با سرعت و انرژی زیاد، خاک اطراف راد را مخلوط مینماید.
دو جزئی
هنگامیکه مخلوط تزریق با فشار تا 600 بار به داخل خاک تزریق میشود، یک مخروط از هوای فشرده تا 12 بار فشار، انرژی و قدرت نفوذ مخلوط تزریق را افزایش میدهد.
سه جزئی
در این شیوه، جت آب به همراه هاله هوای فشرده در اطراف، با فشار بالا جهت باز کردن فضای حفرهها مورد استفاده قرار میگیرد.
کاربردهای جت گروتینگ
جت گروتینگ، یک روش نوین در زمینه بهسازی خاک است که تنها بهعنوان یک فناوری پیشرفته شناخته نمیشود بلکه در حوزههای مختلف مهندسی ژئوتکنیک کاربردهای بسیاری دارد. این تکنیک در مقاومسازی زیر پیها، به همراه نیلینگ و ایجاد دیواره و کف آببند مورد استفاده قرار میگیرد.
- تقویت خاک در پروژههای عمرانی: این روش در پروژههای عمرانی بهمنظور تقویت خاک و افزایش پایداری سازهها و زیرساختها مورد استفاده قرار میگیرد.
- سازه های نگهبان: استفاده از جت گروتینگ در ایجاد دیوارهای نگهبان میتواند به تقویت خاک و پیشگیری از رانش و فرسایش خاک در محلهای خاص کمک کند.
- آببندی تونلها و گودهای عمیق: در پروژههای حفر تونل یا گودهای عمیق، جت گروتینگ میتواند بهمنظور آببندی و بهسازی خاکها کاربرد داشته باشد.
- ترمیم و بازسازی پیها: جت گروتینگ بهعنوان یک روش پیشرفته در ترمیم و بازسازی پیهای سازهها به کار میرود. با اجرای این روش، مقاومت و پایداری پیها افزایش مییابد.
- ترمیم و استحکامبخشی از ساختمانها: در صورت نیاز به ترمیم و استحکامبخشی از ساختمانها، این تکنیک میتواند بهعنوان یک روش مؤثر و کارآمد در این زمینه به کار رود.
- پروژههای حفاظتی محیطزیست: در زمینه حفاظت از محیطزیست، جت گروتینگ میتواند برای کاهش فرسایش خاک و حفظ سازههای زیرسطحی در مناطق مستعد به فرسایش و ناپایداری کاربرد داشته باشد.
- دوخت به کف :(Underpinning) شیوه تزریق پرفشار، برای افزایش پایداری و نگهبانی از ساختمانها به کار میرود. این روش میتواند زیر ساختمانها را ازجمله پلها یا سازههای دیگر نگهبانی کرده و بهسازی آنها را انجام دهد.
- آببندی گودها و سازههای زیر سطح آب زیرزمینی: جت گروتینگ میتواند در آببندی و بهسازی گودها و سازههای زیرزمینی در معرض آب، به کار رود. این روش با ایجاد یک حاشیه چسبنده و مقاوم به آب، از ورود رطوبت به داخل سازهها جلوگیری مینماید.
کنترل کیفی
متناسب با استانداردهای جهانی، کنترل کیفی اجرای ستونهای تزریق پرفشار، شامل محصول آزمایشی و محصول نهایی میگردد. در ابتدا، ستونهای آزمایشی با مقادیر مشخص از پارامترهای مختلف مثل فشار تزریق، گامهای تزریق و طرحهای اختلاط ایجاد میشوند. در این مرحله، لازم است اطلاعات تزریق بهدقت و لحظهبهلحظه ثبت گردد.
پس از انجام آزمایشهای تعیین قطر و مقاومت، مقادیر پارامترهای مذکور با مقادیر هدف طرح کالیبره شده و در مرحله بعد با ثابت نگه داشتن این مقادیر، به کیفیت یکنواختی از اجرا و تولید ستونهای جت گروت، دست مییابند.
در مرحله ساخت ستونهای نهایی، آزمایشها و کنترلهای لازم شامل:
- آزمایشهای کنترل مصالح پیش از گیرش: این تستها شامل بررسی و کنترل مصالح مورد استفاده قبل از اجرا شده تا اطمینان حاصل شود که مصالح با استانداردها و نیازهای پروژه سازگار هستند.
- تستهای کنترلی پس از گیرش: پس از اجرا، آزمایشهایی بر روی ستونهای تزریق شده انجام میشود تا کیفیت نهایی و اثربخشی بهسازی ارزیابی گردد.
- بررسی بزرگ مقیاس: این تستها بهمنظور ارزیابی عملکرد ستونها بهصورت گستردهتر و با مقیاس بزرگتر انجام شده و نتایج به ارتقاء کیفیت پروژه کمک میکنند.
مراحل انجام روش اختلاط عمیق یا (dsm)
درادامه به جهت بررسی تفاوت جت گروتینگ و dsmبهتر است روش اختلاط عمیق را نیز به صورت کامل مورد بررسی قراردهیم. روش dsm یک تکنیک بهسازی خاک است که در آن خاک در محل، با مواد چسباننده مانند سیمان، آهک، خاکستر بادی و مواد شیمیایی یا بیولوژیکی بهصورت دوغاب و یا پودر بهمنظور بهسازی خصوصیات مهندسی و محیطی خاکهای نرم یا آلوده، مخلوط میشود. واکنشهایی که بین خاک و عامل تثبیتکننده رخ میدهد، باعث افزایش مقاومت، کاهش نفوذپذیری و کاهش پتانسیل آبشویی زمین میشود.
این روش از اواسط دهه 1960 در کشور ژاپن و برخی کشورهای اسکاندیناوی بهشدت مورد استفاده قرار گرفته است. سپس، روش اختلاط عمیق به کشورهایی مانند چین، آسیای جنوب شرقی و در ادامه در سایر مناطق جهان ازجمله آمریکا به کار گرفته شد. ازآنپس بیش از چهار دهه است که این تکنیک در پروژههای متعدد بهکاررفته و بهمرورزمان، تحقیقات گستردهای در زمینه تقویت این آن صورت گرفته است.
این تحقیقات منجر به پیشرفتهای قابلتوجه در تجهیزات مرتبط، تغییرات در مواد تثبیتکننده و همچنین گسترش کاربردهای این شیوه از بهسازی شده است.
لازم به ذکر است که در میان تثبیتکنندهها، آهک بهعنوان یک جایگزین مناسب برای سیمان در ژاپن معرفی شده است. بااینحال، هنوز در کشورهای اسکاندیناوی، بهسازی خاک با استفاده از مخلوط آهک و سیمان نسبت به استفاده از آهک بهتنهایی، جایگاه بیشتری دارد. تا به امروز، مصالح متنوعی از قبیل گچ، خاکسترهای آتشفشانی و تفاله کورههای آهن (روباره) با سیمان و آهک ترکیب شدهاند.
انواع روش اختلاط عمیق
همانطور که گفته شد، روش DSM (Deep Soil Mixing) یک تکنیک بهسازی خاک است که در آن، خاک با مواد چسبنده یا تثبیتکننده بهمنظور تقویت و بهبود ویژگیهای مهندسی آن مخلوط میشود. انواع اختلاط در روش DSM به شرح زیر هستند:
روش تر
در این روش معمول اختلاط خاک، ابتدا در ایستگاه دوغاب سازی، ماده افزودنی با آب به نسبت مشخصی ترکیب شده و یک دوغاب ساخته میشود. سپس دوغاب تولید شده بهوسیله شلنگ مخصوص و پمپ به لولههای حفاری منتقل شده و بهصورت ثقلی وارد خاکی میگردد که از قبل توسط تیغهها بههمخورده است. این ستونها دارای قطری تا حدود 1.2 متر بوده و نیروی گشتاوری که برای چرخاندن تیغهها و میلهها نیاز است تا حدود 160 کیلو نیوتن متر در نظر گرفته میشود.
سرعت چرخش تیغهها در این تکنیک بین 100 تا 200 دور در دقیقه و سرعت نفوذ به داخل خاک حدود 50 سانتیمتر بر دقیقه است، درحالیکه دبی دوغاب تزریق شده در حدود 35 تا 70 لیتر بر دقیقه متغیر است. مقدار ماده افزودنی برای به دست آوردن مقاومت 100 تا 150 کیلو پاسکال در خاکهای سست و آلی حدود 300 تا 400 کیلوگرم بر مترمکعب تخمین زده میشود.
روش خشک
در روش خشک، دوغاب با فشار هوا به خاک وارد میشود و تفاوت اصلی آن با روش تر این است که دیگر ماده افزودنی با آب مخلوط نمیگردد. این شیوه بهخصوص در خاکهای سست با مقاومت کم یا خاکهایی که رطوبت اولیه آنها بالاست مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از مزایای روش خشک، این است که در آن از هوای فشرده بهعنوان محیط انتقال مواد افزودنی استفاده میشود که باعث کاهش مقدار ماده افزودنی برای به دست آوردن مقاومت مورد نیاز است و درنتیجه به کاهش هزینههای اجرایی منجر میگردد. این تکنیک بهطور گسترده در کشورهای اسکاندیناوی و شمال اروپا، کاربرد بیشتری دارد.
در روش خشک، قطر ستونهای اجراشده از 0.5 تا 1 متر متغیر است، به همین دلیل نیروی گشتاور مورد نیاز برای چرخاندن میلهها و تیغهها بین 6 تا 50 کیلو نیوتن متر و سرعت چرخش تیغهها در بازه 120 تا 200 دور بر دقیقه قرار دارد. مقدار ماده افزودنی در خاکهای سست و آلی در روش خشک، برای به دست آوردن مقاومت در حدود 250 تا 350 کیلوگرم بر مترمکعب تخمین زده میشود.
کاربرد اختلاط عمیق
در توسعه کاربردهای جدید، اصولی مانند سخت شدگی سریع در دوره زمانی کوتاه و رعایت اصول و قوانین زیستمحیطی بهعنوان مزایای ویژه در نظر گرفته شدهاند. اگرچه اولین هدف روش اختلاط عمیق به دست آوردن مقاومت بالاتر با هزینه کمتر است، اما سهولت اجرا در ساختوسازهای پیچیده و دشوار منجر به اعتماد گسترده به این روش میگردد.
ظرفیت بالای روش اختلاط عمیق، به همراه توجه به مسائل زیستمحیطی و تأکید بر بهسازی در محل و حذف آلودگیهای مختلف از خاک، این شیوه را به یک زمینه امیدبخش برای مطالعات بیشتر تبدیل کرده است. همچنین، هنوز زلزله بهعنوان یک مخاطره طبیعی جدی در بسیاری از کشورها، ازجمله ژاپن و آمریکا، وجود دارد. ازاینرو، استفاده از صنعت اختلاط عمیق در کاهش روانگرایی نشاندهنده کارایی و تأثیرگذاری آن خواهد بود.
در جدول زیر، خلاصهای از کاربردهای مختلف و مدرن تکنولوژی اختلاط عمیق که در برخی موارد میتواند تفاوت جت گروتینگ و dsm نیز باشد، همراه با برخی کاربردهای سنتی آن، ارائه شده است.
تکنولوژی اختلاط عمیق | |||
کاربرد دریایی و اسکله | فونداسیون سازهها | جلوگیری از فشار زمین | کنترل زهکشی |
دیوارههای بارانداز | مخازن و برجها | تورم کف | احیا سد |
موجشکن | پشتبند پلها | کنترل گودبرداری | بهسازی ساحل رودخانهها |
سازههای اسکله | تثبیت خاکریز | لغزش و گسیختگی شیب | |
تجهیزات زیرزمینی | نگهداری سازههای پیرامونی | ||
دیوارههای حائل | تثبیت حفاری روباز | ||
فونداسیون ساختمان |
تکنولوژی اختلاط عمیق | ||
کاهش روانگرایی | کاربرد زیستمحیطی | کاربردهای جدید |
ثابت کردن PCB | محافظ تونلزنی | |
اصلاح VOC ها | مهاربندی خاک | |
کاهشدهنده امواج |
کنترل کیفی
بهطورکلی، آزمایشهای موردنیاز برای کنترل کیفی محصول اختلاط عمیق شامل موارد زیر میشوند:
- افزودنیهای مصرفی: این موارد باید مطابق با استانداردهای ملی و مشخصات پروژه انتخاب و کنترل گردند.
- سیمان مصرفی: سیمان مورد استفاده در اختلاط عمیق باید با استانداردهای ملی سازگار و باکیفیت مطلوب باشد.
- دوغاب مصرفی: دوغاب مصرفی باید کیفیت مناسبی داشته و با مشخصات پروژه سازگار باشد تا بهسازی مؤثر انجام گردد.
- کنترل پساب خروجی: پساب حاصل از اختلاط عمیق باید مطابق با استانداردها و مقررات مربوطه بررسی شده و تصفیه شده باشد.
- کنترل کیفیت آب مصرفی (مطابق استانداردهای ملی): آب مصرفی باید مطابق با استانداردهای ملی و مشخصات پروژه بوده تا تأثیر منفی بر کیفیت اختلاط عمیق ایجاد نشود.
- آزمایشهای کنترل مشخصات هندسی (قطر، امتداد و طول): این آزمایشها بهصورت اندازهگیری و مشاهدهای انجام میشوند و شامل اندازهگیری انحراف در پلان، انحراف در عمق و انحراف قطر در عمق بوده تا اطمینان حاصل گردد که ستونهای جت گروت مطابق با مشخصات پروژه ساخته شدهاند.
مهمترین تفاوت جت گروتینگ و dsm
جت گروتینگ و dsm هر دو بهعنوان روشهای بهسازی و تقویت خاک در پروژههای عمرانی استفاده میشوند. در جت گروتینگ یا تزریق پرفشار، مخلوط آب و سیمان یا آب با فشار بالا از طریق نازلها به خاک تزریق شده که باعث شکستن ساختار خاک و ایجاد ستونهای سخت و بی همگن میشود. این روش معمولاً در پروژههای تونل و بهسازی خاکهای نرم مورد استفاده قرار میگیرد.
از سویی دیگر، در روش dsm یا اختلاط عمیق، از مخلوط مواد چسبنده با خاک به شکل دوغاب یا پودر استفاده شده و به کمک میلههای چرخان به عمق مورد نیاز تزریق میگردد. در اختلاط عمیق بهسازی خاکهای نرم و افزایش پایداری آنها بهکاررفته و توده اصلاح شده بهصورت یکنواخت اطراف میلهها ایجاد میگردد.
در توضیح تفاوت جت گروتینگ و dsm باید گفت که جت گروتینگ ستونهای سخت و بی همگنی ایجاد میکند که بیشتر برای پروژههای تونل و تأسیسات زیرزمینی مناسب است. بهعبارتدیگر، این روش برای ایجاد ساختارهای سخت و پایدار در عمقهای زیاد به کار میرود.
در مقابل dsm در تقویت خاک و ایجاد پایداری در ساختوسازهای زیرزمینی و کنترل رانش خاک مناسب است، اما توده اصلاح شده بهصورت یکنواخت در اطراف میلهها شکل میگیرد و در عمقهای کمتر به کار میرود. انتخاب بین این دو روش بستگی به نیازهای خاص هر پروژه و شرایط زمینی دارد.
جدول مقایسه تفاوت جت گروتینگ و dsm
در جدول زیر، مقایسهای از مؤثر بودن و هزینه نسبی روشهای متداول بهسازی خاک در عمق آورده شده است. این جدول نشان میدهد که روش اختلاط عمیق دارای محدودیت تا حدود ۲۰ متر عمقی است، درحالیکه تزریق با فشار بالا محدودیت عمقی ندارد.
روش بهسازی عمیق | عمق مؤثر | هزینه نسبی |
تزریق با فشار بالا | محدودیتی ندارد | زیاد |
اختلاط در عمق | تا حدود 20 متر | زیاد تا بسیار زیاد |
تراکم ویبرهای | تا حدود 30 متر | متوسط |
ویبره جایگزینی | تا حدود 30 متر | متوسط |
تراکم دینامیکی | 15 متر با تجهیزات معمولی | کم |
تراکم انفجاری | محدودیتی ندارد (50 متر) از پایین به بالا | متوسط |
این تحلیل نشان میدهد که مهمترین فرق جت گروتینگ و dsmدر عمق اجرای عملیات است. درصورتیکه نیاز به بهسازی در عمقهای بیشتری وجود داشته باشد، تزریق با فشار بالا بهعنوان یک روش مناسبتر و بدون محدودیت عمقی معرفی میشود. به همین دلیل، انتخاب روش مناسب به نوع پروژه، خصوصیات خاک و عمق موردنظر بستگی دارد.
اهمیت اطلاع از تفاوت جت گروتینگ و dsm
هدف اساسی در هر پروژه عمرانی، حصول بیشترین بهرهوری از منابع مالی و مدیریت مناسب پروژه در چارچوب طرح مورد تأیید، با حفظ کیفیت مطلوب است؛ بنابراین، بسیار مهم است که در تمام مراحل پروژه، ارتباط بین هزینهها، زمانبندی و کیفیت بهدقت موردبررسی قرار گیرد.
شناسایی و مطالعات اولیه، بهویژه مطالعات ژئوتکنیک ابتدایی و تکمیلی، قبل از اتخاذ تصمیمات درباره طراحی و تأیید نهایی طرح، بیشترین تأثیر را بر دستیابی به این هدف دارند و از هدر رفت منابع جلوگیری میکنند. همچنین، استفاده از تکنولوژی ساختوساز، همراه با استفاده از مصالح بهروز و باکیفیت، به بهبود کیفیت اجرا و افزایش عمر مفید سازهها کمک میکند.
درواقع تشخیص نحوه اجرای فرایند و استفاده از بهترین و مناسبترین متدها امری ضروری است که باید توسط کارشناسان متخصص صورت گیرد. بررسی تفاوت جت گروتینگ و dsm و سایر روشها و به کار بردن مناسبترین تکنیک با پروژه در حال اجرا فقط میتواند توسط تیمی با تجربه و متخصص حاصل گردد.
گروه مهندسی سانا پی به کمک تیمی حرفهای و دقیق، خدمات باکیفیت و قیمت مناسب ارائه میدهند. پشتیبانی سریع و تضمین بهترین نتیجه از پروژه جزو اهداف اصلی این مجموعه محسوب میشود.