جت گروتینگ یا همان تزریق پرفشار (jet grouting) یکی از روش های نو ظهور مبتنی بر تزریق بوده که جهت بهسازی و تثبیت خاک، افزایش توان باربری خاک و افزایش مقاومت آن کاربرد دارد. مزایای بی شمار جت گروتینگ موجب شده تا در سال های اخیر، این روش مورد توجه بسیاری از مهندسین قرار بگیرد.
پیشینه ی روش جت گروتینگ
جت گروتینگ همواره به عنوان یکی از بهترین روش ها جهت آب بند کردن، اصلاح مقاومت و یا تحکیم بستر خاک به صورت درجا شناخته شده و در بسیاری از پروژه ها ( برای مثال زمین های دارای آب زیرزمینی) نیز قابل اجرا می باشد. روش جت گروتینگ برای اولین بار در سال 1974 میلادی و در کشور ژاپن مورد بررسی قرار گرفت و خوب است بدانید که در ابتدا مهندسین از این روش به منظور اصلاح مشخصات خاک های سطحی (جهت احداث فوندانسیون سازه های بزرگ) استفاده می کردند.
با گذر زمان و در دهه ی 80 میلادی این روش در دیگر کشورها نظیر آلمان، بریتانیا و ایتالیا مورد استفاده قرار گرفت و سپس به عنوان یک ابزار ژئوتکنیکی در سرتاسر اروپا و در زمینه هایی چون گود برداری، فوندانسیون، آب بندی، تونل و … گسترش یافت.
در سال 1986 میلادی این روش توسط یک محقق آمریکایی وارد آمریکا شد و به دلیل اقتصادی بودن و امکان اجرای پروژه ها در شرایط سخت مانند نگهداری از پل ها، نبود فضای کار و … در این کشور محبوب شد و به دنبال آن این روش، در سال 1988 در برزیل نیز مشهور شد.
بررسی کاربرد روش تزریق پرفشار
از این روش می توان به منظور پایدارسازی و بهسازی خاک استفاده کرد. از جمله دیگر کاربرد آن نیز می توان به بازسازی و ترمیم پی، پایدارسازی شیروانی، استفاده به جای شمع، خاکبرداری و دیوار آب بند سد، افزایش ظرفیت باربری پی، دوخت به کف و … اشاره کرد.
معرفی انواع جت گروتینگ
روش جت گروتینگ خود به انواع مختلفی تقسیم بندی شده که هر یک به شرح ذیل می باشد.
سیستم تک سیاله (single fluid): در این روش تنها قسمتی از ساختار خاک سیمانته می شود.
روش اجرای تک جزئی یا تک سیاله: در گام اول با استفاده از تجهیزاتی چون راد و یا میله حفاری با قطر مشخص، عملیات حفاری گمانه درون زمین با سرعت بسیار بالایی آغاز می شود.
سپس دراین مرحله پس از رسیدن راد به عمق مورد نظر، دوغاب به کمک پمپ (با سرعت و فشار بالا) به کمک نازل های دیواره ی جداره ی راد، به درون خاک تزریق شده و این کار سبب شکست ساختار خاک و اختلاط کامل آن نیز می شود.
توجه: در این مرحله راد در زمان تزریق در حال چرخیدن بوده و با سرعت پایین به سمت بالا حرکت می کند.
جالب است بدانید که فشار بالای تزریق با افزایش تراکم خاک اطراف، سبب ایجاد محیطی همگن می شود.
سرعت چرخش و سرعت حرکت رو به بالای راد و فشار تزریق، غلظت مخلوط تزریق، شیوه ی عملکردی دستگاه و نوع مخلوط تزریق نیز سبب ایجاد تغییر در مشخصات ستون می شود.
توجه: در صورت مورد اهمیت بودن آب بند کردن می توان به مخلوط، مقداری بنتونیت اضافه کرده و سپس آن را تزریق کرد. همچنین این روش در خاک های شنی ستون هایی با قطر (0.6 تا 1.2) متر و در خاک های ماسه ای و سیلتی ستون هایی با قطر بزرگ تر ایجاد می کند.
سیستم دو سیاله (double fluid): این روش سبب بهسازی بخش بیشتری از ساختار خاک شده و در آن گروت سیمانی به همراه هوای فشرده شده با فشار بسیار بالا به درون خاک تزریق می شود و این امر سبب تشکیل ستون های سیمانی با قطر بزرگ تر می گردد.
روش اجرا (دو جزئی): روش دو سیال شباهت بسیار زیادی به روش تک سیال داشته با این فرق که در حین عملیات تزریق با فشار بالا، هوای فشرده و دوغاب به طور همزمان به درون خاک تزریق شده که این امر سبب افزایش شعاع نفوذ و بالا رفتن انرژی تزریق می شود.
در سیستم دو جزئی، از دو سیال دوغاب به منظور برهم زدن ساختار خاک و هوا و در دنبال آن افزایش قطر ستون ها استفاده شده و سبب ایجاد ستون هایی با قطر بیش از یک متر (در خاک های مقاوم) و با قطر بیش از 1.8 متر (در خاک های سست) می شود.
توجه: به یاد داشته باشید که این روش در خاک های چسبنده کاربرد بسیار بالایی دارد.
سیستم سه سیاله (triple fluid): در این سیستم عملیات خاکبرداری به کمک تزریق آب و هوای فشرده در خاک انجام شده و گروت با فشار کمتر و از نازل پایین میله حفاری به درون خاک تزریق می شود. خوب است بدانید که این روش سبب بهبود پارامتر های خاک و بهسازی بسیار بالای آن نیز می شود.
روش اجرا (سه جزئی): در سیستم سه سیاله در ابتدا میبایست جهت شکستن ساختار خاک، آب با فشار بسیار بالا (در وضعیتی که غلاف هوای فشرده در اطراف آن قرار داشته باشد) به درون خاک تزریق شود. سپس دوغاب با فشار (40 الی 70 بار) جهت مخلوط شدن با خاک به محدوده ی تعیین شده تزریق شده و ستون هایی به قطر 0.9 تا 1.5 متر ایجاد می کند.
توجه: این روش نیز به عنوان بهترین گزینه برای خاک های چسبنده محسوب می شود.
تجهیزات ضروری
از جمله تجهیزات مورد نیاز جهت اجرای این سه روش می توان به سیلو، پمپ با فشار بالا، تجهیزات مورد نیاز به جهت حفاری، پمپ مخلوط تزریق، تجهیزات اختلاط و کمپرسور اشاره کرد.
نکته: انتخاب هر یک از روش های مذکور بر اساس عواملی چون نوع خاک، خواص فیزیکی و کاربرد مورد نظر از توده خاک سیمان انتخاب می شود.
خاک و اهمیت آن در انتخاب سیستم جت گروتینگ
یکی از مهم ترین عوامل جهت انتخاب سیستم مناسب تزریق پرفشار، نوع خاک و لایه بندی آن می باشد. فرسایش پذیری خاک و بهم ریختگی ساختار آن با انرژی حاصل از تزریق پرفشار نیز یکی دیگر از نکاتی است که باید به آن توجه داشت .
در ادامه به بررسی فرسایش پذیری انواع خاک خواهیم پرداخت.
فرسایش پذیری بالا (Highly erodible)
- ماسه تمیز
- خاک سنگ دار
- خاک شنی
فرسایش دشوار (Difficult erode)
- ماسه سیلتی سست
- ماسه رسی متراکم
- ماسه سیلت دار متراکم
- ماسه رسی سست
- ماسه و سیلت آلی
- سیلت با خاصیت خمیری کم
- سیلیت با خاصیت خمیری بالا
- رس با خاصیت خمیری کم (رس نرم)
- رس با خاصیت خمیری بالا
لایه بندی خاک و اهمیت آن
شرایط لایه های خاک سبب ایجاد مخلوط دوغابی و خاک با کیفیت متغیر شده، از این روی لایه بندی خاک نیز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد. به منظور ایجاد ستونی با هندسه ی یکنواخت، پارامتر های تزریق پرفشار نیز باید در عمق تغییر کند.
برای درک بهتر از اهمیت خاک و لایه های آن خوب است بدانید که وجود تخته سنگ می تواند با ایجاد سد در برابر جت، از بهسازی خاک پیشگیری کند و همچنین درخت دفن شده در خاک و خاک سیمانی شده نیز یکی از اصلی ترین دلایل فرسایش ضعیف می باشد.
بررسی روش اجرای تزریق پرفشار
در ابتدا فرآیند حفاری تا عمق مورد نظر و با قطر 76 تا 110 میلی متر و به صورت دورانی انجام شده و همزمان از فشار آب نیز استفاده می شود. سپس در میکسرهای اولیه و ثانویه دوغاب مورد نظر تهیه و آماده ی تزریق شود. در این گام جت دوغاب سیمان آماده شده با سرعت بسیار بالا (100 متر بر ثانیه) از طریق نازل تعبیه شده در نوک حفار به سمت بیرون جریان پیدا کرده و دوغاب خروجی با تخریب و اختلاط، خاک محل را تثبیت می کند.
نکته: شعاعی که در تاثیر تزریق جت قرار دارد، شعاع تاثیر نام داشته و به عوامل زیر بستگی دارد.
- مدت زمان تزریق
- مقاومت برشی برجای خاک
- شدت فشار تزریق
- وزن مخصوص دوغاب تزریق
- اندازه نازل ها
پس از سخت شدن ترکیب دوغاب، ستونی با مقاومت بالا و با مشخصات نفوذ ناپذیری و باربری مناسب برای پروژه ی عمرانی مورد نظر ایجاد می شود.
مزایا روش جت گروتینگ
مزایا بی شمار این روش سبب شده تا از آن به عنوان بهترین جایگزین برای روش های بهسازی چون روش های دینامیکی، اجرای شمع، پیش بارگذاری و … یاد شود.
مزایا روش جت گروتینگ به شرح ذیل می باشد.
- قابل استفاده در بازه ی وسیعی از خاک ها
- بهترین گزینه به منظور بهسازی خاک های سست و زمین های ساحلی
- سرعت بسیار بالا و امکان اجرای 100 تا 150 متر در روز
- کاهش نشست خاک بر اثر سربار
- هزینه ی مقرون به صرفه به نسبت دیگر روش ها
- کاهش نفوذ پذیری و افزایش مقاومت خاک
- اصلاح زمین به شکل درجا
- قطر کم حفاری و در پی آن امکان استفاده در خاک های درشت دانه
- تولید صدا و ارتعاش بسیار کم
- عدم نیاز به تجهیزات کارگاهی
- پیشگیری از روانگرایی
همچنین به دلیل امکان کارگذاری مقاطع فلزی در این روش، مقاومت خمشی ستون تا حد زیادی افزایش پیدا می کند.
اشکال گوناگون ایجاد شده توسط جت گروتینگ
از جمله اشکال اصلی بوجود آمده توسط جت گروتینگ می توان به شکل ستونی و صفحه ای اشاره کرد. به یاد داشته باشید که اشکال هندسی بوجود آمده به عواملی چون فشار و سرعت تزریق و سرعت حرکت، بالا آمدن و دوران لوله حفاری وابسته است.
فرم صفحه ای: تزریق همزمان دوغاب و بالا کشیدن لوله ی حفاری بدون چرخش، سبب ایجاد فرم پانل یا صفحه ای می شود. جالب است بدانید که جهت تولید صفحات اضافی نیز می توان از چند نازل استفاده کرد.
فرم ستونی: با چرخش لوله ی حفاری به هنگام بالا کشیدن و تزریق همزمان دوغاب می توان به فرم ستونی با مقطع دایره ای شکل دست یافت.
توجه: با چرخش ناقص، ایجاد فرم ستونی با مقاطع ربع دایره و یا نیم دایره امکان پذیر می باشد.
کنترل کیفی چیست؟
بررسی شرایط اجرا در روش های پایدارسازی و بهسازی خاک، کنترل کیفی نامیده می شود. در فرآیند کنترل کیفی، فرضیات طراح در محل پروژه آزمایش شده و فرآیند اجرایی شدن آن مورد بررسی قرار میگیرد.
در روش جت گروتینگ فرآیند کنترل کیفی بر روی ستون های آزمایشی و اصلی قابل انجام بوده و برای این کار ستون های آزمایشی با مقادیری چون گام ها و فشار تزریق، طرح اختلاط مختلف و … اجرا شده و اطلاعات تزریق به طور دقیق بررسی و ثبت می شود. سپس در پایان و بعد از تعیین مقاومت و قطر ستون های آزمایشی، ستون های تزریق پرفشار پروژه بر اساس پارامترها اجرا می شود.
کنترل های لازم در مرحله ی ساخت ستون های نهایی شامل آزمایش های بزرگ مقیاس، آزمایش های کنترلی بعد از گیرش، آزمایش های کنترل مصالح پیش از گیرش می باشد. جهت بالا بردن دقت در کار مهندسین یک ستون تزریق پرفشار در پروژه ایجاد کرده و مقاومت 28 روزه ی آن را با اندازه گیری در اعماق گوناگون بدست می آورند. جالب است بدانید که مقاومت فشاری خاک سیمان با میزان سیمان به کار رفته در ملات دوغاب و جنس خاک رابطه ی مستقیم دارد.
مقایسه روش جت گروتینگ و اختلاط عمیق
روش اختلاط عمیق برای اولین بار در کشور ژاپن به منظور پایدارسازی گود و ایجاد دیوار بند آب مورد استفاده قرار گرفت و با گذشت زمان در دیگر کشورها نظیر آمریکا محبوب شد. اختلاط عمیق با دو روش خشک و تر قابل اجرا بوده و با حذف آلودگی ها، دوستدار محیط زیست نیز می باشد. از جمله مهم ترین تفاوت های این دو روش می توان به عمق موثر اشاره کرد به طوری که در روش اختلاط عمیق محدودیت عمق تا 20 متر بوده و در روش جت گروتینگ محدودیتی در زمینه ی عمق وجود ندارد.
هزینه ی تجهیزات مورد نیاز
هزینه ی تجهیزات یکی از مهم ترین بخش های عملیات جت گروتینگ بوده که بودجه ی مالی پروژه را تحت تاثیر قرار می دهد. یکی از اصلی ترین تجهیزات جهت انجام این عملیات دستگاه حفاری راد بوده که خود انواع مختلفی دارد. دستگاه راد با طول حفاری گوناگون (، 1.5، 6، 3، 1 ) در بازار موجود بوده که هر یک هزینه ی متفاوتی دارند.
بهتر است به منظور خرید تجهیزات از افراد متخصص کمک بخواهید.
نحوه ی محاسبه ظرفیت باربری
خوب است بدانید که به منظور محاسبه ظرفیت باربری مجاز ژئوتکنیکی ستون های جت گرویتنگ یا تزریق پرفشار، از نوک ستون ها و یا مقاومت اصطکاکی استفاده شده و ظرفیت ستون ها برابر با حداقل دو میزان ظرفیت مجاز سازه ای و ظرفیت مجاز ژئوتکنیکی می باشد.
ظرفیت مجاز سازه ای: دو روش به منظور محاسبه ی ظرفیت مجاز سازه ای وجود داشته که به شرح ذیل می باشد.
- روش اول: بارگذاری مقیاس ستون ها
- روش دوم: مقاومت تک محوره مغزه های اخذ شده از ستون
جمع بندی:
جت گروتینگ یکی از محبوب ترین روش های پایدارسازی و افزایش مقاومت و توان باربری خاک می باشد. در این روش باید بعد از حفاری گمانه تا عمق تعیین شده، سوسپانسیون تزریق تحت فشار بسیار زیاد و با سرعت بالا (صد متر بر ثانیه) از نازل انتهای میله حفاری خارج شده و با خاک اطراف محل خروج مخلوط، ترکیب می شود. میله ی حفاری که راد نیز نامیده می شود همزمان به طور آهسته بالا کشیده شده و در نتیجه ستونی از سوسپانسیون تزریق شده و مصالح تخریب شده تشکیل می شود.