مقدمه
به مجموعه کارها و روش هایی که روی خاک انجام می شود تا خواص مکانیکی آن بهبود یابد و برای اجرای سازه های مهندسی آماده شود؛ بهسازی خاک گفته می شود. روش های بهینه سازی خاک بسیار متنوع می باشد. بهسازی خاک یکی از مهمترین عملیات ها قبل از شروع ساخت سازه می باشد؛ زیرا ساخت سازه روی خاک های نامناسب و مسئله دار یکی از اشتباه ترین کارها می باشد و ممکن است در آینده این سازه به مشکل بر خورد. به همین علت قبل از شروع ساخت سازه این عملیات یکی از مهمترین عملیات ها می باشد. در این مطلب از سایت دی اس ام ایران به معرفی و بررسی کامل بهینه سازی خاک می پردازیم. با ما همراه باشید.
تاریخچه
عملیات بهسازی خاک یک ایده جدید نمی باشد و برخی از اصول اولیه آن به هزاران سال پیش بر می گردد. به عنوان مثال در قدیم از کاه به همراه گل برای ساخت خانه های کاهگلی استفاده می شده است؛ زیرا ترکیب کاه و گل باعث افزایش استحکام و همچنین ظرفیت باربری سازه های خاکی می شد.
در برخی از نوشته های تاریخی اسنادی وجود دارد که نشان می دهد حدود 4 هزار سال پیش از ترکیب سنگ و الوار چوبی برای عملیات بهسازی خاک استفاده می شد و همچنین 1400 سال پیش از ترکیب آهک و خاک برای ساخت جاده آپیا استفاده شده است که این جاده بسیار عالی بوده و اکنون نیز قابل استفاده است.
امروزه با پیشرفت تکنولوژی و علوم مهندسی از موادی که دارای استحکام بالا می باشد و همچنین دوام آنها بیشتر است به جای مواد قدیمی استفاده می شود ولی باید بدانید اصول اولیه و مکانیزم آن هیچ تغییری نکرده و مانند قدیم می باشد.
معرفی بهسازی خاک
بهینه سازی خاک Soil Improvement یعنی تغییر خواص خاک برای بهبود عملکرد خاک برای ساخت سازه ها و کاربرد های مهندسی است. زمانی که مهندسان می خواهند یک مکان مناسب برای اجرای پروژه های عمرانی و نوسازه ها پیدا کنند باید نکات بسیار زیادی در نظر بگیرند که یکی از مهم ترین نکات تاثیرگذار، بارهای اعمال شده روی زمین و همچنین عکس العمل زمین در برابر آنها است که باید در نظر بگیرند.
به طور کلی بار هایی که روز یک زمین اعمال می شوند دو نوع است که عبارتند از:
- بارهای دارای منشا انسانی
- بارهای دارای منشا طبیعی
در هر دو حالت بالا برای مهندسان پارامترهایی وجود دارد که از آنها برای پیش بینی تاثیر شرایط بارگذاری مختلف استفاده کنند. معمولا اثرات شرایط بارگذاری با توجه به مشخصات خاک آن محل مورد بررسی قرار می گیرد.
در بهسازی خاک چه خواصی مهم است؟
ابتدا باید بدانید که خواص خاک به کاربرد آن بستگی دارد. به عنوان مثال اگر آن محل برای کشاورزی قرار است استفاده شود؛ بهسازی خاک برای بهبود باروری خاک انجام می شود تا آن محل برای رشد گیاه مناسب باشد. در مهندسی عمران این عملیات برای اجرای سازه ها است؛ در نتیجه بهسازی خاک برای پایداری سازه انجام می شود.
مهمترین پارامتر های بهینه سازی خاک در حوزه عمران عبارتند از:
مقاومت برشی: مقاومت برشی به این معنا می باشد که بدون هیچ تغییر شکل اضافی یا شکست، بارهای استاتیک و دینامیک را تحمل کند.
تراکم پذیری: تراکم پذیری وظیفه کنترل نشست، جریان پذیری و تغییر حجم توده خاک را برعهده دارد.
نفوذ پذیری: نفوذپذیری نرخ عبور سیالات از درون فضای متخلخل توده خاک را تحت تاثیر قرار میدهد.
تورم و جمع شدگی: به حجمی که بر اثر افزایش یا کاهش توده خاک تغییر می کند؛ تورم و جمع شدگی گفته می شود.
سفتی ، دوام، قابلیت فرسایش و خزش نیز جز پارامتر های بسیار مهم می باشد که در پروژه ها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.
اصطلاحات دیگر بهسازی خاک
بهبود خاک برای کاربرد های مهندسی از طریق تغییر مشخصات خاک با اصطلاحات متفاوتی شناخته می شود که عبارتند از:
- بهسازی خاک (Soil Improvement)
- بهسازی زمین (Ground Improvement)
- پایدار سازی خاک (Soil Stabilization)
- اصلاح زمین (Ground Modification)
بعضی از منابع بین این اصطلاحات فرق می گذارند و معتقد هستند که با یکدیگر متفاوت هستند ولی وجه اشتراک آنها بسیار زیاد است که در بسیاری از مواقع اصطلاحات بالا را به جای یکدیگر به کار می برند.
رویکرد های اجرای بهسازی خاک
به طور کلی همانطور که گفته شد بهسازی خاک یا زمین برای دستیابی به خواص ژئو مکانیکی بهتر انجام می شود که این عملیات با استفاده از سه رویکرد مختلف انجام می شود که عبارتند از:
- بهسازی زمین بدون اضافه کردن مصالح دیگر
- بهسازی زمین با اضافه کردن مصالح مخصوص
- بهسازی زمین با استفاده از المان های تقویت کننده
هدف بهینه سازی زمین
به طور کلی می توان گفت هدف اصلی بهسازی خاک، تغییر خواص خاک و کنترل ویژگی های ژئوتکنیکی آن است تا آن خاک عملکرد خوبی نسبت به سازه داشته باشد. برای بهسازی خاک موارد زیر را تغییر می دهند که به عنوان هدف بهسازی زمین شناخته می شود که این موارد عبارتند از:
- جلوگیری از نشست با استفاده از تراکم پذیری
- بهبود پایداری ، ظرفیت باربری، دوام و …. با استفاده از افزایش استحکام
- جلوگیری از جریان آب زیرزمینی با استفاده از کاهش نفوذپذیری
- بهبود قابلیت زهکش با استفاده از افزایش نفوذپذیری
- کاهش احتمال رونگرایی ناشی از بارهای لرزه‌ای
بهسازی های که در بالا با آنها آشنا شدید با روش های مختلف اجرا می شود و باید بدانید که بهسازی زمین در فاز های مختلف انجام می شود.
بر اساس زمان اجرا، بهسازی به چند نوع تقسیم بندی می شود؟
به طور کلی بهسازی زمین بر اساس زمان اجرا به سه دسته تقسیم می شود که عبارتند از:
- پیش از شروع ساخت سازه
- حین ساخت سازه
- بعد از تمام شدن ساخت سازه
در ادامه به بررسی موارد بالا می پردازیم.
بهسازی زمین پیش از شروع ساخت سازه:
این نوع بهسازی که قبل از شروع عملیات اجرایی انجام می شود بسیار مطلوب و اقتصادی است که در اکثر مواقع قبل از شروع ساخت سازه بهسازی خاک نیز انجام می شود. مهندسان برای این که یک پروژه با موفقیت به پایان برسد قبل از شروع پروژه اقدام به بهسازی خاک می کنند که این بهسازی بخشی از فرایند و برنامه ریزی آنان می باشد.روش هایی که برای بهسازی خاک پیش از شروع ساخت استفاده می شود عبارتند از:
- تراکم زمین
- پیش تحکیم
- زهکشی
- آبکشی
- تغییر مسیر جریان‌های هیدرولیکی
- شمع کوبی
- تزریق دوغاب
بهسازی خاک در حین ساخت سازه
ابتدا باید بدانید زمانی که بهسازی در حین ساخت انجام می شود؛ المان هایی که در آن بهسازی استفاده می شود معمولا به اجزای اصلی ساختمان تبدیل می شود و دائمی هستند. معمولا زمانی که در حال ساخت سازه هایی مثل شیب، خاکریز، دیوار حائل و جاده هستند از روش بهسازی در حین ساخت استفاده می کنند. روش های اجرای بهسازی خاک در حین ساخت سازه عبارتند از:
- استفاده از ستون‌های شنی متراکم
- تثبیت سطحی (کنترل دانه‌بندی، تراکم سطحی، اضافه کردن افزودنی‌ها)
- انجماد خاک
- استفاده از مواد ژئوسینتتیک
- میخکوبی یا نیلینگ خاک
- دوخت به پشت
- گودبرداری
- پر کردن با مواد سبک
بهسازی زمین بعد از ساخت سازه
این روش بهسازی معمولا برای بازسازی یا ترمیم مورد استفاده قرار می گیرد و باید بدانید که هزینه این نوع بهسازی نسبت به دو نوع قبلی بیشتر است. این مورد معمولا به عنوان آخرین گزینه مورد استفاده قرار می گیرد و بیشتر برای رفع مشکلات پیش امده بعد از اتمام پروژه و همچنین برای پایدار سازی عوارض مربوط به ریزش طبیعی یا ساختمان هایی که مستعد ریزش هستند مورد استفاده قرار می گیرد. روش های بهسازی زمین بعد از ساخت سازه عبارتند از:
- تزریق دوغاب
- نیلینگ
- زهکشی
- آبکشی
- تغییر مسیر جریان های هیدرولیکی
بر اساس مکانیزم اجرا، بهسازی به چند نوع تقسیم بندی می شود؟
بر اساس مکانیزم اجرایی، بهسازی به چهار نوع تقسیم بندی می شود که عبارتند از:
- مکانیکی
- هیدرولیکی
- فیزیکی/شیمیایی
- سازه ای
در ادامه به بررسی هرکدام از آنها می پردازیم.
بهسازی مکانیکی
در این روش با استفاده از تغییر فیزیکی مصالح خاک عملیات بهسازی انجام می دهند و زمین را برای ساخت سازه آماده می کنند. در بیشتر مواقع زمانی که می خواهند افزایش کنترل شده چگالی توسط مصالح پرکننده یا تراکم خاک را انجام دهند از این روش برای بهسازی خاک استفاده می کنند که تراکم خاک باعث بهبود خواص و رفتار زمین می شود.
بهسازی هیدرولیکی
زمانی که مشخصات مرتبط با جریان، تراوش و زهکشی را تغییر می دهند تا به عملکرد مناسب خاک برای آن پروژه دست یابند، بهسازی هیدرولیکی خاک گفته می شود. روش های بهسازی هیدرولیکی عبارتند از:
- کاهش سطح آب زیرزمینی توسط زهکشی
- آبکشی چاه‌های اطراف محل پروژه
- کاهش/افزایش نفوذپذیری خاک
- تحکیم/پیش تحکیم برای اینکه نشست های احتمالی در آینده را کاهش دهند
- کاهش قابلیت تراکم (افزایش استحکام)
- فیلتراسیون جریان آب زیرزمینی
- کنترل شیب هیدرولیکی تراوش
- ایجاد دیوار هیدرولیکی
بهینه سازی فیزیکی و شیمیایی
زمانی که مهندسان می خواهند خاک را پایدار سازی کنند و این کار را از طریق انجام تغییرات روی خواص فیزیکی و شیمیایی خاک یا مصالح خاکی انجام می دهند؛ بهسازی فیزیکی و شیمیایی خاک گفته می شود.روش های بهسازی فیزیکی و شیمیایی خاک عبارتند از:
- ترکیب مصالح با خاک
- تزریق موادی نظیر دوغاب به درون خاک
- اعمال تغییرات حرارتی
شما باید بدانید زمانی که از این روش ها استفاده می کنند؛ تغییرات ناشی از آنها به صورت همیشگی باقی می ماند. به تازگی یک روش دیگر برای بهسازی خاک به وجود آمده به نام پایدار سازی زیستی از طریق روش های میکروبی، که این روش در دسته بهسازی فیزیکی و شیمیایی قرار می گیرد.
بهسازی سازه ای
در این روش مهندسان با استفاده از المان های سازه ای یا مصالح صنعتی پایداری خاک را افزایش می دهند.روش های بهسازی سازه ای عبارتند از:
- استفاده از تقویت کننده ها مثل المان های کششی
- استفاده از میل مهار (میخکوبی و انکراژ)
- مواد ژئوسنتتیک
- مواد تحکیم کننده (معمولا شنی)
- گابیون
- توری
- مواد پرکننده سبک
- تقویت خاک با کاشت گیاهان
این روش یکی از روش هایی است که کاملا به صورت فیزیکی عملیات بهسازی زمین انجام می دهند.
روش های بهسازی خاک
امروزه با پیشرفت علم روش های بسیار زیادی برای بهسازی خاک وجود دارد ولی بعضی از آن روش ها بیشتر از بقیه مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه به بررسی متداول ترین روش های بهسازی خاک می پردازیم.
روش تراکمی
یکی از قدیمی ترین روش های بهسازی زمین روش تراکمی است که از این روش برای افزایش چگالی خاک نرم یا سست مورد استفاده قرار می گیرد. هر سازه ای که خاک سست باعث می شود عملکرد آن دچار مشکل شود مثل جاده، مسیر فرودگاه و…. از این روش استفاده می شود. تراکم لایه های سطحی راه حل اولیه برای حل این مشکل است و اگر عمق خاک سست آن زمین کم باشد با استفاده از تجهیزاتی مثل غلتک می توان عملیات تراکم را انجام داد. روش های بهسازی خاک از طریق تراکم عبارتند از:
- استاتیک: در این روش به صورت تدریجی بار بزرگ بر روی خاک اعمال می کنند و آن را آزاد می کنند.
- ضربه ای یا دینامیک : در این روش وزنه های بزرگ بر روی سطح خاک رها می کنند.
- ارتعاشی: با استفاده از صفحات یا چکش های فرو رفته در خاک بارهای تکراری و سریع اعمال می کنند. در این روش معمولا همراه با تراکم غلتکی انجام می شود.
- غلتکی: با استفاده از یک غلتک استوانه ای سنگین تنش بر روی سطح خاک اعمال می کنند.
- مالشی: در این روش با جابحایی بخش های مجاور خاک تنش برشی اعمال می کنند.
- چرخشی: در این روش تنش استاتیکی اعمال می کنند با حفظ آن در یک جهت و چرخش خاک حول محور اعمال بار.
روش ارتعاشی
روش ارتعاشی یکی از روش های سریع می باشد که این روش باعث تراکم و همچنین افزایش چگالی خاک های اشباع غیر چسبنده می باشد. در این روش مهندسان ارتعاش و امواج ضربه ای را به درون توده های سست اعمال می کنند که باعث روانگرایی و افزایش چگالی ناشی از خروج آب اضافی می شود. متداول ترین روش های بهسازی ارتعاشی خاک عبارتند از:
- انفجار
- لوله ارتعاشی
- غلتک ارتعاشی
- ستون شنی ارتعاشی
- لرزه شناوری
- کوبش سنگین
روش زهکشی
یکی از مشکلات اصلی در زمان گود برداری آب زیرزمینی است که این آب باعث افزایش فشار منفذی و کاهش مقاومت برشی می شود که این دو مهم ترین پارامتر های مکانیکی خاک می باشند. انواع روش های برای کنترل این آب زیر زمینی وجود دارد که متداول ترین آنها که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
- سیستم چاه نقطه ای یا چاه زهکشی
- چاه زهکشی عمیق
- سیستم آبکشی با روش پمپ خلا
- آبکشی با روش الکترواسمز
روش پیش تحکیم
یکی از متدوال ترین روش های بهسازی خاک قبل از ساخت سازه روش پیش تحکیم است. این روش باعث جلوگیری از ریزش های احتمالی می شود. متداول ترین روش های پیش تراکم یا پیش تحکیم عبارتند از:
- پیش بارگذاری
- زهکشی قائم
- تحکیم دینامیکی
- تحکیم الکترواسمز
روش تزریق
در این روش موادی نظیر دوغاب یا موادی که باعث پایدار شدن خاک می شوند با استفاده از تجهیزات مخصوص به درون خاک تزریق می کنند. مزایای این روش بهسازی خاک عبارتند از:
- سطح آب زیر زمینی را کنترل می کند.
- فضای خالی توده خاک را پر می کند و جلوگیری از نشست آن می شود.
- ماسه های سست را پایدار میکند و از روانگرایی آنها جلوگیری می کند.
- استحکام خاک را افزایش می دهد.
- باعث تقویت زیر پی می شود.
روش پایدار سازی شیمیایی
پایدار سازی شیمیای با استفاده از افزودنی ها انجام می شود. در این روش از آهک، سیمان، خاکستر بادی، آسفالت یا ترکیبی از این مواد برای بهبود خواص خاک استفاده می شود. مزایای این روش بهسازی خاک عبارتند از:
- باعث کاهش نفوذپذیری می شود
- باعث افزایش مقاومت برشی می شود.
- ظرفیت باربری را افزایش می دهد.
- نشست احتمالی زمین را کاهش میدهد.
روش تقویت خاک
یکی دیگر از روش های متداول بهسازی زمین، تقویت خاک با استفاده از المان های تقویت کننده است.المان های تقویت کننده در بخش داخلی سازه های خاکی مثل خاکریز، شیب و دیوار مورد استفاده قرار می گیرد.این المان ها شامل پیچ، میل مهار و شمع است. البته از این روش برای پایدار سازی موقت حفریات و همچنین بخش پایینی سازه ها مورد استفاده قرار می گیرد.
روش ژئوسنتتیک
در این روش از مواد مصنوعی برای بهسازی زمین استفاده می شود. المان هایی که در این روش استفاده می شود معمولا از پلیمر ساخته می شوند. از این روش برای اجرای دیوار های حائل و شیب ها مورد استفاده قرار می گیرد. موادی که در این روش استفاده می شود باعث کنترل فرسایش خاک می شوند که عبارتند از:
- ژئوتکستایل : این مواد منسوجات متخلخلی هستند. از این نوع مواد برای جداسازی، فیلتراسیون، تقویت خاک، محافظت خاک و زهکشی خاک مورد استفاده قرار می گیرند.
- ژئوگرید: از این مواد برای تقویت دیوار حائل، زیر سازی جاده و فونداسیون سازه مورد استفاده قرار می گیرد.
- ژئونت : این مواد مشابه ژئو گرید است که همراه با ژئو تکستایل است. از این مواد برای زهکشی داخل مایعات یا گاز ها مورد استفاده قرار می گیرد.
- ژئوممبران : این مواد دارای نفوذ پذیری بسیار پایین هستند. از این مواد برای کنترل جریان سیالات و همچنین جلوگیری از عبور آنها مورد استفاده قرار می گیرد.
- ژئو کامپوزیت : این مواد با ترکیب مواد مصنوعی مختلف یا غیر مصنوعی ساخته می شود. این مواد از مزایای موادی که با یکدیگر ترکیب شده اند بهره می برند.
- ژئوسنتتیک کِلِی لاینر: یک نوع مواد ژئوکامپوزیتی می باشد که دارای مزایای ژئو ممبران است.
- ژئوفوم : از این مواد برای پر کردن، عایق حرارتی، زهکشی و کاهش فشار جانبی خاک مورد استفاده قرار می گیرد.
نتیجه گیری
امروزه بهسازی خاک یا زمین یکی از مواد بسیار مهم در ساخت سازه ها می باشد که باعث می شود در آینده آن سازه عملکرد بهتری داشته باشد. در این مقاله به طور جامع و کامل به بهسازی خاک پرداخته شد. امیدواریم مورد استفاده شما قرار گرفته باشد.