اصلاح خاک به روش پیش بارگذاری

اصلاح خاک به روش پیش بارگذاری

سازه‌های ساخته شده مثل بزرگراه‌ها و خاکریز‌ها روی خاک‌های نرم تحکیم نیافته، توسعه روش‌های بهبود خاک را به همراه داشت. این خاک‌های رسی نرم، دارای ظرفیت باربری پایین بوده و برای نشست شرایط خوبی را دارند و در برابر بارهای وارده نشست بزرگی را از خود نشان می‌دهند. بنابراین قبل از احداث سازه مورد نظر روی این خاک‌ها و برای جلوگیری از نشست بزرگ و غیر یکنواخت و در نتیجه آسیب رسیدن به ساختمان سازه مورد نظر، ترمیم و اصلاح این خاک‌ها اجتناب ناپذیر است.

تکنیک‌های مختلف اصلاح و بهبود زمین، امروزه در دسترس هستند که همه این روش‌ها در آخر باید منجر به افزایش مقاومت برشی، کاهش تراکم پذیری و کاهش تراوایی خاک شوند. انتخاب هر یک از روش‌های اصلاح خاک به شکل زمین شناسی خاک، خصوصیات خاک، هزینه، منابع قرضه و نتایج آزمایش‌های قبلی بستگی دارد. این روش‌ها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند. گروه اول روش‌هایی هستند که به مواد و لوازم خارجی در آنها نیاز است و اساس کار آنها بر اساس ستون‌های سفت و محکمی است که به وسیله اختلاط خاک در محل با مواد شیمیایی و یا به وسیله شمع کوبی ایجاد می‌شوند. گروه دوم روش‌هایی هستند که به وسیله آبگیری از خاک باعث تقویت خاک می‌شوند. پیش بارگذاری به عنوان یکی از کلاسیکی‌ترین و رایج‌ترین روش در عمل ثبت شده است. این روش اکثراً همراه زهکش‌های قائم استفاده می‌شود.

پیش بارگذاری کاربرد سربار (خاکریز) روی محل پروژه

پیش بارگذاری قبل از ساخت سازه، دائمی است تا وقتی که بیشتر نشست اولیه اتفاق افتد. چون خاک‌هایی با قابلیت تراکم بالا دارای تراوایی پایینی هستند. بنابراین زمان مورد نیاز برای تحکیم مناسب و مطلوب ممکن است خیلی طولانی شود. بنابراین استفاده از پیش بارگذاری به تنهایی شاید عملی نباشد. پس برای تسریع در سرعت زهکشی (زهکشی شعاعی) از زهکش‌های قائم استفاده می‌شود که باعث افزایش در سرعت تحکیم بوسیله کاهش طول قسمت زهکشی شده می‌شوند. با اینکه پیش بارگذاری و زهکش‌های قائم با هم ارتباط نزدیکی دارند ولی باید رفتار آنها جداگانه بررسی شود. همچنین برای ارزیابی اثر روش بهبود خاک از درجه تحکیم استفاده می‌شود که در صحرا به روش‌های مختلفی اندازه‌گیری می‌شود.

روش‌های پیش بارگذاری

پیش بارگذاری معمولاً به فرایند تراکم خاک زیر فشار عمودی گفته می‌شود که قبل از ساخت و قرار دادن بار سازه نهایی اعمال می‌شود. دو نوع پیش بارگذاری در عمل استفاده می‌شود.

‌پیش بارگذاری به وسیله خاکریز

ساده‌ترین روش برای پیش بارگذاری، بارگذاری بوسیله خاکریز است. وقتی بار روی خاک نرم قرار داده می‌شود این بار ابتدا به آب منفذی وارد می‌شود. وقتی تراوایی خاک خیلی پایین باشد ‌فشار آب منفذی به تدریج کاهش می‌یابد. این بخاطر آب منفذی است که فقط قادر است با سرعت کم در جهت عمودی جریان پیدا کند. برای جلوگیری از مشکلات پایدار (مثل ایجاد لغزش صفحه‌ای) بار باید در چند مرحله در محل قرار داده شود. این بار وقتی نشست به ۳ متر ارتفاع‌، مقدار نهایی مورد نیاز رسید، می‌تواند برداشته شود. خاکریزهای مورد استفاده در این روش بطور متوسط دارای ۱۰ هستند و معمولاً یک تا سه متر نشست ایجاد می‌کنند.

پیش بارگذاری توسط خلاء یا ایجاد مکش

در مواقعی که فراهم کردن خاک برای احداث خاکریز ممکن نیست یا منوط به صرف هزینه بسیار بالایی است و همچنین در جاهایی که خاک بستر، آنقدر نرم باشد که حتی قرار دادن خاکریزی به ارتفاع ۱/۵ متر باعث ایجاد مسائل پایداری شود، استفاده از روش خلاء در این مواقع مناسب و عملی است‌. در روش تحکیم به وسیله خلاء سربار یا بار مورد نیاز برای تحکیم با فشار اتمسفر یک جایگزین می‌شود. در ساده‌ترین نوع تحکیم خلاء، زهکش‌های قائم نیز استفاده می‌شوند و یک لایه زهکش ماسه‌ای در بالای سطح خاک وجود دارد. فشار منفی یا مکش مورد نیاز توسط پمپ خلاء ایجاد می‌شود‌. فشار منفی بکار برده شده یک فشار آب منفذی منفی ایجاد می‌کند که باعث افزایش تنش موثر در خاک می‌شود و این افزایش تنش موثر باعث افزایش سرعت تحکیم یا تسریع در فرآیند تحکیم می‌شود.

در روش بارگذاری توسط خاکریز تنش کل قائم بخاطر اضافه کردن بار زیاد شده و تنش موثر طبق رابطه بالا افزایش می‌یابد. در حالی که فشار آب منفذی بدون تغییر باقی می‌ماند. در مورد روش خلاء تنش کل قائم بدون تغییر می‌ماند و افزایش تنش موثر بخاطر کاهش در فشار آب منفذی است.

اصول برقراری زهکشی مناسب در پیش بارگذاری

‌کاربرد زهکش‌های عمودی در پیش بار گذاری

بطور کلی خاک‌های رسی نرم به علت تراوایی کم به زمان زیادی برای نشست تحکیمی نیاز دارد. برای افزایش سرعت تحکیم در این خاک‌ها زهکش‌های قائم به همراه خاکریز یا روش خلاء در خاک نصب می‌شود. این زهکش‌ها، بطور مصنوعی مسیر زهکشی در زیر خاک‌های رسی ایجاد می‌کنند. بخاطر وارد شدن فشار توسط خاکریز به آب منفذی، این آب تحت گرادیان هیدرولیکی ایجاد شده توسط پیش بارگذاری بصورت افقی به سمت زهکش‌ها جریان پیدا می‌کند. دلیل آن این است که تراوایی خاکهای رسی در جهت افقی بیشتر از جهت عمودی است. این آب به راحتی می‌تواند در طول زهکش‌های قائم به سمت لایه زهکش افقی یا لایه تراوا حرکت کند. پس می‌توان گفت زهکش‌های عمودی با کوتاه کردن مسیر زهکشی باعث افزایش سرعت فرایند تحکیم می‌شوند و این عمل به نوبه خود باعث افزایش مقاومت خاک رس بصورت خیلی سریع شده و باعث می‌شود که خاک توانایی پذیرش بار جدید را داشته باشد. همچنین استفاده از این زهکش‌ها خطر شکست خاک را در طی قرار دادن خاکریز در محل را حذف می‌کند.

یکی از انواع زهکش‌های قائم، زهکش‌های پیش ساخته است که دارای یک هسته پلاستیکی با یک کانال طولی فیتیله‌ای به عنوان زهکش و یک آستر کاغذی از مواد لیفی که مثل یک فیلتر از هسته محافظت می‌کند، هستند. برای قرار دادن این زهکش به داخل زمین هول داده شده یا کوبیده می‌شود. موقع نصب این زهکش‌ها بوسیله‌ی Close mandrel‌ها در داخل زمین‌، یک مندرال‌، به علت ابعاد کوچکی که این زهکش‌ها دارند، به هم خوردگی خاک اطراف در مدت نصب زهکش‌ها توسط مندرال خیلی کمتر است. پس این زهکش‌ها نسبت به زهکش‌های ماسه‌ای، که باعث به هم خوردگی زیاد خاک در موقع نصب و در نتیجه کاهش مقاومت آن می‌شود، ترجیح داده می‌شوند.

‌خصوصیات زهکش‌های پیش ساخته قائم

‌ظرفیت دبی مناسب

وظیفه و هدف استفاده از زهکش‌های پیش ساخته خارج کردن فشار آب اضافی از خاک و انتقال آن به محلی دیگر است. پس ظرفیت بالای زهکش قائم در بهتر شدن عملکرد آن موثر است. وقتی آب وارد زهکش می‌شود به دلایل مختلفی ممکن است جریان کاهش پیدا کند. ظرفیت دبی به فاکتورهای زیر بستگی دارد.

‌تنش تحکیمی

با افزایش مقدار تنش وارده به خاک (تنش تحکیمی) فیلتر به داخل شیارها یا شبکه زهکشی وارد شده و باعث کاهش سطح مقطع جریان ورودی به زهکش شده و این کاهش سطح به نوبه خود ظرفیت زهکشی را کاهش می‌دهد.

‌تغییر شکل زهکش

تحکیم خاک اطراف زهکش ممکن است باعث تغییر شکل زهکش (خمیدگی و شکست) داخل خاک شود و ظرفیت زهکشی را پایین آورد.

‌فشار جانبی خاک

به علت فشار جانبی خاک ممکن است فیلتر به داخل زهکش فرو رفته و در اثر کاهش سطح در دسترس جریان، ظرفیت یا دبی زهکشی کاهش یابد.

‌زمان

با گذشت زمان بعلت فعالیت‌های شیمیایی و بیولوژیکی در خاک (بعد از نصب زهکش‌ها) ظرفیت دبی زهکش‌ها کاهش می‌یابد.

‌گرفتگی زهکش

در فرایند فیلتراسیون، اگر منافذ فیلتر به اندازه‌ای بزرگ باشند، ممکن است همراه جریان ذرات ریز خاکک نیز منتقل شود. این ذرات اگر در هسته نشست کنند باعث گرفتگی زهکش و کاهش دبی زهکشی می‌شوند.

‌گرادیان هیدرولیکی

دبی یا ظرفیت زهکشی با گرادیان هیدرولیکی مختلف تغییر می‌کند. وقتی گرادیان هیدرولیکی زیاد باشد به علت کاهش انرژی در جریان متلاطم ایجاد شده در این شرایط ظرفیت زهکشی کم می‌شود.

‌دما

با افزایش درجه حرارت جریان آب سریع‌تر شده و ظرفیت زهکشی افزایش می‌یابد.

‌نصب زهکش‌

‌نصب با فشار

ماشین‌های زیادی با هول دادن مندرال به داخل خاک زهکش را در خاک نصب می‌کنند. این ماشین‌ها با استفاده از یک کابل فولادی مندرال را داخل خاک فشار می‌دهند که توسط جرثقیل یا یک چکش حرکت می‌کند.

‌نصب به وسیله لرزش

ویبراتورهای مختلف می‌تواند در مرکز مندرال یا در جای دیگر آن نصب شود. مندرال‌های هیدرولیکی و الکتریکی بطور گسترده در این روش نصب استفاده می‌شوند. یکی از ضعف‌های مندرال‌های الکتریکی روشن و خاموش شدن‌های مکرر مندرال است. یکی از مزیت‌های استفاده از ویبراتور قابلیت نفوذ آن در لایه‌های سخت است.

‌تست‌های آزمایشگاهی

بطور کلی خصوصیات سیستم فیلتر زهکش و عملکرد ممبراها (زهکش‌های از پیش ساخته شده) باید در آزمایش‌های زیر جداگانه بررسی شود.

فاکتورهای موثر در طراحی پیش بار گذاری به وسیله‌ی خاکریز

متغیرهای اصلی در طراحی منطقه پیش بینی شده به صورت زیر هستند.

• ارتفاع سربار
• ‌فاصله زهکش‌های قائم
• ‌مدت بارگذاری
• ‌درجه تحکیم
• ‌ضریب تحکیم به خاطر جریان افقی

پیش بینی مقدار و نرخ زمانی نشست به همراه زهکش‌های قائم نقش بسیار مهمی در طراحی پروژه‌های بهبود خاک توسط بارگذاری توسط خاکریز همراه زهکش‌های قائم دارد. صحت پیش بینی مقدار نشست و نرخ زمانی آن به انتخاب پارامترهای خاک و قضاوت مهندسی بستگی دارد. مقدار نشست پیش بینی شده بیشتر از میزان نشست اندازه گیری شده در عمل یا نشست واقعی است. این بخاطر ناحیه آلوده شده (بخاطر به هم خوردگی خاک در موقع نصب زهکش)، تغییرات خاک در طبیعت و فاکتورهای دیگر است.

‌طراحی ارتفاع خاکریز‌

استفاده از سربار به منظور پیش بارگذاری خاک پی برای رسیدن به حدی از تنش موثر است که باعث افزایش فشار شود. منظور از بار طراحی مجموع بارهای مرده و زنده‌ای است که در آینده به سازه روی خاک وارد خواهد شد.

در مواقعی که فراهم کردن خاک برای احداث خاکریز ممکن نیست یا منوط به صرف هزینه بسیار بالایی است و همچنین در جاهایی که خاک بستر آنقدر نرم باشد که حتی قرار دادن خاکریزی به ارتفاع ۱۵ متر باعث ایجاد مسائل پایداری شود، استفاده از روش خلاء در این مواقع مناسب و عملی است‌. در روش تحکیم به وسیله خلاء سربار یا بار مورد نیاز برای تحکیم با فشار اتمسفریک جایگزین می‌شود.

وقتی تراوایی خاک خیلی پایین باشد به علت سرعت کم آب در جهت عمودی مشکل کاهش تدریجی فشار آب منفذی ایجاد می‌شود. برای جلوگیری از مشکلات پایدار، باید خاکریز در چند مرحله در محل قرار داده شود. این بار وقتی نشست به مقدار نهایی مورد نیاز رسید، می‌تواند برداشته شود. زهکش‌های عمودی با کوتاه کردن مسیر زهکشی باعث افزایش سرعت فرایند تحکیم می‌شوند و این عمل به نوبه خود باعث افزایش مقاومت خاک رس به صورت خیلی سریع شده و باعث می‌شود که خاک توانایی پذیرش بار جدید را داشته باشد. همچنین استفاده از این زهکش‌ها خطر شکست خاک را در طی قرار دادن خاکریز در محل را حذف می‌کند. پیش بینی مقدار و نرخ زمانی نشست به همراه زهکش‌های قائم نقش بسیار مهمی در طراحی پروژه‌های بهبود خاک توسط بارگذاری توسط خاکریز همراه زهکش‌های قائم دارد.

پیش بارگذاری به وسیله خاکریز فقط باعث نشست خاک زیر سطحی نمی‌شود، بلکه باعث جابجایی و تغییر مکان جانبی بسمت بیرون می‌شود. این تغییر مکان جانبی اصولاً بخاطر تنش‌های برشی ایجاد شده توسط بار خاکریز است و اگر این تنش‌های برشی آنقدر بزرگ باشند باعث شکست برشی خاک زیرین می‌شود. در مقابل این روش، تکنیک و روش خلاء فشار و تحکیم همگن را روی خاک زیرین اعمال می‌کند. این تحکیم همگن موجب نشست شده و تغییر مکان جانبی به سمت داخل را موجب می‌شود. این نوع تغییر مکان باعث ایجاد ترکهایی در اطراف سطح بهبود یافته شده اما معمولاً منجر به شکست نمی‌شود.