تثبیت خاک رس با آهک و پودر ضایعات سنگی
تثبیت خاک رس با آهک و پودر ضایعات سنگی روشی است که با هدف بهبود خاک برای پژوهش‌های مهندسی خاص معرفی شده است. خاک رس یکی از مصالح پیچیده و بی‌ثبات است. اما به دلیل قابلیت و هزینه پایین آن، غالباً در اکثر ساخت و سازها مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر چند که در بخش‌های خاص، ممکن است خاک رس برای هدف مورد نظر مناسب نباشد. در برخی موارد نیز این امکان وجود دارد تا مشخصات خاک رس با مقداری افزودنی به خاک مانند آهک تغییر کند. همچنین رفتار خاک رس تنها به مقدار و نوع مصالح سیمانی افزوده شده به خاک بستگی نداشته و به ترکیب شیمیایی و کانی‌شناسی خاک نیز وابسته است.
تثبیت صنعتی با محصولاتی از قبیل خاکستر بادی، سرباره، خاکستر پوسته برنج و پودر ضایعات سنگی به صورت مخلوط با آهک و سیمان برای بهبود خواص ژئوتکنیکی خاکها به خوبی بدست آمده است.
استفاده از مواد تثبیت کننده در ساخت و ساز و مصالح ساختمانی
مواد تثبیت کننده از جمله ضایعات گچ تخته‌ای، به تازگی در ژاپن برای بهبود زمین در پژوهش‌های مختلف از جمله سدها و بزرگراهها استفاده شده است.
محققان اثرات استفاده از ضایعات گرد و غبار سنگ مرمر را به عنوان ماسه ریزدانه بر روی خواص مکانیکی بتن مورد مطالعه قرار داده‌اند. مشاهده شده که افزودن ضایعات گرد و غبار سنگ مرمر به عنوان جایگزین مصالح ریزدانه، تأثیرهای بسزایی را در مقاومت فشاری آنها دارد. گرد و غبار سنگ مرمر از تولید سنگ مرمر حاصل میشود. در مقیاس بزرگ، ایجاد آلودگی زیست محیطی می‌کند. میتوان برای جلوگیری از آلودگی محیط زیست در مناطق با تولید بیش از حد سنگ مرمر و برای مصرف منابع طبیعی کمتر، از این ضایعات به عنوان جایگزین برای دانه‌های بسیار ریز، استفاده نمود.
خاک رس
خاک رس دارای طیف گسترد‌ه‌ا‌ی از ترکیبات کانی شناسی است. از ابعاد و انواع مختلفی از کانی‌های رسی تشکیل شده که مهمترین آنها شامل کائولینیت، ایلیت و مونت موریلونیت است.
آهک
یکی از مهمترین مواد تثبیت کنندهکه خاک را با استفاده از آن تثبیت میکنند، آهک است. استفاده از آهک در تثبیت خاکها به عنوان روشی اقتصادی به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. اضافه کردن آهک به خاک رس، با ایجاد واکنش‌هایی، منجر به بهبود در خواص اولیه خاک میشوند.
آهک‌هایی که معمولاً برای پایدار کردن خاکهای ریزدانه مورد استفاده قرار می‌گیرند، شامل هیدروکسید کلسیم یا آهک شکفته، آهک زودگیر و یا آهک زنده، آهک زنده دولومیتی هستند. در بین آنها، آهک زنده از پرکاربردترین نوع آهک برای تثبیت در اروپا است. از طرفی دیگر، آهک زنده اثر بهتری را در مقایسه با آهک هیدراته دارد. اما خطر آن برای محیط زیست و انسا‌ن‌ها زیاد است. واکنش‌های آهک زنده با آب، با تولید گاز دی اکسید کربن و گرما همراه بوده که برای سلامتی انسان زیان آور است. بنابراین، کار کردن با آهک هیدراته ایمن‌تر است.
با افزودن آهک زنده به صورت دوغاب به خاک، مقاومت بالاتری نسبت به زمانی که آهک به صورت پودر اضافه میشود، به دست می‌آید. از این رو، تثبیت خاک با آهک در بزرگراهها، راه آهن و ساخت و ساز فرودگاه برای بهبود اساس و زیر اساس مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین از آهک در ساخت و ساز سدها، دیوارهای حائل و غیره نیز استفاده میشود.
پودر ضایعات سنگی
علاوه بر آهک، ماده تثبیت کننده دیگری به نام پودر ضایعات سنگی نیز بکار رفته است. این ضایعات سبب آلودگی زیست محیطی زیادی میشوند. با بازیافت و استفاده مجدد از آن به عنوان یک ماده افزودنی برای تغییر در مشخصات ژئوتکنیکی خاک، کمک بزرگی به اقتصاد و محیط زیست میشود. افزودن ضایعات سنگی به خاک مزایایی دارد که به آنها اشاره شده است.
- افزودن آهک و پودر ضایعات سنگی به خاک منجر به افزایش حد خمیری، کاهش حد روانی و کاهش دامنه خمیری میشود.
- ترکیب خاک با آهک و پودر ضایعات سنگی سبب تغییر در مقدار رطوبت بهینه و وزن واحد حجم خشک بیشینه میشود.
- مقدار رطوبت بهینه با افزودن آهک و پودر ضایعات سنگی به خاک افزایش می‌یابد.
- مقدار وزن واحد حجم خشک بیشینه، با افزودن آهک کاهش و با افزودن پودر ضایعات سنگی افزایش می‌یابد.
- مقاومت فشاری خاک رس مخلوط شده با درصدهای مختلف آهک، روندی افزایشی را داشته است.
- استفاده از ضایعات و مواد بازیافتی در پروژههای خاکی، اغلب دارای چالش‌هایی مربوط به جنبه‌های زیست محیطی بوده و دوام آنها را در بر می‌گیرد.
- دوام خاک تثبیت شده با ضایعات بر اثر شرایط زیست محیطی در مناطق سرد و دارای بارندگی می‌تواند تأثیرهایی اساسی را در عملکرد خاک داشته باشد. به همین دلیل، برای ارزیابی عملکرد خاک تثبیت شده با ضایعات، اثر شرایط محیطی باید در نظر گرفته شود.
- در نظر گرفتن شرایط زیست محیطی و حالت‌های خشک و اشباع، یکی از مخر‌ب‌ترین اقداماتی است که می‌تواند به سازههای خاکی تثبیت شده مانند پیاد‌ه‌رو یا سازههای خاکریز‌ی شده آسیب جدی برساند.
بارگذاری شمع
آزمایش‌های شمع به آزمایش‌ھای تعیین ظرفیت باربری و آزمایش‌های کنترل کیفیت سازه تقسیم میشوند. از آنجا که آزمایش‌های شمع، بخشی از مراحل اجرای آنها است، تشریح آنها در اینجا اهمیت دارد. با توجه به عدم اطمینان روابط نظری، تعیین ظرفیت باربری شمع لازم است. باربری شمع بصورت درجا با آزمایش تعیین میشود.
آزمایش‌های تعیین ظرفیت باربری
- بارگذاری استاتیکی شمع
- روابط مبتنی بر اندازه گیری ضربه – فرورفت
- روابط مبتنی بر اندازه گیری ضربه – فرورفت – برجهندگی
- آزمایش دینامیکی شمع
آزمایش بارگذاری استاتیکی
در آزمایش بارگذاری استاتیک، بار به استاتیکی، به صورت تدریجی به شمع‌ها وارد میشود و ظرفیت باربری آن تعیین میشود. در صورتی که طراحی نامناسبی صورت گرفته باشد و یا اجرا صحیح نباشد، مشخص میشود. آزمایش‌های بارگذاری استاتیک، به منظور آزمایش‌های استاتیکی، تعیین ظرفیت باربری نھایی شمع یا نشست و تغییر مکان شمع تحت بارهای بھره‌برداری به کار می‌رود. این روش نسبتاً گران و وقت گیر است، ولی دقیق‌ترین راه برای تعیین ظرفیت باربری شمع‌ها است.
آزمایش بارگذاری افقی
در آزمایش بارگذاری افقی، بار افقی به صورت تدریجی به شمع‌ها وارد میشود. در این آزمایش معمولاً یک شمع دیگر به عنوان تکیه‌گاه است. یا دو شمع را به طرف ھم می‌کشند. آزمایش تعیین باربری شمع بر اساس اندازه گیری تعداد ضربه و مقدار فرو رفت روش کار آن است که تعداد ضربه و مقدار فرورفت شمع در خاک اندازه‌گیری و سپس با کمک این روابط باربری تخمین زده میشود.
به طور کلی روابط تحلیل کوبش بر این فرض استوار است که کار انجام شده توسط چکش در حین فرو کردن شمع برابر با کار مقاوم مجموعه شمع و خاک است.
فرمول‌های ارائه شده معمولاً بسیار تقریبی هستند و با ضرایب اطمینان بزرگ (حدود ٦) به کار می‌روند. پیشنهاد ضرایب اطمینان بزرگ به دلیل استفاده از فرضیات غیر‌دقیق از جمله صلب بودن شمع، ناشناخته بودن مکانیزم کوبش و بی‌اطلاعی از راندمان چکش است. فرو رفت شمع تحت ضربه شامل دو بخش دائم و بازگشت پذیر است. برجهندگی در واقع فرو رفت بازگشت‌پذیر شمع تحت ضربه است. برجهندگی را گاهی فرو رفت برگشتی می‌خوانند.
روابط مختلفی برای تحلیل کوبش و تعیین ظرفیت باربری شمع‌ها پیشنهاد شده است. این فرمول‌ها به دو دسته کلی تقسیم میشوند. روابطی که بین ضربه چکش، میزان فرو رفت شمع و ظرفیت باربری شمع ارتباط برقرار می‌کند. روابطی که علاوه بر ضربه چکش و میزان فرورفت به مقدار برجهندگی شمع تحت ضربه هم توجه میکنند و آن را به ظرفیت باربری شمع ارتباط می‌دهند.
آزمایش‌های دینامیکی
آزمایش دینامیکی شمع تکنولوژی نسبتاً جدیدی است و بر اساس حل معادله پخش موج تنش در شمع استوار است. کوبش شمع، موجب ایجاد یک موج تنش میشود که به سمت پایین حرکت می‌کند. در مقابل خاک، در برابر موج تنش، به سمت بالا مقاومت می‌کند و موج تنش می‌تواند به وسیله یک سرعت یا شتاب سنج و یک تنش یا کرنش سنج که در سر شمع نصب شده، اندازه گیری شود. با زمان حرکت موج تنش که به سمت بالا حرکت می‌کند، میتوان توزیع مقاومت خاک در طول بدنه شمع را نیز تعیین کرد.
این روش برای تعیین ضریب کارایی انتقال انرژی به وسیله چکش کوبش، تعیین تنش‌های فشاری و کششی ایجاد شده در شمع و تعیین موقعیت و شدت آسیب‌های سازه‌ای نیز قابل استفاده است.
مانیتورینگ در حین عملیات شمع کوبی
مانیتورینگ در حین عمیلات شمع کوبی برای سه منظور اساسی زیر انجام میشود.
- اندازه‌گیری و تعیین انرژی موثر چکش در جین شمع کوبی و مقایسه با پیش بینی‌های اولیه
- کنترل تنش‌های ایجاد شده در شمع ناشی از ضربه چکش
- اندازه‌گیری مقاومت خاک در حین شمع کوبی و کنترل ظرفیت شمع
آزمایش استاتنامیک
آزمایش Statnamic آزمایش بارگذاری سریع شمع است که جدیداً توسعه یافته است. یک جرم نسبتاً کوچک تحت فشار بزرگی قرار می‌گیرد. در نتیجه این جرم بار فشاری کوتاه مدت به شمع وارد می‌کند. نتایج به دست آمده از Statnamic تحلیل شده، با کسر کردن مولفه‌های اینرسی و میرایی ظرفیت باربری استاتیکی معادل شمع تعیین میشود.
این روش برای پیش بینی ظرفیت باربری شمع‌ها در خاکهای دانه‌ای درشت منجر به نتایج بسیار دقیقی شده است. ولی در خاکهای دانه‌ای ریز ظرفیت باربری را با دقت کمتر تعیین می‌کند.
آزمایش کنترل کیفیت سازه شمع
با چکش دستی ضربه‌ای به سر شمع زده میشود و حرکت سر شمع با شتاب سنج ثبت میشود. آسیب دیدگی شمع حین اجرا، موجب خلل در موج رفت و برگشت میشود.
بررسی روشهای تعیین ظرفیت باربری لرزه‌ای پی‌های سطحی
بارهای دینامیکی وارد بر پی ممکن است توسط زلزله، انفجار بمب‌ها، ارتعاشات ناشی از ماشین آلات و اثر امواج دریا ایجاد شوند. زلزله و امواج دریا به طور عمده نیروهای افقی در سازه ایجاد میکنند در حالی که بارهای ایجاد شده توسط انفجار معمولاً عمودی هستند. تجزیه و تحلیل شالوده‌ها را تحت تاثیر این قبیل بارها، میتوان بر مبنای بار استاتیکی معادل انجام داد. ولی برای بررسی دقیق‌تر، تحلیل دینامیکی ضروری خواهد بود. اگر یک سازه تحت ارتعاشات ناشی از زلزله قرار گیرد، بارهای اضافی وارد بر پی این سازه در هنگام زلزله عبارت از یک لنگر و یک رانش افقی است. همچنین زلزله سبب ایجاد نیروی اینرسی در توده خاک زیر پی و نیز تغییر در مشخصات خاک خواهد شد که این عوامل نیز بر ظرفیت باربری پی تاثیر گذار خواهند بود.
معیارهای لازم جهت طراحی یک پی
در طراحی یک پی دو عامل باید به طور همزمان مد نظر قرار گیرند.
خاک زیر پی باید به راحتی بتواند بار وارده را تحمل نماید بدون اینکه هیچ گونه گسیختگی برشی یا شکست در آن اتفاق بیفتد. در این رابطه همواره با اعمال یک ضریب اطمینان مناسب، فاصله لازم تا گسیختگی پی حفظ میشود.
میزان نشست ایجاد شده در پی از حد معینی تجاوز ننماید.
اغلب پی‌ها علی رغم طرح جلوگیری از نشست‌های غیر یکسان، مقداری نشست نامتقارن خواهند داشت که ممکن است از دو سوم تا سه چهارم نشست کل در نوسان باشد. بر اساس آیین نامه‌های اجرایی توصیه شده توسط هندوستان مقادیر نشست کلی و نامتقارن در پی‌های مختلف و در زمین‌های مختلف نباید از حد اعلام شده تجاوز نماید.
اثر نیروی اینرسی بر ظرفیت باربری پی
در هنگام وقوع زلزله نیروهای اینرسی جهت مقابله با شتاب وارده در سیستم پی ایجاد میشوند. این نیروها عبارت است از نیروهای اینرسی ناشی از سربار و نیروهای اینرسی ناشی از جرم توده خاک زیر پی است. اثر نیروهای اینرسی بر ظرفیت باربری پی توسط محققین مختلفی مورد مطالعه قرار گرفته است.
روشهای تعیین ظرفیت باربری
با توجه به آن چه گفته شد روشهای مختلفی جهت تعیین ظرفیت باربری دینامیکی وجود دارد. در حالت کلی به دو روش مختلف میتوان ظرفیت باربری دینامیکی را تعیین نمود. این روش‌ها شامل موارد زیر است.
- استفاده از چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی معادل
- تحلیل دینامیکی
خاک فرو ریزشی
خاک فرو ریزشی بعنوان خاک مسئله‌دار مورد توجه است زیرا نسبت به رطوبت حساس بوده و با افزایش درصد رطوبت کاهش حجم در آن رخ میدهد. از نشانه‌های این خاک به چگالی خشک کم آن میتوان اشاره کرد. ریزش خاک به عنوان یک تغییر شکل غیر الاستیک در نظر گرفته میشود. مفهوم تنش ساختاری برای خاک فرو ریزشی یک نقطه جدا بین حالت الاستیک و پلاستیک است.
طبق تعریف ریزش خاک وقتی که تنش اعمال شده به خاک بیشتر از تنش ساختاری باشد شروع میشود که به خصوصیات فیزیکی خاک بستگی دارد. روابط تجربی، وابستگی خصوصیات مکانیکی خاک فرو ریزشی به نسبت تخلخل و درصد رطوبت خاک بر اساس آزمایش بدست آمده، است. معادلات جبری ارائه شده، روابط بین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک فرو ریزشی را بیان میکنند و در پایان روش‌هایی برای بهسازی رفتار این خاکها از قبیل روشهای تثبیت و استفاده از شمع پیشنهاد میشود.
خاک فروریزشی نسبت به تغییرات تخلخل و درصد رطوبت حساس است. تاثیر رطوبت، ضعیف کردن پیوند‌های خاک، تغییرات حجم و کاهش مقاومت برشی خاک است. تغییرات حجم خاک ممکن است بصورت تورم (اگر ماده پلاستیک باشد، ابتدا خشک باشد و محصور نشده باشد) یا ریزشی (اگر ماده غیرالاستیک،ابتدا خشک و محصور باشد).
از نمونه‌های خاک فروریزشی میتوان به ماسه بادی، لس‌ها و رسوبات آبرفتی اشاره کرد. این خاکها در مناطق خشک و نیمه خشک وجود دارند که آب خاک به سرعت تبخیر شده و زمانی برای تحکیم تحت اثر وزن نداشته است. ساختار این خاک لانه زنبوری است و چسبندگی آنها به دلیل وجود رس خشک یا دیگر مواد شیمیایی است. خیس شدن خاک تحت چسبندگی ضعیف، مقدار مکش بافتی را در خاک کم و باعث ریزش خاک میشود. مقدار ریزش یا نشست، تابع نفوذپذیری، درجه اشباع، تخلخل اولیه، نسبت پیش تحکیمی و ضخامت لایه است.
بزرگترین مشکل با خاکهای فروریزشی این است که وجود و درصد ریزش خاک قبل از ساختن تشخیص داده نمی‌شود. بنابراین شناسایی خاکهای فروریزشی و تخمین پتانسیل ریزش، مهمترین مولفه برای تشخیص رفتار این خاکها در محل است.
خاک فرو ریزشی را حساس نسبت به رطوبت تعریف کردند که با افزایش رطوبت مقدار نشست افزایش پیدا می‌کند.
چهار فاکتور برای ایجاد ریزش در ساختمان خاک با انجام تحقیقات تعیین شده است.
- بافت غیر اشباع و نیمه پایدار
- تنش کل بیش از حد برای پایدار کردن خاک در شرایط غیر اشباع
- پیوند یا چسبندتی که خاک در شرایط غیر اشباع دارد
- افزایش آب در خاک
که باعث کاهش قدرت پیوند یا چسبندتی و اتصال بین مولکولی در برش گسیخته میشود که کاهش در حجم کل خاک را نتیجه میدهد.
مقدار ضریب تحکیم تابع نسبت تخلخل و درصد درطوبت است و اگر تنش برابر تنش ساختاری باشد مقدار نهایی برای ضریب تحکیم تحت شرایط تعادل ساختار خاک بدست می‌آید. با افزایش درصد رطوبت مقدار ضریب تحکیم افزایش می‌یابد.
بهسازی خاک فرو ریزشی
خاک فرو ریزشی چه در عمق کم و چه در عمق زیاد اگر آب به آن برسد دچار نشست میشود بطور مثال یک ساختمان در شهر نیو مکزیکو بخاطر قرار گرفتن روی خاک فروریزشی در عمق حدود ۱۵ متر بود دچار نشست نامتقارن شد و به پی آن آسیب رسید. زهکشی آب و جلوگیری از مرطوب شدن خاک فروریزشی چه برای سازههای جدید بلکه برای سازههای موجود که بدون توجه به فروریزشی بودن خاک طراحی شدهاند، مفید است.
روشهای مختلفی برای مقابله با پدیده فرو ریزش خاک در پی وجود دارد مانند استفاده از شمع برای انتقال بار سازه به لایه‌های مقاوم عمیقتر و همچنین در بعضی مواقع یک پی نواری پیوسته ممکن است اقتصادی‌تر و بهینه‌تر باشد زیرا نشست نامتقارن را به حداقل می‌رساند.
روش‌هایی نیز برای تثبیت خاک وجود دارد که هدف اصلی آنها اصلاح دانه بندی خاک است.
مرطوب کردن و متراکم کردن
مرطوب کردن و متراکم کردن با غلتک برای پی‌های کم عمق (حدود ۱۰۵ متر) که جزوء روشهای قدیمی تغییر رفتار خاک با ایجاد ریزش قبل از ساخت سازه مشخص است.
برای عمق‌های زیاد استفاده از روش vibroflotation
در این روش همراه با ایجاد لرزش در خاک به آن آب اضافه میشود تا الگوی دانه بندی خاک اصلاح شود به کاهش حجم و تراکم صورت پذیرد.
پایدار سازی شیمیایی با استفاده از سدیم سیلیکات و تزریق کربن دی اکسید
سه روش کلی برای مبارزه با پتانسیل ریزش خاک
- تراکم (خاکبرداری یا تعویض) برای خاک‌هایی که وزن مخصوص خشک بیشتر ۱۵/۵ کیلونیوتن بر متر مکعب دارند.
- تثبیت کردن با سیمان پرتلند در طول متراکم کردن
- استفاده از شمع
خاک تثبیت شده با سیمان دارای پلاستی‌سیته کمتر، تغییرات حجمی کمتر و مقاومت بیشتر از خاکهای اصلاح نشده است. همچنین افزودن آهک به خاک، باعث کاهش خاصیت خمیری و پتانسیل تورم، افزایش مقاومت، بهبود کارایی و بالا بردن دوام میشود. از آنجا کمه اثرات سودمند تثبیت خاک، نتیجه واکنش‌های مختلف بین بخش ریزدانه خاک و آهک است، خاکهای ریزدانه مانند رس و رس لای‌دار، پاسخ بهتری به این واکنش‌ها می‌دهند برای ماسه‌ها و خاکهای بدون چسبندگی افزودن یک ماده پوزولانی برای تولید واکنش سیلیکا آهک لازم است.
علاوه بر روشهای ذکر شده استفاده از انفجار، آب اندازی، تسلیح و مقاوم سازی خاک با استفاده از ژئوسنستیک‌ها، ورقه‌های فلزی و میلگرد از جمله روشهای دیگر برای بهبود رفتار این خاکها است.
عملکرد نانو ذرات پلیمری در خاک
ذرات نانو با استفاده از خاصیت نانوی اعمال شده بر روی آنها به شدت آب دوست میشوند. نانو پلیمر پلی وینیل استات، بر روی ذرات رس موجود در خاک تاثیر می‌گذارد و این تاثیر به دلیل کوچک بودن و سطح زیاد ذرات رس است. خاک رس بعد از مخلوط شدن با این پلیمر، لایه‌هایی تشکیل میدهد که این لایه‌ها را میتوان مانند برگه‌های کتاب دانست.
ذرات خاک رس معدنی، بسیار کوچک بوده و مانند صفحات کتاب هستند. این ما‌هیت کتابی خاک رس، دارای سطح بسیار زیاد بوده که باعث جذب یون‌های فلزی میشود. به طوری که این یون‌ها مقدار فراوانی آب را جذب می‌نمایند. این جاذب‌های آب، باز هم آب جذب نموده و باعث انبساط خاک رس شده و مقاومت خود را از دست می‌دهند. آب جذبی، قویاً به سطح خاک رس پیوند خورده و به وسیله خورشید یا حرارت جدا نمی‌شوند و تنها مواد شیمیایی می‌توانند این کار را انجام دهند. این همان فرآیندی است که نانو پلیمر پلی وینیل استات انجام میدهد. پلی وینیل استات، مولکول‌های پیچیده بوده و از دو جزء سر و دم تشکیل شده که سر آن آب دوست و دم آن آب گریز است.
جذب سطحی آب موجب تورم خاک رس میشود. همچنین موجب کاهش اصطکاک بین ذرات خاک، چسبندگی، پیوستگی و مقاومت توده خاک رس میشود.این یون‌ها خود را به سطح خاک رس چسبانده که یا آنها را جابجا یا درون یون‌های فلزی قفل می‌کند و جاذب‌های آن را از بین برده و خاک رس را آ بگریز مینماید و اثر روغنی به آن میدهد.
فرایند رسانیدن نانو پلیمر پلی وینیل استات به تمام رسهای موجود در خاک، احتیاج به زمان معین به عنوان دوران سبز یا دوره تکامل دارد. تاثیرات پلی وینیل استات آنی نبوده و مقدار کمی تغییرات در خاک دیده میشود. ولی در انتهای دوره تکامل ۲ تا ۴ هفته، خاک محکم و سخت میشود. باید توجه داشت که وجود آب به حد رطوبت بهینه برای رسانیدن پلی وینیلل استات، برای مهاجرت به تمام خاک رس‌ها مورد نیاز است. کمبود آب باعث عقب افتادن فرآیند شده و در نتیجه عمل تکامل را عقب می‌اندازد.
ذرات پلیمری در خاکهای رس
این محصول برای تثبیت و تحکیم خاک رس مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلی وینیل استات، محصول عمل آوری از مشتقات سنتزی (thio) بوده و یک لایه حفاظتی روغنی روی سطح خاک و ذرات خاک رس را می‌پوشاند. این محصول حرکت پذیر بودن و مبادله آن را کاهش داده و همزمان با جذب نمودن آب این مواد را آب گریز مینماید. در نتیجه ماده خاکی کمتر به رطوبت حساس بوده و باعث کارآیی بیشتر و توان فشردگی و به هم پیوستن بهتر ذرات توسط تجهیزات و ماشین آلات عبوری میشود. به هم پیوستن ذرات به معنی سایش بیشتر داخلی و بهبود ظرفیت باربری است.
پلی وینیل استات، موادی در محدوده‌ای از خاک رس تا ماسه بادی و مقداری شن را تحت تاثیر قرار میدهد. مواد غیر چس بنده از قبیل ماسه، تنها زمانی می‌توانند تحت تاثیر قرار گیرند که آنها را با مواد مناسب با خاک رس مخلوط نمایند.در هم رفتن بهتر ذرات به معنی اصطکاک داخلی بیشتر، افزایش مقاومت خاک و موفقیت فرآیندی است که قرار است در آن، خاک با ماده پلی وینیل استات، تثبیت شود. این موضوع، بستگی به وجود مواد زیر دارد.
- نوع خاک رس
- درصد ذرات ریز
- یون‌های قابل تعویض
- مقدار خاک رس
نیلینگ
با توجه به عمق زیاد گودبرداری و عدم امکان گودبرداری به صورت مایل و پله‌ای و استفاده بهینه از زمین و همچنین انجام عملیات گودبرداری در کوتاهترین زمان ممکن، استفاده از روش نیلینگ (میخکوبی خاک) الزامی است. نیلینگ روش جدیدی است که به دلیل اقتصادی بودن و مزایای منحصر به فرد خود، به عنوان راه حل بسیار مناسبی در موارد مختلف از جمله پایدارسازی شیب‌ها و شیروانی‌ها و افزایش ظرفیت باربری و محدود کردن تغییر شکل‌ها با ایجاد حداقل دست خوردگی در وضعیت طبیعی زمین خصوصاً در مناطق شهری که فضای کافی برای انجام سایر عملیات‌ها در دسترس نیست، کاربردهای فراوانی دارد.
در این روش پس از خاکبرداری پله اول (خاک محل باید قابلیت پایداری تا عمق حدود ۱/۵ متر را داشته باشد). اولین ردیف میخها اجرا و سپس رویه بتنی نازکی تحت عنوان شاتکیرت اجرا میشود و در انتها صفحه سر و مهره مربوطه بسته میشود. این روند تا رسیدن به تراز نهایی گودبرداری و طی پله‌های خاکبرداری باقیمانده ادامه خواهد یافت.
استفاده از روش نیلینگ به عنوان یک سیستم حفاظت جداره ترانشه و گود در مناطق شهری و فضاهای محدود بسیار کارا بوده و بدلیل امکان همزمانی اجرا در چند جبهه کاری از سرعت خوبی برخوردار است. با توجه به درجه پایداری، امکان اجرای گود قائم وجود داشته و همچنین در انواع شرایط خاک، اجرای آن امکان پذیر بوده و مهمترین ویژگی این روش محسوب میشود. برای سازههای زیر زمینی بخصوص در فضاهای محدود شهری مانند ایستگاه‌های مترو مناسب است.
پایدارسازی گوه لغزش توسط نیلینگ (میخکوبی)
دیوارهای میخکوبی شده می‌توانند به دو صورت موقت یا دائمی‌اجرا شوند. میخ‌کوبی‌های موقت بسته به نوع خاک و طرح و اجرا دارای طول عمر سرویس کمتر از ۱۸ ماه هستند. سازههای میخکوبی شده‌ی دائم طول عمر بیشتر از این مقدار دارند. چنانچه یک گودبرداری توسط دیوارهای میخکوبی شده‌ی موقت مسلح شود، اما به دلیل تأخیرات کارگاهی طول مدت ساخت بیشتر از ۱۸ ماه طول بکشد، عوامل اجرایی موظف هستند از یک سیستم نگهداری دائمی برای تثبیت گودبرداری استفاده کنند. در این روش سوراخ‌هایی در داخل زمین حفاری شده و سپس میلگردهای فولادی در آن کار گذاشته شده و فضای خالی حفره را با دوغاب پر میکنند.
مزایای روش نیلینگ
- امکان اجرا در مجاورت سازههای موجود.
- روش ساخت مطابق با معیارهای زیست محیطی است (بدون لرزش و سر و صدا).
- روش اجرا، سازگار با عوارض زمین و وضعیت طرح و محل است ( انعطاف پذیری روش).
- تغییر شکل‌های کم دیوار ( امکان اجرا در مجاورت سازههای حساس به نشست).
- صرفه جویی اقتصادی در مقایسه با دیگر روشهای ساخت خصوصاً سازههای نگهبان گیردار
- امکان کار حتی در فضاهای محدود که وسایل کوچکتر می‌توانند استفاده شوند.
- مناسب برای کاربردهای موقتی و دائمی.
معایب روش نیلینگ یا میخ کوبی
- نیاز به اخذ رضایت از همسایه‌ها
- آلودگی صوتی ماشین آلات
دامنه کاربرد نیلینگ
میخکوبی خاک (نیلینگ) روش جدیدی است که به دلیل اقتصادی بودن و مزایای منحص به فرد به عنوان راه حل بسیار مناسبی در موارد مختلف از جمله پایدار سازی شیب‌ها و شیروانی‌ها و افزایش ظرفیت باربری و غیره کاربردهای فراوانی دارد. استفاده از روش تسلیح خاک، طی دو دهه اخیر در اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه، جهت پایدارسـازی گودبرداریها و همچنین پایدارسازی شیب‌های طبـیعی کاربرد وسیعی پیدا کرده است.
روشهای مختلف پایدارسازی ترانشه‌ها همواره با چالش‌های مختلفی روبرو است. از این بین نیلینگ یا میخکوبی به دلیل مزایای فنی و اقتصادی گزینه مطلوب اغلب کارفرمایان بخش راه و ساختمان است که بدون ایجاد مشکل در محدوده پروژه، ضرایب اطمینان دیواره‌های گودبرداری را به بهترین شکل تامین می‌کند. به کارگیری دانش روز سیستم نیلینگ و پس کشیدگی المان‌های نیل، این امکان را ایجاد کرد که تغییر مکان‌های مجاور ساختمانهای فرسوده و معابر پرترافیک کاهش یابد. این فن آوری که اصطلاحاً انکراژ نامیده میشود با به کارگیری استرند چند رشته به جای میلگرد در گمانه‌ها به تنها گزینه پایدارسازی گودهای بالای ۲۵ متر تبدیل شده است.
کاربرد نیلینگ در پروژههای عمرانی
- پایدارسازی ترانشه‌ها در احداث بزرگراهها و راه آهن‌ها.
- پایداری جداره تونل‌ها و سازههای زیرزمینی
- پایدارسازی و حفاظت گود در سازههای مناطق شهری، ساختمانهای مجاور گود، ایستگاه‌های زیرزمینی مترو
- پایدار سازی کوله‌های مجاور پل‌ها در زمین‌های سست و ریزشی
اصول طراحی نیلینگ (nailing)
مراحل طراحی سیستم نیلینگ مطابق زیر است.
- هندسه سازه مشخص شود.
- عمق و زاویه شیب خاکبرداری مشخص شود.
- بارگذاری و سربار بارهای وارده به Nail و موقعیت سطح افزایش تخمین زده شود.
- انتخاب نوع آرماتور شامل سطح مقطع، طول و فاصله از یکدیگر و در هر تراز مقاومت موضعی آنها تضمین شده تا مقاومت از نظر استحکام و ظرفیت چسبندگی برای تحمل نیروها تخمین زده و با ضریب اطمینان مناسب و قابل قبول کنترل شوند.
- پایداری کل سازه نگهدارنده و خاک اطراف آن در زمان حفاری گود و ایجاد پله‌های حفاری و بررسی و کنترل ضریب اطمینان قابل قبول.
- تخمین نیروهای وارده بر صفحه فولادی Bearing plate
- در نظر گرفتن سطح پیزومتریک آب‌های زیر زمینی و لحاظ نمودن سیستم زهکش
مکانیزم‌های گسیختگی در طراحی
مکانیزم‌های گسیختگی و در نتیجه موارد لازم جهت کنترل در طراحی‌ها به طور خلاصه به سه گروه اصلی زیر طبقه بندی میشوند.
گسیختگی‌های داخلی (Internal Failure Modes)
- بیرون آمدن میخ (Pullout Failure)
- گسیختگی بین دوغاب و خاک (Bar-Grout Pullout Failure)
- گسیختگی کششی میخ (Nail Tensile Failure)
- گسیختگی خمشی یا برشی میخ (Bending/Shear Failure)
گسیختگی‌های خارجی (External Failure Modes)
- تشکیل گوه گسیختگی (Global Stability Failure)
- لغزش (Sliding Failure)
- ظرفیت باربری کف گود (Bearing Capacity Failure)
گسیختگی‌ها رویه (Facing Failure Modes)
- گسیختگی خمشی (Flextural Failure)
- سوراخ شدگی (Punching Shear Failure)
- گسیختگی گل میخ ها (Headed Stud Failure) تنها برای حالت دائم
مراحل اجرای سیستم نیلینگ
- گودبرداری در مرحله اول ترانشه یا گود و ایجاد پله بعدی عملیات
- حفاری چال جهت نصب مهار کششی nail
- قراردادن آرماتور داخل چال و تزریق چال
- اجرای سیستم زهکشی و اجرای شاتکریت جداری و نصب ضخامت فولادی
- گودبرداری مرحله بعدی ترانشه یا گود و ایجاد پله‌های بعدی عملیات
- اجرای پوشش شاتکریت نهایی پس از اتمام آخرین مرحله حفاری
روشهای اجرایی سیستم نیلینگ
خاکبرداری
گودبرداری اولیه تا عمقی صورت می‌پذیرد که دیواره‌ی گودبرداری شده بتواند در مدت کوتاهی بین ۲۴ تا ۴۸ ساعت پایداری خود را حفظ کند. خاکبرداری می‌بایست به صورت مرحله به مرحله انجام شده و پس از انجام هر مرحله از خاکبرداری بایستی عملیات اجرای میخکوبی در آن مرحله صورت گیرد و پس از اتمام عملیات، خاکبرداری مرحله بعد انجام می‌پذیرد. عرض گودبرداری انجام شده حداقل باید به اندازه‌ای باشد که بتوان ابزارهای لازم را در محل مستقر کرد. در هر مرحله خاکبرداری، عمق دیواره ایجاد شده بایستی پایداری لازم در حین اجرای میخکوبی را داشته باشد، اصولاً عمق گودبرداری جهت تامین کوتاه مدت پایداری ۲ متر است. البته با توجه به شرایط ژئوتکنیکی خاک ساختگاه ارتفاع مجاز خاکبرداری در هر مرحله تعیین میشود.
حفاری
حفاری محل میخها می‌بایست در فواصل مشخص، مطابق نقشه‌های اجرایی به وسیله دستگاه حفاری ضربه‌ای D.T.H و یا مشابه آن صورت گیرد. حفاری گمانه‌های مورد نظر می‌تواند در جبهه‌های مختلف کاری صورت پذیرد.
- حفاری به صورت چرخشی (Rotary Drilling) با هوا یا آب. این روش متداول‌ترین روش در حفاری میخها است.
- حفاری با لوله جدار (Driven Casing). استفاده از این روش در خاکهای ریزشی توصیه میشود.
- حفاری با سیستم خود حفار (Self Drilling Method) . استفاده از این روش در خاکهای ریزشی مناسب بوده و دارای سرعت قابل قبولی اجرایی نیز است.
- حفاری با سیستم اوگر(Auger)
- در گذشته استفاده از روشهای کوبشی میخها نیز مرسوم بوده که امروزه بدلیل راندمان کم و مشکلات فنی و اطمینان کم منسوخ شده است.
جزییات اجرایی‌‌حفاری
- قطر حفاری میخها معمولاً بین ۷۶ تا ۲۰۰ میلیمتر استمی باشد.
- دوغاب مورد استفاده معمولاً از اختلاط آب و سیمان با نسبت وزنی ۰/۴ تا ۰/۷ است. در برخی موارد نیز از افزودنی‌هایی مانند ماسه و یا مواد شیمیایی استفاده میشود.
- قطر آرماتور مورد استفاده معمولاً بین ۱۸ تا ۴۰ میلیمتر است.
- فواصل قائم و افقی میخها بین ۱/۲۵ تا ۲ متر متغییر است و معمولاً به طور مساوی انتخاب میشوند.
- زاویه حفاری و قرارگیری میخها نسبت به افق بین ۱۰ تا ۲۰ درجه بوده که در اکثر موارد ۱۵ درجه در نظر گرفته میشود.
- حداکثر طول میخها جهت دارا بودن کارایی کافی برابر با ۱۸ متر است.
نصب میلگرد تسلیح و تزریق دوغاب سیمان
پس از حفاری گمانه تا عمق مورد نظر، عملیات نصب میلگرد تسلیح صورت می‌پذیرد. عناصر تسلیح معمولاً شامل آرماتورهای فولادی بوده و اغلب تو پر هستند. میتوان از میلگردهای توخالی نیز استفاده کرد. به هر حال میلگردهای طراحی شده پس از حفاری درون گمانه قرار می‌گیرند. جهت آنکه راستای میلگردها دقیقاً در امتداد محور استوانه‌ی چال‌های حفر شده باشد از ابزاری به نام مرکز کننده (اسپیسر یا سنترالیزر) استفاده میشود. میلگردها در داخل مرکز کننده‌ها فرو رفته و سپس در داخل چال، جاگذاری میشوند. چنانچه شرایط خوردگی شدید باشد از پوشش اپوکسی مخصوصی جهت محاظت از میخها استفاده میشود. میلگردهای فولادی مسلح کننده مهمترین عنصر دیوارهای میخکوبی شده است. این المان‌ها در سوراخ‌هایی که از پیش حفاری شده قرار گرفته و سپس یک شیلنگ دوغاب ریزی به انتهای چال رفته و فضای خالی باقی مانده را از انتها تا ابتدای چال دوغاب ریزی می‌کند. شیب چال‌های حفر به مقدار ملایمی در پایین سطح افق قرار دارد. لذا دوغاب با نیروی وزن وارد شده بر آن به خوبی در حفره‌ها جا می‌گیرد. به چنین روشی، روش دوغاب ریزی ثقلی گفته میشود که جزء روشهای متداول در میخکوبی به حساب می‌رود. دوغاب نقش اصلی انتقال تنش از زمین به میخها را ایفا می‌کند.
شاتکریت دیواره، نصب صفحه و مهره
پس از اتمام عملیات تزریق، سطح دیواره جهت جلوگیری از فرسایش و همچنین حفظ یکپارچگی بیشتر در عملکرد میخها، توسط یک لایه بتن‌پاشی شده (شاتکریت) پوشانده میشود. پوشش، نوعی اتصال سازه‌ای در سیستم ایجاد می‌کند و در میخکوبی‌ها دو نوع پوشش، موقت و دائمی وجود دارد. پوشش موقت نقش سطحی را ایفا می‌کند که اجزای سازه‌ای میخکوی را به یکدیگر متصل مینماید. همچنین نوارهای ژئوکامپوزیتی قبل از آنکه پوشش موقت اجرا شود در سطح گودبرداری کار گذاشته میشود تا زه آب داخل خاک را هدایت کرده و از نفوذ آن به داخل پوشش ممانعت به عمل آورد. همچنین پس از بتن پاشی موقت جهت اتصال کامل سر میخها به دیواره و همین طور جلوگیری از بروز برش پانچ در دیواره و در صورت نیاز تنش‌دهی به میخها، یک صفحه فلزی به عنوان سر نیل بر روی دیواره قرار گرفته و توسط یک مهره به آرماتور درون گمانه متصل میشود. پوشش دایمی بعد از آنکه میخها نصب و پوشش موقت شکل گرفت، اجرا میشود. ضخامت این پوشش کم بوده و غالباً به ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر محدود است.
مقایسه سایر روشهای مهار با روش نیلینگ
نیلینگ روش جدیدی است که به دلیل اقتصادی بودن و مزایای منحصر بفرد خود، به عنوان راه حل بسیار مناسبی در موارد مختلف از جمله افزایش ظرفیت باربری و محدود کردن تغییر شکل‌ها با ایجاد حداقل دست خوردگی در وضعیت طبیعی زمین، کاربردهای فراوانی دارد. استفاده از این روش تسلیح خاک، جهت پایدارسـازی گودبرداریها و همچنین پایدارسازی شیب‌های طبـیعی کاربرد وسیعی پیدا کرده است. برخی از کاربردهای وسیع این روش تسلیح خاک شامل پایدارسازی شیب‌های طبیعی یا ترانشه‌های مجاور راه‌ها، تعریض راه‌ها، گودبرداری در مجاورت سازههای موجود، پایدارسازیی و مقاوم‌سازی سازههای نگهبان قدیمی و … است.
روش مهار (anchoring)
تفاوت اصلی روش مهار اصطکاکی با روش نیلینگ در پیش تنیده کردن مهارها است که باعث کاهش تغییر شکل گود میشود. به دلیل عمق زیاد گودبرداری لزوم بکار گیری مهارهای اصطکاکی پیش تنیده جهت کاهش تغییر شکل‌ها وجود دارد.
انکراژ (Anchorage)
سیستم انکراژ مشابه روش نیلینگ است با این تفاوت که در این سیستم با مکانیزمی خاص قسمتی از انکر جاگذاری شده را (که می تواند آرماتور یا استرند باشد) تزریق نمی‌کنند تا با کشش آن قسمت، جلوی جابه‌جایی دیواره به طور کامل گرفته شود. نیروی پیش تنیدگی خاصی در سیستم نیلینگ اعمال نمی‌شود و حرکت توده خاک موجب ایجاد نیرو در میخ‌های میشود. سیستم مهاری به دلیل پیش تنیدگی مهارها، قبل از حرکت توده خاک نیروی بزرگی وجود دارد که سبب کاهش قابل توجه تغییر شکل‌ها میشود.
انکراژ در پروژههای بزرگراهی و برای پایدارسازی خاکبرداری‌ها و شیب‌ها به کار می‌رود. ولی امروزه به صورت روز افزون در پایدارسازی دیواره خاکبرداری‌ها در محیط‌های شهری نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش پس از حفر گمانه و جایگذاری مهاری، بخشی از انتهای گمانه تزریق شده و مهارها با جک کشیده میشوند.
مزایا روش مهار سازی انکراژ
- کنترل تغییر مکان‌ها به وسیله پس تنیدگی
- ایمنی بیشتر
- کنترل کیفی بهتر به دلیل کشش انکرها
معایب روش مهار سازی انکراژ
- نیاز به تجهیزات و ابزار پیشرفته
- عدم کارایی در خاکهای مساله دار (حفرات زیر زمینی، چاه، انبار و…)
- به دلیل ضرورت اجرای عملیات به صورت مرحله به مرحله، به زمان زیادی نیاز دارد البته این امر در پروژههای بزرگ مطرح نیست. بلکه بر عکس زمان کلی اجرای کار نیز، به ویژه با مدیریت صحیح، کاهش یابد.
- هزینه اجرای عملیات به دلیل تکنولوژی پیشرفته‌تر، در مقایسه با روشهای ساده‌تر بیشتر است، ولی در پروژههای بزرگ و در احجام زیاد این امر مطرح نشده و بر عکس هزینه کلی کار کاهش یابد.
نکات اجرایی در ساخت شالوده
فرض کنید یک پروژه اسکلت فلزی را بخواهید به اجرا در آورید، مراحل اولیه اجرایی شامل ساخت پی مناسب است که در تمامی پروژه‌ها تقریباً یکسان اجرا میشود، اما قبل از شرح مختصر مراحل ساخت پی، باید توجه داشت که ابتدا نقشه شالوده را روی زمین پیاده کرد و برای پیاده کردن دقیق آن بایستی جزئیات لازم در نقشه مشخص شده باشد. از جمله پلان شالوده به شکل یک شبکه متشکل از محورهای عمود بر هم تقسیم شده باشد و موقعیت محورهای مزبور نسبت به محورها یا نقاط مشخصی نظیر محور جاده، بر زمین، بر ساختمان مجاور و غیره تع یین شده باشد.
نکات فنی و اجرایی خاکبرداری
داشتن اطلاعات اولیه از زمین و خاک از قبیل ظرفیت باربری خاک، نوع خاک به ویژه از نظر ریزشی بودن، وضعیت آب زیر زمینی، عمق یخبندان، تأسیسات زیرزمینی، چاه‌های آب و فاضلاب و قنوات متروک و دایر در نزدیکی مکان گودبرداری و سایر ویژگی‌های فیزیکی خاک که با آزمایش از خاک آن محل مشخص میشود، بسیار ضروری است. در هنگام خاکبرداری پی در زیر زمین، ممکن است جداره ریزش کند یا اینکه زیر پی مجاور خالی شود که با وسایل مختلفی باید شمع بندی و حفاظت جداره صورت گیرد. به طوری که مقاومت کافی در برابر بارهای وارده را داشته باشد. یکی از راه حل‌های جلوگیری از ریزش خاک و پی ساختمان مجاور، اجرای سازه نگهبان است.
نکات فنی و اجرایی مربوط به زیرسازی شالوده
چاه‌های متروکه با شفته‌ی مناسب پر میشوند، در صورت برخورد با قنات متروکه نیز باید از پی مرکب یا پی تخت استفاده کرد یا روی قنات را با دال بتنی محافظ پوشاند. در برخی موارد برای حفظ رقوم زیر بتن مگر، ناچار به زیرسازی شالوده هستید، اما در صورتی که ضخامت زیرسازی کمتر از ۳۰ سانتیمتر باشد، می‌وان با افزایش ضخامت بتن مگر زیرسازی را انجام داد و در صورت زیاد بودن ضخامت زیر سازی، میتوان با حفظ اصول فنی، لاشه چینی با سنگ و ملات ماسه سیمان انجام داد، یا شفته ریزی کرد.
قالب بندی شالوده
قالب بندی اعضای بتنی باید با استفاده از تخته سالم بدون گره به ضخامت حداقل ۲/۵ سانتیمتر یا ورقه‌های فلزی صاف یا از قالب آجری (تیغه ۱۱ سانتیمتری آجری یا ۲۲ سانتی متری با اندود ماسه سیمان برای جلوگیری از خروج شیره بتن) صورت گیرد. لازم به یادآوری است، در اجرای پی‌ها در زمین‌های سفت میتوان با قرار دادن ورقه پلاستیکی (نایلون) در جداره خاکبرداری، از این جداره خالی به عنوان قالب استفاده کرد.
بتن مگر
بتن با عیار کم سیمان که در زیر شالوده قرار می‌گیرد، بتن مگر است و بتن نظافت یا بتن لاغر نیز نامیده میشود. حداقل ضخامت بتن مگر ۱۰ سانتیمتر و از هر طرف ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر بزرگتر از ابعاد شالوده ریخته میشود. بتن مگر معمولاً به دو دلیل مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- برای جلوگیری از تماس مستقیم بتن اصلی شالوده با خاک.
- برای رگلاژ کف شالوده و ایجاد سطحی صاف برای ادامه عملیات پی سازی.
نکات فنی و اجرایی آرماتوربندی
کلیه ضوابط فنی و اجرایی عملیات آرماتوربندی مطرح شده در دروس تکنولوژی و کارگاهی، باید رعایت شود. فاصله میلگردها تا سطح آزاد بتن در شالوده نباید از ۴ سانتیمتر کمتر باشد. حداقل قطر آرماتور مورد استفاده در شالوده ۱۰ میلیمتر است. فاصله بین آرماتورها بین ۱۰۰ تا ۳۵۰ میلیمتر متغیر است.
روش نصب پیچ‌های مهاری (بولت‌ها) و صفحه ستون
ستون‌های یک ساختمان اسکلت فلزی، نقش انتقال دهنده بارهای وارد شده را به شالوده به صورت نیروی فشاری، کششی، برشی و یا لنگر خمشی، به عهده دارند. در این میان، ستون فلزی به واسطه صفحه‌ای فلزی که از یک سو با ستون و از سوی دیگر با بتن درگیر شده است روی شالوده قرار می‌گیرد. ستون فلزی به علت سطح مقطع کم، فشار زیادی روی شالوده منتقل می‌کند که بتن شالوده قادر به مقاومت در مقابل آن نیست. بنابراین صفحه ستون واسطه‌ا‌ی است که ضمن افزایش سطح تماس ستون با پی، سبب میشود توزیع نیروهای ستون در حد قابل تحمل برای بتن کاهش یابد. اتصال صفحه ستون با بتن به وسیله‌ی پیچ‌های مهاری (میلههای مهاری یا بولت‌ها) تامین میشود. میلههای مهاری تا حصول مقاومت کششی کل باید در بتن شالوده مهار شوند. در ایران پیچ‌های مهاری از دنده کردن میلگردهای صاف بدون آج ساخته میشوند.
روش سنتی
در این روش که در ساختمان سازی متعارف در ایران معمول است، ورق صفحه ستون به صورت جدا از ستون همراه با میله‌ی مهاری قبل از بتن ریزی بر روی شالوده مستقر میشود. و پس از بتن ریزی، مهره‌های میله‌ی مهاری باز شده و سطح شالوده تمیز و مرطوب میشود. سپس ملات پرسیمان با ضخامت لازم روی شالوده پخش شده و ورق صفحه ستون روی آن قرارگرفته و به کمک تراز و دوربین، در وضعیت نهایی خود قرار گرفته و مهره‌های میلههای مهاری سفت میشود. بعد از گرفتن ملات، صفحه ستون آماده‌ی نصب ستون بر روی آن است.
روش صنعتی
در این روش، میلههای مهاری را در محل‌های تعیین شده قرار می‌دهند و موقعیت آنها را به وسیله شابلون تثبیت میکنند و سپس بتن ریزی شالوده انجام میشود. در این روش صفحه ستون در کارخانه به صورت گونیا به پای ستون جوش و یکپارچه میشود. برای نصب، ابتدا شابلون‌ها را پس از سفت شدن بتن، باز کرده و روی شالوده پدگذاری میشود.
پدها ورق‌های ۴×۱۰۰×۱۰۰ میلیمتر هستند که یک شاخک نبشی به سطح تحتانی آن جوش شده است. پدها بطور کامل به کمک ملات در موقعیت مورد نظر مستقر و تراز میشوند. بعد از گرفتن ملات زیر پد، ستون به همراه صفحه ستون روی آنها مستقر شده و ستون کاملاً به صورت شاقولی درمی‌آید و مهرۀ میلههای مهاری سفت میشود. در مرحله آخر دور ورق صفحه ستون قالب بندی شده و فضاهای خالی زیر صفحه ستون به کمک ملات خیلی روان منبسط شونده پر میشود که به این عمل گروت ریزی می‌گویند.
بهسازی زمین
بسیاری از سازههای مهندسی، بر روی بستر مناسبی از خاک بنا نمی‌شوند. خاکریزهای اجرا شده بر روی خاکهای نرم (رسهای حساس)، دیوارهای حائل رودخانه‌ها که بر ماسه‌های بسیار سست بنا میشوند و سازههای دریایی که بر روی رسوبات سست واقع بر گسل‌های قاره‌ای بنا شدهاند، بستر مناسبی ندارند. عدم شناخت رفتار خاکهای روانگرا یا حساس، ممکن است یکپارچگی سازههای واقع شده بر آنها را تهدید کند. در سال‌های اخیر پیشرفت‌های زیادی در زمینه تقویت زمین‌های غیر مرغوب صورت پذیرفته است.
تراکم دینامیکی
یکی از روشهای بهسازی، روش تـراکم دینـامیکی است. این روش شامل اعمال ضربات تکراری با انـرژی زیـاد بـر سطح خاک با استفاده از کوبه‌هایی بـا وزن ۵ تـا ۴۰ تـن از ارتفــاع ۱۰ تــا ۳۰ متر است. از آنجا کــه تجهیزات و تکنولوژی مورد نیاز این روش، سـاده و در دسترس است. در حال حاضر این روش یکی از متداول‌تـرین روشهای بهسازی استفاده شده در کشور اسـت. اما چـون اساس طراحی آن هنوز تجربی است و تعداد پارامترهای متغیر در این روش زیاد است؛ برای رسـیدن بـه یـک الگـوی بهینه کـوبش، در چند ناحیه، تـراکم آزمایشـی همـراه تعدادی آزمایش، قبل و بعد از کوبش انجام میشود. بـا توجه بـه هزینه قابل توجه تراکم آزمایشی و آزمایش‌های مورد نیاز، میتوان با مدلسازی عددی این عملیات، کـارایی و دقت این روش را بالاتر برد و هزینه‌ها را کاهش داد.
در احداث خاک ریز شاهراه‌ها، سدهای خاکی، آماده سازی اراضی صنعتی، پالایشگاهی و کارهای زیربنایی متعدد دیگر نیاز دارید تا خاک سست را به آن حد از تراکم برسانید تا خواص مکانیکی خاک بهبود یابد. به روش‌هایی که باعث رسیدن به این مقصود میشود بهسازی خاک می‌گویند که یکی از انواع آن، ایجاد تراکم است.
تراکم دینامیکی خاک یکی از روشهای تراکم عمقی خاک است. از فواید تراکم میتوان به افزایش باربری خاک، کاهش نشست‌های ناخواسته و پایداری شیروانی‌ها اشاره کرد.
در طول فرآیند تقویت شالوده، چکش با افتادن از ارتفاع ۲۰ متری، به سرعت ۷۲۰ کیلومتر بر ساعت می‌رسد، این شدت و سرعت ضربه در قویترین زلزله‌ها رخ میدهد.
از فواید تراکم میتوان به افزایش باربری خاک، کاهش نشست‌های ناخواسته، و امکان افزایش شیب شیروانی‌ها ضمن حفظ پایداری آنها اشاره کرد. تراکم سطحی با دستگاه‌های معمول از جمله غلتک‌های استوانه‌ای صاف، پاچه‌بزی و چرخ لاستیکی می‌تواند تا ۳۰ سانتیمتر سطح خاک را متراکم کند. در صورتی که بخواهیم تراکم در لایه‌های عمیقتر خاک رخ دهد باید از تراکم دینامیکی و ارتعاشی استفاده کنیم.
اصول روش تراکم دینامیکی خاک
فرایند کار تراکم دینامیکی ساده است.
- جرمی به وزن ۵ تا ۴۰ تن را از ارتفاع ۱۰ تا ۳۰ متری رها میکنند و انجام این کار به دفعات باعث تراکم عمیق توده خاک میشود.
- استفاده از این روش در نزدیکی ساختمان‌ها باعث ایجاد خسارت میشود. حداقل فاصله تا ساختمان های موجود جهت استفاده از این روش ۳۰ تا ۵۰ متر است.
- موج‌های شعاعی حاصله از تراکم دینامیکی در سه محور مختصات باعث لرزش و در نتیجه تراکم خاک میشود.
درجه تراکم
درجه تراکم کسب شده به عوامل زیر بستگی دارد.
- جرم وزنه (معمولاً ۵ تا ۴۰ تن)؛
- ارتفاع سقوط (معمولاً ۱۰ تا ۳۰ متر)؛
- فواصل نقاطی که وزنه بر روی آن می‌افتد (ابعاد شبکه کوبش: ۲٫۵ در ۲٫۵ تا ۶٫۵ تا ۶٫۵)؛
عمق مؤثر تراکم در این روش معمولاً ۳ الی ۱۰ متر است و اگر عملیات اجرایی به صورت اصولی انجام شود. میتوان ظرفیت باربری پی را تا حدود ۱/۵ کیلوگرم بر سانتی متر مربع با مقدار نشست قابل قبول افزایش داد.
جایگزینی دینامیکی
در روش جایگزینی دینامیکی با پر کردن حفره‌های بوجود آمده در اثر کوبش ضربات توسط مصالح دانه‌ای مناسب و اعمال ضربات متعدد دیگر بر سطح زمین در آن نقاط، مصالح دانه‌ای تا چند متر در داخل خاک نفوذ کرده و با خاک اولیه منطقه مخلوط میشوند.
بدین ترتیب لایه سطحی زمین با ضخامتی چند متری به صورت یک دال از مصالح دانه‌ای بوجود می‌آید که استحکام قابل توجهی به زمین جهت تحمل بارهای وارده را میدهد.
تأثیر آهک بر خواص مکانیکی خاک
در عملیات بهسازی باید هدف از اختلاط آهک با خاک قبلاً مشخص شود. به عنوان مثال اگر مقدار کمی آهک با خاک مخلوط شود برخی از خصوصیات خاک تغییر می‌کند، ولی مقاومت فشاری و کششی به طور محسو‌سی افزایش نمی‌یابند. در این شرایط، میزان سیمانی شدن، ضعیف و فقط به صورت مرحله اصلاح انجام شده است.
تأثیر آهک بر دانه‌بندی
با افزایش مقادیر پایین آهک (تا حدود ۳ درصد)، فرآیند دانه‌ای شدن در بخش رسی خاکها به واسطه واکنش تبادل کاتیونی انجام میشود. با افزایش بیشتر مقدار آهک، درصد کمی از ذرات رسی که باقی ماند‌ه‌اند، درشت دانه میشوند.
اما در درصدهای بالاتر از ۶٪ آنچه باعث تجمع یا درشت دانه شدن بافت خاک میشود، واکنش‌های پوزولانی است. واکنش‌های پوزولانی، ذرات بخش ریزدانه خاک را به هم می‌چسبانند و ذرات درشت را حاصل می‌کند.
تأثیر آهک بر حدود اتربرگ
افزودن آهک سبب کاهش حد روانی و افزایش حد خمیری و در نتیجه کاهش حالت خمیری خاک میشود. برای رسهای غیر آلی با نشانه حالت خمیری کم تا متوسط، بیشترین افزایش مقاومت معمولاً با افزون ۶ تا ۸ درصد آهک بر حسب درصد وزنی خاک خشک به دست می‌آید. هر اندازه نشانه حالت خمیری خاک بیشتر باشد، خاک دارای مقدار بیشتری کانی رسی است که در نتیجه به مقدار بیشتری آهک برای رسیدن به حالت غیر خمیری نیاز دارد.
تأثیر آهک بر خصوصیات تغییر حجم و قابلیت تورم خاک
افزایش درصد بهینه آهک و زمان عمل آوری به میزان قابل ملاحظه‌ای از خصوصیات تورم (درصد تورم و فشارتورم) خاکهای رسی می‌کاهد. مسئله جمع شدن یا انقباض خاک تثبیت شده با آهک بر اثر کاهش رطوبت آن از اهمیت زیادی برخوردار است و سبب به وجود آمدن ترکهای انقباضی میشود. ضمناً باید به نقش سولفات‌های قابل حل (خاکهای گچ‌دار) در خاک ریزدانه و وارد شدن سولفات‌ها از طریق آب در خاک تثبیت شده با آهک در ایجاد تورم توجه داشت زیرا در این حالت به علت واکنش‌های شیمیایی بین رس و آهک و یون سولفات، کانی‌های ثانوی‌های از قبیل اترینگایت و تاماسایت ایجاد میشود. این کانی‌ها در حالت غیر بلوری قابلیت جذب آب بالایی دارند و می‌توانند در محیط اشباع به شدت متورم شده و باعث بروز مشکلات و خساراتی شوند.
تأثیر آهک بر میزان تراکم
مشخصات مربوط به تراکم مخلوط‌های خاک – آهک شامل حداکثر وزن مخصوص و درصد رطوبت بهینه، از اهمیت خاصی برخوردار است. مصالح متراکم و سفت، قابلیت باربری بیشتر و نشست کمتری در مقایسه با مصالح سست و نرم در مقابل بارهای وارده از خود نشان میدهد. برای دست یابی به نتایج عملیات تثبیت، خاک بایستی تا حد قابل قبول کوبیده و متراکم شود. علاوه بر رطوبت و انرژی تراکم به عنوان دو عامل اساسی، عوامل دیگری وجود دارد که روی تراکم پذیری خاک تاثیر می‌گذارند. نوع خاک و دانه بندی آن و نوع درصد مواد اصلاح کننده آهکی و … هر کدام تاثیر خاصی در رفتار مهندسی مصالح از جمله وزن مخصوص خشک حداکثر و میزان آب بهینه دارند. خاک تثبیت شده با آهک حداکثر وزن مخصوص خشک کمتر و درصد رطوبت بهینه بیشتری در مقایسه با خاک تثبیت نشده دارد.
هر اندازه میزان آهک مصرفی برای تثبیت خاک بیشتر باشد، مقدار این اختلاف بیشتر خواهد بود. ضمناً با گذشت زمان، هر اندازه مواد سیمانی شده بیشتری در خاک تثبیت شده تشکیل شود، حداکثر وزن مخصوص مصالح کاهش و درصد رطوبت بهینه آن افزایش خواهد یافت.
تأثیر آهک بر نفوذپذیری خاک و کاهش درصد آب
با توجه به جذب آب مورد نیاز برای شکفتن آهک از خاک اطراف، میزان آب کاهش خواهد یافت. همچنین افزایش حجم ستون و فشرده شدن خاک و حرارت حاصل از شکفتن آهک که باعث تبخیر آب میشود، نیز سبب کاهش درصد آب میشود. با در نظر گرفتن وزن خاک خشک، مقدار کاهش آب (به درصد)، معمولاً بیش از مقدار آهک افزوده شده (به درصد) میشود. همچنین از آنجائی که نفوذپذیری ستون‌های آهکی اغلب در مقایسه با خاکهای رسی اطرافشان بیشتر است، نفوذپذیری رس نرم ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰ برابر افزایش می‌یابد.
تأثیر آهک بر مقاومت برشی و فشاری خاکهای تثبیت شده
افزایش مقاومت برشی پس از اختلاط با آهک، بخشی به دلیل مجتمع شدن رس و بخشی دیگر به علت کاهش درصد آب است. لازم به ذکر است که مقاومت برشی خاک رس در حین اختلاط کاهش می‌یابد. مقدار این کاهش در صورتی که حساسیت خاک زیاد باشد (مانند رسهای سریع)، می‌تواند بزرگ باشد. اما مقاومت برشی با گذشت زمان بلافاصله افزایش خواهد یافت و پس از ۱ تا ۲ ساعت پس از اختلاط، بیش از مقاومت برشی پیش از اختلاط خواهد بود. با گذشت زمان مقاومت فشاری به خاطر واکنش‌های پوزولانی افزایش خواهد یافت.
مقاومت برشی زهکشی نشده رس پایدارسازی شده تحت شرایط مناسب می‌تواند به ۰/۵ تا ۱ مگاپاسکال پس از سال برسد. به طور معمول میتوان یک افزایش ۱۰ تا ۵۰ برابر‌ی در مقاومت برشی را در صورتی که مقاومت برشی اولیه کم و در حدود ۱۵-۱۰ مگاپاسکال بوده باشد، انتظار داشت. معمولاً ۶ تا ۸ درصد وزنی آهک برای رسهای غیر آلی با حد روانی کم کافی است تا مقاومت برشی بین ۵۰ تا ۲۰۰ مگاپاسکال پس از ۱ سال به دست آید.
تأثیر آهک بر روی حساسیت خاکهای رسی
خاکهای رسی از نوع مونت موریلونیت، خاکهای حساس به شمار می‌آیند و هر چه در خاکهای رسی میزان کانی مونت موریلونیت بیشتر باشد، حساسیت خاک بیشتر بوده و متناسب با افزایش میزان کانی کائولینیت حساسیت خاک رس کاهش می‌یابد. افزایش آهک بر خاکهای رسی حساس باعث کاهش حساسیت خاک رس شده و میزان حساسیت خاکهای رسی پایدار شده با آهک معمولاً بین ۱ تا ۳۳ است.
تأثیر آهک بر مقاومت در برابر چرخه‌های یخ زدگی و آب شدن
منظور اصلی از دوام خاکهای تثبیت شده با آهک، افزایش مقاومت آنها در برابر چرخه‌های یخ زدگی و آب شدن است. تأثیر دراز مدت رطوبت بر این مصالح معمولاً شدید نیست. خاکهای تثبیت شده با آهک بر اثر یخ زدگی و آب شدن، بخشی از مقاومت خود را از دست می‌دهند. مقاومت فشار ی اولیه خاکهای تثبیت شده با آهک بر روی مقاومت مصالح در برابر یخ زدگی و آب شدن تأثیر بسیاری دارد. هر اندازه مقاومت فشاری اولیه این مصالح بیشتر باشد، مقاومت آنها نیز در برابر چرخه‌های یخ زدگی و آب شدن بیشتر خواهد شد. اما باید خاطر نشان ساخت که رس پایدار شده با آهک ممکن است به یخ زدگی حساس شود. در خاک کائولینیت با افزایش چرخه‌های یخبندان، ذوب یخ و همچنین افزایش درصد آهک، خاک غیر پلاستیک میشود و همچنین میزان کاهش مقاومت تک محوری آن با افزایش درصد آهک کاهش می‌یابد.
اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید لطفا ابتدا وارد شوید، در غیر این صورت می توانید ثبت نام کنید.