تحکیم خاک

مساله تحکیم خاک با استفاده از روش‌های متعدد و متنوع بهسازی، امروزه یکی از مهم‌ترین کاربردهای علم ژئوتکنیک به شمار می‌آید. احداث سازه‌ها روی بستر‌های نامناسب و خاک‌های مساله دار، این الزام را ایجاد می‌کند که پیش از شروع طراحی و عملیات اجرایی سازه عملیات بهسازی جهت مناسب سازی بستر در اولویت قرار گیرد. در مورد سازه‌های در حال احداث و یا بهره برداری نیز در صورت لحاظ نشدن صحیح شرایط بستر در طراحی و اجرا و متعاقبا رخ دادن نشست و آسیب‌های وارده ناشی از نادیده گرفتن شرایط ژئوتکنیکی ضرورت اجرای تحکیم خاک بوجود خواهد آمد. لذا در این مقاله به شرح مختصری از روش‌های معمول بهسازی خاک پرداخته می‌شود.

علم ژئوتکنیک با تکیه بر تجربیات و ابتکارات اجرایی چند صد ساله و نیز بیش از یک قرن مبانی علمی ‌و آکادمیک، امروزه امکان طراحی و اجرای بسیاری از ابر پروژه‌ها را فراهم ساخته است. یکی از مهم‌ترین کاربردهای دانش ژئوتکنیک بهره‌گیری از مبانی آن در راستای ساخت بستری مناسب جهت احداث پروژه‌های واقع در محدوده خاک‌های مساله داراست. بستر مناسب از دیدگاه مهندسی ژئوتکنیک به بستری گفته می‌شود که در آن، خاک دارای ظرفیت باربری و مقاومت برشی کافی در مقابل بارگذاری طرح بوده و نشست‌های تحکیمی‌و تغییرات حجمی‌انبساطی و انقباضی ناشی از بارگذاری در توده خاک در محدوده مجاز باشد. از این رو ساخت چنین بستر مناسبی در عموم پروژه‌ها به ویژه پروژه‌های واقع در خاک‌های مساله دار، موضوع تحکیم خاک را در اولویت بررسی قرار می‌دهد.

نشست تحکیمی‌ خاک

نشست خاک از نقطه نظر زمانی به دو دسته تقسیم می‌شود:

1. نشست کوتاه مدت و یا نشست الاستیک که با عنوان نشست آنی نیز شناخته می‌شود.
2. نشست بلند مدت و یا غیر الاستیک که با عنوان نشست تحکیمی‌نیز شناخته می‌شود.

نشست الاستیک عموما با بارگذاری سریع و خروج سریع هوا و یا مقدار کمی‌آب از خاک‌های دانه ای اتفاق می‌افتد و نشست بلند مدت با ثابت و ادامه دار بودن بارگذاری و متعاقبا افزایش فشار آب حفره ای در خاک‌های ریزدانه و یا چسبنده روی میدهد. مرحله غیر الاستیک نشست را اصطلاحا نشست تحکیمی‌و یا تحکیم خاک می‌نامند که تنش‌های ایجاد شده ناشی از بارگذاری در ابتدا با نزدیک شدن ذرات خاک، باعث خروج نسبی هوا از توده خاک و سپس با افزایش فشار آب حفره ای، در دراز مدت موجبات خروج آب از توده خاک را فراهم می‌آورد و این امر در نهایت با استهلاک اضافه فشار آب حفره ای منجر به تغییر شکل‌های دائمی‌و نشست تحکیمی‌در خاک  یا بعبارتی تحکیم خاک می‌گردد.

از آنجایی که تحکیم خاک پس از احداث سازه باعث آسیب به سازه مورد نظر می‌گردد و با توجه به امکان پیش بینی مقدار نشست در خاک با استفاده از پارامتر‌های مستخرج از آزمایشات صحرایی و یا آزمایشگاهی، می‌توان با بهره گیری از روش‌های بهسازی و تحکیم خاک، نشست‌های پیش بینی شده را به حدود مجاز آیین نامه ای محدود نمود. بدین منظور پیش از احداث سازه در بسترهایی که حدود نشست‌های محاسبه شده در آنها بر اساس بارگذاری طرح، از حدود مجاز آیین نامه ای تجاوز می‌کند و یا در سازه‌های که بعلت ملحوظ نداشتن صحیح شرایط بستر در مراحل احداث یا بهره برداری دچار آسیب‌های ناشی از نشست گردیده اند الزام به تحکیم خاک و بهسازی خاک بستر به وجود می‌آید.

تحکیم خاک و بهسازی خاک بستر

نخستین اقدام جهت تصمیم گیری برای احداث یک پروژه عمرانی در مواجهه با بستر‌های نامناسب و خاک‌های مساله دار، امکان سنجی رویکرد‌های پیش رو به ترتیب زیر می‌باشد:

1. اجتناب از محل مورد نظر برای احداث پروژه
2. طراحی سازه مورد نظر متناسب با شرایط موجود خاک
3. تلاش برای تغییر خصوصیات خاک با استفاده از تحکیم خاک و یا بهسازی خاک بستر

در صورتی که هیچ کدام از دو مورد نخست امکان پذیر نبوده و تحکیم خاک موردنظر در دستور کار قرار گیرد، بهره گیری از روش‌های بهسازی خاک که امروزه از پرکاربردترین حوزه‌ها در مهندسی عمران می‌باشد مد نظر قرار خواهد گرفت. از اهداف تحکیم خاک می‌توان به مواردی از قبیل بهبود و افزایش مقاومت و یا ظرفیت باربری، کنترل و کاهش نشست‌های آنی و تحکیمی، کاهش تراکم پذیری، افزایش چگالی توده خاک و کاهش تخلخل، یکسان سازی خصوصیات تغییر شکل پذیری، کاهش استعداد روانگرایی، کاهش فرسایش، کاهش جمع شدگی و تورم، کنترل تراوایی، کاهش فشار آب حفره ای، تغییر جهت نشت و جلوگیری از واکنش‌های فیزیکی و یا شیمیایی مضر ناشی از شرایط محیطی اشاره کرد. در ادامه به اختصار به ارائه تکنیک‌های معمول روش‌های بهسازی خاک با توجه به شیوه اجرا و عمق تاثیر اشاره شده است:

1. کارهای خاکی در این روش جهت بهسازی خاک‌های مساله دار در موارد سطحی از برداشت خاک و جایگزینی آن با مصالح مطلوب، در موارد عمیق تر نیز با خاکبرداری تا لایه‌های دارای مقاومت مناسب استفاده می‌شود.

2. تراکم سطحی

به منظور تحکیم خاک در این روش از از متراکم سازی با وزن و ارتعاش غلطک‌های متنوع  در لایه‌های شل سطحی استفاده می‌شود. به این منظور برای مثال در پروژه‌های کوچک از کمپکتور‌های صفحه ای دستی و یا در خاک‌های چسبنده از غلطک‌های پاچه بزی استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که این روش صرفا برای تحکیم سطحی خاک استفاده می‌گردد.

3. تراکم دینامیکی

این روش بهسازی که تا حدود عمق ۲۰ متری خاک را پوشش می‌دهد، با استفاده از رها کردن وزنه‌های سنگین از ارتفاع زیاد به صورت سقوط آزاد میسر می‌گردد. البته از محدودیت‌های این روش می‌توان به عدم کارایی لازم در خاک‌های ریزدانه و همچنین ایجاد سر و صدا و گرد و غبار در محیط‌های مسکونی و عدم امکان استفاده از این روش در زمینهای نزدیک تاسیسات فعال اشاره کرد.

4. تراکم ویبره شناوری

این روش از تحکیم خاک با متراکم سازی با میله مرتعش معلق در عمق مورد نظر انجام شده و کاربرد آن عموما در خاک‌های دانه ای با کمتر از ۲۰% مصالح ریزدانه و حدود کاربری این روش تا عمق ۲۰ متر می‌باشد. تراکم خاک توسط شمع کوبی نیز یکی از روش‌های متراکم سازی خاک در عمق توام با ضربات و تحمیل جابجایی به خاک است که باعث ایجاد عمدی فشار آب حفره ای در خاک‌های دانه ای و زهکشی و متعاقبا تحکیم خاک می‌گردد که با استفاده از نصب سیستم ویبراتور به روی شمع و راندن آن در خاک انجام می‌شود.

5. انفجار

در این روش استفاده از شوک امواج انفجاری با اعمال فشار ناگهانی آب حفره ای به توده خاک و متعاقبا روانگرایی و یا جابجایی عمدی در خاک، موجب زهکشی و تحکیم خاک گشته و با ایجاد فرم جدید در ساختار خاک می‌توان در خاک‌های ماسه ای و ماسه ای لای دار اشباع و نیمه اشباع و معمولا تا عمق ۲۰ متر  عملیات بهسازی انجام می‌گردد.

6. اختلاط عمیق خاک

در این روش که در انواع خاک‌های نرم و شل غیر آلی کاربرد دارد پس از حفاری تا عمق مورد نظر همزمان با بالا آمدن حفار، خاک محل با آهک و یا سیمان مخلوط شده و ستونی از مصالح مطلوب ایجاد می‌کند. از مزایای این روش می‌توات به استفاده از خاک موجود در محل و از محدودیت‌های آن نیز می‌توان به عدم توانایی در کنترل مناسب کیفیت اشاره کرد.

7. تحکیم خاک به روش تزریق

این روش که کاربرد آن طیف وسیعی از انواع خاک‌ها را در بر می‌گیرد، با استفاده از تزریق دوغاب سیمان، رس و سیمان، بنتونیت و یا رزینها میسر می‌گردد. از مزایای این روش می‌توان به کاهش نشست و افزایش قابل توجه ظرفیت باربری خاک به علت افزایش در مقدار پارامتر چسبندگی اشاره کرد. روش جت گروتینگ با کاربری در انواع خاک‌ها، به منظور ایجاد ستون‌ها و یا دیوار‌های با ظرفیت سازه ای بالا یکی از بهترین، کاربردی ترین و سریع ترین روش‌های بهسازی خاک می‌باشد که بعلت فشار بسیار بالا حین تزریق بافت خاک را کاملا بر هم زده و باعث ایجاد ستون‌های باربر با ظرفیت باربری بالا می‌شود. جت گروتینگ همچنین با افزایش پارامتر‌های مقاومت برشی خاک اطرف ستون‌ها ، مشخصات خاک اطراف را بهبود بخشیده و از نشست‌های احتمالی جلوگیری میکند.

8. ریز شمع‌ها

یکی از گزینه‌های بسیار مهم برای اصلاح و تحکیم خاک زیر پی‌ها و سازه‌های موجود که دچار نشست‌های نامطلوب (نظیر نشست نامتقارن) ریز شمع‌های می‌باشند. این روش در ترمیم سازه‌های مهم و یا تاریخی، تونل سازی، تثبیت پی‌های گسترده موجود و بسیاری از پروژه‌های مشابه کاربرد دارد.

9. ستون‌های سنگی

این روش به دو شیوه ارتعاشی و یا ارتعاشی-جایگزینی اجرا می‌گردد که محدوده مورد پوشش آن در خاک‌های نرم تا متوسط و ماسه‌های رسی یا لای دار و بوسیله ساخت ستون‌هایی به منظور باربری و یا زهکشی بوده و معمولا تا عمق ۲۰ متر کاربرد دارد.

10. سیستم‌های مهاری و میخ کوبی

این روش از جمله روش‌های تسلیح داخلی خاک می‌باشد که با استفاده از خود توده خاک و المان‌های فولادی نظیر تاندونها، میلگردها و یا استرند می‌توان پروژه‌هایی نظیر گودبرداری‌های عمیق را با امنیت بالا و امکان مناسب کنترل کیفیت در محیط‌های مسکونی اجرا نمود.

11. زهکشی

در این روش به منظور تسریع تحکیم خاک و اعمال نشست‌های تحکیمی‌خاک، جلوگیری از فرسایش خاک ناشی از جریانات داخلی (Piping) و البته کاهش پتانسیل روانگرایی ، می‌توان از انواع زهکش‌ها شامل لایه‌های دانه ای، ستون‌های ماسه ای، شنی و سنگی، زهکش‌های صفحه ای، ژئوسنتتیک‌ها و یا ترکیبی از آن‌ها بهره جست.

12. پیش بارگذاری

در این روش با بارگذاری بر روی خاک محل (بعنوان مثال احداث خاکریز) و بهره گیری از زهکش‌هایی نظیر پتوهای ماسه ای می‌توان باعث تسریع در امر تحکیم خاک شد که از این روش در ابر پروژه‌های متعدد نظیر ساخت جزایر مصنوعی استفاده شده است.

13. تحکیم خاک به کمک افزودنی‌ها

این روش از بهسازی خاک برای طیف وسیعی از خاک‌ها کاربرد داشته و مهمترین هدف آن بهبود یا کنترل پایداری حجمی‌و مقاومت خاک بستر می‌باشد. مواد غیر آلی متعارف مورد استفاده در این روش شامل آهک و سیمان بوده و از مواد آلی متعارف نیز می‌توان به اکریل آمیدها، رزیت‌ها، پلی استرها و قیر اشاره کرد.

در انتها می‌توان گفت انتخاب روش بهسازی و تحکیم خاک موضوعی است که در گام اول نیازمند در اختیار داشتن اطلاعات ژئوتکنیکی کافی از زمین ساختگاه و تعیین پارامتر‌های مورد نظر جهت بهسازی نظیر عمق بهسازی خاک ، مقاومت خاک، نشست، پتانسیل روانگرایی می‌باشد. با مشخص نمودن پارامتر‌های مورد نظر می‌توان به انتخاب روش بهسازی خاک بر اساس ملاحظاتی نظیر امکان سنجی و یا محدودیت‌های زمانی، منطقه ای و اقتصادی پرداخت.