معرفی روش ستون سنگی(ستون شنی)

بهسازی خاک به روش ستون شنی فرآیند افزایش کیفیت زمین (خاک یا سنگ) است. به عبارت دیگر در اثر این فرآیند پارامترهای مکانیکی و مقاومتی زمین افزایش پیدا می­ کند. در برخی موارد نیز هدف بهسازی خاک با اضافه کردن برخی از المان  ها به عنوان المان تسلیح تأمین می ­گردد. در چنین شرایطی بهبود پارامترهای مکانیکی یا مقاومتی زمین مورد نظر نیست. در برخی از روش های بهسازی نیز از مزیت هر دو رویکرد بهره گرفته می­ شود.

روش های متعددی برای بهسازی خاک ها وجود دارد که از آن جمله می­توان به انواع روشهای تراکم، روش اختلاط خاک و تثبیت خاک، انجماد زمین، هدایت آب زیرزمینی، انواع روش های تزریق دوغاب ، انواع روش های ارتعاش عمیق شامل ستون سنگی یا ستون شنی و اضافه کردن المان های متعدد تسلیح کننده اشاره نمود.

جدول 1-1 دسته­ بندی کلی از انواع روش های بهسازی خاک ارائه می­ دهد.

در شرایطی که مشخصات زمین برای احداث سازه و تحمل بارهای وارده نامطلوب باشد، مهندس طراح می ­تواند با در نظر گرفتن امکانات موجود، شرایط ساختگاه، نوع سازه، عوامل زمانی و اقتصادی و … یک یا چند روش را برای  بهسازی خاک یا سنگ در نظر بگیرد.

گزارش حاضر به معرفی بهسازی خاک به روش ستون سنگی یا ستون شنی می ­پردازد. در حال حاضر روش ستون سنگی در گستره وسیعی از انواع خاکها به ویژه خاک های ضعیف اجرا می­ شوند، هر چند که کاربرد اصلی آنها در خاکهای ریزدانه یا با درصد ریزدانه بالاست. ستون شنی ظرفیت باربری خاکهای غیرچسبنده سست را افزایش می­ دهند و عملکرد آنها به عنوان زهکش در این نوع خاکها اهمیت چندانی ندارد. اما در شرایطی که توده خاک محل روانگرا باشد، علاوه بر رفع پتانسیل روانگرایی با کاهش میزان تخلخل توده خاک، عملکرد زهکشی ستون سنگی نیز مورد توجه است. در خاک های چسبنده نیز علاوه بر افزایش ظرفیت باربری، نشست تحکیمی در اثر بارهای وارده به طور قابل توجهی کم شده و زهکشی آن با سرعت بیشتری صورت می ­پذیرد .

اگرچه ستون شنی به عنوان یک روش مناسب برای بهسازی خاک شناخته می ­شوند، اما طراحی آنها بدون توجه به مفاهیم و فلسفه رفتاری آنها منجر به عدم کاربری مناسب آنها خواهد شد. نکته­ ای که مهم است این است که فلسفه رفتاری ستون سنگی در خاک های مختلف با همدیگر تفاوت دارد.

یکی از اهداف اصلی طراحی ستون شنی یا ستون سنگی، تحمل بخش اصلی بارهای وارده از سازه سطحی است. در چنین شرایطی ستون سنگی احداث شده تحت اثر بار روسازه کرنش جانبی یا شعاعی پیدا کرده و نیروهای مقاوم در خاک اطراف بسیج می ­شوند. در خاکهای ریزدانه رسی، احداث ستون شنی شامل جایگزینی بخشی از خاک و ایجاد مقداری تراکم در توده خاک اطراف است. در حالی که در خاکهای درشت دانه میزان تراکم به وجود آمده در خاک اطراف قابل توجه است.

روش ستون سنگی برای بهسازی خاک، به طور کلی به دو صورت زیر اجرا می­شوند:

• روش ستون سنگی ارتعاشی (Vibro stone columns)
• (Vibro-displacement روش ارتعاش جابجایی)
• روش ارتعاش جایگزینی (Vibro-replacement)
• روش ستون شنی کوبشی (Bored rammed system)

در این گزارش سعی بر این است که یک تفکیک مناسب بین ستون سنگی ایجاد شده در خاکهای مختلف و مکانیزمهای رفتاری آنها به وجود آید و از هر نوع خلط مفهومی بین آنها جلوگیری شود. چنین درک و دریافتی در طراحی آنها مفید و موثر خواهد بود.

روش ستون سنگی ارتعاشی

روش ستون شنی ارتعاشی، توسعه یافته روش «ارتعاش شناوری» (vibro-flotation) است. بنابراین بهتر است در ابتدا توضیحاتی درباره روش ارتعاش شناوری داده شود. این روش در سال 1930 در اروپا به عنوان یک روش اقتصادی برای متراکم کردن خاکهای دانه ­ای معرفی شد. با به کارگیری تجهیزات جدید و پذیرش عمومی روش ارتعاشی، استفاده از این روش در بهسازی انواع خاکها توسعه پیدا کرد. امروزه روشهای مختلف ارتعاشی به منظور تامین اهداف زیر در پروژه­ های مختلف مهندسی استفاده می­ شوند:

–         افزایش سختی زمین و کاهش یا کنترل میزان نشست

–         افزایش پارامترهای مقاومتی زمین و در نتیجه افزایش ظرفیت باربری نهایی آن

–         تسهیل ساخت و ساز در سواحل بر روی خاکریزهای داخل آب و مناطق استحصال شده

–         کاهش پتانسیل روانگرایی

–         استفاده به عنوان المان باربر به جای پی­ های عمیق مانند شمعها و ریزشمعها

تراکم ارتعاشی روشی است که در آن خاکهای دانه ­ای سست، مانند خاکهای ماسه­ ای و شنی تمیز، تحت اثر لرزشهای اعمالی آرایش قبلی خود را از دست داده و در متراکم­ترین حالت قرار می­ گیرند. در این روش، میله مرتعش یا ویبراتور به همراه جت آب تحت فشار در داخل خاک نفوذ می­کند (شکل 1-2 و شکل 1-3). ذرات خاک در مجاورت میله مرتعش کننده از هم جدا شده و تنش موثر بین آنها به صفر می­ رسد و در داخل آب به حالت شناور در می­ آیند. این ذرات در اثر حرکات میله مرتعش و در اثر وزن خود در متراکم­ترین حالت قرار می ­گیرند (شکل 1-4). از آنجایی که قرارگیری دانه­ ها در کنار همدیگر بدون اعمال تنش خاصی صورت می ­پذیرد، تراکم بدست آمده پایدار خواهد بود.

شکل 1-2- میله مرتعش یا ویبراتور و جت آب

شکل 1-3- میله مرتعش یا ویبراتور

ستون شنی

شکل 1-4- مفهوم پدیده تراکم در خاکهای دانه ­ای

در خاکهایی که مقدار ریزدانه آنها زیاد است، روش ارتعاش شناوری به گونه­ ای دیگر کاربرد دارد و نتیجه آن ایجاد ستون شنی یا ستون سنگی در این گونه خاکها خواهد بود (شکل 1-5). در این حالت بهسازی خاک و احداث ستون سنگی به دو روش «ارتعاش جایگزینی» یا «ارتعاش جابجایی» صورت می­پذیرد که در قسمت بعد توضیح داده می­شود.

ستون شنی

شکل 1-5- محدوده اجرای انواع روشهای ارتعاشی

شکل 1-6، روش اجرای مرحله به مرحله تراکم ارتعاشی را نشان می ­دهد. میله مرتعش یا ویبراتور بصورت معلق از جرثقیل آویزان می ­شود و تحت اثر وزن خود و با کمک جت آب یا جت هوا در داخل خاک نفوذ می­ کند. در مجاورت میله مرتعش خاک دانه ­ای به حالت روان در می ­آید. با نفوذ ویبراتور تا عمق بهسازی و با بالا آمدن آهسته آن، تراکم واقعی خاک آغاز می­ شود. بدین ترتیب اثر تراکم در سطح زمین نمودار          می­ شود و یک حفره مخروطی شکل بزرگ در اطراف نقطه نفوذ ویبراتور تشکیل می­ گردد (شکل 1-7). بعد از حدود 2 دقیقه از قرار گیری ویبراتور در پایین ترین نقطه، ویبراتور به اندازه 30 تا 50 سانتیمتر بالا آمده و سپس عملیات تراکم تکرار می­ شود و متعاقب آن مصالح دانه­ ای مناسب از سطح زمین در داخل چاله تراکم ریخته می ­شود. بدین ترتیب با بالا آمدن آهسته ویبراتور، تراکم یکنواخت و پیوسته در توده خاک ایجاد می­ گردد و کاهش حجم خاک با مصالح دانه­ ای مناسب جبران می­ شود. افزودن مصالح دانه ­ای، وزن مخصوص خشک خاک را به طور تقریبی 10 تا 15درصد افزایش می­ دهد. در سطح زمین نیز نشستی به میزان 5-15درصد عمق تراکم ایجاد خواهد شد. مقدار نشست سطح زمین به میزان تراکم خاک قبل و بعد از بهسازی خاک بستگی دارد. شکل 1-9 مثالهایی از شبکه نقاط تراکم را نشان می ­دهد. حداکثر عمق اجرایی برای تراکم ارتعاشی نیز در حدود 30 متر است و بیش از آن صرفه اقتصادی ندارد.

ستون شنی

شکل 1-6- مراحل اجرای روش تراکم ارتعاشی

ستون شنی

شکل 1-7- تشکیل حفره مخروطی شکل در اطراف ویبراتور در حین عملیات تراکم ارتعاشی

ستون شنی

شکل 1-8- عملیات تراکم ارتعاشی

ستون شنی

شکل1-9- نمونه­ ای از آرایش نقاط تراکم برای روش تراکم ارتعاشی (شکل باز ترسیم شده)

1-2-1- ستون سنگی ارتعاشی- روش ارتعاش جایگزینی (Vibro-replacement)

یکی از متداولترین روشهای احداث ستون شنی، روش «ارتعاش-جایگزینی» است که به طور معمول در خاکهای رسی عادی تحکیم یافته، خاکهای دارای مصالح ارگانیک، سیلتهای اشباع و خاکهای آبرفتی به کار می­ رود. در این روش توده خاک ضعیف با مصالح دانه ­ای مناسب جایگزین می ­شود و چون قطر چاله حفر شده بزرگتر از اندازه ویبراتور است تراکم قابل توجهی در خاک اطراف به وجود نمی ­آید. از طرفی به دلیل ناپایدار بودن چاله حفاری در خاکهای ضعیف، بایستی از سیستم جت آب استفاده شود تا خاک حفاری شده با فشار به بیرون رانده شده و گِل ناشی از مصالح ریزدانه، سرتاسر جداره را تحت پوشش قرار داده و پایداری آن را تأمین نماید. از اینرو این روش به عنوان روش مرطوب ستون سنگی نیز نامیده می­ شود.

همانطوری که اشاره شد ستون شنی در حال حاضر می­ تواند در محدوده وسیعی از خاکها اجرا شود. بنابراین لازم است که این نکته تذکر داده شود که در روش جایگزینی استفاده از جت آب به نوعی الزامی است، هر چند پایداری دیواره بدون حضور جت آب نیز تأمین گردد و این بدین خاطر است که مصالح حفر شده در خاک بایستی از محل نفوذ ویبراتور به بیرون رانده شود.

روش ارتعاش-جایگزینی در خاکهای رسی با مقاومت زهکشی نشده 7 کیلو پاسکال نیز با موفقیت اجرا شده­ است، اما به طور معمول نباید در خاکهایی که مقاومت برشی زهکشی نشده آنها کمتر از 14 کیلو پاسکال است استفاده شود؛ زیرا در چنین شرایطی مقاومت جانبی لازم برای عملکرد مناسب ستون سنگی وجود نخواهد داشت. این روش به عنوان یک روش بهسازی خاک برای نهشته­ های عمیق رس و لای دارای مصالح ارگانیکی زیاد مناسب نیست. احداث ستون شنی در نقاط متعددی در داخل خاک رس صورت می­ پذیرد. قطر هر ستون به طور معمول برابر با 0.9 متر است اما این قطر از 0.5 تا 1.5 متر تغییر می­ کند. حداکثر مقدار قطر به مشخصات خاک رسی بستگی دارد و هر ستون می­تواند باری در حدود 30 تن را تحمل نماید.

پروژه دیپلمات بابلسر کارفرما آقای حسینی

در خاکهای نرم، المان مرتعش با کمک جت آب در داخل خاک نفوذ می­ کند و در نتیجه چاله ­ای بزرگتر از اندازه ویبراتور تشکیل می ­شود. آویزان شدن ویبراتور از جرثقیل، این اطمینان را به وجود می­ آورد که چاله حفر شده قائم است. المان مرتعش تا عمق مورد نظر نفوذ می ­کند و سپس به طور آهسته بیرون کشیده می ­شود. با خروج ویبراتور مصالح درشت دانه از بالای چاله به داخل آن ریخته شده و از فضای خالی بین ویبراتور و دیواره گودال عبور کرده و در انتهای گودال توسط ویبراتور متراکم می­ شوند. بنابراین همانطوری که در بخش قبل اشاره گردید روش رایج احداث ستون سنگی «جایگزینی» به صورت «تغذیه از بالا» است. البته این بدان معنی نیست که احداث این ستونها با روش «تغذیه از پایین» صورت نمی­ پذیرد. شکل 1-10 مراحل ساخت ستون شنی «جایگزینی» را نشان می ­دهد. با ایجاد تراکم، خاک اطراف به صورت جانبی تغییر مکان می­ دهد. این فرآیند در گامهای متوالی 1 متری صورت می­ پذیرد و نهایتاً ستون سنگی تشکیل می­ شود. به طور کلی ابعاد دانه­ ها در مصالح خاکریز از 5 تا 100 میلیمتر تغییر می­ کند و مقدار ذرات ریزتر از 5 میلیمتر نباید بیشتر از 15% باشد. در برخی مراجع نیز ابعاد دانه­ ها از 30 تا 80 میلیمتر ذکر شده است.

ستون شنی

شکل 1-10- مراحل ساخت ستون شنی یا ستون سنگی جایگزینی- روش مرطوب تغذیه از بالا

1-2-2- ستون سنگی ارتعاشی- روش ارتعاش جابجایی (Vibro-displacement)

روش «ارتعاش-جابجایی»، روش خشک احداث ستون شنی در خاکهای رسی غیرحساس است. منظور از روش خشک این است که از جت آب در طی فرآیند ساخت استفاده نمی­ شود. در این نوع خاکها حداقل مقدار مقاومت برشی زهکشی نشده برابر با 20 کیلو پاسکال است.روش خشک در شرایطی به کار می ­رود که چاله پایدار باقی بماند و خطر نفوذ آب زیرزمینی به داخل آن وجود نداشته باشد. این روش در خاکهای رسی غیراشباع بسیار موثر است. در این روش، جابجایی خاک اطراف در اثر تراکم، موجب افزایش مقاومت خاک بین ستون سنگی خواهد شد. چنین چیزی در روش «ارتعاش-جایگزینی» وجود ندارد یا اثر آن بسیار کم است. به طور مثال در صورتی که فاصله بین ستونها برابر با 1.5 متر باشد، افزایش مقاومتی در حدود 1.5 برابر حاصل خواهد شد.

بیشتر بخوانید: الگوهای پایدارسازی گود به روش نیلینگ

در طی فرآیند احداث ستون شنی ، ویبراتور با برش و جابجایی خاک اطراف در آن نفوذ می­ کند و به دلیل اینکه به طور کامل با چاله در تماس است، هیچگونه فضای حلقوی بین ویبراتور و چاله برای ریختن مصالح خاکریز وجود ندارد. بنابراین لازم است که ویبراتور بیرون کشیده شده و سپس مصالح خاکریز به صورت تغذیه از بالا در داخل چاله ریخته شود. ستون سنگی ارتعاش-جابجایی به صورت تغذیه از پایین نیز احداث می­ شوند. در این روش، نوع ویبراتور اندکی تفاوت می­ کند و تغذیه مصالح سنگی از طریق لوله­ ای که در بدنه آن تعبیه شده است صورت می­ پذیرد (شکل 1-11). در این نوع ویبراتورها تجهیزات ویژه­ ای برای تغذیه و پر کردن چاله استفاده می­ شود که اصطلاحاً آن را vibrocat می­ نامند. شکل 1-12 نمونه ­ای از یک vibrocat را نشان می­ دهد.

ستون شنی

شکل 1-11- تفاوت بین ویبراتورهای تغذیه از بالا و تغذیه از پایین (شکل باز ترسیم شده)

ستون شنی

شکل 1-12- ویبراتور تغذیه از پایین به همراه vibrocat

شکل 1-13 مراحل احداث ستون سنگی در روش تغذیه از پایین را نشان می ­دهد. در مرحله اول، بعد از جایگیری دستگاه در نقطه مورد نظر، مصالح سنگی توسط لودر در محفظه vibrocat ریخته می شوند. ابعاد دانه­ های سنگی یا شنی در روش تغذیه از پایین بین 10 تا 40 میلیمتر است. این محفظه توسط جرثقیل بالا برده شده و آماده خوراک دهی برای ویبراتور می­ گردد. این خوراک دهی در اکثر موارد با جت هوای فشرده همراه است. در مرحله بعد ویبراتور تا عمق طراحی نفوذ می­ کند و خاک اطراف دچار تغییر شکل و جابجایی می­شود. در مرحله سوم، مصالح سنگی از نوک ویبراتور با کمک هوای فشرده خارج شده و با تراکم ناشی از حرکتهای رفت و برگشتی ویبراتور، ستون شنی مرحله به مرحله ایجاد می­ گردد. در مرحله پایانی بعد از احداث مجموعه ستونهای سنگی، سطح زمین با استفاده از لودر و غلتکهای ویژه تسطیح شده و بعد از آن عملیات ساختمانی شروع خواهد شد.

ستون شنی

شکل 1-13- مراحل ساخت ستون شنی یا ستون سنگی جابجایی- روش خشک تغذیه از پایین

1-2-  روش ستون سنگی کوبشی

ستون سنگی کوبشی به طور خاص در خاکهای رسی غیر حساس کاربرد دارد. فرآیند احداث ستون سنگی کوبشی شامل سه مرحله کلی است که عبارتند از :

1. حفاری چاله ستون سنگی
2. احداث حباب مقاوم تحتانی
3. احداث ستون شنی

بعد از حفاری چاله ستون سنگی، مصالح شنی خوب دانه بندی شده در لایه های 30 سانتیمتری در گودال ریخته شده و توسط چکش ویژه­ ای کوبیده می­ شوند. این چکش می­ تواند به صورت سیستم دستی وینچ و طناب بوده و یا از نوع هیدرولیکی باشد (شکل 13). چکش هیدرولیکی می­ تواند انرژی معادل با 1 تا 2 میلیون پوند-فوت در هر مرحله وارد نماید که تعداد ضربات آن در حدود 400 ضربه در هر دقیقه خواهد بود. در نتیجه تراکم ناشی از چکش در مرحله اول، حباب مقاوم تحتانی شکل می­گیرد که باعث جابجایی خاک ریزدانه به طور جانبی و به سمت پایین می­ شود. بعد از آن، ستون شنی مرحله به مرحله ساخته می­ شود و در اثر تراکم اعمالی خاک اطراف به صورت جانبی تغییر شکل می­ دهد. در صورتی که خاک اطراف مقاومت لازم برای پایداری جداره گودال بعد از حفاری را نداشته باشد، استفاده از کیسینگ الزامی خواهد بود. در این صورت هنگام ریختن مصالح شنی در داخل چاله، کیسینگ به آرامی و مرحله به مرحله بیرون کشیده می­ شود.

ستون شنی

شکل 13- نمونه ­ای از چکش هیدرولیکی مورد استفاده در ساخت ستون سنگی کوبشی