تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) برای بهسازی خاک چیست؟ - پایدار بستر پارس

• مقدمه

بر اساس مطالعه ای در سال 1987، خاک های انبساطی در ایالات متحده سالانه حدود 9 میلیارد دلار خسارت به ساختمان ها، جاده ها، فرودگاه ها، خطوط لوله و سایر تأسیسات وارد می کند – بیش از دو برابر مجموع خسارت های ناشی از بلایای زلزله، سیل و طوفان (جونز و هولتز، 1973). ؛ جونز و جونز، 1987). توزیع این خسارات تقریباً مطابق جدول 1.1 است. بسیاری از کشورهای دیگر نیز از خاک های انبساطی رنج می برند (چن، 1988). اگرچه برآورد زیان در سراسر جهان دشوار است، اما این یک مشکل جهانی است.

جدول 1.1. خسارت سالانه در ایالات متحده از خاک های گسترده (داده های جونز و هولتز، 1973 و جونز و جونز، 1987؛ استفاده با مجوز انجمن مهندسین عمران آمریکا)

زمانی که مهندسان ژئوتکنیک به خاک‌های انبساطی اشاره می‌کنند، معمولاً به خاک‌های رس یا سنگ‌های رسوبی حاصل از رس‌ها و تغییرات حجمی که در نتیجه تغییرات رطوبت رخ می‌دهد فکر می‌کنند.

اخیراً تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) برای تثبیت خاک‌های گسترده در زیر روسازی برای کاهش تنش های کششی ناشی از حرکات چرخه‌ای انبساط-انقباض پیشنهاد شده است. انتظار می رود این روش باعث بهبود عملکرد بلندمدت این روسازی ها شود. تکنیک اختلاط عمیق خاک ( DSM )یک تکنیک متداول برای بهسازی خاک‌ های بسیار نرم تا نرم، خاک‌های آلی و ماسه‌های سست است و به طور گسترده در ژاپن، کشورهای اسکاندیناوی و در برخی از بخش‌های ایالات متحده استفاده می‌شود (پورباها 1998).

در ادامه عملکرد روش اختلاط عمیق خاک (DSM) در بهسازی خاک های انبساطی در یک مطالعه موردی در تگزاس ایالات متحده آمریکا بررسی می­شود.

بیشتر بدانید: روش سازه نگهبان خرپایی

2-طراحی مخلوط آزمایشگاهی

مطالعات طراحی اختلاط آزمایشگاهی شامل اختلاط خاک و بایندر (چسب) و مقاومت فشاری محدود نشده، تست تورم و انقباض و پروتکل ساخت نمونه می باشد. این امر با ارزیابی متغیرهای تحقیق مانند نوع خاک، نوع چسب، محتویات چسبنده، نسبت چسبنده، دوره پخت، شرایط پخت و نسبت آب به چسب تأثیر گذار بر منحنی تنش-کرنش  و تغییر حجم خاک بهسازی شده انجام می‌شود. در ادامه نسبت آب به چسب 1.0 انتخاب شده است، زیرا این نسبت رایج‌ترین نسبت آب به چسب (بایندر) در طول نصب میدانی ستون‌های اختلاط عمیق خاک است (Babasaki et al. 1996, Japanese Geotechnical Society 2000, Hampton 2004). پارامترها و محدوده آنها مورد مطالعه در این تحقیق در جدول 2.1 ارائه شده است. با توجه به پروتکل اختلاط آزمایشگاهی توسعه یافته در این تحقیق و گزارش شده در Bhadriraju و همکاران. (2008)، نمونه های UCS، جهت تست های انبساط و انقباض تهیه و همراه با خاک های بهسازی نشده مطابق با استانداردهای TxDOT و ASTM آزمایش شدند.

جدول 2.1. محدوده پارامترهای مطالعه

3-بحث در مورد نتایج

1-3-خاک های بهسازی نشده

شاخص پلاستیسیته خاک بهسازی نشده یا شاهد در اعماق مختلف به ترتیب از 22 تا 39 درصد و 32 تا 58 درصد برای سایت های 1 و 2 متغیر بود. این مقادیر PI نشان می دهد که سایت 1 و سایت 2 به ترتیب رس های با انبساط متوسط و زیاد را نشان می دهند. میزان رطوبت طبیعی خاک های شاهد از هر دو سایت تقریباً در 4 تا 5 متر عمق نمونه برداری، بین 20 تا 30 درصد ثابت باقی ماند. میانگین وزن واحد حجمی تخمین زده شده از نمونه های هسته دست نخورده به ترتیب 21 و 20 کیلونیوتن بر متر مکعب برای سایت 1 و سایت 2 بود.

کرنش تورمی بالقوه در عمق با انجام آزمایش‌های تورم آزاد بر روی نمونه‌های استخراج ‌شده از هسته‌های دست نخورده تعیین شد. دامنه سویه های تورمی برای سایت 1، 5 تا 22 درصد و 1 تا 18 درصد برای سایت 2 بود که بیشترین تورم آزاد به ترتیب در اعماق 1.2 تا 2.4 متر و 2.7 تا 3.3 متر ثبت شد. عمق فعال ذکر شده از سوابق قبلی توسط TxDOT (وزارت حمل و نقل تگزاس) از محاسبات افزایش عمودی بالقوه (PVR) مربوط به سایت های فعلی تقریباً 4.5 تا 6 متر بود. از این رو، بهسازی اختلاط عمیق خاک (DSM)  برای تثبیت لایه های گسترده خاک تا عمق فعال توصیه می شود.

آزمایش نوار انقباض خطی (Tex-107-E) بر روی نمونه‌های خاک شاهد از سایت‌های 1 و 2 به ترتیب مقادیر کرنش انقباض 22.5 و 18.3 را به همراه داشت. آزمایش‌های UCS نیز برای مشخص کردن خاک بر اساس استحکام و مطالعه تأثیر دوزهای چسبنده و میزان بهبود انجام شد. مقادیر UCS برای سایت 1 بین 70-275 کیلو پاسکال و برای سایت 2 از 100-300 کیلو پاسکال متغیر بود. بر اساس مقادیر متوسط UCS با عمق، خاک شاهد از هر دو سایت را می توان به عنوان رس های متوسط تا سفت طبقه بندی کرد.

2-3-خاک­های بهسازی شده

آزمایش‌های انقباض خطی بر روی خاک‌های بهسازی شده با استفاده از تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) در هر دو درصد آب مدل سازی (درصد کل آب بایندر- خاک رس) و حد مایع مخلوط خاک- چسب انجام شد. نمونه‌های تهیه‌شده در درصد آب مدل سازی منجر به وزن مخصوص 17 کیلونیوتن بر متر مکعب و انحراف استاندارد  0.66 کیلونیوتن بر متر مکعب و نمونه‌هایی که در درصد اب حد مایع بودند، وزن مخصوص 16.1 کیلو نیوتن بر متر مکعب و انحراف استاندارد 0.36 کیلو نیوتن بر متر مکعب تولید کردند. ، به ترتیب. مشاهدات مشابهی در تهیه هر دو نمونه تورم آزاد ( = 0.48 kN/m3) و  (0.69 kN/m3) انجام شد. این مقادیر پایین نشان می دهد که آماده سازی نمونه همگن و یکنواخت بوده است.

اثرات دوز بایندر، نسبت بایندر و دوره پخت در شکل 3.1 نشان داده شده است. کرنش های انقباض تمام نمونه های بهسازی شده با استفاده از تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) به طور قابل توجهی نسبت به خاک شاهد بهبود یافته و مقادیری مطابق با مقادیری که به عنوان سطوح با شدت کم مشخص می شوند را به دست آوردند. اگرچه تفاوت ناچیزی در میزان درصد کرنش های انقباض دوزها و نسبت‌های مختلف بایندر وجود دارد، مقادیر بالاتری در دوزهایی با نسبت‌های بایندر بالا مشاهده شد. این می تواند به دلیل گرمای بیشتر هیدراتاسیون بایندر در طول پخت باشد. کرنش های انقباض با افزایش درصد سیمان در یک درصد بایندر مشخص افزایش یافت، اما با افزایش درصد چسب کاهش یافت. همچنین با افزایش دوره پخت، کرنش های انقباض کاهش یافت. این را می توان به افزایش مقاومت با واکنش های پوزولانی و سخت شدن متعاقب آن با گذشت زمان نسبت داد.

شکل 1.3. اثرات دوز بایندر، نسبت و دوره پخت بر خواص کرنش انقباض خطی هر دو محل

حداکثر مقدار کرنش انقباض 0.27٪ برای سایت 1 در بهسازی 100٪ با آهک و با نرخ دوز و دوره پخت 100 کیلوگرم بر متر مکعب و 7 روز به ترتیب مشاهده شد. بهسازی خاک با استفاده از تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) در نمونه‌های سایت 2 با حداکثر کرنش انقباض 0.17 درصد برای ترکیبی از متغیرهای فوق مؤثرتر بود. این می‌تواند به دلیل درصد بالای ریزدانه‌های موجود در خاک شاهد به‌دست‌آمده از سایت 2 باشد. اثر چسب‌کننده‌ها، بدون توجه به درصد سیمان، در دوره پخت 14 روزه که شیب‌ها تمایل به صاف‌تر بودن دارند، غالب است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، نتیجه ی مشابهی برای دوز 200 کیلوگرم بر متر مکعب مشاهده شد. این بهسازی همچنین در جلوگیری از هر گونه الگوی تاب برداشتن یا پیچ خوردگی میله های انقباض پس از خشک شدن موثر بود.

آزمایش تورم آزاد بر روی نمونه خاک های بهسازی شده با استفاده از تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) از هر دو محل انجام شد. نمونه ها دچار تورم نشدند. بنابراین هیچ داده ای ثبت نشد که نشان دهد کرنش های تورمی به نزدیک صفر کاهش یافته است. بنابراین هیچ داده ای در این مقاله گزارش نشده است. این ممکن است به دلیل پیوند بین ذره ای ایجاد شده از طریق واکنش های پوزولانی باشد.

3-3-نتایج آزمایشات مقاومت فشاری محدود نشده

تأثیر درصد چسب و نسبت آن بر مقادیر UCS خاکهای بهسازی شده از سایت 2 در شکل 2 نشان داده شده است. استحکام با افزایش نرخ دوز برای همه نسبت ها افزایش می یابد و تقریباً خطی است. شیب خط نشان دهنده افزایش میزان مقاومت با افزایش درصد سیمان است. به عبارت دیگر، افزایش درصد سیمان منجر به افزایش بسیار شدیدتر در مقادیر UCS شد. همانطور که انتظار می رفت، افزایش مقاومت در نمونه های خاک بهسازی شده با استفاده از تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) با افزایش دوره پخت به دلیل تشکیل و سخت شدن ترکیبات پوزولانی با گذشت زمان، روند افزایشی ثابتی را نشان داد.

شکل 2.3. نتایج معمول اثر دوز و نسبت بایندر بر قدرت UC هر دو محل

مشاهده شد که نسبت سیمان 100 درصد در تمام نرخ های دوز بالاترین استحکام را داشت. حداکثر مقاومت 14 روزه به دست آمده در دوز 200 کیلوگرم بر متر مکعب و نسبت سیمان 100 درصد برای سایت های 1 و 2 به ترتیب 1900 کیلو پاسکال و 2000 کیلو پاسکال بود. با این حال، افزودن آهک باعث کاهش میزان افزایش مقاومت در خاک های بهسازی شده با استفاده از تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) شد. نمونه های بهسازی شده با آهک 100 درصد افزایش قابل توجهی در استحکام با افزایش میزان دوز در هر دو دوره پخت نشان ندادند. این ممکن است به ماهیت کم سیمانی بودن چسب آهک نسبت داده شود. نرخ افزایش مقاومت نیز برای هر دو بهسازی 100 و 75 درصد آهک بسیار کم است (شکل 2.3). نتایج این مطالعه نشان داد که چسب های تشکیل شده با بیش از 75 درصد آهک، استحکامی در حدود 8/1 تا 2/5 برابر خاک های بهسازی نشده دارند. چسباننده با مقادیر غالب سیمان، استحکامی در حدود 5 تا 12 برابر خاک های بهسازی نشده تولید می کند.

بر اساس تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از مطالعات اختلاط آزمایشگاهی فعلی، دوز بایندر 200 کیلوگرم بر متر مکعب برای نسبت آهک و سیمان به ترتیب 25 و 75 درصد، با نسبت آب به بایندر 1.0 برای مطالعات مقیاس واقعی توصیه می شود.

4-جزئیات طراحی و ساخت ستون های اختلاط عمیق خاک DSM

طراحی ستون‌های اختلاط عمیق خاک (DSM) در خاک‌های انبساطی بر اساس مدل پیش‌بینی بالاآمدگی است که در اصل توسط راما رائو و همکاران ارائه شده بود. (1988) و بعداً توسط فردولوند و راهاردجو (1993) تجدید نظر شد. مدل پیش‌بینی افزایش سطح زیرین خاک بر اساس تغییر فشارهای تورم با عمق است و در معادله زیر ارائه شده است (فردولوند و راهاردجو 1993):

جایی که C_s,i , e_0,i , p’_f,i , p’_s,i  وh_i  به ترتیب شاخص تورم، نسبت منافذ اولیه، تنش نهایی (فشار سربار ± هرگونه تغییر در تنش کل)، تنش اولیه (فشار متورم) و ضخامت لایه “i” در عمق z هستند. معادله بالا برای پیش‌بینی ارتفاع بالازدگی خاک بهسازی شده با DSM در ازمایش ها گسترش یافته است و به شرح زیر است.

که در آن پارامترها C_comp,i , e^comp_o,i , p’_f,comp , p’_s,comp خواص لایه “i” در زمین بهسازی شده هستند. این پارامترها بر اساس خواص خاک بهسازی شده و بهسازی نشده با توجه به مطالعات آزمایشگاهی مطابق شکل زیر برآورد می شوند.

بر اساس مدل‌های پیش‌بینی ارتفاع بالازدگی در معادلات فوق، مراحل طراحی و فلوچارت ها برای تعیین قطر، طول و فاصله ستون‌های با استفاده از تکنیک اختلاط عمیق خاک(DSM) توسعه داده شدند. جزئیات بیشتر در مورد مراحل طراحی توصیه شده و نمودارهای طراحی را می توان در Madyannapu (2007) یافت.

پس از طراحی آزمایشگاهی اختلاط و نتایج طراحی هندسی، دو سایت اختلاط عمیق خاک(DSM) در میانه یک بزرگراه بین ایالتی در فورت ورث، تگزاس در می 2005 ساخته شد. در هر سایت، یک منطقه مستطیل شکل 4.5 متر در 12 متر با ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM) اصلاح شد. میانگین شاخص‌های پلاستیسیته (PI) خاک‌های بهسازی نشده حدود 30 درصد (PI متوسط) در سایت 1 و 50 درصد (PI بالا) در سایت 2 بود. بهسازی زمینی با یک سیستم «Single Shaft Auger» با مخلوط کردن خاک‌های درونی انجام شد. خاک درجا با آهک (3 درصد وزنی خاک بهسازی نشده) و سیمان (9 درصد وزن خاک بهسازی نشده) برای تولید ستون هایی به طول حدود 3 مترو قطر 600 میلی متر بود.

در مجموع 44 ستون DSM (شبکه 11×4) در سایت 1 و 65 ستون اختلاط عمیق خاک (DSM) (شبکه 13×5) در سایت 2 نصب شد. فاصله اسمی مرکز به مرکز بین ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM) در سایت های 1 و 2 به ترتیب 1 متر و 0.9 متر بودند. جداول 1 و 2 جزئیات طراحی هندسی و مواد و شرایط اختلاط اتخاذ شده در طول ساخت ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM) را به طورخلاصه نشان می دهد  و شکل 3 ستون‌های اتصال دهنده خاک را در انتهای اختلاط درجا نشان می‌دهد.

جدول 1.4. طراحی مواد و هندسی، و جزئیات اختلاط درجا ستون‌های DSM

شکل 1.4. در پایان اختلاط درجا، ستون‌های چسبنده خاک تشکیل شدند

5-ابزار دقیق، پایش و تجزیه و تحلیل نتایج

در ارزیابی عملکرد میدانی یک سازه مهندسی، ابزار دقیق نقش مهمی در درک عملکرد زیرساخت با گذشت زمان دارد. در مطالعه حاضر، انواع مختلف ابزار دقیق در هر دو بخش خاک بهسازی شده با تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) در سایت‌های 1 و 2 برای مشاهده عملکرد خاک بهسازی شده در به حداقل رساندن حرکات خاک از خاک های انبساطی زیر سطحی و در نتیجه آسیب ناشی از زیرساخت‌های پوشاننده نصب شد.

ارزیابی عملکرد بخش‌های بهسازی شده با  تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) از طریق جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل منظم داده‌های مربوط به حرکات سطحی و زیرین خاک در جهت‌های عمودی و افقی، نوسانات رطوبت و فشارهای تورم با گذشت زمان به دست می‌آید. ابزار دقیق مورد استفاده در هر دو مکان شامل شیب‌سنج، رطوبت سنج، سلول‌های فشار کل و صفحات نشست بود. ابزارگذاری همچنین به درک مکانیسم های انتقال بار بین ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM) به دلیل افزایش فشار و توزیع فشار در سیستم ستون اختلاط عمیق خاک (DSM) نیز کمک می کند. به منظور تسهیل انتقال تنش‌های تولید شده از تراشیدن خاک‌های بهسازی نشده بین ستون‌های اختلاط عمیق خاک (DSM) به خود ستون‌ها، یک ژئوگرید در سطح مشترک زمین بهسازی شده و خاکریز گذاشته شد. اطلاعات بیشتر در مورد نصب و روش های جمع آوری داده ها را می توان در Madhyannapu (2007) یافت. تصاویر میدانی معمولی که نصب شیب سنج ها و سلول های فشار را نشان می دهد در شکل 1.5 ارائه شده است.

قسمت های بهسازی شده با DSM از طریق جمع‌آوری داده‌ها از ابزار دقیق و آزمایش در محل برای یک دوره دو ساله نظارت شدند. یعنی از ژوئن 2005 تا آگوست 2007. شیب سنج ها و صفحات نشست هر دو هفته یک بار بررسی شدند و داده های سلول های فشار و رطوبت سنج ها به طور مداوم از طریق یک Data Logger جمع آوری شدند. داده‌ها در یک لپ‌تاپ بارگیری شد و داده‌های نظارت شده برای پرداختن به اثربخشی بهسازی های اختلاط عمیق خاک (DSM) برای تثبیت رس‌های انبساطی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. بخش زیر این نتایج را مورد بحث قرار می دهد.

1. نصب شیب سنج ها

1. نصب فشار سنج ها

شکل 1.5. ابزار دقیق میدانی معمولی سایت های DSM که نصب و راه اندازی شیب سنج ها و سلول های فشار را نشان می دهد.

6-تحلیل نتایج

با توجه به محدودیت‌های این مقاله، نتایج معمول به‌دست‌آمده از سایت 1 فقط در اینجا ارائه و مورد بحث قرار می‌گیرد. هر دو تغییر شکل جانبی و عمودی در خاک های گسترده بهسازی شده با تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) و بهسازی نشده در سایت 2 از طریق ابزار دقیق شیب سنج ثبت شد. بررسی روکش‌های شیب‌سنج با ارسال یک کاوشگر به داخل محفظه انجام شد و داده‌ها در هر بازه عمق (0.3 متر) جمع‌آوری و با استفاده از یک پروب شیب‌سنج ذخیره شدند. سپس داده‌های شیب‌سنج برای هر گونه خطا مانند تناقض، چرخش و حساسیت پردازش شدند.

حرکات عمودی خاک که از شیب‌سنج‌های افقی نصب‌شده در نواحی بهسازی شده نظارت می‌شوند، مقادیر قابل‌توجه کمتری (از 6.3 میلی‌متر در سایت 2 تا 19 میلی‌متر در سایت 1) نسبت به آنهایی که در بخش‌های خاک بهسازی نشده (21 میلی‌متر در سایت 2 و 27.4 میلی‌متر کنترل می‌شوند) نشان دادند. در سایت 1 با استفاده از بررسی های ارتفاعی. کاهش حرکت سطحی در بخش‌های بهسازی شده با تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) به بهبود رس انبساطی حاصل از تکنیک اختلاط عمیق خاک (DSM) نسبت داده شد، بنابراین، نشان‌دهنده اثربخشی روش اختلاط عمیق خاک مورد استفاده در تحقیق حاضر است. محدوده حداکثر فشار تورم جانبی و عمودی تجربه شده در بخش های بهسازی شده به ترتیب 2.1 تا 20.7 کیلو پاسکال و 1.7 تا 31 کیلو پاسکال برای سایت 1 و 1.7 تا 14.5 کیلو پاسکال و 1.4 تا 9.6 کیلو پاسکال برای سایت 2 است. مقادیر کمتر از مقادیر اندازه گیری شده برای خاک های شاهد در محیط آزمایشگاهی است.

حرکات جانبی خاک ثبت شده با استفاده از شیب سنج های عمودی نصب شده در هر دو بخش بهسازی شده و بهسازی نشده نیز کم بود (17.7 میلی متر در بهسازی نشده در مقابل 10.1 میلی متر در اطراف ستون ها در سایت 1). ستون‌های اختلاط عمیق خاک (DSM) حرکات ناچیزی را ثبت کردند و در اطراف ستون‌ها به دلیل چرخه‌های تورم و انقباض، حرکات به طور قابل‌توجهی کوچک‌تر از آن‌هایی هستند که در بخش بهسازی نشده ثبت شده‌اند. این مشاهده در هر دو سایت معتبر است. مجدداً، پیشرفت ها به روش اختلاط عمیق خاک که در سایت استفاده شده است نسبت داده شد.

7-نتیجه گیری

این مقاله طراحی اختلاط آزمایشگاهی، ساخت و نظارت میدانی ستون‌های اختلاط عمیق خاک را برای تثبیت خاک رس انبساطی در اعماق متوسط ارائه می‌کند. مطالعات آزمایشگاهی با استفاده از چسب های آهک و سیمان در دوزها و نسبت های مختلف بایندر نشان داد که ترکیب آهک و سیمان با نسبت چسب 25 و 75 درصد با دوز چسب 200 کیلوگرم بر متر مکعب و نسبت وزنی به وزن 1.0 برای اجرای میدانی مناسب است. پس از آن، دو بخش آزمایشی مقیاس پایلوت با نسبت‌های مختلف چسبنده ابزار گذاری شده و در طول تغییرات رطوبت فصلی پایش شدند.

به طور کلی، حرکات و فشارهای ثبت شده در محل مقادیر کمتری را برای مقاطع بهسازی شده در محل نسبت به بخش های شاهد یا بهسازی نشده نشان داد. بر اساس این نتایج، یک روش طراحی گام به گام برای طراحی ستون‌های اختلاط عمیق خاک برای تثبیت رس‌های فعال و انبساطی برای کاهش رفتارهای تورم و انقباض آنها معرفی شد. انتظار می‌رود که چنین سیستم‌های بهسازی، پشتیبانی پایدار و یکنواختی را برای سازه‌های پوشاننده بدون ایجاد هیچ گونه خرابی مرتبط با بالازدگی فراهم کنند.