روند طراحی دیواره ­های روش اختلاط عمیق خاک (DSM) برای سازه نگهبان گودبرداری

استفاده از روش اختلاط عمیق خاک (DSM) به عنوان بخشی از سازه نگهبان گودبرداری امروزه در حال رشد روزافزون می­باشد که یکی از عمده دلایل آن بحث بهینه بودن اقتصادی این روش در مقایسه با دیگر روش­های سنتی گودبرداری است. این روش از سال 1970 در ژاپن به کار گرفته شده که در آن ستون­های منفرد خاک سیمانی برای پایداری دیواره­ها و نیز ایجاد دیوار آببند (Cutoff wall) اجرا گردیده است. کلیت روش اختلاط عمیق خاک (DSM) برای سازه نگهبان گودبرداری شامل ساخت دیواره­ای از ترکیب خاک محل (بصورت درجا) و افزودنی پایدارکننده (نظیر سیمان) می­باشد. عناوینی دیگر نظیر اختلاط عمیق سیمانی (CDSM)، اختلاط عمیق (DMM) و دیواره اختلاط خاک (SMW) برای این روش در ادبیات فنی به کار برده می­شود. استفاده از دیواره­هایی که در آن­ها از اختلاط خاک محل (بصورت درجا) استفاده می­شود، برای محیط­های شهری با تراز آب بالا بسیار مناسب می­باشد. از عمده دلایل آن می­توان به دستخوردگی بسیار کم خاک محدوده اطراف و کمینه بودن مقدار ارتعاش و سر و صدای مزاحم، اشاره کرد. علاوه بر آن چنانچه پیشتر اشاره شد، استفاده از این روش علاوه بر کمک به پایدارسازی گود در ترکیب با دیگر روش­ها، به عنوان روشی برای ایجاد دیوار آببند هم در پروژه­های گودبرداری با تراز آب بالا کارایی دارد. در این مقاله سعی شده است یک فلوچارت (مسیردهی) طراحی و تعریف قدم­های آن برای طراحی یک دیواره پایدارسازی شده به روش اختلاط عمیق خاک (DSM) معرفی گردد.

روند ساخت دیواره­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  بطور عمومی از دیگر روش­های سنتی نظیر دیوار دیافراگمی (structural diaphragm)، دیوارهای دوغاب رسی (slurry walls)، شیت پایل­ها (sheet pile walls)، سولجرها (soldier piles) در ترکیب با تخته کوبی یا اجرای دیوار شاتکریتی و شمع­های مماسی یا سکانتی (secant/tangent pile) سریعتر است. علاوه بر آن این روش اسپویل (spoil) کمتری نسبت به دیوار دیافراگمی و دیوارهای دوغاب رسی دارد.

چنانچه اشاره شد، مواد مختلفی به عنوان پایدارکننده در ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  استفاده می­شود که از آن جمله می­توان به آهک، خاکستر بادی و سیمان اشاره کرد. با این حال استفاده از ترکیب خاک محل، سیمان و آب بسیار متداولتر بوده، گاها از بنتونیت نیز در این ترکیب استفاده می­شود. براساس مطالعات صورت گرفته در ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM) ، مقاومت فشاری تک محوری بزرگتر از 700 کیلوپاسکال بوده و نفوذپذیری هیدرولیکی در بازه 10^-5 تا 10^-6 سانتی­متر بر ثانیه قرار دارد.

بطور عمومی تسلیح فولادی (با استفاده از پروفیل­های فولادی بال پهن، IPE ها، H pileها و شیت پایل­ها) در ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  انجام میگیرد تا ظرفیت خمشی این دیواره­ها نیز تامین گردد. مقطع عمومی دیواره­های ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  در دیواره پایدارسازی شده گودبرداری در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1- چینش متداول ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  در دیواره گودبرداری

Rutherford C.J., Biscontin G., Koutsoftas D., Briaud J.L. (2007). Design Process of Deep Soil Mixed Walls for Excavation Support. International Journal of Geoengineering Case histories, Vol.1, Issue 2, p.56-72.,

چنانچه نشان داده شده است ستون­های فولادی عموما براساس طرح، بصورت یک در میان اجرا شده و پس از آغاز مرحله گودبرداری، رویه این ستون­ها برای تکمیل عملیات گودبرداری و ترکیب آن با دیگر روش­های گودبرداری نظیر نیلینگ (Soil Nail-Nailing) یا انکراژ  (Soil Anchor-Anchorage)تراشیده می­شود. سیستم دیواره اختلاط عمیق خاک (DSM)  در دیواره پایدارسازی شده گودبرداری، با حداقل یک ردیف تیر افقی (waler) و یک یا چند تراز استرات (Strut) یا انکر (Soil Anchor) براساس طراحی صورت گرفته ترکیب می­شود. در حین اجرا نیز عملکرد مجموعه اشاره شده توسط ارزیابی کنترل­ (QA)، کنترل کیفی (QC) و سیستم پایش (Monitoring) مستمر، بررسی و کنترل می­شود.

روند طراحی و کنترل سیستم اختلاط عمیق خاک (DSM)  در دیواره گودبرداری در قالب چارت شکل شماره 2 خلاصه شده است.

در گام اول این روند، ارزیابی امکان سنجی استفاده از سیستم دیواره اختلاط عمیق خاک (DSM)  در دیواره گودبرداری انجام می­گیرد. در این مرحله شرایط سایت و بررسی اقتصادی در اولویت قرار دارد. خاک­های با حساسیت نشست، حساسیت به ارتعاش در محیط اطراف، تراز آب بالا و خاک­های نرم، گزینه­هایی هستند که می­توان برای آن­ها از روش سیستم دیواره اختلاط عمیق خاک (DSM)  در دیواره گودبرداری بهره برد. تعیین نوع دیوار در گام دوم به بحث­های اقتصادی، شرایط سایت، ارتفاع دیواره، زمانبندی پروژه و سرعت ساخت و دیگر معیارهای پروژه که در گام سوم بررسی می­شود، ارتباط دارد.

شکل 2- فلوچارت طراحی ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM) در دیواره گودبرداری

Rutherford, C. J., (2004). Design Manual for Excavation Support Using Deep Soil Mixing, Master of Science thesis, Texas A&M University, College Station, Texas.

بیشتر بدانید: بهسازی خاک به شیوه ستون سنگی

به عنوان یک سیستم موثر در آببندی پروژه، در گام چهارم، تحلیل تراوش انجام می­گیرد که در آن مواردی نظیر بالازدگی کف گود (Heave) بدلیل گودبرداری در خاک­های نرم نیز بررسی می­شود. در گام پنجم تحلیل پایداری کلی سیستم مورد توجه قرار می­گیرد که در آن ضرایب اطمینان کلی سیستم مدنظر می­باشد. پس از آن در گام ششم، تمامی اجزای سیستم نظیر ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM) ، تیر افقی (waler)، استرات (Strut) و یا انکر (Soil Anchor) طراحی شده و ضرایب اطمینان جزئی مورد بررسی قرار می­گیرد. از مهمترین این جزئیات، بررسی باربری قائم دیواره می­باشد که در گام هفتم به آن اشاره شده است. در تحلیل اولیه معمولا عمق لازم برای ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  در زیر تراز کف گود، برابر با ارتفاع گودبرداری می­باشد که این آیتم بایستی در روند اجرا مورد کنترل قرار گیرد. در گام هشتم ظرفیت­های خمشی و برشی ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  محاسبه و در صورت تائید در گام نهم آنالیزهای تغییرشکل و نشست برای دیواره گودبرداری شده توسط نرم­افزارهای المان محدود (FEM) انجام می­گیرد. این تغییرشکل­ها نیز بایستی معیارهای لازم برای سازه­ها و فضاهای پیرامونی را اقناع کند تا موردی برای عملکرد این سازه­ها و فضاها ایجاد نگردد. بعد از کنترل تمامی موارد و اتمام طراحی، مشخصات فنی در قالب گام دهم تعریف می­شود.

برای تحلیل­های المان محدود در طراحی ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  به طور معمول فرضیات زیر در نظر گرفته می­شود. تعریف المان دیواره به عنوان المان الاستیک، تعریف المان انکر یا استرات به عنوان المان الاستوپلاستیک و تعریف المان خاک با مدل رفتاری مناسب طبق رفتار واقعی خاک محدوده پروژه. طبق شکل شماره 3 المان­های مرزی برای مدلسازی المان محدود گودبرداری در ترکیب با اختلاط عمیق خاک (DSM) ، تعریف می­شود.

عرض مش بندی (مدلسازی) در این شکل برابر با B_e+W_e تعریف شده است که در آن B_e=3(H_e+D) و W_e=3D می­باشد. در این روابط H_e ارتفاع دیواره گودبرداری و D ارتفاع از کف گودبرداری تا لایه سخت زیرین آن است.

شکل 3- شماتیک طراحی گودبرداری در ترکیب با اختلاط عمیق (DSM)

Briaud, J.–L., and Lim, Y. (1997). Soil Nailed Wall Under Piled Bridge Abutment: Simulation and Guidelines, Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering, 123(11), 1043–1050.

برای طراحی ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM) ، عملکرد این ستون­ها بصورت صفحه بخش کننده تنش بین المان­های سازه­ای در نظر گرفته می­شود که توزیع تنش در داخل المان­های ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  و المان­های فلزی مطابق شکل 4 خواهد بود.

تسلیح کننده فلزی (ستون­های تعریف شده) برای ظرفیت خمشی و برشی کنترل خواهند شد. نقطه بحرانی برش در این مقطع، نقطه اتصال ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  و تیرهای فلزی است که بایستی مورد کنترل مضاعف قرار گیرد. طبق شکل 4، براساس مطالعات صورت گرفته، در صورت رعایت رابطه زیر، وقوع گسیختگی خمشی در ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM)  محتمل نخواهد بود: L₂≤D+h-2e . که در آن L₂  فاصله بین لب به لب بالهای ستون فلزی، D قطر ستون­های اختلاط عمیق (DSM)، h ارتفاع مقطع ستون فلزی و e فاصله خروج از مرکزیت ستون فلزی و ستون اختلاط عمیق خاک (DSM)  می­باشد.

در انتها گسیختگی برشی کنترل می­شود که در آن مقاومت اسمی مقطع اختلاط عمیق خاک (DSM)  با استفاده از رابطه تعریف شده در آئین­نامه بتن آمریکا (ACI) با فرض اعمال ضریب بتن سبک (0.75) تعیین می­گردد.

شکل 4- مقاومت سازه­ای المان­های دیواره ترکیبی  ستون­های اختلاط عمیق خاک (DSM) و ستون­های فلزی

روند اشاره شده در فوق در قالب پروژه عملی نیز توسط مجموعه ژئوپارس مورد استفاده قرار گرفته است که نمونه ای از آن پایداری دیواره گودبرداری و بهسازی پروژه سلمانشهر (متل قو) بوده است. ستون­های استفاده شده در این پروژه قطر 80 تا 100 سانتی­متری داشته و طول ستون­ها 12 متر بوده است. عمق گودبرداری این پروژه 10 متر بوده و چالش­های اساسی آن مجاورت با ساختمان قدیمی، جریان بسیار زیاد آب، وجود لایه های شنی بسیار نفوذپذیر، اجرای انکر در خاک بسیار ریزشی، استفاده از تزریق چند مرحله­ای در انکرها و اجرای ستون های بهسازی فونداسیون از تراز 4- متر را می­توان نام برد. تصاویری از اجرای این پروژه توسط مجموعه ژئوپارس در شکل 5 ارائه شده است.

شکل 5- پایداری دیواره گودبرداری و بهسازی خاک- سلمانشهر (متل قو)