بهسازی خاک

پس از انجام مطالعات ژئوتکنیک و پیش از طراحی فونداسیون، بهسازی خاک جز مهم‌ترین مراحل ساخت سازه‌های ایمن است که به‌منظور افزایش ظرفیت باربری خاک و کاهش نشست‌های احتمالی انجام می‌گیرد. با بهسازی خاک می‌توان خواص مکانیکی خاک را بهبود بخشید و آن را برای اجرای سازه‌های مهندسی آماده کرد.

علم ژئوتکنیک بهسازی خاک سبب افزایش طول عمر خاک و بهبود عملکرد آن می‌شود. درگذشته به علت عدم پیشرفت در زمینه عمران، بدون توجه به کیفیت خاک، سازه‌هایی بنا می‌شدند که بعد از مدتی در اثر حوادث گوناگون، پایداری خود را از دست می‌دادند. امروزه با تلاش و پیشرفت در حوزه علم ژئوتکنیک، هیچ سازه‌ای بدون داشتن شرایط مدنظر، مجوز ساخت نمی‌گیرد تا از بروز حوادث و مشکلات تا حد چشمگیری جلوگیری شود.

بهسازی خاک در واقع فرایندی است که در راستای بهبود ویژگی‌های خاک نظیر استحکام، تراکم‌پذیری، نفوذپذیری، رطوبت، افزایش عملکرد خاک و کاهش مشکلات زمین نقش مهمی دارد. شناخت مشکلات خاک و رفع آن به‌وسیله روش‌های بهسازی از بخش‌های ضروری قبل از هرگونه اقدام عمرانی است. در این مقاله از آرمیکو قصد داریم شما را با اهداف بهسازی خاک و انواع روش‌های بهسازی آشنا کنیم.

بهسازی خاک چیست؟

بهسازی خاک از مفاهیم بسیار مهم و کاربردی در مهندسی ژئوتکنیک است که به‌منظور تغییر خواص خاک نظیر استحکام، تراکم‌پذیری، نفوذپذیری، رطوبت و… انجام می‌گیرد تا موجب بهبود عملکرد آن برای کاربری‌های مهندسی شود. بهره‌گیری از روش‌های بهسازی خاک منجر به کاهش نشست سازه، بهبود مقاومت برشی خاک، افزایش ظرفیت باربری، کاهش خصوصیات فشرده‌شدن و تورم خاک خواهد شد.

زمانی که با خاک‌های مسئله‌دار در پروژه‌های عمرانی روبرو می‌شویم درصورتی‌که انجام پروژه بر روی آن خاک ضرورت یابد؛ برای بهبود شرایط موجود، باید خصوصیات خاک اصلاح گردد و بهسازی زمین انجام شود. با بهسازی خاک می‌توان امکان اجرای پروژه‌های عمرانی بر روی خاک‌های مشکل‌ساز را فراهم آورد. به‌طورکلی به ارتقای شرایط ژئوتکنیکی خاک متناسب با شرایط پروژه جهت احداث یک سازه را بهسازی خاک می‌نامند.

در طول تاریخ از انواع خاک به‌عنوان ماده‌ای برای مهار سیل، اهداف آبیاری، پایه‌ها و مصالح ساختمانی استفاده شده است. بسیاری از فرهنگ‌های باستانی ازجمله چینی‌ها و رومی‌ها از تکنیک‌های مختلفی برای بهسازی خاک بهره برده‌اند. برخی از این تکنیک‌ها آن‌چنان مؤثر بوده‌اند که بسیاری از سازه‌ها و جاده‌های ساخته شده از آن زمان هنوز هم پابرجا هستند.

با کمبود عمومی مصالح سنگی و منابع سوخت، دوران مدرن بهسازی خاک از دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ آغاز شد. اطلاعات دقیقی از تاریخچه بهسازی خاک وجود ندارد؛ ولی شواهدی از روش‌های تثبیت و بهسازی خاک مربوط به ۹۰۰۰ سال پیش در کشور ترکمنستان یافت شده است. بخش‌هایی از دیوار بزرگ چین که مربوط به ۳۰۰۰ سال پیش هستند بر روی خاک تثبیت شده مستقر یافته‌اند. اولین آیین‌نامه‌های بهسازی خاک در آلمان و استرالیا در سال‌های ۱۹۵۱ تا ۱۹۵۲ تهیه شده و تاکنون پژوهش‌های متعددی در این زمینه صورت‌گرفته است.

اهداف بهسازی خاک

به علت اهمیت و تأثیرات خاک در روند کار و جلوگیری از آسیب‌دیدن آن، انجام بهسازی خاک بسیار ضرورت دارد. تغییر خواص خاک و کنترل ویژگی‌های ژئوتکنیکی جهت بهبود عملکرد سازه از اهداف اصلی بهسازی خاک هستند. از جمله دلایل و اهداف مهم بهسازی خاک به شرح زیر است:

• کاهش تراکم‌پذیری خاک برای جلوگیری از نشست
• بهبود و افزایش کیفیت خاک
• افزایش میزان باربری و ظرفیت خاک
• بالارفتن میزان چگالی خاک
• افزایش نفوذپذیری جهت بهبود قابلیت زهکشی
• کاهش نفوذپذیری برای پیشگیری از جریان آب زیرزمینی
• کاهش خواص نامطلوب خاک نظیر احتمال جمع‌شدگی، تورم، تراکم و روان‌گرایی

روش های بهسازی خاک

بهسازی خاک با استفاده از روش‌های متعدد و متنوع انجام می‌گیرد. راهکارهای مقاوم‌سازی پی و بهسازی خاک زیر فونداسیون یکی از معضلات اصلی در ساخت سازه‌ها به شمار می‌رود. با افزایش جمعیت و مشاهده خسارات ناشی از زلزله و سایر عوامل طبیعی، همواره نیاز بشر به ایجاد سازه‌هایی مقاوم و مستحکم گسترش می‌یابد. در ادامه قصد داریم شما را با انواع روش‌های نوین بهسازی خاک و مزایای آن در آزمایش خاک آشنا کنیم. تمامی این روش‌ها به‌منظور بهبود پارامترهای ژئوتکنیکی خاک، کاهش هزینه، کوتاه‌شدن زمان اجرا و افزایش طول عمر بهره‌برداری انجام می‌گیرد و منجر به تغییر خصوصیات خاک می‌شود.

تزریق

یکی از روش‌های بهسازی خاک روش تزریق است که در آن دوغاب با فشار بالا و سرعت زیاد از طریق نازل‌هایی به درون خاک تزریق می‌شود. حین اجرای این فرایند بخشی از ذرات خاک و دوغاب از درون گمانه حفاری بیرون می‌آید و بخش دیگر به‌سرعت با دوغاب مخلوط می‌شود. نتیجه این روش شکل‌گیری توده‌ای از خاک اصلاح شده است که به آن در اصطلاح توده خاک – سیمان می‌گویند.

ستون خاک – سیمان، مقاومت بالا، تغییرشکل‌پذیری کم و نفوذپذیری پایینی دارد و باعث تقویت خصوصیات خاک محل خواهد شد. در واقع روش تزریق با فشار نقش مهمی را در تقویت خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک ایفا می‌کند. از جمله مزایای بهسازی به روش تزریق عبارتند از:

• افزایش ظرفیت باربری
• جلوگیری از وقوع پدیده آبشستگی
• تثبیت و تراکم لایه سست خاک
• ترمیم و پر کردن تمامی خلل و برج موجود در خاک

مطلب پیشنهادی: تخلخل خاک

شمع گذاری در خاک

شمع‌گذاری از مهم‌ترین روش‌های اصطلاح، مقاوم‌سازی و بهسازی خاک است. درصورتی‌که با ضعف در ظرفیت باربری خاک و قابلیت فشردگی زیاد خاک در لایه‌های فوقانی روبرو شویم به‌طوری‌که نتوانیم از لایه سطحی جهت توزیع بار استفاده کنیم نیاز به افزایش ظرفیت باروری و انتقال نیرو به سطوح زیرین خاک وجود دارد. ازاین‌رو با بهره‌گیری از روش شمع‌گذاری قادر خواهیم بود نیروی مازاد را به سطوح زیرین خاک منتقل کنیم.

در بخش‌های زیرین خاک، تراکم پایین‌تر بوده و اصطکاک بیشتر است به همین دلیل سازه در برابر نشست و نیروهای موجود، مقاومت لازم را پیدا می‌کند. شمع‌ها همان پی‌های عمیق هستند که هم در فونداسیون و هم جهت پایدارسازی گود مورد استفاده قرار می‌گیرند. این شمع‌ها در فواصل معین، پیرامون گود اجرا می‌گردند و اغلب بتنی هستند.

بهره‌گیری از این روش در ساخت‌وسازهای شهری توصیه نمی‌شود؛ چون قسمتی از زمین مجاور و زمین خود پروژه را اشغال می‌کند و به‌اصطلاح جاگیر است. از روش شمع‌گذاری بیشتر برای پایدارسازی تونل‌ها و زیرگذرها استفاده می‌کنند. نکته مهم حین به‌کارگیری از این روش این است که پس از اتمام عملیات بتن‌ریزی شمع تحت هیچ شرایطی نباید بتن اضافی روی شمع قبل از ۷ روز تخریب شود. چند مورد از مزایای روش شمع‌گذاری به شرح زیر است:

• سرعت زیاد
• عدم تداخل در ساخت‌وساز
• حفاظت از سازه
• کاهش هزینه‌ها در صورت اجرا با حجم بالا مقرون‌به‌صرفه بودن

نیلینگ

یکی دیگر از روش‌های رایج در بهسازی خاک نیلینگ یا میخکوبی جدار دیوار است که جهت پایدارسازی شیب‌های خاکی و تثبیت دیواره گودبرداری‌های عمیق مورد استفاده قرار می‌گیرد. در روش نیلینگ تا عمقی که خاک بتواند پایداری مقاومت خود را تا زمان گیرش دوغاب سیمان تزریق شده در گمانه حفظ کند عملیات خاک‌برداری ادامه می‌یابد.

پس از حفاری گمانه تا عمق مورد نظر، درون گمانه‌ها با میلگردهایی جای‌گذاری شده و برای قرارگیری میلگردها در وسط گمانه، از فاصله نگهدار استفاده می‌شود. در این فرایند جهت جلوگیری از خوردگی میلگردها و انتقال بهتر نیرو از پوشش اپوکسی و دوغاب بهره می‌برند. جهت پایدارسازی گود به روش نیلینگ، خاک توسط میلگردهای فولادی با قطر ۲۸ الی ۴۰ میلی‌متر و در فواصل تقریبی ۲ متر و زاویه ۱۰ الی ۲۰ درجه مسلح می‌گردد.

به علت کاربردی‌بودن روش نیلینگ، استفاده از آن طی سال‌های اخیر بسیار رواج یافته است و در ایران نیز این روش جزو کاربردی‌ترین روش‌ها در ساخت‌وسازهای شهری شناخته می‌شود. نیلینگ جهت عملیات گودبرداری به‌خصوص در برش‌های قائم یا نزدیک به قائم خاک بسیار مناسب است. از مزایای روش نیلینگ عبارتند از:

• افزایش ظرفیت باربری
• پایدارسازی شیب‌ها، شیروانی‌ها و ترانشه‌ها
• ایجاد حداقل دست‌خوردگی در خاک
• امکان اجرای هم‌زمان عملیات خاک‌برداری و پایدارسازی دیواره‌های گود
• امکان حمل تجهیزات در فضای کم
• امکان استفاده از روش نیلینگ در مجاورت سازه‌های حساس به نشست
• هزینه کم به نسبت سایر روش‌ها

تراکم دینامیکی

تراکم دینامیکی یکی از روش‌های بهسازی خاک محسوب می‌شود که به‌واسطه پرتاب یک وزنه فولادی یا بتنی، تراکم خاک افزایش می‌یابد. این وزنه‌ها حدود ۵ الی ۴۰ تن دارند و از ارتفاع ۱۰ الی ۴۰ متری با الگوی خاص مطابق نقشه‌های اجرایی روی زمین پرتاب می‌شوند. از روش تراکم دینامیکی برای بهسازی خاک‌های مسئله‌دار به‌منظور افزایش ظرفیت باروری، کاهش نشست زیر شالوده، کاهش پتانسیل روان‌گرایی برای ساخت انواع سازه‌ها مثل ساختمان‌های مسکونی، فرودگاه‌ها، مخازن، خطوط راه‌آهن و… بهره می‌برند.

رهاکردن وزنه بر روی خاک روشی بسیار قدیمی است که به دوران امپراتوری روم برمی‌گردد. در سال ۱۹۵۷ در آزمایشگاه تحقیقات راه انگلیس، مطالعاتی در مورد تراکم دینامیکی صورت گرفت و در آخر مهندسی فرانسوی به نام لوئیس منارد این روش را در سال ۱۹۷۰ با حق انحصاری معرفی کرد. مزایای روش تراکم دینامیکی به شرح زیر است:

• نیاز به تجهیزات کم
• امکان بهسازی مساحت نسبتاً بزرگ در مدت زمان کم و هزینه پایین
• تراکم‌پذیری مصالح سست نیمه اشباع با درصد ریزدانه کمتر از ۱۵ درصد
• تبدیل خاک ناهمگن به مصالح متراکم، یکنواخت و مقاوم

مطلب پیشنهادی: آزمایش درصد طوبت خاک

میکروپایل

به زیرشمع‌هایی که قطرهای کمتر از ۳۰ سانت دارند میکروپایل گفته می‌شود. میکروپایل از بهترین روش‌های موجود برای بهسازی خاک به شمار می‌رود که از آن در ساختن پی سازه‌ها بهره می‌برند تا مقاومت پی را افزایش دهد. در اوایل دهه ۱۹۵۰ بعد از جنگ جهانی دوم بسیاری از ساختمان‌ها نیاز به ترمیم داشتند که این موضوع زمینه اختراع روش میکروپایل را به وجود آورد.

این تکنیک برای ساختمان‌های آسیب‌دیده بسیار مناسب است و سرعت اجرای بالایی دارد؛ به همین دلیل استفاده از این روش به‌سرعت در ایتالیا، انگلستان، آلمان، نیویورک آمریکا و بوستون گسترش یافت. امروزه در تمام دنیا از میکروپایل برای ساخت بیشتر ساختمان‌ها بهره می‌برند. استفاده از روش میکروپایل مزایای بسیاری دارد ازجمله این مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• به‌صرفه و اقتصادی‌بودن
• قابل‌حمل هم بودن ماشین‌آلات اجرای ریز شمع
• اجرای ساده و با سرعت بالا
• کنترل میزان نشست خاک
• بهبود خصوصیات مختلف خاک مثل تراکم‌پذیری، سختی، ظرفیت باربری و ضریب اصطکاک
• محکم‌تر شدن خاک

خاک های مشکل ساز در مهندسی عمران

از نظر مهندسی ژئوتکنیک خاک‌های مشکل‌دار جزو خاک‌هایی هستند که پتانسیل انبساط، ریزش، پراکندگی و نشست بیش از حد را در خود دارند. از جمله انواع معمولی خاک‌های مشکل‌دار می‌توان به رس‌های متورم، خاک‌های قابل جمع‌شدن، خاک‌های نرم، خاک‌های یخ‌زده، خاک‌های غیراشباع، خاک‌های آلود، خاک‌های شور شده، ماسه آهکی و… اشاره کرد.

عدم اطلاع از رفتار خاک‌های مشکل‌دار و ویژگی‌های آن ممکن است باعث بروز زیان مالی فراوانی شود. این خاک‌ها اغلب با مشکلات متعددی همچون ظرفیت باربری ضعیف، گودبرداری ناایمن، ناپایداری دامنه‌ها و خاکریزها، نشست طولانی مدت و موارد دیگر روبرو هستند. ازاین‌رو بررسی خاک‌های مشکل‌دار قبل از ساخت‌وساز سازه‌ها ضرورت دارد. در ادامه چند مورد از خاک‌های مشکل‌دار ذکر شده است.

خاک های نرم

خاک‌های نرم و سست دارای مقاومت کم، ناپایداری حجمی و رطوبت زیاد هستند. خاک‌هایی مثل لایه‌های سست رس‌های نرم با رطوبت بالا و خاک‌های آلی در این دسته قرار می‌گیرند. علاوه بر این موارد روان‌گرایی ماسه و لای‌ها را می‌توان جزو دسته خاک‌های نرم محسوب کرد؛ چون تراکم کمی دارند.

خاک های ریزدانه

خاک‌ها بر اساس اندازه قطر ذراتشان طبقه‌بندی می‌شوند. به خاک‌هایی که قطر آنها از ۰٫۰۷۵ میلی‌متر کمتر است خاک ریزدانه گفته می‌شود. لای و رس از جمله خاک‌های ریزدانه هستند. زمین‌هایی که زمانی مکانی برای دفن زباله‌های مختلف مانند زباله‌های حفاری ضایعات ساختمانی زباله‌های دیگر هستند ممکن است برای پروژه‌های عمرانی مورد استفاده قرار بگیرند. ساخت‌وساز روی این نوع زمین‌ها مشکلاتی نظیر ضعف باروری، تغییرات حجم و ناپایداری داخلی پس از بارگذاری را به همراه خواهد داشت.

خاک های تورم پذیر

خاک‌های تورم‌پذیر ازجمله خاک‌هایی هستند که در اثر افزایش رطوبت تغییر حجم‌افزایشی قابل توجهی در آنها رخ می‌دهد. خاک‌های متورم شونده به‌جای ازدست‌دادن آب و کاهش حجم، آب را جذب می‌کنند و سبب افزایش حجم می‌گردند. تورم ایجاد شده پدیده‌ای برگشت‌پذیر است و پس از کاهش رطوبت، خاک به حالت اولیه خود باز می‌گردد.

خاک‌های انبساطی یا تورم‌پذیر مقدار زیادی از کانی مونت موریلونیت در خود دارند و شامل خاک‌های ریزدانه رسی می‌شوند. رس‌ها به علت داشتن اندازه کلوئیدی و سطح مخصوص وسیع، قادر به جذب آب در مقدار فراوان هستند که با جذب آب منبسط شده و با از دست‌دادن آب منقبض می‌شوند. اغلب زمین‌های پوشیده شده با خاک‌های تورم‌پذیر آثاری از ترک در خود دارند. این خاک‌ها با تورم خود به ترک‌خوردن فونداسیون سازه منجر خواهند شد.

خاک های فروریزشی

خاک‌های فرو ریزشی از جمله خاک‌های غیراشباعی هستند که در هنگام اشباع شدن تغییر حجم زیادی در آنها به وجود می‌آید. این تغییر حجم می‌تواند در اثر اعمال بار اضافی باشد. ازاین‌رو شالوده‌ای که روی چنین خاک‌هایی احداث گردد در صورت اشباع درآمدن خاک به علت یک رطوبت غیرمنتظره ممکن است تحت نشست زیاد و ناگهانی قرار گیرد.

نشست خاک‌های فرو ریزشی اغلب باعث خسارت سازه‌ای قابل توجهی خواهد شد؛ بنابراین شناسایی این نوع خاک بسیار مهم است. در طبیعت خاک‌هایی وجود دارند که در اثر تنش با افزایش رطوبت، کاهش حجم زیادی از خود نشان می‌دهند. خاک‌های رمبنده یا فروریزشی دارای پیوند بین ذرات ضعیف و سست هستند. این نوع خاک‌ها تا زمانی که میزان رطوبت آنها تغییر نیابد مشکل جدی را به همراه ندارد.

برای تثبیت خاک فروریزشی از روش‌های مختلفی مثل جلوگیری از مرطوب شدن، تراکم خاک، جایگزینی مصالح، تثبیت با مصالح درشت‌دانه، استفاده از پی‌های عمیق و مواد افزودنی دیگر بهره می‌برند. رطوبت ایجاد شده در این نوع خاک‌ها ناشی از عوامل متعددی همچون شکستن لوله‌های آبرسانی، نشست از لوله فاضلاب، نشست از مخازن آب یا استخرها و بالا آمدن تدریجی آب‌های زیرزمینی است.

مطلب پیشنهادی: طبقه بندی خاک به روش آشتو

نتیجه گیری

به‌منظور بهبود خواص مکانیکی خاک و آماده‌سازی آن برای اجرای سازه‌های مهندسی از بهسازی خاک بهره می‌بریم. روش‌های بهسازی خاک شامل روش تزریق، شمع‌گذاری در خاک، نیلینگ، تراکم دینامیکی و میکروپایل است که متناسب با شرایط محیطی و اقتصادی پروژه یکی از این شیوه‌های برای بهسازی خاک انتخاب می‌شود.

 استفاده از بهسازی خاک برای پروژه‌های عمرانی و ساخت‌وساز مزایای بسیار مهمی دارد که بهبود عملکرد و ایمنی پروژه‌ها را تضمین می‌کند. از جمله این مزایا می‌توان به افزایش پایداری سازه‌ها، جلوگیری از حملات رانش زمین، کاهش آسیب‌پذیری در برابر زلزله، افزایش عمر مفید سازه‌ها، بهینه‌سازی هزینه‌ها و کاهش تخریب خاک و محیط‌زیست اشاره کرد.

خاک‌های نرم، خاک‌های ریزدانه، خاک‌های تورم‌پذیر و خاک‌های فرو ریزشی جزو خاک‌های مشکل‌ساز در مهندسی عمران هستند. شناخت خاک‌های مشکل‌دار و ویژگی‌های آن می‌تواند از بروز زیان مالی جلوگیری کند؛ ازاین‌رو بررسی خاک‌های مشکل‌دار و بهبود عملکرد آن به‌وسیله بهسازی خاک قبل از اجرای سازه‌ها اهمیت بسیار بالایی دارد.

سوالات متداول