بهسازی خاک به روش تزریق — از صفر تا صد — به زبان ساده

۱۶۴۰ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۱ فروردین ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۱۷ دقیقه
بهسازی خاک به روش تزریق — از صفر تا صد — به زبان ساده

بهسازی خاک به روش تزریق یکی از روش‌های اصلاح خواص محل اجرای پروژه‌های عمرانی یا سازه‌های موجود است. تزریق، اغلب با پر کردن حفره‌ها و شکستگی‌های درون زمین توسط دوغاب یا ملات سیمانی انجام می‌شود. به دلیل مزیت‌های اقتصادی و کارایی بالا، این روش به یکی از گزینه‌های محبوب بهسازی زمین در سال‌های اخیر مبدل شده است. با وجود اصول تقریبا مشابه، روش‌های تزریق دارای تجهیزات و فرآیندهای اجرایی متفاوت هستند. هر یک از این روش‌ها از ویژگی‌های و مزیت‌های مختص به خود بهره می‌برند. این ویژگی‌ها، اجرای هر روش را برای شرایط مختلف مناسب می‌کنند. در این مقاله، به معرفی مبانی، تجهیزات، روش‌های اجرا و منابع یادگیری بهسازی خاک به روش تزریق می‌پردازیم.

فهرست مطالب این نوشته
997696

بهسازی خاک چیست؟

«بهسازی خاک» (Soil Improvement) یا به طور دقیق‌تر «بهسازی زمین» (Ground Improvement)، فرآیندی است که به منظور اصلاح خواص خاک و سنگ در پروژه‌های عمرانی انجام می‌شود. طی این فرآیند، پارامترهای ژئومکانیکی زمین نظیر ظرفیت باربری، نفوذپذیری، تراکم‌پذیری و دیگر پارامترهای موثر بر عملکرد سازه در طول عمر سرویس‌دهی آن، با توجه به الزامات پروژه افزایش یا کاهش می‌یابند.

روش‌های بهسازی خاک در مقایسه با گزینه‌های دیگری مانند جایگزینی خاک ضعیف (عملیات خاکی) و طراحی مجدد بر اساس شرایط موجود از انعطاف‌پذیری بالاتر و هزینه پایین‌تری بهره می‌برند. به طور کلی، قدیمی‌ترین و متداول‌ترین کاربرد این روش‌ها در بهبود مشخصات خاک مورد استفاده برای فونداسیون سازه‌ها، بستر راه و مصالح ساختمانی است.

عبور غلتک از روی خاک، باعث تراکم، افزایش چگالی و افزایش استحکام آن می‌شود.
عبور غلتک از روی خاک، به عنوان یکی از متداول‌ترین و ساده‌ترین روش‌های بهسازی خاک در پروژه‌های راه‌سازی شناخته می‌شود.

انواع روش های بهسازی خاک کدام هستند؟

بهسازی خاک دارای روش‌های متعددی است. این روش‌ها بر اساس زمان اجرای بهسازی به انواع پیش از شروع ساخت، در حین ساخت و پس از اتمام ساخت سازه تقسیم‌بندی می‌شوند. بهسازی مکانیکی، هیدرولیکی، فیزیکی، شیمیایی و سازه‌ای نیز از انواع روش‌های بهسازی خاک با توجه به مکانیزم اجرا هستند. از متداول‌ترین روش‌های بهسازی خاک می‌توان به تراکم دینامیکی، تزریق، اختلاط عمیق، انجماد، پایدارسازی با مواد آهکی و زهکشی قائم پیش ساخته اشاره کرد. از این میان، تراکم دینامیکی به عنوان یکی از قدیمی‌ترین روش‌ها شناخته می‌شود.

تراکم دینامیکی، از روش های بهسازی پیش از ساخت است.
تراکم دینامیکی، از روش‌های بهسازی پیش از ساخت خاک است که با رها کردن یک وزنه سنگین از ارتفاع بر روی محل مورد نظر، چگالی و دیگر خواص مکانیکی را بهبود می‌بخشد.

بهسازی خاک به روش تزریق چیست ؟

تزریق، یکی از روش‌های متداول بهسازی خاک است که به طور گسترده در ساخت تونل و فونداسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد. بهسازی به روش تزریق، با پر کردن حفره‌ها و گودال‌های موجود در خاک یا سنگ توسط مواد پرکننده‌ای نظیر ملات سیمانی انجام می‌شود. افزایش چسبندگی بین مواد پرکننده و محیط در حین گیرش ملات، کاهش نفوذپذیری و افزایش مقاومت برشی زمین را در پی دارد.

مخلوط‌های متشکل از سیمان اغلب در بهسازی خاک‌های شنی یا سنگ‌های درزه‌دار به کار برده می‌شوند. ابعاد ذرات معلق این مخلوط‌ها برای نفوذ به محیط‌های ماسه‌ای، رسی یا لای‌دار، بزرگ هستند. به منظور بهسازی این محیط‌ها با روش تزریق، استفاده از ملات‌های شیمیایی یا آلی عملکرد بهتری دارد. در سال‌های اخیر، دسترسی بالا به مخلوط‌های بسیار ریز، باعث بهبود عملکرد ملات‌های هیدرولیکی در بهسازی خاک به روش تزریق شده است.

بهسازی خاک با روش تزریق نفوذی
بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی

تاریخچه بهسازی خاک به روش تزریق

بهسازی خاک به روش تزریق بیش از 200 سال قدمت دارد. اولین مورد ثبت شده از این روش به سال 1802 میلادی (1181 شمسی) باز می‌گردد. در فهرست زیر، به معرفی سیر تکامل این روش و توسعه روش‌های مختلف آن می‌پردازیم:

  • سال 1802 میلادی (1181 شمسی)
    • مطرح شدن ایده بهبود ظرفیت باربری بستر کانال‌های انتقال آب توسط تزریق دوغاب سیمانی سخت‌شونده برای اولین بار
  • سال 18۶۴ میلادی (1243 شمسی)
    • ثبت اختراع پر کردن فضای خالی پشت سگمنت‌های یکپارچه تونل توسط ملات از طریق بخش پشتی دستگاه حفاری
    • ثبت اولین استفاده از ملات سیمانی در ساخت فضاهای زیرزمینی
  • سال 1893 میلادی (1272 شمسی)
    • اولین اجرای اصولی تزریق درون سنگ در یک پروژه سدسازی در آمریکا
  • دهه 1960 میلادی (دهه 1340 شمسی)
    • توسعه روش جت گروتینگ به عنوان یکی از روش‌های متحول‌کننده بهسازی خاک به روش تزریق
  • سال 1977 میلادی (1356 شمسی)
    • اولین کاربرد روش تزریق تراکمی برای کنترل جابجایی زمین حین ساخت تونل
  • سال 1995 میلادی (1374 شمسی)
    • اولین کاربرد مفهوم تزریق تعادلی (تماسی) در توسعه زیرزمینی یکی از ایستگاه‌های مترو در لندن

کاربرد بهسازی خاک به روش تزریق چیست؟

بهسازی خاک به روش تزریق در ابتدا برای جلوگیری از نفوذ آب‌های زیرزمینی و تحکیم زمین مورد استفاده قرار می‌گرفت. امروزه، این روش در حل مسائل ژئوتکنیکی نظیر حذف یا کاهش نشست‌های ناشی از گودبرداری ساختمان و تونل‌سازی، تقویت استحکام زمین برای بهره‌گیری از آن به عنوان یک المان سازه‌ای (نظیر فونداسیون)، اجرای سازه‌های نگهبان (مانند دیوار حائل)، راه‌سازی، سدسازی و انکراژ کاربرد دارد. در شرایطی که نفوذپذیری خاک، حجم زهکشی مورد نیاز را به طور قابل توجهی افزایش داده یا حفر چاه‌های زهکشی، هزینه پروژه را افزایش دهد، تزریق بهترین گزینه برای بهسازی خواهد بود.

اجرای روش تزریق تماسی در پشت سگمنت بتنی برای مقابله با رهاسازی تنش ناشی از حفاری تونل
اجرای روش تزریق تماسی در پشت سگمنت بتنی برای مقابله با رهاسازی تنش ناشی از حفاری تونل

روش تزریق، یکی از حوزه‌های فعال و در حال توسعه مهندسی عمران از نظر تئوری (اجرایی) و عملی (ماشین‌آلات مورد استفاده) به شمار می‌رود. از این‌رو، کاربردهای آن در رشته مهندسی عمران روز به روز در حال گسترش است. امروزه، تزریق به عنوان یکی از محبوب‌ترین روش‌های بهسازی خاک در نظر گرفته می‌شود.

مزایای بهسازی خاک به روش تزریق چه هستند؟

مزایای متعدد روش تزریق باعث محبوبیت و کاربرد گسترده آن در بهسازی زمین شده است. از اصلی‌ترین مزایای این روش می‌توان به قابلیت اجرا در شرایط مختلف (آسان تا دشوار)، قابلیت اجرا در محدوده‌های کوچک با سقف کوتاه (انعطاف‌پذیری)، عدم ایجاد لرزش (مناسب برای سازه‌های حساس)، امکان اندازه‌گیری میزان بهبود ترکیبات زمین (کنترل کیفیت خوب)، بالا آوردن یا تراز کردن دال‌ها، امکان اجرا در مجاورت دیوارهای موجود و کنترل پارامترهای هیدرولیکی مانند تراوش (نشت)، جریان‌های آب زیرزمینی و فاضلاب‌های خطرناک اشاره کرد. البته هزینه این روش نسبتا زیاد بوده و نیازمند کنترل بالا برای جلوگیری از هدررفت مصالح است. این کار با بهبود خاصیت ژلی بودن ملات با اضافه کردن افزودنی‌های مخصوص انجام می‌شود.

استفاده از روش تزریق برای تنظیم تراز دال کف
استفاده از روش تزریق برای تنظیم تراز دال کف

از چه موادی برای روش تزریق استفاده می‌شود؟

ملات‌هایی با پایه‌های متفاوت در بهسازی خاک به روش تزریق استفاده می‌شوند. هر یک از این ملات‌ها برای کاربری‌های مختص به خود مناسب هستند. ملات‌های سیمانی، شمیایی، بنتونیتی، رزینی (اپوکسی)، بیتومینی، ماسه‌ای، بدون ماسه، اصلاح شده با لاتکس، اکریلیک و فوران از جمله مواد قابل استفاده برای تزریق در پروژه‌های ساختمانی به شمار می‌روند. از این میان، ملات پایه سیمان، کاربرد بیشتری نسبت به دیگر ملات‌ها دارد.

تجهیزات بهسازی خاک به روش تزریق چه هستند؟

تجهیزات مورد استفاده برای بهسازی خاک به روش تزریق معمولا شامل ماشین حفار، میکسر ملات، پمپ و خط انتقال ملات هستند. به طور کلی، تزریق با راندن لوله به درون زمین یا حفاری گمانه و پمپاژ ملات با فشار بالا به درون لوله یا گمانه انجام می‌گیرد.

نوع تجهیزات مورد استفاده برای تزریق به شرایط زمین، نوع ملات و روش انتخابی بستگی دارد. در ادامه به معرفی برخی از تجهیزات پرکاربرد تزریق می‌پردازیم.

ماشین آلات حفاری

شروع فرآیند تزریق، نیازمند ایجاد مسیری برای دسترسی به حفره‌ها و یا شکستگی‌های موجود و انتقال مواد پرکننده به درون آن‌ها است. این مسیر با حفر چاه یا گمانه توسط ماشین آلات حفاری فراهم می‌شود. ماشین آلات مورد استفاده برای حفاری گمانه یا چاه‌های تزریق معمولا از نوع ضربه‌ای و دورانی هستند. شرایط زمین، به عنوان مهم‌ترین عامل برای انتخاب ماشین حفاری در نظر گرفته می‌شود. در مجموع، ابزارهای پنوماتیکی، مته های الماسه و حفاری شستشویی، از گزینه‌های متداول برای انتخاب تجهیزات حفاری هستند.

ماشین آلات حفاری ضربه ای

«حفاری ضربه‌ای» (Percussion Drilling)، روشی است که به منظور حفر گمانه درون محیط‌های سنگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش، با وارد کردن ضربه‌های متوالی به زمین توسط چکش مکانیکی، باعث ایجاد حفره می‌شود. «جک‌هَمِر» (Jackhammer)، «دریفتر» (Drifter) و «واگن دریل» (Wagon Drill) از متداول‌ترین ماشین آلات حفاری ضربه‌ای در بهسازی خاک به روش تزریق هستند. حفاری توسط این ماشین‌آلات، اقتصادی‌ترین گزینه برای حفر چاه‌های کم عمق محسوب می‌شود. با رسیدن به اعماق 23 تا 38 متری (بسته به نوع سنگ)، بهره‌وری ماشین آلات حفاری ضربه‌ای کاهش می‌یابد.

حفاری ضربه‌ای گمانه در سنگ پیش از شروع تزریق
حفاری ضربه‌ای گمانه در سنگ پیش از شروع تزریق

ماشین آلات حفاری دورانی

«حفاری چرخشی» (Rotary Drilling)، از روش‌های متداول برای حفر گمانه درون محیط‌های خاکی است. در این روش، مته ماشین حفار با سرعتی بالاتر از 3000 دور بر دقیقه می‌چرخد. اعمال فشار توسط مته در حال چرخش به سطح زمین، باعث ایجاد حفره می‌شود. ماشین آلات حفاری دورانی دارای انواع و ابعاد مختلفی هستند که می‌توانند گمانه‌هایی با عمق چند متر تا چند کیلومتر را حفاری کنند. در حفر چاه‌های تزریق معمولا از انواع کوچک این ماشین‌آلات استفاده می‌شود.

حفاری دورانی گمانه در زمین خاکی پیش از شروع تزریق
حفاری دورانی گمانه در زمین خاکی پیش از شروع تزریق

میکسر ملات

آماده‌سازی مواد پرکننده توسط میکسرهای بتن یا میکسرهای مخصوص ملات انجام می‌گیرد. تمام تجهیزات دارای ظرفیت کافی با قابلیت اختلاط یکنواخت مصالح برای این کار مناسب هستند. پس از آماده شدن مخلوط، ترکیب به دست آمده معمولا به درون یک حوضچه دارای هم‌زن (با ظرفیت مشابه یا بیشتر از میکسر) انتقال داده می‌شود. این فرآیند از سفت شدن مخلوط جلوگیری می‌کند. به منظور افزایش ظرفیت می‌توان از دو یا چند میکسر به طور همزمان استفاده کرد. به طور کلی، اختلاط دستی ملات یا استفاده از میکسرهای دارای ظرفیت پایین برای فرآیند تزریق پیشنهاد نمی‌شوند.

یکی از پرکاربردترین انواع میکسرهای ملات مورد استفاده در بهسازی خاک با روش تزریق
یکی از پرکاربردترین انواع میکسرهای ملات مورد استفاده در بهسازی خاک به روش تزریق

پمپ

پمپ، وسیله‌ای است که نیروی مکانیکی مورد نیاز برای انتقال مواد پرکننده از مخزن میکسر یا حوضچه به محل تزریق را فراهم می‌کند. پمپ‌های مورد استفاده در فرآیند تزریق باید دارای انعطاف‌پذیری کافی برای کنترل فشار سیال باشند تا علاوه بر تامین نرخ تزریق مناسب، از گرفتگی لوله‌ها نیز جلوگیری شود. در صورت استفاده از پمپ‌های دارای سرعت ثابت، به کارگیری سیستم لوله‌کشی و شیرهای مخصوص برای کنترل فرآیند تزریق ضروری خواهد بود. شرایط توده خاک و سنگ بر روی انتخاب فشار مناسب برای تزریق تاثیرگذار هستند. از این‌رو، پیش از طراحی روش بهسازی، نمونه‌های محل اجرای تزریق به صورت برجا مورد آزمایش قرار می‌گیرند. در مجموع، فشار تزریق از حدود 1 نیوتن بر میلی‌متر مربع برای خاک‌های ماسه‌ای تا 7 نیوتن بر میلی‌متر مربع برای سنگ‌ها تغییر می‌کند.

لوله

لوله، یکی دیگر از تجهیزات ضروری در بهسازی خاک به روش تزیق است. به طور کلی، دو سیستم متداول برای انتقال مواد پرکننده از پمپ به گمانه وجود دارند. ساده‌ترین سیستم لوله‌کشی تزریق، از یک خط انتقال واحد تشکیل می‌شود که ملات را توسط لوله، شلنگ یا ترکیبی از این دو به دهانه گمانه هدایت می‌کند. در این سیستم، سرعت پمپاژ، نرخ تزریق را کنترل می‌کند.

پیکربندی متداول برای اجرای سیستم دوگانه در حین بهسازی خاک با روش تزریق
پیکربندی متداول برای اجرای سیستم دوگانه در حین بهسازی خاک به روش تزریق

سیستم دوم با عنوان خط انتقال دوگانه یا سیستم چرخشی شناخته می‌‌شود. این سیستم دارای یک خط برگشت است که مواد را از دهانه گمانه به مخزن یا حوضچه باز می‌گرداند. به این ترتیب، در صورت بسته بودن شیر خروجی در دهانه گمانه، ملات به طور پیوسته بین حوضچه، پمپ و دهانه حرکت خواهد کرد. استفاده از سیستم چرخشی، امکان کنترل بر روی میزان ملات ریخته شده درون گمانه، بدون تغییر در سرعت پمپاژ را فراهم می‌کند. این ویژگی به همراه کاهش احتمال گرفتگی لوله‌ها از دلایلی هستند که باعث برتری سیستم دوگانه نسبت به سیستم واحد می‌شوند.

دیگر تجهیزات قابل استفاده برای تزریق

تجهیزات معرفی در بخش‌های قبلی، در روش‌های معمول بهسازی خاک به روش تزریق مورد استفاده قرار می‌گیرند. در برخی از پروژه‌ها، امکان اجرای تزریق توسط ماشین‌آلات و ابزارهای مخصوص نظیر دستگاه شاتکریت، بولت‌های تزریقی و دستگاه حفاری تونل (TBM) نیز وجود دارد. در این موارد، تزریق به عنوان فرآیند ثابت در حین اجرای سازه انجام می‌شود.

تزریق، بخشی از عملیات‌های حفاری مکانیزه تونل توسط ماشین TBM است.
تزریق، بخشی از عملیات‌های حفاری مکانیزه تونل توسط ماشین TBM است.

روش های اجرای تزریق کدام هستند؟

تزریق، فرآیندی است که در آن، ملات مایع توسط پمپاژ یا فشار قوی به درون زمین انتقال داده می‌شود. انتقال مواد پرکننده توسط یکی از روش‌های تزریق گمانه حفاری، تزریق با ابزار حفاری، تزریق با لوله و تزریق فشار قوی انجام می‌گیرد. در ادامه به توضیح مختصر هر یک از این روش‌ها می‌پردازیم.

تزریق به روش گمانه حفاری

در «روش گمانه حفاری» (Drill Hole Method)، یک گمانه درون نواحی دارای حفره و شکستگی ایجاد می‌شود. سپس، تزریق ملات توسط پمپ و لوله به درون گمانه و نواحی اطراف آن صورت می‌گیرد.

تزریق به روش ابزار حفاری

«روش ابزار حفاری» (Drill Tool Method) یا به اختصار «TAM»، یک روش تزریق تک مرحله‌ای و پیوسته است که با استفاده از کیسینگ یا راد حفاری انجام می‌شود. با رسیدن راد حفاری به عمق مشخص، ماشین حفار، راد را بیرون می‌کشد و در فواصل مشخص، تزریق ملات به درون خاک را شروع می‌کند.

تزریق به روش لوله تزریق

«روش لوله تزریق» (Grout Pipe Method)، با تعبیه لوله‌های مخصوص درون چاه‌های حفر شده برای تزریق در مرحله بعدی انجام می‌گیرد. فضای خالی بین لوله و چاه معمولا توسط مواد درزبند پر می‌شود. این روش از انعطاف‌پذیری و بهره‌وری بیشتری نسبت به روش قبلی برخوردار است؛ چراکه پس از اتمام مرحله اول می‌توان عملیات تزریق در چاه حفر شده را شروع کرد و ماشین‌آلات حفاری را برای حفر چاه‌های دیگر مورد استفاده قرار داد. در تزریق چند مرحله‌ای، معمولا از لوله‌های غلافی استفاده می‌شود. این لوله‌ها، امکان اجرای چندین تزریق متوالی در یک ناحیه را فراهم می‌کنند. پیش از نصب و جانمایی لوله‌ها، دیواره چاه با استفاده از کیسینگ یا گل حفاری تقویت می‌شود.

تزریق به روش فشار قوی

روش تزریق پر فشار یا «روش جتینگ» (Jetting Method)، یکی از روش‌های متفاوت تزریق است که توسط حفاری یک گمانه کوچک به درون زمین، برش دادن خاک با فشار بالای مخلوط سیمانی و پر کردن فضای خالی با اختلاط ملات و خاک برجا انجام می‌شود. در بخش بعدی، این روش را به طور مفصل توضیح می‌دهیم.

انواع روش های بهسازی خاک به روش تزریق کدام هستند؟

از زمان معرفی بهسازی خاک به روش تزریق، انواع مختلفی از این روش توسعه یافتند. تزریق نفوذی، جت گروتینگ، تزریق تراکمی، تزریق تعادلی یا شکست هیدرولیکی، میکروپایل، تماسی و اختلاط عمیق از شناخته‌شده‌ترین روش‌های بهسازی خاک با تزریق هستند. در ادامه به معرفی نحوه اجرا و ویژگی‌های هر یک از این روش‌ها می‌پردازیم.

بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی

«تزریق نفوذی» (Permeation Grouting)، از پرکاربردترین روش‌های تزریق است که به منظور پر کردن ترک‌ها و حفره‌های موجود در توده خاک یا سنگ، مخصوصا در پروژه‌های سدسازی و تونلسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش با عناوین دیگری نظیر روش تزریق فشاری، تزریق اسلاری، تزریق سیمان و تزریق شیمیایی نیز شناخته می‌شود. در مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک، تزریق نفوذی، فرآیندی برای بهبود خواص ژئومکانیکی توده خاک و یا سنگ است. در این روش می‌توان از هر ملاتی استفاده کرد. با این وجود، محدودیت مشخصی برای استفاده از برخی از ملات‌ها در برخی از انواع خاک یا سنگ وجود دارد.

مراحل اجرای روش تزریق نفوذی

لوله‌های غلافی، اصلی‌ترین ابزار مورد استفاده برای اجرای بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی هستند. در این روش، ابتدا چندین گمانه در محدوده مورد نظر حفر شدهو لوله‌های غلافی درون آن‌ها جانمایی می‌شوند. تزریق این گمانه‌ها به صورت تکی یا همزمان انجام می‌‌گیرد. برای، پیش از شروع تزریق، خروجی پمپ به لوله‌های غلافی متصل می‌شوند. این لوله‌ها مانند شیر یک طرفه عمل کرده و ملات را از سطح زمین به عمق مورد نظر منتقل می‌کنند.

روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی
روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی

کاربرد روش تزریق نفوذی

از متداول‌ترین کاربردهای بهسازی خاک به روش تزریق نفوذی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • اجرای پرده آب‌بند برای کاهش نفوذپذیری و جلوگیری از حرکت جریان‌های زیرزمینی (مخصوصا در سدسازی)
  • تقویت و پایدارسازی خاک‌های دانه‌ای با ماسه‌های ریز به منظور مقابله با حرکت‌های اضافی
  • تقویت بستر تاسیسات و ساختمان‌های مجاور (مخصوصا در تونلسازی)
  • اجرای سازه نگهبان

مزایای روش تزریق نفوذی

مهم‌ترین مزایای روش تزریق نفوذی عبارت هستند از:

  • عدم ایجاد اختلال بر عملیات‌های تاسیساتی در اغلب موارد
  • مناسب برای پروژه‌های درون شهری به دلیل تاثیر بسیار کم بر روی نشست
  • هزینه پایین‌تر تقویت بستر فونداسیون نسبت به روش‌هایی نظیر شمع‌کوبی و جایگزینی خاک طی عملیات خاکی (خاکبرداری/خاکریزی)
  • امکان به حداکثر رساندن اثرات گودبرداری نسبت به روش شمع‌کوبی
  • امکان اجرا در پروژه‌هایی با دسترسی سخت و فضای محدود
  • قابلیت اجرا برای فونداسیون‌های موجود

بهسازی خاک به روش جت گروتینگ

تزریق پرفشار یا «جت گروتینگ»، از روش‌های جدید و کارآمد بهسازی خاک است که به منظور ساخت خاک‌های سیمانی‌شده با شکل‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. مبنای این روش، انجام حفاری در اثر برخورد سریع سیالات به خاک و پر کردن فضای حفاری شده با ملات است. جت گروتینگ اغلب در کنترل آب‌های زیرزمینی، حفاری خاک‌های ناپایدار، تقویت بستر فونداسیون دیوار حائل وزنی یا سازه‌های سنگین، اجرای سازه نگهبان و آب‌بندی کف گودبرداری‌ها کاربرد دارد.

نحوه اجرای روش جت گروتینگ

اجرای روش جت گروتینگ طی فرو بردن مته حفاری به درون خاک، فعال کردن جت انتهای مته برای پرتاب سیال (دوغاب سیمانی) با فشار بالا، فرسایش خاک، مخلوط کردن مواد برجا با دوغاب (تشکیل خاک سیمانی) و بیرون کشیدن مرحله‌ای مته صورت می‌گیرد. این فرآیند باعث ایجاد پنل، ستون کامل یا ستون ناقص بتنی-خاکی با استحکام و نفوذپذیری مورد نظر می‌شود.

روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق پرفشار یا جت گروتینگ
روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق پرفشار یا جت گروتینگ

طراحی شکل و مشخصات فیزیکی بتن خاکی بر اساس مشخصات خاک محل صورت می‌گیرد. با توجه به اصول سیستم جت گروتینگ، فرسایش پذیری خاک تاثیر زیادی بر روی هندسه، کیفیت و فرآیند اجرای تزریق می‌گذارد. معمولا کارایی این روش بر روی خاک‌های بدون چسبندگی بیشتر از خاک‌های چسبنده است.

سیستم‌های اجرای جت گروتینگ

دوغاب سیمانی به عنوان سیال اصلی جت گروتینگ شناخته می‌شود. البته با توجه به کاربری مورد نظر و نوع خاک محیط، امکان استفاده از آب و هوا در کنار دوغاب وجود دارد. بر این اساس، جت گروتینگ توسط یکی از سیستم‌های زیر اجرا می‌شود:

  • تک سیاله: دوغاب (مخلوط آب و سیمان)
  • دو سیاله: هوا و دوغاب
  • سه سیاله: آب، هوا و دوغاب

تصویر زیر، تفاوت سیستم‌های بالا را نمایش می‌دهد.

انواع سیستم‌های اجرای جت گروتینگ بر اساس سیالات مورد استفاده
انواع سیستم‌های اجرای جت گروتینگ بر اساس سیالات مورد استفاده

مزایای جت گروتینگ

از مهم‌ترین مزایای روش جت گروتینگ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • امکان اجرای ستون‌های بتنی بزرگ بدون ایجاد اختلالات زیاد در بستر زمین
  • بهبود خواص مکانیکی و کاهش نفوذپذیری به دلیل یکپارچگی ساختار ستون‌ها
  • امکان طراحی بهتر به دلیل بهبود فرآیند ساخت و ساز
  • قابلیت اجرا در محدوده‌های کوچک و شرایط محیطی سخت
  • تجهیزات یکپارچه با قابلیت جابجایی خوب (کاهش زمان و هزینه مورد نیاز برای جابجایی و سرهم کردن آن‌ها ماشین آلات)

بهسازی خاک به روش تزریق تراکمی

تزریق جابجایی یا «تزریق تراکمی» (Compaction Grouting)، یکی دیگر از روش‌های بهسازی خاک است که به منظور پایدارسازی حفره‌ها یا گودال‌های زیرسطحی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش با افزایش چگالی خاک‌های سست و دانه‌ای توسط تزریق ملات دارای اسلامپ پایین انجام می‌شود. از کاربردهای متداول روش تزریق تراکمی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • تقویت توده‌های پرشده با قلوه سنگ، مکان‌هایی با پرکننده‌های ضعیف، خاک‌های سست یا مستعد ریزش، سنگ‌های حل‌شونده و خاک‌های روانگرا
  • کاهش، کنترل یا اصلاح نشست سازه‌های حساس
  • بهسازی بستر سازه‌های موجود
  • پایدارسازی گودال‌ها یا کاهش احتمال تشکیل گودال
  • افزایش ظرفیت باربری

نحوه اجرای روش تزریق تراکمی

اجرای بهسازی خاک به روش تزریق تراکمی طی فرو کردن یک لوله به درون زمین تا عمق مشخص و تزریق ملات در حین بیرون کشیدن آرام لوله‌ها صورت می‌گیرد. این فرآیند باعث ایجاد ستونی متشکل از گوی‌های ملاتی تو در تو می‌شود. انبساط این گوی‌ها، جابجایی خاک دربرگیرنده و افزایش چگالی، زاویه اصطکاک و سختی محیط را در پی دارد. اجرای چندین تزریق (چندین ستون) در یک ناحیه، تاثیر روش تزریق تراکمی را افزایش می‌دهد.

روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق تراکمی
روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق تراکمی

مزایا و معایب روش تزریق تراکمی

از مهم‌ترین مزایای رو تزریق تراکمی می‌توان به موارد زیر را نام برد:

  • ایجاد کمترین اختلال ممکن در زمین‌ها و سازه‌های اطراف
  • مناسب برای پروژه‌هایی با محدودیت دسترسی
  • هزینه نسبتا پایین و نصب آسان
  • انعطاف‌پذیری بالا و کاربردهای گسترده با نتایج موفقیت آمیز در تمام موارد

اصلی‌ترین محدودیت‌های روش تزریق تراکمی عبارت هستند از:

  •  امکان بالا آمدگی سازه در صورت وجود فاصله‌ای کمتر از 1.5 متر بین سطح زمین تا لبه بالایی ستون تزریقی
  • مناسب نبودن برای خاک‌هایی با نفوذپذیری پایین نظیر رس‌ها

بهسازی خاک به روش تزریق تعادلی یا تزریق شکست هیدرولیکی

«تزریق شکست هیدرولیکی» (Hydrofracturing Grouting) یا «تزریق تعادلی» (Compensation Grouting)، روشی است که با ایجاد ترک در اطراف سازه و پر کردن آن‌ها اجرا می‌شود. این روش، اغلب به منظور تنظیم تراز فونداسیون سازه‌ها، پایدارسازی تونل و کاهش احتمال نشست سازه‌های روی زمین در حین حفر تونل مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نحوه اجرای تزریق شکست هیدرولیکی یا تزریق تعادلی

اجرای تزریق به روش شکست هیدرولیکی طی حفر گمانه در محل از پیش تعیین شده، جانمایی لوله‌ای با غلاف لاستیکی درون گمانه و تزریق ملات با فشار انجام می‌شود. هنگام عبور فشار تزریق از فشار شکست هیدرولیکی خاک، فاصله بین سطوح ترک‌های موجود افزایش یافته و طول ترک‌ها در اثر نفوذ ملات گسترش می‌یابد. این فرآیند، بلند شدن کنترل شده لایه‌های بالایی زمین و فونداسیون سازه را در پی دارد.

روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق تعادلی یا تزریق شکست هیدرولیکی
روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق تعادلی یا تزریق شکست هیدرولیکی

مزایای روش تزریق تعادلی

قابلیت به کارگیری تزریق به روش شکست هیدولیکی در اکثر سازه‌ها نظیر چاه‌ها یا تونل‌های بدون دسترسی و ساختمان‌های آسیب دیده، به عنوان مهم مهم‌ترین مزیت این روش در نظر گرفته می‌شود. به علاوه، استفاده از ابزارهای مانیتورینگ در حین تزریق تعادلی، امکان کنترل دقیق این روش را فراهم می‌کند.

بهسازی خاک به روش میکروپایل

ریزشمع یا «میکروپایل» (Micropile)، یکی از المان‌های مورد استفاده برای بهسازی خاک به روش تزریق است که در اجرای فونداسیون‌های عمیق به کار برده می‌شود. این المان‌ها، نوعی از شمع‌های اصطکاکی با قطر 50 تا 300 میلی‌متر و از جنس بتن مسلح هستند.

میکروپایل‌ها می‌توانند بارهای محوری و جانبی سازه تحمل کنند. از کاربردهای اصلی میکروپایل می‌توان به افزایش ظرفیت باربری اکثر سازه‌ها، تقویت بستر فونداسیون‌ها، بهبود پایداری توده خاک یا سنگ و انتقال بارهای اعمال شده از روسازه اشاره کرد. این روش به عنوان پیشرفته ترین روش تزریق شناخته می‌شود.

نحوه اجرای میکروپایل

اجرای میکروپایل طی مراحل کیسینگ گذاری با قطر 50 تا 300 میلی‌متر و تا عمق طراحی، جانمایی میلگرد فولادی رزوه‌دار درون کیسینگ میکروپایل و تزریق ملات سیمانی پر مقاومت انجام می‌شود. ارتفاع کیسینگ میکروپایل برابر با عمق چاه یا کمی بیشتر از ارتفاع میلگردها است.

روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق میکروپایل
روند کلی اجرای بهسازی خاک به روش تزریق میکروپایل

مزایا و معایب میکروپایل

از مهم‌ترین مزایای استفاده از میکروپایل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • مقاومت در برابر بارهای فشاری، آپلیفت/کششی و جانبی بالا
  • تجهیزات و ماشین‌آلات قابل اطمینان برای کار در خاک‌هایی با بستر ضعیف، سنگ‌های قوی و محل‌های دارای دسترسی محدود
  • عدم نیاز به تغییر در مسیر لوله‌کشی خدمات شهری
  • کاهش مشکلات مربوط به شمع‌کوبی برجا در خاک‌های سست
  • امکان اجرای ترکیبی با روش‌های دیگر به منظور دستیابی به الزامات منحصر به فرد یا پیچیده پروژه از نظر مسائل اقتصادی و بهره‌وری عملیاتی

تنها محدودیت قابل ذکر برای بهسازی خاک به روش تزریق میکروپایل، هزینه بالای این روش در مقایسه با روش‌های دیگر است.

دیگر روش های تزریق

از روش‌های دیگر تزریق می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • بهسازی خاک به روش اختلاط عمیق
    • «اختلاط عمیق خاک» (Deep Soil Mixing)، روشی مشابه جت گروتینگ است که برخلاف آن به صورت خشک اجرا می‌شود. به علاوه، حفاری و اختلاط ملات با خاک در این روش توسط ابزارهای مکانیکی نظیر مته انجام می‌گیرد.
  • بهسازی خاک به روش تزریق تماسی
    • «تزریق تماسی» (Contact Grouting)، روشی است که با پر کردن فضای خالی بین المان‌های درجا و زمین، یکپارچگی سازه را افزایش می‌دهد. این روش اغلب در حفر فضاهای زیرزمین نظیر تونل و معدن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • بهسازی خاک به روش تزریق پلی اورتان
    • «تزریق پلی اورتان» (Polyurethane Grouting)، روشی مشابه تزریق تعادلی و تراکمی است. در این روش، مواد پلی اورتان با فشار پایین به زیر یا اطراف دال فونداسیون تزریق می‌شوند. با انبساط مواد پرکننده حفره‌ها و ترک‌ها، استحکام زمین افزایش می‌یابد و سطح آن تراز می‌شود.

انواع روش های تزریق بر اساس نوع مواد پرکننده

نوع ماده پرکننده حفره‌ها و شکستگی‌های زمین به پارامترهایی نظیر نوع خاک یا سنگ و شرایط محل تزریق بستگی دارد. البته اصول اجرایی تزریق با استفاده از اکثر مواد مشابه یکدیگر است.

ملات‌های سیمانی، بنتونیتی، شیمیایی، رزینی و قیری از شناخته‌شده‌ترین مواد پرکننده برای تزریق هستند. در ادامه، به معرفی انواع بهسازی خاک به روش ترزیق با توجه به نوع مصالح مورد استفاده می‌پردازیم.

بهسازی خاک به روش تزریق ملات سیمانی

سیمان یا ملات سیمانی برای تزریق در زمین‌هایی با نفوذپذیری بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. مخلوط آب و سیمان خالص یا مخلوط ماسه و سیمان با نسبت 4 به 1 از ترکیب‌های متداول برای تزریق هستند. پیش از تزریق، گمانه‌هایی در اطراف محل مورد نظر حفر می‌شوند. سپس، تزریق میزان کمی از مواد پرکننده به دورن گمانه‌ها انجام می‌گیرد. در انتها، نسبت آب به سیمان را کاهش می‌دهند تا روانگرایی ملات افزایش پیدا کند. در صورت نیاز به اطمینان از تزریق کامل محدوده مورد نظر می‌توان چندین گمانه ثانویه در فاصله بین گمانه‌های اولیه حفر کرد.

ملات سیمانی
ملات سیمانی

بهسازی خاک به روش تزریق ملات بنتونیتی

«بنتونیت» (Bentonite)، ماده‌ای با خاصیت روان‌وَردی یا اصطلاحا «تیکسوتروپی» (Thixotropy) است که از رس تشکیل می‌شود. ملات بنتونیتی از مقاومت بالا در برابر آب بهره می‌برد. ترکیب این ملات با افزودنی‌های مخصوص می‌تواند باعث ایجاد یک پرده آب‌بند دائمی درون زمین شود. تزریق با استفاده از ملات بنتونیتی، برای خاک‌های دارای ذرات بسیار ریز (عدم امکان استفاده از ملات سیمانی) و جلوگیری از تراوش در خاک‌های آبرفتی زیر فونداسیون سدها یا دیگر سازه‌های هیدرولیکی مناسب است.

ملات بنتونیتی
ملات بنتونیتی

بهسازی خاک به روش تزریق شیمیایی

بهسازی خاک به روش تزریق ملات شیمیایی در خاک‌هایی با ذرات متوسط تا درشت انجام می‌گیرد. برای تشکیل این نوع ملات معمولا موادی نظیر سیلیکات سدیم و کلراید کلسیم را در حالت مایع با یکدیگر ترکیب می‌کنند تا یک مخلوط ژلی حاصل شود. اجرای تزریق با ملات شیمیایی دارای دو فرآیند اصلی است:

  1. تزریق در دو مرحله: سخت شدن سریع خاک
    • راندن لوله‌ها به درون زمین
    • تزریق اولین ماده شیمیایی
    • تزریق دومین ماده شیمیایی
  2. تزریق در یک مرحله: سخت شدن خاک با تاخیر (مناسب برای حفریات بزرگ)
    • راندن لوله‌ها به درون زمین
    • مخلوط کردن مواد شیمایی
    • تزریق مخلوط

تزریق ملات شیمیایی از نفوذ و انعطاف‌پذیری بالا در زمان اجرای فرآیند بهره می‌برد. این ویژگی‌ها باعث آزادی عمل بیشتر برای طراحی فاصله بین گمانه‌ها و کاهش هزینه‌های بهسازی می‌شود.

بهسازی خاک به روش تزریق ملات رزینی

ملات‌های رزینی برخلاف ملات‌های شیمیایی از ویسکوزیته بسیار پایینی برخوردار هستند. ویسکوزیته پایین، به این ملات‌ها اجازه می‌دهد تا درون خاک‌هایی با ذرات ریز نفوذ کنند. نوع رزین مورد استفاده به ترکیب شیمیایی آب زیرزمینی بستگی دارد. در واقع این پارامتر، تعیین‌کننده زمان گیرش ملات است. از ملات‌های رزینی رایج می‌توان به ملات پایه جوهر مازو یا «تانن» (Tannin)، «فنول» (Phenol) و «رزورسینول» (Resorcinol) اشاره کرد.

ملات رزینی
ملات رزینی

بهسازی خاک به روش تزریق ملات قیری

امولسیون بیتومین یا قیر، ماده مناسبی برای استفاده به عنوان ملات تزریق است. این ماده با نفوذ به درون ماسه‌های ریز، یک پرده غیر قابل نفوذ را به وجود می‌آورد. البته ملات قیری تاثیری بر روی استحکام خاک ندارد. با این وجود، بهسازی خاک به روش تزریق ملات قیری می‌توان گزینه مناسبی در ساخت فونداسیون سد و دیگر سازه‌های هیدرولیکی باشد.

ملات قیری
ملات قیری

نرم افزار طراحی بهسازی خاک به روش تزریق

گزینه انتخابی برای بهسازی خاک به روش تزریق باید بهترین عملکرد سازه‌ای با کم‌ترین هزینه ممکن را به همراه داشته باشد.

یکی از روش‌های مناسب برای بررسی عملکرد سازه‌ای محیط‌های اجرای تزریق، استفاده از نرم افزارهای عددی است. این نرم افزارها با ابزارها و قابلیت‌های خود، امکان مدل‌سازی، تحلیل و طراحی روش‌های مختلف بهسازی را فراهم می‌کنند.

مدل‌سازی میکروپایل در نرم افزارهای عددی
مدل‌سازی میکروپایل در نرم افزارهای عددی

نرم افزارهای عمرانی زیادی برای تحلیل عملکرد و طراحی پارامترهای وجود دارند. با این وجود، از معروف‌ترین این نرم افزارها که مطالعات زیادی توسط آن‌ها بر روی این مبحث انجام گرفته است می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • نرم افزار «آباکوس» (ABAQUS)
  • نرم افزار «پلکسیس» (PLAXIS)
  • نرم افزار «فلک» (FLAC)
  • نرم افزار «پی اف سی» (PFC)

یادگیری نرم افزارهای بالا، یکی از مهارت های مهندسی عمران است که فرصت‌های شغلی و زمینه پیشرفت کاری را برای دانشجویان و مهندسان فراهم می‌کند.

بر اساس رای ۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
BuiltConstructionsDokumenKellerKellerKellerKellerKeller
۲ دیدگاه برای «بهسازی خاک به روش تزریق — از صفر تا صد — به زبان ساده»

سلام در صورت امکان در مورد هزینه های این روش هم توضیحاتی داده شود.

تزریق به روش جت گروتینگ

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *