بهسازی خاک چیست و چگونه انجام می‌شود؟ — انواع روش های بهسازی خاک — به زبان ساده

بهسازی خاک مجموعه روش‌های مورد استفاده به منظور بهبود خواص مکانیکی خاک و آماده‌سازی آن برای اجرای سازه‌های مهندسی است. روش های بهسازی خاک، از تنوع و کاربری‌های زیادی بهره می‌برند. آشنایی با این روش‌ها و کاربردهای آن‌ها، امکان برنامه‌ریزی و طراحی مناسب سازه، به منظور اجرای ایمن و اقتصادی پروژه را فراهم می‌کند. در این مقاله، به معرفی تاریخچه، اهداف، کاربردها، روش‌ها و عوامل موثر بر انتخاب بهترین روش بهسازی خاک می‌پردازیم.

مقدمه ای بر بهسازی خاک

اجرای سازه‌های مهندسی در محیط‌های خاکی، نیازمند تحلیل پایداری و اطمینان از مناسب بودن خواص مکانیکی با توجه به شرایط بارگذاری و یا شرایط محیطی مورد انتظار است.

در صورتی که خواص خاک و محل پیشنهادی، حداقل مشخصات مورد نیاز برای اجرای پروژه را نداشته باشند یا بر اساس تحلیل‌های انجام شده، عملکرد مناسبی را مطابق با الزامات طراحی از خود به نمایش نگذارند، مهندسان و طراحان مجبور به ارائه گزینه‌های زیر خواهند بود:

• کنار گذاشتن محل پیشنهادی
  • در صورت وجود چندین گزینه برای اجرای پروژه، رویکرد عملی برای انتخاب محل مناسب، حذف گزینه‌های ضعیف است. اگر هیچ گزینه مناسبی وجود نداشته یا تامین هزینه‌های مورد نیاز برای اجرای پروژه در شرایط موجود دشوار باشد، کنار گذاشتن کل پروژه نیز در نظر گرفته می‌شود.
• حفاری و جایگزینی خاک ضعیف
  • در گذشته، این روش به عنوان یکی از گزینه‌های متداول مورد استفاده قرار می‌گرفت. با این وجود، محدودیت‌های اقتصادی نظیر هزینه تامین مصالح و باربری، دسترسی، انتخاب مصالح مناسب و مشکلات محیط زیستی باعث کاهش رواج این گزینه شد.
• طراحی مجدد یا طراحی بر اساس شرایط موجود
  • یکی از گزینه‌های نسبتا مناسب، طراحی اعضای سازه‌ای متناسب با شرایط خاک محل پروژه است. به عنوان مثال، در برخی از موارد می‌توان با استفاده از شمع‌کوبی، بارهای اعمال شده را از درون لایه ضعیف خاک عبور داد و آن‌ها را به لایه‌های مقاوم پایینی اعمال کرد. البته این گزینه می‌تواند هزینه زیادی را در پی داشته باشد.
• بهسازی خاک
  • یکی از بهترین گزینه‌های موجود برای تغییر شرایط نامطلوب موقعیت اجرای پروژه است که با تقویت خواص مکانیکی خاک، شرایط مناسب را برای ساخت سازه فراهم می‌کند.

امروزه، روش های بهسازی خاک از گزینه‌های متداولی هستند که به منظور حل بسیاری از مشکلات مربوط به شرایط محل اجرای پروژه مورد استفاده یا مورد بحث قرار می‌گیرند. این روش‌ها اغلب برای بهبود مشخصات مهندسی خاک به کار برده می‌شوند. در اغلب موارد، روش های بهسازی خاک، گزینه‌های اقتصادی‌تر و سازگارتر با محیط زیست را نسبت به روش‌های سنتی در اختیار طراحان و مهندسان قرار می‌دهند.

تاریخچه بهسازی خاک به چه دورانی بازمی‌گردد؟

بهبود خواص مهندسی خاک یا مصالح خاکی به منظور دستیابی به عملکرد مورد نظر، ایده جدیدی نیست. برخی از اصول اولیه بهسازی خاک نظیر تراکم (افزایش چگالی)، آبکشی و اضافه کردن افزودنی‌ها به هزاران سال قبل باز می‌گردند.

گزارش‌هایی از به کارگیری چوب و کاه به همراه گِل برای ساخت خانه‌های کاه‌گلی در دوران باستان وجود دارد. در آن دوران، ترکیب کاه و گِل، حصیر بافته شده، شاخه درختان و دیگر مواد گیاهی با خاک، از جمله روش‌هایی متداولی بودند که به منظور افزایش استحکام و ظرفیت باربری سازه‌های خاکی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

برخی از نوشته‌های تاریخی مربوط به تمدن چین بین سال‌های 3000 تا 2000 قبل از میلاد (حدود 4 تا 5 هزار سال پیش)، استفاده از ترکیب سنگ و الوار چوبی برای بهسازی خاک را توصیف کرده‌اند. در حدود سال 600 میلادی (بیش از 1400 سال پیش)، از ترکیب آهک و خاک در ساخت «جاده آپیا» (Appian Way)، یکی از سازه‌های مشهور دوران امپراتوری روم، استفاده شد. عملکرد این جاده در دوران مذکور بسیار عالی بود و اکنون نیز به طور کامل قابل استفاده است.

با پیشرفت علوم مهندسی، مواد دارای استحکام بالاتر و دوام بیشتر جای مواد قدیمی را گرفتند. با این وجود، اصول و مکانیزم بهسازی خاک تغییر خاصی نکرد. حدود سال 1900 میلادی (1280 شمسی) در کشور مصر، تلاش‌هایی برای استفاده از مواد پرکننده به منظور کنترل تراوش سدهای وزنی خاکی صورت گرفت. در این پروژه‌ها، به منظور کاهش نفوذپذیری بدنه سد، از ترکیب خاک با دانه بندی ریز و سنگدانه های درشت استفاده شد.

روش‌های مدرن بهسازی خاک، در دهه 1960 میلادی (دهه 1340 شمسی) و با معرفی روشی موسوم به «Reinforced Earth» برای ساخت دیوار حائل خودنگهدار توسعه یافتند. اجزای اصلی به کار رفته در این روش، ورقه‌های فولاد گالوانیزه با شیارهای مخصوصی بودند که مقاومت جانبی دیوار در برابر فشارهای جانبی خاک را افزایش می‌دادند. بسیاری از روش های بهسازی خاک، تاریخچه زیادی ندارند. به همین دلیل، مطالعات موردی کافی از این روش‌ها در اختیار نیست. در نتیجه، برخی از روش‌های بهسازی به عنوان رویکردهای حاصل از ترکیب علم مهندسی و تکنولوژی‌های تجربی در نظر گرفته می‌شوند. امروزه، رویکرد منطقی برای مواجهه با مسائل بهسازی خاک شامل سه مرحله زیر است:

• تعریف رفتار مورد انتظار از خاک برای کاربری مورد نظر
• تشخیص هرگونه کمبود در رفتار خاک
• طراحی و اجرای روش مناسب بهسازی خاک برای برطرف کردن کمبودهای موجود

مراحل بالا ساده و واضح به نظر می‌رسند. با این وجود، این مراحل از اصول اولیه مطالعه محل پیشنهادی برای اجرای هر پروژه‌ای هستند. علاوه بر این، روش های بهسازی خاک برای ترمیم سازه‌های موجود و بهبود خواص مکانیکی محل پروژه برای بازسازی سازه یا ساخت سازه جدید نیز در نظر گرفته می‌شوند.

بهسازی خاک چیست؟

«بهسازی خاک» (Soil Improvement)، تغییر خواص خاک نظیر استحکام، تراکم پذیری، نفوذپذیری، رطوبت و غیره به منظور بهبود عملکرد آن برای کاربری‌های مهندسی است. هنگام انتخاب محل مناسب برای اجرای پروژه‌های عمرانی، نوسازی سازه‌های موجود و فعالیت‌های مشابه، نکته مهمی که باید در نظر گرفته شود، تاثیر بارهای اعمال شده بر روی زمین و رفتار یا عکس‌العمل زمین در برابر این بارها است.

بارهای اعمال شده بر زمین می‌توانند دارای منشا انسانی و یا طبیعی باشند. در هر دو حالت، پارامترهایی وجود دارند که مهندسان از آن‌ها برای پیش‌بینی تاثیر شرایط بارگذاری مختلف (پایداری یا ناپایداری) استفاده می‌کنند. اثرات شرایط بارگذاری معمولا با توجه مشخصات خاک مورد بررسی قرار می‌گیرند.

چه خواصی در بهسازی خاک اهمیت دارند؟

اهمیت خواص خاک به کاربری آن‌ها بستگی دارد. به عنوان مثال، هدف از بهسازی خاک در حوزه کشاورزی، بهبود باروری خاک و فراهم کردن محیط مناسب برای رشد گیاهان است. از این‌رو، مهندسان کشاورزی، به دنبال تقویت خواصی می‌روند که باعث دستیابی به اهداف مذکور می‌شود.

در مهندسی عمران و ژئوتکنیک، خاک محیطی برای اجرای سازه‌های مختلف است. با توجه به این دیدگاه، خواصی از خاک مورد بررسی قرار می‌گیرند که پایداری سازه را تحت تاثیر قرار می‌دهند. خواص زیر معمولا به عنوان مهم‌ترین پارامترهای موثر بر بهسازی خاک در حوزه ژئوتکنیک در نظر گرفته می‌شوند:

• مقاومت برشی: وظیفه تحمل بارهای استاتیک و دینامیک، بدون ایجاد تغییر شکل‌های اضافی یا شکست را بر عهده دارد.
• تراکم پذیری: نشست، جزیان‌پذیری و تغییر حجم توده خاک را کنترل می‌کند.
• نفوذپذیری: نرخ عبور سیالات از درون فضای متخلخل توده خاک را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
• تورم و جمع‌شدگی: به تغییر حجم ناشی از افزایش یا کاهش رطوبت توده خاک بستگی دارد.

علاوه بر پارامترهای بالا، مواردی نظیر سفتی، دوام، قابلیت فرسایش و خزش نیز با توجه به پروژه مورد نظر از اهمیت نسبت بالایی برخوردار خواهند بود. آشنایی با خواص مکانیکی خاک، یک حوزه تخصصی در مهندسی عمران است که با عنوان مکانیک خاک شناخته می‌شود.

اصطلاحات بهسازی خاک چه هستند؟

تغییر مشخصات خاک و بهبود آن برای کاربردهای مهندسی با اصطلاحات مختلفی نظیر بهسازی خاک، «بهسازی زمین» (Ground Improvement)، «اصلاح زمین» (Ground Modification)، «پایدارسازی خاک» (Soil Stabilization) و غیره شناخته می‌شوند. برخی از منابع، تفاوت‌هایی را بین هر یک از این اصطلاحات در نظر می‌گیرند. با این وجود، وجه اشتراک کاربردهای آن‌ها به قدری زیاد است که در بسیاری از موارد، اصطلاحات مذکور به جای یکدیگر استفاده می‌شوند. به طور کلی، بهسازی خاک یا بهسازی زمین، فرآیندی است که به منظور دستیابی به خواص ژئومکانیکی بهتر انجام می‌گیرد. این فرآیند، با استفاده از سه رویکرد مختلف قابل اجرا است:

• بهسازی بدون اضافه کردن مصالح دیگر (جنس متفاوت از مواد اصلی)
• بهسازی با اضافه کردن مصالح مخصوص
• بهسازی با به کارگیری المان‌های تقویت‌کننده

هدف از بهسازی خاک چیست؟

هدف اصلی از بهسازی زمین، تغییر خواص خاک و کنترل ویژگی‌های ژئوتکنیکی آن به منظور بهبود عملکرد سازه با توجه به کاربری مورد انتظار از آن است. از میان تمام خواص خاک، معمولا تغییر موارد زیر به عنوان هدف بهسازی در نظر گرفته می‌شوند:

• کاهش تراکم‌پذیری به منظور جلوگیری از نشست
• افزایش استحکام به منظور بهبود پایداری، ظرفیت باربری، دوام و غیره
• کاهش نفوذپذیری به منظور جلوگیری از جریان آب زیرزمینی
• افزایش نفوذپذیری به منظور بهبود قابلیت زهکشی
• کاهش احتمال رونگرایی ناشی از بارهای لرزه‌ای

هر یک از بهسازی‌های بالا با استفاده از روش‌های مختلف قابل اجرا هستند. بهسازی خاک معمولا در فازهای مختلف پروژه انجام می‌گیرد که در بخش بعدی به آن می‌پردازیم.

انواع بهسازی خاک بر اساس زمان اجرا کدام هستند؟

بهسازی خاک بر اساس زمان اجرا به انواع بهسازی پیش از شروع ساخت، حین ساخت و پس از اتمام ساختتقسیم می‌شود. در ادامه، به توضیح هر یک از این موارد می‌پردازیم.

بهسازی پیش از شروع ساخت

بهسازی خاک پیش از شروع عملیات اجرایی، به عنوان گزینه‌ای مطلوب و اقتصادی در اغلب موارد در نظر گرفته می‌شود. این نوع بهسازی به منظور آماده‌سازی محل پروژه برای شروع فعالیت‌های اجرایی و به عنوان بخشی از فرآیند برنامه‌ریزی و طراحی برای اطمینان از اجرای موفقیت‌آمیز پروژه مورد استفاده قرار می‌گیرد. از روش های بهسازی خاک پیش از شروع ساخت می‌توان به تراکم زمین، پیش تحکیم، زهکشی، آبکشی، تغییر مسیر جریان‌های هیدرولیکی، شمع کوبی و تزریق دوغاب اشاره کرد.

بهسازی در حین ساخت

المان‌های مورد استفاده در روش های بهسازی حین فعالیت اجرایی، معمولا به اجزای دائمی سازه تبدیل می‌شوند. به عنوان مثال، بهسازی خاک با استفاده از ستون‌های شنی متراکم، تثبیت سطحی (کنترل دانه‌بندی، تراکم سطحی، اضافه کردن افزودنی‌ها)، انجماد خاک، به کارگیری مواد ژئوسینتتیک، میخ‌کوبی یا نیلینگ خاک، دوخت به پشت، گودبرداری، پر کردن با مواد سبک و غیره را می‌توان به عنوان روش های بهسازی خاک در حین ساخت در نظر گرفت. اجرای سازه‌های خاکی روش‌های مختلفی دارد. از این‌رو، روش مناسب بهسازی زمین برای دستیابی به اهداف مورد نظر می‌تواند متفاوت باشد. سازه‌هایی نظیر شیب، خاکریز، دیوار حائل و جاده مواردی هستند که اغلب با روش بهسازی حین ساخت، اجرا می‌شوند.

بهسازی پس از ساخت

روش های بهسازی خاک پس از اتمام فعالیت‌های اجرایی، معمولا به منظور بازسازی و ترمیم مورد استفاده قرار می‌گیرند. هزینه بهسازی در این فاز نسبت به دو فاز دیگر بیشتر است و اغلب به عنوان آخرین گزینه برای رفع مشکلات پیش آمده پس از اتمام پروژه و پایدارسازی عوارض طبیعی ریزشی یا مستعد ریزش در نظر گرفته می‌شود. از مثال‌های این نوع بهسازی می‌توان به روش‌های پایدارسازی برای رفع مشکلاتی نظیر نشست، شیب‌های ریزشی یا مستعد ریزش، تراوش و موارد مشابه اشاره کرد. متداول‌ترین فرآیندهای مورد استفاده برای بهسازی پس از ساخت، تزریق دوغاب، نیلینگ، زهکشی، آبکشی و تغییر مسیر جریان‌های هیدرولیکی است.

انواع بهسازی خاک بر اساس مکانیزم اجرا کدام هستند؟

به طور کلی، روش های بهسازی خاک بر اساس مکانیزم اجرا را می‌توان به چهار گروه بهسازی مکانیکی، بهسازی هیدرولیکی، بهسازی فیزیکی/شیمیایی و بهسازی سازه ای تقسیم کرد. در این بخش، هر یک از این گروه‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

بهسازی مکانیکی خاک چیست؟

«بهسازی مکانیکی» (Mechanical Modification)، روشی است که با تغییر فیزیکی مصالح خاکی، آن‌ها را برای کاربری مورد نظر آماده می‌کند. این روش اغلب به منظور افزایش کنترل شده چگالی توسط مصالح پرکننده یا تراکم خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تراکم خاک می‌تواند بسیاری از خواص و رفتار زمین را بهبود ببخشند. به کارگیری روش پر کردن با مواد غیر سازه‌ای نیز می‌تواند افزایش استحکام خاک را در پی داشته باشد.

بهسازی هیدرولیکی خاک چیست؟

«بهسازی هیدرولیکی» (Hydraulic Modification)، روشی است که به منظور تغییر مشخصات مرتبط با جریان، تراوش و زهکشی برای دستیابی به عملکرد مناسب مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، کاهش سطح آب زیرزمینی توسط زهکشی یا آبکشی چاه‌های اطراف محل پروژه، کاهش/افزایش نفوذپذیری خاک، تحکیم/پیش تحکیم برای به حداقل رساندن نشست‌های احتمالی در آینده، کاهش قابلیت تراکم (افزایش استحکام)، فیلتراسیون جریان آب زیرزمینی، کنترل شیب هیدرولیکی تراوش و ایجاد دیوار هیدرولیکی، از انواع روش های بهسازی هیدورلیکی هستند. کنترل و یا تغییر مشخصات هیدرولیکی با استفاده از روش‌های مختلفی انجام می‌شود و امکان به کارگیری آن‌ها در کنار دیگر روش های بهسازی (مکانیکی، فیزیکی/شیمیایی و تقویتی) وجود دارد.

بهسازی فیزیکی و شیمیایی خاک چیست؟

بهسازی فیزیکی و شیمیایی، روشی است که به منظور پایدارسازی توسط اعمال تغییرات بر روی خواص فیزیکی و شیمیایی خاک یا مصالح خاکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترکیب مصالح با خاک، تزریق موادی نظیر دوغاب به درون خاک یا اعمال تغییرات حرارتی، از روش‌های متداول برای تغییر ساختار فیزیکی یا ترکیب شیمیایی خاک هستند. تغییرات ناشی از به کارگیری این روش‌ها، به طور همیشگی باقی می‌مانند (به غیر از روش انجماد خاک). به این ترتیب، ماده‌ای به وجود می‌آید که می‌تواند عملکرد مناسبی را در شرایط بارگذاری مورد انتظار داشته باشد. در سال‌های اخیر، مطالعاتی بر روی «پایدارسازی زیستی» (Biostabilization) به وسیله روش‌های میکروبی انجام شده است که می‌توان آن‌ها را در گروه بهسازی شیمیایی قرار داد.

بهسازی سازه ای خاک چیست؟

بهسازی سازه ای خاک، روشی است که با استفاده از المان‌های سازه‌ای یا مصالح صنعتی، پایداری محیط خاکی را افزایش می‌دهد. این روش می‌تواند با تقویت‌کننده‌هایی نظیر المان‌های کششی، میل مهار (میخکوبی و انکراژ)، مواد ژئوسنتتیک، مواد تحکیم کننده (معمولا شنی)، گابیون، توری و مواد پرکننده سبک مانند فوم پلی استایرن (یونولیت) اجرا شود. به طور کلی، بهسازی سازه ای خاک یک رویکرد کاملا فیزیکی در نظر گرفته می‌شود. تقویت خاک با کاشت گیاهان نیز در این گروه قرار می‌گیرد.

در این بخش، چهار گروه اصلی از روش های بهسازی خاک را معرفی کردیم. با بررسی دقیق‌تر این روش‌ها، متوجه خواهید شد که نمی‌توان هر یک از آن‌ها را فقط به یکی از گروه‌های معرفی شده اختصاص داد. در اغلب موارد، مشخصات و مزایای یک روش بهسازی به گونه‌ای هستند که باعث قرارگیری آن روش در گروه‌های مختلف و به کارگیری آن برای مقاصد متفاوت می‌شوند. از این‌رو، همیشه مقداری همپوشانی‌های بین روش‌های مختلف و کاربری آن‌ها وجود خواهد داشت. بهسازی خاک، حوزه‌ای وسیع با تکنولوژی‌ها، روش‌ها و فرآیندهای متنوع است. در ادامه به معرفی متداول‌ترین کاربردهای بهسازی خاک می‌پردازیم.

عوامل موثر بر انتخاب روش مناسب بهسازی خاک کدام هستند؟

نوع خاک، شرایط محل اجرا، خواص خاک، دسترسی به مصالح، مسائل اجتماعی، تاثیرات محیط زیستی و هزینه، از مهمترین عوامل موثر بر انتخاب روش مناسب بهسازی خاک هستند. در ادامه به معرفی هر یک از این عوامل می‌پردازیم.

تاثیر نوع خاک بر روش بهسازی خاک

نوع خاک، به عنوان یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر روش و مواد مورد استفاده برای بهسازی خاک در نظر گرفته می‌شود. برخی از روش‌های بهسازی، فقط برای نوع خاصی از خاک‌ها با دانه‌بندی مشخص قابل استفاده هستند.

جدول زیر، بر اساس گرافی تهیه شده است که روش های بهسازی مناسب برای انواع خاک با دانه‌بندی مختلف را نمایش می‌دهد.

تاثیر مشخصات محل بر روش بهسازی خاک

بسیاری از روش های بهسازی خاک، با توجه به عمق لایه ضعیف انتخاب می‌شوند. مساحت محدوده اجرا، ظرفیت‌های اقتصادی و قابلیت تجهیزات موجود نیز نقش مهمی را در انتخاب بهترین گزینه بازی می‌کنند. از این‌رو، موقعیت قرارگیری پروژه و عوامل مرتبط با آن نظیر سازه‌های مجاور، محدودیت ایجاد صدا و لرزش، دمای عملیاتی و دسترسی به آب نیز تاثیر قابل توجهی بر فرآیند تصمیم گیری دارند.

تاثیر خواص مکانیکی مورد نیاز بر روش بهسازی خاک

یکی از عوامل اصلی و مشخص در انتخاب یک روش برای بهسازی خاک، دستیابی به خواص مورد انتظار در صورت استفاده از آن روش است. به کارگیری هر روش، خواص مکانیک، سطح بهسازی و یکنواختی متفاوتی را برای خاک محل پروژه در پی خواهد داشت.

تاثیر دسترسی به مصالح بر روش بهسازی خاک

با توجه به محل اجرای پروژه و مصالح مورد نیاز برای هر یک از روش‌های بهسازی زمین، امکان عدم دسترسی آسان و هزینه بالای انتقال مصالح وجود خواهد داشت. این عوامل می‌توانند برخی از گزینه‌های مناسب را از فهرست خارج کنند.

تاثیر عوامل اجتماعی و محلی بر روش بهسازی خاک

در برخی از موارد، مهندسان و طراحان، روشی را برای بهسازی خاک پیشنهاد می‌کنند که بنا به هر دلیلی از نظر مسئولین محلی یا کارفرما قابل قبول یا قابل اطمینان نیست. در این مواقع، احتمال در دسترس نبودن منابع انسانی کافی با مهارت مورد نیاز نیز وجود دارد. این عامل، به عنوان یک مسئله اجتماعی، نباید دستِ کم یا نادیده گرفته شود. عدم مقبولیت فعالیت‌های موجود در برخی از روش‌ها، بسیاری از پروژه‌ها (مخصوصا در مناطق دور افتاده و کمتر توسعه یافته) را با مشکل مواجهه می‌کند.

تاثیر عوامل زیست محیطی بر روش بهسازی خاک

یکی از مسائلی که در سال‌های اخیر، توجه ویژه‌ای به آن می‌شود، پیامدهای زیست محیطی فعالیت‌های مختلف در پروژه‌های مهندسی است. این عامل بر روی انتخاب روش، تجهیزات و بخصوص مصالح مورد استفاده برای اجرای بهسازی خاک تاثیر می‌گذارد.

تاثیر هزینه بر روش بهسازی خاک

پارامترهای اقتصادی، عواملی هستند که پس از بررسی عوامل قبلی مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. در واقع، تصمیم نهایی راجع به انتخاب روش مناسب برای بهسازی خاک و یا انتخاب بین دو یا چند گزینه مناسب به مسائل اقتصادی بستگی خواهد داشت. پارامترهای اقتصادی معمولا به همراه محدودیت‌های زمانی در نظر گرفته می‌شوند. به عنوان مثال، در صورت نیاز به اجرا و افتتاح سریع‌تر پروژه، امکان انتخاب روش‌های گران‌تر وجود دارد. در نهایت، انتخاب بهترین روش بهسازی برای هر پروژه باید با در نظر گرفتن عوامل معرفی شده و مطابق با مشخصات مخصوص آن پروژه انجام شود.

روش های بهسازی خاک چه هستند؟

تراکم سطح، زهکشی، ارتعاش، پیش تحکیم، تزریق، ترکیب افزودنی‌ها، تقویت سازه ای و استفاده از مواد ژئوسنتتیک، از متداول‌ترین روش های بهسازی خاک هستند. با وجود تعدد روش‌های بهسازی خاک، در ادامه به معرفی متداول‌ترین آن‌ها می‌پردازیم.

روش های تراکمی بهسازی خاک

«تراکم سطح» (Surface Compaction)، یکی از قدیمی‌ترین روش های بهسازی خاک است که به منظور افزایش چگالی خاک نرم و یا سست مورد استفاده قرار می‌گیرد. اجرای جاده، مسیر فرودگاه، خاکریز و هر سازه مهندسی دیگر بر روی خاک سست، عملکرد این سازه‌ها را با مشکل مواجه می‌کند. راه حل اولیه برای حل این مشکل، تراکم لایه‌های سطحی است. در صورتی که عمق خاک سست کم باشد، تراکم آن با استفاده از تجهیزاتی نظیر غلتک کافی خواهد بود.

روش‌های تراکم خاک عبارت هستند:

• استاتیک: اعمال بار تدریجی بزرگ بر روی خاک و آزادسازی آن
• ضربه‌ای یا دینامیک: رهاسازی وزنه‌های بزرگ بر روی سطح خاک
• ارتعاشی: اعمال سریع بارهای تکراری توسط صفحات یا چکش‌های فرو رفته در خاک (معمولا به همراه تراکم غلتکی)
• غلتکی: اعمال تنش توسط حرکت یک غلتک استوانه‌ای سنگین بر روی سطح خاک
• مالشی: اعمال تنش برشی با جابجایی بخش‌های مجاور خاک (غلتک پاچه بزی)
• چرخشی: اعمال تنش استاتیک و حفظ آن در یک جهت و چرخش خاک حول محور اعمال بار (آزمایشگاهی)

روش های ارتعاشی بهسازی خاک

ارتعاش، یکی از روش‌های سریع برای تراکم و افزایش چگالی خاک‌های اشباع غیر چسبنده است. اعمال ارتعاش و امواج ضربه‌ای به درون توده‌های سست، رونگرایی و افزایش چگالی ناشی از خروج آب اضافی داخل منافذ را به همراه داد. برخی از پرکاربردترین روش‌های ارتعاشی بهسازی خاک عبارت هستند از:

• انفجار (تراکم انفجاری)
• لوله ارتعاشی
• غلتک ارتعاشی
• ستون شنی ارتعاشی
• لرزه شناوری
• کوبش سنگین

روش های زهکشی بهسازی خاک

وجود آب زیرزمینی، یکی از مشکلات اصلی در حین گودبرداری است. حضور آب، فشار منفذی را افزایش و مقاومت برشی (مهم‌ترین پارامتر مکانیکی خاک) را کاهش می‌دهد. به علاوه، جریان شدید سیالات در محیط‌های خاکی، فرسایش یا حتی لغزش دیواره‌های محل گودبرداری شده را در پی دارد. روش‌های مختلفی برای کنترل سطح آب زیرزمینی وجود دارند که از متداول‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سیستم چاه نقطه ای یا چاه زهکشی
• چاه زهکشی عمیق
• سیستم آبکشی با روش پمپ خلا
• آبکشی با روش الکترواسمز

روش های پیش تحکیم برای بهسازی خاک

از متداول‌ترین روش‌های پیش از ساخت برای بهسازی خاک و جلوگیری از نشست‌های احتمالی می‌توان به پیش تراکم و پیش تحکیم اشاره کرد. برخی از پرکاربردترین انواع روش‌های پیش تراکم و پیش تحکیم عبارت هستند از:

• پیش بارگذاری
• زهکشی قائم
• تحکیم دینامیکی
• تحکیم الکترواسمز

بهسازی خاک به روش تزریق

یکی از روش‌های پرکاربرد برای بهسازی، تزریق موادی نظیر دوغاب یا دیگر مواد پایدارکننده توسط تجهیزات مخصوص به درون توده خاک است. از کاربردهای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کنترل سطح آب زیرزمینی در حین ساخت
• پر کردن فضای خالی توده خاک به منظور جلوگیری از نشست‌های اضافی
• افزایش استحکام محدوده فونداسیون خاکی برای جلوگیری از آسیب‌های احتمالی در حین گودبرداری، شمع‌کوبی و دیگر فعالیت‌های اجرایی
• پایدارسازی ماسه‌های سست به منظور جلوگیری از رونگرایی آن‌ها
• افزایش استحکام خاک برای کاهش نیاز به نگهدارنده‌های جانبی
• تقویت زیر پی
• کاهش ارتعاش فونداسیون توسط ماشین‌آلات

پایدارسازی شیمیایی

پایدارسازی شیمیایی یا استفاده از افزودنی‌ها، یکی دیگر از روش‌های متداول برای بهسازی خاک است. در این روش، معمولا از آهک، سیمان و خاکستر بادی، آسفالت و یا ترکیبی از این مواد برای بهبود خواص خاک استفاده می‌شود. پایدارسازی شیمیایی، به منظور کاهش نفوذپذیری، افزایش مقاومت برشی، افزایش ظرفیت باربری، کاهش نشست و افزایش سرعت اجرای فعالیت‌های اجرایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اختلاط خاک و افزودنی‌ها به صورت مکانیکی و برجا یا طی فرآیند بچینگ قابل اجرا است.

تقویت خاک

بهسازی خاک توسط المان‌های تقویت‌کننده، یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای پایداری شیب‌ها، ترانشه‌ها و حفریات است. المان‌های تقویت‌کننده در این روش، به عنوان بخش داخلی سازه‌های خاکی نظیر خاکریز، شیب و دیوار حائل مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته امکان به کارگیری این المان‌ها (پیچ، میل مهار، شمع) برای بهبود پایداری سازه‌های موجود نیز وجود دارد. علاوه بر این کاربری‌ها، استفاده از المان‌های تقویت‌کننده برای پایدارسازی موقت حفریات و نگهداری بخش پایینی سازه‌های موجود نیز مرسوم است.

ژئوسنتتیک چیست و چگونه عمل می‌کند؟

«ژئوسنتتیک» (Geosynthetic)، المان‌های سازه‌ای متشکل از مواد مصنوعی هستند که به منظور بهسازی خاک و زمین مورد استفاده قرار می‌گیرند. این المان‌ها معمولا از پلمیر ساخته می‌شوند. مواد ژئوسنتتیک، به طور گسترده در اجرای دیوارهای حائل و شیب‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد برای کنترل فرسایش خاک و بهبود ظرفیت باربری فونداسیون نیز کاربرد دارند. ساختار ویژه ژئوسنتتیک، امکان توزیع و انتقال بارهای اعمال شده بین نقاط تمرکز تنش و محیط سازه را فراهم می‌کند. به این ترتیب می‌توان سازه را بر روی مواد ضعیف‌تر یا فونداسیون‌های عمیق با احتمال نشست کمتر و ظرفیت بالاربری بالاتر اجرا کرد.

از انواع مواد ژئوسنتتیک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• «ژئوتکستایل» (Geotextile): منسوجات متخلخلی هستند که برای جداسازی، فیلتراسیون، تقویت، محافظت و زهکشی خاک به کار برده می‌شوند.
• «ژئوگرید» (Geogrid): مواد مصنوعی و شبکه‌ای مورد استفاده برای تقویت دیوار حائل، زیرسازی جاده یا فونداسیون سازه هستند.
• «ژئونت» (Geonet): موادی مشابه ژئوگرید هستند که اغلب به همراه ژئوتکستایل و برای زهکشی داخلی مایعات یا گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• «ژئوممبران» (Geomembrane‎): موادی با نفوذپذیری بسیار پایین هستند که برای کنترل جریان سیالات و جلوگیری از عبور آن‌ها کاربرد دارند.
• «ژئوکامپوزیت» (Geocomposite): موادی هستند که از ترکیب مواد مصنوعی مختلف با یکدیگر یا با مواد غیر مصنوعی ساخته می‌شوند. ژئوکامپوزیت‌ها از مزایای مواد موجود در ترکیب خود بهره می‌برند.
• «ژئوسنتتیک کِلِی لاینر» (Geosynthetic Clay Liner): موادی ژئوکامپوزیتی با عملکرد مشابه با ژئوممبران هستند.
• «ژئوفوم» (Geofoam): مواد سبک بر پايه پلي استايرن هستند که برای پر کردن، عایق حرارتی، زهکشی و کاهش فشار جانبی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به منظور آشنایی بهتر با روش های معرفی شده در این بخش، پیشنهاد می‌کنیم کتاب بهسازی خاک را مطالعه کنید.

کاربرد و مزایای بهسازی خاک چه هستند؟

قدیمی‌ترین و متداول‌ترین کاربرد روش های بهسازی، بهبود مشخصات خاک برای استفاده به عنوان فونداسیون یا مصالح ساختمانی است. بهسازی خاک معمولا به منظور دستیابی به اهداف زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد:

• افزایش مقاومت برشی، دوام، سفتی و پایداری
• کاهش خواص نامطلوب نظیر احتمال جمع‌شدگی، تورم، تراکم و روانگرایی خاک
• اصلاح نفوذپذیری و نرخ عبور جریان سیال از محیط خاکی
• بهبود بهره‌وری و کارایی با استفاده از روش‌های کم هزینه و نسبتا سریع

اهداف بالا، نکاتی هستند که به طور ثابت در طراحی سازه‌های ژئوتکنیکی تحت نظر گرفته می‌شوند. مهندسان باید نحوه دستیابی به نتیجه مطلوب و مطابق با اهداف مشخص شده را تعیین کنند. روش های بهسازی خاک از بهترین گزینه‌های مواجهه با چالش‌های موجود در این حوزه هستند. در بسیاری از موارد، این روش‌ها، هزینه پایینی نسبت به دیگر روش‌های مرسوم دارند.

انعطاف‌پذیری بالای روش‌های بهسازی زمین، اجرای برخی از پروژه‌های رها شده (به دلیل هزینه بالا یا عدم وجود راهکارهای مناسب) را نیز ممکن می‌کند. حوزه بهسازی خاک از پویایی بالایی برخوردار است. مهندسان در نقاط مختلف دنیا و پروژه‌های متفاوت ژئوتکنیکی، همواره با چالش‌های جدیدی در این حوزه مواجهه می‌شوند. این موضوع، مطالعات بیشتر و ارائه روش‌های جدید بهسازی با استفاده از تجهیزات پیشرفته، فرآیندهای ابتکاری، مصالح نوین و غیره را در پی دارد.