فرادرسعملیات خاکی چیست؟ — معرفی ماشین آلات و مراحل اجرای عملیات خاکی — به زبان ساده
عملیات خاکی مجموعه فعالیتهای مورد نیاز برای آمادهسازی، خاکبرداری، جابجایی، خاکریزی و تسطیح زمین در پروژههای عمرانی است. این عملیات به عنوان یکی از مهمترین مراحل اجرایی در پروژه‌هایی نظیر راهسازی، سدسازی، ساختمان‌سازی و ساخت کانال در نظر گرفته میشود. در این مقاله، به معرفی تاریخچه، مراحل اجرا، تجهیزات، منابع یادگیری و روش های محاسبه حجم عملیات خاکی میپردازیم.
عملیات خاکی چیست؟
«عملیات خاکی» (Earthwork)، فرآیند خاکبرداری و خاکریزی بخشی از سطح زمین، به منظور آمادهسازی محل برای اجرای پروژههای مختلف عمرانی و معدنی است. هدف از عملیات خاکی به سازه در حال اجرا بستگی دارد.
به عنوان مثال، در پروژههای راهسازی و کانال‌سازی، اجرای این عملیات به منظور دستیابی به مسیری با شیب و راستای مناسب انجام میگیرد. البته اطمینان از استحکام کافی زیرسازی مسیر نیز از دیگر اهداف خاکبرداری و خاکریزی است. علاوه بر این در برخی از موارد، شیب پایدار شیروانی‌های خاکی با استفاده از عملیات خاکی تامین میشود.
تعریف عملیات خاکی چیست؟
مطابق با نشریه 101 سازمان برنامه‌ریزی و مدیریت بودجه با عنوان «مشخصات فنی عمومی راه»، عملیات خاکی، کلیه کارهای لازم برای تمیز کردن بستر و حریم راه، خاکبرداری و خاکریزی خاک، سنگ و یا سایر مصالح در منطقه عملیات طرح، مطابق با نقشههای اجرایی یا دستورات دستگاه نظارت است. بر اساس تعریف استاندارد BS 6031:2009، خاکبرداری، خاکریزی و ساخت شیروانی به عنوان عملیات خاکی در نظر گرفته میشوند.
به طور کلی، مجموعه فرآیندهای خاکبرداری، بارگیری، باربری، بهسازی، خاکریزی، تراکم مواد طبیعی (خاک یا سنگ) و استفاده از مصالح ثانویه یا بازیافتی برای دستیابی به یک حفریه یا خاکریز پایدار و بادوام،عملیات خاکی است. البته اصطلاح «Earthworks» برای اشاره مستقیم به سازههای ایجاد شده از عملیات خاکی نظیر خاکریز، شیروانی مصنوعی و شیروانی طبیعی نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
کاربرد و اهمیت عملیات خاکی در چیست؟
بهترین شرایط برای اجرای پروژههای عمرانی، ساخت سازه‌ها بر روی زمین‌های صاف و مستحکم است. هموار بودن زمین و ظرفیت باربری بالای آن، ایمنی کاربران و طول عمر سازه را افزایش می‌دهد. در اغلب پروژههای عمرانی (مخصوصا پروژههای بزرگ)، مواجهه با ناهمواری‌ها و یا مصالح ضعیف اجتناب‌ناپذیر است. در این شرایط، عوامل پروژه مجبور به برداشتن بخشی از زمین و فراهم کردن محیط مناسب برای شروع فعالیتهای اجرایی بر اساس طرح خواهند بود. این کار توسط عملیات خاکی انجام میشود.
از کاربردهای عملیات خاکی در پروژههای مختلف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- احداث خاکریز
- معدنکاری (احداث مسیرهای دسترسی، استخراج مواد معدنی، پر کردن فضاهای خالی و غیره)
- راهسازی و احداث بزرگراه (زیرسازی، تامین شیب مناسب مسیر، ساخت شیب و خاکریز)
- احداث راه آهن (زیرسازی و تامین شیب مناسب مسیر)
- ساخت گذرگاه (خاکبرداری و ایجاد فضای مناسب برای اجرا)
- سدسازی (فونداسیون و بدنه)
- پل‌سازی (فونداسیون و تکیه‌گاه)
- تونل‌سازی
- ساخت ترانشه (خاکبرداری و آمادهسازی محل برای اجرای پروژه‌ها)
- ساخت کانال (تامین زیرسازی و شیب مناسب)
- ساختمان سازی (مسکونی و تجاری)
تاریخچه عملیات خاکی به چه دروانی بازمی‌گردد؟
تاریخچه روش‌های مدرن عملیات خاکی به دوران روم باستان (بیش از 2000 سال پیش) باز می‌گردد. رومی‌ها در طی امپراتوری خود بیش از 80 هزار کیلومتر جاده اصلی احداث کردند. جاده آپیا با عرض حدود 4.25 متر، امکان عبور دو کالسکه از یک مسیر کوهستانی را فراهم می‌کرد.
در قرن هفتم میلادی (حدود 1400 سال پیش)، ساخت شاهراه (جاده‌های بزرگ و طولانی) برای اتصال مراکز اصلی شهرهای مختلف گسترش یافت. البته ساخت این مسیرها با سرعت کمی انجام می‌گرفت. همین موضوع، باعث گسترش استفاده از نقشه‌برداران برای بررسی عوارض زمین و افزایش بهره‌وری در پروژههای راهسازی شد. در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم میلادی (قرن دوازدهم تا سیزدهم شمسی)، استانداردهای راهسازی بهبود یافت. اولین مهندسان عمران از رویکردهای متفاوتی برای راهسازی استفاده می‌کردند.
با وجود یکسان بودن اصول این رویکردها، اطلاعات زیادی در مورد نحوه اجرای عملیات خاکی در آنها وجود ندارد. به عنوان مثال، تقارن یا عدم تقارن تراکم خاک مورد استفاده برای پر کردن خاکریزها و معیار مناسب بودن یا نبودن آنها مشخص نیست. تنها رویکرد مشخص، اجرای بزرگراه‌ها با استفاده از نقشههای توپوگرافی برای به حداقل رساندن حجم عملیات خاکی (خاکبرداری و خاکریزی) و هزینه اجرای آن است. تصویر زیر، یکی از روش‌های اجرای عملیات خاکی در قرن نوزدهم میلادی (قرن سیزدهم شمسی) را نمایش می‌دهد.
تئوری‌های ارائه شده در قرن نوزدهم باعث معرفی حوزه جدیدی با عنوان «مکانیک خاک» (Soil Mechanics) در اوایل قرن بیستم میلادی (اواخر قرن سیزدهم شمسی) شدند. ظهور علم مکانیک خاک، امکان مطالعه گسترده بر روی عملیات خاکی، طراحی روش‌های جدید، بهبود فرآیندهای ساخت و تهیه دستورالعمل‌های استاندارد را فراهم کرد. مهمترین پیشرفت‌های علمی تاثیرگذار بر روش های اجرای عملیات خاکی عبارت هستند از:
- سال 1890 میلادی (1269 شمسی): ارائه تئوری موهر-کولمب برای طراحی‌های مهندسی (تحلیل پایدرای شیب‌های خاکی)
- سال 1927 میلادی (1206 شمسی): شروع استفاده از روش های تعادل حدی برای محاسبه پایداری شیب در حالت شکست قاشقی
- سال 1933 میلادی (1212 شمسی): توسعه مفهوم محتوای آب بهینه و معرفی آزمایش استاندارد تراکم در سدسازی (اصول مورد استفاده در عملیات خاکی)
- سال 1936 میلادی (1215 شمسی): شروع کشاورزی مکانیزه برای ساخت خاکریزهای متراکم و ساخت یکی اولین آزمایشگاه‌های خاک
- سال 1939 تا 1945 میلادی (1218 تا 1234 شمسی): پیشرفت بزرگ تئوری‌های مرتبط با عملیات خاکی در حین جنگ جهانی دوم و معرفی سیستم‌های طبقه‌بندی مبتنی بر نوع خاک، محتوای آب، میزان تراکم، چگالی مواد پرکننده و تخلخل
- دهه 1950 میلادی (دهه 1230 شمسی): گسترش استفاده از تجهیزات سنگین جدید مانند اسکریپر در عملیات خاکی
- سال 1959 میلادی (1238 شمسی): تدوین اولین دستورالعمل اجرایی عملیات خاکی (BS 6031)
- سال 2004 میلادی (1383 شمسی): تدوین استاندارد اروپایی Eurocode 7
- سال 2009 میلادی (1388 شمسی): به‌روزرسانی کامل استاندارد BS 6031 بر اساس Eurocode 7 (روش‌های جدید عملیات خاکی)
مراحل عملیات خاکی چه هستند؟
اجرای عملیات خاکی معمولا طی خاکبرداری و یا خاکریزی صورت میگیرد. این دو فعالیت، اصلی‌ترین فعالیتهای عملیات خاکی هستند. البته، مراحل دیگری نیز برای آمادهسازی و نهایی‌سازی این عملیات وجود دارند که در ادامه به معرفی برخی از آنها میپردازیم.
اطلاعات مورد نیاز برای عملیات خاکی کدام هستند؟
اجرای مطالعات زمین شناسی یکی از مراحل ثابت در اکثر پروژههای عمرانی و معدنی است. این مطالعات به عنوان بخشی از عملیات خاکی در نظر گرفته نمی‌شوند. با این وجود، داده‌های حاصل از آنها به منظور انجام محاسبات، طراحی و کنترل اجرای این عملیات مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از این داده‌ها عبارت هستند از:
- جنس مواد
- خواص ژئومکانیکی مواد
- وضعیت آب زیرزمینی
- مشکلات زیست محیطی
پس از بررسی زمین شناسی و تایید محل اجرای پروژه، عملیات نقشه برداری برای تهیه نقشههای توپوگرافی و رسم پروفیل مسیر شروع میشود. نقشههای توپوگرافی و پروفیل‌ها از مهمترین ابزارهای طراحی و محاسبه حجم عملیات خاکبرداری و خاکریزی هستند.
تصویر بالا، پلان توپوگرافی و مقطع عرضی بخشی از یک مسیر را نمایش می‌دهد. مهندسان پس از تهیه این مقطع، سطح پیشنهادی با شیب پایدار را رسم می‌کنند. سپس، با توجه به اختلاف بین سطح واقعی و سطح پیشنهادی در مقاطع مختلف، حجم عملیات خاکی را به دست می‌آورند.
خاکبرداری چیست ؟
«خاکبرداری» (Excavation)، یکی از مهمترین عملیات خاکی مورد استفاده برای برداشت مصالح و ایجاد حفره در زمین است. خاکبرداری با توجه به ابعاد پروژه (فضای در دسترس) و نوع مواد قابل استخراج، توسط چالزنی و انفجار، خراش، کندن (بیل مکانیکی)، ضربه (چکش مکانیکی) و حفاری (رودهدر) انجام میشود. این عملیات خاکی دارای انواع مختلفی است که در ادامه به معرفی آنها میپردازیم.
انواع خاکبرداری کدام هستند؟
خاکبرداری بر اساس معیارهای نظیر نوع مصالح و سازه به انواع زیر تقسیم میشود:
- انواع خاکبرداری بر اساس نوع مصالح
- حفاری زمین: برداشت لایه زیرین خاک سطحی
- حفاری سنگ: برداشت لایه‌های مقاوم با استفاده از روش‌های حفاری یا انفجار
- حفاری زمین نرم: برداشت مصالح مرطوب با پایداری نامناسب
- حفاری طبقه‌بندی نشده: برداشت ترکیبی از مواد بالا (غیر قابل تمایز)
- انواع خاکبرداری بر اساس نوع سازه
- خاکبرداری و خاکریزی: برداشت خاک سطحی و استفاده از آن به عنوان مواد پرکننده خاکریز، کف فونداسیون و غیره
- حفاری ترانشه: برداشت زمین برای آمادهسازی فونداسیون، محل جانمایی تاسیسات و غیره
- خاکبرداری زیرزمین: برداشت لایه‌های بالایی زمین تا رسیدن به عمق مورد نظر برای اجرای زیرزمین
- خاکبرداری جاده: برداشت خاک سطحی، خاکبرداری و خاکریزی
- خاکبرداری پل: برداشت مصالح برای آمادهسازی پی و تکیه‌گاه‌های سد طی مراحل حفاری مرطوب، خشک و سنگی
- لایروبی: حفاری برای برداشت مواد رسوبی و ته نشست مواد در زیر سطح آب دریاچه، رود، اسکله و غیره
- خاکبرداری عمیق یا گودبرداری: برداشت مصالح، بیش‌تر از عمق مورد نیاز به دلیل استحکام پایین لایه‌ها
سیستم نگهداری خاکبرداری
پایداری انواع مصالح خاکی در حین عملیات خاکبرداری با یکدیگر تفاوت دارد. زاویه شیب طبیعی، زاویه خودنگهدار مصالح را مشخص می‌کند. این زاویه به سطح آب زیرزمینی در محل اجرای پروژه بستگی دارد و بع عنوان معیاری برای اجرای سیستم نگهداری موقت در نظر گرفته میشود. زاویه شیب طبیعی برخی از مواد خاکی متداول عبارت هستند از:
