عمران, مهندسی 82 بازدید

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.

فهرست مطالب این نوشته پنهان کردن

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.

بیل مکانیکی، از پرکابردترین ماشین آلات سنگین مورد استفاده در اجرای عملیات خاکی است.
بیل مکانیکی، از پرکابردترین ماشین آلات سنگین مورد استفاده در اجرای عملیات خاکی است.

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.

خاکبرداری از شیروانی خاکی برای دستیابی به شیب پایدار
خاکبرداری از شیروانی خاکی برای دستیابی به شیب پایدار

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.

ترکیب شاول و کامیون، متداول‌ترین ترکیب ماشین آلات برای اجرای خاکبرداری و باربری است.
ترکیب شاول و کامیون، متداول‌ترین ترکیب ماشین آلات برای اجرای خاکبرداری و باربری است.

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.

جاده آپیا، یکی از سازه‌های به جا مانده از دوران روم باستان
جاده آپیا، یکی از سازه‌های به جا مانده از دوران روم باستان

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.

نقاشی از کارکنان جاده‌سازی در سال 1851 میلادی (1230 شمسی) حین اجرای عملیات خاکی در یکی از مسیرهای لندن
نقاشی از کارکنان جاده‌سازی در سال 1851 میلادی (1230 شمسی) حین اجرای عملیات خاکی در یکی از مسیرهای لندن

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)

اصول عملیات خاکی و اجرای سازه های خاکی بر پایه مفاهیم مکانیک خاک بنا شده‌اند. شناخت رفتار خاک و عکس العمل آن در برابر شرایط بارگذاری مختلف، امکان طراحی بهینه و اقتصادی عملیات خاکی در پروژه‌های مختلف عمرانی و معدنی را فراهم می‌کند. بنابراین، دانشجویان و مهندسان باید با مباحث تئوری و کاربردهای عملی حوزه مکانیک خاک آشنا باشند. به این منظور، فردارس، چند فیلم آموزشی مکانیک خاک را با رویکرد حل مسائل ژئوتکنیکی تهیه کرده است. برای مشاهده جزئیات این فرادرس‌ها بر روی عنوان آن‌ها کلیک کنید:

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 توپوگراغی و پروفیل‌ها از مهم‌ترین ابزارهای طراحی و محاسبه حجم عملیات خاکبرداری و خاکریزی هستند.

پلان توپوگرافی و پروفیل عرضی (تصویر پایین) محل اجرای راه به همراه میزان خاکبرداری و خاکریزی پیشنهادی
پلان توپوگرافی (تصویر بالا) و پروفیل عرضی (تصویر پایین) محل اجرای راه به همراه میزان خاکبرداری و خاکریزی پیشنهادی

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.

برداشت خاک و تخلیه کردن آن بر روی دپو
برداشت خاک و تخلیه کردن آن بر روی دپو

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:

  • رس زهکشی شده: 45 درجه
  • رس مرطوب: 16 درجه
  • شن و ماسه خشک: 40 درجه
  • ماسه مرطوب: 22 درجه
اجرای ترنچ باکس برای نگهداری از ترانشه حفر شده
اجرای ترنچ باکس برای نگهداری از ترانشه حفر شده

در صورتی که زاویه شیروانی از زاویه شیب طبیعی مصالح موجود بیشتر باشد، باید با توجه به پارامترهای زیر، نوع و میزان نگهداری مورد نیاز در حین خاکبرداری را تعیین کرد:

  •  پایداری و زاویه شیب طبیعی خاک زیرسطحی
  • نزدیکی محل خاکبرداری به ماشین آلات، تاسیسات و ساختمان‌ها
  • سطح آب زیرزمینی
  • نوع خاک زیرسطحی
  • عمق خاکبرداری
  • مدت زمان بدون نگهداری محل برداشت شده
  • فصل اجرای خاکبرداری و شرایط آب و هوایی

با توجه به پارامترهای بالا، سیستم‌های نگهداری زیر برای محل خاکبرداری قابل استفاده خواهند بود:

  • نگهدارنده چوبی: متداول برای ترانشه، شفت یا سقف‌های کوچک و کم خطر
  • ترنچ باکس: جانمایی در ترنچ‌های حفر شده با وضعیت کم خطر
  • ورق ترانشه: به صورت روی هم یا قفل شده برای نگهداری پیوسته ترانشه‌های عمیق
  • انکراژ و راک بولت
  • صندوق فولادی

دکوپاژ چیست ؟

دکوپاژ، یکی از فعالیت موجود در عملیات خاکی است که به منظور برداشت خاک‌های نباتی از روی سطح زمین و آماده‌سازی محل اجرای پروژه انجام می‌گیرد.

عملیات خاکی به عنوان یکی از فعالیت‌های مهم راهسازی و بهسازی، نیازمند محاسبات دقیق برای ارائه برنامه‌های اجرایی مناسب است. به این منظور، فرادرس، یک فیلم آموزشی تخصصی را در زمینه راهسازی و محاسبه عملیات خاکی برای دانشجویان مهندسی عمران و دواطلبان کنکور کارشناسی ارشد تهیه کرده است. لینک زیر، جزئیات این فرادرس را نمایش می‌دهد:

خاکریزی چیست ؟

«خاکریزی» (Backfilling)، از دیگر فعالیت‌های مهم در عملیات خاکی پروژه‌های عمرانی و معدنی است. در این عملیات، از خاک برداشت شده طی خاکبرداری یا مصالح جایگزین دیگر برای پر کردن نواحی مختلف زمین استفاده می‌شود. هدف از اجرای خاکریزی، تامین پایداری مناسب (فونداسیون، شیب، خاکریز) برای نگهداری از سازه است. مصالح جانمایی شده در حین خاکریزی، علاوه بر محفاظت از فونداسیون، بخشی از زیرسازی دال بتنی، جاده، پیاده‌رو و دیگر سازه‌های مهندسی را تشکیل می‌دهند. استفاده از مصالح برداشت شده از محل یا ترکیب آن‌ها با دیگر مصالح خاکی یا سنگی به الزامات طراحی سازه بستگی دارد. نیاز یا عدم نیاز به اجرای خاکریزی پس از مطالعات زمین شناسی و طراحی‌های اولیه مشخص می‌شود.

خاکریزی فونداسیون
خاکریزی فونداسیون

خاکریزی با مصالح خاکبرداری

در حین عملیات خاکبرداری، مصالح استخراج شده در محلی مناسب برای استفاده مجدد دپو می‌شوند. سپس در مراحل بعدی برای تکمیل فونداسیون، شیب، دیوار حائل یا خاکریز مورد استفاده قرار می‌گیرند. پس از اتمام خاکریزی، در صورت باقی ماندن مصالح، این مواد به بیرون از محدوده پروژه منتقل شده یا برای استفاده در بخش‌های دیگر دپو می‌شوند. توجه داشته باشید که دپو کردن مصالح باید مطابق با جنس و در شرایطی با احتمال هوازدگی کمتر انجام گیرد. به طور کلی، استفاده مجدد از مصالح خاکبرداری به پارامترهایی نظیر شرایط محل اجرای پروژه، نوع خاک و الزامات طراحی بستگی دارد.

خاکریزی با مصالح جایگزین

در صورت مناسب نبودن استفاده مجدد از مصالح خاکبرداری یا وجود محدودیت‌های اجرایی برای این کار، خاکریزی با مصالح جایگزین (مطابق با مشخصات مکانیکی مورد نظر) در اولویت قرار می‌گیرد. البته امکان استفاده از روش های بهسازی خاک نیز در این شرایط وجود دارد.

دسته بندی مصالح خاکریزی

مصالح مورد استفاده برای خاکریزی باید همگن، مطابق با مشخصات ژئومکانیکی مورد نظر و عاری از هرگونه مواد آلی باشند. یکی از وظایف مهندس عمران، بررسی و اطمینان از کیفیت مصالح خاکریزی است. متداول‌ترین مصالح مورد استفاده برای این عملیات عبارت هستند از:

  • خاک درشت دانه: خاک‌های شنی و ماسه‌ای با ابعاد رس تا شن
  • خاک ریز دانه با پلاستیسیته متوسط: رس‌های غیرآلی، لای غیرآلی و ماسه‌های بسیار ریز
  • سنگ: سنگ‌های خرد شده و سخت
  • شیل: مصالح مشابه سنگ با قابلیت خردایش تحت فشار
  • مصالح حاشیه‌ای: خاک‌های ریزدانه با پلاستیسته بالا و رس‌های آماسی
  • مصالح صنعتی: سرباره کوره آهن‌گذاری یا خاکستر بادی

روش خاکریزی

روش خاکریزی در هر پروژه می‌تواند منحصر به فرد باشد. به عنوان مثال، خاکریزی برای اجرای دال روی زمین با خاکریزی ترانشه تفاوت دارد. هر یک از این فعالیت‌ها با توجه به فرآیندهای مشخص شده در طرح‌ها و نقشه‌ها اجرا می‌شوند. به طور کلی، خاکریزی پس از تراکم محل خاکبرداری شده و تمیزکاری محدوده، در لایه‌های مختلف انجام می‌گیرد. نکته مهم در حین تعیین روش خاکریزی و توالی اجرایی آن در مرحله برنامه‌ریزی پروژه، میزان آزادی عمل ماشین آلات ساختمانی برای اجرای خاکریزی در محدوده مورد نظر است. هرچه فضای آزاد در محل پروژه بیشتر باشد، امکان استفاده از ماشین آلات بزرگتر و اجرای خاکریزی در توالی‌های کمتر فراهم می‌شود.

تراکم و تسطیح چیست؟

پس از اتمام خاکریزی، سطح مواد با استفاده از ماشین آلات ساختمانی نظیر غلتک متراکم می‌شود. تراکم مصالح، افزایش چگالی و استحکام سازه را در پی دارد. تسطیح نیز یکی دیگر از فعالیت‌های نهایی در عملیات خاکی است که به منظور اطمینان از هموار بودن سطح بستر یا مناسب بودن شیب فونداسیون، راه، راه آهن و محوطه سازه اجرا می‌شود. تسطیح جاده‌ها معمولا توسط ماشین آلات سنگینی مانند بولدوزر انجام می‌گیرد. فعالیت‌های مرتبط با آماده‌سازی بستر و سطح در عملیات خاکی، با عنوان رگلاژ نیز شناخته می‌شوند.

تسطیح مسیر جاده پس از اتمام عملیات خاکریزی
تسطیح مسیر جاده پس از اتمام عملیات خاکریزی

عملیات خاکی در پروژه های عمرانی

عملیات خاکی، کابرد گسترده‌ای در انواع پروژه‌های عمرانی نظیر راهسازی، ساختمان‌سازی، سدسازی و غیره دارد. در این بخش، برای آشنایی با بیشتر با اهداف اجرای این عملیات، برخی از کاربردهای اصلی آن را معرفی می‌کنیم.

عملیات خاکی در راهسازی

همان‌طور که در ابتدای مقاله نیز اشاره کردیم، عملیات خاکی یکی از مهم‌ترین و اصلی‌ترین فعالیت‌ها در اغلب پروژه‌های راه‌سازی است. در این عملیات، خاک سطحی به همراه گیاهان برداشته شده و تسطیح، شیب‌بندی یا طبقه‌بندی زمین تا عمق مشخص انجام می‌شود. به خاک زیر عمق نهایی، بستر جاده می‌گویند. نکته مهم پیش از اجرای عملیات خاکی، اطمینان از استحکام کافی بستر است. اکثر پروژه‌های راه‌سازی، شامل عملیات خاکبرداری و خاکریزی می‌شوند.

عملیات خاکی در راهسازی
عملیات خاکی در راهسازی

با توجه به کیفیت خاک لایه‌های زیرین، امکان برداشت یا پایدارسازی آن‌ها وجود دارد. در صورت غیر اقتصادی بودن خاکبرداری لایه‌های زیرین و احتمال تحکیم آن‌ها، زوش‌های زهکشی (مانند اجرای ستون شنی) مورد استفاده قرار می‌گیرند. زهکشی خاک با کاهش سطح آب زیرزمینی و فشار آب منفذی، پایداری سازه را افزایش می‌دهد.

عملیات خاکی در ساختمان سازی

خاکبرداری و خاکریزی، از فعالیت‌های ثابت در بسیاری از پروژه‌های ساختمان سازی، مخصوصا ساختمان‌های مسکونی و تجاری بزرگ هستند. این عملیات به منظور فراهم کردن بستر مناسب برای اجرای فونداسیون و یا زیرزمین مورد استفاده قرار می‌گیرد. خاکبرداری در پروژه‌های ساختمانی با عنوان گودبرداری (خاکبرداری عمیق) نیز شناخته می‌شود. هدف اصلی در این عملیات، رسیدن به لایه مقاوم است.

گودبرداری فونداسیون
گودبرداری فونداسیون

مراحل کلی اجرای عملیات خاکی در ساختمان سازی عبارت هستند از:

  • تمیزکاری و آماده‌سازی محوطه (عدم تداخل تاسیسات و خدمات شهری با تجهیزات ساختمانی)
  • پیاده کردن نقشه بر روی زمین یا پیکتاژ
  • خاکبرداری مطابق با شیب ایمن
  • بررسی شرایط زمین و اجرای سازه نگهبان مناسب
  • خاکریزی پس از اجرای فونداسیون
  • تراکم مواد پر شده

عملیات خاکی در سدسازی

اجرای عملیات خاکی در سدسازی نیازمند مهارت بسیار بالا در طراحی، اجرا و نگهداری است. مانند هر سازه عمرانی دیگر، فونداسیون سد نیز به همراه عملیات خاکبرداری و خاکریزی اجرا می‌شود. البته این عملیات در ساخت سدهای خاکریزی اهیمت بیشتری دارد؛ چراکه ساخت سدهای خاکریزی با جانمایی و تراکم لایه‌های مختلف خاک، ماسه، رس و سنگ انجام می‌گیرد.

فعالیت‌های مختلف برای اجرای سدهای خاکریزی
فعالیت‌های مختلف برای اجرای سدهای خاکریزی

عملیات خاکی یکی از روش های بهسازی خاک و آماده‌سازی زمین برای اجرای سازه‌های مهندسی است. این عملیات اهمیت بسیار زیادی در روند اجرای پروژه‌های عمرانی دارد. از این‌رو، آشنایی با دیگر روش‌های بهسازی خاک می‌تواند امکان تشخیص بهترین حالت برای اجرای عملیات خاکی فراهم کند. به این منظور، فرادرس، یک آموزش جامع و کاربردی را تهیه کرده است. برای مشاهده جزئیات این فرادرس بر روی عنوان آن کلیک کنید.

تجهیزات و ماشین آلات عملیات خاکی چه هستند؟

تجهیزات مورد استفاده برای عملیات خاکی، مجموعه‌ای از ماشین آلات سنگین هستند که به منظور جابجایی خاک در احجام زیاد، حفر فونداسیون برای محوطه‌سازی و فعالیت‌های عمرانی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. تجهیزات عملیات خاکی با عناوین دیگری نظیر ماشین آلات ساختمانی، ماشین آلات عمرانی، ماشین آلات راه‌سازی، ماشین آلات کارگاهی و ماشین آلات سنگین نیز شناخته می‌شوند.

انواع ماشین آلات عملیات خاکی کدام هستند؟

از پرکاربردترین انواع ماشین آلان عملیات خاکی می‌توان به گریدر، غلتک، دامپ تراک، بولدوزر، لودر، بیل مکانیکی و اسکریپر اشاره کرد. در ادامه، به معرفی خلاصه‌ای از کاربردها و عملکردهای این ماشین آلات می‌پردازیم.

بیل مکانیکی چیست؟

«بیل مکانیکی» (Excavator)، از پرکاربردترین ماشین آلات سنگین مورد استفاده برای خاکبرداری است که به منظور برداشت (کندن) و یا جابجایی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماشین از یک کابین (محل استقرار اپراتور)، چرخ لاستیکی یا زنجیری، بازو و صندوقه تشکیل می‌شود. بیل مکانیکی از قابلیت چرخ 360 درجه و انعطاف‌پذیری بالای بازو بهره می‌برد. این ماشین، دید بسیار مناسبی را برای اپراتور فراهم می‌کند.

بیل مکانیکی

بیل کششی، بیل هیدرولیکی و بیل منقاری، از انواع متداول بیل‌های مورد استفاده در عملیات خاکی هستند. از کاربردهای این ماشین آلات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • جابجایی مصالح
  • حفر ترانشه، چاه و فونداسیون
  • برش (با نصب تجهیزات هیدرولیکی مخصوص)
  • تخریب
  • آماده‌سازی موقت سطح
  • برداشتن اجسام سنگین و نصب لوله
  • معدنکاری
  • لایروبی رود

بیل مکانیکی مورد استفاده برای بارگیری دامپ تراک در معادن با عنوان «شاول» (Shovel) شناخته می‌شود.

لودر چیست؟

«لودر» (Loader) نیز یکی دیگر از شناخته‌شده‌ترین و متداول‌ترین ماشین آلات راه‌سازی و ساختمان‌سازی است. این ماشین در انواع مختلف با اندازه‌های متفاوت به منظور جابجایی خاک، تراکم، خاکریزی حفریات، خاکبرداری (نوع بکهو) و فعالیت‌های متعدد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لودر بکهو
لودر بکهو

بولدوزر چیست؟

«بولدوزر» (Bulldozer)، به عنوان یکی از قوی‌ترین و قابل اطمینان‌ترین ماشین آلات سنگین در پروژه‌های عمرانی شناخته می‌شود. این ماشین، به منظور جابجایی خاک در مسافت‌های زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیستون‌های پشت تیغه‌های بزرگ و صاف جلوی بولدوزر، امکان تغییر زاویه و عمق نفوذ در خاک را محدود می‌کنند. وزن قابل توجه این ماشین، باعث خردایش آسان تخت سنگ‌های موجود در مسیر می‌شود. به طور کلی، بولدرزها با توجه به ابعادشان، برای هل دادن تپه‌های خاکی و آماده‌سازی سطح کاربرد دارند.

بولدوزر
بولدوزر

آشنایی با انواع ماشین آلات ساختمانی و کاربردهای آن‌ها، یک مهندس عمران خوب را از دیگر مهندسان متمایز می‌کند. انتخاب صحیح و بهره برداری بهینه از این ماشین آلات، هزینه‌های پروژه را کاهش داده و سرعت عملیات اجرایی را افزایش می‌دهد. به این منظور، فرادرس، یک آموزش جامع و کاربردی را برای دانشجویان و مهندسان تهیه کرده است. برای مشاهده ماشین آلات معرفی شده در این فرادرس، بر روی عنوان آن کلیک کنید:

گریدر چیست؟

«گریدر» (Grader)، ماشینی است که به منظور ایجاد سطح نسبتا صاف و جابجایی خاک در احجام کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماشین آلات سنگین، دارای تیغه‌های بلند و قابل تنظیم هستند. گریدرها در برخی از موارد برای معدنکاری زیرزمینی نیز به کار برده می‌شوند. این ماشین در آماده‌سازی سطح خاک، جاده‌های شنی و زیر سازی (سنگدانه‌های درشت) پیش از آسفالت‌ریزی کاربرد دارد. از گریدر برای ایجاد سطوح شیب‌دار یا خندق‌‌های زهکشی با مقطع V شکل نیز می‌توان استفاده کرد.

گریدر
گریدر

اسکریپر چیست؟

«اسکریپر» (Scraper)، ماشینی است که به منظور جابجایی سریع خاک و سنگدانه در اطراف محل اجرای پروژه مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته کاربرد اصلی اسکریپر، حفر و تراز کردن نواحی بزرگ است. این ماشین آلات سنگین و بزرگ، برای کار در نواحی باز و اجرای سریع عملیات خاکبرداری و خاکریزی طراحی شده‌اند. اسکریپرها بر اساس ابعاد و نحوه جابجایی به دو نوع موتوری و کششی تقسیم‌بندی می‌شوند.

اسکریپر
اسکریپر

دامپ تراک چیست؟

«دامپ تراک» (Dump Truck)، کامیون بسیار بزرگی است که تقریبا در تمام پروژه‌های عمرانی بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. با وجود عملکرد محدود این ماشین آلات، بخش عمده جابجایی و تخلیه انواع مواد سنگین بر عهده دامپ تراک است. این ماشین آلات سنگین دارای ابعاد مختلف با ظرفیت‌های باربری متنوع و قابلیت طی مسافت‌های طولانی هستند. همین موضوع، آن‌ها را به پایه ثابت پروژه‌های عمرانی و معدنی تبدیل می‌کند. کابرد دامپ تراک بیشتر در پروژه‌های راهسازی و معدنی است. برای پروژه‌های کوچک‌تر با حجم خاکبرداری کم‌تر از کامیون‌های معمولی استفاده می‌شود.

دامپ تراک
دامپ تراک

غلتک چیست؟

«غلتک» (Roller یا Compactor)، دستگاهی است که به منظور کاهش حجم خاک با استفاده از تراکم آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. غلتک‌ها از مکانیزم‌های مختلفی نظیر ارتعاش، ضربه، چرخش و فشار مستقیم برای صاف و متراکم کردن سطح زمین استفاده می‌کنند.

غلتک راهسازی

تجهیزات دستی عملیات خاکی کدام هستند؟

بیل، کلنگ، دیلم و فرغون از متداول‌ترین ابزارهای دستی برای خاکبرداری و خاکریزی هستند. این تجهیزات در پروژه‌های کوچک با محدودیت به کارگیری تجهیزات سنگین و بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آشنایی با تجهیزات و ماشین آلات ساختمانی و کاربردهای آن‌ها برای هر پروژه، یکی از مهارت های مهندسی عمران است که باعث برنامه ریزی بهتر، بهره‌وری بالا و کاهش هزینه‌های اضافی در حین اجرای سازه‌های عمرانی می‌شود. به منظور آموزش این مهارت به دانشجویان و مهندسان، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است. برای مشاهده جزئیات این فیلم بر روی عنوان آن کلیک کنید:

محاسبه حجم عملیات خاکی چگونه انجام می‌شود؟

روش‌های مختلفی برای محاسبه حجم عملیات خاکی وجود دارند. از متداول‌ترین این روش‌ها می‌توان به روش میانگین، روش بلوک و روش مقطع برداری اشاره کرد. نتیجه روش مقطع برداری دقیق‌تر از دیگر روش‌ها است. در ادامه به معرفی اجمالی اصول هر یک از این موارد و روش‌های کاهش خطاهای موجود در محاسبات می‌پردازیم.

محاسبه حجم عملیات خاکی به روش میانگین گیری

روش میانگین گیری، بهترین گزینه برای محاسبه حجم خاکبرداری در پروژه‌های کوچک (تعیین ارتفاع در هر نقطه گره‌ای) است. در صورت اجرای عملیات خاکبرداری یا خاکریزی (فقط یکی از موارد)، محاسبات این روش بسیار ساده خواهند بود. توجه داشته باشید که در صورت اجرای ترکیبی از عملیات خاکبرداری و خاکریزی، خطای روش میانگین گیری افزایش می‌یابد. دلیل این امر، به وجود آمدن انحراف یا خنثی شدن حجم عملیات طی فرآیند میانگین‌گیری است. به منظور محاسبه حجم عملیات خاکی، مساحت پروفیل عرضی در دو مقطع متوالی محاسبه شده و میانگین آن‌ها تعیین می‌شود. با ضرب میانگین به دست آمده در فاصله بین دو مقطع، حجم عملیات به دست می‌آید.

محاسبه حجم عملیات خاکی به روش بلوک

روش بلوک، اغلب به منظور محاسبه حجم عملیات خاکی در پروژه‌های ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. دقت این روش از روش میانگین گیری بیشتر اما از روش مقطع برداری کمتر است. در روش بلوک نیز مانند روش میانگین گیری، ترکیب عملیات خاکبرداری و خاکریزی، منجر به افزایش خطای محاسبات می‌شود. البته میزان خطا در این حالت کمتر خواهد بود. به منظور محاسبه حجم عملیات خاکی، به جای محاسبه مساحت کلی، مساحت هر یک از بلوک‌های خاکریزی ویا خاکبرداری محاسبه می‌شود.

محاسبه حجم عملیات خاکی به روش مقطع برداری

محاسبه حجم عملیات خاکی به روش نیمرخ عرضی یا در روش مقطع برداری، گزینه مناسبی برای اغلب پروژه‌های عمرانی بزرگ نظیر راه‌سازی، سدسازی، راه آهن و غیره است. این روش از دقت بالایی بهره می‌برد. البته اجرای محاسبات آن نیز نسبت به روش‌های دیگر دشوارتر است. اولین مرحله، پیدا کردن ناحیه خاکبرداری و خاکریزی برای هر مقطع با استفاده از روش محاسبه سطح خالص یا روش ذوزنقه است. در مرحله بعد، با ضرب میانگین ناحیه به دست آمده برای دو مقطع متوالی در فاصله آن‌ها، حجم عملیات خاکی به دست می‌آید.

محاسبه حجم عملیات خاکی با استفاده از نرم افزار

یکی از روش‌های محاسبه حجم عملیات خاکی، استفاده از نرم افزارهای تخصصی طراحی است. نوع نرم افزار مورد استفاده به روش برداشت نقاط محل بستگی دارد. به عنوان مثال، در صورت استفاده از دوربین‌های نقشه‌برداری، نرم افزار «سیویل تری دی» (Civil 3D) و در صورت بهره‌گیری از روش‌های فتوگرامتری، نرم افزارهایی نظیر ContextCapture Center یا Agisoft PhotoScan برای تعیین حجم خاکبرداری به کار برده می‌شوند. فرادرس، به منظور آموزش نحوه اجرای این محاسبات در نرم افزارهای مذکور، چند فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است. برای مشاهده جزئیات این فرادرس‌ها، بر روی عنوان آن‌ها کلیک کنید:

علاوه بر نرم افزارهای بالا، اتوکد نیز گزینه بسیار مناسبی برای انجام محاسبات حجم عملیات خاکی و دیگر محاسبات حجمی در پروژه‌های مختلف عمرانی است.

خطای محاسبه حجم عملیات خاکی

محاسبه حجم خاکبرداری و خاکریزی همیشه با مقداری خطا همراه است. عوامل دستگاهی، عوامل انسان و عوامل طبیعی در نقشه‌برداری به عنوان منشا اصلی خطای این محاسبات در نظر گرفته می‌شوند. علاوه بر این خطاها، طراحان باید تاثیر عملیات خاکی بر روی احجام خاک را نیز در نظر بگیرند. این احجام عبارت هستند از:

  • حجم مواد درجا
  • حجم مواد سست
  • حجم مواد متراکم

از راه‌حل‌های کاهش خطای محاسبه حجم عملیات خاکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • ترکیب کردن اطلاعات به دست آمده از منابع مختلف و مرتب‌سازی آن‌ها
  • ایجاد مدل سه بعدی برای درک بهتر شرایط پروژه
  • برداشت اطلاعات و ثبت آن‌ها در چندین گزارش ساده
  • استفاده از مدل‌های سه بعدی و به‌روزرسانی آن‌ها برای کنترل پروژه و تشخیص نواحی

محاسبه حجم خاکبرداری و خاکریزی، دقیق نیست. با این وجود، این فرآیند نیازمند دقت بالا برای کاهش خطاهای احتمالی و جلوگیری از صرف هزینه‌های اضافی است.

معرفی فیلم آموزش راه‌سازی (مرور و حل تست)

فیلم آموزش راهسازی

با وجود کاربردهای فراوان عملیات خاکی در پروژه‌های مختلف عمرانی، این عملیات از اهمیت بیشتری در پروژه‌های راه‌سازی برخوردار است. در واقع، عملیات خاکی را می‌توان به عنوان یکی از فعالیت‌های ثابت در راه‌سازی در نظر گرفت. اصول راه‌سازی و عملیات آن در رشته مهندسی عمران، طی درسی با عنوان «راه‌سازی» آموزش داده می‌شود. این درس در کنکور کارشناسی ارشد نیز مورد سوال قرار می‌گیرد. به منظور آشنایی سریع و ساده دانشجویان با درس راه‌سازی و آمادگی داوطلبان کنکور کارشناسی ارشد، فرادرس، یک فیلم آموزشی را به مدت 2 ساعت و 42 دقیقه در قالب پنج درس آماده کرده است.

درس‌های اول تا پنجم این فرادرس، مباحثی نظیر مفاهیم اولیه راه‌سازی، انواع قوس، مسافت دید، شیب عرضی، منحنی‌های اتصال (کلوتوئید) و عملیات خاکی (محاسبه مساحت مقطع عرضی و حجم خاکبرداری) را آموزش می‌دهد.

سخن آخر: منابع و کتاب های عملیات خاکی

فیلم معرفی شده در بخش قبل، نیازهای آموزشی شما برای درک فرآیندهای عملیات خاکی در پروژه‌های راهسازی را برطرف می‌کند. از منابع و کتاب‌های بیشتر در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • کتاب‌های مهندسی عمران | معرفی بهترین کتاب‌ها و منابع مهندسی عمران — راهنمای کامل
  • مشخصات فنی عمومی راه (نشریه 101 سازمان برنامه ریزی و مدیریت بودجه)
  • مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (پی و پی‌سازی)
  • کتاب اصول و مبانی گودبرداری و سازه‌های نگهبان (وزارت مسکن و شهرسازی)
  • مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی‌ و‌ حفاظت‌ کار در حین‌ اجرا)
  • حجم عملیات خاکی (اثر لیدا مهدی زاده، مهدی مسیب زاده)
  • تضمین کیفیت در عملیات خاکی (ترجمه فرخ نوذری)
  • مکانیزاسیون عملیات خاکی (اثر حبیب احمدی)

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

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