فرادرسبهسازی 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.
