بهسازی خاک چیست؟ معرفی و بررسی انواع روش های بهسازی خاک

در این مقاله چه می‌آموزیم؟

• 1. بهسازی خاک
• 2. اهداف بهسازی خاک
• 3. خاک‌های مشکل‌ساز در مهندسی عمران
  • 1.3. خاک های (رمبنده) فروریزشی
  • 2.3. خاک های نرم و شل
  • 3.3. خاک های ریزدانه
  • 4.3. خاک های انبساطی (تورم پذیر)
• 4. روش های بهسازی خاک
  • 1.4. بهسازی خاک به روش تزریق
    • 1.1.4. تزریق تراکمی در خاک
    • 2.1.4. تزریق نفوذی در خاک
    • 3.1.4. تزریق جت در خاک
    • 4.1.4. تزریق شکست هیدرولیکی در خاک
  • 2.4. بهسازی خاک به روش میکروپایل
  • 3.4. بهسازی خاک به روش تراکم سطحی
  • 4.4. بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی
  • 5.4. بهسازی خاک به روش پیش بارگذاری
  • 6.4. بهسازی خاک به روش انفجار
  • 7.4. بهسازی خاک با استفاده از مواد افزودنی
  • 8.4. بهسازی خاک با استفاده از سیستم حرارتی
  • 9.4. بهسازی خاک به روش حفاری و برداشت
  • 10.4. بهسازی خاک به روش شمع گذاری
  • 11.4. بهسازی خاک به روش نیلینگ
• 5. نتیجه گیری

1. بهسازی خاک

امروزه علم ژئوتکنیک با تکیه‌بر تجربیات چند صدساله خود، امکان اجرای بسیاری از پروژه‌های عظیم را فراهم کرده است. که یکی از مهم‌ترین آنها اجرای پروژه های عمرانی بر روی خاک های مشکل‌ساز است. بهسازی خاک روشی نوین جهت ایجاد بستری مناسب برای اجرای پروژه است.

ارتقای شرایط ژئوتکنیکی خاک متناسب با شرایط پروژه مورد نظر و به صورت کنترل شده، جهت احداث یک سازه را بهسازی خاک می نامند. بهسازی خاک سبب بهبود شرایط ژئوتکنیکی خاک، متناسب با نوع پروژه، کاهش هزینه و زمان اجرا و افزایش طول عمر بهره‌برداری میگردد.

2. اهداف بهسازی خاک

هدف بهسازی خاک، به کارگیری ترکیبی از روش های مختلف، جهت بهبود خواص خاک می باشد. این خواص مطابق نموگرام زیر می باشند:

3. خاک‌های مشکل‌ساز در مهندسی عمران

خاکهای موجود در طبیعت بسیار متنوع بوده و هر یک از آنها در کاربردهای مهندسی رفتار متفاوتی را از خود نشان میدهند. مثلاً منشأ پیدایش یک خاک و نحوه تشکیل شدن آن تأثیر بسزایی بر ویژگی های آن میگذارد که ممکن است برای کارهای مهندسی مطلوب نباشد. بدین ترتیب برخی از خاک ها ممکن است برای اهداف مهندسی عمران مشکل ساز باشند که در ادامه به تفصیل آنها را شرح داده ایم:

1.3. خاک های رمبنده (فروریزشی)

در طبیعت خاک هایی وجود دارند که تحت تنش، با افزایش رطوبت، میزان کاهش حجم زیادی از خود نشان میدهند. این خاکها به خاک های رمبنده معروف‌اند. این نوع خاک ها، دارای پیوند بین ذرات ضعیف بوده و سست می باشند. هنگام قرار گرفتن تحت شرایط بارگذاری همراه با اشباع شدن و ارتعاش، پیوند بین ذرات آنها ازبین رفته و دچار نشست میشوند. خاک های رمبنده تا زمانی که در رطوبت آنها تغییر ایجاد نشود، مشکل زیادی در پی نخواهند داشت. همچنین این نوع خاک ها بادرفت بوده و در محدوده دانه‌بندی لای قرار میگیرد.

برای تثبیت این نوع خاک روش های گوناگونی ازجمله جلوگیری از مرطوب شدن، تراکم خاک، جایگزینی مصالح، استفاده از پی های عمیق، تثبیت با مصالح درشت‌دانه و مواد افزودنی دیگر با توجه به شرایط پروژه میتوان در پیش گرفت.

2.3. خاک های نرم و شل

از ویژگی های این نوع از خاک ها، مقاومت کم، ناپایداری حجمی، رطوبت زیاد و تحکیم عادی یافته است. برای نمونه خاک هایی مانند ماسه، لایه ای شل و رس های نرم با رطوبت بالا را میتوان نام برد. همچنین روان گرایی ماسه و لای ها را میتوان جزو این دسته به‌حساب آورد.

3.3. خاک های ریزدانه

در حاشیه مناطق شهری نیز ممکن است پروژه های عمرانی اجرا شود. به‌طور مثال ممکن است زمین هایی مورد استفاده قرار گیرند که قبلاً مکانی برای دفن زباله‌های مختلف مانند زباله‌های حفاری، ضایعات ساختمانی زباله‌های دیگر باشند. مهمترین مشکل این زمین ها، انباشتن مصالح بدون درنظرگرفتن تمهیداتی جهت تجزیه و تحکیم زباله‌هاست. ساخت‌وساز روی این نوع بستر، مشکلاتی نظیر ضعف باربری، تغییرات حجم و ناپایداری داخلی پس از بارگذاری را در پی خواهد داشت.

4.3. خاک های انبساطی (تورم پذیر)

خاک های انبساطی مقادیر زیادی از کانی مونت موریلونیت را در خود داشته و شامل خاک های ریزدانه رسی میشوند. رس ها معمولاً اندازه کلوئیدی داشته و سطح مخصوص آنها بسیار زیاد است؛ و میتوانند مقدار زیادی آب را در خود جذب کنند. درنتیجه، این نوع خاک با جذب آب، دچار تورم و انبساط شده و با از دست دادن آب منقبض میشود. این خاکها در صورت تورم، سبب ترک خوردن فونداسیون سازه میشوند. زمین های دارای خاک منبسط شونده معمولاً دارای ترک هستند.

شکل 2 نمونه خاک منبسط شونده

❓ خاک ایده آل ازنظر مهندسی عمران چه نوع خاکی است؟

از دیدگاه مهندسی عمران خاک ایده آل باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:

• خاک مقاومت برشی و ظرفیت باربری مناسبی داشته باشد.
• خاک در مقابل بارهای سازه نشست‌های ناچیزی داشته باشد.
• تغییرات حجمی انبساطی و انقباضی خاک در حد معقولی باشد که مشکلی برای سازه ایجاد نکند.
• محل موردنظر جهت اجرای پروژه مشکل خاصی نداشته باشد. به‌طور مثال، اگر سطح آب زیرزمینی بالا باشد، مشکلات زیادی به دنبال دارد.

4. روش های بهسازی خاک

از کاربردی ترین روش های بهسازی خاک، میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1.4. بهسازی خاک به روش تزریق

بهسازی خاک به روش تزریق جهت افزایش ظرفیت باربری خاک، افزایش مقاومت بارگذاری جانبی شمع ها، جلوگیری از نشت آب و نشست در سازه به کار میرود. در این روش، ابتدا چاله هایی به فواصل معین حفر کرده، سپس درون چاله ها را با دوغاب همراه با فشار و سرعت‌بالا پر میکنند. این روش، پرهزینه بوده و در مواقع خاص به کار میرود. روش های تزریق در خاک خود به چهار دسته تقسیم میشوند:

1.1.4. تزریق تراکمی در خاک

در این روش، دوغاب را با ویسکوزیته و فشار زیاد و طی مراحل متعدد، تزریق کرده، درنتیجه حباب هایی در دوغاب به وجود می آید که باعث جابه‌جایی خاک و متراکم شدن آن میشود. این روش، برای محیط های کارستی، خاک های بسیار سست و فروریزشی ماسه ای و ریزدانه کاربرد دارد.

نکته: کارست (Karst) پدیده خوردگی و انحلال توده سنگ های کربناته از قبیل آهک، سنگ گچ و دولومیت است.

2.1.4. تزریق نفوذی در خاک

این نوع تزریق، از قدیمیترین روش تزریق در خاک بوده که باهدف کاهش نفوذپذیری، کنترل جریان آب زیرزمینی، ایجادِ توده ای منسجم و افزایش مقاومت خاک صورت میگیرد. در این روش، درزها و شکاف ها در سنگ و فضاهای خالی در خاک ها با دوغاب با حداقل فشار و بدون برهم زدن ساختار خاک یا سنگ پر میکنند. تزریق نفوذی از دیگر روش های تزریق گرانتر بوده و معمولاً در خاک هایی که مستلزم افزایش چسبندگی باشد و یا در برخی خاک های درشت‌دانه کاربرد دارد.

3.1.4. تزریق جت در خاک

در این روش، پس از حفاری تا عمق موردنظر، توسط جت‌های تعبیه‌شده در انتهای سیستم حفاری، آب و یا دوغاب را با فشار زیاد وارد خاک میکنند؛ که هم‌زمان با چرخش جت و بالا آمدن آن، ستونی از خاک اصلاح‌شده ایجاد میگردد.

4.1.4. تزریق شکست هیدرولیکی در خاک

این روش، با هدف متراکم کردن و سخت کردن زمین و دسترسی به حفرات غیرقابل‌دسترس انجام می شود. هنگامی‌ که فشار تزریق، بزرگ‌تر از مقاومت کششی خاک یا سنگ باشد، سبب شکست هیدرولیکی، گسیختگی و ایجاد ترک شده و دوغاب سریعاً داخل محل ترک‌خورده نفوذ خواهد کرد؛ و زمانی میتوان از این روش استفاده کرد که برهم زدن ساختار خاک و ایجاد جابه‌جایی تحت‌فشار تزریق در سطح زمین مشکل ایجاد نکند.

❓ در بهسازی به روش تزریق، مواد تزریقی از چه نوعی هستند؟

به‌طور معمول برای تزریق در شن و ماسه، از دوغاب سیمان پرتلند، کانی رس و رزین‌ها استفاده می‌کنند؛ اما به‌طورکلی انتخاب نوع ماده تزریقی و غلظت آن به عواملی مانند اقتصاد، عمق عملیاتی پروژه و نوع خاک بستگی دارد.

2.4. بهسازی خاک به روش میکروپایل

بهسازی خاک با استفاده از میکروپایل ها از پیشرفته‌ترین روش های بهسازی بوده که با نام روش ریزشمع نیز معروف است. در این روش، میکروپایل به‌عنوان یک عضو باربر اضافه‌شده و علاوه برافزایش مقاومت خاک، با تزریق دوغاب سیمان خصوصیات مکانیکی خاک را اصلاح میکند. میکروپایل دارای قطر کوچکی کمتر از 30 سانتی‌متر بوده که جهت انتقال بارهای استاتیکی و دینامیکی به لایه‌های زیرین خاک به کار میرود.

شکل 5 بهسازی خاک به روش میکروپایل

نموگرام 6 مزایای بهسازی خاک به روش میکروپایل

3.4. بهسازی خاک به روش تراکم سطحی

بهسازی خاک به روش تراکم سطحی به این صورت است که ابتدا لایه‌ها در ضخامت خود ریخته شده و تحت رطوبت بهینه قرار میگیرند. سپس با توجه به جنس خاک، در لایه‌های سطحی، با وزن و ارتعاش غلتک‌های مختلف، متراکم میشود. از مزایای این روش، میتوان افزایش باربری خاک، کاهش زیاد تخلخل، افزایش وزن مخصوص و دیگر پارامترها و خواص خاک را نام برد.

4.4. بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی

در این روش، وزنه‌های سنگین حدود 1 تا 100 تن را جهت تراکم خاک به حالت سقوط آزاد از ارتفاع 10 تا 40 متری رها میکنند؛ که با توجه به وزن وزنه و ارتفاع سقوط آن، شدت و قدرت تراکم را کنترل میکنند؛ به این صورت که هر چه وزن و ارتفاع سقوط وزنه بیشتر باشد، نیروی تراکم بیشتر بوده و حتی میتوان نیروی زلزله را با آن شبیه‌سازی کرد. برای این کار ابتدا زمین را تقسیم‌بندی کرده و هر محل را به‌طورمعمول در سه مرحله متراکم میکنند.

بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی روش مناسبی جهت متراکم کردن خاک های دستی، زباله‌ها، ماسه‌های سست، خاک‌ریزهای سنگی، ضایعات ساختمانی و خاک‌های آهکی و متخلخل است. البته از محدودیت‌های این روش میتوان به عدم قابلیت اجرا در خاک های ریزدانه و زمین‌های نزدیک به تأسیسات و ایجاد سروصدا و گردوغبار در محیط‌های مسکونی نام برد. از مزایای این روش از بهسازی خاک می‌توان به افزایش ظرفیت باربری خاک، کاهش نشست‌های ناخواسته، پایداری شیروانی‌ها و افزایش تراکم و کاهش حفره‌ها اشاره نمود.

نموگرام 7 مزایا و معایب تراکم دینامیکی

شکل 8 بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی

5.4. بهسازی خاک به روش پیش بارگذاری

پیش بارگذاری، به‌منظور پیش فشرده نمودن بستر به کمک خاک‌ریزی، پایین بردن سطح آب زیرزمینی از طریق زهکشی، مکش و با اعمال فشاری بزرگ‌تر و شدیدتر از فشاری که فونداسیون سازه قرار است به خاک وارد کند، همراه است. درواقع استفاده از روش پیشبارگذاری، بایستی بر اساس مقدار باری باشد که سازه قرار است به بستر منتقل کند. از مزایای این روش، میتوان بهبود مقاومت برشی خاک، افزایش وزن مخصوص، کاهش تخلخل و رطوبت، کاهش نشست و عدم ایجاد سروصدا را نام برد؛ و از معایب آن میتوان به طولانی شدن زمان بهسازی، غیراقتصادی شدن خاک‌برداری و حمل مصالح به‌جای دیگر اشاره کرد.

نموگرام 8 معایب و مزایای روش پیش بارگذاری

6.4. بهسازی خاک به روش انفجار

تراکم انفجاری خاک با جایگذاری مواد منفجره در اعماق مختلف و منفجر کردن آنها صورت میگیرد. این بار ناگهانی سبب شکستن پیوند ناشی از چسبندگی بین دانه‌های خاک گردیده و دانه‌های خاک به هم نزدیک و متراکم میگردند.

❓ روش انفجار جهت بهسازی خاک در چه مواردی مورداستفاده قرار میگیرد؟

روش تراکم انفجاری معمولاً در موارد زیر مورد استفاده قرار میگیرد:

• جهت کاهش پتانسیل روانگرایی مصالح
• جهت کاهش پتانسیل نشست زمین در اثر ارتعاشات زلزله
• افزایش ظرفیت باربری فونداسیون

7.4. بهسازی خاک با استفاده از مواد افزودنی

این روش از قدیمی ترین روش‌های بهسازی خاک است؛ و مهم‌ترین هدف این روش، بهبود یا کنترل پایداری حجمی و مقاومت خاک بستر است. معمولاً در این روش از مواد غیرآلی مانند آهک و سیمان و موادآلی مانند رزین ها، پلی‌استرها و قیر به‌عنوان مواد افزودنی استفاده میشوند.

8.4. بهسازی خاک با استفاده از سیستم حرارتی

روش‌های حرارتی از قبیل سرمایی و گرمایی میتوانند جهت تثبیت خاک مورداستفاده قرار بگیرند. به‌عنوان‌مثال اگر خاک های ریزدانه تا 100 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شوند، خشک‌شده و مقاومتشان افزایش می یابد. البته باید افزایش رطوبت نداشته باشند. به‌طورکلی حرارت دادن خاک از 6000 تا 10000 درجه سانتی‌گراد باعث بهبود دائمی خواص خاک میشود.

از ویژگی‌ها و مزایایی که با این روش به خاک داده میشود، میتوان به کاهش حساسیت نسبت به آب، کاهش تورم و تراکم‌پذیری با افزایش مقاومت خاک اشاره کرد. نیاز به انرژی زیاد برای ایجاد حرارت از محدودیت‌های استفاده از این روش است.

تأمین انرژی حرارتی به دو روش زیر صورت میگیرد:

• روش اول: در این روش ابتدا گمانه‌هایی در زمین قرار داده‌شده و یک مشعل در بالای گمانه میگذارند. هوای فشرده و مواد سوختنی به داخل گمانه تزریق‌شده و در یک‌لحظه چند گمانه که به یک دستگاه متصل شده اند، آتش زده می شوند. این روش احتراقی نامیده میشود.
• روش دوم: در این روش گرم‌کننده‌های الکتریکی داخل گمانه قرار داده‌شده و حرارت 500 الی 1200 درجه سانتی‌گراد را ایجاد میکنند.

9.4. بهسازی خاک به روش حفاری و برداشت

درصورتی‌که در پروژه‌های عمرانی خاک بستر پارامترهای مقاومتی موردنیاز را نداشته باشد و شرایط پروژه به‌گونه‌ای باشد که نتوانیم جز خاک بستر، راه دیگری را انتخاب کنیم، به‌ناچار باید خاک را بسته به شرایط پروژه تا عمق موردنظر با خاک مناسب جایگزین کنیم. جهت انجام این روش، ابتدا خاک پروژه را باید به‌جای دیگری که مشکل زیست‌محیطی ایجاد نکند، با رعایت مقررات، دپو کنیم و خاک مناسب را جایگزین کنیم.

❓ عمق مناسب جهت حفاری چقدر است؟

به طور تجربی، معمولا عمق متوسط اصلاح 5 متر است؛ که بسته به شرایط پروژه میتواند تغییر کند.

10.4. بهسازی خاک به روش شمع گذاری

در هنگامی‌که با کمبود ظرفیت باربری خاک مواجه باشیم، باید نیرو را به سطوح پایین‌تر خاک انتقال دهیم؛ زیرا در سطوح زیرین، تراکم و اصطکاک بیشتر باعث میشود که مقاومت خاک بیشتر باشد. در این موارد روش شمع گذاری در خاک پیشنهاد میشود؛ زیرا شمع گذاری بار ناشی از سازه را به خاک زیرین مقاوم‌تر منتقل میکند.

انواع روش های شمع گذاری عبارت‌اند از:

• شمع درجا: شمع درجا از جنس بتن بوده و بدون تغییر مکان است. در این روش شمع گذاری ابتدا حفاری صورت گرفته و سپس بتن‌ریزی میشود.
• شمع پیش‌ساخته: معمولاً به‌صورت مربعی بوده و اغلب دارای میلگردهایی جهت مقاوم نمودن شمع در مقابل خمش و افزایش مقاومت فشاری هستند.

شکل 11 اجرای شمع بتنی پیش ساخته

11.4. بهسازی خاک به روش نیلینگ

نیلینگ همان میخ‌کوبی در جدار دیوار است؛ که یکی از پرکاربردترین روش بهسازی خاک در محیط شهری است. روش نیلینگ یک مقطع مسلح پایدار به‌وسیله نصب میلگرد فولادی ایجاد میکند که میتواند خاک پشت خود را نگه دارد. برای اجرای این روش ابتدا خاک‌برداری صورت گرفته، در ادامه حفره‌هایی جهت نصب میخ‌ها ایجادشده و سپس میخ‌ها نصب میشوند. در مرحله بعد دوغ ابریزی و اجرای پوسته موقت صورت میگیرد؛ و سپس سطح خاک‌برداری شده تراز میگردد و یک‌لایه پوسته دائمی و نهایی اجرا میگردد.

این روش مزایا و معایبی دارد که از مزایای آن میتوان افزایش ظرفیت باربری خاک، کاهش تغییر شکل، پایدارسازی شیب ها و ترانشه ها و شیروانی‌ها، امکان اصلاح طرح در طی اجرا، هم‌زمانی عملیات خاک‌برداری و پایدارسازی را نام برد. از معایب این روش میتوان به نیاز به نیروی کار متخصص، ایجاد آلودگی صوتی و نیاز به تجهیزات ویژه حفاری اشاره کرد.

شکل 12 بهسازی خاک به روش نیلینگ

❓ با توجه به تعداد روش هایی که گفته شد، به‌طورکلی چه عواملی در انتخاب روش مناسب جهت بهسازی خاک مؤثر است؟

عواملی مانند نوع و میزان بهسازی موردنظر، نوع خاک و ساختار زمین‌شناسی و شرایط تراوش آب، هزینه ها، دسترسی به تجهیزات و مصالح، مدت‌زمان موجود، آسیب احتمالی به سازه های مجاور، دوام مصالح، آلودگی منابع آب زیرزمینی، خورندگی افزودنی‌های شیمیایی، اطمینان از روش های تحلیل و طراحی و سادگی کنترل عملیات در انتخاب روش مناسب بهسازی نقش دارند.

نتیجه‌گیری

طبق مطالبی که بیان شد، درمی‌یابیم که بهسازی خاک در ساختمان‌سازی بسیار مهم بوده و توجه به کیفیت خاک بستر بسیار ضروری است. چراکه اگر خاک بستر ویژگی‌های یک خاک ایده آل را دارا نباشد، خسارات جبران‌ناپذیری را به سازه وارد میکند. مهندسی عمران امروزه در ساخت بسیاری از پروژه‌های عمرانی با مشکلات ژئوتکنیکی بسیاری مواجه میشود؛ که برای حل این مشکلات توصیه بر این است که با اولویت‌بندی ازنظر زمانی، اقتصادی، کاربردی و امکان‌پذیری از میان روش‌های بهسازی خاک، یکی را برای پروژه خود انتخاب کنند.

منابع

1. ایستاسازه
2. عمران مدرن
3. پایگاه اطلاعات علمی جهاد دانشگاهی
4. فراعمران
5. عمران سافت
6. farsazgroup.com
7. etodco.ir
8. omrangostarco.com
9. 4afzir.com