بهسازی خاک به روش اجرای ستون های شنی

به دلیل رشد روز افزون ارزش زمین و لزوم احداث سازه ها در مناطق ساحلی روند استفاده از روشهایی به منظور بهسازی مقاومت و سختی خاک که زمانی مقرون به صرفه نبود اکنون قابل توجیه میباشد. گران بودن اجرای فنداسیون های متداول و محدودیت های متعدد زیست محیطی بهسازی در جای خاک های مسئله دار را به شدت قابل توجیه می کند. به منظور انتخاب روشی بهینه در بهسازی خاک های مسئله دار روشهای نوینی توسط پیمانکار ان بهسازی خاک مورد استفاده قرار می گیرد. برخی از این روش ها توسط پیمانکار ان بهسازی خاک هم اکنون قابل استفاده می باشد اما برخی دیگر نیازمند مطالعات بیشتر می باشد.

بهر حال امروزه نیاز مشهودی به بهسازی خاک های مسئله دار توسط روش هایی که کارایی آنها اثبات شده است، از لحاظ زیست محیطی تایید شده اند و از نظر اقتصادی بهینه تلقی میشوند نسبت به اجرای فنداسیون های معمول وجود دارد. پیمانکاران بهسازی خاک در برآوردن این نیاز نقش مهمی را ایفا خواهند کرد.

روش های پیشین بهسازی خاک همچون ایجاد خاکریزهای عظیم خاکی به منظور ایجاد پیش تحکیم یافتگی و زهکشی خاک و یا جابجایی خاک به دلایل ایجاد اثرات سوء زیست محیطی و هزینه های اجرایی بالا دیگر قابل پذیرش از سوی کارفرمایان و پیمانکار ان بهسازی خاک نیستند. طبق تجارب عملی پیمانکاران بهسازی خاک، تحکیم خاک و افزایش پارامتر های مقاومتی و سختی خاک از طریق اجرای ستون شنی نتایج بهینه ای نسبت به سایر روش ها خواهد داشت. اجرای ستون های شنی در بهبود شرایط مهندسی خاک هایی چون رس های نرم، سیلت و ماسه های سیلتی نتایج قابل قبولی خواهد داشت.ظاهرا اجرای روش ستون شنی در سال 1830 توسط یک پیمانکار بهسازی خاک فرانسوی بر روی خاک محلی اجرا شده است. در ایالات متحده آمریکا در سال 1970 روش اجرای ستون شنی بطور محدود مورد استفاده قرار میگیرد. بهر حال روش اجرای ستون شنی در اروپا پس از سال 1950 بطور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

اجرای ستون شنی به منظور بهسازی خاک، پیمانکار بهسازی خاک و اجرای ستون شنی

اجرای ستون شنی به منظور بهسازی و یا تحکیم خاک شامل جابجایی بخشی از لایه های فوقانی خاک های مسئله دار با یک ستون قائم متراکم شنی است که بایستی در لایه های ضعیف اطراف ستون شنی به خوبی نفوذ کرده باشد. وقتی از فشار آب در روند اجرای ستون شنی به منظور بهسازی و یا تحکیم خاک استفاده میشود این پروسه اجرای ستون شنی با روش جایگزینی ارتعاشی ( Vibro Replacement or wet process ) یا اجرای تر ستون شنی نامیده میشود. اما زمانی که اجرای ستون شنی در خاک هایی نیمه اشباع مانند توده خرده سنگی قدیمی باشد روند بهسازی خاک بدون فشار آب و به نام اجرای ستون شنی به روش خشک یا ارتعاشی جابجایی نامیده میشود. امروزه بهسازی خاک با روش تر عمدتا در ایالات متحده آمریکا انجام میشود، گرچه هر دوروش اجرای ستون شنی چه خشک و چه تر در در اروپا و کانادا انجام میشود. این روشهای اجرای ستون شنی به منظور بهسازی و تحکیم خاک عمدتا از اواخر سال 1950 در خاکهای حاشیه ساحلی به انجام میرسد.

در بهسازی خاک به روش ستون شنی خاک توسط استوانه ای مرتعش متراکم میشود به گونه ای که در لایه های خاک مسئله دار اطراف نیز نفوذ کند. این استوانه های مرتعش که بعدها به منظور بهسازی خاک استفاده شد در ابتدا در سال 1935 به منظور تراکم خاکهای غیر چسبنده و دانه ای مورد استفاده قرار میگرفت. گرچه که هر پیمانکار اجرای ستون شنی استوانه مرتعش را با عبارتی نامگذاری میکند اما آنها  را عموما وایبرو فلوت، Vibroflot یا پوکرPoker مینامند. چرخش خارج از مرکز وزنه هایی در داخل بدنه استوانه ای که توسط موتورهای هیدرولیکی یا برقی میچرخد باعث ایجاد ارتعاش در دماغه استوانه ای دستگاه وایبروفلوت میشود. در بهسازی خاک با استفاده از ستون شنی در روش تر دستگاه وایبروفلوت با ایجاد ارتعاش و فشار آب بالا باعث ایجاد یک حفره و خروج بخشی از خاک مسئله دار به بیرون میشود. اما در بهسازی خاک با استفاده از ستون شنی در روش خشک که میتوان از فشار هوا نیز استفاده کرد دستگاه وایبروفلوت همزمان با نفوذ به داخل خاک باعث جابجایی خاک محل به اطراف میشود. در هر دو روش وزن ملحقات و رابط ها و خود دستگاه وایبروفلوت به همراه ایجاد ارتعاش و فشار آب یا هوا باعث نفوذ دستگاه وایبروفلوت به داخل خاک میشود.

استوانه دستگاه وایبروفلوت به منظور تحکیم و بهسازی خاک قطری مابین 30 تا 46 سانتی متر دارد که البته این مسئله به مشخصات ماشین آلات پیمانکار مجری ستون شنی دارد. به دلیل سایش خاک و فشار تراکم معمولا قطر حفره ایجاد شده بیش از قطر استوانه وایبروفلوت است. به منظور اجرای ستون شنی، پس از رسیدن گمانه به عمق مورد نیاز گمانه در لایه های 30 سانتی متر تا یک مترو بیست سانتی متر با شن با دانه بندی مناسب پر می شود و توسط وایبروفلوت متراکم می شود. شن با دانه بندی مناسب از سطح زمین از طریق حلقه ای مابین دستگاه وایبروفلوت و گمانه گشاد شده به انتهای گمانه هدایت میشود. در گمانه هایی که امکان ریزش گمانه وجود ندارد میتوان پیش از اضافه نمودن شن اقدام به خروج وایبروفلوت کرد.در بهسازی خاک به روش ستون شنی پس از هر مرحله اضافه نمودن شن با استفاده از دماغه دستگاه وایبروفلوت فشار مورد نیاز به منظور تراکم شن و نفوذ آن به داخل لایه های سست اطراف فراهم میشود. در بهسازی خاک به روش ستون شنی لایه های شنی در هر مرحله اضافه و متراکم میشود تا رقوم ستون شنی ایجاد شده به سطح خاک طبیعی اطراف گمانه برسد.

مکانیسم اجرای ستون شنی

در روند اجرای ستون های شنی به منظور تحکیم و بهسازی خاک معمولا در حدود 15 تا 35 درصد خاک مسئله دار با شن با دانه بندی ارائه شده در طرح جابجا می شود. نیرویی که برای تحمل هر ستون شنی در طراحی ها در نظر میگیرند مابین 20 تا 50 تن میباشد. حضور ستون شنی باعث بوجود آمدن ترکیبی از مصالح با تراکم پذیری کمتر و مقاومت برشی بالاتر نسبت به خاک موجود در محل به تنهایی میشود. سختی ستون شنی ناشی از احاطه آن توسط خاک اطراف و تنش جانبی همه جانبه وارد بر آن از طرف خاک سست احاطه کننده ستون شنی میباشد. در هنگام وارد آمدن بار های سرباردر سطح زمین، خاک سست و ستون شنی ایجاد شده همراه هم به سمت عمق خاک حرکت میکنند که این مسئله باعث تمرکز تنش بیشتر در ستون شنی میشود. تمرکز تنش بیشتر در ستون شنی در درجه اول به دلیل سخت تر بودن ستون شنی نسبت به خاک اطراف میباشد. نیروی محوری وارد شده بر بالای ستون شنی باعث بوجود آمدن تورم بزرگی در عمقی در حدود 2 تا 3 برابر قطر ستون شنی در زیر سطح طبیعی زمین میشود. این تورم به نوبه خود باعث افزایش تنش در لایه های رسی اطراف ستون شنی میشود که این مسئله نیز باعث افزایش فشار همه جانبه بر ستون شنی میشود. در نهایت مجموعه با کاهش تغییر شکل عمودی به یک تعادل خواهد رسید. در بارگذاری مجموعه ستون های شنی با تورم کمتری در ستون شنی در اعماق اشاره شده مواجه خواهیم شد.

زمانیکه یک خاکریز بر روی زمین نرمی که ستون شنی در آن ایجاد شده است اجرا میشود تغییر شکل های جانبی در زمین زیر خاکریز ایجاد میشود که این مسئله به کاهش فشار همه جانبه بر ستون شنی می انجامد. در سطوح تنش بالاتر این مسئله ممکن است به جابجایی نسبی ( لغزش ) مابین خاک و ستون شنی نیز بیانجامد. این تغییر شکل های نسبی و یا لغزش ممکن است به وقوع نشست های بزرگتر بیانجامد.

استفاده های اجرای ستون شنی در بهسازی خاک

استفاده از روش ستون شنی در بهسازی خاک های مسئله دار و مقاوم سازی و تحکیم خاک ها در موارد زیر از سوی پیمانکار ان بهسازی خاک ها موفق ارزیابی شده است:

1 – بهسازی شرایط مقاومتی شیب های خاکریز های احداث شده و یا شیب های طبیعی زمین با استفاده از روش ستون شنی

2 – افزایش ظرفیت باربری خاک با استفاده از اجرای ستون شنی

3 – کاهش میزان نشست یکسان و یا نشست غیر همسان در پی های احداث شده بر روی خاک های مسئله دار از طریق اجرای ستون شنی

4 – کاهش احتمال وقوع پدیده روانگرایی پس از اجرای ستون شنی در ماسه ها.

5 – کاهش نرخ میزان نشست نسبت به زمان در خاکها پس از اجرای ستون شنی.

ستون شنی عمدتا در بهسازی خاک، افزایش ظرفیت باربری و تقویت شالوده سازه هایی که بر روی خاک های چسبنده خیلی نرم تا سفت و یا ماسه های سست با درصد ریز دانه بالاتر از 15 درصد ساخته میشوند استفاده میشود. در حال حاضر کاربرد ستون شنی در بهسازی خاک توسط پیمانکار بهسازی خاک در ایالات متحده آمریکا عمدتا در بهسازی ماسه های سیلتی کاربرد دارد در حالیکه در سایر کشورها این روش در خاک های چسبنده بیشتر مورد استفاده است.

سوابق کاربرد روش ستون شنی

تا پیش از سال 1982 روش ستون شنی در 21 مورد از پروژه های بهسازی خاک فعال در آمریکا بطور موفق در زمینه های ذیل اجرا شدند:

1 – تقویت بستر خاکریزی در پروژه های راهسازی ، اجرای تقاطع های غیر همسطح و پل ها با استفاده از روش ستون شنی.

2 – بهسازی لایه های خاکی محل احداث امکانات جاده ای مانند استراحت گاه های بین جاده ای و یا کانال های محل عبور تاسیسات با استفاده از روش ستون شنی.

3 - بهسازی خاک محل احداث کتابخانه 7 طبقه، داروخانه 2 طبقه، انبار، تاسیسات کشتی سازی، تاسیسات فاضلاب، پارکینگ و ساختمان های گوناگون اداری با استفاده از روش ستون شنی.

4 – بهسازی خاک محل احداث منابع ذخیره LNG و یا منابع آب با ظرفیت 5 میلیون متر مکعب با استفاده از روش ستون شنی.

5 – بهسازی خاک محل احداث اسکله و یا تاسیسات ریلی با استفاده از روش ستون شنی.

موارد استفاده از روش اجرای ستون شنی در بهسازی خاک ، مقاوم سازی خاک و یا تحکیم خاک در اروپا نسبت به آمریکا و کانادا بیشتر بوده است. در بیش از 40 مورد از پروژه های بهسازی خاک محل اجرای کوله پلها در انگلستان از روش ستون شنی استفاده شده است. در فرانسه روش ستون شنی در مقاوم سازی لایه رسی در پروژه پل سازی مورد استفاده قرار گرفت. در اروپا روش ستون شنی بیشتر در بهسازی خاک شالوده سازه هایی چون انبار، منابع ذخیره و ساختمان ها مورد استفاده قرار گرفت در حالیکه در آمریکا این روش عمدتا در تقویت خاکریزها مورد استفاده قرار میگرفت. اجرای پایه های متراکم شده ماسه ای در بهسازی خاک ها از جهاتی بسیار شبیه روش ستون شنی است. در این روش ماسه توسط یک لوله با انتهای بسته تا عمق مورد نظر مرتعش میشود. به محض خارج کردن لوله از گمانه لایه ماسه ای بعدی ریخته میشود. استفاده از این روش خصوصا در تقویت خاکریز ها بسیار مفید است. در کشور ژاپن از این روش به وفور در پایدارسازی خاکریزها ، شالوده منابع ذخیره مواد و سازه ها استفاده میشود.

کارایی های استفاده از روش ستون شنی در بهسازی خاک پروژه های راهسازی

کارایی های عمده استفاده از روش ستون شنی در بهسازی خاک محل احداث جاده ها و بزرگراهها به قرار زیز است:

1 – استفاده از روش ستون شنی ( یا ستون متراکم شده ماسه ای ) راه حل جایگزین عملی در تقویت خاکریز های جاده ایست آنجایی که روش های متداول به دلیل دغدغه های پایداری قابل اجرا نیستند. کارایی استفاده از روش ستون شنی میتواند شامل اجرای خاکریزهای مرتفع یا متوسط بر روی خاک های نرم و یا خاکریزی، احتمالا تسلیح شده، بر روی شیبها باشد که پایداری آنها قابل تامین نیست. اجرای روش ستون شنی میتواند به دلایل محیطی همچون امکان وقوع زمین لغزش نیز باشد.

در تمام نقاط کشور احتمال تعریف پروژه های تعریض جاده ای و یا ساخت مجدد راهها وجود دارد. بخش عمده این پروژه ها میتواند شامل اضافه نمودن یک یا چند لاین به راه موجود باشد که با افزودن خاکریزهایی بر زمین با خاک نرم چسبنده همراه هست. علاوه بر احتمال نشست های غیر همسان مابین جاده قدیمی و مسیرهای جدیدالاحداث دغدغه پایداری خاکریز ها نیز مطرح است. اتکاء خاکریز بر ستون شنی نسبت به روش های پیشین راه حلی ممکن و مناسب است.