اختلاط عمیق خاک (DSM)

اختلاط عمیق یا DSM) Deep Soil Mixing) یکی از روش‌های بهسازی خاک است که مبتنی بر تزریق مصالح به درون خاک و در نهایت ایجاد ستون‌های خاک-سیمان می‌باشد. روش اختلاط عمیق یا DSM یکی از کاربردی‌ترین روش‌های بهسازی خاک در جهان محسوب می‌شود که عبارت است از اختلاط خاک با مواد آهکی، سیمانی و… که با استفاده از همزن‌هایی در اعماق خاک انجام می‌گیرد و منتج به شکل گیری ستون‌های خاک سیمان می‌شود. استفاده از روش اختلاط عمیق خاک یا DSM منجر به بهبود قابل ملاحظه خواص مکانیکی و فیزیکی خاک محل که با سیمان یا افزودنی‌های دیگر مخلوط شده است می‌گردد. خاک بهسازی شده با روش اختلاط عمیق خاک (DSM) مقاومت بالاتر، نفوذپذیری کمتر و قابلیت تراکم پذیری کمتری از خاک اولیه خواهد داشت.

شرکت مهندسی ابرند با سابقه درخشان در اجرا و طراحی پروژه‌های اختلاط عمیق این توانایی را دارد تا با بهره‌گیری از نیروهای متخصص و متعهد و همچنین ماشین آلات مجهز و تخصصی به عنوان مجری و یا مشاور طرح‌های اختلاط عمیق به کارفرمایان گرامی خدمت رسانی کند.

تاریخچه روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

روش اختلاط عمیق نخستین بار در کشور ژاپن و در محدوده خاک فرودگاه هانه‌دا واقع در شهر توکیو جهت افزایش ظرفیت باربری خاک بکار گرفته شد. در این پروژه از آهک به عنوان ماده افزودنی برای ساخت ستون‌های اختلاط عمیق استفاده شد و تا مدت‌ها آهک به عنوان افزودنی مطلوب پیمانکاران برای پروژه‌های اختلاط عمیق به حساب می‌آمد. پس از شناخت بیشتر مشخصات فیزیکی و شیمیایی سیمان و اثرات آن بر خاک و همچنین در دسترس بودن این ماده و هزینه‌های کمتر تامین، استفاده از سیمان به جای آهک گسترش یافت. در کشورهای اروپایی نیز در اواسط دهه 1970 میلادی استفاده از روش اختلاط عمیق جهت بهسازی خاک آغاز و به مرور زمان رواج پیدا کرد.

آغاز بکار استفاده از روش اختلاط عمیق در کشور آمریکا مربوط به سال 1986 میلادی همزمان با فعالیت پیمانکاران ژاپنی در این کشور بوده است و اولین پروژه بهسازی خاک با این روش مربوط به پروژه سد دریچه جکسون واقع در ایالت وایومینگ می‌شود. پس از آن و رواج استفاده از این روش در کشور آمریکا به عنوان یکی از روش‌های بهسازی خاک، انجمن بزرگراه‌های ایالتی (Federal Highway Administration) در آمریکا در سال ۱۹۹۷ اقدام به تدوین آیین‌نامه‌ها و ضوابطی برای اجرای روش اختلاط عمیق خاک نمود.

کاربرد های روش اختلاط عمیق یا DSM

روش اختلاط عمیق خاک (DSM) در طیف وسیعی از خاک‌ها از ریزدانه که شامل رس و سیلت می‌باشد تا خاک‌های درشت دانه ماسه‌ای کاربرد دارد. وجود شن‌های درشت و قلوه سنگ، عملاً حفاری را تا حد زیادی امکان ناپذیر می‌کند، لذا در این نوع خاک‌ها روش‌های دیگر بهسازی پیشنهاد می‌شود.

بیشتر بخوانید: جت گروتینگ چیست؟

با اختلاط خاک در محل می‌توان انواع متفاوت خاک‌ها را اصلاح نمود. روش اصلاح بنا بر میزان انرژی اختلاط و نوع مواد افزودنی متفاوت است. در خاک‌های نرم و در مقایسه با سایر روش‌های اصلاح خاک، این روش از اقتصادی‌ترین شیوه‌های بهبود است. در این روش، با اختلاط دوغاب با خاک، مصالحی ساخته می‌شود که با گذشت زمان سخت‌تر شده و مقاومت آن افزایش می‌یابد و می‌تواند بعنوان مصالح مهندسی با خصوصیات ژئوتکنیکی بهتر از خاک محل در طراحی‌ها استفاده گردد.

روش اختلاط عمیق خاک کاربرد وسیعی در بهسازی بستر دارد که برخی از آن‌ها در ذیل نام برده شده است:

• تقویت پی انواع سازه
• کاهش پتانسیل روانگرایی
• تقویت فونداسیون اجرا شده
• تقویت پی در راهسازی
• فونداسیون مخازن نفتی
• دیوار آب بند
• اجرای دیواره‌های قائم
• حفاظت شیب خاکبرداری
• توسعه بنادر
• پایدار سازی تونل

مبانی طراحی ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM)

طراحی ستون‌های اختلاط عمیق خاک (DSM) شامل تعیین الگوی چینش ستون‌ها، قطر، تعداد و فاصله ستون‌ها و عمق نهایی می‌باشد. مانند هر طرح دیگری که به خاک مربوط است طراحی عمدتاً بر مبنای سه مورد زیر سنجیده می‌شود:

طراحی سازه ای اختلاط عمیق خاک (DSM)

مقاومت سازه‌ای ستون‌های خاک-سیمان عمدتاً بر مبنای مقاومت فشاری محدود نشده (Unconfined Compressive Strength) است. از لحاظ پارامترهای مهندسی به دست آمده برای خاک بهسازی شده، ادبیات فنی نشان می‌دهد که با انجام اختلاط تر (Wet Mixing) می‌توان برای خاک‌های دانه‌ای مقاومت فشاری تک محوری تا ۵ مگاپاسکال و برای خاک‌های چسبنده تا ۳ مگاپاسکال به دست آورد. بطور کلی مقاومت فشاری ستون‌های اختلاط عمیق وابسته به نوع خاک و مقدار سیمان مصرفی می‌باشد.

طراحی ژئوتکنیکی اختلاط عمیق خاک (DSM)

طراحی ژئوتکنیکی اختلاط عمیق خاک (DSM) شامل دو معیار عمده ظرفیت باربری و کنترل نشست می‌باشد. بسته به نسبت اصلاح سطح (α) و مقاومت ژئوتکنیکی ستون منفرد و همچنین ظرفیت باربری خاک بهسازی نشده می‌توان ظرفیت باربری سیستم ترکیبی خاک و ستون‌های اختلاط عمیق خاک (DSM) را محاسبه نمود.

بیشتر بخوانید: بهسازی خاک به روش تزریق تحکیمی

کنترل نشست را می‌توان بر اساس روابط ارائه شده در ادبیات فنی یا مدل سازی نرم افزاری انجام داد. از نرم افزارهای معمول جهت کنترل نشست و تغییر شکل می‌توان به Plaxis 2D, Plaxis 3D Foundation و نرم افزار Flac اشاره کرد.

روش اجرای اختلاط عمیق خاک (DSM)

در روش اختلاط عمیق خاک (DSM) ابتدا اوگر حفاری با بازوهای خود در زمین، حفاری را آغاز می‌کند. زمانی که به عمق مورد نظر رسید حفاری متوقف شده و اوگر به صورت معکوس حرکت را آغاز می‌کند و به طور آهسته به سمت بالا رانده می‌شود. در زمان حرکت اوگر به سمت بالا از درون نازل‌های تعبیه شده در نوک بازوها، دوغاب با فشار به درون خاک تزریق می‌شود. این حرکت به سوی بالا، مرحله‌ای بوده و پس از طی فاصله ۱ متر رو به بالا تقریبا یک دقیقه در همان تراز می‌چرخد و دوغاب به داخل زمین تزریق می‌شود. البته فاصله‌ها و زمان‌های اشاره شده با توجه به نوع دستگاه و نوع خاک متغیر است.

لازم به ذکر است که استفاده از روش اختلاط عمیق جهت بهسازی خاک‌های آلی نیز امکان پذیر می‌باشد اما نیاز به تمهیدات و روش‌های اجرای خاص دارد.

تجهیزات مورد نیاز اختلاط عمیق خاک (DSM)

در روش اختلاط عمیق خاک (DSM) بسته به نوع کاربرد، سطح بهسازی مورد نیاز و تجهیزات موجود، بلیدها و شفت های متعددی طراحی شده است که در تصویر زیر به بعضی از آنها ارائه شده است.

پلنت ساخت دوغاب اختلاط عمیق خاک (DSM)

این پلنت عمدتاً شامل سیلو، تانکر آب و سیستم اختلاط می‌باشد. دوغاب با نسبت اختلاط مشخص آب به سیمان در میکسر اولیه ساخته و سپس به میکسر ثانویه انتقال می‌یابد. دوغاب ساخته شده با استفاده از پمپ به اوگر توخالی انتقال می‌یابد. این دوغاب با فشار مشخص و با استفاده از نازل‌های خاص همزمان با اختلاط به درون زمین انتقال می‌یابد.

روش های اختلاط

در کل دو روش اختلاط عمیق خاک (DSM) مورد استفاده قرار می‌گیرد. خاک مورد نظر جهت بهسازی به صورت مکانیکی یا با دوغاب مخلوط می‌گردد که به آن اختلاط تر گویند (Wet Mixing) یا با افزودنی بصورت خشک که به آن اختلاط خشک گویند (DryMixing) استفاده می‌شود. همچنین علاوه بر اختلاط مکانیکی تزریق تحت فشار نیز می‌تواند استفاده گردد که منجر به بهبود اختلاط مکانیکی خواهد شد.

روش تر (Wet Mixing) برای رس‌های نرم، لای و ماسه‌های ریز با درصد رطوبت کمتر و خاک‌های لایه بندی شده با خاک نرم و سفت یا متراکم مناسب‌تر می‌باشد و روش خشک (Dry Mixing) برای خاک‌های نرم با درصد رطوبت بالا مناسب می‌باشد.

مزایای روش اختلاط عمیق یا DSM

تکنولوژی روش اختلاط عمیق خاک (DSM) بر اساس بهسازی خاک موجود در محل به منظور برآورده نمودن نیازهای طراحی است. بنابراین مشکلات حفاری یا جایگزینی خاک و استفاده از روش‌های پرهزینه‌تر مانند فونداسیون‌های عمیق (شمع) در این روش مرتفع می‌گردد. طیف وسیعی از کاربردها و الگوهای مختلف اجرای ستون‌های خاک-سیمان منجر به راه حل‌های مهندسی مطمئن و بسیار اقتصادی می‌گردد. استفاده از افزودنی‌های غیر سمی به خاک و کاهش حجم پساب (spoil) در مقایسه با روش جت گروتینگ و یا روش سنتی شمع‌های درجاریز روش اختلاط عمیق خاک (DSM) را قویاً به عنوان یک گزینه سازگار با محیط زیست معرفی کرده است. اجرا و کنترل کیفیت این روش با استفاده از آئین نامه‌های معتبر مانند FHWA یا استاندارد اروپائی EN 14679 صورت می‌گیرد.

مزایای اصلی روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

• اقتصادی بودن
• بدون ایجاد ویبره و آسیب به سازه‌های مجاور
• تنوع در کاربرد
• کاهش زمان ساخت
• سازگار با محیط زیست

کنترل کیفیت اختلاط عمیق خاک (DSM)

جهت کنترل عملکرد ستون‌ها معمولا از آزمایش تک محوری بر روی نمونه‌های خاک-سیمان استفاده می‌گردد. نمونه‌ها به سه صورت نمونه‌های آزمایشگاهی، نمونه‌تر (Wet grab) و یا نمونه‌های اخذ شده از ستون پس از زمان عمل آوری (Core sample) می‌باشد.

به طور کلی آزمایش‌‏های مورد نیاز برای کنترل کیفی محصول اختلاط عمیق خاک (DSM) عبارتند از:

• کنترل کیفیت آب مصرفی (مطابق استانداردهای ملی)
• کنترل کیفیت سیمان مصرفی (مطابق استانداردهای ملی)
• کنترل کیفیت افزودنی‏های مصرفی (مطابق استانداردهای ملی)
• کنترل کیفیت دوغاب مصرفی
• کنترل پساب خروجی
• آزمایش‌های کنترل مشخصات هندسی (قطر، امتداد، طول و …)

بیشتر بخوانید: پایدارسازی گود چیست؟

این آزمایش‌‏ها عموماً بصورت اندازه‏‌گیری مشاهده‌‏ای انجام می‌‏شود که شامل موارد ذیل می‌‏گردد:

• انحراف در پلان
• انحراف در عمق
• انحراف قطر در عمق

نمونه گیری تر (Wet grab): این نوع نمونه گیری در حین اجرای ستون‌ها و زمانیکه که ستون هنوز عمل آوری نشده است صورت می‌گیرد. نمونه گیرهای مختلفی جهت اخذ این نوع نمونه وجود دارد که در شکل زیر یک نوع نمونه گیر Wet grab همچنین بیرون کشیدن نمونه از ستون اختلاط عمیق خاک (DSM) نشان داده شده است. این نمونه‌ها بایستی بر اساس استاندار عمل آوری شده و در زمان‌های مشخص شده توسط دستگاه تک محوری شکسته شود.

پس از گیرش ستون‌ها می‌توان با استفاده از ابزار نمونه گیری موجود، نسبت به مغزه گیری اقدام نمود. این زمان بسته به نوع خاک منطقه متفاوت بوده و برای خاک‌های ریزدانه و درشت دانه پیشنهادات مختلفی توسط آئین نامه ارائه شده است.