اختلاط عمیق خاک (DSM)

اختلاط عمیق یا DSM) Deep Soil Mixing) یکی از روش های بهسازی خاک است که مبتنی بر تزریق مصالح به درون خاک و در نهایت ایجاد ستون های خاک-سیمان میباشد.  روش اختلاط عمیق یا DSM یکی از کاربردی ترین روش های بهسازی خاک در جهان محسوب می شود که عبارت است از اختلاط خاک با مواد آهکی، سیمانی و … که با استفاده از همزن هایی در اعماق خاک انجام می گیرد و منتج به شکل گیری ستون های خاک سیمان می شود. استفاده از روش اختلاط عمیق خاک یا DSM منجر به بهبود قابل ملاحظه خواص مکانیکی و فیزیکی خاک محل که با سیمان یا افزودنی های دیگر مخلوط شده است می گردد. 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 پروژه های اختلاط عمیق این توانایی را دارد تا با بهره گیری از نیروهای متخصص و متعهد و همچنین ماشین آلات مجهز و تخصصی به عنوان مجری و یا مشاور طرح های اختلاط عمیق به کارفرمایان گرامی خدمت رسانی کند.

بهسازی بستر به کمک ستون های اختلاط عمیق-پروژه نسیم چالوس شرکت ابرند

بهسازی بستر به کمک ستون های اختلاط عمیق-پروژه نسیم چالوس شرکت ابرند

ستون های اجرا شده اختلاط عمیق یا DSM

ستون های اجرا شده اختلاط عمیق یا DSM

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 ستون های اختلاط عمیق استفاده شد و تا مدت‌ها آهک به عنوان افزودنی مطلوب پیمانکاران برای پروژه های اختلاط عمیق به حساب می آمد. پس از شناخت بیشتر مشخصات فیزیکی و شیمیایی سیمان و اثرات آن بر خاک و همچنین در دسترس بودن این ماده و هزینه های کمتر تامین، استفاده از سیمان به جای آهک گسترش یافت. در کشور های اروپایی نیز در اواسط دهه 1970 میلادی استفاده از روش اختلاط عمیق جهت بهسازی خاک آغاز و به مرور زمان رواج پیدا کرد.

فرودگاه هانه‌دا توکیو ژاپن

فرودگاه هانه‌دا توکیو ژاپن

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 روش های 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.

سد جکسون واقع در وایومینگ ایالات متحده آمریکا

کاربردهای روش اختلاط عمیق یا DSM

روش اختلاط عمیق خاک (DSM) در طیف وسیعی از خاک ها از ریزدانه که شامل رس و سیلت می باشد تا خاک های درشت دانه ماسه ای کاربرد دارد. وجود شن های درشت و قلوه سنگ، عملاً حفاری را تا حد زیادی امکان ناپذیر می کند، لذا در این نوع خاک ها روش های دیگر بهسازی پیشنهاد می شود.

با اختلاط خاک در محل می توان انواع متفاوت خاکها را اصلاح نمود. روش اصلاح بنا بر میزان انرژی اختلاط و نوع مواد افزودنی متفاوت است. در خاک های نرم و در مقایسه با سایر روش های اصلاح خاک، این روش از اقتصادی ترین شیوه های بهبود است. در این روش، با اختلاط دوغاب با خاک، مصالحی ساخته می شود که با گذشت زمان سخت تر شده و مقاومت آن افزایش می یابد و می تواند بعنوان مصالح مهندسی با خصوصیات ژئوتکنیکی بهتر از خاک محل در طراحی ها استفاده گردد.

روش اختلاط عمیق خاک کاربرد وسیعی در بهسازی بستر دارد که برخی از آن ها 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 دیواره های قائم
  • حفاظت شیب خاکبرداری
  • توسعه بنادر
  • پایدار سازی تونل

ستون های های اختلاط عمیق با طرح منفرد

مبانی طراحی ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM)

طراحی ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM) شامل تعیین الگوی چینش ستون ها، قطر، تعداد و فاصله ستون ها و عمق نهایی می باشد. مانند هر طرح دیگری که به خاک مربوط است طراحی عمدتاً بر مبنای سه مورد زیر سنجیده می شود:

طراحی سازه ای اختلاط عمیق خاک (DSM):

مقاومت سازه ای ستون های 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 می دهد که با انجام اختلاط تر (Wet Mixing) می توان برای خاک های دانه ای مقاومت فشاری تک محوری تا ۵ مگاپاسکال و برای خاکهای چسبنده تا ۳ مگاپاسکال به دست آورد. بطور کلی مقاومت فشاری ستون های اختلاط عمیق وابسته به نوع خاک و مقدار سیمان مصرفی میباشد.

طرح های رایج اجرای ستون های اختلاط عمیق الف) منفرد ب) بلوکی ج) دیواری د) گرید یا مستطیلی

طراحی ژئوتکنیکی اختلاط عمیق خاک (DSM):

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

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

مود های گسیختگی ستون های اختلاط عمیق زیر خاکریز الف) لغزش ب) دوران ج) گسیختگی خمشی د) گسیختگی برشی دایروی ه) گسیختگی برشی افقی و) گسیختگی ترکیبی

روش اجرای اختلاط عمیق خاک (DSM)

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

لازم به ذکر است که استفاده از روش اختلاط عمیق جهت بهسازی خاک های آلی نیز امکان پذیر می باشد اما نیاز به تمهیدات و روش های اجرای خاص دارد.

مراحل اجرای ستون های اختلاط عمیق یا DSM

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 می باشد. دوغاب با نسبت اختلاط مشخص آب به سیمان در میکسر اولیه ساخته و سپس به میکسر ثانویه انتقال می یابد. دوغاب ساخته شده با استفاده از پمپ به اوگر توخالی انتقال می یابد. این دوغاب با فشار مشخص و با استفاده از نازل های خاص همزمان با اختلاط به درون زمین انتقال می یابد.

مته های گوناگون جهت حفاری خاک در روش اختلاط عمیق

روش های اختلاط

در کل دو روش اختلاط عمیق خاک (DSM) مورد استفاده قرار می گیرد. خاک مورد نظر جهت بهسازی به صورت مکانیکی یا با دوغاب مخلوط می گردد 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 می تواند استفاده گردد که منجر به بهبود اختلاط مکانیکی خواهد شد.

روش تر (Wet Mixing) برای رس های نرم، لای و ماسه های ریز با درصد رطوبت کمتر و خاک های لایه بندی شده با خاک نرم و سفت یا متراکم مناسب تر می باشد و روش خشک (Dry Mixing) برای خاک های نرم با درصد رطوبت بالا مناسب می باشد.

مقاومت فشاری ستون های اختلاط عمیق بر حسب مقدار سیمان مصرفی در انواع خاک

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 روش های پرهزینه تر مانند فونداسیون های عمیق (شمع) در این روش مرتفع می گردد. طیف وسیعی از کاربردها و الگوهای مختلف اجرای ستون های خاک-سیمان منجر به راه حل های مهندسی مطمئن و بسیار اقتصادی می گردد. استفاده از افزودنی های غیر سمی به خاک و کاهش حجم پساب (spoil) در مقایسه با روش جت گروتینگ و یا روش سنتی شمع های 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 نامه های معتبر مانند FHWA یا استاندارد اروپائی EN 14679 صورت می گیرد.

مزایای اصلی روش اختلاط عمیق خاک (DSM):

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

روش های مناسب بهسازی خاک بر اساس نوع خاک

کنترل کیفیت اختلاط عمیق خاک (DSM)

جهت کنترل عملکرد ستون ها معمولا از آزمایش تک محوری بر روی نمونه های خاک-سیمان استفاده می گردد. نمونه ها به سه صورت نمونه های آزمایشگاهی، نمونه تر (Wet grab) و یا نمونه های اخذ شده از ستون پس از زمان عمل آوری (Core sample) می باشد.

به طور کلی آزمایش ‏های 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
  • آزمایش های کنترل مشخصات هندسی (قطر، امتداد، طول و …)

این آزمایش ‏ها عموماً بصورت اندازه‏ گیری مشاهده ‏ای انجام می ‏شود که شامل موارد ذیل می ‏گردد:

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

نمونه گیری تر (Wet grab): این نوع نمونه گیری در حین اجرای ستون ها و زمانیکه که ستون هنوز عمل آوری نشده است صورت می گیرد. 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 نمونه ها بایستی بر اساس استاندار عمل آوری شده و در زمان های مشخص شده توسط دستگاه تک محوری شکسته شود.

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

دستگاه حفاری ستون های اختلاط عمیق شرکت ابرند