تراکم دینامیکی

مواجهه با خاک های سست که از ظرفیت باربری مناسبی برخوردار نیستند و اقدام به احداث سازه بر روی آنها یکی از اصلی ترین مشکلات و مسائلی که پیش روی مهندسین ژئوتکنیک قرار دارد. لذا آشنایی با انواع و اقسام تکنیک های مختلف بهسازی خاک از آن دست حیطه هایی است که یک مهندس باید بر آن تسلط داشته باشد تا بتواند متناسب با شرایط یک پروژه اعم از شرایط اقتصادی، اجرایی، محیطی و … یک روش مناسب و اجرایی را جهت بهسازی پارامتر های مقاومتی و فیزیکی خاک و همچنین اصلاح نشست بکار گیرد.

تراکم دینامیکی یک تکنیک بهسازی خاک است که در آن به واسطه سقوط یک وزنه خاک متراکم می شود. این وزنه که معمولاً از فولاد ساخته می شود، توسط یک جرثقیل بلند شده (تا ارتفاع 12 الی 30 متر) و روی سطح زمین پرتاب می شود. ارتعاشات ناشی از سقوط وزنه به زیر سطح زمین انتقال می یابد و به همین طریق سبب تراکم خاک در لایه های عمیق تر و نهایتاً بهسازی خاک می شود. مکان هایی که قرار است سقوط وزنه در آنها رخ دهد، معمولاً به صورت یک الگوی شبکه ای هستند. شرایط سطحی زیرین، بارگذاری و هندسه فونداسیون از عوامل اثرگذار در تعیین فاصله الگوی شبکه محسوب می شوند.

تراکم دینامیکی خاک از اثر دینامیکی ضربات پر انرژی که در اثر سقوط وزنه فولادی ایجاد می شود، بهره می برد. این وزنه های فولادی بزرگ، وزنی برابر با 5 تا 40 تن دارند و از ارتفاع 12 تا 30 متر به سمت زمین رها می شوند. هدف از این تکنیک انتقال امواجی با انرژی بالا از طریق یک لایه خاک متراکم برای بهبود خواص ژئوتکنیکی خاک در عمق های بیشتر است.

بهسازی بستر به روش تراکم دینامیکی-پروژه مونوریل شهر قم شرکت ابرند

تاریخچه تراکم دینامیکی

اگر چه قرنهاست که از انداختن وزنه بر روی خاک استفاده می شود. اما نخستین بار آزمایشگاه تحقیقات راه انگلیس، پژوهش هایی در سال ۱۹۵۷ بروی این روش انجام داد. روش تراکم دینامیکی یا DC مجددا توسط L.Menard فرانسوی در حدود سال ۱۹۷۰ در فرانسه با حق انحصاری به حرفه مهندسی معرفی شد. توسعه و ساخت جرثقیل های بزرگ، گسترش روش تراکم دینامیکی را در سال ۱۹۷۰ در فرانسه و متعاقبا در سال ۱۹۷۳ در بریتانیا و در سال ۱۹۷۵ در آمریکا در پی داشت.

نخستین کاربرد روش تراکم دینامیکی در ایران در اواخر سال ۱۳۵۲ و به منظور بهسازی زمینی در منطقه شهریار در جنوب غربی شهر تهران گزارش شده است. استفاده از روش تراکم دینامیکی به ویژه در دهه هفتاد و مقارن با گسترش طرحهای بزرگ عمرانی در جنوب کشور مورد توجه قرار گرفت.

روش تراکم دینامیکی به عنوان یکی از روش های بهسازی خاک

مبانی طراحی روش تراکم دینامیکی

یکی از بهترین روش های بهسازی عمیق خاک های ماسه ای خشک و اشباع، تراکم دینامیکی است. اجرای عملیات تراکم دینامیکی به علت ارتعاشات زیادی که ایجاد می کند، همواره دارای شرایط ویژه ای جهت ایمنی و پایداری سازه های مجاور یا زیرزمینی است. بدین ترتیب عملیات تراکم دینامیکی باید به نحوی طراحی و اجرا شود که سازه های زیرزمینی مجاور، در اثر ارتعاشات تولید شده پایدار مانده و بهسازی مورد نیاز نیز صورت گیرد.

جزییات طرح تراکم دینامیکی منطقه مورد نظر با توجه به مشخصات زمین محل پروژه، مشخص می گردد. این جزئیات عبارتند از:

۱ . انتخاب وزن کوبه و ارتفاع سقوط برای دستیابی به عمق تاثیر مورد نظر

۲ . تعیین میزان انرژی مورد نیاز جهت رسیدن به میزان اصلاح مورد نظر

۳ . تعیین محدوده گسترش عملیات تراکم دینامیکی

۴ . تعیین فواصل بین نقاط اعمال ضربه و تعداد ضربات

۵ . تعیین تعداد مراحل اعمال ضربه

۶ . بررسی نیاز به لایه پایدارساز سطحی

انرژی اعمالی هر ضربه (W.h) مهمترین عامل مؤثر در عمق بهسازی می باشد. مطالعات مختلفی در مورد رابطه بین انرژی و عمق بهسازی انجام گردیده و روابطی ارائه گردیده است. در بین روابط ارائه شده، رابطه تجربی منارد (Menard) بین مهندسین رواج بیشتری دارد:

D=0.5n(W.h)

در رابطه فوق، D عمق بهسازی (متر)، W جرم وزنه (تن)، h ارتفاع کوبش (متر) و n ضریب ثابتی بین 0.3 الی 0.8 است که تابع جنس، دانه بندی و … خاک می باشد.

رها کردن وزنه جهت تراکم خاک

مراحل اجرای روش تراکم دینامیکی

  1. مرحله اول شامل آماده نمودن محل به وسیله برداشتن اشیاء اضافی (درخت و …)، مسطح کردن زمین، زهکشی و پر نمودن چاله ها است. در صورت وجود تراز آب زیرزمینی در حدود ۲ متری سطح زمین، باید زهکشی انجام گیرد و یا خاکریزی شود. اگر خاک سطحی بیش از اندازه ضعیف باشد به گونه ای که توانایی تحمل بار ماشین آلات و ابزار آلات را نداشته باشد، نخست یک سکوی عملیات باید ساخته شود.
  2. در صورت وجود سازه و یا خطوط حیاتی در نزدیکی محل پروژه، جهت حداقل نمودن ارتعاشات و جابجایی های جانبی، یک ترانشه جداسازی مورد نیاز است. ترانشه باید حداقل 2 الی 3 متر عمق و 1 متر عرض داشته باشد.
  3. قرار دادن میخ در مرکز نقاط فرود وزنه ها و بررسی ارتفاع زمین.
  4. استقرار تجهیزات و بالا بردن وزنه 5الی 40 تنی به ارتفاع 12 الی 30 متری درست بر روی نقطه مورد نظر.
  5. قرائت ارتفاع وزنه بالای نقطه مورد نظر.
  6. وزنه تا ارتفاع مورد نظر بالا رفته و به طور آزاد بر روی سطح زمین رها می گردد. زمانی که وزنه هنوز داخل حفره می باشد ارتفاع بالای وزنه قرائت می گردد. اگر وزنه از حالت شاقول در زمان برخورد با زمین، خارج شده باشد، پس از برداشتن وزنه، کف حفره تراز می گردد.
  7. تا زمانی که تعداد برخوردها روی نقاط برخورد، به مقدار مورد نیاز برسد، مرحله 6 تکرار می گردد و سپس نوبت به نقطه کوبش بعدی می رسد.
  8. مراحل 4 تا 7 تا زمانی که نقاط کوبش برای بار اول کامل شود، تکرار می گردد.
  9. برای تسطیح زمین از بولدوزر استفاده گردیده و تراز زمین اندازه گیری می گردد. اختلاف میان تراز کنونی و تراز قبلی، مقدار نشست ایجاد شده را نشان می دهد.
  10. پس از سپری شدن زمان، بسته به خاک و شرایط تراز آب زیرزمینی، در صورت نیاز مراحل 3 الی 8 را تا زمانی که تمام نقاط کوبش برای بار دوم کامل شود، تکرار می گردد.
  11. در انتها مرحله اتوکشی برای کل سطح زمین پروژه جهت تسطیح زمین انجام می گردد.

روند اجرای روش تراکم دینامیکی

بدیهی است که وزن و ارتفاع سقوط چکش، تعداد ضربات در هر نقطه و آرایش نقاط مورد نظر، تابعی از مشخصات زمین و طرح مورد نظر خواهد بود.

اگر از كوبه هاي با اندازه و ارتفاع سقوط مختلف استفاده شود، ميزان انرژي اعمال شده برابر مجموع انرژي ها خواهد بود .در ابتدا بيشترين ميزان انرژي با يک كوبه سنگين و ارتفاع سقوط زياد وارد مي شود .استفاده از تراز انرژي بالا موجب ايجاد فروچاله هايي با عمق ۱ تا ۲ متر مي گردد كه پس از تراز نمودن زمين يک لايه سطحي سست شده را ايجاد مي كند. اين لايه ضعيف شده نيز با استفاده از يک مرحله اتوكشي با يک كوبه كوچک تر و ارتفاع سقوط كمتر متراكم مي گردد. انرژي كل اعمال شده برابر با مجموع انرژي اعمال شده در مرحله اول به اضافه مرحله اتوكشي مي باشد.

 

مزایا و معایب روش تراکم دینامیکی خاک

از مهمترین مزایای روش تراکم دینامیکی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

  • متراکم سازی مناطق بزرگی که با خاک های دانه ای سست پر شده اند.
  • کاهش حجم ضایعات در محل دفن زباله
  • افزایش تراکم و کاهش حفره ها
  • افزایش ظرفیت باربری
  • کاهش نشست های پس از ساخت و ساز
  • سرعت اجرای بالا و هزینه پایین نسبت به سایر روش های بهسازی
  • تراکم مصالح سست نیمه اشباع با درصد ریزدانه کمتر از 15 درصد
  • این روش اغلب می تواند مناطق بسیار ضعیف یا سست را در حین اجرای عملیات، شناسایی نماید تا با استفاده از روش هایی چون جایگزینی و … به خوبی بهسازی گردند.
  • تبدیل یک خاک ناهمگن را به یک مصالح متراکم تر، یکنواخت تر و مقاوم تر
  • تجهیزات اصلی لازم برای این روش، یک دستگاه جرثقیل و یک وزنه می باشد که بسیاری از پیمانکاران دارای این تجهیزات می باشند.

محدوده اثر روش تراکم دینامیکی

اصلی ترین محدودیت های روش تراکم دینامیکی عبارتند از:

  • تراکم دینامیکی عمیق به طور کلی هیچ گونه تأثیری در خاک های رسی اشباع ندارد.
  • تمهیدات ویژه از جمله فراهم نمودن زهکش و زمان انتظار طولانی مدت، جهت استهلاک فشار آب حفره ای اضافی برای این روش باید اتخاذ گردد.
  • ضربه هایی که توسط این روش به خاک وارد می گردد، موجب صدا، ارتعاش و جابجایی های جانبی می شود که ممکن است مشکلاتی را برای ساختمان های اطراف، زیرساخت ها و خطوط حیاتی ایجاد نماید.
  • این روش معمولاً نیازمند ابزاری جهت کنترل ارتعاش، سطح صدا و جابجایی های زمین است.
  • سقوط وزنه ممکن است ایجاد گرد و خاک نماید که برای کارگران داخل سایت خطرساز می باشد.

محدودیت های محل پروژه ممکن است موجب تغییراتی در روش تراکم دینامیکی و یا انجام کارهای اضافی جهت جبران آنها گردد. این محدودیت ها بایستی در مطالعات اولیه جهت تعیین اثرات آنها بر هزینه و زمان پروژه مورد بررسی قرار گیرند.

ارتعاش زمین

ضربه ناشی از برخورد کوبه به زمین موجب ارتعاش سطح زمین گردیده و ارتعاشات حاصل به اطراف منتقل می شوند. با افزایش وزن کوبه و ارتفاع سقوط، دامنه ارتعاشات نیز بزرگتر می شوند. اگر در محل اجرای عملیات تراکم دینامیکی، سازه یا تاسیساتی موجود باشند، ممکن است تحت تاثیر ارتعاشات به وجود آمده خساراتی به آنها وارد شود. همچنین وجود یک لایه ماسه متراکم، شن یا سنگ بلافاصله در زیر لایه متراکم شونده موجب انتقال ارتعاشات تا فواصل بیشتر می شود و در این شرایط بایستی بررسی های دقیقی جهت تعیین اثر این لایه ها بر روی ارتعاشات حاصله انجام شود. همچنین بایستی توجه شود که با متراکم تر شدن خاک در طول انجام عملیات تراکم دینامیکی و به خصوص در مراحل آخر، میزان ارتعاشات حاصله افزایش خواهند یافت.

در صورتی که ارتعاشات حاصل از حد مجاز بیشتر باشند، سه روش اصلی جهت کاهش آنها وجود دارد. روش اول کاهش ارتفاع سقوط کوبه و افزایش تعداد ضربات در هر نقطه است. روش دوم کاهش وزن کوبه و روش سوم حفر یک کانال با عمق کافی جهت قطع کردن امواج سطحی است.

آلودگی صوتی

برخورد کوبه به زمین علاوه بر ارتعاشات، موجب تولید صدا نیز می گردد. صدای تولید شده در محل اعمال ضربه معمولا در حدود ۱۱۵ تا ۱۲۳ دسی بل می باشد، اما از نظر زمانی تنها حدود یک درصد از زمان تراکم دینامیکی را به خود اختصاص می دهد. محدوده بسیار پایین تری از صداهای تولید شده نیز در زمان برداشتن و حمل کوبه و سایر عملیات تولید می شود که با صدای ناشی از برخورد کوبه به زمین ترکیب شده و معمولا در فواصل 50 متر از محل انجام کوبش معیارهای محیط زیستی را برآورده می کنند.

تارکم دینامیکی از روش ها مرسوم جهت بهسازی خاک در اعماق سطحی و مناطق غیر شهری

جابجایی های جانبی زمین

پس از اعمال ضربه جابجایی جانبی در زمین ایجاد می شود. متاسفانه هنوز روشی مدون جهت پیش بینی این جابجایی ها وجود نداشته و قضاوت ها بر پایه تجربیات گزارش شده، صورت می گیرد. در صورت استفاده از کوبه های سبک تر و ارتفاع سقوط کمتر جابجایی های کمتری به وجود خواهد آمد.

بالا بودن تراز آب زیرزمینی

آب های زیرزمینی که تراز آنها کمتر از ۲ متر زیر تراز زمین محل اجرای عملیات تراکم دینامیکی باشد، اغلب موجب به وجود آمدن مشکلاتی می گردند. در حین اعمال ضربات، عمق فروچاله ها معمولا در محدوده ۰/۶ تا ۱/۲ متر بوده و فشار آب حفره ای زیادی که در توده خاک تولید می شود، معمولا موجب بالا آمدن سطح آب زیرزمینی خواهد شد. وارد شدن ضربات بیشتر می تواند موجب اختلاط داخلی آب و خاک و به دنبال آن نرم شدگی ناحیه بالایی توده خاک شود.

وجود لایه های سخت یا نرم

عمق تاثیر تراکم دینامیکی می تواند تحت تاثیر وجود یک لایه سطحی سخت در بالای یک نهشته ضعیف و یا وجود یک لایه نرم و تراکم پذیر در میان یک نهشته سخت تر قرار گیرد. اگر لایه سخت نسبتا ضخیم در اعماق فوقانی وجود داشته باشد (۱ تا ۲ متر)، انرژی ضربه می تواند در میان این لایه توزیع شده و با شدت بسیار کمتری به لایه ضعیف پایین منتقل شود و در نتیجه موجب کاهش عمق تاثیر و درجه اصلاح خاک گردد. لایه های سخت شده ضخیم بایستی قبل از انجام تراکم دینامیکی برداشته شده یا ضعیف گردند تا انرژی به لایه های پایین تر منتقل گردد.

باید توجه داشت که اگر این لایه سخت شده نسبتا نازک باشد، احتمالا کوبه به درون این لایه نفوذ کرده و انرژی کافی را به لایه های پایین تر منتقل می کند. لایه های نرم جاذب انرژی در سطح زمین را می توان حفاری کرد و یا با افزودن خاک های دانه ای که در اثر اعمال ضربه به درون خاک نرم نفوذ می کنند تثبیت نمود. رس های نرم یا نهشته های آلی در عمق و در میان تشکیلات می توانند انرژی تراکم دینامیکی را جذب نمایند. در این حالت انرژی بسیار کمی به زیر این لایه ها منتقل شده و در نتیجه لایه های پایین تر به میزان مطلوب متراکم نمی گردند.

محدودیت عمق تاثیر

عمق تاثیر تراکم دینامیکی خاک تابعی از وزن کوبه و ارتفاع سقوط می باشد. با استفاده از کوبه هایی با وزن ۱۸ تا ۲۲ تن و ارتفاع سقوط ۲۳ تا ۳۳ متر، حداکثر عمق تاثیر در محدوده ۶ تا ۱۲ متر خواهد بود. برای اصلاح خاک در اعماق بزرگ تر از ۶ تا ۱۲ متر باید از روش تراکم در ترکیب با سایر روش ها استفاده شود.

بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی

کاربرد ها و شرایط مطلوب خاک برای تراکم دینامیکی

برخی از کاربردهای روش تراکم دینامیکی خاک به شرح زیر است:

۱ . بنادر و فرودگاه ها

۲ . انبارهای ذخیره بارهای سنگین

۳ . مناطق دفن زباله

روش تراکم دینامیکی خاک برای تمام انواع خاک های دانه ای قابل استفاده است. این تکنیک به خوبی در خاک های زیر به کار گرفته می شود:

۱ . غیر آلی

۲ . مواد پرکننده غیر همگن

۳ . زمین و خاک اصلاح شده (مناطقی که از طریق احیاء اراضی تالاب ها، دریاچه ها یا ساحل ساخته شده اند)

۴ . مناطق احیاء شده با مشخصات متغیر

۵ . جایی که شبکه های زیرزمینی وجود دارد و یا قطعه ای زیر خاک مدفون شده است.

خاک هایی که حفره های هوای بزرگی دارند (مانند زباله های دفن شده و زمینی که با خاک ضعیفی پر شده است)

در جدول ۱ قابلیت بهسازی مصالح مختلف به روش تراکم دینامیکی خاک با توجه به نفوذپذیری آنها بر اساس مطالعات Lukas در سال ۱۹۹۵ آورده شده است.

روش تراکم دینامیکی خاک هم در خاک های اشباع و هم در خاک های غیراشباع مؤثر است. به طور معمول این تکنیک نباید در ۱۵ متری شبکه های زیرزمینی و ۳۰ متری ساختمان های موجود انجام شود. جرثقیل های ۸۰ تا ۱۲۰ تنی به طور خاص برای این کار طراحی شده اند.

فاصله بین نقاطی که ضربه وارد می شود به موارد زیر بستگی دارد:

۱ . عمق لایه تراکم پذیر

۲ . نفوذپذیری خاک

۳ . سطح آب های زیرزمینی

لایه های عمیق تر با فواصل بیشتر و لایه های بالاتر با فواصل کمتر متراکم می شوند. اثر فوری ناشی از این تکنیک بسیار مهم است زیرا باعث کاهش سریع مقدار تخلخل اندازه گیری شده در نشست پس از ضربه می گردد. افزایش فشار منفذی و روانگرایی موضعی در برخی از خاک های اشباع، باعث کندی روند بهسازی خاک می گردد. فشار منفذی در طی دوره استراحت حذف می شود. همین موضوع موجب ایجاد خاکی بهبود یافته به دلیل تشکیل ساختار مجدد خاک می شود.

تجهیزات مورد نیاز در روش تراکم دینامیکی

کنترل کیفی روش تراکم دینامیکی

در حین اجرای روش تراکم دینامیکی باید به نکات زیر توجه داشت:

  • پیش از هر کوبش، ارتفاع و نقطه سقوط باید بررسی شود.
  • در حین عملیات کوبش، مشاهده حضوری اهمیت دارد.
  • ممکن است بر اساس کنترل و مشاهدات صورت گرفته، اصلاحاتی نیز انجام گیرد. به طور مثال، اگر یکی از حفره های به وجود آمده، عمق بیشتری نسبت به سایر حفره ها پیدا کند، نشانگر این است که در آن محل خاک ضعیفتر است. در نتیجه باید تمهیدات ویژه ای مانند حفاری و جایگزینی برای بهسازی این نواحی در نظر گرفته شود.
  • اگر کوبش های اضافی برآمدگی های بزرگی اطراف حفره ایجاد نماید، به این معنا است که ضربات بیشتر بی فایده خواهد بود و عملیات کوبش در این ناحیه باید معلق یا قطع گردد.

کنترل های معمول صحرایی شامل موارد زیر می باشد:

  • پیزومتر در داخل خاک های ریزدانه اشباع
  • شیب سنج جهت شناسایی جابجایی های افقی
  • شتاب سنج برای ارتعاشات زمین
  • پس از تکمیل عملیات کوبش، آزمایشات صحرایی جهت ارزیابی درجه و عمق بهسازی می بایست انجام گیرد.
  • بنابر نوع خاک و سطح آب زیر زمینی، برای خاک های درشت دانه ارزیابی صحرایی باید حداقل ۱ تا ۲ هفته و برای خاک های ریزدانه حداقل ۳ الی ۴ هفته بعد از تکمیل عملیات کوبش صورت گیرد.
  • کاوش های صحرایی شامل نمونه گیری برای آزمایش های آزمایشگاهیSPT ، CPT یا PMT می باشد.
  • عمق آزمایش نیز باید پایین تر از عمق طراحی برای بهسازی باشد.
  • آزمایش بارگذاری صفحه استاتیکی نیز ممکن است در پروژه هایی با ابعاد بزرگ اجرا گردد.
  • از آنجایی که PMT و آزمایش بارگذاری صفحه نسبت به تغییر سختی خاک حساس تر از SPT و CPT هستند، روش های خوبی برای ارضا این هدف می باشند.

بهسازی خاک به روش تراکم دینامیکی

تراکم دینامیکی با انرژی بالا

هنگامی که لازم باشد خاک بیش از ۱۰ تا ۱۲ متر در عمق متراکم شود، می توان از تراکم دینامیکی با انرژی بالا استفاده نمود. در این تکنیک از تجهیزاتی استفاده می شود که شامل وزنه های سقوط آزادی است که نیازمند سیستم ویژه رهاسازی وزنه با استفاده از گیره های هیدرولیکی برای جلوگیری از استهلاک و اصطکاک کابل و همچنین قلاب های بالابر سیکلی است.

در پایان امید است که این مطلب از وب‌سایت مهندسی ابرند برای شما مفید واقع شده باشد.