تزریق با فشار بالا (جت گروتینگ)

جت گروتینگ (Jet Grouting) یک روش مبتنی بر تزریق و در میان بهترین روش‌های تثبیت و بهسازی خاک است که توانایی حل بسیاری از مشکلات ژئوتکنیکی را دارد و در سال‌های اخیر مورد استقبال بسیاری از مهندسان ژئوتکنیک قرار گرفته است. این روش که به عنوان ایمن‌ترین روش جهت انجام عملیات ژئوتکنیکی در جهان شناخته می‌شود، در سال‌های اخیر در داخل کشور نیز مورد استقبال کارفرمایان و مهندسان ژئوتکنیک قرار گرفته است و در حال حاضر در میان تمامی روش های بهسازی خاک جایگاه ویژه ای دارد. این روش اولین بار در سال ۱۹۷۴ در ژاپن مورد استفاده قرار گرفت. یکی از اولین کاربردهای این روش استفاده از آن به عنوان دیوار آب‌بند بود. بهسازی خاک به روش جت گروتینگ براساس تجزیه ساختار خاک و جایگزینی خاک های سست و ضعیف با دوغاب سیمانی از طریق تزریق گروت در خاک انجام می شود. جهت تزریق گروت در خاک از جت های پرفشار و سرعت بالا و جت های فرسایش آب و یا هوا استفاده می شود.

روش تزریق پرفشار یا جت گروتینگ جهت بهسازی خاک

تاریخچه روش جت گروتینگ

در ابتدا جت گروتینگ بیشتر به عنوان روشی جهت اصلاح مشخصات خاکهای سطحی به منظور احداث فونداسیون سازه‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گرفت. در دهه ۸۰ میلادی روش جت گروتینگ در ایتالیا، آلمان و بریتانیا مورد استقبال زیادی قرار گرفت. پس از آن این روش در اروپا به طور گسترده‌ای به عنوان یک ابزار ژئوتکنیکی مطلوب رواج یافت. علاوه بر آن، کاربردهای این روش نیز گسترش یافت به طوریکه به منظور استفاده در فونداسیون، گودبرداری‌ها، تونل‌سازی، کنترل آب زیرزمینی و مقاوم‌سازی مورد استفاده قرار گرفت.

جت‌گروتینگ در دهه ۸۰ میلادی در آمریکا نیز مورد استفاده قرار گرفت، اما شروع کندی داشت. علت اصلی این موضوع عدم شناخت کافی از این تکنولوژی بود. هر چند پس از مدتی این روش در جامعه مهندسی ایالات متحده امریکا و پس از آن در کانادا مورد مقبولیت قرار گرفت، چرا که در قیاس با روش‌های دیگر برای مشکلاتی اعم از نگهداری گود، کنترل آب زیرزمینی، آب‌بندی گودها، محافظت از پل‌ها در برابر شستگی، پایدارسازی شیب‌ها و مقاوم‌سازی خاک زیر فونداسیون سازه‌های قدیمی، راه حل‌های عملی‌تر، کاراتر و مقرون به صرفه‌تری ارائه می‌کرد. در همین بازه زمانی، این روش در بیشتر کشورهای آمریکای جنوبی و مخصوصا در برزیل مورد استقبال قرار گرفت.

 

کاربردهای روش جت گروتینگ

روش تزریق پر فشار در محدوده وسیعی از خاک­ها جهت بهسازی و پایدارسازی خاک قابل استفاده می باشد. روش جت گروتینگ، کاربردهای مختلفی دارد که به چند نمونه اشاره می گردد:

  • ترمیم و بازسازی پی ها
  • سازه نگهبان جهت پایدارسازی گودها
  • آب بندی گودها و سازه های زیر سطح آب زیرزمینی
  • دوخت به کف (Underpinning)
  • دیوار آب بند سد و خاکبرداری
  • به عنوان پی سازه در خاک‌های سست
  • بهسازی و افزایش ظرفیت باربری پی های سازه های موجود
  • استفاده به جای شمع
  • کنترل وکاهش خطر روانگرایی در خاک‌های سست و اشباع
  • پایدارسازی شیروانی‌ها
  • تثبیت خاک و سنگ اطراف تونل

افزایش ظرفیت باربری فونداسیون سازه موجود به روش جت گروتینگ

مبانی طراحی روش تزریق پرفشار یا جت گروتینگ

هدف اصلی از طراحی و استفاده از ستون های جت گروتینگ افزایش ظرفیت باربری خاک در فشار و برش، کاهش نشست، مقابله با اثرات روانگرایی و کاهش نفوذپذیری خاک می باشد. در هریک از اهداف مذکور مطابق با روابط مربوطه محاسبات صورت می ‏گیرد. بطور کلی میتوان رفتار ستون های جت گروتینگ را مشابه شمع با لحاظ کردن مقاومت جدار و نوک از نظر ژئوتکنیکی در نظر گرفت. همانند روند طراحی ستون های اختلاط عمیق، ظرفیت این ستون ها عبارت است از حداقل ظرفیت ژئوتکنیکی و سازه ای مجاز.

در تعیین ظرفیت سازه ای ستون ها، مقاومت فشاری محصور نشده مخلوط خاک و سیمان حاصل از این روش اهمیت بالایی دارد. .ظرفیت سازه ای ستون ها را میتوان براساس مقاومت تک محوره بدست آمده از ستون ها و یا بارگذاری بزرگ مقیاس ستون ها محاسبه کرد.

لازم به ذکر است که می توان یکی از ستون ها را بطور آزمایشی در خاک پروژه اجرا کرد و مقاومت 28 روزه نمونه های اخذ شده در اعماق مختلف را اندازه گیری کرد و در نهایت طرح ابتدایی را بر اساس نتایج بدست آمده از آزمایش ها اصلاح کرد. باید توجه داشت که مقاومت فشاری خاک سیمان رابطه مستقیمی با جنس خاک و میزان سیمان بکار رفته در گروت دارد.

 

روش اجرای جت گروتینگ

روش جت‌گروتینگ با عملکرد انجمادی (Solidification) به طور همزمان موجب افزایش مقاومت، کاهش نفوذپذیری و کاهش پتانسیل نشست خاک می‌گردد. روش کار بدین صورت است که ابتدا دستگاه تا عمق مورد نظر در داخل خاک نفوذ می‌کند. سپس جتِ دوغابِ سیمان با سرعت بسیار زیاد، از نازل تعبیه شده در نوک حفار به سمت بیرون جریان می‌یابد. همزمان با خروج جت، حفار با سرعت مشخصی دوران می‌کند. بدین ترتیب جتِ دوغابِ خروجی با عملکرد تخریب و اختلاط، خاک محل را به صورت درجا تثبیت می‌کند. شعاعی از خاک که تحت تاثیر تزریق جت قرار گرفته، شعاع تاثیر نامیده می شود و به عواملی نظیر فشار تزریق، زمان تزریق، مقاومت برشی برجای خاک، اندازه نازل ها و وزن مخصوص دوغاب تزریق بستگی دارد.

مراحل اجرای روش جت گروتینگ

در این روش که تنها با ابزار پیشرفته قابل اجراست، توده ها یا به عبارتی ستونهایی مدفون از مخلوط خاک و سیمان به وسیله پمپ تزریق مخصوص با فشار بسیار بالا ( فشار ۳۰۰ تا ۸۰۰ بار) در محل تولید می شود.

یکی از بزرگترین مزیت های استفاده از روش جت گروتینگ، امکان تحکیم در زمین با وجود آب زیرزمینی می باشد. وجود آب زیرزمینی در خاک باعث ایجاد هیچگونه مشکلی در اجرای جت گروتینگ نمی باشد.

لازم به ذکر است که با تغییر پارامترهایی از جمله استفاده از افزودنی های مختلف در دوغاب و حتی مسلح کردن ستون جت گروت، می توان به دامنه کاربرد جت گروتینگ ، وسعت و تنوع بیشتری افزود.

معمولاً، سه شیوه جهت اجرای تزریق پرفشار وجود دارد که بر اساس تعداد سیال­ های مورد استفاده، تقسیم ­بندی می ­شوند. این سه روش عبارتند از سیستم تک سیال، دو سیال و سه سیال. انتخاب بهترین روش عموماً به نوع خاک، خواص فیزیکی و نوع کاربری موردانتظار از توده خاک سیمان بستگی دارد. لازم به ذکر است نوع اتصالات (واترسویل و …) و نازل (مانیتور) در سه روش مذکور متفاوت است.

روش تک سیال، دو سیال و سه سیال جهت تزریق پرفشار

مزایای روش جت گروتینگ

روش تزریق پر فشار، گاهی مواقع جایگزین مناسبی برای روش های بهسازی مثل پیش بارگذاری، اجرای شمع و روش های دینامیکی می باشد. بر خلاف بسیاری از روش‌های بهسازی و پایدارسازی، روش جت‌گروتینگ می‌تواند در گستره عظیمی از خاک‌ها مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این روش تزریق پر فشار در سنگ‌های نرم و خاک‌های با دانه‌های بزرگتر از ۳۰۰ میلی‌متر مورد استفاده قرار گرفته و نتایج مثبتی داشته است.

با توجه به وجود زمین های ساحلی سست و نشست پذیر در ایران که مستعد پدیده های روانگرایی و نشست می باشند نیاز به بهسازی بستر کاملاً مشهود است که میتوان روش تزریق پر فشار که در بازه وسیعی از خاک ها قابل استفاده است را گزینه مناسبی جهت بهسازی چنین خاک هایی دانست.

از جمله مزایای این روش می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

  • تبدیل زمین به بخشی از سیستم خاک – سازه
  • امکان کنترل و تأیید کیفی کار
  • هزینه کمتر تجهیز کارگاه نسبت به موارد مشابه نظیر اجرای شمع
  • سرعت اجرای بسیار بالا
  • هزینه اجرای کمتر نسبت به موارد مشابه
  • تولید صدا و ارتعاش کمتر در محیط شهری نسبت به روش های مشابه
  • کاهش نفوذپذیری خاک
  • افزایش مقاومت خاک
  • کاهش نشست خاک بر اثر سربار
  • جلوگیری از روانگرایی
  • اصلاح زمین به صورت درجا

 

تجهیزات اجرای روش جت گروتینگ

تجهیزات اصلی برای اجرای این روش عبارتند از:

  • سیلو
  • تجهیزات اختلاط
  • پمپ با فشار بالا
  • پمپ مخلوط تزریق (روش تک سیاله و دو سیاله)
  • کمپرسور (روش دو سیاله و سه سیاله)
  • تجهیزات حفاری

تجهیزات روش جت گروتینگ

کنترل کیفی

یکی از نکات مهم در روش های پایدارسازی و بهسازی خاک بررسی شرایط نهایی اجرا می باشد که به آن کنترل کیفی می گویند. کنترل کیفی، اجرایی شدن فرضیات طراح را در محل پروژه مورد آزمایش قرار می دهد.  بر اساس استانداردهای جهانی (ASCE,EN) کنترل کیفی در روش جت گروتینگ بر روی ستون های آزمایشی و اصلی قابل انجام است. بدین منظور ستون های آزمایشی با مقادیر مختلف فشارِ تزریق، گام های تزریق و طرح اختلاط های مختلف اجرا شده و اطلاعات تزریق به طور دقیق ثبت می گردد.

پس از تعیین قطر و مقاومت ستون های آزمایشی، مقادیر پارامترهای ستونی که قطر و مقاومت مساوی فرضیات طراحی دارد را انتخاب کرده و ستون های تزریق پر فشار پروژه با آن پارامترها اجرا می گردد.

آزمایش ‏ها و کنترل ‏های لازم در مرحله ساخت ستون‏ های نهایی، عبارتند از:

  • آزمایش‏ های کنترل مصالح پیش از گیرش
  • آزمایش ‏های کنترلی پس از گیرش
  • آزمایش ‏های بزرگ مقیاس

روش جت گروتینگ جهت بهسازی خاک