ستون‌های سنگی یا شنی

روش تراکم ارتعاشی یا ستون شنی ارتعاشی یا ستون سنگی، توسعه یافته روش ارتعاش شناوری (vibro-flotation) است. این روش مشتمل بر سه مرحله حفاری، تراکم و تسلیح و اجرای بالشتک شنی می باشد. در این روش، خاک های دانه ­ای سست، مانند خاک های ماسه­ ای و شنی تمیز، تحت اثر لرزش های اعمالی آرایش قبلی خود را از دست داده و در متراکم ­ترین حالت قرار می­ گیرند. در این روش، میله مرتعش (ویبراتور) به همراه جت آب تحت فشار در داخل خاک نفوذ می­ کند. ذرات خاک در مجاورت میله مرتعش کننده از هم جدا شده و تنش موثر بین آنها به صفر می­ رسد و در داخل آب به حالت شناور در می­ آیند. این ذرات در اثر حرکات میله مرتعش و در اثر وزن خود در متراکم ­ترین حالت قرار می ­گیرند. از آنجایی که قرارگیری دانه­ ها در کنار همدیگر بدون اعمال تنش خاصی صورت می ­پذیرد، تراکم بدست آمده پایدار خواهد بود.

اجرای روش ستون شنی ارتعاشی جهت بهسازی خاک

طی اجرای روش ستون شنی در خاک های سست، در نقاط معلوم و در یک شبکه منظم، ستون های متراکمی که دارای دانه بندی مناسبی نیز می باشند، ایجاد می گردد که در حقیقت از جایگزینی و متراکم شدن جزئی و نسبی توده خاک موجود ساختگاه و مصالح شن و ماسه ای با دانه بندی مناسب، حاصل شده اند.

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 پیمانکاران بهسازی خاک نیستند. طبق تجارب عملی پیمانکاران بهسازی خاک، تحکیم خاک و افزایش پارامترهای 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.

تاریخچه ستون شنی

ظاهرا اجرای روش ستون شنی در سال ۱۸۳۰ توسط یک پیمانکار بهسازی خاک فرانسوی بر روی خاک محلی اجرا شده است. روش اجرای ستون شنی در اروپا پس از سال ۱۹۵۰ به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. در ایالات متحده آمریکا نیز در سال ۱۹۷۰ روش اجرای ستون شنی بطور محدود اجرا شد. به هر حال تا پیش از سال ۱۹۸۲ روش ستون شنی در ۲۱ مورد از پروژه های بهسازی خاک فعال در آمریکا به طور موفق در زمینه های ذیل اجرا شدند:

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

۲ – 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.

۳ – بهسازی خاک محل احداث کتابخانه ۷ طبقه، داروخانه ۲ طبقه، انبار، تاسیسات کشتی سازی، تاسیسات فاضلاب، پارکینگ و ساختمان های گوناگون اداری با استفاده از روش ستون شنی.

۴ – بهسازی خاک محل احداث منابع ذخیره LNG و یا منابع آب با ظرفیت ۵ میلیون متر مکعب با استفاده از روش ستون شنی.

۵ – 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 ۴۰ 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 می گرفت. 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 می شود. به محض خارج کردن لوله از گمانه لایه ماسه ای بعدی ریخته می شود. استفاده از این روش خصوصا در تقویت خاکریزها بسیار مفید است. در کشور ژاپن از این روش به وفور در پایدارسازی خاکریزها، شالوده منابع ذخیره مواد و سازه ها استفاده می شود.

شماتیک اجرای ستون شنی

کاربردهای روش ستون شنی یا سنگی

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

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

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

۳ – 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

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

۵ – 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 ۱۵ درصد ساخته می شوند، استفاده می شود. 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.

محدوده دانه بندی استفاده از روش جایگزینی ارتعاشی و تراکم ارتعاشی

کاربردهای عمده استفاده از روش ستون شنی در بهسازی خاک محل احداث جاده ها و بزرگراه ها به قرار زیر است:

۱ – استفاده از روش ستون شنی (یا ستون متراکم شده ماسه ای) راه حل جایگزین عملی در تقویت خاکریزهای جاده ایست آنجایی که روش های متداول به دلیل دغدغه های پایداری قابل اجرا نیستند. کارایی استفاده از روش ستون شنی می تواند 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 می تواند 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 می تواند شامل اضافه نمودن یک یا چند خط 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.

افزودن مصالح درشتدانه جهت افزایش ظرفیت باربری و کاهش پتانسیل نشست خاک

مبانی طراحی روش ستون شنی

بسته به مشکل خاک سست، طراحی ستون شنی متفاوت خواهد بود:

  • اگر هدف افزایش ظرفیت باربری باشد، مقاومت فشاری ستون شنی همانند یک شمع در محاسبات لحاظ می گردد.
  • اگر هدف کاهش نشست باشد، می بایست با محاسبه مدول الاستیسیته سیستم خاک – ستون شنی، محاسبات را انجام داد.
  • اگر هدف رفع مشکل روانگرایی باشد، می بایست کاهش فشار آب حفره ای ایجاد شده توسط ستون های شنی در محاسبات در نظر گرفته شود.

روش اجرای ستون شنی به منظور بهسازی خاک

روش ستون شنی ارتعاشی مشتمل بر سه مرحله حفاری، تراکم و تسلیح و اجرای بالشتک شنی می باشد که به طور شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.

مراحل اجرای روش ستون شنی

همانگونه که در شکل مشخص است، تجهیزات اصلی اجرای ستون ­های شنی عبارت از یک المان میله‌ای مرتعش با قطر ۳۰ تا ۴۰ سانتیمتر، طول ۲ تا ۴ متر و وزن ۲ تا ۳ تن می باشد که درون خاک فرو ‌می رود. فرکانس ارتعاش افقی (و در برخی موارد قائم) این میله مرتعش که به نام های متعددی نظیر Probe ،‌Vibrator، Vibroflot، Pocker و ….. شناخته شده، حدود ۳۰ تا ۵۰ هرتز و دامنه ارتعاش آزاد آن، بین ۷ تا ۲۵ میلیمتر می باشد. در این حالت نیروی افقی گریز از مرکز حاصله حدود ۱۰ الی ۲۰ تن خواهد بود. تصویر نمونه ­ای از دستگاه ویبروفلات درشکـل زیر نشان داده شده است.

وقتی از فشار آب در روند اجرای ستون شنی به منظور بهسازی و یا تحکیم خاک استفاده می شود این پروسه اجرای ستون شنی با روش جایگزینی ارتعاشی (Vibro Replacement or wet process) یا اجرای تر ستون شنی نامیده می شود. 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 می شود. امروزه بهسازی خاک با روش تر عمدتا در ایالات متحده آمریکا انجام می شود، گرچه هر دو روش اجرای ستون شنی چه خشک و چه تر در در اروپا و کانادا انجام می شود. این روشهای اجرای ستون شنی به منظور بهسازی و تحکیم خاک عمدتا از اواخر سال ۱۹۵۰ در خاکهای حاشیه ساحلی به انجام می رسد.در بهسازی خاک به روش ستون شنی، خاک توسط استوانه ای مرتعش متراکم می شود 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 ۱۹۳۵ به منظور تراکم خاکهای غیر چسبنده و دانه ای مورد استفاده قرار می گرفت. گرچه که هر پیمانکار اجرای ستون شنی استوانه مرتعش را با عبارتی نامگذاری می کند اما آنها را عموما وایبرو فلوت، Vibroflot یا پوکرPoker می نامند. چرخش خارج از مرکز وزنه هایی در داخل بدنه استوانه ای که توسط موتورهای هیدرولیکی یا برقی می چرخد باعث ایجاد ارتعاش در دماغه استوانه ای دستگاه وایبروفلوت می شود. 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 می شود. اما در بهسازی خاک با استفاده از ستون شنی در روش خشک که می توان از فشار هوا نیز استفاده کرد دستگاه وایبروفلوت همزمان با نفوذ به داخل خاک باعث جابجایی خاک محل به اطراف می شود. 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 می شود.

اجرای ستون شنی به روش خشک

مراحل ساخت ستونهای شنی یا سنگی جابجایی- روش خشک تغذیه از پایین

استوانه دستگاه وایبروفلوت به منظور تحکیم و بهسازی خاک، قطری مابین ۳۰ تا ۴۶ 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 ۳۰ سانتی متری تا یک متر و بیست سانتی متری 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 می توان 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 می شود. در بهسازی خاک به روش ستون شنی لایه های شنی در هر مرحله اضافه و متراکم می شود 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 ۱۵ تا ۳۵ 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 می گیرند مابین ۲۰ تا ۵۰ تن می باشد. حضور ستون شنی باعث به وجود آمدن ترکیبی از مصالح با تراکم پذیری کمتر و مقاومت برشی بالاتر نسبت به خاک موجود در محل می شود. 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 می باشد. در هنگام وارد آمدن بارهای سربار در سطح زمین، خاک سست و ستون شنی ایجاد شده همراه هم به سمت عمق خاک حرکت می کنند که این مسئله باعث تمرکز تنش بیشتر در ستون شنی می شود. تمرکز تنش بیشتر در ستون شنی در درجه اول به دلیل سخت تر بودن ستون شنی نسبت به خاک اطراف می باشد. نیروی محوری وارد شده بر بالای ستون شنی باعث بوجود آمدن تورم بزرگی در عمقی در حدود ۲ تا ۳ برابر قطر ستون شنی در زیر سطح طبیعی زمین می شود. این تورم به نوبه خود باعث افزایش تنش در لایه های رسی اطراف ستون شنی می شود که این مسئله نیز باعث افزایش فشار همه جانبه بر ستون شنی می شود. 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.

زمانی که یک خاکریز بر روی زمین نرمی که ستون شنی در آن ایجاد شده است اجرا می شود تغییر شکل های جانبی در زمین زیر خاکریز ایجاد می شود 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.

حفاری و ویبره خاک محل جهت آماده سازی برای افزودن مصالح درشتدانه

مزایای روش ستون شنی

قابلیت اجرای سریع، آسان و ارزان ستون های شنی با این روش از یک سو و بهبود خواص فیزیکی – مکانیکی توده خاک حاصل از آن از سوی دیگر، باعث افزایش روزافزون اقبال عمومی جامعه مهندسی نسبت به آن گردیده، به طوری که تقریبا در کلیه عرصه های ساخت و ساز به ویژه موارد زیر استفاده موفق از این روش تجربه گردیده است:

افزایش ظرفیت باربری و کاهش نشست پذیری خاک بستر پی ها

کاهش پتانسیل روانگرائی

افزایش سرعت نشست تحکیمی خاک های ریزدانه

پایدارسازی شیب های طبیعی و یا مصنوعی (خاکریزها)

افزودن مصالح درشتدانه