بهسازی خاک فرآیند افزایش کیفیت زمین (خاک یا سنگ) است. به عبارت دیگر در اثر این فرآیند پارامترهای مکانیکی و مقاومتی زمین افزایش پیدا می­ کند. در برخی موارد نیز هدف بهسازی خاک با اضافه کردن برخی از المانها به عنوان المان تسلیح تأمین می ­گردد. در چنین شرایطی بهبود پارامترهای مکانیکی یا مقاومتی زمین مورد نظر نیست. در برخی از روشهای بهسازی نیز از مزیت هر دو رویکرد بهره گرفته می­ شود. 

روشهای متعددی برای بهسازی خاکها وجود دارد که از آن جمله می­توان به انواع روشهای تراکم، روشهای اختلاط و تثبیت خاک، انجماد زمین، هدایت آب زیرزمینی، انواع روشهای تزریق، انواع روشهای ارتعاش عمیق شامل ستونهای سنگی یا شنی و اضافه کردن المانهای متعدد تسلیح کننده اشاره نمود. جدول 1 دسته­ بندی کلی از انواع روشهای بهسازی خاک ارائه می­ دهد.

 

جدول 1- دسته­ بندی انواع روشهای بهسازی خاک

 

در شرایطی که مشخصات زمین برای احداث سازه و تحمل بارهای وارده نامطلوب باشد، مهندس طراح می ­تواند با در نظر گرفتن امکانات موجود، شرایط ساختگاه، نوع سازه، عوامل زمانی و اقتصادی و ... یک یا چند روش را برای  بهسازی خاک یا سنگ در نظر بگیرد.

گزارش حاضر به معرفی روش ستونهای سنگی یا شنی در بهسازی خاکها می ­پردازد. در حال حاضر روش ستونهای سنگی در گستره وسیعی از انواع خاکها به ویژه خاکهای ضعیف اجرا می­ شوند، هر چند که کاربرد اصلی آنها در خاکهای ریزدانه یا با درصد ریزدانه بالاست. ستونهای سنگی ظرفیت باربری خاکهای غیرچسبنده سست را افزایش می­ دهند و عملکرد آنها به عنوان زهکش در این نوع خاکها اهمیت چندانی ندارد. اما در شرایطی که توده خاک محل روانگرا باشد، علاوه بر رفع پتانسیل روانگرایی با کاهش میزان تخلخل توده خاک، عملکرد زهکشی ستونهای سنگی نیز مورد توجه است. در خاکهای چسبنده نیز علاوه بر افزایش ظرفیت باربری، نشست تحکیمی در اثر بارهای وارده به طور قابل توجهی کم شده و زهکشی آن با سرعت بیشتری صورت می ­پذیرد .

اگرچه ستونهای سنگی به عنوان یک  روش مناسب برای بهسازی خاکها شناخته می ­شوند، اما طراحی آنها بدون توجه به مفاهیم و فلسفه رفتاری آنها منجر به عدم کاربری مناسب آنها خواهد شد . نکته­ ای که مهم است این است که فلسفه رفتاری ستونهای سنگی در خاکهای مختلف با همدیگر تفاوت دارد.

یکی از اهداف اصلی طراحی ستونهای شنی یا سنگی، تحمل بخش اصلی بارهای وارده از سازه سطحی است. در چنین شرایطی ستون سنگی احداث شده تحت اثر بار روسازه کرنش جانبی یا شعاعی پیدا کرده و نیروهای مقاوم در خاک اطراف بسیج می ­شوند. در خاکهای ریزدانه رسی، احداث ستون سنگی شامل جایگزینی بخشی از خاک و ایجاد مقداری تراکم در توده خاک اطراف است. در حالی که در خاکهای درشت دانه میزان تراکم به وجود آمده در خاک اطراف قابل توجه است.

ستونهای سنگی به طور کلی به دو صورت زیر اجرا می­شوند:

1. روش ستونهای سنگی ارتعاشی (Vibro stone columns)

    2.1. روش ارتعاش جابجایی (Vibro-displacement)

    2.2. روش ارتعاش جایگزینی (Vibro-replacement)

2. روش ستونهای سنگی کوبشی (Bored rammed system)

در این گزارش سعی بر این است که یک تفکیک مناسب بین ستونهای سنگی ایجاد شده در خاکهای مختلف و مکانیزمهای رفتاری آنها به وجود آید و از هر نوع خلط مفهومی بین آنها جلوگیری شود. چنین درک و دریافتی در طراحی آنها مفید و موثر خواهد بود.

 

1. روش ستونهای سنگی ارتعاشی

روش ستونهای سنگی ارتعاشی، توسعه یافته روش «ارتعاش شناوری» (vibro-flotation) است. بنابراین بهتر است در ابتدا توضیحاتی درباره روش ارتعاش شناوری داده شود. این روش در سال 1930 در اروپا به عنوان یک روش اقتصادی برای متراکم کردن خاکهای دانه ­ای معرفی شد. با به کارگیری تجهیزات جدید و پذیرش عمومی روش ارتعاشی، استفاده از این روش در بهسازی انواع خاکها توسعه پیدا کرد. امروزه روشهای مختلف ارتعاشی به منظور تامین اهداف زیر در پروژه­ های مختلف مهندسی استفاده می­ شوند:  

-         افزایش سختی زمین و کاهش یا کنترل میزان نشست

-         افزایش پارامترهای مقاومتی زمین و در نتیجه افزایش ظرفیت باربری نهایی آن

-         تسهیل ساخت و ساز در سواحل بر روی خاکریزهای داخل آب و مناطق استحصال شده

-         کاهش پتانسیل روانگرایی

-         استفاده به عنوان المان باربر به جای پی­ های عمیق مانند شمعها و ریزشمعها

تراکم ارتعاشی روشی است که در آن خاکهای دانه ­ای سست، مانند خاکهای ماسه­ ای و شنی تمیز، تحت اثر لرزشهای اعمالی آرایش قبلی خود را از دست داده و در متراکم­ترین حالت قرار می­ گیرند. در این روش، میله مرتعش یا ویبراتور به همراه جت آب تحت فشار در داخل خاک نفوذ می­کند (شکل 1 و شکل 2). 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 متراکم­ترین حالت قرار می ­گیرند (شکل 3). از آنجایی که قرارگیری دانه­ ها در کنار همدیگر بدون اعمال تنش خاصی صورت می ­پذیرد، تراکم بدست آمده پایدار خواهد بود.

 

 

شکل 1- میله مرتعش یا ویبراتور

 

شکل 2- میله مرتعش یا ویبراتور

 

 

شکل 3- مفهوم پدیده تراکم در خاکهای دانه ­ای

 

در خاکهایی که مقدار ریزدانه آنها زیاد است، روش ارتعاش شناوری به گونه­ ای دیگر کاربرد دارد و نتیجه آن ایجاد ستونهای شنی یا سنگی در این گونه خاکها خواهد بود (شکل 4). در این حالت بهسازی خاک و احداث ستونهای سنگی به دو روش «ارتعاش جایگزینی» یا «ارتعاش جابجایی» صورت می­پذیرد که در قسمت بعد توضیح داده می­شود. 

 

شکل 4- محدوده اجرای انواع روشهای ارتعاشی

 

شکل 5، روش اجرای مرحله به مرحله تراکم ارتعاشی را نشان می ­دهد. میله مرتعش یا ویبراتور بصورت معلق از جرثقیل آویزان می ­شود و تحت اثر وزن خود و با کمک جت آب یا جت هوا در داخل خاک نفوذ می­ کند. در مجاورت میله مرتعش خاک دانه ­ای به حالت روان در می ­آید. با نفوذ ویبراتور تا عمق بهسازی و با بالا آمدن آهسته آن، تراکم واقعی خاک آغاز می­ شود. بدین ترتیب اثر تراکم در سطح زمین نمودار می­ شود و یک حفره مخروطی شکل بزرگ در اطراف نقطه نفوذ ویبراتور تشکیل می­ گردد (شکل 6). بعد از حدود 2 دقیقه از قرار گیری ویبراتور در پایین ترین نقطه، ویبراتور به اندازه 30 تا 50 سانتیمتر بالا آمده و سپس عملیات تراکم تکرار می­ شود و متعاقب آن مصالح دانه­ ای مناسب از سطح زمین در داخل چاله تراکم ریخته می ­شود. بدین ترتیب با بالا آمدن آهسته ویبراتور، تراکم یکنواخت و پیوسته در توده خاک ایجاد می­ گردد و کاهش حجم خاک با مصالح دانه­ ای مناسب جبران می­ شود. افزودن مصالح دانه ­ای، وزن مخصوص خشک خاک را به طور تقریبی 10 تا 15% افزایش می­ دهد. در سطح زمین نیز نشستی به میزان 5-15% عمق تراکم ایجاد خواهد شد. مقدار نشست سطح زمین به میزان تراکم خاک قبل و بعد از بهسازی بستگی دارد. شکل 8 مثالهایی از شبکه نقاط تراکم را نشان می ­دهد. حداکثر عمق اجرایی برای تراکم ارتعاشی نیز در حدود 30 متر است و بیش از آن صرفه اقتصادی ندارد.

 

شکل 5- مراحل اجرای روش تراکم ارتعاشی

 

شکل 6- تشکیل حفره مخروطی شکل در اطراف ویبراتور در حین عملیات تراکم ارتعاشی

 

شکل 7- عملیات تراکم ارتعاشی

 

شکل 8- نمونه­ ای از آرایش نقاط تراکم برای روش تراکم ارتعاشی (شکل باز ترسیم شده)

 

1-1- ستونهای سنگی ارتعاشی- روش ارتعاش جایگزینی (Vibro-replacement)

یکی از متداولترین روشهای احداث ستونهای سنگی، روش «ارتعاش-جایگزینی» است که به طور معمول در خاکهای رسی عادی تحکیم یافته، خاکهای دارای مصالح ارگانیک، سیلتهای اشباع و خاکهای آبرفتی به کار می­ رود .در این روش توده خاک ضعیف با مصالح دانه ­ای مناسب جایگزین می ­شود و چون قطر چاله حفر شده بزرگتر از اندازه ویبراتور است تراکم قابل توجهی در خاک اطراف به وجود نمی ­آید. از طرفی به دلیل ناپایدار بودن چاله حفاری در خاکهای ضعیف، بایستی از سیستم جت آب استفاده شود تا خاک حفاری شده با فشار به بیرون رانده شده و گِل ناشی از مصالح ریزدانه، سرتاسر جداره را تحت پوشش قرار داده و پایداری آن را تأمین نماید. از اینرو این روش به عنوان روش مرطوب ستونهای سنگی نیز نامیده می­ شود.

همانطوری که اشاره شد ستونهای سنگی در حال حاضر می­ توانند در محدوده وسیعی از خاکها اجرا شوند. بنابراین لازم است که این نکته تذکر داده شود که در روش جایگزینی استفاده از جت آب به نوعی الزامی است، هر چند پایداری دیواره بدون حضور جت آب نیز تأمین گردد و این بدین خاطر است که مصالح حفر شده در خاک بایستی از محل نفوذ ویبراتور به بیرون رانده شود.

روش ارتعاش-جایگزینی در خاکهای رسی با مقاومت زهکشی نشده 7 کیلو پاسکال نیز با موفقیت اجرا شده­ است، اما به طور معمول نباید در خاکهایی که مقاومت برشی زهکشی نشده آنها کمتر از 14 کیلو پاسکال است استفاده شود؛ زیرا در چنین شرایطی مقاومت جانبی لازم برای عملکرد مناسب ستونهای سنگی وجود نخواهد داشت. این روش به عنوان یک روش بهسازی برای نهشته­ های عمیق رس و لای دارای مصالح ارگانیکی زیاد مناسب نیست.   احداث ستونهای سنگی در نقاط متعددی در داخل خاک رس صورت می­ پذیرد. قطر هر ستون به طور معمول برابر با 0.9 متر است اما این قطر از 0.5 تا 1.5 متر تغییر می­ کند. حداکثر مقدار قطر به مشخصات خاک رسی بستگی دارد و هر ستون می­تواند باری در حدود 30 تن را تحمل نماید.

در خاکهای نرم، المان مرتعش با کمک جت آب در داخل خاک نفوذ می­ کند و در نتیجه چاله ­ای بزرگتر از اندازه ویبراتور تشکیل می ­شود. آویزان شدن ویبراتور از جرثقیل، این اطمینان را به وجود می­ آورد که چاله حفر شده قائم است. المان مرتعش تا عمق مورد نظر نفوذ می ­کند و سپس به طور آهسته بیرون کشیده می ­شود. با خروج ویبراتور مصالح درشت دانه از بالای چاله به داخل آن ریخته شده و از فضای خالی بین ویبراتور و دیواره گودال عبور کرده و در انتهای گودال توسط ویبراتور متراکم می­ شوند. بنابراین همانطوری که در بخش قبل اشاره گردید روش رایج احداث ستونهای سنگی «جایگزینی» به صورت «تغذیه از بالا» است. البته این بدان معنی نیست که احداث این ستونها با روش «تغذیه از پایین» صورت نمی­ پذیرد. شکل 9 مراحل ساخت ستونهای شنی «جایگزینی» را نشان می ­دهد. با ایجاد تراکم، خاک اطراف به صورت جانبی تغییر مکان می­ دهد. این فرآیند در گامهای متوالی 1 متری صورت می­ پذیرد و نهایتاً ستون سنگی تشکیل می­ شود. به طور کلی ابعاد دانه­ ها در مصالح خاکریز از 5 تا 100 میلیمتر تغییر می­ کند و مقدار ذرات ریزتر از 5 میلیمتر نباید بیشتر از 15% باشد. در برخی مراجع نیز ابعاد دانه­ ها از 30 تا 80 میلیمتر ذکر شده است.

 

شکل 9- مراحل ساخت ستونهای شنی یا سنگی جایگزینی- روش مرطوب تغذیه از بالا

فرآیند تراکم مصالح خاکریز در داخل چاله همراه با خروج جت آب از بدنه ویبراتور، ممکن است موجب به وجود آمدن گسیختگیهای موضعی در خاک ریزدانه اطراف شود، به ویژه زمانی که خاک اطراف حساس باشد. مصالح گسیخته شده، با جریان آب از داخل گمانه خارج شده و قطر چاله افزایش پیدا می­کند و مصالح خاکریز بیشتری مورد نیاز خواهد بود.

 

2-1- ستونهای سنگی ارتعاشی- روش ارتعاش جابجایی (Vibro-displacement)

روش «ارتعاش-جابجایی»، روش خشک احداث ستونهای سنگی در خاکهای رسی غیرحساس است. منظور از روش خشک این است که از جت آب در طی فرآیند ساخت استفاده نمی­ شود. در این نوع خاکها حداقل مقدار مقاومت برشی زهکشی نشده برابر با 20 کیلو پاسکال است.روش خشک در شرایطی به کار می ­رود که چاله پایدار باقی بماند و خطر نفوذ آب زیرزمینی به داخل آن وجود نداشته باشد. این روش در خاکهای رسی غیراشباع بسیار موثر است. در این روش، جابجایی خاک اطراف در اثر تراکم، موجب افزایش مقاومت خاک بین ستونهای سنگی خواهد شد. چنین چیزی در روش «ارتعاش-جایگزینی» وجود ندارد یا اثر آن بسیار کم است. به طور مثال در صورتی که فاصله بین ستونها برابر با 1.5 متر باشد، افزایش مقاومتی در حدود 1.5 برابر حاصل خواهد شد.

در طی فرآیند احداث ستون سنگی، ویبراتور با برش و جابجایی خاک اطراف در آن نفوذ می­ کند و به دلیل اینکه به طور کامل با چاله در تماس است، هیچگونه فضای حلقوی بین ویبراتور و چاله برای ریختن مصالح خاکریز وجود ندارد. بنابراین لازم است که ویبراتور بیرون کشیده شده و سپس مصالح خاکریز به صورت تغذیه از بالا در داخل چاله ریخته شود. ستونهای سنگی ارتعاش-جابجایی به صورت تغذیه از پایین نیز احداث می­ شوند. در این روش، نوع ویبراتور اندکی تفاوت می­ کند و تغذیه مصالح سنگی از طریق لوله­ ای که در بدنه آن تعبیه شده است صورت می­ پذیرد (شکل 10). در این نوع ویبراتورها تجهیزات ویژه­ ای برای تغذیه و پر کردن چاله استفاده می­ شود که اصطلاحاً آن را vibrocat می­ نامند. شکل 11 نمونه ­ای از یک vibrocat را نشان می­ دهد.

 

شکل 10- تفاوت بین ویبراتورهای تغذیه از بالا و تغذیه از پایین (شکل باز ترسیم شده)

 

 

شکل 11- ویبراتور تغذیه از پایین به همراه vibrocat

 

شکل 12 مراحل احداث ستونهای سنگی در روش تغذیه از پایین را نشان می ­دهد. در مرحله اول، بعد از جایگیری دستگاه در نقطه مورد نظر، مصالح سنگی توسط لودر در محفظه vibrocat ریخته می ­شوند. ابعاد دانه­ های سنگی یا شنی در روش تغذیه از پایین بین 10 تا 40 میلیمتر است. این محفظه توسط جرثقیل بالا برده شده و آماده خوراک دهی برای ویبراتور می­ گردد. این خوراک دهی در اکثر موارد با جت هوای فشرده همراه است. در مرحله بعد ویبراتور تا عمق طراحی نفوذ می­ کند و خاک اطراف دچار تغییر شکل و جابجایی می­شود. در مرحله سوم، مصالح سنگی از نوک ویبراتور با کمک هوای فشرده خارج شده و با تراکم ناشی از حرکتهای رفت و برگشتی ویبراتور، ستون سنگی مرحله به مرحله ایجاد می­ گردد. در مرحله پایانی بعد از احداث مجموعه ستونهای سنگی، سطح زمین با استفاده از لودر و غلتکهای ویژه تسطیح شده و بعد از آن عملیات ساختمانی شروع خواهد شد.

 

شکل 12- مراحل ساخت ستونهای شنی یا سنگی جابجایی- روش خشک تغذیه از پایین

 

2. روش ستونهای سنگی کوبشی

ستونهای سنگی کوبشی به طور خاص در خاکهای رسی غیر حساس کاربرد دارد. فرآیند احداث ستونهای سنگی کوبشی شامل سه مرحله کلی است که عبارتند از :

1. حفاری چاله ستون سنگی
2. احداث حباب مقاوم تحتانی
3. احداث ستون سنگی

بعد از حفاری چاله ستون سنگی، مصالح شنی خوب دانه بندی شده در لایه های 30 سانتیمتری در گودال ریخته شده و توسط چکش ویژه­ ای کوبیده می­ شوند. این چکش می­ تواند به صورت سیستم دستی وینچ و طناب بوده و یا از نوع هیدرولیکی باشد (شکل 13). چکش هیدرولیکی می­ تواند انرژی معادل با 1 تا 2 میلیون پوند-فوت در هر مرحله وارد نماید که تعداد ضربات آن در حدود 400 ضربه در هر دقیقه خواهد بود. در نتیجه تراکم ناشی از چکش در مرحله اول، حباب مقاوم تحتانی شکل می­گیرد که باعث جابجایی خاک ریزدانه به طور جانبی و به سمت پایین می­ شود. بعد از آن، ستون سنگی مرحله به مرحله ساخته می­ شود و در اثر تراکم اعمالی خاک اطراف به صورت جانبی تغییر شکل می­ دهد. در صورتی که خاک اطراف مقاومت لازم برای پایداری جداره گودال بعد از حفاری را نداشته باشد، استفاده از کیسینگ الزامی خواهد بود. در این صورت هنگام ریختن مصالح شنی در داخل چاله، کیسینگ به آرامی و مرحله به مرحله بیرون کشیده می­ شود

 

شکل 13- نمونه ­ای از چکش هیدرولیکی مورد استفاده در ساخت ستونهای سنگی کوبشی