خاک های مشکل آفرین و روش های بهسازی آن (1)

نویسندگان: مهندس علیرضا بقولی زاده (1)
دکتر سید مهدی ابطحی (2)




 

چکیده

در سال های اخیر رشد جمعیت و افزایش تقاضا برای تهیه ی مسکن موجب شده است، توسعه ی صنعت ساختمان شتابی روزافزون بگیرد و با وجودی که دانش و توان بالا بسیاری از اعضای جامعه ی مهندسی و صنعت ساختمان در کشور ما خود موضوعی برجسته و افتخارآمیز است، لیکن تهیه و تدوین مدارک و مستندات فنی ساختمان بر طبق استانداردها و آیین نامه و مقرررات ملی کُند گردیده است و نقطه ضعف آشکاری را در عرصه ی خدمات مهندسی ایجاد کرده است. با توجه به دلایل مذکور و رشد سریع ساخت و ساز در شهرهای بزرگ از جمله اصفهان بدون رعایت مسائل زمین شناسی و ژئوتکنیکی مشکلات فنی و مهندسی زیادی را به همراه داشته است که از جمله می توان به موارد ذیل اشاره کرد.
ریزش و یا ترک خوردگی ساختمان ها، نشست ناهمگون ساختمان، بالا آمدن سطح آب زیرزمینی که در نقاط پست می تواند مشکلاتی را برای پی ساختمان ها به وجود آورد، عدم تشخیص دقیق سازند مورد حفاری در پروژه ها نظیر مترو، عدم تشخیص گسل ها و پتانسیل لرزه خیزی آن ها در هنگام تعریف شهرهای جدید، روان گرایی خاک در هنگام زلزله و محل عبور گسل ها از زیر پروژه های عمرانی، عدم دقت به مکان دفن زباله های شهری و استقرار شهرک ها روی خاک های مسأله دار و مشکلات فراوان دیگری از این قبیل که اطلاع از خصوصیات زمین شناسی و ژئوتکنیکی محل انجام پروژه را امری اجتناب ناپذیر می سازد.
کلید واژه ها: خاک مسأله دار، ژئوتکنیک، تزریق، ریزش، گودبرداری، تراکم، تثبیت، مقاومت برشی.

مقدمه

این تحقیق با معرفی خاک های مشکل آفرین آغاز می گردد، سپس با توجه به نوع خاک و مشخصات آن راه کارهای مناسب جهت بهسازی اتخاذ می گردد.

خاک های واگرا

واژه ی رس در علم مکانیک خاک در دو مورد، یکی توصیف اندازه ی ذرات خاک و دیگری توصیف انواع خاک به کار برده می شود. در مورد اول کلمه ی رس بر آن دسته از ذرات خاک اطلاق می گردد که از 0/002 میلیمتر کوچک ترند، اما در حالت دوم، خاک رس خاکی است که چسبندگی و خواص خمیری ویژه ای دارد با این نگرش تمام ذرات با اندازه ی رس الزاماً کانی رس نیستند. بالا بودن درصد ذرات کانی های رس در یک خاک، بر ویژگی های آن خاک اثر می گذارد و میزان این تأثیر به نسبت درصد وزنی این ذرات در خاک بستگی دارد. خاصیت واگرا رس (Dispersivity) نیز عمدتاً از خواص ذرات رس و واکنش ان ها نسبت به آب و یا به عبارت دیگر از پدیده های فیزیکی - شیمیایی در سطح ذرات رسی ناشی می شود که به محض تماس یافتن این گونه خاک ها با آب حتی اگر سرعت جریان کم باشد شسته می شوند.

مشکلات ناشی از خاک های واگرا

وجود مقدار و نوع املاح موجود در خاک، یکی از مسائل مهمی است که همواره باید در انتخاب قرضه ی خاک های زیر دانه در نظر گرفت که عدم توجه به آن در اجرای سازه های آبی، مشکلات فراوانی را به وجود می آورد.
عمده ترین مسأله در خاک های واگرا، مسأله ی آب شکستگی های داخلی و مشکلات ناشی از آن است که به ویژه در سازه های آبی مطرح است، این پدیده در بسیاری از سدهای خاکی و خاکریزها، بستر کانال ها و سازه های آبی دیگری که بر روی این خاک ها ساخته شده است دیده می شود.

روش های شناسایی خاک های واگرا

شناسایی خاک های واگرا در بررسی های محلی

این مرحله از شناسایی، در بازدیدهای مقدماتی از محل و در ضمن بررسی های اولیه ی زمین شناسی در سطح منطقه صورت می گیرد.
در جاهایی که سطح زمین شیب نسبتاً تندی دارد، شناسایی خاک های واگرا آسان تر است. در این مناطق، بر اثر بارندگی ها و فرسایش سریع بریدگی های بسیار عمیق و مشخصی در سطح زمین به وجود می آید که مشخصه ی اصلی این گونه خاک هاست. از سوی دیگر در مناطق مسطح و کم شیب، تشخیص خاک های واگرا به سادگی میسر نیست. معمولاً در مناطق دربردارنده ی خاک های واگرا آثار آب شستگی از قبیل کانال های تنگ و عمیق طبیعی، خلل و خرج و حفره های بزرگ یا دیواره های عمودی جویبارها و تونل های آب شستگی های کوزه ای دیده می شود.

آزمایش های متداول در شناسایی خاک های واگرا

متداول ترین آزمون های شناسایی خاک های واگرا عبارت اند از:
1- آزمایش پین هول
2- آزمایش تعیین درصد نمک های محلول در آب
3- آزمایش هیدرومتری دوگانه
4- آزمایش کرامب
5- آزمایش استوانه ی چرخان
6- آزمون شاخص واگرایی
7- آزمایش جریان سطحی آب در کانال های کوچک
8- آزمایش تورم آزاد Free swellin Test

ملاحظات طراحی در مواجه با خاک های واگرا و روش های بهسازی

شناخت پدیده ی واگرایی و شناسایی خاک های واگرا باعث شده است که در انتخاب منابع قرضه خاک های ریزدانه ضوابط بیش تر و دقیق تری در نظر گرفته شود. پس به طور کلی اولین راه حلی که در مواجه به خاک های واگرا برسی می گردد، عدم استفاده از آن هاست. اما اگر استفاده از خاک های واگرا ضرورت داشته باشد، باید برای مقابله با پدیده ی آب شستگی در آن ها چاره ای اندیشید، که شامل بهبود با افزودن مواد شیمیایی مانند آهک، سولفات آلومینیوم، سنگ گچ آبدار به خاک یا مخزن سد یا استفاده از فیلتر در مواجهه با این گونه خاک ها است.

خاک های رمبنده (فروریزشی)

تعریف

این خاک ها از خاک های غیر اشباعی هستند که در هنگام اشباع شدن، تغییر حجم زیادی در آن ها به وجود می آید. این تغییر حجم می تواند ناشی از اعمال بار اضافی باشد و یا نباشد. شالوده ای که روی چنین خاک هایی احداث گردید در صورت اشباع درآمدن خاک به علت یک رطوبت غیر منتظره ممکن است تحت نشست زیاد و ناگهانی قرار گیرند. این رطوبت ممکن است ناشی از عوامل ذیل باشد:
الف) شکسته شدن لوله های آبرسانی
ب) نشست از لوله ی فاضلاب
ج) نشست از مخازن آب یا استخرها
هـ) بالا آمدن تدریجی تر از آب زیرزمینی
نشست خاک های رمبنده (فروریزشی) معمولاً باعث خسارت سازه ای قابل توجه می شود بنابراین شناسایی خاک های رمبنده در حین شناسایی صحرایی بسیار مهم است.
اکثر خاک های رمبنده ی طبیعی بادرفت هستند. بادرفت های خاک های محل و رسوب داده شده توسط باد مانند ماسه بادی و نهشته های خاکسترهای آتش فشانی هستند. این نهشته ها دارای نسبت تخلخل بزرگ و وزن مخصوصی کم هستند و چسبندگی آن ها صفر و یا ناچیز است. بسیاری از خاک های فروریزشی می توانند از خاک های برجا باشند، که حاصل هوازدگی سنگ های منشا می باشند.
نوع دیگری از خاک های رمبنده، رسوبات ناشی از سیلاب های گل آلود می باشند. این رسوبات در صورتی که خشک شوند دارای تخلخل بزرگ خواهند بود. [4]

خاک های مستقر بر روی زمین های دفن زباله

چون در نزدیکی مناطق شهری زمین کمیاب است، شاید استفاده از زمین های قبلی دفن زباله ضرورت پیدا می کند. زمین های زباله که اکنون مورد استفاده می گیرند، اغلب در مکان های مناسبی قرار داشته اند که معمولاً زمین ناهموار بود. و بدین ترتیب امکان تخلیه ی مواد در فرورفتگی ها و پوشاندن بعدی آن ها وجود داشته است. [3]
در حال حاضر مکان زمین های دفن زباله را باید طوری تعیین کرد که آلودگی آب زیرزمینی کنترل شود. معمولاً پوشاندن روزانه ی ابنوه زباله ها با لایه ای از خاک ضرورت دارد. روش خوب پوشاندن 6/0 تا 1 متر زباله با 15/0 تا 2/0 متر خاک متراکم در لایه های متناوب است. این کار ممکن است به دلیل تخلیه ی لوازم قدیمی، قطعات اتومبیل، نخاله های ساختمانی و ... همچنین مواد کوچک تر امکان پذیر نباشد.
به هنگام استفاده از زمین های دفن زباله برای ساختمان سازی بعدی، به دلیل تجزیه و یا تحکیم زباله ها، اجتناب از نشست بسیار دشوار است. مطمئناً به دلیل خصوصیت متنوع زباله ها و روش های مورد استفاده ساخت خاکریز نشست های ناهمسان خواهند بود. برای کاهش فشار ناشی از پی بر روی منطقه ی دفن زباله می توان خاکریزی بیش تری انجام داد. با این روش، تحکیم زمین دفن زباله سرعت و افزایش پیدا می کند و چنانچه وقت کافی وجود داشته باشد برای کاهش نشست های آینده روش مطلوبی است.
ضخامت خاکریز اضافی جهت کاهش تنش های روی منطقه ی دفن زباله در حدود 1/5 B است. برای سازه های سبکی همچون ساختمان های مسکونی یک یا دو طبقه، آپارتمان ها، ساختمان های دفتری و انبارها که ظرفیت باربری لازم تنها 25 تا 5 Kpa است، استفاده از پی های یکسره یا پیوسته (یا میلگردهای آرماتوربندی زیاد) ظرفیت باربر، کافی ایجاد می کند و امکان پل زدن بر روی نقاط نرم یا فضاهای خالی موضعی وجود دارد. در صورت کافی نبودن این روش یا عدم تمایل مالک به پذیرش احتمال آسیب دیدگی ساختمان، تنها چاره استفاده از شمع یا پایه های عمیق (صندوقه) جهت عبور از زمین دفن زباله و رسیدن به خاک زیرین است. [3]

خاک های متورم شونده

خاک های متورم شونده خاک هایی هستند که در اثر افزایش رطوبت تغییر حجم افزایشی قابل توجهی از خود بروز می دهند. در واقع می توان گفت که خاک های قابل تورم در جهت کاملاً مخالف با عمل تحکیم حرکت می کنند، یعنی به جای از دست دادن آب و کاهش حجم، آب را جذب کرده و افزایش حجم پیدا می کنند، پدیده ی تورم، پدیده ای برگشت پذیر است، یعنی خاک بعد از کم شدن رطوبت منقبض می گردد.
بهترین تعریف از پدیده ی تورم عبارت است از: واکنش فیزیکی و شیمیایی خاک و محیط، که مقدار تورم در آن بستگی به شدت نیروهای جاذبه و دافعه ی فیزیکی و فیزیک و شیمایی دارد.

نشانه های صحرایی تورم در خاک

1- توپوگرافی 2- وزن مخصوص و سختی خاک 3- رنگ خاک 4- عمق آب زیرزمینی 5- بارندگی 6- تبخیر و دمای منطقه [10]

روان گرایی Liquefaction

خاک ماسه ای اشباع هنگامی که تحت اثر ارتعاش های زلزله قرار گیرد ممکن است شبیه گل مایع ناگهان به شکل یک سیال درآید این پدیده روان گرایی نامیده می شود. در مفهوم گسترده تر پدیده ای که در آن مصالح دانه ای به علت ارتعاش به حالت مایع درآمده، خواه توده ی خاک به وسیله ی آب اشباع شده باشد یا خیر. در خاک های ماسه ای قبل از این که زلزله و نیروهای ناشی از آن از طریق تماس ذرات بتوانند منتقل شوند، ذرات خاک دارای تماس های پایداری بین یکدیگر هستند. این امر موجب می شود که مقاومت بررشی خاک پایداری سازه ای که بر سطح زمین قرار دارد را تأمین کند.
هنگامی که خاک در اثر تنش های برشی ناشی از زلزله تغییر شکل دهد تماس میان ذرات از بین می رود در نتیجه نیروهایی که اصولاً به وسیله ی تماس های ذرات در امتداد قایم تحمل می شوند به آن منفذی منتقل می گردند که در این حالت همان بروز شرایط روان گرایی خواهد بود. در این حالت تماس میان ذرات از بین رفته و مقاومت برشی خاک صفر می شود و خاک ماسه ای رفتاری شبیه یک مایع که وزن مخصوص آن برابر خاک اشباع است از خود نشان می دهد.

استعداد روان گرایی

از آن جایی که تمامی خاک ها استعداد روان شدن را ندارند لذا اولین قدم در ارزیابی مخاطرات روان گرایی معمولاً ارزیابی استعداد روان گرایی می باشد. [19] روان گرایی تنها در خاک های اشباع رخ می دهد، لذا عمق تراز آب زیرزمینی (چه آزاد و چه تحت فشار) بر استعداد روان گرایی اثر می گذارد. استعداد روان گرایی با افزایش عمق تراز آب زیرزمینی کاهش می یابد، اثرات روان گرای معمولاً در ساختگاه هایی که تراز آب زیرزمینی چند متری با سطح آب زیرزمینی فاصله دارد مشاهده شده است.

روان گرایی خاک های رسی

داده های به دست آمده از آزمایش های آزمایشگاهی و عملکرد واقعی نشان داده اند که بیش تر خاک های رسی در اثر زلزله دچار روان گرایی نمی شود با این حال مطالعات اخیر در چین [19] نشان داده اند که در انواع معینی از مصالح رسی ممکن است در اثر تکان های زلزله، افت مقاومت زیادی ایجاد شود. به نظر می رسد که این خاک ها دارای ویژگی های زیر باشد:
- درصد اجزا دیرتر 0/005 میلیمتر < 15
- حد روانی < 35
- درصد آب > حد روانی 0/9
در صورتی که خاک ها یا ویژگی های فوق در نمودار خمیری بالای خط A قرار گیرند، بهترین روش تعیین ویژگی های مقاومتی آن ها در بارگذاری دوره ای انجام آزمایش بارگذاری دوره ای است، در غیر این صورت می توان خاک های رسی را در مقابل روان گرایی ایمن در نظر گرفت. در خاک های شن دار هنگامی که به علت وجود لایه های غیرقابل نفوذ امکان استهلاک فشار آب منفذی وجود نداشته و در نتیجه شرایط غیرزهکشی حاکم شود خاک های شنی نیز ممکن است مستعد روان گرایی گردد. استعداد روان گرایی تحت تأثیر دانه بندی می باشد معمولاً خاک های خوب دانه بندی شده نسبت به خاک های با دانه بندی نامناسب استعداد کم تری برای روان شدن دارند، پُر شدن حفره های بین ذرات بزرگ تر از، با ذرات ریزدانه در یک خاک خوب دانه بندی سبب کاهش پتانسیل تغییر حجم در شرایط زهکشی نشده می گردد. شواهد محلی نشان می دهد اغلب گسیختگی های روان گرای در خاک های با دانه بندی یکنواخت اتفاق افتاده است.

مقاوم سازی لرزه ای خاک

خاک ها جهت بهبود خواص مهندسی خود صدها سال است که مورد اصلاح واقع شده اند لیکن در 80 سال گذشته ارتقا دانش بشر در زمینه ی رفتار خاک و مخاطرات ژئوتکنیکی موجب بروز روش های بدیع و جدیدی در خصوص اصلاح خواص خاک ها گردیده است. در نواحی فعال و غیر فعال از نظر زلزله، روش های اصلاح خاک معمولاً در ساختگاه هایی که انتظار می رود شرایط موجود خاک به رفتار نامطلوبی منجر شود، مورد استفاده قرار می گیرد.

روش های متراکم سازی

ذرات ساختمان یک خاک به طرق بسیار متفاوتی قابل آرایش است. به هر حال مقاومت و سختی خاک هنگامی که ذرات در یک بافت متراکم قرار گیرند بیش تر از زمانی که به صورت متخلخل کنار هم واقع باشند است. همچنین تمایل به گسترش فشار آب حفره ای مثبت زمانی که خاک متراکم است کم تر از هنگامی است که متخلخل باشد در نتیجه عملیات متراکم سازی یکی از مؤثرترین و متداول ترین روش ها جهت اصلاح خواص خاک ها برای کاهش خطرات لرزه ای می باشد.
متداول ترین روش های متراکم سازی عبارت اند از تراکم دینامیکی، انفجار و تزریق که از تمایل خاک به متراکم شدن در ارتعاش استفاده می کنند. به همین علت میزان مؤثر بودن آن ها برای خاک های غیرچسبنده از قبیل ماسه های تمیز و شن ها بیش ترین مقدار می باشد.

روش های ارتعاشی

ارتعاش شناوری (Vibro Flotation)

در ارتعاش شناوری یک وسیله ی اژدر (مرتعش شونده ی شناور Vibro flot) که توسط جرثقیل معلق نگاه داشته می شود، برای متراکم کردن یک لایه ی خاک مورد استفاده قرار می گیرد. مرتعش شونده هایی شناوری که معمولاً دارای قطر (30 تا 46 سانت) و طول حدود (3 تا 4/9 متر) می باشند. از وزنه هایی که به صورت خارج از مرکز حول یک محور قرار دارند، تشکیل می شوند. محور فوق الذکر را به وسیله ی یک محرک الکتریکی یا هیدرولیکی می توان جابه جا کرد. [14]
مرتعش شونده ابتدا به وسیله ی ترکیبی از ارتعاش و جت آب یا هوا از منافذ مخروطی خود تا انتهای لایه ی خاک پایین برده می شود. سپس مرتعش شونده در ضخامت های 60 تا 90 سانت با سرعت متوسط 30 سانتیمتر بر دقیقه در حالی که هنوز مرتعش می باشد، بالا کشیده می شود. ارتعاش شناوری مؤثرترین روش برای خاک های دانه ای یا درصد ریزدانه کم تر از 20 و درصد رس زیر 3 می باشد در چنین خاک هایی این روش در شعاع 30 تا 46 سانتیمتر از مرتعش شونده دانسیته ی بالا و در شعاع های بزرگ تر دانسیته ی پایین تری تولید می کند.

روش دینامیکی

میله ی مرتعش

سیستم های ارتعاش میله از یک چکش شمع کوب ویبره استفاده می کند تا میله ی ایبلند (probe) را داخل خاک فرو برند، سپس در حالی که میل هنوز مرتعش می باشد از خاک بیرون کشید موجب تراکم نمودن آن می گردد به منظور حداقل رساندن نشست ناشی از متراکم سازی در سطح زمین و یا عمق مقداری خاک اضافه ریخته می شود.

تراکم دینامیکی

تراکم دینامیکی با تکرار سقوط یک وزنه ی سنگین در نقاط مختلف در سطح زمین انجام می گیرد. وزنه ها معمولاً از صفحات فولادی و یا بتن مسلح با وزن 6 تا 30 تن ساخته شده اند. ارتفاع سقوط معمولاً در حدود (10 تا 30 متر) می باشد. انرژی کل منتقل شده به خاک تابعی از وزن وزنه، ارتفاع سقوط، ابعاد شبکه و تعداد ضربات در هر نقطه می باشد. ریختن یک لایه از شن و ماسه در جایی که سفره ی آب زیرزمینی نزدیک سطح زمین باشد قبل از تراکم مورد نیاز می باشد.

تراکم توسط انفجار

مصالح دانه ای متخلخل و سست به وسیله ی عملیات انفجاری نیز قابل متراکم ساختن می باشند. تراکم توسط انفجار شامل انفجار خرج های متعددی بوده، که در چال های قایم به فواصل 3 تا 6 متر از هم دیگر جاگذاری می شود. چال ها معمولاً در فواصل 5 تا 15 متری تعبیه شده و قبل از انفجار دهانه ی آن ها مسدود می گردد. انفجار مؤثرترین روش جهت تراکم ماسه های متخلخلی است که دارای کم تر از 20 درصد لای و 5 درصد رس می باشد، حتی مقدار کمی رس یا رگه های باریکی از رس می تواند مقدار قابل ملاحظه ای تاثیر انفجار را کاهش می دهد انفجار در خاک های خشک کاملاً مؤثر می باشد.

روش زهکشی

هدف از اجرای روش زهکشی برای مقابله با روان گرایی، افزایش ظرفیت زهکشی مقطع خاک با استفاده از به کار بردن مصالح با نفوذپذیری بالا در سطح زمین است. این چنین زهکشی عموماً به شکل اجرای شمع انجام می گیرد (Noda 1975) دیگر روش های زهکشی پیشنهادی، زهکشی توسط چاه زهکشی اطراف یک سازه و الحاق یک وسیله ی زهکشی به شمع فولادی یا پرده ی سپر می باشد. قلوه سنگ و بتن را نیز می توان به عنوان مصالح پشت دیوارهای ساحلی به عنوان نوعی زهکشی در نظر گرفت البته به شرطی که پرده ی سپر نفوذپذیر استفاده شده از شسته شدن ماسه ها جلوگیری کند. [15]

پی‌نوشت‌ها:

1- کارشناس ارشد خاک و پی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.
2- استادیار گروه عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان.

منبع:ماهنامه ی فنی - تخصصی دانش نما، شماره ی پیاپی 173-172.
ادامه دارد...