روش اختلاط عميق خاک (DSM)

تاريخچه روش اختلاط عميق: 

 

روش اختلاط عمیق خاک از آغاز دهه 1960 به عنوان یکی از روش های سریع و مؤثر در بهسازی خاک در کشورهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. عبارت اختلاط عمیق خاک به روشی اطلاق می شود که در آن مواد تثبیت کننده ای نظیر سیمان یا آهك با استفاده از یك حفار با محور توخالی بصورت مکانیکی با خاک مخلوط می گردند. فرآیند اختلاط خاک موجب تولید ستون های یکنواختی با قطر ثابت از خاک و دوغاب می گردد. با همپوشانی این ستونها قبل از گیرش کامل، دیوارهای پیوسته ای زیر سطح زمین قابل احداث می باشند. از مزایای عمده این روش میتوان به سرعت بالای اجرا، افزایش ظرفیت باربری خاک، بهبود پارامترهای مقاومتی خاک، جلوگیری از حرکت های جانبی در شیب ها نظیر زمین لغزش و کنترل نشست زیر سازه ها اشاره کرد.

معرفی روش اختلاط عميق (Deep Soil Mixing):

روش اختلاط عمیق یك تکنیك بهسازی خاکی می باشد که در آن خاک در محل با مواد چسباننده (مانند سیمان، آهك، خاکستر بادی و مانند آن)، مواد شیمیایی و یا بیولوژیکی به صورت دوغاب و یا پودر، به منظور بهسازی خصوصیات مهندسی و محیطی خاکهای نرم و یا آلوده، مخلوط می شود. ماشینهای طراحی شده خاصی که با چندین شافت و تیغه اختلاط مجهز شده و ماده تثبیت کننده ای که از طریق یك مجرا ستونهای خاک تثبیت شده درجا را با الگوها و مشخصاتی که بعدا ذکر خواهد شد، ایجاد می نماید. واکنشهایی که بین خاک و عامل تثبیت کننده بوقوع می پیوندد باعث افزایش مقاومت و کاهش نفوذپذیری و کاهش پتانسیل آبشویی زمین می شود. در حالت تثبیت درجا، بهسازی خاک بصورت درجا و بدون حفاری، شمع زنی و یا آب گیری انجام می شود. پیشرفتهای اخیر در تکنولوژی اختلاط خاک شامل تثبیت خاکهای آلوده و بی مصرف، حذف مواد آلی سبك همراه با تزریق هوای داغ و تکنولوژی استخراج بصورت بخار می باشد. مواد آلوده ابتدا بصورت شیمیائی تثبیت شده و بصورت توده ای جامد در می آیند. این عمل باعث جلوگیری از آبشویی مواد آلوده شده و در عین حال خصوصیات مهندسی خاک را بهبود می بخشد. این تکنیك می تواند برای خاکهای آلوده آلی و غیرآلی استفاده شود. تثبیت با کمك مواد آهکی تاریخچه بسیار طولانی دارد و یافته های مرتبط با مخلوط نمودن خاک و مواد تثبیت کننده نیز بسیار زیاد می باشد. همانطور که اشاره گردید روش اختلاط عمیق بطور جدی از اواسط دهه 1960 در کشور ژاپن و برخی کشورهای اسکاندیناوی مورد استفاده قرار گرفت. پس از آن در کشورهایی نظیر چین، آسیای جنوب شرقی و سپس دیگر مناطق دنیا مانند آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. بیش از چهار دهه است که روش اختلاط عمیق در پروژه های متعددی بکارگرفته شده است. همزمان تحقیقات گسترده ای بر روی تقویت این روش صورت گرفته که موجب پیشرفتهای بسیاری در تجهیزات مربوطه، تغییرات در مواد تثبیت کننده و همچنین تنوع کاربرد این روش گردیده است. در میان تثبیت کننده ها، آهك توانسته است به عنوان یك جایگزین مناسب برای سیمان در ژاپن معرفی شود. البته هنوز در کشورهای اسکاندیناوی منظور بهسازی خاک، مخلوط آهك و سیمان رواج بیشتری نسبت به استفاده از آهك تنها دارد. البته تا به امروز مصالح متعددی نظیر گچ، خاکسترهای آتشفشانی و تفاله کوره های آهن(روباره) با سیمان و آهك ترکیب شده اند.
فلوچارت ذیل خلاصه ای از کاربردهای مختلف سنتی و مدرن تکنولوژی اختلاط عمیق را ارائه کرده است. در توسعه کاربردهای جدید عمدتا سعی شده است تا مزیتهای ویژه ای نظیر سخت شدگی سریع در دوره زمانی کوتاه و همچنین رعایت اصول و قوانین زیست محیطی در نظر گرفته شود. اگرچه لازمه ابتدایی روش اختلاط عمیق بدست آوردن مقاومت بالاتر با هزینه کمتر می باشد، با این حال سهولت اجرا در ساخت و سازهای پیچیده و دشوار منجر به اعتماد بیشتری در عمل به این تکنیك شده است. پتانسیل گسترده تکنیك اختلاط عمیق که همگام با مسائل زیست محیطی و براساس بهسازی در محل و حذف آلودگی های مختلف از خاک بوده است، زمینه ای امیدبخش جهت مطالعات بیشتر می باشد. علاوه بر این، هنوز زلزله به عنوان یك مخاطره طبیعی جدی در بسیاری از کشورهای جهان مانند ژاپن و آمریکا مطرح می باشد، از این رو استفاده از تکنولوژی اختلاط عمیق در کاهش روانگرایی بسیار کار آمد نشان داده شده است.

کاربردهای مختلف تکنولوژی اختلاط عميق

مراحل اجرای روش اختلاط عمیق خاک:

چنانپه در شکل زیر قابل مشاهده است، در این روش ابتدا اوگر حفاری با بازوهای خود در زمین حفاری را آغاز میکند. سپس زمانی که به عمق مورد نظر رسید، حفاری متوقف شده و اوگر حرکت خود را به صورت معکوس آغاز می‌کند و به طور آهسته به سمت بالا رانده می‌شود. در زمان حرکت اوگر به سمت بالا از درون نازل‌های تعبیه شده در نوک بازوها دوغاب با فشار بسیار زیاد به درون خاک تزریق میگردد. این حرکت به سوی بالا مرحله‌ای بوده و پس از طی فاصله یک متر رو به بالا، به مدت تقریباً یک دقیقه در همان تراز میچرخد و دوغاب به داخل زمین تزریق میشود. البته فاصله‌ها و زمان‌های اشاره شده با توجه به نوع دستگاه و نوع خاک متغیر است.

 

مراحل اجرای اختلاط عميق خاک (DSM) 

افزودنی ها:

رایج ترین افزودنی در این روش سیمان است که عموماً به صورت دوغاب (ترکیب با آب) و گاه به صورت خشک مورد استفاده قرار می‌گیرد. حجم دوغاب مصرفی بسته به مورد و شرایط خاک حدود 20 تا 30 درصد حجم خاک اصلاح نشده است. آهک نیز از افزودنی های مناسب است که گاه با سیمان مخلوط شده و به طور مشترک استفاده می شوند. در این صورت نسبت وزنی سیمان به آهک حدود 1 به 4 و مجموعه آنها به میزان حدود 100 تا 200 کیلوگرم به هر مترمکعب خاک اصلاح نشده اضافه میشود. افزودنی های دیگر مثل خاکستر آتشفشانی، سرباره کوره و سایر مواد شیمیایی نیز میتوانند مورد استفاده قرار گیرند.

انواع اختلاط در روش DSM:

1) روش تر: روش تر همان روش معمول اختلاط خاک میباشد که در قسمت‌های قبل به شرح آن پرداخته شد.

2) روش خشک: بر خلاف روش تر، اختلاط خاک به روش خشک تنها در خاک‌هایی امکان‌پذیر است که رطوبت کافی جهت بروز واکنش شیمیایی بین مخلوط ترزیق شده در حالت خشک و آب زیرزمینی وجود داشته باشد. در این روش مخلوط تزریق که ممکن است سیمان، آهک یا ترکیبی از آنها باشد، به صورت پودر تزریق شده و با خاک مخلوط می‌گردد. عمل اختلاط ماده خشک تزریق با خاک بوسیله‌ اعمال هوا با فشار زیاد صورت می‌گیرد که از طریق نازل‌های قرار گرفته در انتهای تحتانی لوله حفاری خارج می‌گردد. بدین ترتیب ماده‌ی تزریق شده با رطوبت خاک واکنش میدهد و ستون‌هایی مشابه با روش تر ایجاد می‌گردد. قطر ستون‌های ایجاد شده به روش خشک کوچک‌تر از روش تر میباشند و بین 60 تا 80 سانتیمتر متغیر هستند. حداکثر عمق اصلاح خاک با این روش به 25 متر میرسد.

 

 

انواع چيدمان‌های DSM

 

مزايای استفاده از روش اختلاط عميق خاک (DSM):

• کاهش نفوذپذيری خاک
• افزايش مقاومت خاک
• کاهش نشست خاک بر اثر سربار
• جلوگيری از روانگرایی 
• اصلاح درجای زمين
• زمين بخشی از سيستم خاك – سازه میگردد
• مقدور بودن كنترل و تاييد کیفی كار 
• کمتر بودن هزينه تجهيز کارگاه نسبت به موارد مشابه نظير تراکم دینامیکی يا اجرای شمع 
• سرعت اجرای بسيار بالا
• هزينه اجرای بسيار کمتر در مقایسه با موارد مشابه 
• توليد صدا و ارتعاش کمتر در محيط شهری نسبت به روش‌های مشابه 
• ایده آل بودن از لحاظ زيست محیطی

انواع کاربرد اختلاط عميق جهت بهسازی خاک:

پروژه های ساخته شده در دریا و اسکله ها:

ساختن لنگرگاه ها نیازمند انواع مختلف سازه ها مثل دیواره های ساحلی، بارانداز جهت مسافرین و کشتی های بارگیری و همچنین موج شکن جهت محافظت تجهیزات لنگرگاه در مقابل امواج سهمگین دریا است. سازه های ساحلی با نیروهای مختلفی نظیر ضربات کشتی ها، فشار آب، وزن سنگین جرثقیل ها، فشار زمین، و نیروهای ناشی از زلزله مواجه هستند. از این رو معیارها و اندازه گیری های خاصی به منظور حفظ و کنترل پایداری و ایجاد ایمنی در موقع ساخت این سازه ها مد نظر قرار می گیرد.

1- دیواره های محافظ ساحلی

دیواره های ساحلی سازه هایی هستند که در طول خط ساحلی جهت جلوگیری از فرسایش و خطرات دیگر ناشی از امواج ساخته می شوند. آنها همچنین پایداری خاک را در مقابل نیروهای کرانه ساحل تضمین می کنند و به اشکال مختلفی مانند انواع صندوقه ای، سلولی، پرده سپرها و سازه های وزنی ساخته می شوند.

2- موج شکن ها

موج شکن یك حصار تقریبا دور از ساحل است که بعضی اوقات در یك یا دو انتها به ساحل اتصال داده می شود. موج شکن ها در برابر نیروهای امواج مقاومت کرده و به عنوان سپری برای سازه های دریایی و بارگیری کشتی ها مورد استفاده قرار می گیرند.

پروژه های ساخته شده بر روی زمین های نرم:

1- فونداسیون های مخازن و برج ها

از جمله پروژه های مطرح که از تکنیك اختلاط عمیق به عنوان عامل تقویت بستر فونداسیون سازه ها استفاده شده است می توان به پروژه توسعه پالایشگاه نفت سنگاپور که شامل یك مخزن سوخت به ارتفاع 21 متر و قطر 42 متر روی زمین بهسازی شده نزدیك به ساحل بود اشاره نمود.

2- تکیه گاه های پل ها

کاربردهای روش اختلاط عمیق در پل سازی یا بصورت فونداسیون شمعی جهت تکیه گاه ها و یا عاملی برای جلوگیری از حرکت جانبی و لغزش با کاهش فشار خاک واقع در پشت تکیه گاه های پل ها می باشد. همچنین با این روش نشست در مناطق اطراف پل و زیر آن نیز به میزان زیادی کاهش می یابد.

3- محافظت از تجهیزات زیر زمینی

جهت محافظت از تجهیزات زیرزمینی بصورت کنترل تغییر شکل زمین و یا ممانعت از نشت و ورود آب های زیرزمینی می توان از روش اختلاط عمیق استفاده نمود. در اجرای یك پروژه بهسازی زمین در ژاپن به منظور افزایش ظرفیت باربری یك کانال آب چهارگوش که قرار بود در زیر یك خط راه آهن موجود ساخته شود، از تکنیك اختلاط عمیق بهره گرفته شد.

4- بهسازی خاکریزها

بهسازی با روش ستون های اختلاط عمیق می تواند برای تثبیت بدنه، کناره ها و یا پنجه خاکریزهای خاکی و همچنین برای بهسازی کامل یا جزئی فونداسیون آنها مورد استفاده قرار گیرد. هدف از بهسازی در این موارد، جلوگیری از گسیختگی دامنه و نشست غیر یکنواخت، کاهش فرسایش در پنجه و جلوگیری از گسیختگی ناشی از نشت آب و یا روانگرایی می باشد. در سوئیس ستون های آهکی یا سیمانی برای خاکریز بستر راه آهن و جاده ها در تعداد زیادی از پروژه ها برای افزایش پایداری و کاهش نشست مورد استفاده قرار گرفته اند.

5- سازه های نگهدارنده

در سازه های نگهدارنده به منظور جلوگیری از گسیختگی خارجی و یا کاهش نشست خاک پشت دیوار مورد استفاده قرار می گیرد. بطور مثال در 2 توسعه فرودگاه بین المللی توکیو تکنیك اختلاط عمیق سیمان به شکل اختلاط خشك برای ساخت فونداسیون سازه نگهدارنده استفاده شد.

6- فونداسیون های ساختمان

فونداسیون ساختمان ها معمولا به منظور تحمل بار سازه بدون رخ دادن گسیختگی ناشی از ظرفیت باربری و یا نشستهای غیر یکنواخت طراحی می گردند. بکارگیری تکنیك اختلاط عمیق به عنوان راه حل مناسبی برای فونداسیون های عمیق در ساختمان سازی به ویژه در مناطق مستعد زلزله و جهت ممانعت از تغییر شکل های برشی و روانگرایی شناخته شده است. این روش در بعضی از پروژه ها، جهت افزایش استقامت افقی فونداسیون های شمعی موجود نیز به کار برده می شود.

7- مهارکردن فشارهای جانبی خاک

عملکرد ستون های اختلاط عمیق نصب شده در یك سایت حفاری شده همانند یك میله مهار نفوذ کرده در میان صفحاتی با پتانسیل لغزشی است. از این رو وجود ستون های اختلاط عمیق می تواند عامل کاهش تورم خاک ناشی از حفاری نیز باشد (به علت برداشته شدن خاک در یك عملیات حفاری، کف گود تمایل به تورم و بالا آمدن دارد که این پدیده به نام تورم کف شناخته می شود). در برخی پروژه ها، اطراف گودبرداری نیز به منظور کاهش طول نفوذ پرده سپرها، بهسازی می گردد.

8- کنترل گودبرداری

به عنوان یك راه حل مناسب و به جهت کنترل گودبرداری یك دیوار آب بند می توان در کنار دیوار مهار صلب دیافراگمی (که توسط تکنیك اختلاط عمیق ساخته شده بود) ساخته شد تا از نشت آب به داخل گودبرداری ممانعت به عمل آورد. همچنین این روش می تواند جهت کاهش قابل ملاحظه فشار سربار عمل کننده روی دیوار دیافراگمی، نیروی اصطکاکی لازمه را فراهم می کند. حتی در بعضی از حالتها می توان مقاومت خمشی دیوارهای ساخته شده با روش تکنیك اختلاط عمیق را به وسیله نصب تیرهای H شکل قائم داخل ستون های سیمانی و یا آهکی اختلاط عمیق بلافاصله پس از اختلاط، افزایش داد. بدین طریق یك دیوار ضد آب سازه ای شکل می گیرد. این روش می تواند راه حلی موثر برای گودبرداریهای عمیق واقع در مناطق شهری با سطح آب زیرزمینی بالا باشد.

9- جلوگیری از گسیختگی شیب ها و زمین لغزش

ایجاد خاکریزهای بلند بر روی خاک های آبرفتی نرم که دارای درصد رطوبت بالا نیز هستند نیازمند بررسی احتمال حرکت جانبی خاک و نشست تحکیمی می باشد. جهت اطمینان یافتن از پایداری در مقابل شکست لغزشی و پتانسیل جابه جایی سازه های مجاور ناشی از حرکت جانبی زمین، راه حل حفاظتی خاصی باید در نظر گرفته شود.

10- محافظت از سازه های مجاور

در بسیاری از سازه ها بویژه سازه هایی که دارای فونداسیون سطحی هستند هنگامی که عملیات گودبرداری در سایت مجاور وجود دارد، سازه مذکور (که دارای فونداسیون سطحی است) در منطقه تحت تاثیر تنش ناشی از عملیات حفاری گود مجاور می باشد. از این رو احتمال ایجاد نشست هایی ناشی از عملیات گودبرداری در ساختمان های مجاور بسیار بالا می باشد. مشکلاتی نظیر در معرض نشست های غیریکنواخت بودن و یا کج شدگی بسیار محتمل هستند. با توجه به اینکه ایجاد ستون های اختلاط عمیق سبب دست خوردگی کمتری در خاک پیرامونی می گردد، این ستونها می توانند در مجاورت فونداسیون هایی که با چنین مخاطراتی روبرو هستند نصب گردند.

11- کنترل نشت و دیوار آب بند

در اکثر کشورهای توسعه یافته و یا در حال توسعه جهت عملکرد ایمن و کنترل نشت در سازه های قدیمی ذخیره کننده آب و همچنین مطابقت این سازه ها با آئین نامه های جدید، نگرانی های فزاینده ای وجود دارد. به همین جهت تکنولوژی اختلاط عمیق جهت نوسازی سدهای خاکی موجود توسط ایجاد دیوارهای آب بند برای کنترل نشت و همچنین پایدارسازی خاکریزها و سواحل رودخانه ها به شکلی موفق به کار گرفته شده است.

12- نوسازی سد

به منظور نوسازی یك سد و کنترل نشت آب آن، یك دیوار خاکی سیمانی در میان خاکریز سد و انباشته های یخچالی طبیعی سازه سرریز تا سنگ بستر ساخته میشود.

13- بهسازی سواحل رودخانه

خاک بهسازی شده با ستونهای سیمانی به منظور جلوگیری از لغزش شیب سواحل رودخانه در کوماموتوکن، جزیره کیشو، ژاپن استفاده گردیده است.

14- مقابله با روانگرایی

روش اختلاط عمیق، مخصوصا از نوع مشبك آن، مقاومت برشی خاک را بهبود قابل مالحظه ای بخشیده و در نتیجه قادر است تا پتانسیل روانگرایی زمینهای با خاک نرم، اشباع، و سست را کاهش می دهد.

کاربردهای زیست محیطی:

مواد تثبیت کننده بکار گرفته شده در تکنولوژی اختلاط عمیق می تواند همزمان با ارسال مواد واکنش دهنده جهت بهسازی، جلوگیری از فرسایش بیولوژیکی و همچنین خنثی سازی زمینهای اسیدی را نیز به همراه داشته باشد. از این رو بهسازی در محل مخازن مواد باطله نیز با این روش ممکن است .به منظور کاهش نفوذپذیری، دیوارهای آب بند را می توان با ترکیب کردن افزودنی هایی به خاک ایجاد نمود. البته به منظور محصور کردن سایت و داشتن یك آرایش منظم، خطی از همپوشانی ستونهای خاک بهسازی شده استفاده می شود. سیستم آب بند سلولی جهت آب بند کردن خاکها در محل انباشته های مواد زائد و باطله موجود و یا در دست ساخت، مناسب می باشد.

1- متوقف کردن انتشار پلی کلورینات بیفنیل ها(PCB)

طی پروژه ای کارایی اختلاط عمیق به عنوان یك راه حل جهت متوقف کردن انتشار پلی کلورینات بیفنیل (PCB) در یك فروشگاه سرویس الکترونیکی عمومی در هالی، فلوریدا، به عنوان بخشی از برنامه محافظت از خاک محیط زیست ایالت متحده آمریکا، مورد بررسی قرار گرفت.

2- بهسازی مواد آلی با قابلیت بخار شدن (VOC)

یك تکنولوژی بهسازی موثر جهت خاکهای آلوده شده با مواد آلی بخارشدنی ( VOC) سیستم استخراج بخار مکشی می باشد که در آن مواد آلوده بصورت گاز درآمده و با مکش از بین می روند. این روش در خاکهای ماسه ای بخوبی عمل می کند، اما ممکن است به علت نفوذپذیری کم لایه های خاکی چسبنده، در اینگونه خاکها قابل استفاده نباشد. هیدهتوشی و همکاران با استفاده از یك ماشین اختلاط عمیق، آهك زنده را با استفاده از هوای فشرده به انتهای تیغه مخلوط کننده که خاک را به هم می زند، تزریق کردند. در اثر واکنشهای شیمیائی انجام شده، آب و مواد آلی بخارشدنی، بخار شدند و حرارت هیدراتاسیون از طریق یك دودکش به سطح منتقل گردید. سپس بخار جمع آوری شده مواد آلوده به یك دستگاه بازیافت حلال تزریق شد که در این دستگاه بخار بصورت مایع درآمده و هوای تصفیه شده به اتمسفر وارد شد.

3- تونل زنی سپری در خاک نرم

تکنیك تونل زنی سپری به روش ساخت دیوار تونل در مراحل حفاری اطلاق می شود. این روش بطور وسیعی در زمینهای نرم با درصد رطوبت بالا و ساخت تونل در زیر دریا استفاده می شود. به منظور حفاری پیوسته با استفاده از ماشین تونلزن سپری، روش اختلاط عمیق با مقاومت پایین بکار برده می شود.

4- دوختن خاک با استفاده از مهارهای اختلاط عمیق

در برخی مناطق متراکم شهری، حفاری شیب هایی با دیواره های تقریبا قائم در مجاورت خاکریزهای موجود قطار واقع در فضای باز مورد نیاز می باشد. البته علاوه بر دوختن خاک ابزارهای دیگری نیز بایستی به کار گرفته شود. زیرا اولاً اکثر خاکریزهای قطارها از انباشته های متراکم تشکیل شده اند و خاکهای آنها طبیعی نمی باشد و ثانیاً تغییرشکل مجاز شیروانی در حین عملیات حفاری و بعد بایستی بسیار کم باشد تا تردد روزانه قطارهای بصورت ایمن انجام شود.

5- کاهش لرزش با استفاده از بلوکهای کاهش دهنده ارتعاش(WIB)

در حالی که قطارهای سریع السیر محبوب تر می شوند، به منظور کاهش اثرات مضر لرزش در سازه های پیرامونی آنها، ابزارهای موثرتری بایستی بکار برده شود. تکنیك استفاده از بلوکهای کاهش دهنده ارتعاشی یك روش جدید کاهش لرزش می باشد که در آن بلوکهای تخت با صلبیت بالا در زیر فونداسیون سازه و یا نزدیك آن بکار برده می شود. با استفاده از این روش که با تکنولوژی اختلاط عمیق ایجاد می گردد، انتقال لرزش از منبع داخلی به سمت بیرون و از منبع خارجی به سمت داخل، جلوگیری به عمل می آید.

جمع بندی اشکال ذیل نشاندهنده کاربردهای روش اختلاط عمیق در ساخت و سازهای خشکی و دریا می باشند. در ساخت و ساز در خشکی، روش اختلاط عمیق در خاکریزها، مخازن نفتی و فونداسیون های ساختمانی استفاده می شود، در حالی که در ساخت و سازهای دریایی روش اختلاط عمیق در موج شکنها، خاکریزهای درون دریا و شمع های دریایی، کاربرد دارد. علاوه بر اشکال نشان داده شده، این تکنیك جهت توقف نشت، کاهش جابجایی و لرزش دیواره ها در خاکهای مسئله دار نیز استفاده می شود.