روش مانشتگذاری

تزریق پر کنندگی به منظور پایدار سازی خاک های غیر چسبیده:

عملیات تزریق، عبارتست از اقداماتی که طی آن سیالی سخت شونده تحت عنوان دوغاب با عبور از مسیری خاص که توسط عملیات حفاری احداث گردیده است، وارد محیط زمین شده و تحت فشاری معین، درون ناپیوستگی های آن قرار می گیرد.
در صورتی که حین فرایند تزریق، تقابل چندانی بین دوغاب و محیط میزبان صورت نگیرد، به گونه ای که دوغاب فضاهای خالی را پرکرده و هیچگونه جابجایی یا تغییر شکلی را در پیکره محیط ایجاد نکند، عملیات تحت نام تزریق پرکنندگی معرفی می گردد. این نوع تزریق را عموما بمنظور رفع مشکلات ژئومکانیکی و پایدارسازی خاک های غیرچسبنده که عموما درشت دانه اند، بکار گرفته می شوند. به علت نفوذپذیری بالا، ورود دوغاب به این قبیل خاکها براحتی صورت می پذیرد. در ادامه، دوغاب سخت شده در فضاهای خالی، موجب ایجاد اتصالات مکانیکی مناسبی در محیط خاک می شود که پیوستگی آن را افزایش خواهد داد. بنابراین، عملیات تزریق پرکنندگی به عنوان یکی از روش های اصلی بهبود خواص مکانیکی در خاکهای غیر چسبنده است.
تزریق در خاک، از جمله مباحث مهم در بهسازی پی های خاکی و کم عمق است. بعضی از خاکها به علت نسبت تخلخل زیاد و عدم پیوستگی دانه ها در برابر بارهای وارده بسیار تغییر شکل پذیر هستند. به منظور استحکام این نوع خاکها روش های بسیار متعدد و پیشرفته ای وجود دارد. روش های لرزشی تحکیم خاک، تراکم دینامیکی، زهکشی و... از جمله روش های بهبود شرایط ژئوتکنیکی خاک است.
تزریق دوغاب نیز می تواند به عنوان یک روش بهسازی بکار گرفته شود که بسته به شرایط، دارای تکنولوژی اجرایی مختلفی نیز می باشد. البته شرایط خاص خاک، بویژه چسبندگی ذرات، وجود رس، نفوذپذیری کم در خاک های ریزدانه و غیره باعث می گردد تا عملیات تزریق در خاک، بسادگی تزریق در سنگ نباشد. همین امر باعث بوجود آمدن تکنیک های متنوع تزریق در خاک می شود که بعضا آنان را از هدف اصلی تزریق، یعنی جانشینی دوغاب به جای سیال موجود در ناپیوستگی ها جدا میسازد. در برخی از روش ها، دوغاب به جای نفوذ در محیط، به عنوان ابزاری جهت فشرده سازی، تحکیم و یا برداشت خاک بکار می رود. تزریق پرکنندگی را می توان نزدیک ترین روش بهسازی به تزریق تحکیمی در سنگ دانست. در این فرایند، دوغاب با نفوذ به محیطهای ناپیوسته و پرکردن فضای متخلخل، باعث افزایش مقاومت محیط می گردد. این عمل می تواند در خاکهای درشت دانه و غیرچسبنده بسیار مفید واقع گردد.

پایدارسازی خاکهای غیرچسبنده به جهت بهبود مقاومت (مقاومت برشی و مقاومت فشاری) انجام می گردد. بعلت پرشدن فضاهای خالی با مواد سخت شونده، آب بندی خاک نیز بطور همزمان صورت می پذیرد. در واقع، خاک های پایدار شده، می توانند بعنوان دیواره های حفاظتی نیز بکار روند.

از مزایای مهم پایدارسازی، می توان به موارد زیر اشاره کرد:

o خاک پایدارشده، بارهای ناشی از ساختمان (سازه) را بدون ایجاد تغییر شکل زیاد، به لایه های زیرین خاک منتقل می کند.
o خاک پایدارشده، مقاومت لازم برای پی را در شرایط بارگذاری جدید تامین می نماید.
o خاک پایدارشده سازه را در برابر تغییر شکلهای ناشی از فشار زمین (که به سمت ناحیه گودبرداری شده مجاور اعمال می گردد)، محافظت می نماید.
براساس دستیابی به اهداف فوق، می توان به موقعیت و شکل منطقه تزریق پی برد. از جمله خواصی که بهمراه تزریق پایدارسازی در خاک ایجاد می گردد، آب بندی است. بهرحال، پس از انجام عملیات در منطقه تزریق شده، اهداف زیر باید تامین گردند.
o پایدارسازی محدوده ای مشخص از پی یا اطراف تونل
o آب بندی منطقه در برابر جریان آبهای زیرزمینی

موقعیت و ابعاد منطقه تزریق:

موقعیت منطقه تزریق، براساس تامین مقاومت لازم برای انتقال بار به لایه های پایین تر و جلوگیری از ایجاد تغییرشکلهای غیرمجاز، تعیین می گردد. عملیات تزریق را می توان قبل از شروع گودبرداری به پایان رساند. در نتیجه عملیات تزریق، هیچگونه تداخلی با عملیات گودبرداری نخواهد داشت. ابعاد منطقه تزریق به میزان پایداری لازم در محل وابسته است. ساده ترین طرح در این موارد، ایجاد یک دیواره وزنی است. ناحیه تزریق، تحت بار ناشی از ساختمان، تنش های محلی ناشی از وزن خاک و آبهای زیرزمینی واقع می شود. در محاسبات پی این منطقه ضریب اطمینان در برابر لغزش دوران، نشست و شکست مدنظر قرار می گیرد. مولفه های افقی بار ناشی از وزن خاک و آبهای زیرزمینی را نیز می توان با اجرای مهار متعادل ساخت.

به منظور تحلیل تنش و ارزیابی آن، باید به میزان مقاومت منطقه تزریق یعنی وضعیت تنش های منطقه در شرایط شکست، پی برد. این مقاومت به خواص درونی خاک و نوع مواد تزریق شده وابسته است. ارزیابی و تعیین مقاومت خاکهای پایدار شده بوسیه تزریق توسط سیمان، با نمونه برداری و آزمایش براحتی امکان پذیر می باشد.
اما ارزیابی خاکهای تزریق شده با ژل های سیلیکاتی، مشکل تر است. این مساله به علت رفتار خزشی این گونه خاکها تحت بار ثابت می باشد.
گسترش ناحیه تزریق، باعث تراوش، نشست و تورم محیط به سمت گودبرداری های مجاور می گردد. که این خود، باعث افزایش ضریب اطمینان در برابر لغزش، دوران و شکست برشی است. با این وجود، این قبیل گسترش یافتگی ها به علت کاهش در فضای ساختمانی جدید، نامطلوب است. ممکن است تورم و تراوش دوغاب به محیط مجاور، ناخواسته و غیرقابل جلوگیری باشد، اما بهر حال باعث ایجاد شرایط تغییر شکل قابل قبول می گردد.

ملاحظات اجرائی:

محیط عملیات تزریق پرکنندگی، اغلب یک محیط ابرفتی (خاک درشت دانه) است. در این حالت، مسیر ماده تزریق، شبکه ای از مجراهای نامنظم و با ابعاد مختلف می باشد. به همین علت معمولا قابلیت تزریق پذیری رسوبات آبرفتی بسیار کمتر از محیط سنگی است، که این خود نیازمند بکارگیری روش های ویژه و دوغاب های متفاوت می باشد.
به علت ریزشی بودن اکثر گمانه های حفر شده در این گونه خاکها، لوله گذاری اهمیت ویژه ای می یابد. حفاری به هر دو صورت دورانی یا ضربه ای ممکن است انجام گیرد.
اما لوله گذاری گمانه باید به طور همزمان با حفاری صورت پذیرد. مایع حفاری مورد استفاده، می تواند آب باشد. در شرایط نفوذپذیری بسیار زیاد، می توان حفاری و ترزیق را بطور همزمان انجام داد. در این شرایط در قطعات ۳۰ تا ۵۰ سانتی متری، بلافاصله پس از حفاری، حجم مقرری از دوغاب تزریق می گردد و این کار تا عمق مورد نظر ادامه می یابد. در این روش، اثر تزریق و توزیع دوغاب در خاک بسیار نامنظم بوده و منطقه نفوذ دوغاب گسترده است. معمولا در ساختگاههای دائمی و حساس از این روش استفاده نمی شود.
یکی از روش های معمول در تزریق پرکنندگی و حتی تزریق خاک شکنی، تزریق مانشت است. در این روش، ابتدا گمانه ای به قطر حدود ۱۰۰ میلی متر تا عمق معین حفر و لوله گذاری می گردد. پس از آن، یک لوله پلاستیکی یا فولادی به قطر داخلی بسیار کمتر وارد گمانه می شود. این لوله، لوله مانشت نام دارد و حاوی سوراخ هایی به فاصله ۳۰ تا ۵۰ میلی متر و یا بیشتر می باشد. این سوراخ ها با یک لاستیک نرم پوشیده شده اند. عملکرد این لاستیک ها مانند سوپاپ است. قبل از تزریق، ابتدا فضای بین لوله مانشت و لوله جدار با دوغابی غنی از رس پر می شود. این محدوده از گمانه که توسط دوغاب پرشده است را آستین یا جلد گویند. همزمان با این عمل، لوله جدار نیز به بالا کشیده می شود. پس از طی مدتی که دوغاب مقاومت کافی بدست آورد، لوله دیگری بنام لوله تزریق که قطر آن از لوله مانشت کمتر است به آن وارد می گردد. عمل لوله تزریق، انتقال دوغاب به مقطع مورد نظر تحت فشار معین می باشد. همراه لوله، یک سیستم پکر منفرد یا مضاعف وجود دارد. سیستم پکر باید بگونه ای در گمانه مستقر گردد که خروج دوغاب تنها از سوراخ های موجود در مقطع مورد تزریق، صورت پذیرد. لاستیک های موجود در سوراخ ها به گونه ای طراحی شده اند که اجازه خروج به دوغاب را خواهند داد، اما از بازگشت یا ورود آن به محیط درون لوله مانشت ممانعت می کنند.
در روش مانشت، ابتدا گمانه های دسته اول از پایین به بالا تزریق می شوند. دوغاب مورد استفاده در مرحله ابتدایی سوسپانسیون سیمان بنتونیت است که نسبت آب آن بر اساس مشخصات خاک تعیین خواهد شد. در هر مقطع، حجم تعیین شده ای از دوغاب تزریق می گردد. در مرحله دوم، گمانه های دسته دوم نیز با دوغاب سوسپانسیون سیمان بنتونیت تزریق می شوند. اما دراین مرحله سعی بر آن است که حجم بیشتری از دوغاب به نقاطی که در مرحله قبل حجم کمتری را دریافت کرده اند وارد شود. بعد از طی این رویه می توان لوله های مانشت را با محلول شیمیایی تزریق نمود. روند مذکور را می توان در موردگمانه های دسته سوم نیز بکار برد.
پس از اتمام عملیات، گمانه های کنترلی به جهت ارزیابی وضعیت نفوذ دوغاب در زمین حفر می گردند. همانطور که ذکر شد، یکی از بهترین راههای بررسی یک منطقه به لحاظ تزریق پذیری (چه در تزریق آب بند و چه در نوع تحکیمی) انجام آزمایش های فشار آب است. گمانه های کنترلی در جایی حفر می گردند که میزان مصرف دوغاب آنها بیش از متوسط مصرف بوده است. تعیین نفوذپذیری با تزریق آب در فشاری کمتر از فشار تزریق در این گمانه ها صورت می پذیرد و در صورتی که مقدار نفوذپذیری تا حد مطلوب کاهش نیافته باشد، فرایند تزریق در لوله های مانشت، دوباره آغاز می گردد. پس از آن، کنترل مجدد انجام می شود و این روال تا جایی ادامه می یابد که بتوان به نفوذپذیری مطلوب دست یافت.

آرایش گمانه ها:

بطور کلی، آرایش گمانه ها و لوله های مانشت با هدف ایجاد یک محیط تزریق همگن و بهم چسبیده طراحی می گردد. فاصله بین لوله های مانشت یک متر می باشد و از دو گروه گمانه ابتدا گمانه های گروه ۱ و پس از آن گمانه های گروه ۲ مورد تزریق قرار گرفته اند. البته در بخش های بالایی، فاصله گمانه ها بهم نزدیک می شود. گمانه های تزریق دارای آرایش های گوناگونی هستند. اما در حالت معمولی، می توان گمانه ها را در یک شبکه و در چند سری متعدد (معمولا سه سری) قرارداد که به نوبت تزریق می شوند. فاصله بین لوله ها با افزایش حجم تزریق، بیشتر می گردد.

این فاصله، در خاکهای درشت دانه و شدیدا نفوذپذیر حتی به ۴ متر نیز می رسد. میزان حفاری در هر مترمکعب خاک مورد تزریق، براساس هزینه و مدت کار تعیین می شود. بعنوان مثال منطقه کوچکی نیازمند 1.44متر حفاری در هر مترمکعب است. درحالی که برای منطقه بزرگی چون اطراف یک تونل در حد 1.6 متر در هر مترمکعب می باشد.

معمولا بعنوان پیش فرض اولیه باید به ازای هر متر مکعب زمین مورد تزریق 0.6 تا ۱ متر حفاری در نظر گرفته و فرض گردد که ۶۰ تا ۸۰ درصد منافذ با دوغاب تزریق پر می شود.

فشار تزریق:

سطح فشار تزریق باید همواره کمتر از حد فشار شکست نگاه داشته شود. فشار معمول در این گونه عملیات در حدی بین 0.1 تا 0.2 مگاپاسکال است. سرعت تزریق نیز مقداری بین ۵ تا ۱۵۱ لیتر بر دقیقه متغیر می باشد.

مواد تزریق:

مواد تزریق و خواص رفتاری آنها، باید براساس نفوذپذیری خاک تعیین گردد. پس از تزریق مواد، دوغاب باید مقاومت محیط را به حدکافی افزایش دهد. این مساله ناشی از سیمانته کردن خاک بوده که از تماس ذرات محیط با یکدیگر و اندرکنش بین آنها بوجود می آید. محیط پایدار شده، باید در برابر آبهای زیرزمینی مقاوم باشد. این مساله باعث می شود که در مقاوم سازی خاک فقط سوسپانسیون هایی که تشکیل دهنده پیوندهای آبی هستند (و مخلوطهای شیمیایی با خواص مشابه) مدنظر قرار گیرند. دوغاب، پس از سفت شدن در محیط باید در برابر نفوذ آب مقاوم باشد. این خود مستلزم پایداری دوغاب در برابر فرسایش است. سوسپانسیون های پایه سیمانی با پرکننده و ژل های مقاوم پایه سیلیکاتی، مقتضیات موجود در این گونه عملیات تزریق را برآورده می کنند.

خواص مقاومتی دوغاب سیمانی، توسط محتوای سیمان و نوع پرکننده بکار رفته در آن کنترل می گردد. انجام تست های آزمایشگاهی به منظور ارزیابی میزان پایداری دوغاب، قبل از شروع عملیات تزریق یک امر معمول است.

دوغاب های مختلف، حداقل باید به لحاظ خواص جریانی، ته نشین شدگی و مقاومت فشاری، مورد آزمایش قرار گیرند و در نهایت باید تمامی اجزاء تشکیل دهنده دوغاب و مقدار آنها ثبت گردد. این اجزاء می تواند مخلوطی از سیمان، پرکننده، بنتونیت، افزودنی ها و آب باشند. در صورت لزوم باید میزان سازگاری و مقاومت دوغاب در برابر آبهای زیرزمینی نیز مورد آزمایش قرار گیرد.

در مورد مواد پایه سیلیکاتی، باید به دو مساله توجه داشت، دوام و صدمات زیست محیطی آنها. ژل های سیلیکاتی مقاوم تحت شرایط اولیه خنثی (نبود خاک یا آب های زیرزمینی قلیایی) بسیار بادوام هستند. همچنین برخی از ژل ها به لحاظ رفتار خزشی نیز باید مورد توجه قرار گیرند. از سویی صدمات زیست محیطی این مواد شیمایی، دیگر نکته مورد توجه است.