ستون شنی ارتعاشی(VSC)

روش ستون شنی ارتعاشی (تراکم / جایگزینی ارتعاشی):

روش تراكم/جایگزینی ارتعاشی از حدود سالهای 1930 در اروپا و 1970 در امریكا و سایر نقاط جهان جهت اصلاح عمیق خاكهای دانه‌ای، چسبنده و مخلوط توسط مهندسین مورد استفاده قرار گرفته است. هرچند سابقه تاریخی استفاده از این روش به سالهای 1830 در فرانسه بر می‌گردد. این روش كه ماهیتی فیزیكی - مكانیكی دارد، امروزه توسط پیمانكاران متعددی در سرتاسر جهان به خوبی و با موفقیت اجرا می‌گردد و به حدی در عرصه مهندسی ژئوتکنیک جا افتاده که یکی از کارآمدترین روش های بهسازی خاک می باشد. در سالهای اخیر، پیمانكاران و مشاوران ژئوتكنیك داخلی نیز با تهیه و‌سایل و تجهیزات لازم، مبادرت به اجرای موفق این روش در ایران نموده‌اند.

طی اجرای این روش در خاكهای نامتراكم یا سست، در نقاط معلوم از زمین و در یك شبكه منظم، ستونهای متراكمی كه دارای دانه‌بندی مناسبی نیز می‌باشند، ایجاد می‌گردد كه در حقیقت از جایگزینی و متراكم شدن جزیی و نسبی توده خاك موجود ساختگاه و مصالح شن و ماسه‌‌ای با دانه بندی مناسب، حاصل شده‌اند. به عبارت دیگر این روش تلفیقی از دو روش تراكم ارتعاشی (Vibro Compaction) و جایگزینی ارتعاشی (Vibro Replacement) می‌باشد. در روش تراكم ارتعاشی بدون اضافه كردن مصالح درشت‌دانه سعی بر این است كه توده خاك موجود به كمك ارتعاش، متراكم گردد. از اینرو كاربرد این روش به خاكهای دانه‌ای محدود می‌گردد. چرا كه ارتعاش و تراكم حاصل از آن در خاكهای ریزدانه و یا چسبنده به وقوع نمی‌پیوندد. از سوی دیگر در خاكهای ریزدانه و چسبنده اضافه شدن و یا جایگزینی مقدار اندكی مصالح درشت دانه مناسب، بهبود قابل توجهی را در خواص مكانیكی توده خاك ایجاد می‌نماید. از اینرو تركیب دو روش فوق علی‌الخصوص در مورد خاكهای لایه‌ لایه و یا مخلوط می‌تواند بازدهی عملیات بهسازی خاك را به طور چشمگیری افزایش دهد. قابلیت اجرای سریع، آسان و ارزان ستونهای شنی با این روش از یك سو و بهبود خواص فیزیكی- مكانیكی توده خاك حاصل از آن از سوی دیگر، باعث افزایش روز افزون اقبال عمومی جامعه مهندسی نسبت به آن گردیده، به طوری كه تقریباً در كلیه عرصه‌های ساخت و ساز به ویژه موارد زیر استفاده موفق از این روش تجربه گردیده است:

1- افزایش ظرفیت باربری و كاهش نشست پذیری خاك بستر پی‌ ها

2- كاهش پتانسیل روانگرایی

3- افزایش سرعت نشست تحكیمی خاكهای ریزدانه

4- پایدارسازی شیبهای طبیعی و یا مصنوعی (خاكریزها)

 

جدول 1: تأثیر پذیری زمین‌های مختلف در مقابل تراكم ارتعاشی

نوع زمين	تأثيرپذيری
ماسه	عالی
ماسه‌ لای دار	ناچيز تا خوب
لای	كم
رس	هيچ
زباله معدنی	خوب (اگر دانه‌‌ای تميز باشد)
خاكريز نا متراكم	وابسته به نوع خاك
زباله	هيچ

 

جدول 2: تأثیر‌ پذیری زمین‌های مختلف در مقابل تراكم / جایگزینی ارتعاشی

نوع زمين	متراكم شدن	مسلح شدن
ماسه	عالی	خیلی خوب
ماسه‌ لای دار	خیلی خوب	خیلی خوب
لای غير پلاستيك	خوب	عالی
رس	ناچيز	عالی
زباله‌های معدنی	عالی (وابسته به دانه بندی )	خوب
خاكريز نامتراكم	خوب	خوب
زباله	هيچ	هيچ

با توجه به گستردگی و پراكندگی روشها، شرایط و مسائل موجود در ادبیات فنی مربوط به بهسازی خاك با روشهای ارتعاشی تراكمی یا جایگزینی، به نظر می‌رسد اجرای ستونهای متراكم شنی علاوه بر آنكه در چارچوب علمی مشخصی قرار می‌گیرد، مستلزم برخورداری از هنر و فن اجرایی مناسب و ویژه نیز می‌باشد. از اینرو بهره‌گیری از پیمانكاران مجرب در استفاده از این روش، مورد توصیه اكید واقع شده است.

روش اجرای ستون شنی:

روش اجرای ستون شنی مشتمل بر سه مرحله حفاری، تراکم و تسلیح و اجرای بالشتک شنی می‌ باشد كه به طور شماتیك در شكل زیر نشان داده شده است.

 مراحل اجرای ستون شنی ارتعاشی

همانگونه که در شکل مشخص است، تجهیزات اصلی اجرای ستونهای شنی عبارت از یك المان میله‌ای مرتعش با قطر 30 تا 40 سانتیمتر، طول 2 تا 4 متر و وزن 2 تا 3 تن می باشد که درون خاك فرو می‌رود. فركانس ارتعاش افقی (و در برخی موارد قائم) این میله مرتعش كه به نامهای متعددی نظیر Probe ،‌Vibrator، Vibroflot، Pocker و غیره شناخته شده، حدود 30 تا 50 هرتز و دامنه ارتعاش آزاد آن، بین 7 تا 25 میلیمتر می‌باشد. در اینحالت نیروی افقی گریز از مركز حاصله حدود 10 الی 20 تن خواهد بود. سرعت نفوذ میله مرتعش در خاك، حدود 50 تا 100 سانتیمتر در دقیقه می‌باشد. با این حساب سرعت اجرای ستونهای شنی بیش از 10 متر در ساعت خواهد بود. تصویر دستگاه ویبروفلات مورد استفاده در برخی پروژه‌های مشابه در شکـل زیر نشان داده شده است. 

   

دستگاه ویبروفلات, واحد کنترل و تجهیزات مورد استفاده در اجرای ستونهای شنی ارتعاشی

مقایسه روش ستون شنی ارتعاشی با سایر روشهای بهسازی خاك:

هر چند هزینه تهیه و تامین تجهیزات اجرای ستون شنی به روش تراکم/ جایگزینی ارتعاشی معمولاً نسبت به برخی از روشهای بهـسازی خاك بیشتر است، لیكن ســهولت اجــرایی و در نتیجه زمان بسیار كوتاه اجرا آن و همچنین عدم وابستگی به مصالح گرانقیمت نظیر سیمان یا فولاد، در قالب موارد منجر به اقتصادی‌تر شدن این روش در مقایسه با سایر روشهای بهسازی خاك می‌گردد.

بنابراین سهولت و محدود بودن مراحل اجرایی این روش در كنار مصرف اندك مصالح ارزان قیمت، آن را به یكی از ارزانترین روشهای بهسازی خاك، تبدیل نموده است. شاید بتوان یكی از برترین ویژگیهای بهسازی خاك به روش ستونهای شنی را در محدود بودن آیتمهای كاری آن دانست. بدین ترتیب كه هر ستون شنی به سادگی و با سرعت زیاد، قابل اجرا می‌باشد. چرا كه مراحل اجرایی هر ستون بسیار كم (دو مرحله حفاری و تسلیح) بوده و با سرعت بسیار بالا قابل اجرا می‌باشد و در مقایسه با استفاده از شمعهای بتنی و فلزی و یا روشهای تزریقی و‌ غیره از سادگی ویژه‌ای برخوردار است.

پایین بودن دامنه‌ ارتعاشی حاصل از اجرای ستون شنی نسبت به شمعهای كوبیدنی و یا تراكم دینامیكی نیز باعث گردیده استفاده از آن در نزدیكی ساختمانهای موجود(تا فاصله حدود 5 متری ساختمانها) نیز، امكان‌پذیر باشد.

همچنین بالا بودن سطح آب زیرزمینی، هیچگونه محدودیتی برای اجرای این روش موجود نیاورده و در ساختگاههای با سطح آب زیرزمینی بالا، براحتی می‌توان نسبت به اجرای سریع ستونها، اقدام نمود.

به لحاظ فنی ستونهای شنی قابلیت كاربرد در انواع مختلف خاكها را دارند. با اجرای ستون شنی در یك توده خاكی دانه‌ای از یك سو، تراكم توده خاك افزایش یافته و از سوی دیگر، با اضافه شدن و جایگزین شدن مصالح درشت‌دانه متراكم، در عمل المانهای باربر موضعی نیز در توده خاك ایجاد می‌گردد. در مصالح ریزدانه چسبنده كه تراكم توده خاك در اثر ارتعاش، تغییر چندانی نمی‌كند، اختلاط توده خاك با مصالح درشت دانه و تغییر دانه‌بندی آن و همچنین ایجاد ستونهای شنی متراكم به عنوان عناصر باربر، مجموعه‌ای مطمئن جهت تحمل بارهای وارده بر روی سطح خاك را بوجود می‌آورد. از طرف دیگر، ستونهای شنی خود به عنوان مجاری مناسب زهكشی، تحكیم توده خاكی رسی اشباع را سرعت بخشیده و بدین ترتیب نیز در افزایش میزان باربری و بهبود خواص مكانیكی توده خاك چسبنده، سهیم خواهند بود. از طرف دیگر در خاكهای ماسه‌ای مستعد روانگرایی نیز با تكیه بر دو مفهوم افزایش تراكم توده خاك ناشی از انرژی ارتعاشی وارده و همچنین قابلیت زهكشی در ستونهای شنی و در نتیجه زایل شدن فشار آب حفره‌ای اضافی در حین زلزله، این روش را به یكی از مناسبترین راه حلهای مقابله با روانگرایی در ساختگاههای مختلف، تبدیل نموده است.

برای كنترل باربری و رفتار ستونهای شنی، راه حلهای ساده‌ای نظیر حفر گمانه‌های شناسایی ژئوتكنیكی و یا آزمون بارگذاری صفحه، وجود دارد. در خاكهای با بافت دانه‌ای، جهت كنترل و تایید میزان افزایش تراكم توده خاك، براحتی با حفر گمانه‌های شناسایی ژئوتكنیكی و انجام آزمونهای ساده نظیر SPT در آنها و مقایسه نتایج با موارد مشابه در پیش از انجام عملیات بهسازی، می‌توان نسبت به كیفیت عملكرد روش بهسازی اجرا شده، اطمینان حاصل نمود. همچنین در خاكهای ریزدانه چسبنده نیز با انجام آزمون بارگذاری صفحه بر روی سطح زمین و روی ستونها می‌توان رفتار مكانیكی ستون را مورد ارزیابی قرار داده و صحت فرضیات طراحی و باربری مورد انتظار را كنترل نمود. ولیکن بایستی خاطر نشان کرد که انجام آزمایش بارگذاری صفحه با توجه به لزوم تأمین نیروی عکس‌العمل و سربار سنگین, معمولاً بسیار پرهزینه خواهد بود.

مروری بر محاسبات فنی تراکم ارتعاشی:

طراحی ستونهای شنی بروش تراكم ارتعاشی بر اساس معیار اساسی رساندن تراكم خاك به مقدار مورد نظر صورت می‌گیرد. در ادبیات فنی روشهای تجربی یا تحلیلی چندی در این خصوص یافت می‌شود. هر چند مفاهیم اولیه و مبانی محاسباتی كلیه آنها تقریبا یكسان است، لیكن گذر زمان، روشها و روابط هر یك از آنها را دستخوش تغییر و اصلاح نموده است.
یكی از جدیدترین و كاملترین روشها، طراحی تراكم ارتعاشی كه بر مبنای استفاده از نتایج دانه‌‌بندی و عدد SPT خاك (كه در ایران نیز بسیار مرسوم است) توسعه یافته، روشهای ارائه شده در كتاب (The Sand Compaction Method 2005) می‌باشد كه توسط محققین ژاپنی پیشنهاد گردیده است. این روش بر مبنای استفاده از عدد SPT به عنوان شاخص تراكمی خاكهای دانه‌ای تدوین گردیده و براساس نتایج تجربی و روابط تحلیلی بكار رفته در پروژه های متعدد تراكم ارتعاشی، اصلاح شده و توسعه یافته است.

اصول كلی این روش بدین ترتیب است كه نشانه خلأ (Void Ratio) در خاكهای دانه‌ای بر اساس عدد SPT بدست آمده و بسته به مقادیر متناظر با خاك بهسازی نشده و بهسازی شده، فواصل و احجام اجرای ستونهای شنی به روش تراكم ارتعاشی محاسبه می‌گردد.

اصول كلی و مراحل محاسباتی چهار روش A، B، C و D كه برای منظور نمودن اثرات مختلف نظیر درصد ریز‌دانه، افزایش فشار آب حفره‌ای، تاثیر تغییرات نشانه خلا برروی تغییرات SPT و ... بهبود یافته‌اند، در شكل زیر نشان داده شده است.

 

روش‌های طراحی چیدمان ستونهای شنی ارتعاشی