بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استفاده از روش تزریق با فشار بالا براي بهسازي خاك در مسائل تونل سازي
چکیده
با توجه به شرایط بسیار متنوع زمینهاي خاکی مشکل اصلی در چنین زمینهایی پایداري بخش حفاري شده است. در چنین شرایطی لازم است تا خصوصیات زمین بهبود یابد و سپس عملیات حفاري و پیشروي انجام گیرد. یکی از روشهاي بهسازي و آماده سازي زمینهاي خاکی در تونلزنی استفاده از سیستمهاي تزریق دوغاب می باشد.
یکی از این روشها که قابلیت کاربرد آن به نوع زمین وابسته نیست و امروزه به عنوان یک تکنیک کارآمد مدنظر بسیاري از کارشناسان و متخصصان قرار گرفته روش تزریق با فشار بالا ( Jet grouting) است. در هرحال با توجه به بهسازي خاك بصورت برجا و امکان استفاده از این تکنیک در انواع خاکها این روش به صورت یک تکنیک متداول و مرسوم در برنامههاي ژئوتکنیکی کشورهایی که عملیاتهاي تونلکاري فعال و یا طرحهاي نوسازي و توسعه شهري – صنعتی مشخص دارند مشخص شده است. در این مقاله سعی شده تا ضمن معرفی این تکنیک و حدود تغییرات پارامترهاي عملیاتی مؤثر بر آن ، به ویژگی خاکهایی که امکان تزریق آنها با این روش وجود دارد اشاره شود.
کلید واژهها : تونل،بهسازي زمین،تزریق، تزریق با فشار بالا، سرعت چرخش مونیتور ، سرعت انتقال مونیتور به بالا ، اختلاط درجا ، خاك سمنته شده (بتن)
.1 مقدمه
اصولا" عملیات تزریق تکنیکی براي اصلاح مقاومت ، تحکیم و یا آببندکردن تشکیلات سنگی و خاکی است. باتوجه به کارآیی اندك تزریق دوغاب سیمان با فشارهاي معمول در خاکهایی با اندازه ذرات کوچکتر از ماسه متوسط دانه و از طرفی محدودیت روش تزریق شیمیایی به لحاظ هزینه بالا و همچنین خطرات زیست محیطی ، روش تزریق با فشار بالا با توجه به اینکه با ایجاد شکست در تشکیلات موجود امکان نفوذ بیشتر دوغاب و همچنین اختلاط یکنواخت و مناسب بین دوغاب و ذرات خاك را فراهم میکند امروزه به عنوان راه حل اقتصادي براي بسیاري از موارد بهسازي و ترمیم زمین شناخته شده است.در این روش با تزریق دوغاب با فشار و سرعت بالا از طریق یک نازل ،بافت خاك متلاشی شده ، قسمتی از خاك برداشته و مابقی بصورت درجا با دوغاب مخلوط میشود تا بدین ترتیب مقاومت و نفوذپذیري مصالح در محل بهبود یابد.
.2 تاریخچه
در اوایل سال 1970 استفاده از دو روش مختلف تزریق با فشار بالا به نامهاي (CCP (Chemical Churning Pile و JG (Jet (Grout توسعه یافتند (شکل .(1 در روش CCP که توسط ناکانیشی (Nakanishi) توسعه یافت مواد شیمیایی از طریق نازلهایی به قطر 1/2 تا 2 میلیمتر که در انتهاي یک راد حفاري ساده قرارداشت به درون تشکیلات مورد نظر فرستاده میشد. از طرفی به لحاظ مسائل زیست محیطی ، دوغابهاي شیمیایی جاي خود را به دوغابهایی سیمانی داد ولی به دلایل نامعلومی نام CCP همچنان بر روي این روش باقی ماند.
اصلیترین گروه رقیب به ریاست یاهیرو (Yahiro) روش JG را ارائه کرد که در آن با یک جت افقی سرعت بالا (جت آب)
حفاري پانل انجام میگرفت و سپس متعاقب با عمل حفاري ، پانل مربوطه با دوغاب از پایین به بالا پر میشد. پس از گذشت چند سال و در حدود سال 1975 این گروه با ایده چرخش رادها در حین انتقال به بالاي گمانه موافقت نمود و در نهایت روش جدیدي به نام column Jet Grout( CJG) ابداع گردید. در حدود سال 1972 نیز گروه CCP در ژاپن بوسیله روش Jumbo Special Pile( JSP) که در آن جت برشی درون پوششی از هواي فشرده (Air encapsulation) احاطه شده بود ستونهایی به قطر 80 تا 200 سانتیمتر ایجاد کردند. در همین حین توسط گروههاي یگري روش Jet Grout Pile) JGP) توسعه یافت که بعدها و در سال 1980 این دو روش تحت عنوان JSGارائه شد. آخرین پیشرفتهاي انجام شده در مورد روشهاي تزریق با فشار بالا که در حقیقت پیشگام آن در سال 1980 گروه CCP ژاپن بود به کوشینگر و ولش (Kauschinger & Welsh) نسبت داده میشود.
از طرفی به لحاظ محدودیت روشهاي قبلی جهت ایجاد دیوارهاي آببند روش دیگري به نام Stabilization Management) SSS-Man (Super Soil ابداع شد. در این روش ابتدا یک چال هادي (پیش آهنگ) توسط دستگاه حفاري دورانی حفرشده و سپس توسط جت آب عمل تخریب و متلاشی نمودن تشکیلات موجود صورت میگیرد.
سپس مواد حفرشده و آب داخل چال توسط یک پمپ مکشی به بیرون پمپ میشود. در انتها وقتی که تمام فضاي مورد نظر حفر گردید عمل تزریق انجام میگیرد. در حین اجرا حفرات موجود نیز توسط یک مبدل صوتی بنام MASU نقشهبرداري میشود تا در مواقع لزوم بتوان در محلهاي خاص تزریق بیشتري انجام داد.
.3 روشهاي مختلف سیستم تزریق با فشار بالا
برخلاف روندهاي پیشرفت و توسعه ، بطور معمول از سه روش استفاده میشود که جزئیات آنها در زیر شرح داده شده است :
.1-3روش (F1 (One – Fluid System
این روش سادهترین تکنیک تزریق با فشار بالا میباشد که سیال مورد استفاده در آن دوغاب سیمان بوده که بطور همزمان وظیفه تخریب و تزریق تشکیلات موجود را برعهده دارد. عملیات با چرخش و انتقال یکسان مونیتور در هر لایه ادامه مییابد تا ستونی از مصالح بهسازي شده تشکیل گردد. در واقع در این روش تنها یک جانشینی جزئی در خاك اتقاق میافتد بطوریکه ستون حاصل ترکیبی از خاك تخریبی و دوغاب میباشد.
2-3روش Two – Fluid System) F2) .
این روش حالت پیشرفتهتر روش قبلی بوده که در آن اثر برشی جت دوغاب بطور قابل توجهی بوسیله پوششی از هواي فشرده ، با فشار حدود 2 تا 15 بار ، افزایش مییابد. در این روش نسبت به روش F1 ستونهایی با قطر بزرگتر حاصل شده و از طرفی امکان بهسازي حجم بیشتري از ناحیه تزریق نیز میسر میباشد.
3-3روش Three – Fluid System) F3) .
در این روش جت آب همراه با پوششی از هوا وظیفه برش و تخریب تشکیلات موجود را برعهده دارد به طوري که نازل مربوط به تزریق دوغاب در بخش پائینی دو جت دیگر قرارمیگیرد. در این روش همراه با کارآیی بهتر جت برشی (آب+ هوا) رسیدن به حجم بالایی از مناطق بهسازي شده نیز ممکن خواهدبود. شکل 2 نماي کلی این سه روش را نشان میدهد. در تکنیکهاي F2 و F3 به لحاظ افزایش مواد باطله وجود هوا باعث سهولت در تخلیه این مواد میشود و در شرایطی که جهت جریان جت از حالت عمودي به افقی تغییر یابد افزایش میزان هوا باعث کاهش کارآیی عملیات میشود و از اینرو میتوان گفت که منحصرا" براي انجام تزریق در جهت افقی از تکنیک F1 استفاده میشود.
در هر سه سیستم مواد اضافی از طریق فضاي حلقوي (Annulus) بین رادهاي تزریق و جداره گمانه براي جمعآوري و دفع به سطح زمین منتقل میشود. از طرفی در طول عملیات لازم است تا دوغاب و مواد اضافی بدون ایجاد کمترین مشکلی به سطح زمین منتقل شوند در صورتی که فضاي حلقوي مسدود و یا دقیقا" کنترل نشود یکسري جابجایی ناخواسته در سطح زمین ایجاد میشود ، بطوري که در تشکیلات رسی نرم جابجائیهایی تا حدود یک متر نیز گزارش شده است. بنابراین لازم است تا شیوههاي طراحی خاصی براي جلوگیري از چنین خساراتی بخصوص در مناطق شهري و یا در مواردي که مواد باطله و یا دوغاب برگشتی از نظر محیط زیست آلوده و خطرناك است طراحی گردد.
.4 چگونگی اجراي عملیات تزریق
.1-4 انجام آزمایشهاي صحرایی و بررسی اولیه طرح
امکانپذیري تزریق با فشار بالا و انتخاب پارامترهاي عملیاتی مربوطه را میتوان با انجام یکسري آزمایش مرحلهاي که در زیر آمده ارزیابی کرد. لازم به یادآوري است که برنامه آزمایشی این روش نسبت به دیگر روشهاي تزریق و خصوصا" روش تزریق نفوذي از پیچیدگی کمتري برخوردار میباشد.
-آزمایشهاي تفصیلی برجا از قبیل آزمون نفوذ استاندارد و آزمون نفوذ مخروطی (SPT , CPT) جهت تخمین استحکام خاك و یا چگالی نسبی آن.
-آزمایش دانهبندي بر روي نمونههاي معرف خاك جهت ارزیابی توزیع اندازه ذرات مواد غیرچسبنده و یا محتوي آب، چگالی حجمی و حدود اتربرگ خاکهاي چسبنده .
-آزمایشهاي آزمایشگاهی بر روي دوغابها و بتنهاي آزمایشی .
تزریق آزمایشی برجا به منظور تعیین پارامترهاي عملیاتی و همچنین کسب اطلاعات بیشتر در مورد طراحی نهایی.
.2-4 ویژگی خاکهایی که امکان تزریق آنها وجود دارد
مهمترین ویژگی این روش نسبت به دیگر روشهاي تزریق و خصوصا" تزریق نفوذي آن است که عامل جت امکان ترکیب یکنواختتر مواد سیمانی را در محدوده وسیعی از خاکهاي مختلف ، ماسهها ، شنها و حتی خاکهاي رسی فراهم میسازد. از طرفی دامنه کاربرد این روش براساس مقاومت لایههاي موجود مشخص میشود. در ادامه بعضی از پارامترهاي مرتبط با مقاومت تشکیلات موجود توضیح داده شده است :
ـ چسبندگی که در واقع معرف مقاومت خاکهاي چسبنده است تقریبا" خاکی با چسبندگی حدود 40 کیلو پاسکال و حد روانی 40 درصد به عنوان مقادیر محدودکننده در این روش محسوب
میشود. دامنه کاربرد این روش در خاکهاي چسبنده تحت تأثیر شرایط اقتصادي نیز قرارمیگیرد. مثلا" با کمکردن سرعت انتقال نازل در حین ساخت ستون زمان بهسازي و بالطبع هزینه عملیاتی آن نیز افزایش مییابد.
ـ دانسیته که در واقع معرف مقاومت خاکهاي غیرچسبنده (دانهاي) میباشد. در عمل خاکهاي ماسهاي و شنی با دانسیته بالا را به راحتی میتوان بهسازي کرد.
از طرفی مخلوط خاك برجا با دوغاب تابعی از سرعت جت و تعداد چرخش راد بوده و چون بتن (Soilcrete) یک مخلوط ناهمگن است این ناهمگنی ناشی از چندین عامل مختلف است که این عوامل اساسا" از نقطه نظر پارامترهایی همچون مقاومت، نفوذپذیري و پایداري در برابر فرسایش (Erosion stability) ساختارهاي اصلاح شده قبل از تصمیمگیري بایستی به دقت بررسی و کنترل شود.
ـ ترکیب نامناسب خاك برجا با دوغاب آزمایشهاي صحرایی نشان داده که براي ترکیب مناسب خاك و دوغاب 4 تا 6 بار چرخش رادهاي حفاري کافی است. ترکیب نامناسب باعث میشود که مقاومت بتن در امتداد بخش مرکزي ساختار تزریق شده حداکثر و در امتداد بخش بیرونی به حداقل مقدار ممکن برسد. تغییرات مقاومت بتنهاي حاصل در این روش بسیار زیاد بوده و تحت تأثیر محتواي رس و سیلت خاك قرارمیگیرد. ترکیب نامناسب بین خاك و دوغاب اغلب در خاکهاي رسی مشاهده میشود.
ناهمگنی موجود در خاك نسبت به تغییرات عمق
در صورتی که سرعت جریان آبهاي زیرزمینی بالا باشد به دلیل احتمال دفع موضعی سیمان قبل از تکمیل دوره سختشدگی کیفیت بتن افت پیدا میکند. البته اگر سرعت جریان تراوش بیش از cm/sec 6 باشد (این عدد مقدار پیشنهادي
مربوط به یک دوغاب نرمال است) میتوان قبل از اجراي عملیات تزریق به دوغاب مواد افزودنی مقاوم در برابر آب اضافه کرد.
باتوجه به کنترل نتایج نفوذپذیري نمونههاي موجود پس از گذشت 50 و 75 روز در گرادیانهاي هیدرولیکی 500 و 1000 و
این واقعیت که نفوذپذیري نمونهها پس از 75 روز و در یک گرادیان هیدرولیکی بالا (حداکثر گرادیان هیدرولیکی در عمل حدود i =90 میباشد) تغییر چندانی نداشته ، پایداري در مقابل فرسایش نمونهها نیز تأیید میشود. نتایج ثبتشده مقدار نفوذپذیري بعد از تزریق در این روش را کمتر از 10-8 متر بر ثانیه نشان میدهد . [Kutzner , 1996 ]
.3-4 انتخاب پارامترهاي عملیاتی براساس نوع خاك
تأثیر هر یک از پارامترهاي اندازه نازل ، میزان فشار ، نوع و مقدار دوغاب ، سرعت چرخش و انتقال مونیتور به بالا ، بر عملیات تزریق ، توسط افراد مختلفی بررسی شده است که خود موضوع یک مبحث وسیع میباشد. در اینجا سعی شده تا حدود تغییرات این پارامترها و همچنین مقاومت خاکهاي تزریق شده بطور خلاصه ارائه گردد (جدول . (1 به این مسئله نیز باید اشاره کرد که این دادهها تنها یک محدوده شاخص را معرفی کرده و جزئیات هر یک از آنها را بایستی براساس شرایط حاکم بر هر پروژه تعیین کرد.
بطور کلی پایه اصلی دوغاب در این روش سیمان میباشد. از طرفی در این تکنیک میتوان از دوغاب با ویسکوزیته و صلبیت پائین استفاده کرد تا موجب بهسازي و اصلاح بیشتر مصالح و یا بعبارتی افزایش شعاع تأثیر تزریق شود. سوسپانسیون مصرفی آب و سیمان با نسبت cw بین 0/8 تا 1/5 است. معمولا" در این روش نسبت آب به سیمان بیشتر از 1/5 مناسب نیست ولی در صورت لزوم و در حد بهینه میتوان از مواد افزودنی نیز استفاده کرد. در عمل به دلیل امکان آسیب رسیدن به تجهیزات و نازلهاي مربوطه و همچنین خطر ناشی از بلوك شدگی مواد (Blockage) نبایستی از پرکنندههاي درشت دانه و یا مصالحی با درجه سایندگی بالاتر از خاکستر آتشفشانی (Fly ash) استفاده کرد.
از طرفی چون در هر روشی براي دستیابی به معیارهاي طراحی بایستی پارامترهاي عملیاتی مؤثر بر آن بطور دقیق کنترل شود تا در نهایت منجر به انتخاب بهترین راه حل موجود از لحاظ فنی و اقتصادي گردد در ادامه به لحاظ اهمیت بعضی از این پارامترها شرح داده شده است :
- ارتفاع مونیتور
