بخشی از مقاله
چکیده
نظر به اهمیت خاک خصوصیات فیزیکی و مکانیکی و بویژه مقاومت آن در اجرای پروژه های عمرانی، بهسازی خاک های نامطلوب از نظر مقاومتی و رفتار پلاستیکی از دیرباز مورد علاقه متخصصین ژئوتکنیک بوده است. شیوه های گوناگونی برای بهسازی خاکهای رسی نامقاوم و حساس بکار گرفته می شود که اختلاط خاک با مصالح با منشاء متفاوت طبیعی یا شیمیایی از جمله آنهاست.
در این تحقیق به منظور مقاوم سازی خاکهای پی یک سازه بیمارستانی در حومه زنجان، پس از نمونه برداری از مناطق مختلف خاک پی، نمونه ها با مقادیر متفاوت 2 - ، 4، 6 و - %8 آهک شکفته مخلوط گشته و نمونه های مصنوعی مربوط به زمان های عمل آوری 7، 28 و 56 روزه تهیه گردید . آنگاه برای مقایسه تغییرات فیزیکو مکانیکی و مقاومتی ایجاد شده نسبت به نمونه های خام اولیه؛ آزمایشات، خصوصیات و رفتار فیزیکی خاک شامل : وزن مخصوص خشک و مرطوب، حدود پلاستیکی، آزمون CBR و تعیین رطوبت و دانسیته بهینه هر گروه خاک و نهایتا آزمون مقاومت فشاری تک محوری بر روی نمونه های تهیه شده اجرا و نتایج حاصل با نتایج آزمایشات نمونه های خاک طبیعی همان خاکها مقایسه گردید.
بر اساس نتایج ارائه شده هر چند همزمان با مهمترین تغییرات رطوبتی و دانسیته نسبی در اختلاط 2 درصد آهک، مقاومت فشاری تک محوری مصالح نیز تا بیش از 2 برابر افزایش می یابد اما افزایش زمان عمل آوری نسبت آهک تا نرخ معینی برغم بی تاثیر بودن بر متغیر های رطوبتی و دانسیته، مقاومت فشاری تک محوری را بطور قابل ملاحظه ای - بیش از 9 برابر - افزایش می دهد و این درحالی است که در این مقاومت بهینه مقدار رطوبت تا 15 درصد افزایش و مقدار وزن مخصوص تا %8 کاهش نسبت به خاک اولیه داشته است!
از دیگر نتایج این تحقیق تاثیر بارز اختلاط آهک بر کاهش دامنه خمیری و تبدیل خاک خمیری به خاک غیر خمیری است که می تواند در کاهش مشکلات حساس پذیر خاکهای چسبنده بکار گرفته شود. با توجه به ارزانی و در دسترس بودن آهک شیوه اختلاط با آهک می تواند بعنوان یک روش اقتصادی و سریع برای تثبت و تحکیم خاک پی های با ظرفیت باربری پایین و نیز خاکهای خمیری با حساسیت بالا بکار گرفته شود.
-1 مقدمه
با توجه به توسعه چشمگیر اقدامات سازه ای و ساختمان سازی نیاز به مصالح ساختمانی تا حد زیادی افزایش پیدا کرده است. بر این اساس امروزه استفاده از مصالح جایگزین با کیفیت مهندسی بالاتر و با توجیه اقتصادی بیشتر، مورد توجه زیادی قرار گرفته است
از جمله مهمترین مصالحی که به نحو گسترده ای در اکثر پروژه های عمرانی مورد استفاده قرار میگیرد خاک رس است. خاک های رسی خصوصا خاک های رسی نرم دارای خواص خمیری بالایی می باشند و از نقطه نظر ظرفیت باربری و نشست همواره مشکلاتی را ایجاد می کنن
بطور کلی هنگامی که آب به این نوع خاک ها می رسد حجمشان افزایش یافته و مقاومت برشی و فشاری آنها کاهش می یابد
افزایش حجم بر اثر دریافت رطوبت از ویژگی های خاک های رسی دانه ریز می باشد که ناشی از ساختمان و ترکیب شیمیایی رس ها می باشد. این خصوصیات که غالبا خسارات جبران ناپذیری به سازه وارد می کند اهمیت بهسازی خاک را آشکار می سازد. بهسازی خاک در کلیه موارد مهندسی خاک و بویژه در شرایط ضعیف بودن خاک مطرح است، این عمل به منظور اصلاح کاربرد مهندسی خاک برای دستیابی به اهدافی چون افزایش مقاومت، تغییر نفوذپذیری و پیشگیری از نشست انجام می شود. افزایش مواد سیمانی کننده در خاک تا یک سطح مشخص میتواند به افزایش چسبندگی اجزای درشت بی انجامد و مقاومت مخلوط را افزایش دهد.
شروع بررسی علمی استفاده از مواد افزودنی به خاک رس جهت بهبود خصوصیات مقاومتی آن به سال 1960 برمیگردد. در آن زمان با افزودن آهک یا سیمان به خاک رس مشاهده شد که خصوصیات مقاومتی خاک رس از جمله مقاومت برشی و مقاومت فشاری آن تا حد زیادی بهبود می یابد. استفاده از مخلوط آهک و خاک رس از جمله روش هایی که برای بهبود خصوصیات فیزیکی و ژئوتکنیکی خاک رس بصورت دائمی انجام می گیرد.
آهک طی انجام یکسری واکنش های شیمیایی خصوصیات خاک رس را تا حد زیادی بهبود می بخشد. علاوه بر خاک های رسی در موارد متعددی از آهک جهت سیمانی شدن مصنوعی مصالح درشت دانه تر مانند ماسه ها و لس ها استفاده میشود که از جمله آنها میتوان به کاربرد آهک زنده در تثبیت ماسه ها و لس ها در آلمان و موارد دیگر در بازسازی ماسه های ریز دانه در شمال غربی قاره استرالیا اشاره نمود
در این تحقیق نتایج ارزشمند افزودن آهک به خاک رسی در افزایش مقاومت و ظرفیت باربری خاک مورد تایید واقع گردیده است. خاک مورد مطالعه این تحقیق از محل اجرای پروژه بیمارستان شهرستان زرین آباد استان زنجان تهیه و با تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی اولیه خاک و انجام آزمون های اختلاط آهک بهترین روش تثبیت به کمک ماده افزودنی آهک مورد بررسی واقع و نتایج مطلوب اخذ گردید . نتایج این مطالعه اهمیت استفاده از آهک بعنوان ماده در دسترس و ارزان برای تثبیت و تحکیم خاکهای رسی مورد تاکید محققین قرار می دهد.
-2 بهسازی خاکهای نامقاوم رسی با آهک
هازمن - Hausman, 1990 - در سال 1990 در طی مطالعات گسترده در منطقه Inverell کشور استرالیا نتایج ارزشمندی در رابطه با کاهش ویژگی های خمیری خاک همراه با آهک به دست آورد. طبق نتایج بدست آمده با افزایش درصد وزنی آهک به خاک شاخص خمیری و حد روانی کاهش پیدا کرده و در مقابل حد خمیری خاک افزایش می یابد. همچنین با توجه به آزمایشات تراکم مشخص شد که در خاک های با پلاستیسیته کم افزودن آهک موجب کاهش وزن مخصوص خشک حداکثر و افزایش رطوبت بهینه می گردد و در عین حال منحنی تراکم را خوابیده کرده و لذا از میزان حساسیت وزن مخصوص خشک نسبت به تغییرات می کاهد.
هیموند در مورد بهسازی و افزایش مقاومت خاکهای رسی تثبیت شده با آهک مطالعاتی را انجام داد و به این نتیجه رسید که مقاومت مخلوط خاک رس و آهک به حدی است که می توان از آن جهت تثبیت شیب جانبی کانالها و همچنین جهت پی سازی در سازههایی که بار وارده از آن ها به پی زیاد نمی باشد استفاده کرد.
آیری - - Airey, 1993 در بررسی های خود بر روی خاک های بهسازی شده با آهک به این نتیجه رسید که، میزان رطوبت بهینه افزایش قابل توجهی یافته و وزن واحد حجم خشک حداکثر نیز کاهش یافته است .کاهش میزان دانسیته خاک در این آزمایش را می توان به تشکیل سریع موادی با خاصیت سیمانی ارتباط داد که باعث کاهش تراکم پذیری و در نتیجه کاهش دانسیته خاک بهسازی شده می شود.
بوردمن و همکاران - - Boardman et al, 2001 نشان دادند که رفتارهای گسیختگی نمونه خاکهای بهسازی شده با آهک، مشابه رفتار مصالح ترد و شکننده می باشد و مقاومت این خاکها پس از افزودن آهک، افزایش پیدا کرده است.
اسینوبی - - Osinubi, 2006 مطالعاتی در مورد تاثیر نیروی تراکم و تاثیر خاکستر و آهک بر روی خصوصیات تراکم و مقاومت محوری خاک رس انجام داد و به این نتیجه رسید که بالاترین مقاومت محوری زمانی حاصل میشود که بلافاصله بعد از مخلوط شدن خاک رس با آهک عمل تراکم صورت پذیرد. همچنین معلوم کرد که نمونه تهیه شده مقاومتی در حد زیرسازی جاده با ترافیک سبک را دارا میباشد.
کومار و همکاران - - Kumar et al, 2008 در مورد تاثیر آهک بر روی برخی از خواص خاک های ریزدانه مانند: رطوبت بهینه، چگالی خشک و تحکیم مطالعاتی انجام دادند. در سال 2013 به منظور تعیین دقیق خواص فیزیکی و مهندسی خاک در حالت های طبیعی و تثبیت شده توسط آهک، آزمایش های کامل آزمایشگاهی انجام گردید.
نتایج آزمایشات آبیدون - - Abiodun, 2013 برروی نمونه ای از خاک متورم شونده نشان می دهد که تغییرات بنیادی در خواص فیزیکی و مهندسی خاک های تثبیت شده با آهک در مقایسه با خاک تثبیت نشده وجود دارد و با افزودن آهک به خاک تغییراتی در نحوه توزیع ذرات ایجاد میشود که در نهایت موجب تشکیل خاک کلوخه ای می گردد.
بر طبق مطالعات انجام شده، آهک در تثبیت خاکهایی موثر است که میزان کانیهای موجود در آنها برای انجام واکنشهای پوزولانی به اندازه کافی و نشانه خمیری خاک مورد نظر بین10 تا 50 باشد، و هر چه میزان این نشانه بالاتر باشد، دلیل حضور بیشتر کانیهای رسی و واکنش بهتر سیلیس و آلومین موجود در آنها با کلسیم، در واکنشهای دراز مدت پوزولانی است.
در عملیات بهسازی باید هدف از اختلاط آهک با خاک قبلاً مشخص گردد. به عنوان مثال اگر مقدار کمی آهک با خاک مخلوط شود برخی از خصوصیات خاک تغییر میکند، ولی مقاومت فشاری و کششی به طور محسوسی افزایش نمییابند. در این شرایط میزان سمنته شدن ضعیف و فقط نسبتاً مرحله اصلاح انجام شده است. با افزایش مقادیر پایین آهک - تا حدود 3 درصد - ، فرآیند دانهای شدن در بخش رسی خاکها به واسطه واکنش تبادل کاتیونی انجام میشود
با افزایش بیشتر مقدار آهک، درصد کمی از ذرات رسی که باقی ماندهاند، درشت دانه میشوند. اما در درصدهای بالاتر از %6 آنچه باعث تجمع و یا درشت دانه شدن بافت خاک میشود، واکنشهای پوزولانی است. با توجه به اینکه بسیاری از ناپایداریهای دامنهای، در خاکها به وقوع میپیوندد، در این راستا یکی از مناسبترین روشها تثبیت خاکهای رسی به ویژه در شیبها استفاده از آهک - ستونهای آهکی با توجه به سادگی، سرعت نصب و هزینه کم مواد مصرفی - و مزایای دیگری همانند زهکش عمل کردن آنها میباشد.
در تحقیقات انجام شده توسط - هاشمی طباطبایی و همکاران, - 1381 روشی برای بهسازی و پایدارسازی شیبهای مارنی با استفاده از ستون آهک توصیه شد. این مطالعات بر روی خاک طبیعی و اصلاح شده انجام شد و طبق نتایج بدست آمده مقدار % 6 آهک، مناسبترین تاثیر بر روی خاکهای مورد مطالعه را داشته است.
-3 کارهای آزمایشگاهی
-1-3 ویژگی های خاک مورد استفاده
به منظور اصلاح خاک بستر، نمونه هایی از ژرفای یک متری سطح زمین به وسیله حفاری دستی گرفته شد. خاک مورد استفاده این تحقیق خاک رس طبیعی بوده و برای انجام آزمایش های مربوطه 57 نمونه با درصد های مختلف آهک بر اساس زمان های عمل آوری 7، 28 و 56 روزه تهیه شد. آزمایش هیدرومتری و الک برای تعیین نوع خاک مطابق استاندارد ASTM D-422 انجام گرفت. نتایج حاصل از آزمایشات فیزیکی و مکانیکی انجام شده بر روی نمونه خاک مذکور قبل از اضافه کردن آهک در جدول 1 آمده است. آهک مصرفی در این پروژه، آهک صنعتی از نوع شکفته است که در کیسه های 25 کیلوگرمی با وزن مخصوص نلرزیده 550 کیلوگرم برمترمکعب تعبیه شده است.
