بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد و روشهاي اجراي ستون هاي سنگی براي تثبیت شالوده هاي سطحی بر روي زمین هاي سست
چکیده :
ستون هاي سنگی یک روش اصلاح خاك جهت افزایش ظرفیت باربري و یا تقلیل نشست خاك زیر پی، سـازه ها می باشد. در این روش تعویض 15 الی 35 درصد حجم خاك نامرغوب از لحاظ مهندسـی ژئوتکنیـک زیـر پـی بوسیله حفر چاههایی با قطر و عمق و فاصله معین از یکدیگر و پر کردن چاهها بوسیله شن یا سـنگریزه و متـراکم نمودن بصورت ستونهاي عمودي صورت می گیرد. در این مقاله به ارائه انواع کاربرد و روشـهاي اجـراي سـتونهاي سنگی مطابق با متداولترین و جدیدترین روشهاي موجود پرداخته شده است.
واژگان کلیدي :
اصلاح خاك- ستونهاي سنگی-کاهش نشست پذیري- افزایش ظرفیت باربري- افزایش مقاومت برشی
-1 مقدمه
با افزایش روز افزون جمعیت و توسعه صنایع مشکل کمبود زمین مناسب جهت احداث سـازه هـاي مـورد نیـاز موجب شده است تا انسان به استفاده از زمینهاي با کیفیت پایین تر از لحـاظ مهندسـی ژئوتکنیـک روي آورد. امـا جهت احداث یک سازه مناسب باید به نوعی کیفیت خاك نامناسب از لحاظ پارامترهاي مهندسی ژئوتکنیک ارتقـاء داده شود تا خاك در اثر نیروهاي ناشی از سازه مورد نظر عملکرد مناسبی داشته باشد. با پیـشرفت تکنولـوژي هـر روزه شاهد ارتقاء روشهاي اصلاح خاك و ابداع روشهاي جدید اصلاح خاك می باشیم. با توجه به روشـهاي متعـدد اصلاح خاك یک مهندس ژئوتکنیک می تواند چندین روش اصلاح خاك را مدنظر قرار داده و در این میان بهترین و اقتصادي ترین طرح را در اصلاح خاك محل بکار بگیرد. روشهاي معمول اصلاح خاك عبارتند از: تراکم؛ پـیش بـار گذاري؛ زهکشی؛ چگالش با استفاده از تجهیزات لرزشی؛ استفاده از تسلیح درجا(مانند ستونهاي سنگی یـا ماسـه اي)؛ تزریق دوغاب؛ استفاده از زمین پارچه؛ تثبیت شیمیایی.[1] [2]
-2 آشنایی با ستون سنگی
ستون سنگی یک روش اصلاح خاك جهت افزایش ظرفیت باربري و یا تقلیل نشست خاك زیر پی، سـازه مـی باشد. در این روش تعویض 15 الی 35 درصد حجم خاك نامرغوب از لحـاظ مهندسـی ژئوتکنیـک بوسـیله حفـر چاههایی با قطر و عمق و فاصله معین از یکدیگر و پر کردن چاهها بوسیله شن یا سنگریزه و متراکم نمودن بصورت ستونهاي عمودي صورت می گیرد ( شکل . [3]( 1
شکل -1 نحوه اجراي ستون سنگی[4]
مواد دانه اي بصورت لایه لایه در چاه حفر شده، ریخته و بوسیله دستگاههاي مخصوص مرتعش و بر تراکم آنها افزوده میشود. استفاده از دستگاههاي مخصوص جهت تراکم مصالح درون چاه از سال 1935 به بعد متداول شـده است، امروزه از ستونهاي سنگی بیشتر در خاکهاي ریز دانه (سیلتی و رسی)، خاکهـاي ماسـه اي سـست اسـتفاده میشود. در فرانسه براي اولین بار در سال 1830 از ستون سنگی جهت اصـلاح خـاك اسـتفاده شـد. در آمریکـا از ستون سنگی نخستین بار در سال 1972 در چندین پروژه به صورت محدود استفاده شد.[3] امـا در اروپـا از سـال 1950 بطور وسیعی از ستونهاي سنگی جهت اصلاح خاك استفاده میشود. بار طراحی سـتون هـاي سـنگی بطـور معمول در حدود 20 الی50 تن میباشد. از جمله علت هاي استفاده از ستون سنگی بعنوان گزینه اي جهـت اصـلاح خاك عبارتند از:
-1 افزایش باربري و کاهش نشست پذیري ( بطور معمول 30 الی 50 درصد نشست پـذیري کـاهش مـی یابـد.)
مناطق گسترده اي که تحت اعمال بار هستند (مانند زمین زیر پی خاکریزها یا زیر پی تانکهاي بزرگ، مخازن نفت، آب و.(…
-2 ظرفیت باربري خوبی که ستونهاي سنگی دارند ( بطور معمول هر سـتون سـنگی 20 الـی 50 تـن بـار تحمـل میکند).
-3 با استفاده از ستون سنگی در خاکهاي سیلتی و رسی با قابلیت تراکم خوب مقاومت برشی سـطح زمـین بطـور معمول در حدود15 - 50 کیلو نیوتن بر متر مربع افزایش می یابد. اگر مانند شکل (2) یک نیـروي برشـی ماننـد نیروي برشی زلزله در خاك اثر کند، کرنش زاویه اي (γ)ایجاد میکند. در صورتی که از ستون سنگی استفاده شـود،
فرض میشود که کرنش زاویه اي خاك و ستون سنگی برابرباشد(معمولاً سختی ستون هاي سنگی 2 الـی 5 برابـر خاك اطراف است)؛ در این صورت با استفاده از تعادل نیروها میتوان نوشت:
با توجه به اینکه مقدار γ خاك و ستون سنگی باهم برابر است می توان نوشت:
که در آن AC و AS مساحت افقی خاك و ستون سنگی وGc و GS مدول برشی خاك و مدول برشی ستون سنگی مـی باشد.
با توجه به رابطه 2 ملاحظه می شود که با استفاده از ستون سنگی نیروي برشی تحمیلی به خاك کمتر می شود.[5]
-4 ستون سنگی یک روش اصلاح اقتصادي است. بطور معمول طول 6 الی 10 متري از ستون سنگی اقتصادي بـه نظر می رسد در اروپا بطور معمول از ستون سنگی در طول 4 تا 6 متري استفاده میشود و بطور معمول ستون سنگی با طول بیش از 10 متر غیر اقتصادي می باشد. در ضمن علاوه بر غیر اقتصادي بودن مشکلات اجرایی نیـز بـا افزایش طول ستون سنگی افزایش می یابد، با این حال در اروپا و آمریکا ستون سنگی تا طـول 21 متـر نیـز اجـرا شده است. از ستون سنگی بطور معمول در خاکهایی که حداقل مقاومت برشی زهکشی نشده آنها کمتـر از 7 کیلـو نیوتن بر متر مربع باشد استفاده میشود. اما نکته اي که با اهمیت است و باید به آن توجـه شـود؛ آن اسـت کـه در خاکهاي حساس و خاکهاي حاوي مواد آلی بعلت تراکم پذیري بالا، ممکن است ستون سنگی بعلت عـدم حمایـت جانبی از طرف خاك، با انبساط جانبی1 مواجه شود.
شکل -2 افزایش مقاومت برشی خاك زیر پی با استفاده از ستون سنگی [5]
-3 موارداستفاده از ستونهاي سنگی
افزایش پایداري شیروانی هاي طبیعی و شیروانی خاکریزها
1. افزایش ظرفیت باربري خاك زیر پی به خصوص در خاك رس یا سیلتی ماسه اي سست
2. کاهش نشستهاي تفاضلی
3. کاهش پتانسل روانگرایی
4. افزایش سرعت تحکیم خاك و کاهش زمان تحکیم
در شکل شماره((3 چندین کاربرد از ستون سنگی نشان داده شده است. [4]
شکل –3 کاربرد ستون سنگی [4]
البته موارد ذکر شده از کاربردهاي عمده و شاخص ستون سنگی میباشد و کاربرد ستون سـنگی تنهـا در مـوارد ذکر شده محدود نمیشود و در سایر موارد نیز از ستون سنگی می شود استفاده کرد. براي مثال در پلها؛ در زیـر دال دسترسی2 که در زیر بارهاي دینامیکی شدید ناگهانی قرار دارد؛ با استفاده از ستونهاي سنگی میتـوان از نشـست خاك زیر دال دسترسی کاست. [3] ازکاربرهاي دیگر ستون سنگی در راه سازي است، در بسیاري از موارد بـستر خاکریزي نشست پذیري بالایی دارد؛ به راحتی با استفاده از ستون سنگی، میتوان بستر مناسبی جهـت خـاکریزي راه فراهم نمود ( شکل .( 3
-4 انواع اجراي روشهاي ستون سنگی
روشهاي متداول اجراي ستون سنگی با توجه به امکانات و شرایط زمین عبارتند از :
-1-4 روش تراکمی - جایگزینی ( خیس 3( یا روش خیس – مصالح ریزي از بالا4
از روش فوق در مکانهایی که مشکل، کمبود آب و عوامل زیست محیطی نباشد اسـتفاده میـشود. در ایـن روش نیروي ناشی از جت آب باعث کنده شدن خاك شده و خاك کنده شده با کمک نیروي بالا رونده آب، از چـاه بیـرون می آید و بعد از رسیدن به عمق مورد نظر مصالح دانه اي(10 الی30 میلیمتر) در چاه ریخته شده (در هر مرحله ½ 0/3 – متر ارتفاع چاه) و با لرزش متراکم میشود و دستگاه کم کم به بیرون چاه کـشیده میـشود (شـکل .( 4 البتـه حجم مصالح مصرفی و دستگاه لرزش5 بطور منظم در طول کار کنترل می گردد تا از تراکم مناسب مصالح اطمینـان حاصل گردد. پس از احداث ستونهاي سنگی بر روي ناحیه اي که ستونهاي سنگی اجرا شده اسـت مـصالح بطـور افقی (مانند پتو) بر سطح زمین پخش و متراکم می شود. از این روش بیشتر در مناطقی که سطح تراز آب زیرزمینی بالا است استفاده میشود. در این روش جریان آب موجب پایداري دیواره چاه نیـز مـی گـردد. در ایـن روش بطـور معمول در هر ساعت 2000 الی 4000 گالن آب مورد نیاز است [3] و.[6]
شکل -4 نحوه اجراي ستون سنگی به روش تراکمی- جایگزینی (خیس) یا خیس – مصالح ریزي از با لا[6]
از مزایاي روش فوق میتوان:-1 قابلیت استفاده از مصالح سنگی تا قطر 130 میلیمتر؛-2 کاهش هزینه نسبت به روش خشک؛-3ایجاد ستون سنگی با عمق زیاد را ذکر کرد.
-2-4 روش تراکمی – جابجایی6 یا تراکمی- جایگزینی خشک7 یا روش خشک – مصالح ریزي از پایین8
در این روش ابتدا دستگاه بوسیله لرزش و تحت اثر وزن خود به داخل زمین فرو می رود، سـپس بوسـیله قیـف بالاي دستگاه9 و لوله هادي10مصالح به عمق مورد نظر هدایت شده و بوسیله لرزش و نیروي جانبی مصالح متـراکم شده و دستگاه آرام آرام با ریختن مصالح و متراکم کردن بیرون کشیده میشود و بدین ترتیب ستون سنگی تشکیل میشود شکل(.(5 چون در این روش مصالح بطور افقی نیز جابجـا مـی شـود، نـام " " Vibro-Displacement بـر آن گذاشته شده است. از مزایاي روش فوق میتوان:-1 اندازه گیري دقیق حجم مصالح مـصرفی؛-2 کـاهش دور ریـز مصالح؛-3 کاهش هزینه با حذف سیستم جت آب ؛-4 نداشتن اثر سوء ، زیست محیطی نسبت به روش تراکمـی- جایگزینی (خیس) ، بدلیل عدم استفاده از آب را ذکر کرد. با این روش احداث ستون سنگی تـا عمـق 24 متـر نیـز امکان دارد [3] و.[4]
