اختلاط عمیق خاک (DSM)

تاریخچه اختلاط عمیق خاک در پروژه‌های بهسازی بستر

روش اختلاط عمیق خاک (Deep soil mixing) نخستین بار در سال 1971 در کشور ژاپن و با هدف افزایش ظرفیت باربری خاک در محدوده فرودگاه هاندا اجرا شد. در این پروژه از آهک به‌عنوان ماده افزودنی استفاده گردید و همین امر باعث شد پیمانکاران در بسیاری از پروژه‌های اولیه، آهک را به‌عنوان گزینه اصلی در فرآیند بهسازی بستر انتخاب کنند.

با گذشت زمان و شناخت بهتر اثرات سیمان بر خاک و همچنین دسترسی گسترده‌تر به آن، استفاده از سیمان به‌عنوان ماده افزودنی در اختلاط عمیق رواج بیشتری یافت. این تغییر رویکرد، امکان کنترل نشست سازه‌ها و کاهش پتانسیل روانگرایی را در پروژه‌های عمرانی فراهم کرد.

از اواسط دهه1970 میلادی، این روش در کشورهای اروپایی نیز مورد استفاده قرار گرفت و به‌تدریج توسعه یافت. آمارهای موجود نشان می‌دهد که طول ستون‌های اختلاط عمیق اجرا شده در پروژه‌های مختلف طی سال‌های بعد به‌طور چشمگیری افزایش یافته است، که بیانگر رشد جهانی این فناوری در حوزه بهسازی خاک می‌باشد.

توسعه روش اختلاط عمیق خاک در آمریکا

پس از موفقیت‌های اولیه در ژاپن، روش اختلاط عمیق خاک در سال 1986 وارد آمریکا شد. نخستین پروژه در این کشور با هدف بهسازی بستر خاک در زیر سدی واقع در دریاچه جکسون اجرا گردید. این اقدام، زمینه‌ساز استفاده گسترده‌تر از این فناوری در پروژه‌های عمرانی شد و امکان افزایش ظرفیت باربری خاک و کنترل نشست سازه‌ها را در شرایط پیچیده فراهم ساخت.

در سال‌های بعد، پروژه‌های متعددی در آمریکا با بهره‌گیری از این روش اجرا شدند. اهمیت این فناوری به حدی بود که در سال 1997، انجمن بزرگراه‌های ایالتی آمریکا (Federal Highway Administration) اقدام به تدوین آیین‌نامه‌ها و ضوابط اجرایی برای روش اختلاط عمیق نمود. این دستورالعمل‌ها با کد FHWA-RD-99-138  منتشر شدند و نقش مهمی در استانداردسازی اجرای ستون‌های اختلاط عمیق ایفا کردند.

گسترش این روش در آمریکا نشان‌دهنده‌ی جایگاه آن به‌عنوان یکی از مؤثرترین تکنیک‌های بهسازی خاک برای کاهش خطرات ژئوتکنیکی از جمله کاهش پتانسیل روانگرایی و افزایش ایمنی سازه‌ها بود.

معرفی روش اختلاط عمیق خاک  (Deep Soil Mixing)

روش اختلاط عمیق خاک به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن مواد پایدارکننده‌ای مانند سیمان یا آهک از طریق راد حفاری با محور توخالی، به‌صورت مکانیکی با خاک مخلوط می‌شوند. این فرآیند موجب ایجاد ستون‌های یکنواخت با پهنای ثابت از ترکیب خاک و ماده افزودنی می‌گردد. در نتیجه، زمین در شرایط درجا اصلاح شده و مشخصات ژئوتکنیکی آن به سطح قابل قبول ارتقا می‌یابد؛ به‌گونه‌ای که زمین اصلاح‌شده بخشی از سیستم خاک و سازه محسوب می‌شود.

با همپوشانی ستون‌ها پیش از گیرش کامل مخلوط، امکان احداث دیوارهای پیوسته زیر سطح زمین فراهم می­شود. یکی از ویژگی‌های مهم این روش، قابلیت کنترل و تأیید کیفی اجرا است که اطمینان از عملکرد مطلوب را تضمین می‌کند.

هدف اصلی در این روش، دستیابی به پارامترهای ژئوتکنیکی اصلاح‌شده نظیر مقاومت فشاری، مقاومت برشی و کاهش نفوذپذیری است. علاوه‏بر این، در حوزه‌های زیست‌محیطی نیز از اختلاط عمیق خاک برای محدودسازی یا تثبیت مواد شیمیایی مضر در خاک استفاده می‌شود.

دستگاه‌های اختلاط دارای مته‌های تکی با قطر 0.6 تا 2 متر هستند و ستون‌های حاصل در آمریکا تا عمق 20 متر و در ژاپن تا عمق 60 متر اجرا شده‌اند. مقاومت نهایی ستون‌ها به عواملی همچون نوع ماده افزودنی، نوع خاک و روش اجرا وابسته است.

روش اختلاط عمیق خاک برای بهسازی طیف وسیعی از خاک‌های نرم غیرآلی و خاک‌هایی که سایر روش‌های بهسازی در آنها کارایی ندارند، کاربرد دارد. حتی در خاک‌های آلی نیز با تمهیداتی مانند افزودن ماسه به مخلوط، می‌توان خواص خاک را بهبود بخشید. بررسی‌ها نشان می‌دهد این روش در محدوده وسیعی از انواع خاک‌ها قابل استفاده است و نقش مهمی در افزایش ظرفیت باربری، کنترل نشست و کاهش پتانسیل روانگرایی ایفا می‌کند.

روش اختلاط عمیق خاک برای بهسازی طیف وسیعی از خاک‌های نرم غیرآلی و خاک‌هایی که سایر روش‌های بهسازی در آنها کارایی ندارند، کاربرد دارد. حتی در خاک‌های آلی نیز با تمهیداتی مانند افزودن ماسه به مخلوط، می‌توان خواص خاک را بهبود بخشید. بررسی‌ها نشان می‌دهد این روش در محدوده وسیعی از انواع خاک‌ها قابل استفاده است و نقش مهمی در افزایش ظرفیت باربری، کنترل نشست و کاهش پتانسیل روانگرایی ایفا می‌کند.

مراحل اجرای روش اختلاط عمیق خاک

در فرآیند اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)، عملیات تزریق دوغاب می‌تواند به دو شیوه از بالا به پایین یا از پایین به بالا انجام شود. در روش رایج، ابتدا اوگر عملیات حفاری را در زمین مورد نظر آغاز کرده و پس از رسیدن به عمق طراحی‌شده، حفاری متوقف می‌شود. سپس اوگر حرکت خود را به‌صورت معکوس و آهسته به سمت بالا آغاز می‌کند.

در این مرحله، دوغاب پایدارکننده از طریق نازل‌های تعبیه‌شده در انتهای بازوها با فشار مناسب به درون خاک تزریق می‌گردد. حرکت دستگاه به سمت بالا به‌صورت مرحله‌ای انجام می‌شود و فاصله توقف در هر مرحله بر اساس شرایط خاک و نوع دستگاه تعیین می‌گردد. این فرآیند باعث ایجاد ستون‌های یکنواختی از ترکیب خاک و ماده افزودنی می‌شود که نقش مهمی در افزایش ظرفیت باربری، کنترل نشست سازه‌ها و کاهش پتانسیل روانگرایی ایفا می‌کنند.

همچنین بسته به شرایط اجرایی پروژه و محل قرارگیری نازل‌های تزریق، امکان اجرای روش تزریق از بالا به پایین نیز وجود دارد. این انعطاف‌پذیری در انتخاب روش اجرا، باعث می‌شود تکنیک اختلاط عمیق خاک در پروژه‌های مختلف عمرانی و ژئوتکنیکی به‌عنوان یک راهکار مؤثر در بهسازی بستر خاک مورد استفاده قرار گیرد.

چیدمان ستون های اختلاط عمیق خاک (DSM)

در روش اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)، با اجرای متوالی ستون‌ها می‌توان دیوارهای آب‌بند ایجاد نمود یا هر گونه آرایش مورد نیاز را در زیر پی ساختمان اجرا کرد. پس از دستیابی به مقاومت کافی، پی سازه بر روی ستون‌های اجراشده بنا می‌شود.

برای ایجاد دیوارهای حائل، گاهی پیش از گیرش کامل مخلوط خاک و سیمان، مقاطع فولادی بال‌پهن یا تیرآهن‌های جفت‌شده به داخل خاک رانده می‌شوند. این اقدام در پروژه‌های گودبرداری، همراه با استفاده از المان‌های مهاری، مقاومت مورد نیاز را تأمین کرده و حفاظت از گود در برابر نیروهای جانبی را امکان‌پذیر می‌سازد

.

مزایای استفاده از روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

• هزینه پایین اجرا در مقایسه با روش‌های مشابه بهسازی
• هزینه تجهیز بسیار کم کارگاه نسبت به روش‌هایی مانند تراکم دینامیکی یا اجرای شمع
• کاهش نفوذپذیری خاک و افزایش مقاومت ژئوتکنیکی
• کاهش نشست خاک در اثر سربار
• جلوگیری از وقوع پدیده روانگرایی
• اصلاح درجا و تبدیل زمین به بخشی از سیستم خاک–سازه
• امکان کنترل و تأیید کیفی کار در حین اجرا
• سرعت بالای اجرای پروژه‌ها
• ارتعاش و آلودگی صوتی بسیار پایین در مقایسه با سایر روش‌های متداول شهری
• سازگاری بالا با الزامات زیست‌محیطی

 

موارد کاربرد روش اختلاط عمیق خاک  (DSM)

• تقویت پی سازه‌های جدید
• تقویت پی در زیر سازه‌های موجود
• استفاده در پروژه‌های راه‌سازی
• اجرای پی مخازن نفتی
• کاهش پتانسیل روانگرایی در مناطق لرزه‌خیز
• احداث دیوارهای آب‌بند و دیواره‌های حائل قائم
• حفاظت از شیب‌های خاکبرداری
• توسعه و پایدارسازی بنادر
• پایدارسازی تونل‌ها

 

انواع کاربردهای روش اختلاط عمیق خاک

کاربرد DSM در پایدارسازی دیوار

 

 
کاربرد DSM در زیر مخازن نفتی و برای جلوگیری از روانگرایی

کاربرد ستون‌های DSM به عنوان دیوار آب‌بند در پروژه مجتمع تجاری درگهان جزیره قشم

استفاده از ستون‌های DSM در زیر پایه پل - منبع تصویر Keller

اجرای ستون DSM در پروژه آب‌شیرین‌کن بندرعباس

اجرای ستون به روش DSM در بندر گز

ستون‌های DSM - منبع تصویر Keller

جت آب و مواد چسبنده

اجرای 1000 ستون DSM به قطر 1/3 متر در بندرعباس

اجرای DSM در بندر گز

انواع چیدمان‌های DSM - منبع تصویر Keller

 افزودنی ها

رايج‌ترين افزودنی در این روش سيمان است که عموماً به صورت دوغاب و گاه به صورت خشک مورد استفاده قرار می‌گيرد. حجم دوغاب مصرفی بسته به مورد و شرايط خاک حدود 20 تا 30 درصد حجم خاک اصلاح نشده است. آهک نيز از افزودني‌های مناسب است که گاه با سيمان مخلوط شده و به طور همزمان استفاده می‌شوند. در اين صورت نسبت وزنی سيمان به آهک حدود 1 به 4 و مجموعه آن‌ها به ميزان حدود 100 تا 200 کيلوگرم به هر مترمکعب خاک اصلاح نشده اضافه می‌شود. افزودنی‌های ديگر مثل خاکستر آتشفشانی، سرباره کوره و ساير مواد شيميايي نيز در صورت امکان می‌توانند مورد استفاده قرار گيرند.

انواع اختلاط در روش DSM

1. روش تر: روش تر همان روش معمول اختلاط خاک می‌باشد که در قسمت‌های قبل به تشریح آن پرداخته شد.
2. روش خشک: بر خلاف روش تر، اختلاط خاک به روش خشک تنها زمانی امکان‌پذیر است که رطوبت کافی در خاک جهت انجام واکنش شیمیایی بین مخلوط ترزیق شده و خاک وجود داشته باشد. در این روش مخلوط تزریق که ممکن است سیمان، آهک یا ترکیبی از آنها باشد، به صورت پودر تزریق شده و با خاک مخلوط می‌گردد. عمل اختلاط ماده خشک تزریق با خاک بوسیله‌ی اعمال هوا با فشار زیاد صورت می‌گیرد که از طریق نازل‌های قرار گرفته در انتهای تحتانی لوله حفاری خارج می‌گردد. بدین ترتیب ماده‌ی تزریق شده با رطوبت خاک واکنش می‌دهد و ستون‌هایی مشابه با روش تر ایجاد می‌گردد. قطر ستون‌های ایجاد شده به روش خشک کوچک‌تر از روش تر بوده و مابین 60  تا 80 سانتی‌متر می‌باشند. حداکثر عمق اصلاح خاک با این روش به 25 متر می‌رسد.

نمودار درختی روش اختلاط عمیق خاک

اختلاط سطحی خاک (Shallow soil mixing)

اختلاط سطحی خاک راه حلی اقتصادی برای بهسازی یا تقویت خاک در مواقعی است که با مقادیر زیادی از خاک‌های سطحی ضعیف یا آلوده با درصد رطوبت بالا نظیر نهشته‌های رسوبی و لایروبی‌شده، خاک‌های آلی تر یا خاک‌های لجنی مواجه هستیم. در این روش ابزار اختلاط ویژه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد که در اکثر مواقع به بازوی دستگاه حفاری متصل می‌باشد.

اختلاط در این روش بصورت افقی یا قائم توسط اوگر پره‌ای و نازلی در مرکز آن برای خروج مخلوط تزریق تعبیه شده است، انجام می‌پذیرد. مخلوط تزریق از طریق دستگاه جداگانه‌ای که شامل محفظه‌ی تحت فشار مخلوط، کمپرسور، خشک‌کننده‌ی هوا و واحد کنترل می‌باشد، به درون خاک تزریق می‌شود.
بسته به مشخصات ابزار مورد استفاده، اصلاح خاک در این روش تا عمق حداکثر 4 متر میسر است. پس از آنکه حجم مورد نیاز از مخلوط تزریق گردید، اختلاط ادامه می‌یابد تا مشخصات بهینه‌ی مورد نظر حاصل گردد.

روش اختلاط سطحی خاک - منبع تصویر Keller

روش اختلاط سطحی خاک - منبع تصویر Keller

تصویر دستگاه حفاری در روش اختلاط سطحی - منبع تصویر Keller