اختلاط عمیق خاک / Deep Soil Mixing

تکنولوژی اختلاط عمیق خاک (DSM)

این روش برای اولین بار در سال 1971 در کشور ژاپن و به منظور بهبود ظرفیت باربری خاک در محدوده فرودگاه هاندا به کار گرفته شد. در اجرای این پروژه از آهک به عنوان ماده افزودنی استفاده گردید و در نتیجه پس از آن، ترجیح پیمانکاران در اغلب پروژه‌های اختلاط عمیق استفاده از آهک به عنوان ماده افزودنی بوده است ولی به مرور زمان و با شناخت اثرات سیمان بر خاک و همچنین در دسترس بودن آن، استفاده از سیمان به عنوان ماده افزودنی رواج بیشتری یافت.

استفاده از این روش در اواسط دهه 1970 میلادی در کشورهای اروپایی آغاز شده و با گذشت زمان توسعه یافت. شکل زیر آمار کمی اجرای ستون‌های اختلاط عمیق بر حسب طول اجرا شده‌ی ستون‌ها در سال‌های مختلف را نشان می‌دهد.

آمار کمی اجرای ستون به روش اختلاط عمیق در سال‌های مختلف

آغاز بکار این روش در آمریکا زمانی بود که در ژاپن تعداد زیادی از پیمانکاران تخصصی در این زمینه فعالیت می‌کردند. اولین پروژه‌ی اختلاط عمیق در آمریکا در سال 1986 و جهت بهسازی خاک در زیر سدی واقع در دریاچه جکسون انجام گرفت. بعد از آن پروژه‌های متعددی در آن کشور با استفاده از این روش اجرا گردید، به نحوی که انجمن بزرگراه‌های ایالتی (Federal Highway Administration) در آمریکا در سال 1997 اقدام به تدوین آیین‌نامه‌ها و ضوابطی برای اجرای روش اختلاط عمیق با کد FHWA-RD-99-138 نمود.

 

معرفی روش اختلاط عمیق (Deep Soil Mixing)

عبارت اختلاط خاک در عمق به روشی اطلاق می‌گردد که در آن مواد پایدارکننده‌ نظیر سیمان یا آهک از طریق یک راد حفاری با محور توخالی بصورت مکانیکی با خاک مخلوط می‌شوند. فرآیند اختلاط خاک موجب ایجاد ستون یکنواختی (با پهنای ثابت) از خاک و ماده افزودنی می‌گردد. در حقیقت می‌توان گفت با استفاده از اختلاط عمیق خــاک، زمين در شرايط درجــا اصلاح شده، مشخصات ژئوتکنيکی آن به سطح قابل قبول رسیده و زمين اصلاح شده، بخشي از سیستم خاک- سازه مي‌گردد.  با همپوشانی ستون‌ها قبل از گیرش کامل مخلوط تزریق شده، دیوار های پیوسته‌ای زیر سطح زمین قابل احداث می‌باشند. قابل ذکر است که امکان کنترل و تائید کیفی کار، از ویژگی‌های مهم این روش محسوب می‌شود.

هدف از اختلاط خاک در این روش، دست يابی به پارامترهاي ژئوتکنيکی اصلاح‌شده از قبيل مقاومت فشاری، مقاومت برشی و نفوذپذيری است. همچنین در زمينه‌های زيست محيطی نيز به منظور محدود کردن يا ثابت نمودن مواد شيميايی مضر در خاک به کار می رود. دستگاه اختلاط دارای مته های تکی به قطر 0.6 تا 2 متر می باشد و از نظر ارتفاع نیز این ستون‌ها در آمریکا تا عمق 20 متر و در ژاپن تا عمق 60 متر اجرا شده است.
مقاومت ستون بدست آمده تابع عواملی نظیر نوع ماده افزودنی، نوع خاک و روش اجرا می‌باشد. روش اختلاط عمیق خاک جهت بهسازی طیف وسیعی از خاک‌های نرم غیر‌آلی و خاک‌هایی که سایر روش‌های بهسازی در آنها مناسب نیستند کاربرد دارد. البته در مورد خاک های آلی نیز می توان با در نظر گرفتن تمهیداتی نظیر اضافه کردن ماسه به مخلوط، خواص خاک را بهبود بخشید. در شکل زیر محدوده به‌کارگیری روش‌های مختلف بهسازی برای انواع خاک‌ها ارائه شده است. همانگونه که مشاهده می‌شود، بهسازی به روش اختلاط عمیق در محدوده وسیعی از خاک‌های گوناگون قابل استفاده است.

محدوده به‌کارگیری روش‌های مختلف بهسازی برای انواع خاک‌ها

 در اين شیوه، با اختلاط دوغاب با خاك مصالحي ساخته مي‌شود كه باگذشت زمان سخت‌تر شده و مقاومت آن افزايش مي‌يابد و مي‌تواند به عنوان مصالح مهندسي با مشخصات ژئوتكنيكي مناسب در طراحي‌ها استفاده گردد. اضافه می‌گردد که در این روش میزان اصلاح بسته به سطح انرژي اختلاط و نوع مواد افزودني، متفاوت خواهد بود. در مقايسه با ساير روش‌هاي اصلاح در خاك‌هاي نرم، اين روش در دسته اقتصادي‌ترين شيوه‌هاي بهسازی خاک قرار می‌گیرد. محدودیت‌های اقتصادی، زمانی و یا محیطی گاه سبب می‌شود سایر روش‌های بهسازی مانند پیش بارگذاری، یا روش‌های دینامیکی مقرون به صرفه نباشند. از طرفی این دو روش به دلیل ایجاد ارتعاشات و صدای زیاد در مناطق شهری چندان قابل استفاده نیستند. روش اختلاط عمیق به عنوان جایگزینی مناسب برای این دو روش و همچنین روش شالوده‌های عمیق (اجرای شمع)، قابلیت‌های خود را به اثبات رسانده است.
متأسفانه تا به امروز با گذشت حدود 50 سال از آغاز بکارگیری این روش، به دلیل نبود تکنولوژی لازم جهت اجرا، تنها در مواردی اندک از این روش در ایران استفاده شده است. با توجه به این‌که کشور ایران دارای زمین‌های ساحلی بسیاری در شمال و جنوب است، اهمیت استفاده از این روش بیش از پیش روشن می‌گردد. به ویژه آنکه در کشور ما به علت لرزه‌خیزی زیاد و امکان وقوع پدیده روانگرایی در مناطق ساحلی، استفاده از این روش باعث کاهش پتانسیل روانگرایی و جلوگیری از بروز مشکلات ناشی از آن می‌شود. همچنين امکان بهسازی خاک از روی بارج در ساخت بندرها و سازه‌های دریایی، از دیگر مزایای این روش جهت استفاده در مناطق ساحلی می‌باشد.

شرکت تجهیز عمران ایستا امروزه با همت متخصصین ژئوتکنیک و مکانیک ایرانی و با تکیه بر دانش بالا و چندین دهه تجربه در عرصه‌های عمرانی کشور، با پشت سر گذاشتن تمامی موانع پیش رو، سرآغازی بر اجرای این روش نوین از سال 1389 در کشور بوده و با اجرای موفق چندین پروژه در ایران، نوید توسعه سریع روش اختلاط عمیق  (Deep Soil Mixing)  را در کشورمان به ارمغان آورده است.

مراحل اجرا

همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌شود، تزریق از بالا به پایین هم انجام می شود در این روش ابتدا اوگر عملیات حفاری را در زمین مورد نظر آغاز نموده و پس از رسیدن به عمق مورد نظر، حفاری متوقف شده و اوگر حرکت خود را به صورت معکوس و به طور آهسته به سمت بالا آغاز می‌کند. در زمان حرکت اوگر به سمت بالا از درون نازل‌های تعبیه شده در انتهای بازوها، دوغاب با فشار مناسب به درون خاک تزریق می‌گردد. حرکت دستگاه به سمت بالا به صورت مرحله‌ای بوده و فاصله طی شده در مدت زمان توقف از هر مرحله با توجه به شرایط خاک و نوع دستگاه تعیین می گردد. قابل ذکر است که روش تزریق بالا به پایین نیز بسته به شرایط اجرایی پروژه و محل قرار گیری نازل های تزریق، قابل انجام می باشد.

 مراحل اجرای اختلاط عمیق خاک- (DSM)  منبع تصویر Hayward Baker

در این روش با اجراي متوالی ستون‌ها، مي‌توان ديوارهاي آب‌بند ايجاد نمود و يا هر گونه آرايشي را در زير پي ساختمان اجرا کرد و پس از حصول مقاومت کافی، پي سازه را بر روي ستون‌های اجراشده بنا نمود. گاه براي ايجاد ديوارهاي حائل، قبل از گیرش مخلوط خاک-سیمان، مقاطع فولادي بال پهن و يا تيرآهن‌هاي جفت‌شده به داخل خاک رانده مي‌شوند و به اين ترتيب در گودبرداری‌ها در کنار استفاده از المان‌های مهاری، مقاومت مورد نیاز تأمين و حفاظت از گود در برابر نیروهای جانبی امکان پذیر خواهد بود.

مزایای استفاده از روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

•  هزینه پایین اجرای این روش در قیاس با روش‌های مشابه بهسازی
• هزینه تجهیز بسیار پایین کارگاه در مقایسه با روش‌های مشابه نظیر تراکم دینامیکی یا اجرای شمع
• کاهش نفوذپذیری خاک
• افزایش مقاومت خاک
• کاهش نشست خاک بر اثر سربار
• جلوگیری از روانگرایی
•  اصلاح درجای زمین
•  تبدیل شدن زمين به بخشي از سيستم خاك - سازه
•  امکان كنترل و تاييد كيفي كار
•  سرعت اجرای بسیار بالا
•  ارتعاش و آلودگی صوتی بسیار پایین در مقایسه با سایر روش‌های بهسازی متداول شهری
•  ایده‌آل از لحاظ زیست محیطی

موارد کاربرد روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

• تقويت پی سازه‌های جدید
• تقویت پی در زیر سازه‌های اجرا شده
• تقویت پی در راه‌سازی
• استفاده در پی مخازن نفتی
• کاهش پتانسیل روانگرایی
• اجرای دیوار آب‌بند و ديواره‌های حائل قائم
• حفاظت شيب خاكبرداری
• توسعه‌ی بنادر
• پايدارسازی تونل

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