اختلاط عمیق خاک (DSM)

اختلاط عمیق خاک (DSM)

تاریخچه روش اختلاط عمیق (Deep Soil Mixing)
اختلاط عمیق خاک (DSM) اولین اجرای روش اختلاط عمیق به کاربرد آن در نزدیکی فرودگاه هاندا ژاپن در سال 1971 برمی‌گردد. در این پروژه از آهک به عنوان مواد افزودنی استفاده شد. در ابتدا در اکثر پروژه‌های اختلاط عمیق از آهک به عنوان پایدارساز استفاده می‌شد، 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 گرفت.

گسترش این روش در اروپا از کشورهای شمالی این قاره و از اواسط دهه 1970 آغاز گردید.آغاز بکار این روش در آمریکا زمانی بود که در ژاپن پیمانکاران تخصصی زیادی در این زمینه فعالیت می‌کردند. اولین پروژه‌ی اختلاط عمیق در آمریکا در سال 1986 و مربوط به بهساری خاک در زیر سدی واقع در دریاچه جکسون می‌باشد. بعد از آن پروژه‌های وسیعی در آن کشور توسط 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)

اختلاط عمیق خاک (DSM) عبارت اختلاط خاک در عمق به روشی اطلاق می‌گردد که در آن مواد پایدارکننده‌ای نظیر سیمان یا آهک با استفاده از یک حفار با محور توخالی بصورت مکانیکی با خاک مخلوط می‌شود. فرآیند اختلاط خاک موجب تولید ستون یکنواختی ( با پهنای ثابت ) از خاک و ماده افزودنی می‌گردد. با همپوشانی ستون‌ها قبل از گیرش کامل، دیوار های پیوسته‌ای زیر سطح زمین قابل احداث می‌باشند.
هدف از اختلاط خاک دست¬يابي به پارامترهاي ژئوتکنيکي اصلاح¬شده از قبيل مقاومت فشاري، مقاومت برشي و نفوذپذيري است. در زمينه¬هاي زيست محيطي نيز به منظور محدود کردن يا ثابت نمودن مواد شيميايي مضر در خاک به کار مي¬رود. همچنين در ساخت بندرها و سازه¬هاي دريايي، با اجراي کار از روي بارج، مي¬توان به نتايج با ارزشي دست يافت. در استفاده از اختلاط عمقي خــاک، زمين در شرايط درجــا اصلاح مي¬شود، مشخصات ژئوتکنيکي آن به سطح قابل قبول رسانده مي¬شود و اين زمين اصلاح شده بخشي از سیستم خاک– سازه مي¬گردد. کنترل و تاييد کيفي کار نيز در این روش مقدور است.
دستگاه اختلاط ممکن است دارای مته های تکی به قطر 6/0 تا 5/1 متر و یا مجموعه ای از دو تا هشت مته به قطر تقریبی 5/1 متر باشد. این ستون‌ها در آمریکا تا عمق 20 متر و در ژاپن تا عمق 60 متر اجرا شده است.
مقاومت خاک مخلوط بدست آمده تابع عواملی نظیر نوع ماده افزودنی، نوع خاک و روش اجرا می‌باشد. روش اختلاط عمیق خاک برای بهسازی محدوده‌ی 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.

اختلاط عمیق خاک (DSM) با اختلاط خاك در محل مي توان انواع متفاوت خاك‌ها را اصلاح نمود. روش اصلاح بسته به ميزان انرژي اختلاط و نوع مواد افزودني متفاوت است. در مقايسه با ساير روش‌هاي اصلاح در خاك‌هاي نرم، اين روش از اقتصادي‌ترين شيوه‌هاي بهسازی خاک است. در اين روش، 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 خصوصيات ژئوتكنيكي بهتر از خاك محل در طراحي‌ها استفاده گردد.
محدودیت‌های اقتصادی، زمانی و یا محیطی گاه سبب می‌شود سایر روش‌های بهسازی مانند پیش بارگذاری، یا روش‌های دینامیکی مناسب نباشند. متأسفانه تا امروز که تقریبا 40 سال از آغاز بکارگیری این روش می‌گذرد، 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 و این زمین‌ها مستعد استفاده از این روش جهت بهسازی می‌باشند، اهمیت لزوم استفاده از این روش بیش از پیش روشن می‌گردد. به ویژه اینکه در کشور ما به علت لرزه‌خیزی زیاد امکان وقوع پدیده روانگرایی در این مناطق وجود دارد، استفاده از این روش باعث کاهش پتانسیل روانگرایی و جلوگیری از بروز مشکلات آن می‌شود.

مراحل اجرا

اختلاط عمیق خاک (DSM) چنانپه در شکل زیر قابل مشاهده است، در این روش ابتدا اوگر حفاری با بازوهای خود در زمین حفاری را آغاز میکند. سپس زمانی که به عمق مورد نظر رسید، حفاری متوقف شده و اوگر حرکت خود را به صورت معکوس آغاز می‌کند و به طور آهسته به سمت بالا رانده می‌شود. در زمان حرکت اوگر به سمت بالا از درون نازل‌های تعبیه شده در نوک بازوها دوغاب با فشار بسیار زیاد به درون خاک تزریق می‌گردد. این حرکت به سوی بالا مرحله‌ای بوده و پس از طی فاصله یک متر رو به بالا، به مدت تقریباً یک دقیقه در همان تراز می‌چرخد و دوغاب به داخل زمین تزریق می‌شود. البته فاصله‌ها و زمان‌های اشاره شده با توجه به نوع دستگاه و نوع خاک متغیر است.

مراحل اجرای اختلاط عمیق خاک (DSM)

اختلاط عمیق خاک (DSM) در این روش با اجراي پشت سر¬هم، مي¬توان ديوارهاي آب‌بند ايجاد نمود و يا آن که هر گونه آرايشي را براي زير پي¬ها لحاظ کرد و به علت حصول مقاومت کافي، پي را بر روي آن ساخت. گاه براي ايجاد ديوارهاي حائل، هنگامي که مخلوط خاک – سيمان هنوز نگرفته و سخت نشده است، مقاطع فولادي بال پهن و يا تيرآهن¬هاي جفت‌شده به داخل خاک رانده مي¬شوند و به اين ترتيب در گودبرداري¬ها به کمک اجراي مهاري¬ها مقاومت جانبي تأمين و حفاظت گود مقدور مي¬گردد.

مزایای استفاده از روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

• کاهش نفوذپذیری خاک
• افزایش مقاومت خاک
• کاهش نشست خاک بر اثر سربار
• جلوگیری از روانگرایی
• اصلاح درجای زمین
• زمين بخشي از سيستم خاك– سازه مي‌گردد
• كنترل و تاييد كيفي كار مقدور است.
• هزینه تجهیز کارگاه بسیار کمتر از موارد مشابه نظیر تراکم دینامیکی یا اجرای شمع می‌باشد
• سرعت اجرای بسیار بالا
• هزینه اجرای این روش بسیار کمتر از موارد مشابه است
• در این روش تولید صدا و ارتعاش در محیط شهری بسیار کمتر از روش‌های مشابه می‌باشد
• از لحاظ زیست محیطی ایده‌آل می‌باشد

موارد کاربرد روش اختلاط عمیق خاک (DSM)

• تقويت پي سازه‌های جدید
• تقویت پی در زیر سازه‌های اجرا شده
• تقویت پی در راه‌سازی
• استفاده در پی مخازن نفتی
• کاهش پتانسیل روانگرایی
• دیوار آب‌بند
• اجراي ديواره‌هاي قائم
• حفاظت شيب خاكبرداري
• توسعه‌ی بنادر
• پايدارسازي تونل

انواع کاربردهای روش اختلاط عمیق خاک

کاربرد DSM در پایدارسازی دیوار

کاربرد DSM در زیر مخازن نفتی – منبع تصویر FHWA

کاربرد DSM در زیر مخازن نفتی و برای جلوگیری از روانگرایی

کاربرد ستون‌های DSM به عنوان دیوار آب‌بند – منبع تصویر Keller

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

اجرای ستون DSM به قطر 1/5 متر در بندر گز

اجرای ستون DSM به قطر 2 متر

ستون‌های DSM – منبع تصویر Keller

دستگاه DSM با سه مته‌ی حفاری

جت آب و مواد چسبنده

جت آب و مواد چسبنده

اجرای 1000 ستون DSM به قطر 1/3 متر در بندرعباس (عمران ایستا)

اجرای DSM در بندر گز (عمران ایستا)

انواع چیدمان‌های DSM – منبع تصویر Keller

افزودنيها

اختلاط عمیق خاک (DSM) رايج¬ترين افزودني در این روش سيمان است که عموماً به صورت دوغاب (¬ترکيب با آب) و گاه به صورت خشک مورد استفاده قرار مي‌گيرد. حجم دوغاب مصرفي بسته به مورد و شرايط خاک حدود 20 تا 30 درصد حجم خاک اصلاح نشده است. آهک نيز از افزودني¬هاي مناسب است که گاه با سيمان مخلوط شده و به طور مشترک استفاده مي¬شوند. در اين صورت نسبت وزني سيمان به آهک حدود 1 به 4 و مجموعه آن¬ها به ميزان حدود 100 تا 200 کيلوگرم به هر متر¬مکعب خاک اصلاح نشده اضافه مي¬شود. افزودني¬هاي ديگر مثل خاکستر آتشفشاني، سرباره کوره و ساير مواد شيميايي نيز مي¬توانند 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 شرح آن پرداخته شد.
2) روش خشک: بر خلاف روش تر، اختلاط خاک به روش خشک تنها در خاک‌هایی امکان‌پذیر است که رطوبت کافی جهت بروز واکنش شیمیایی بین مخلوط ترزیق شده در حالت خشک و آب زیرزمینی 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 می‌باشند و بین 60 تا 80 سانتی‌متر متغیر هستند. حداکثر عمق اصلاح خاک با این روش به 25 متر می‌رسد.

روش اختلاط سطحی خاک

اختلاط سطحی خاک (Shallow soil mixing)

اختلاط عمیق خاک (DSM) 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 ابزاری که ملخ مانند است و نازلی در مرکز آن برای خروج مخلوط تزریق تعبیه شده است، انجام می‌پذیرد. مخلوط تزریق از دستگاه جداگانه‌ای که شامل محفظه‌ی تحت فشار مخلوط، کمپرسور، خشک‌کننده‌ی هوا و واحد کنترل می‌باشد، تغذیه‌ می‌گردد.
بسته به مشخصات ابزار مورد استفاده، اصلاح خاک در این روش تا حداکثر عمق 4 متر میسر است. پس از آنکه حجم مورد نیاز از مخلوط تزریق گردید، اختلاط ادامه می‌یابد تا مشخصات بهینه‌ی مخلوط حاصل گردد.

روش اختلاط سطحی خاک