خاك هاي مسئله دار، خاك هايي هستند كه در پروژههاي عمراني مشكلات فني و مهندسي زيادي از قبيل ريزش و يا ترك خوردگي ساختمانها، نشست ناهمگون ساختمان، بالا آمدن سـطح آب زيرزمينـي كـه در نقـاط پـست ميتواند به دليل ايجاد تورم ساختگاه مشكلاتي براي پي ساختمانها به وجود آورد را به همراه دارند. روانگرايـي خاك در هنگام وقوع زلزله و استقرار شهركها بر روي خاك هاي مسئله دار و مـشكلات فـراوان ديگـري از ايـن قبيل اطلاع از خصوصيات زمين شناسي و ژئوتكنيكي محل انجام پـروژه را امـري اجتناب پـذير مـيسـازد. در سالهاي اخير، رشد جمعيت و افزايش تقاضا براي تهيه مسكن و توسعه صنعت ساختمان، با توجـه بـه سـاخت و ساز در شهرهاي بزرگ، بدون رعايت مسائل زمين شناسي و ژئوتكنيكي، مشكلات فني و مهندسي زيـادي را بـه همراه داشته كه يكي از مهم ترين آنها خاك هاي مسئله دار ميباشد.
بهسازي خاك، در كليه مسائل مهندسي خاك و بخصوص در شرايط ضعيف بودن آن مطرح ميباشد. اين عمـل به منظور اصلاح كاربرد مهندسي خاك براي دستيابي به اهداف مختلف انجام ميشـود. انتخـاب روش بهـسازي خاك به صورت طبقه بندي شده امر مشكلي است. روشهاي بهسازي متعددي جهت خاك زير پي از جمله عبـور از اثرهاي خاك ضعيف با استفاده از پيهاي عميق، برداشـت خـاك ضـعيف و جـايگزيني بـا مـصالح پـر كننـده مهندسي و بهسازي خواص خاك در محل وجود دارد. انتخاب روشهاي بهسازي بستگي به عوامـل متعـددي از جمله نوع خاك، درصد ريزدانه (لاي و مقدار رس)، مساحت و عمق بهسازي، مقاومت و تراكمپذيري خاك مـورد نظر، ضوابط نشست، دسترسي به مهارتهاي فني، نوع تجهيزات، مصالح و هزينه بهسازي دارد. اهداف متفـاوتي براي بهسازي خاك وجود دارند. از جمله ميتوان به افزايش ظرفيت باربري، افـزايش پايـداري شـيب و كـاهش نشست پي براي خاكهاي دانه ريز و درشت اشاره نمود. مكانيسمهاي مرتبط با بهسازي خواص خاكهـاي رسـي شامل تحكيم خاك رس با انجام پيش بارگذاري، اجراي ستونهاي سيمان- خاك يا آهك- خـاك و يـا هـر دو مصالح ميباشد.
مكانيسم هاي مرتبط با خاكهاي ماسه اي رس دار، شامل تراكم ديناميكي بـا اسـتفاده از ضـربه زدن بـه سـطح خاك، لرزاندن و جابجايي خاك مورد نظر با استفاده از ستون شـني جـايگزيني، جابجـايي مـواد حفـاري شـده از طريق تزريق تراكمي، استفاده از مصالح چسبنده و تزريق سيمان فوق ريز و ايجاد سـتون بـا اسـتفاده از مخلـوط خاك با آهك ميباشد. بهسازي مشخصات مقاومتي خاك به منظور كاهش خطرات آتي از اهميت بـسيار زيـادي برخوردار است. نظر به استحصال آسان و قيمت پايين مواد افزودني نظير آهك، استفاده از اين مـواد در بهـسازي مشخصات رفتاري خاك هاي مسئله دار در اين مطالعه مورد توجه قرار گرفته است.
انواع خاک های مسئله دار:
1- خاک های خورنده
خاک های خورنده از انواع خاک های مسئله دار می باشند که عمدتا بر روی فلزات اثر گذاشته و با خورندگی آنها را از بین می برند. خاک های خورنده خاک های قلیایی هستند که اسیدیته بالای دارند. علت این موضوع درصد بالای املاح کلرور و سولفات در این خاک ها می باشد. در صورتی که خطوط انتقال آب، گاز یا نفت از روی این خاک ها عبور کند باید تدابیر زیر را اتخاذ کنیم:
- در صورت امکان نسبت به تعویض خاک اقدام کنیم
- از عایق (مانند قیر) برای لوله ها استفاده کنیم
- لوله های غیر فلزی به کار بریم
لوله ها را در بالاتر از سطح زمین قرار دهیم
2- خاک های انحلال پذیر
خاک های هستند که در آنها کانی های انحلال پذیر کربناته (آهک)، سولفاته (گچ) یا کلروره (نمک) وجود دارد.انحلال این خاک ها باعث شسته شدن خاک می شود. در ساخت و ساز به خصوص ساخت سد باید دقت شود که این نوع از خاک ها در بدنه سد به کار نرود، همچنین استفاده از این نوع خاک ها در پی سد باید به حداقل میزان ممکن برسد.
3- خاک های رمبنده
خاک هایی با اندازه ماسه ریز (لس) هستند که به رنگ قهوه ای دیده میشوند. به علت اینکه ذرات این نوع از خاک ها توسط سیمان کربناته به یکدیگر متصل شده اند به محض اینکه در معرض آب قرار گیرند به راحتی فرو می ریزند.
4- خاک های واگرا
خاک های ریزدانه ای که درصد بالایی سدیم در ساختمان آنها وجود دارد را خاک های واگرا می نامند. این خاک ها در تماس با آب به راحتی شسته می شوند. آب عبوری روی این خاک ها خیلی زود گل آلود می شود و آبراهه هایی را در بخش هایی از خاک به وجود می آورد. در صورتی که این خاک ها در بستر کانال ها وجود داشته باشد باید آنها را تعویض کرد.
مكانيسمهاي مختلف بهسازي:
پيش بارگذاري :
پيش بارگذاري با قرار دادن سرباره بر روي خاك رس نرم انجام ميگردد. اين روش براي بهسازي خـاك در زيـر پي براي ساختمان سازي، خاك ريزي، بستر فرودگاه و كوله هاي پل بكار ميرود. پيش بارگذاري بـه روشهـاي مختلفي از جمله از طريق خاك دستي، آب و يا انجام مكش صورت ميگيرد. براي كاهش زمان پيش بارگـذاري كه شامل مغـزههـاي پلاسـتيكي 1 استفاده از زهكشي عمودي پيش ساخته مرسوم ميباشد. از زهكشي فيتيلهاي پيچيده شده در ژئوتكستايل بوده و به طور عمودي 4 اينچ عـرض و 8/1 تـا 8/3 ايـنچ ضـخامت دارنـد اسـتفاده ميگردد. فواصل بين فيتيلهاي زهكشها به طور معمول بين 3 الي 6 فوت بسته به نفوذ پـذيري خـاك و زمـان موجود متغير است. معمولاً پيش بارگذاري بين 3 الي 6 ماه بسته به نفوذ پذيري خاك و درجه تحكيم مـورد نيـاز زمان ميبرد. پايش ساخت از طريق كنترل نشست (نشست صفحهاي)، كنترل فشار آب حفرهاي (بـا پيزومتـر)، و كنترل حركت جانبي (با انحراف سنج) انجام ميگردد.
تراكم ديناميكي :
تراكم ديناميكي با سقوط وزنه هاي سنگين به دفعات بر روي سطح زمين انجام ميگردد. اين روش بـراي خـاك ماسهاي، خاكهاي دستي و پر كنندههاي حاوي سنگ لاشه متناسب است. كوبندههايي مثـل بلـوكهـاي بـتن، وزنه هاي فولادي يا جعبه هاي فولادي حاوي شن يا بتن در اين روش به كار مي رود. وزن معمول كوبنده هـا از 6تا 30 تن بسته به عمق خاكي كه بايد بهسازي بر روي آن انجام گردد، متغيير است. همچنين ارتفاع وزنه در اين روش ميبايستي بين 40 تا 100 فوت باشد. اين روش بيشتر براي خاك با درصد ريزدانه كمتـر از 25 ٪مناسـب است. در اين روش ضخامت لايه هاي كوبيده شده بين 10 تا 30 فوت ميباشد.
ستونهاي خاك و سيمان :
اين روش با مخلوط كردن خاك برجا با مصالح افزودني چسبنده با استفاده از متـههـاي حلزونـي يـا پـدالهـاي مخلوطكن حفاري انجام ميگردد. هدف توليد ستونهاي خاك- سيمان با مقاومت بيشتر، تراكم پـذيري كمتـر و نفوذپذيري كمتر نسبت به خاك محلي منطقه ميباشد. اين روش براي بهسازي ظرفيت باربري، پايداري شيب و پايداري ديوارهاي ساحلي به كار ميرود.
تراكم ارتعاشی :
هدف از اين روش، بالا بردن چگالي خاكهاي درشت دانه با وارد كردن ميله ويبره به درون زمين است. در ايـن روش فاصله بين ميله ها بين 8,1 تا 3,1 متر متغير است. كاربرد آن براي ماسه بـا درصـد ريزدانـه كمتـر از 15٪ مناسب ميباشد. ويبراتور به شكل يك اژدر دريايي است كه به صورت افقي خاك را مـيلرزانـد و 3 تـا 5,4 متـر طول دارد. و وزن آن در حدود 2 تن ميباشد. ميله آن تا عمق مورد نظر با كمك وزن خود و جت آب بـه داخـل زمين نفوذ مينمايد. عمل ويبره و جت آب، نيروهاي بين دانهاي بين ذرات خاك را كاهش داده و سبب چگال تـر شدن آن ميشود. ويبراتور از كف گمانه به سمت بالا حركت مينمايد و همزمان خاك ماسهاي بـه درون گمانـه اضافه ميگردد. اگر خاك پر كننده اضافه نشود، حفره با قطر 3 الي 5,4 متر در اطراف ويبراتور ايجـاد مـيگـردد.
ستون سنگي جايگزيني ارتعاشي :
اين روش براي تثبيت انواع خاكها از جمله سيلت و رس مناسب است. ابتدا ميله حفاري تا عمق مورد نظر نفـوذ كرده سپس شن و سنگ شكسته در گمانه ريخته مي شود. هنگام تراكم مصالح بـا خـاك اطـراف درگيـر شـده و ستون سنگي تشكيل ميشود.
ستونهاي خاك- آهك :
در اين روش با اضافه كردن مقدار مشخصي از آهك در محدوده 5 %الي 8 %كه به طور دقيـق از آزمـايشهـاي آزمايشگاهي به دست ميآيد، ظرفيت باربري و مقاومت برشي خاك را اصلاح نموده و سبب كاهش نشست آنـي. مواد و افزودنيهاي گوناكوني از جمله آهك، سيمان و … جهت تثبيت خاك استفاده ميگردد
مواد افزودني :
آهک – سیمان – استفاده از مواد شيميايي نوين
واكنشهاي شيميايي ميان خاك رس و آهك :
هنگامي كه آهك به خاك رس افزوده ميشود، واكنشهاي متعددي انجام ميشود كه شامل مراحل زير است
واكنشهاي تبادل كاتيوني يا كوتاه مدت؛ -3 واكنشهاي پوزولاني يا دراز مدت؛ -2 واكنشهاي كربناسيون.1
تأثير آهك بر خواص مكانيكي خاكهاي رسي :
در عمليات بهسازي بايد هدف از اختلاط آهك با خاك قبلاً مشخص گردد . به عنوان مثال اگر مقدار كمي آهك با خاك مخلوط شود برخي از خصوصيات خاك تغيير مي كند، ولي مقاومت فشاري و كششي به طـور محـسو سي افزايش نمييابند. در اين شرايط ميزان سيماني شدن ضعيف و فقط به صورت مرحله اصلاح انجام شده است
تأثير آهك بر دانه بندي :
با افزايش مقادير پايين آهك (تا حدود 3 درصد)، فرآيند دانهاي شدن در بخش رسي خاكهـا بـه واسـطه واكـنش تبادل كاتيوني انجام ميشود. با افزايش بيشتر مقدار آهك، درصد كمي از ذرات رسي كه باقي مانـدهانـد، درشـت دانه ميشوند. اما در درصدهاي بالاتر از 6درصد آنچه باعث تجمع و يا درشت دانه شـدن بافـت خـاك مـي شـود، واكنشهاي پوزولاني است. واكنشهاي پوزولاني، ذرات بخش ريزدانـه خـاك را بـه هـم مـي چـسبانند و ذرات درشت را حاصل ميكند
تأثير آهك بر حدود اتربرگ :
افزودن آهك سبب كاهش حد رواني و افزایش حد خمیری و در نتيجه كاهش حالت خميري خاك ميشود به طوريكه در برخي موارد ممكن اسـت مخلـوط خـاك و آهـك كاملاً غير خميري شود
تأثير آهك بر خصوصيات تغيير حجم و قابليت تورم خاك :
افزايش درصد بهينه آهك و زمان عمل آوري به ميزان قابل ملاحظه اي از خصوصيات تورم (درصد تورم و فـشار تورم) خاكهاي رسي ميكاهد. مسئله جمع شدن يا انقباض خاك تثبيت شده با آهك بر اثر كـاهش رطوبـت آن از اهميت زيادي برخوردار است و سبب به وجود آمدن تركهاي انقباضي ميشـود
تأثير آهك بر ميزان تراكم :
مشخصات مربوط به تراكم مخلوطهاي خاك- آهك شامل حداكثر وزن مخـصوص و درصـد رطوبـت بهينـه، از اهميت خاصي برخوردار است. مصالح متراكم و سفت، قابليـت بـاربري بيـشتر و نشـست كمتـري در مقايـسه بـا مصالح سست و نرم در مقابل بارهاي وارده از خود نشان مي دهد. براي دستيابي به نتايج عمليات تثبيت، خـاك بايستي تا حد قابل قبول كوبيده و متراكم شود. علاوه بر رطوبت و انـرژي تـراكم بـه عنـوان دو عامـل اساسـي، عوامل ديگري وجود دارد كه روي تراكم پذيري خاك تاثير ميگذارند. نوع خاك و دانهبندي آن و نوع درصد مواد اصلاح كننده آهكي و … هر كدام تاثير خاصي در رفتار مهندسي مصالح از جمله وزن مخصوص خشك حداكثر و ميزان آب بهينه دارند. خاك تثبيت شده با آهك حداكثر وزن مخصوص خشك كمتر و درصـد رطوبـت بهينـه بيشتري در مقايسه با خاك تثبيت نشده دارد. هر اندازه ميزان آهك مصرفي براي تثبيت خاك بيشتر باشد، مقدار ايـن اخـتلاف بيـشتر خواهـد بـود . ضـمناً بـا گذشت زمان، هر اندازه مواد سيماني شده بيشتري در خاك تثبيت شده تـشكيل شـود، حـداكثر وزن م خـصوص مصالح كاهش و درصد رطوبت بهينه آن افزايش خواهد يافت
تأثير آهك بر نفوذپذيري خاك و كاهش درصد آب :
با توجه به جذب آب مورد نياز براي شكفتن آهك از خاك اطراف، ميـزان آب كـاهش خواهـد يافـت . همچنـين افزايش حجم ستون و فشرده شدن خاك و حرارت حاصل از شكفتن آه ك كه باعـث تبخيـر آب مـيشـود، نيـز سبب كاهش درصد آب ميشود. با در نظر گرفتن وزن خاك خشك، مقدار كاهش آب (به درصد)، معمـولاً بـيش از مقدار آهك افزوده شده (به درصد) ميشود .همچنين از آنجائي كه نفوذپذيري ستونهاي آهكـي اغلـب در مقايسه با خاكهاي رسي اطرافشان بيشتر است، نفوذپذيري رس نرم 100 تا 1000 برابر افزايش مييابد
تأثير آهك بر مقاومت برشي و فشاري خاكهاي تثبيت شده
افزايش مقاومت برشي پس از اختلاط با آهك، بخشي به دليل مجتمع شدن رس و بخشي ديگربه علت كـاهش درصد آب است. لازم به ذكر است كه مقاومت برشي خاك رس در حين اخـتلاط كـاهش مـييابـد. مقـدار ايـن كاهش در صورتي كه حساسيت خاك زياد باشد (مانند رسهاي سريع)، ميتواند بزرگ باشد؛ اما مقاومـت برشـي با گذشت زمان بلافاصله افزايش خواهد يافت و پس از 1 تا 2 ساعت پس از اخـتلاط، بـيش از مقاومـت برشـي پيش از اختلاط خواهد بود. با گذشت زمان مقاومت فشاري به خاطر واكنشهاي پوزولاني افزايش خواهد يافـت. مقاومت برشي زهكشي نشده رس پايدارسازي شده تحت شرايط مناسب مي تواند به 5/0 تا 1 مگاپاسكال پس از یک سال برسد. به طور معمول ميتوان يك افزايش 10 تا 50 برابري در مقاومت برشي را در صورتي كه مقاومـت برشي اوليه كم و در حدود 15-10 مگاپاسكال بوده باشد انتظار داشت.
تأثير آهك بر روي حساسيت خاكهاي رسي
خاكهاي رسي از نوع مونت موريلونيت، خاكهاي حساس به شمار ميآيند و هر چه در خاكهاي رسـي ميـزان كاني مونت موريلونيت بيشتر باشد، حساسيت خاك بيشتر بوده و متناسـب بـا افـزايش ميـزان كـاني كائولينيـت ، حساسيت خاك رس كاهش مييابد. افزايش آهك بر خاكهاي رسي حساس باعث كاهش حساسيت خاك رس شده و ميزان حساسيت خاكهاي رسي پايدار شده با آهك معمولاً بين 1 تا 3 ميباشد
تأثير آهك بر مقاومت در برابر چرخه هاي يخزدگي و آب شدن
منظور اصلي از دوام خاكهاي تثبيت شده با آهك، افزايش مقاومت آنها در برابر چرخه هاي يخزدگي و آب شدن است. تأثير دراز مدت رطوبت بر اين مصالح معمولاً شديد نيست . خاكهاي تثبيت شده با آهك بر اثر يخزدگي و آب شدن، بخشي از مقاومت خود را از دست ميدهند. مقاومت فشاري اوليه خاكهاي تثبيت شـده بـا آهـك بـر روي مقاومت مصالح در برابر يخزدگي و آب شدن تأثير بسياري دارد. هر اندازه مقاومت فشاري اوليه اين مـصالح بيشتر باشد، مقاومت آنها نيز در برابر چرخه هاي يخزدگي و آب شدن بيشتر خواهـد شـد. امـا بايـد خـاطر نـشان ساخت كه رس پايدار شده با آهك ممكن است به يخزدگي حساس شود .در خـاك كائولينيـت بـا افـزايش چرخههاي يخبندان، ذوب يخ و همچنين افزايش درصد آهك، خاك غير پلاستيك مي شـود و همچنـين ميـزان كاهش مقاومت تك محوري آن با افزايش درصد آهك كاهش مييابد
چگونگي عملكرد نانو ذرات پليمري در خاكهاي رس
اين ذرات با استفاده از خاصيت نانوي اعمال شـده بـر روي آنهـا بـه شـدت آب دوسـت مـيگردنـد. نـانو پليمـر پلي وينيل استات، بر روي ذرات رس موجود در خاك تاثير ميگذارد و اين تاثير به دليل كوچك بـودن و سـطح زياد ذرات رس است. خاك رس بعد از مخلوط شدن با اين پليمر، لايههايي تشكيل ميدهد كه اين لايهها را ميتوان مانند برگههـاي كتاب دانست. ذرات خاك رس معدني، بسيار كوچك بوده و مانند صفحات كتاب ميباشند. اين ماهيت كتابي خاك رس، داراي سطح بسيار زياد بوده كه باعث جذب يونهاي فلزي مي گردد. به طوري كه اين يونها مقدار فراواني آب را جـذب مينمايند. اين جاذبهاي آب، باز هم آب جذب نموده و باعث انبساط خـاك رس گرديـده و مقاومـت خـود را از دست ميدهند. آب جذبي، قوياً به سطح خاك رس پيوند خورده و به وسيله خورشيد يا حرارت جـدا نمـيشـوند و تنها مواد شيميايي ميتوانند اين كار را انجام دهند. اين همان فرآيندي است كه نـانو پليمـر پلـي وينيـل اسـتات انجام ميدهد. پلي وينيل استات، مولكولهاي پيچيده بوده و از دو جزء سر و دم تشكيل گرديده كه سر آن آب دوست و دم آن آبگريز ميباشد. جذب سطحي آب موجب تـورم خـاك رس مـي شـود. همچنـين موجـب كـاهش اصـطكاك بـين ذرات خـاك، چسبندگي، پيوستگي و مقاومت توده خاك رس ميشود. اين يونها خود را به سطح خاك رس چسبانده كه يا آنهـا را جابجـا و يـا درون يونهـاي فلـزي قفـل مـي كنـد و جاذبهاي آن را از بين برده و خاك رس را آبگريز مينمايد و اثر روغني به آن ميدهد. فرايند رسانيدن نانو پليمر پلي وينيل استات به تمام رسهاي موجود در خاك، احتياج به زمـان معـين بـه عنـوان دوران سبز يا دوره تكامل دارد. تاثيرات پلي وينيل استات آني نبوده و مقدار كمي تغييرات در خاك ديده . ولي در انتهاي دوره تكامل 2 تا 4 هفته، خاك محكم و سخت ميگردد. بايد توجه داشت كه وجود آب به حد رطوبت بهينه براي رسانيدن پلي وينيل استات، براي مهاجرت به تمام خاك رسها مورد نياز ميباشد. كمبود آب باعث عقب افتادن فرآيند گرديده و در نتيجه عمل تكامل را عقب ميانـدازد.
در هم رفتن بهتر ذرات به معني اصطكاك داخلي بيشتر ، افزايش مقاومت خاك و موفقيت فرآيندي است كه قرار است در آن، خاك با ماده پلي وينيل استات، تثبيت شود. اين موضوع، بستگي به وجود مواد ذيل دارد:
نوع خاک رس
درصد ذرات ریز
یونهای قابل تعویض
مقدار خاک رس