- تزریق پر کنندگی به منظور پایدار سازی خاک های غیر چسبیده

 

 

فصل اول

 

 

- تزریق پر کنندگی به منظور پایدار سازی خاک های غیر چسبیده

چکیده

عملیات تزریق، عبارتست از اقداماتی که طی آن سیالی سخت شونده تحت عنوان دوغاب با عبور از مسیری خاص که توسط عملیات حفاری احداث گردیده است، وارد محیط زمین شده و تحت فشاری معین، درون ناپیوستگی های آن قرار می گیرد.

در صورتی که حین فرایند تزریق، تقابل چندانی بین دوغاب و محیط میزبان صورت نگیرد، به گونه ای که دوغاب فضاهای خالی را پرکرده و هیچگونه جابجایی یا تغییر شکلی را در پیکره محیط ایجاد نکند، عملیات تحت نام تزریق پرکنندگی معرفی می گردد. این نوع تزریق را عموما بمنظور رفع مشکلات ژئومکانیکی و پایدارسازی خاک های غیرچسبنده که عموما درشت دانه اند، بکار گرفته می شوند. به علت نفوذپذیری بالا، ورود دوغاب به این قبیل خاکها براحتی صورت می پذیرد. در ادامه، دوغاب سخت شده در فضاهای خالی، موجب ایجاد اتصالات مکانیکی مناسبی در محیط خاک می شود که پیوستگی آن را افزایش خواهد داد. بنابراین، عملیات تزریق پرکنندگی به عنوان یکی از روش های اصلی بهبود خواص مکانیکی در خاکهای غیر چسبنده است.

در این مقاله، ضمن بررسی کیفی این عملیات از نظر پارامترهای اصلی آن، یعنی موقعیت و ابعاد منطقه تزریق، ملاحظات اجرایی، آرایش گمانه ها، فشار تزریق و مواد مورد استفاده، به عنوان مطالعه موردی، پروژه بهسازی پی ایستگاه راه آهن کلگن آلمان و تزریق در آبرفت های پی سدالاعلی مصر، مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند.

کلمات کلیدی

تزریق پرکنندگی، بهسازی پی، پایدارسازی خاکهای غیر چسبنده

1-مقدمه

تزریق در خاک، از جمله مباحث مهم در بهسازی پی های خاکی و کم عمق است. بعضی از خاکها به علت نسبت تخلخل زیاد و عدم پیوستگی دانه ها در برابر بارهای وارده بسیار تغییر شکل پذیر هستند. به منظور استحکام این نوع خاکها روش های بسیار متعدد و پیشرفته ای وجود دارد. روش های لرزشی تحکیم خاک، تراکم دینامیکی، زهکشی و.. از جمله روش های بهبود شرایط ژئوتکنیکی خاک است. تزریق دوغاب نیز می تواند به عنوان یک روش بهسازی بکار گرفته شود که بسته به شرایط، دارای تکنولوژی اجرایی مختلفی نیز می باشد. البته شرایط خاص خاک، بویژه چسبندگی ذرات، وجود رس، نفوذپذیری کم در خاک های ریزدانه و.. باعث می گ تا عملیات تزریق در خاک، بسادگی تزریق در سنگ نباشد. همین امر باعث بوجود آمدن تکنیک های متنوع تزریق در خاک می شود که بعضا آنان را از هدف اصلی تزریق، یعنی جانشینی دوغاب به جای سیال موجود در ناپیوستگی ها جدا میسازد. در برخی از روش ها، دوغاب به جای نفوذ در محیط، به عنوان ابزاری جهت فشرده سازی، تحکیم و یا برداشت خاک بکار می رود. تزریق پرکنندگی را می توان نزدیک ترین روش بهسازی ی به تزریق تحکیمی در سنگ دانست. در این فرایند، دوغاب با نفوذ به محیطهای ناپیوسته و پرکردن فضای متخلخل، باعث افزایش مقاومت محیط می گردد. این عمل می تواند در خاکهای درشت دانه و غیرچسبنده بسیار مفید واقع گردد.

پایدارسازی خاکهای غیرچسبنده به جهت بهبود مقاومت (مقاومت برشی و مقاومت فشاری) انجام می گردد. بعلت پرشدن فضاهای خالی با مواد سخت شونده، آب بندی خاک نیز بطور همزمان صورت می پذیرد. شکل 1 نشان دهنده دو مورد پایدارسازی خاک در پی ساختمان و محیط اطراف تونل است. در واقع، خاک های پایدار شده، می توانند بعنوان دیواره های حفاظتی نیز بکار روند. از مزایای مهم پایدارسازی، می توان به موارد زیر اشاره کرد:

خاک پایدارشده، بارهای ناشی از ساختمان (سازه) را بدون ایجاد تغییر شکل زیاد، به لایه های زیرین خاک منتقل می کند.

-خاک پایدارشده، مقاومت لازم برای پی را در شرایط بارگذاری جدید تامین می نماید.

-خاک پایدارشده سازه را در برابر تغیر شکلهای ناشی از فشار زمین (که به سمت ناحیه گودبرداری شده مجاور اعمال می گردد)، محافظت می نماید.

براساس دستیابی به اهداف فوق، می توان به موقعیت و شکل منطقه تزریق پی برد. از جمله خواصی که بهمراه تزریق پایدارسازی در خاک ایجاد می گردد، آب بندی است. بهرحال، پس از انجام عملیات درمنطقه تزریق شده، اهداف زیر باید تامین گردند.

-پایدارسازی محدوده ای مشخص از پی یا اطراف تونل

-آب بندی منطقه در برابر جریان ابهای زیرزمینی

2-موقعیت و ابعاد منطقه تزریق

موقعیت منطقه تزریق، براساس تامین مقاومت لازم برای انتقال بار به لایه های پایین تر و جلوگیری از ایجاد تغییرشکلهای غیرمجاز، تعیین می گردد. عملیات تزریق را می توان قبل از شروع گودبرداری به پایان رساند. در نتیجه عملیات تزریق، هیچگونه تداخلی با عملیات گودبرداری نخواهد داشت. ابعاد منطقه تزریق به میزان پایداری لازم در محل وابسته است. ساده ترین طرح در این موارد، ایجاد یک دیواره وزنی است. ناحیه تزریق، تحت بار ناشی از ساختمان، تنش های محلی ناشی از وزن خاک و آبهای زیرزمینی واقع می شود. در محاسبات پی این منطقه ضریب اطمینان در برابر لغزش دوران، نشست و شکست مدنظر قرار می گیرد. مولفه های افقی بار ناشی از وزن خاک و آبهای زیرزمینی را نیز می توان با اجرای مهار متعادل ساخت.

 

شکل 1: نمونه هایی از بهسازی خاک توسط تزریق پر کنندگی (الف و ب) بهسازی پی ساختمان  (1) بدنه ساختمان  (2) ساختمان جدید  (3) ناحیه تزریق شده با مقاومت فشاری 3 مگا پاسکال  (4) ناحیه تزریق شده با مقاومت فشاری 5/1 مگا پاسکال   (5) مهارهای با ظرفیت 500 کیلونیوتن  (پ) بهسازی فضای اطراف تونل  (1) مقطع خاک (2) سطح زمین    (3) تونل راه آهن    (4) شفت حفر شده به منظور انجام عملیات تزریق  (6) پر شدگی متشکل از ماسه و شن   (7) شن   (8) رس ترشیاری (ابعاد و فواصل تماما بر حسب متر می باشد.)

 

شکل 2: نمایی از ملزومات محاسباتی در طراحی محدوده تزریق

(1) سطح فونداسیون ساختمانی که تحت بهسازی پی می باشد. (2) سطح فونداسیون ساختمان جدید.(3) منطقه تزریق  (4) سطح لغزش دایره ای و شعاع آن به منظور تحلیل شکست خاک (5) محدوده ترشح دوغاب  (6) محدوده گسترش نامطلوب تزریق   (7) سطح برش   (8) حاشیه فرضی سایت جدید، p: بار ساختمانی

   G: وزن مرده ناحیه تزریق  E0 فشار اولیه خاک  R برآیند بارها   P0 فشار خاک تحت ناحیه تزریق

به منظور تحلیل تنش و ارزیابی آن، باید به میزان مقاومت منطقه تزریق یعنی وضعیت تنش های منطقه در شرایط شکست، پی برد. این مقاومت به خواص درونی خاک و نوع مواد تزریق شده وابسته است. ارزیابی و تعیین مقاومت خاکهای پایدار شده بوسیه تزریق توسط سیمان، با نمونه برداری و آزمایش براحتی امکان پذیر می باشد. اما ارزیابی خاکهای تزریق شده با ژل های سیلیکاتی، مشکل تر است. این مساله به علت رفتار خزشی این گونه خاکها تحت بار ثابت می باشد. با توجه به شکل 2 ضریب اطمینان در برابر شکست در سطح شماره 7 را می توان با استفاده از میزان مقاومت برشی محاسبه نمود. بعد از تزریق، مقدار زاویه اصطکاک داخلی ثابت مانده و چسبندگی افزایش می یابد. زاویه سطوح برشی   ، از رابطه (1) بدست می آید.

که   زاویه اصطکاک داخلی خاک است.

گسترش ناحیه تزریق، باعث تراوش، نشست و تورم محیط به سمت گودبرداری های مجاور می گردد. که این خود، باعث افزایش ضریب اطمینان در برابر لغزش، دوران و شکست برشی است. با این وجود، این قبیل گسترش یافتگی ها به علت کاهش در فضای ساختمانی جدید، نامطلوب است. ممکن است تورم و تراوش دوغاب به محیط مجاور، ناخواسته و غیرقابل جلوگیری باشد، اما بهر حال باعث ایجاد شرایط تغییر شکل قابل قبول می گردد.

3-ملاحظات اجرائی

محیط عملیات تزریق پرکنندگی، اغلب یک محیط ابرفتی (خاک درشت دانه) است. در این حالت، مسیر ماده تزریق، شبکه ای از مجراهای نامنظم و با ابعاد مختلف می باشد. به همین علت معمولا قابلیت تزریق پذیری رسوبات آبرفتی بسیار کمتر از محیط سنگی است، که این خود نیازمند بکارگیری روش های ویژه و دوغاب های متفاوت می باشد.

به علت ریزشی بودن اکثر گمانه های حفر شده در این گونه خاکها، لوله گذاری اهمیت ویژه ای می یابد. حفاری به هر دو صورت دورانی یا ضربه ای ممکن است انجام گیرد.

اما لوله گذاری گمانه باید به طور همزمان با حفاری صورت پذیرد. مایع حفاری مورد استفاده، می تواند آب باشد. در شرایط نفوذپذیری بسیار زیاد، می توان حفاری و ترزیق را بطور همزمان انجام داد. در این شرایط در قطعات 30 تا 50 سانتی متری، بلافاصله پس از حفاری، حجم مقرری از دوغاب تزریق می گردد و این کار تا عمق مورد نظر ادامه می یابد. در این روش، اثر تزریق و توزیع دوغاب در خاک بسیار نامنظم بوده و منطقه نفوذ دوغاب گسترده است. معمولا در ساختگاههای دائمی و حساس از این روش استفاده نمی شود.

یکی از روش های معمول در تزریق پرکنندگی و حتی تزریق خاک شکنی، تزریق مانشس است. در این روش، ابتدا گمانه ای به قطر حدود 100 میلی متر تا عمق معین حفر و لوله گذاری می گردد. پس از آن، یک لوله پلاستیکی یا فولادی به قطر داخلی بسیار کمتر وارد گمانه می شود. این لوله، لوله مانشت نام دارد و حاوی سوراخ هایی به فاصله 30 تا 50 میلی متر و یا بیشتر می باشد. این سوراخ ها با یک لاستیک نرم پوشیده شده اند. عملکرد این لاستیک ها مانند سوپاپ است. قبل از تزریق، ابتدا فضای بین لوله مانشت و لوله جدار با دوغابی غنی از رس پر می شود. این محدوده از گمانه که توسط دوغاب پرشده است را آستین یا جلد گویند. همزمان با این عمل، لوله جدار نیز به بالا کشیده می شود. پس از طی مدتی که دوغاب مقاومت کافی بدست آورد، لوله دیگری بنام لوله تزریق که قطر آن از لوله مانشت کمتر است به آن وارد می گردد. عمل لوله تزریق، انتقال دوغاب به مقطع مورد نظر تحت فشار معین می باشد. همراه لوله، یک سیستم پکر منفرد یا مضاعف وجود دارد. سیستم پکر باید بگونه ای در گمانه مستقر گردد که خروج دوغاب تنها از سوراخ های موجود در مقطع مورد تزریق، صورت پذیرد. لاستیک های موجود در سوراخ ها به گونه ای طراحی شده اند که اجازه خروج به دوغاب را خواهند داد، اما از بازشت یا ورود آن به محیط درون لوله مانشت ممانعت می کنند.

 

شکل (3) تزریق مانشت قطر گمانه در حدود100 میلیمتر می باشد. (الف) مراحل عملیات (1)حفاری و لوله گذاری  (2) پر نمودن گمانه توسط دوغاب جلدی  (3 و 4) حرکت دوغاب از گمانه به مقطع (ب) جزئیات تجهیزات درون گمانه در حین تزریق (1) دوغاب جلدی   (2) پکر مضاعف  (3) لوله سوپاپ دارPVC   (4) سوپاپ لاستیکی (5) لوله تزریق

در روش مانشت، ابتدا گمانه های دسته اول از پایین به بالا تزریق می شوند. دوغاب مورد استفاده در مرحله ابتدایی سوسپانسیون سیمان بنتونیت است که نسبت آب آن بر اساس مشخصات خاک تعیین خواهد شد. در هر مقطع، حجم تعیین شده ای از دوغاب تزریق می گردد. در مرحله دوم، گمانه های دسته دوم نیز با دوغاب سوسپانسیون سیمان بنتونیت تزریق می شوند. اما دراین مرحله سعی بر آن است که حجم بیشتری از دوغاب به نقاطی که در مرحله قبل حجم کمتری را دریافت کرده اند وارد شود. بعد از طی این رویه می توان لوله های مانشت را با محلول شیمیایی تزریق نمود. روند مذکور را می توان در موردگمانه های دسته سوم نیز بکار برد.

پس از اتمام عملیات، گمانه های کنترلی به جهت ارزیابی وضعیت نفوذ دوغاب در زمین حفر می گردند. همانطور که ذکر شد، یکی از بهترین راههای برریس یک منطقه به لحاظ تزریق پذیری (چه در تزریق آب بند و چه در نوع تحکیمی) انجام آزمایش های فشار آب است. گمانه های کنترلی در جایی حفر می گردند که میزان مصرف دوغاب آنها بیش از متوسط مصرف بوده است. تعیین نفوذپذیری با تزریق اب در فشاری کمتر از فشار تزریق در این گمانه ها صورت می پذیرد و در صورتی که قم دار نفوذپذیری تا حد مطلوب کاهش نیافته باشد، فرایند تزریق در لوله های مانشت،دوباره آغاز می گردد. پس از آن، کنترل مجدد انجام می شود و این روال تا جایی ادامه می یابد که بتوان به نفوذپذیری مطلوب دست یافت.

3-1-آرایش گمانه ها

بطور کلی، آرایش گمانه ها و لوله های مانشت با هدف ایجاد یک محیط تزریق همگن و بهم چسبیده طراحی می گردد. در شکل 4 نمونه هایی از آرایش گمانه های تزریق پرکنندگی در خاک نشان داده شده است. فاصله بین لوله های مانشت در مقطع AAدودا یک متر می باشد و از دو گروه گمانه استفاده شده است. ابتدا گمانه های گروه 1 و پس از آن گمانه های گروه 2 مورد تزریق قرار گرفته اند. البته در بخش های بالایی، فاصله گمانه ها بهم نزدیک می شود. گمانه های تزریق دارای آرایش های گوناگونی هستند. اما در حالت معمولی، می توان گمانه ها رادر یک شبکه و در چند سری متعدد (معمولا سه

سری) قرار داد که به نوبت تزریق می شوند. فاصله بین لوله ها با افزایش حجم تزریق، بیشتر می گردد.

این فاصله، در خاکهای درشت دانه و شدیدا نفوذپذیر حتی به 4 متر نیز می رسد. میزان حفاری در هر مترمکعب خاک مورد تزریق، براساس هزینه و مدت کار تعیین می شود. بعنوان مثال منطقه کوچکی چون شکل 4-الف، نیازمند 44/1 متر حفاری در هر مترمکعب است. درحالی که برای منطقه بزرگی چون اطراف یک تونل در حد 6/1 متر در هر مترمکعب می باشد.

 

مثالی از نحوه ی آرایش گمانه ها و نقاط تزریق. (الف) مقطع قائم (1) گروه اول لوله های مانشت، در حدود 100 تزریق در هر آستین (گمانه) (2) گروه دوم لوله های مانشت،در حدود 200 تزریق در هر آستین (گمانه) (3) سطح عملیات (ب) مقطع افقی در سطح AA (ابعاد و فواصل تماما برحسب متر هستند)

معمولا بعنوان پیش فرض اولیه باید به ازای هر متر مکعب زمین مورد تزریق 6/0 تا 1 متر حفاری در نظر گرفته و فرض گردد که 60 تا 80 درصد منافذ با دوغاب تزریق پر می شود.

3-2-فشار تزریق

سطح فشار تزریق باید همواره کمتر از حد فشار شکست نگاه داشته شود. فشار معمول در این گونه عملیات در حدی بین 1/0 تا 2/0 مگاپاسکال است. سرعت تزریق نیز مقداری بین 5 تا 151 لیتر بر دقیقه متغیر می باشد.

3-3-مواد تزریق

مواد تزریق و خواص رفتاری آنها،باید براساس نفوذپذیری خاک تعیین گردد. در شکل 5 محدوده کاربردی از مصالح سنگی و خاکی نشان داده شده است.

پس از تزریق مواد، دوغاب باید مقاومت محیط را به حدکافی افزایش دهد. این مساله ناشی از سیمانته کردن خاک بوده که از تماس ذرات محیط با یکدیگر و اندرکنش بین آنها بوجود می آید. محیط پایدار شده، باید در برابر آبهای زیرزمینی مقاوم باشد. این مساله باعث می شود که در مقاوم سازی خاک فقط سوسپانسیون هایی که تشکیل دهنده پیوندهای آبی هستند (و مخلوطهای شیمیایی با خواص مشابه) مدنظر قرار گیرند. دوغاب، پس از سفت شدن در محیط باید در برابر نفوذ اب مقاوم باشد. این خود مستلزم پایداری دوغاب در برابر فرسایش است. سوسپانسیون های پایه سیمانی با پرکننده و ژل های مقاوم پایه سیلیکاتی، مقتضیات موجود در این گونه عملیات تزریق را برآورده می کنند. طبق شکل 5 قابلیت پذیرش و کاربرد سوسپانسیون های سیمانی و ژل های مقاوم، محدود به دانه بندی خاک مورد تزریق است.

 

شکل 5-محدوده کاربردی مواد تزریق. (1) قطر ذرات عبوری از الک (درصد وزنی)، (2) قطر دانه ها، (3) سیلت، (4) ماسه، (5)گراول، (6) گبل ها، (7)شفته (8)سیمان معمولی، (9)سیمان ریزدانه، (10) دوغاب پایه سیلیکاتی، (11)رزین، (12) عملیات تزریق با فشار، (13) سیمان فوق ریزدانه

خواص مقاومتی دوغاب سیمانی، توسط محتوای سیمان و نوع پرکننده بکار رفته در آن کنترل می گردد. انجام تست های آزمایشگاهی به منظور ارزیابی میزان پایداری دوغاب، قبل از شروع عملیات تزریق یک امر معمول است.

دوغاب های مختلف، حداقل باید به لحاظ خواص جریانی، ته نشین شدگی و مقاومت فشاری، مورد آزمایش قرار گیرند و در نهایت باید تمامی اجزاء تشکیل دهنده دوغاب و مقدار آنها ثبت گردد. این اجزاء می تواند مخلوطی از سیمان، پرکننده، بنتونیت، افزودنی ها و اب باشند. در صورت لزوم باید میزان سازگاری و مقاومت دوغاب در برابر آبهای زیرزمینی نیز مورد آزمایش قرار گیرد.

در مورد مواد پایه سیلیکاتی، باید به دو مساله توجه داشت، دوام و صدمات زیست محیطی آنها. ژل های سیلیکاتی مقاوم تحت شرایط اولیه خنثی (نبود خاک یا آب های زیرزمینی قلیایی) بسیار بادوام هستند. همچنین برخی از ژل ها به لحاظ رفتار خزشی نیز باید مورد توجه قرار گیرند. از سویی صدمات زیست محیطی این مواد شیمایی، دیگر نکته مورد توجه است. از این رو، بکارگیری پمپ های شیمیای، مطالعه سوابق این قبیل مواد در پروژه های پیشین و مقایسه ترکیب های مختلف و عملکرد محیطی آنها از مسائل پیشنهادی است.

4-مطالعات موردی

4-1-بهسازی پی ایستگاه راه آهن اصلی کلگن آلمان جهت ساخت راه آهن زیرزمینی

در این پروژه، نمونه ای از روش تزریق پرکنندگی در خاک به منظور پایدارسازی و آب بندی معرفی می گردد. تزریق خاک در فضای کاری بسیار محدود و کوچکی انجام گرفته است. شکل 6 مقطعی از وضعیت پروژه و گمانه های تزریق را نشان می دهد.

 

شکل 6-نمایی از محدوده ی عملیات تزریق در ایستگاه راه آهن کلگن (الف)مقطع قائم از پی. (1)محدوده ی تزریق (2)لوله های تزریق (3)پی رستوران ایستگاه، (4)پی پل ریل، (5) محل زیرزمینی انجام عملیات، (6)پوشش تونل راه آهن زیر زمینی، (7)فضای تونل (ب)نمای افقی از شبکه گمانه های تزریق (8)تزریق اولیه، (9)تزریق ثانویه، (ابعادو فواصل تماما برحسب متر هستند)

 

5-نتیجه گیری

با بررسی مطالب ذکر شده در بخش های ابتدایی مقاله و همچنین مطالعات موردی،
می توان نکات زیر را به عنوان نتایج کلی ذکر نمود:

-عموما هدف از تزریق پرکنندگی، پایدارسازی و یا آب بندی محیط ناپیوسته و متخلخل خاکهایی است که غیر چسبنده بوده و بسیار نفوذپذیر هستند. این نوع تزریق از نظر فرآیند حرکت دوغاب در محل تزریق مشابه تزریق تحکیمی در سنگ است.

-بمنظور عدم تداخل مراحل و فعالیت های اجرای احداث، بهتر است که عملیات تزریق قبل از شروع گودبرداری به پایان رسیده باشد.

-استحکام و آب بندی محلی تزریق، باید قبل و بعد از تزریق توسط تست های مقاومتی و نفوذپذیری برجا و آزمایشگاهی کنترل شود تا میزان موفقیت و عملکرد تزریق مواد ارزیابی قرار گیرد. بهرحال، تزریق در محیط، بمنظور دستیابی به یک حد مقاومت یا نفوذناپذیری خاص و معین صورت می پذیرد.

-روش معمول در تزریق پرکنندگی روش مانشت است که طی آن دوغاب به صورت پرفشار از لوله ای درون گمانه به محیط زمین تزریق می گردد. و معمولا آرایش گمانه ها در این روش به گونه ای است که پس از تزریق، محیطی همگن، بهم چسبیده و یکنواخت ایجاد می گردد.

-در انتخاب فشار تزریق، باید به فشار شکست محیط در مقطع تزریق دقت داشت. فشار تزریق نباید از فشار شکست بیشتر باشد. همچنین دوغاب تزریق با توجه به خواص محیط، از مواد بسیار ریزدانه که عموما شامل سیمان، رس وافزودنی هاست تشکیل یافته است.

 

فصل دوم

 

- استفاده از روش های شیمیایی در تثبیت خاک

1-مقدمه

بنا به نظر KEDZI (1979) هدف اصلی تثبیت شیمیایی خاک نگهداری ویژگیهای خاک، و همچنین توجه به نقطه برداشت مهندسین و صرف نظر از رطوبت در محیط مربوطه می باشد، او قصد داشت که عکس العمل های بین آب و خاک را به وسیله واکنش های سطحی تغییر دهد. کما اینکه TAN (1998) معتقد می باشد که مواد معدنی خاک رس از لایه های گوناگون سستی که به یون های روی سطح این لایه ها پیوسته و بوسیله هیدروسفر مولکول های آب جذب شده احاطه گردیده است، تشکیل گردیه است. در یک محیط آبی این یون ها آزادانه در هیدروسفر ذرات خاک رس حرکت کرده و به طور تصادفی جابجا می شوند. بسیاری از این یون ها بوسیله تعدادی مولکول های آب در چنین محیطی حل شده و هیدروسفر خاک رس را بالا می برند. تعداد زیادی از مولکول های آب و تحرک یونهای مثبت و منفی در سیستم آب و خاک رس خصلت پلاستیکی یا شکل پذیری ناخواسته را تولید می نمایند. از این رو خاک های محتوی ذرات خاک رسی که سطح مخصوص بزرگتر و میل ترکیبی قویتری به آب دارند، نسبت به ذرات خاک رسی که سطح مخصوصی خیلی کوچکتر و میل ترکیبی کمتری با اب دارند، دارای شکل پذیری آشکارتری می باشند.

برای کاهش چنین مسائلی دو روش پیشنهاد شده است:

اولا با استفاده از مکانیزم مبادله یونی، ثانیا با استفاده از مکانیزم یونیزاسیون.

2-آزمایشگاه رویه ها

2-1-طبقه بندی خاک ها

آزمایش طبقه بندی خاکها براساس تحلیل ته نشینی غربال کردن متحد با الک و با تعیین ذرات خوب به روش هیدرومتری بوسیله HEED (1980) و طبق BS (1990) پیگیری می گردد. نتایج سه خاک که مورد بررسی قرار گرفت را می توان در جدول 1 مشاهده نمود.

حدود سفتی

در این آزمایش بیشتر از خاک های خشکی که از الک    425 عبور کرده بودند، استفاده گردید. حدود سفتی استفاده شده در روش های نفوذ سنج مخروطی که به ترتیب 7 روز و 14 روز پس از آمیختن و تناسبات مخلوط برای خاک های تثبیت شده انجام گردید، در جدول شماره 2 ارائه گردیده است.

 

نتایج این آزمایش (حدود سفتی) به ترتیب در تصاویر 1 و 2 ارائه گردیده است. در این آزمایش، تناسبات مختلف تثبیت کننده مایعی، نتایج مختلفی را روی نشانه خمیری (PLASTICITY INDICES) و انقباض (LINEAR SHRINKAGE) خاک های طبیعی آشکار نموده است. قابل ذکر است که تاثیر اضافه نمودن تثبیت کننده مایعی در خاک های طبیعی به طور قابل ملاحظه ای کاهش نشانه خمیری و انقباض خطی خاک های طبیعی را بهه همراه می دارد. همانطور که در تصویر مشاهده می گرد این تاثیر در خاک شماره 1 شدیدتر می باشد.

 

تصویر 1-کاهش نشانه خمیری بعد از 14 روز

 

تصویر 2-کاهش انقباض خطی بعد از 14 روز

با توجه به تصاویر 1و 2 یک کاهش 10 درصدی برای خاک شماره 3 گزارش شده است. که می توان دلیل آن را به عکس العمل های بین اجزا تثبیت کننده مایعی و صفحات نازک رسی در خاک شماره 2 و 3 نسبت داد. تثبیت کننده مایعی که برای مدت طولانی در خاک ها می ماند، می تواند نشانه خمیری و انقباض خطی خاک ها را کاهش دهد. به طور کلی می توان استدلال نمود که واکنش شیمیایی بین اجزاء تثبیت کننده مایعی و صفحات نازک رسی تقریبا کامل گردیده است.

3-نسبت رطوبت- چگالی

در این آزمایش خاک های خشک عبور کرده از الک 5 میلیمتری برای تعیین شکل پذیری میزان رطوبت بهینه (OMC) و حداکثر چگالی خشک (MDD) در طبیعت  و تثبیت کننده خاک بکار گرفته شده است. تاثیر تثبیت کننده مایعی روی میزان رطوبت بهینه و حداکثر چگالی خشک خاک های طبیعی به ترتیب در تصاویر 3و4 مشاهده می گردد. این تثبیت کننده میزان رطوبت بهینه را کاهش و حداکثر چگالی خشک خاک های طبیعی را افزایش می دهد و بطور شیمیایی صفحات کوچک خاک رس را خنثی نموده و مولکو های آب را که ضامن صفحات نازک رسی هستند، رد می نماید.

خاک های محتوای میزان رس بالاتر در مقایسه با خاک های محتوای رس پایین تر (خاک 1) میزان رطوبت بهینه را بیشتر کاهش می دهند. بنابراین می توان نتیجه گرفت که نسبت فراوانی واکنش شیمیایی بین صفحات ناکز رس و اجزاء تثبیت کننده مایعی در خاک های محتوای رس بیشتر میزان مولکو های آب را کاهش می دهد. به هر حال خاک های محتوای رس کمتر در قیاس با خاک های محتوای رس بیشتر حداکثر گالی خشک بالاتری را تولید می نمایند. این ممکن است باعث افزایش مصرف اجزاء تثبیت کننده مایعی در واکنش با صفحات نازک رسی در خاک های محتوای رس بالاتر گردد.

 

تصویر 3-ارتباط رطوبت بهینه و تثبیت کننده مایعی

4-مقاومت فشاری محدوده نشده (USC)

نمونه های مقاومت فشاری محدود نشده بوسیله تراکم ساکن پس از حداکثر چگالی خشک (MDD) و میزان رطوبت بهینه (OMC) تثبیت کننده خاک ها که از میان آزمایش تراکم استاندارد تعیین شده بود مهیا گردید.

نمونه ها در قالب استوانه ای به ارتفاع 100 میلی متر و قطر 50 میلی متر طبق BS1924 (1990) بکار برده شد. اضافه بر آن می توان به تحقیق بوسیله چیوو CHEW (1990) در مورد روش مخلوط نمودن اشاره نمود. نمونه ها پس از اینکه به طور صحیح مخلو ده بودند، به ترتیب در روزهای 14، 7، 28 روزه آزمایش گردیدند.

 

همانطور که در جدول شماره 3 ارائه شد، در محدوده مقاومت فشاری تثبیت کننده مایعی خاک های طبیعی را افزایش می دهد. افزایش بالای 60 درصد می تواند بوسیله استفاده نسبت های مختلف تثبیت کننده مایعی در طرز عمل خاک های طبیعی انجام گردیده باشد که افزایش مقاومت بوسیله هرخاکی با نسبت های مختلف تثبیت کننده مایعی را می توان در تصویر 5 مشاهده نمود.

 

با توجه به جدول شماره 3 افزایش برای همه مخروطهای خاک بطور فراوان پس از 7 روز زمان گیرش افزایش و بعد از 28 روز کم می گردد. این می تواند بهترین دلیل برای اجزاء شیمیایی تثبیت کننده مایعی باشد، که به طور فعال با صفحات نازک رسی عکس العمل نشان می دهند.

نسبت های مختلف تثبیت کننده مایعی در خاک های مختلف را می توان در تصویر شماره 6 مشاهده نمود. با توجه به تصویر، خاک شماره 1 بالاترین بهبودی را در مقابل خاک شماره 3 برای همان نسبت تثبیت کننده مایعی دارد.

 

5-نتیجه گیری

بر پایه آنچه اینجا ارائه گردید، نتایج زیر در مورد علمکرد ثتبیت کننده ماعی بدست یم آید:

تثبیت کننده مایعی انعطاف پذیری و انقباض را با جلوگیری از جذب مجدد مولکول های آب کاهش میدهد.

تثبیت کننده مایعی با یونیزه نمودن و مبادله مولکول های آب سطح صفحه های نازک رسی میزان رطوبت را کاهش می دهد.

تثبیت کننده مایعی حداکثر چگالی خشک را با خنثی نمودن و چیدن منظم دوباره صفحات نازک رسی افزایش می دهد.

تثبیت کننده مایعی مقاومت فشاری را با افزایش پیوستگی بین ذرات افزایش می دهد.

 

 

فصل سوم

 

-  رفتار پرده های سپر فلزی ساحلی در مقابل خاکهای روان شده

چکیده

پدیده روانگرایی در بسیاری از زمین لرزه های عظیم به ویژه در ساختگاه های دارای خاک های ماسه ای نامتراکم مشاهده شده و صدمات فراوانی به سازه های موجود روی این زمین وارد آورده است. از جمله سازه های اسیب پذیر در اثر ارتعاشات دینامیکی و به دنبال آن روانگرایی خاک ا، دیوارهای ساحلی موجود در کناره دریاها و رودخانه ها بوده که هم خاک اطراف آنها اشباع است و هم اغلب ناتمراکم بوده و شرایط روان شدن برای آنها فراهم است. این دیوارها در دو نوع کلی وزنی و انعطاف پذیر (عمدتافلزی) ساخته می شوند. در این مقاله عملکرد نوع انعطاف پذیر با استفاده نرم افزار PLAXIS بررسی شده است. رفتار ماسه های نامتراکم در شرایط زهکشی نشده، نرم شوندگی کرنشی است. نتایج تحلیل ها حاکی از آن می باشد که با افزایش زاویه اصطکاک داخلی لایه نامتراکم، گیردار کردن سپر در لایه متراکم، کاهش حداکثر دامنه شتاب ارتعاش دینامیکی، کاهش مدت زمان ارتعاش دینامیکی، افزایش ضخامت سپر، کاهش ارتفاع آب جلوی سپر، کاهش فاصله بندی مهارها در راستای ارج از صفحه، و کاهش عمق جای گیری مهارها کلمات کلیدی: دیوار ساحلی- پرده سپر فلزی- روانگرایی- فشار هیدرودینامیکی- تحلیل عددی

1-مقدمه

دیوارهای ساحلی در دو نوع کلی وزنی و انعطاف پذیر ساخته می شوند که امکان پهلوگیری و تکیه کشتی ها و احتمالا مهار آنها و در ضمن نگهبانی از خاکریز پشت دیوار در شرایط حداکثر رقوم اب را فراهم می کنند. پرده های سپر فلزی که 70 تت 80 درصد دیوارهای انعطاف پذیر را شامل می شوند، می توانند به آرامی تغییر شکل دهند. نکاتی که در طراحی این نوع از سازه های نگهبان وجود دارد، اندکی از دیوارهای وزنی پیچیده تر است. پرده های سپر فلزی را در دو نوع با مهار و بدون مهار احداث می کنند و مهاربندی آنها به شیوه های مختلف انجام می پذیرد.

روانگرایی زمین های ساحلی، خرابی فراوانی پرده های سپر فلزی موجود در این محل ها وارد ساخته است. در این موارد، کارایی این سازه ها به علت نشست و تغیر مکان بیش از حد، از بین می رود و شالوده سازه های روزمینی و زیرزمینی نزدیک ساحل بر اثر تغییر شکل و گسیختگی جریانی زمین، تخریب می گردند.

در زمین لرزه های Puerto Montt (شیلی- 1960) Niigata (ژاپن- 1964) و Akita (ژاپن-1983) دیوارهای ساحلی که عمدتا از جنس سپر فلزی بودند، درجات مختلف خرابی شامل چرخش و تغییر مکان افقی را تجربه کردند.

پژوهشگران مختلف، تحلیل های عددی و آزمون های آزمایشگاهی متعددی (ازمون های مدلی میز لرزه و سانتریفوژ) را به منظور بررسی عملکرد سپرها در مقابل روانگرایی خاک صورت داده اند. در این مقاله، رفتار پرده های سپر فلزی هنگام روانگرایی خاک اطراف و پی دیوار با استفاده از نرم افزار PLAXIS مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است.

2-فرضیات تحلیل

محدوده در نظر گرفته شده برای تحلیل سپرها برای 200 متر طول، 40 متر عمق در مرز راست و مرز چپ با عمق متغیر می باشد. داخل کل محدوده 2 تا 3 لایه خاک ت تعریف می شود. پرده سپر فلزی در فاصله 50 متری از مرز سمت چپ قرار دارد و ارتفاع‌آن در بررسی ها، متغیر است. در تعدادی از تحلیل ها، سپرها مهار شده اند. نوع مهارها، با انتهای ثابت (که یکی از دو پیش فرض PLAXIS می باشد) فرض شده است. در شکل 1، هندسه کلی مربوط به محدوده تحلیلی سپرهای فلزی آمده است.

با توجه به ویژگیهای پرده های سپر فلزی، نوع تحلیل ها، کرنش صفحه ای در نظر گرفته شده که برای سازه های با سطح مقطع و وضعیت تنش کمابیش یکنواخت در راستای عمود بر سطح استفاده می گردد. ازدیدگاه دیگر با توجه به ارتباط مستقیم روانگرایی با تغییرات فشار آب حفره ای، نوع تحلیل ها تنش موثر است و چون مدت زمان رخداد زلزله کوتاه بوده و بررسی ها فقط در این بازه زمانی محدود انجام می پذرند و رفتارهای پس از زلزله مدنظر نبوده است، تحلیل ها در شرایط زهکشی نشده انجام شده اند.

برای شبکه بندی محیط خاکی، از المان های مثلثی 15 گرهی (که ماتریس سختی را در 12 نقطه محاسبه می کنند)و برای پرده های سپر فلزی با توجه به ضخامت اندک و نفوذناپذیری آنها، ازالمان های تیری 5 گرهی بهره گرفته شده است.

از آنجا که در برنامه PLAXIS نمی توان محیط آب

 

شکل 1-هندسه مدل تحلیلی پرده های سپر فلزی ساحلی (بدون مقیاس)

را به صورت جداگانه (همچون لایه های خاک) تعریف کرد و فشارهای هیدرواستاتیکی تنها با تعریف تراز آب مشخص می شوند. فشار هیدرودینامیکی وارد از طرف آب بر دیوار ساحلی را با استفاده از رهیافت وسترگارد (1933)، برای مدل تعریف می کنیم. رابطه 1 برای محاسبه اضافه فشار دینامیکی آب جلوی دیوار به علت زلزله برای عمق Y از تراز آب ارائه شده است:

(1)

که h عمق آب جلوی دیوار،    وزن مخصوص آب،    شتاب افقی زلزله و g شتاب ثقل است.

پیش فرض گیرداری استاندارد در PLAXIS  در حالت تحلیل کرنش صفحه ای به مرزهای قائم موجود در طرفین مدل، قید افقی و به مرز افقی موجود در پایین ترین تراز مدل، قید افقی و قائم می دهد. همچنین دو مرز چپ و راست جاذب انرژی هستند. زلزله با اعمال یک شتاب مشخص در مرز پایینی، مدل می شود.

در تحلیل های این مقاله، بارگذاری دینامیکی یا به صورت موج سینوسی بوده یا شتاب نگاشت زلزله طبس (1987) مورد استفاده قرار گرفته است. در شکل 2 این شتاب نگاشت با مدت زمان 10 ثانیه ارائه شده است.

 

 ماسه های شل تحت شرایط زهکشی نشده رفتار نرم شوندگی کرنشی از خود نشان می دهند. مدل Soft Soil موجود در PLAXIS (بنا بر راهنمای نرم افزار) برای خاک های رسی و آلی مناسب است و برای ماسه های با درجه تراکم مختلف، این نرم افزارها مدل Hardening Soil را پیشنهاد کرده که برخلاف نامش، رفتار نرم شوندگی ماسه ها را نیز مدنظر قرار می دهد. براساس توصیه نرم افزار، برای ماسه های شل زاویه اتساع منحنی و کوچک در نظر گرفته شده است. المان تیر (سپر) با مدل رفتاری الاستوپلاستیک مدل می شود.

شبکه بندی محدوده مربوط به پرده های سپر فلزی به صورت Medium بوده و شبکه اطراف المان تیر، دو مرتبه ریزتر در نظر گرفته شد. نمونه ای از شبکه اجزاء محدود تولید شده توسط برنامه در شکل 3 آمده است.

در مدل های کرنش صفحه ای، در نظر گرفتن میرابی به منظور دستیابی به جواب های واقعی لازمست. ریلی رابطه 2 را برای محاسبه میرایی ارائه کرده است:

(2)

که [K] , [M] , [C] به ترتیب ماتریس های میرابی، جرم و سختی هستند. مشابه با تحلیل های افراد دیگر مقادیر             برای برقراری رابطه بالا به کار گرفته شده است.

 

شکل 3-نمونه ای از شبکه اجزاء محدود تولید شده توسط برنامه برای تحلیل پرده های سپر فلزی

در جدول های (1) الی (8) نقاط B , A به ترتیب در بالاترین و پایین ترین قسمت پپر قرار گرفته اند. تغییر مکان افقی مثبت به معنای حرکت سپر به سمت آب می باشد. مقدار منفی برای تغییر مکان قائم به معنای حرکت نقطه B به سمت بالا است. به علاوه شماره تحلیل (1 تا 9) به ترتیب مربوط به بررسی تاثیر زاویه اصطکاک خاک، گیرداری سپر، دامنه شتاب ارتعاش، مدت زمان ارتعاش، ضخامت سپر، موقعیت تراز آب جوی سپر، فاصله بندی مهارها در راستای خارج از صفحه، سطح مقطع مهارها و عمق جایگیری مهارها روی عملکرد سپرها هنگام روانگرایی خاک اطراف روی تغییر مکان های نقاط B , A می باشند. تنها در سه تحلیل آخر از مهار استفاده شده است. نتایج این تحلیل ها به صورت منحنی های تغییر پارامترهای مذکور در مقابل تغییر مکان های بال و پایین سپر در اشکال (4) الی (12) رسم شده است.

3-جدول های ویژگی های مصالح (خاک-سازه)، بارهای دینامیکی، شکل ها و نمودارها

 

 

 

 

 

شکل 12-تاثیر عمق جایگیری مهارها (یک سرگیردار) بر تغییر مکان هنای قائم و افقی بالاترین نقطه (A) و پایین ترین نقطه (B) سپر فلزی 4-تفسیر کلی نتایج

سختی یک سیستم سپر و خاک، به سختی خاک و سپر بستگی دارد. سختی خاک به فشار محصور کننده موثر و سطح کرنش وابسته است. به طور کلی، سختی ماسه با کاهش فشار محصورکننده موثر یا افزایش کرنش برشی، کاهش می یابد. افزایش فشارهای منفذی، دلیل اصلی تقلیل سختی خاک در یک زمین لرزه است. وقتی یک سازه خاکی تحت تاثیر لرزش پایه قرار می گیرد، تنش های برشی سیکلی از طریق خاک انتقال یافته و کرنش های برشی را افزایش خواهند داد که منجر به کاهش سختی خاک می شود. این کاهش در صورت اشباع بودن خاک ماسه ای اطراف دیوار جدی تر می گردد. بالا رفتن فشار منفذی اضافی بر اثر بارگذاری دوره ای (سیکلی) در شرایطی که قابلیت تغییر حجم برای اک فراهم نباشد، فشار محصورکننده موثر و مقاومت برشی خاک را کاهش می دهد. کاهش سختی خاک و به تبع آن سختی سیستم سپر و خاک، باعث افزایش تغییر مکان سپر فلزی می گردد.

همان گونه که در نتایج تحلیل ها ملاحظه شد، افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک اطراف دیوار، افزایش طول گیرداری سپر در لایه متراکم و کاهش تراز آب جلوی سپر، عواملی بودند که سختی سیستم سپر و خاک شامل سپر را افزایش می دهند. این مضوع باعث می شود در صورت ارتعاش و ازدیاد فشارهای منفذی، مقاومت مجموعه در برابر کاهش سختی بیشتر باشد. علاوه بر خاک، خود دیوار نیز نقش قابل ملاحظه ای در پاسخ به ارتعاشات دینامیکی بازی می کند. پایداری لرزه ای یک دیوار ساحلی انعطاف پذیر با

افزایش ضخامت سپر، به کارگیری مهار و در حالت اخیر کاهش فاصله بندی مهارها در راستای خارج از صفحه، کاهش عمق جایگیری مهارها و افزایش طح مقطع مهارها، افزایش می یابد.

دو عامل بیرونی که مورد بررسی قرار گرفتند، حداکثر شتاب زمین لرزه و مدت زمان رخداد آن هستند. با افزایش شتاب، نیروهای دینامیکی بزرگتری به دیوار وارد می شوند. به علاوه با فرض ثابت ماندن زمان ارتعاش، کرنش های برشی سیکلی بزرگتری تولید می شوند که روان شدن خاک را تسریع کرده و پیرو آن با ازدیاد نیروهای وارد بر دیوار، تغییر مکان های انتقالی و دورانی افزایش می یابند. از دیگر سو، هرچه مدت زمان وقوع یک ارتعاش بیشتر باشد فرصت طولانی تری برای روان شدن خاک فراهم است و پس از روان شدن، مدت زمان بیشتری در این حالت باقی خواهد ماند، در نتیجه نیروهای وارد به دیوار به میزان بیشتری افزایش می یابند و دیوار زمان بیشتری تحت تاثیر آنها قرار خواهد گرفت.

در هنگام زمین لرزه، نیروی افقی کل، روی سپرهای ساحلی شامل فشار محرک دینامیکی خاک اطراف، فشار مقاوم دینامیکی خاک اطراف، فشار هیدرواستاتیکی آب جلوی سپر و تغییرات آن تحت عنوان فشار هیدرودینامیکی آب، نیروی اینرسی ناشی از وزن دیوار (که در مورد سپرها قابل چشم پوشی است) و نیروی مهار می باشد. از دیدگاه تعادل حدی، دلایل اصلی خرابی وارد به پرده های سپر فلزی ساحلی پس از یک زلزله و روان شدن خاک اطراف آن (که به صورت تغییر مکان های انتقالی و دورانی جلوه میکند) عبارتست از:

افزایش فشار محرک عمل کننده در پشت دیوار

کاهش فشار مقاوم جلوی دیوار

تولید مفاصل پلاستیک در سپر یا مهار آن

مود حرکتی پرده های سپر فلزی به صورت چرخش است. پس از روانگرایی، خاک پشت دیوار نشست قابل ملاحظه ای خواهد کرد.

5-نتیجه گیری

از مجموع مطالب گردآوری شده و تحلیل های صورت یافته، نتایج زیر به دست یم آید:

-با افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک نامتراکم اطراف. روانگرایی خاک دیرتر اتفاق افتاده و تغییر مکان های سپر کاهش می یابد.

-گیردار کردن سپر در یک لایه متراکم باعث می شود حجم کمتری از خاک دچار روانگرایی شده و در نتیجه تغییر مکان های سپر کاهش یابد.

-با افزایش دامنه ارتعاش شتاب دینامیکی، پدیده روانگرایی سریع تر رخ می دهد و تغیر مکان های سپر بیشتر می شود.

-زیاد شدن مدت زمان ارتعاش دینامیکی موجب می شود مهلت خاک برای روان شدن بیشتر شده و در نتیجه، سپر تغییر مکان های بیشتری را تجربه کند.

-با افزایش ضخامت سپر، سختی خمشی ان بالا می رود و مفاصل پلاستیک که یامد تشکیل آنها، تغییر شکل های ماندگار است، دیرتر ایجاد می گردند.

-هرچه ارتفاع تراز آب مقابل سپر بالاتر باشد، حجم خاک بیشتری در پشت آن اشباع شده و دارای قابلیت روانگرای می شود که حاصل آن، جابجایی های بزرگتر سپر خواهد بود.

-افزایش فاصله بندی مهارها در راستای خارج از صفه، سختی جانبی سیستم سپر مهار را افزوده و تغییر مکان های بزرگ آن را پس از روان شدن خاک اطراف محدودتر می کند.

-ازدیاد سطح مقطع مهارها، سختی محوری آنها را افزایش داده و مهارها را در برابر رانش خاک اطراف مقاوم تر می کند.

-با مدفون کردن مهارها در اعماق پایین تر (در صورتی که انتهای آن گیردار باشد) نقاطی از سپر که تمایل به تغییر مکان های بیشتر دارند، آزادی عمل بیشتری یافته و پس از روان شدن خاک اطراف، جابجایی سپر بیشتر خواهد شد.

در مجموع، هر عاملی که سختی اولیه سیستم سپر و خاک را افزایش دهد، باعث کاهش سرعت افزایش فشار اب حفره ای می شود، در نتیجه از تغییر مکان های سپر کاسته می گردد. در اثر روانگرایی خاک و گسترش ان، تغییر مکان دیوار افزایش بسیار قابل ملاحظه ای نسبت به حالتی که روانگرایی به وقوع نپیوندد نشان خواهد داد.

پس از روانگرایی خاک اطراف، مورد غالب حرکت سپر فلزی چرخش، به سمت دریا خواهد بود.

 

فصل چهارم

 

-   کاربرد روشهای چتری در تونل زنی در زمینهای نرم

چکیده

گسترش دامنه تونل زنی در زمینهای نرم و محیط های شهری مشکلات خاص خود را دارد. برای غلبه بر این مشکلات عمدتا از سپرها و یا حفر مقطعی تونل استفاده می شود. انعطاف پذیری و کارایی پایین روشهای یاد شده برای غلبه براین مشکلات موجب پیدایش روشهای چتری شده اند. این روشها به مرور کاربرد روز افزونی در شرایط سخت تونل زنی یافته اند. در مقاله حاضر انواع روشهای چتری به اجمال معرفی شده اند.

1-مقدمه

با گسترش زندگی شهری و کمبود فضاهای موجود در شهرها، حفر تونبل های شهری با اهداف مختلفی مانند حمل و نقل، سرویس دهی رو به افزایش نهاده است. تونل زنی در زمین های شهری دارای خصوصیات خاص خود می باشد. عمق روباره کم است، زمین اغلب نرم و سیمانته نشده است. وجود ساختمانها و پی های مجاور تاثیر زیادی روی نشستهای حاصل از تونل زنی داشته و علاوه بر آن موجب محدود ساختن امکان حفاری یا تقویت از سطح زمین (مثلا به روش کندن و پوشاندن) می شوند. با وجود چنین شرایطی، تونل ها بایستی به روشای ایجاد شوند که موجب بروز کمترین خسارت به ساختارهای سطحی زمین شده و تغییر شکل محیط اطراف را تا حد امکان کاهش دهند.

بطور کلی می توان روشهای بکار رفته برای حفر تونل در زمینهای نرم را به دو گروه تقسیم بندی نمود:

روشهای بهسازی: مشحصات ژئوتکنیکی خاک اطراف یک سازه را بهبود می بخشند. این روشها شامل تقویت زمین، تزریق، زهکشی و انجماد می شوند.

روشهای حفاظتی: از قرار گرفتن پارامترهای مقاومتی خاک در مقادیر باقیمانده جلوگیری کرده و اغتشاشات تنش را در اطراف یک سازه به حداقل می رسانند. این روشها گاها از ترکیبی از چند عنصر بهسازی همچون قوس تزریق فواره ای تشکیل
می شوند.

روش هایی که بطور مرسوم برای حفر تونل بکار می روند عبارتند از حفر بخشی و کاربرد سپرها. در حفربخشی، مقطع تونل به مقاطع کوچکتری تقسیم شده و هرکدام از این مقاطع به صورت جداگانه حفاری و نگهداری می گردد.

بکارگیری روش حفر بخشی فضای کاری را محدود ساخته و باعث کاهش و سرعت پیشروی گردیده و امکان استفاده از ماشین آلات بزرگتر و حجیم تر را تحت الشعاع قرار می دهد. علاوه بر موارد یاد شده، کار در فضاهای کوچک موجب کاهش ایمنی می گردد. سپرها نیز مشکلات خاص خود را دارند که از جمله می توان به مشکل طراحی و انطباق آن با شرایط زمین، نیاز به نیروی کاری متخصص و هزینه های سرمایه گذاری بالا اشاره نمود. روش های چتری بعنوان گزینه ای جایگزین برای تکنک های فوق بکار گرفته می شوند. در این تکنیک ها که برای اولین بار در حدود بیست سال پیش در استرالیا و سپس ژاپن توسعه یافته اند، پیش تقویت در مقال سینه کار با استفاده از تکنیک های تحکیم افقی صورت گرفته و پوسته ای قوسی شکل در مقابل سینه کار قبل از حفاری ایجاد می شود که اجازه حفاری در شرایط ایمن و با سرعت بالاتر را در زیر یک قوس محافظتی فراهم می کند. اجرای این چترها از داخل تونل و در مقابل سینه کار صورت میگیرد. این تکنیک در واقع یک نگهداری اولیه است که جهت افزایش پایداری و کنترل تغییر شکلهای زمین با سایر سیستم های نگهداری همراه می شود.

روش های چتری را می توان به دو دسته تقسیم بندی نمود: 1-روشهای پیش تیرزنی که در آنها چالهایی در محیط تونل و موازی با محور آن، در سینه کار حفر شده و با تزریق سیمان، نصب لوله های فولادی یا ترکیبی از آنها اقدام به تقویت زمین در مقال سینه کار می شود.

2-روشهایی که اساس آنها بر پمپاژ بتن در داخل یک شیار حفر شده در محیط تونل قرار دارند و تحت عنوان روشهای پیش استرزنی نامیده می شوند.

2-روشهای پیش تیرزنی

در این تکنیکها تیرهایی در زمین مقابل سینه کار و در مرز تونل قرار می دهند که شیبی مابین 5 الی 15 درجه نسبت به محور تونل دارند، بگونه ای که باعث ایجاد چترهایی بشکل مخروط ناقص شده که اجازه می دهند.

 

شکل 1-پیش تقویت توسط لوله های چتری [3]

با چترهای مجاور همپوشانی داشته باشند. (شکل 1) مراحل اجرای تنظیم روش فوق به شرح ذیل است:

1-نصب و قالب گرفتن مجموعه راهنما.

2-چالزنی (قطر معمولا بین 140 الی 200 میلیمتر است) و جایگذاری لوله های فولادی با قطر خارجی 70 تا 180 میلی متر و ضخامت 4 تا 10 میلی متر.

3-تشکیل یک بخش ضربه گیر بر روی لبه لوله ها در سینه کار

4-انجام تزریق در لوله ها

5-پیشرفت حفاری در طولی معادل با فاصله بین مجموعه های نگهداری اصلی.

6-نصب مجموعه نگهداری و اجرای شاتکریت.

مراحل 1 تا 4 و مراحل 5و 6 دو روند عملیاتی متفاوت را ارائه می دهند. بخش اول در ارتباط با پیش تقویت و بخش دوم پیشرفت سینه کار و برپا کردن نگهداری جهت حمایت از چتر می باشند. بسته به نوع روش، ممکن است برخی از مراحل حذف شوند یا دچار تغییر گردند.

روشهای پیش تیرزنی دارای انواع ذیل می باشند:

2-1-تزریق فواره ای کم شیب

این روش در شرایط بسیار مشکل و مواقعی که خاکهای سست با روباره کم ارتفاع همراه شوند، به کار می رود (شکل 2). ستونهای تقویتی تزریقی در این حالت به صورت یک تیر عمل می کنند.

 

شکل 2-روش تزریق فوارهای [4]

2-2-روش Spilling  

این روش از چهار بخش ذیل تشکیل می شود:

-حفاری و نصب لوله های فولادی

-تزریق در داخل لوله ها و فضاهای خالی مجاور

-تغییر رفتار زمین با تزریق نفوذی در آن

-انجام نگهداری با قابهای فولادی

تزریق، جزئی از ضروریات این سیستم است تا ساختار قوس مانند تشکیل شود. اما تجهیزات و نحوه انجام آن بستگی به زمین دربرگیرنده دارد.

شکل 3-روش [4] Spilling

2-3-روش لوله گذاری سقفی

پیش تیرزنی به روش لوله های سقفی با نصب یک سری لوله های بتنی یا فولادی به قطر زیاد رد تاج تونل به صورت یک حلقه یا قوس صورت می گیرد. از این روش زمانی استفاده می شود که روباره بسیار نازک است. می توان از تکنیک لوله رانی برای نصب تیرها استفاده نمود. لوله ها فقط برای حمل بارهای طولی طراحی می شوند.

2-4-پیش تیرزنی توسط سرمته ها فرورفته در زمین

در زمینهای غیرچسبنده زیر سطح آب همچون زمینهای ماسه ای گاها به دلیل پایداری کم، نمی توان چالهایی را به قطر لازم برای انجام پیش تیرزنی حفر نمود. در این موارد خود چالها قبل از اینکه سویله نگهداری در آنها نصب گردد، عامل ناپایداری می شوند. بنابراین بایستی در کمترین زمان ممکن تماس بین زمین و پیش تیرها فراهم شود و فواصل بین شکافها پر گردد. جهت تامین این نیازها پیش تیرزنی طی مراحل زیر انجام می گیرد: (شکل 4):

چال اولیه ای به قطر کم (حداکثر 150 میلی متر) در داخل زمین حفر می شود.

-سرمته، در انتهای چال باز شده و قطر آن حدودا دو برابر می شود.

-سرمته به چرخش در آمده و به سمت ابتدای چال حرکت می کند و همزمان، خاک را با دوغاب سیمان در داخل چال مخلوط می کند و ستونی پیوسته از جنس خاک و سیمان تشکیل می شود.

3-سیستم پیش آسترزنی

این سیستم به دو روش اجرا می شود که ذیلا توصیف می گردند

 

شکل4- روش پیش تیرزنی [5]

3-1-تکنیک پیش برش

این روش شامل نصب پیش آسترهایی در مقابل سینه کار می گردد. در این روش، ک شیار در اطراف مقطع تونل در قسمت مقابل سینه کار حفر می شود و سپس با مخلوطی از بتن پر می گردد. این ساختار دارای شکلی مخروطی است که اجازه همپوشانی دو تکه مجاور را فراهم می سازد (شکل 5). در گام بعدی هسته قرار گرفته در داخل مخروط، حفر می شود و سپس سایر روشهای نگهداری روی این قسمت ها نصب می شوند و نگهداری نهایی تونل از مجموع نگهداری های حاصل به دست می آید. از عیوب روش پیش برش می توان به محدود بودن ضخامت و طول برش قابل دسترس و نیاز به اینکه برش تا زمان پرشدن توسط بتن بایستی باز بماند، اشاره نمود.

3-2-تکنیک پیش تونل زنی

این تکنیک یکی از مکانیزه ترین روش های اجرای پیش نگهداری در مقابل سینه کار است که در سال 1997 در ایتالیا ابداع شده است. مشخصه اصلی این سیستم، ایجاد نگهداری نهایی قبل از آغاز عملیات تونل زنی است که نیاز به تقویت سینه کار و نصب نگهدار اولیه را مرتفع می سازد. میدان عمل عمده برای کاربر این روش جدید، تونلهای بزرگ مقطع در زمینهای ضیف با مقادیر پایین چسبندگی می باشد. می توان از این روش در تونل هایی با ضخامت کم روباره نیز بهره برد یا در اعمال زیاد، هنگامی که مشکل اصلی تاثیر فشارندگی زمین باشد، از آن استفاده نمود.

 

شکل 5-تصویر شماتیک پیش آسترها [6]

اساس تکنیکهای پیش برش و پیش تونل زنی چندان تفاوتی با هم ندارند و فرق عمده در تجهیزات مورد استفاده است. حفر شیار و پمپاژ بتن در داخل آن توسط ابزاربرشی واحد صورت می گیرد. بنابراین مشکل باز ماندن شیار حذف گردیده و می توان به ضخامت هایی بیش از 1 متر نیز دست یافت که در بدترین شرایط نیز پاسخ گو خواهد بود. پارامترهای هندسی شاخص برای تکنیکهای پیش برش و پیش تونل زنی در جدول 1 نشان داده شده است.

 

شکل 6-جزئیات ابزار برشی [7]

در این روش تغییر شکل هایی که در روشهای قبلی در طول نصب نگهداری اولیه (قوس چتر) به وجود می آید به طور قابل توجهی کاسته می شوند، شکستگی و سست شدگی زمین در طول حفاری تقریبا به طور کامل حذف می گردد. پرکردن فضای خالی همزمان با حفاری حلقه با استفاده از قطعه برشی واحد، اجازه کنترل تغییر شکل و پایداری دیواره برش یافته را با متعادل ساختن فشار برای سرعت برش و پرکردن بتن فراهم می کند و اضافه حفاری به طور کامل به دلیل پیوستگی حلقه های بتنی حذف می شود. در صورتی که پی حلقه بتنی مطمئن نباشد، می توان قوس معکوس برای کف اجرا نمود.

 

جدول 1-پارامترهای هندسی روشهای پیش برش و پیش تونل زنی[2]

آستر بتنی که در دو روش یاد شده فوق دیواره را نگهداری می کند در مقابل سینه کار تونل اجرا می شود، بنابراین در زمان اجرای آن تنها درصد بسیار کمی از تنشهای طبیعی آزاد شده اند. در نتیجه هنگامی که هسته حفر می شود، پیش آستر تحت تاثیر تنش بالایی قرار خواهد گرفت، بنابراین طراحی دقیقی موردنیاز خواهد بود زیرا در طول مراحل حفاری، تغییرات بسیار محدود بوده و در حقیقت پیش استر طراحی شده قبلی را به سختی می توان مرحله اجرایی، تغییر داد.

4-نتیجه گیری

تکنیکهای چتری به عنوان روشهای موثر جهت پایدار سازی سینه کار حفاری و کاهش اثرات نشست ناشی از تونل زنی به کار گرفته می شوند. تنوع موجود در این روش ها امکان انطابق آنها را با شرایط مختلف زمین فراهم آورده است بطوریکه با استفاده از این روشها می  توان بر مشکلات موجود در روشهای متداول تونل زنی در زمین های نرم غلبه نمود.