تزریق تراکمی (Compaction Grouting) چیست؟

تزریق تراکمی شامل تزریقی کنترل شده از دوغابی بسیار سفت، شبیه ملات، با فشار بالا در نواحی جدا افتاده خاک است. زمانی که به درستی اجرا شود دوغاب در شکلی همگن و جرمی متورم، خاک های مجاور خود را جابجا کرده در نتیجه متراکم می کند. این روش از سال 1950 آغاز شده است. مکانیسم این نوع تزریق متراکم کردن است که باعث افزایش ظرفیت باربری می شود. به دلیل کاهش حجم حفره های خاک، کاهشی نسبتا کم در نفوذپذیری به وجود می آید؛ با وجود این تزریق تراکمی نمی تواند کاهش قابل توجهی در تراوش داشته باشد. چسبندگی خاک ممکن است به خاطر تراکم اندکی افزایش یابد.

این نوع تزریق فشاری معادل چند صد پوند بر اینچ مربع (چند مگاپاسکال) در عمقی فقط برابر 5 یا 10 فوت (0.3 یا 1.5 متر) نیاز دارد. تزریق تراکمی به طور موفق در اکثر انواع خاک ها، تا عمق 400 فوتی (120 متری) صورت پذیرفته است. شعاع تاثیر توده ملات تراکمی را می توان به خوبی تا 20 برابر حجم توده ملات تزریق توسعه داد(باکر 1985).

مخلوط دوغاب

یک مخلوط دوغاب تزریق تراکمی ایده آل باید حدود 6 تا 12 درصد (10درصد نیز توصیه شده است) سیمان پورتلند، 25 تا 30 درصد سیلت و ماسه و همچنین آب کافی جهت رسیدن به کارایی مناسب داشته باشد. در طرح اختلاط نیز افزودنی هایی نظیر خاکستر آتشفشانی، شن، بنتونیت و افزودنی های کاهنده آب وجود دارد. اسلامپ این ملات 1 تا 2 اینچ یا همان 25 تا 50 میلیمتر(0تا 2 اینچ نیز توصیه شده است)، است.

شکل 1-دانه بندی پیشنهادی برای سنگدانه های موجود در ملات تزریق تراکمی

گمانه های تزریق تراکمی

گمانه های تزریق تراکمی معمولا در شبکه های 6 تا 12 فوتی (1.8 تا 3.6 متری) حفر می شوند؛ ولی گاهی فواصل نزدیک تر نیز مورد استفاده قرار می گیرد؛ حتی به عنوان یک قانون سرانگشتی فاصله بین گمانه ها 3 تا 5 برابر قطر توده تزریق، توصیه شده است. شبکه های مثلثی با فواصی 1.5 تا 5 متر هم توصیه شده اند. در سازه های زیرزمینی فاصله مرکز به مرکز گمانه ها از 5 تا 20 فوت (1.5 تا 6.1 متر)، می باشد.

برای حفر گمانه ها نیز ابتدا گمانه های اولیه، سپس ثانویه، پس از آن گمانه های مرحله سوم و در صورت نیاز گمانه های مرحله چهارم به شکلی که گمانه های هر مرحله میان گمانه های مرحله قبل قرار بگیرد، حفر می شود. ابتدا همه گمانه های اولیه باید تزریق شود، سپس گمانه های ثانویه و الی آخر. به عنوان یک قانون، تزریق باید از گمانه های بیرونی شبکه گمانه ها آغاز شود. اگر تزریق در نزدیک یک دیوار حائل یا پای یک شیروانی صورت گیرد، تزریق باید از نزدیک ترین نقاط به استحکامات مذکور، صورت گیرد. در این شیوه در صورت امکان تزریق باید به صورت قائم صورت گیرد نه مایل.

مراحل تزریق

تزریق به دو صورت صورت می پذیرد :

1) بالامرحله ای (upstage)

2) پایین مرحله ای (downstage)

روش “upstage”اقتصادی تر و سریع تر و برای تزریق های عمیق است. اما روش“downstage”برای عمق های کمتر از 15 فوت (4.5 متر) دارای ارجحیت است.

مراحل تزریق به روش “upstage”

1) یک گمانه تا انتهای ناحیه ای که به تزریق نیاز دارد، حفر کنید.

2) کیسنگ را تا چند فوتی انتهای گمانه قرار دهید، این کار باید به خوبی صورت گیرد و ممکن است به فشار دادن و حرکت کردن مجدد کیسنگ نیاز شود. اگر کیسینگ تا آخر گمانه پیش رود، پیش حفاری ضایع می شود.

3) دوغاب را تزریق کنید؛ اساسا تا زمانی که تزریق به مرحله «توقف» (Refusal) نرسیده این کار را ادامه دهید، «توقف» به سه شکل قابل حصول است. اول اینکه یک حرکت یا پیشرفت اندک در سطح رویی زمین اتفق بیفتد؛ دوم این که مقدار از پیش تعیین شده دوغاب به اتمام برسد؛ سوم این که با دبی معین به حد اکثر فشار برسیم.

4) با یک ریتم معین کیسنگ را خارج کنید؛ معمولا هر 1 یا 2 فوت (0.3 یا 0.6 متر).

5) دوباره تزریق را تا حد «توقف» ادامه دهید.

6) گام های 4 و 5 را تا بالای منطقه مطلوب ادامه دهید.

مراحل تزریق به روش “downstage”

1) یک گمانه با قطری بیش از کیسینگ (معمولا با قطری حدود 3 اینچ یا همان 75 میلیمتر) تا بالای منطقه مطلوب تراکم حفر کنید، این گمانه نباید عمقی کمتر از 4 فوت (1.2 متر) داشته باشد.

2) یک کیسینگ (معمولا با قطر داخلی 2 اینچ یا همان 50 میلیمتر) در گمانه قرار داده و فضای حلقوی خارجی را با دوغاب زودگیر پر کنید.

3) برای مرحله اول تزریق، با حفاری از داخل کیسننگ چند فوت گمانه را عمیق تر کنید، طول هر مرحله 3 تا 6 فوت (0.9 تا 1.8 متر) سفارش شده است.

4) دوغاب را تا حد «توقف» تزریق کنید.

5) گام های 3 و 4 را بعد از سفت شدن دوغاب تزریق شده در مرحله قبل تر تا زمانی که به پایین ناحیه ای که مطلوب تزریق است، برسید؛ انجام دهید.

2-4- جزئیاتی از خط تزریق

صفحه محافظ گیج با قطری معادل 3 اینچ (76 میلی متر)؛ شیلنگ فشار قوی با قطر داخلی 2 اینچ ( 50 میلیمتر)؛ گاهی شیلنگ با قطرداخلی 1.5 اینچ (38 میلیمتر) استفاده می شود.

2-5- تزریق دوغاب ( فشار و سرعت )

سرعت تزریق بهینه معمولا بین 1 تا 2 فوت مکعب (28 تا 57 لیتر) در دقیقه است. این بیشترین سرعتی است که در یک افزایش فشاری برابر 5 تا 8 پوند بر اینچ مربع (0.3 تا 0.5 بار) در دقیقه می تواند، پایدار باشد. با نرخ افزایش فشار حدود 8 پوند بر اینچ (0.5 بار) در دقیقه، مقدار تراکم به دست آمده به طور محسوسی کاهش می یابد. براون و وارنر نشان دادند که اگر فاصله گمانه ها 10 تا 12 فوت (3 تا 3.6 متر) باشد، سرعت برابر 1.5 فوت مکعب (42 لیتر) در دقیقه، بهینه است؛ و اگر فواصل تا 8 فوت (2.4 متر) کاهش یابد، سرعت باید 2 فوت مکعب (57 لیتر) در دقیقه باشد.

در خاک های مخلوط، سرعت، 0.3 متر مکعب در دقیقه، و در خاک های بسیار شل یا حاوی حفرات بزرگ، 3تا 5 متر مکعب در دقیقه و 0.003 تا 0.004 مترمکعب در دقیقه برای رس های زهکشی نشده یا رس های بسیار خمیری است. در عمق 1.5 تا 2 متر فشار 350 تا 1700 کیلوپاسکال، و در عمق بیشتر از 6 متر، فشار 3500 کیلوپاسکال یا بیشتر، و ندرتا فشار بیشتر از 4200 کیلو پاسکال مگر گمانه های خاص که فشار7000 کیلو پاسکال، است. در فضا های زیر زمینی ملات با فشار نسبتا بالای 7 تا 10 مگا پاسکال تزریق می شود.

«توقف» تزریق دوغاب

دوغاب تا زمانی که یکی از سه اتفاق زیر بیفتد انجام می پذیرد :

1) سطح زمین دچار بالا آمدگی (jacking) یا باد کردگی (heaving) شود.

2) با یک دبی معین، مقدار دوغاب از پیش تعیین شده، تمام شود.

3) با یک دبی معین، فشار مشخصی ایجاد شود.

وقتی عمق تزریق کمتر از 30 فوت (9متر) باشد، معمولا بالاآمدگی زمین اتفاق می افتد. باید تا شعاع 20 تا 30 فوتی (6 تا 9 متری)، سطح زمین و سازه های روی آن به دقت مانیتور شده و به محض کوچکترین نشانه، تزریق را قطع نمود.

مشکلات و محدودیت های پیش رو در تزریق تراکمی

1) گسیختگی به خاطر برخورد با مواد معیوب در طول تزریق، یا به خاطر عدم تحمل وزن جدید خاک بهسازی شده به وسیله خاک زیر قسمت بهسازی شده، ممکن است به وجود آید. 2) ترتیب نا مناسب تزریق در گمانه های حفر شده، به مجریان تحمیل شود. گمانه های پیرامونی باید زود تر مورد تزریق قرار گیرند. همچنین تزریق باید از نزدیک ترین نقاط به استحکاماتی چون پای شیروانی یا دیوار حائل صورت پذیرد، و از طرف دیگر تزریق باید از دورترین نقاط نسبت به ترک های نشست، آغاز شود وترک ها در امتداد این استحکامات اتفاق می افتد. در نتیجه با در نظر داشتن موارد مذکور، ممکن است ترتیب تزریق گمانه ها مطلوب، نباشد.

3) اگر دوغاب تزریق بیش از مقدار لازم، رقیق باشد، شکست هیدرولیکی صورت می گیرد.

4) اگر دبی بیش از مقدار لازم باشد، ممکن است شکست هیدرولیکی، تخریب (disruption) و یا حرکت دوغاب در امتداد ضعیف تر شود.

5) بالا آمدگی بیش از اندازه سطح زمین یا سازه های روی آن که با مانیتورینگ صحیح، قابل جلوگیری است.

مانیتورینگ و کنترل تزریق

مانیتورینگ سایت تزریق و سازه های روی آن مهم بوده و باید به وسیله افراد هوشیار و مجربی که با نشانه های معمول حرکت زمین آشنا هستند، صورت پذیرد. “heave” یا همان بادکردگی باید قبل از پیداکردن هرگونه مقدار قابل توجه، خوانده شود.

روش پایین به بالا : این پدیده، خصوصا وقتی تزریق به روش پایین به بالا انجام می شود، مهم است؛ چرا که بادکردگی هر مرحله به مرحله قبل اضافه شده و سطح دچار بادکردگی بیش از حد می شود. واضح است زمانی که عمق گمانه زیاد باشد، این پدیده نمود بیشتری خواهد داشت. اگر چه در روش پایین به بالا عمق هر مرحله 1 فوت (0.3 متر) است، اما اگر خطر بادکردگی وجود داشته باشد، می توان این مقدار را تا 3 فوت (0.9 متر) افزایش داد.

روش بالا به پایین : اساسا، مجموع همه بادکردگی ها در مراحل شیوه بالا به پایین، مهم نیست. زیرا با این شیوه، طول هر مرحله می تواند، 3 تا 6 فوت (0.9 تا 1.8 متر) باشد، و بین هر دو مرحله حداقل چند ساعت زمان لازم است. در نتیجه، هر بادکردگی، قبل از آغاز مرحله قبل تمایل به ترمیم شدن دارد. آشکار است که به خاطر طول زیادتر هر مرحله، تعداد کمتری مرحله و در نتیجه مقدار کمتر بادگردگی وجود دارد.

حباب تراز

مانیتورینگ هم می تواند به سادگی با نگاه کردن، به حباب تراز قرار گرفته روی یک روسازی صورت پذیرد، هم با استفاده از تجهیزات نقشه برداری و اسکن پیوسته سطح زمین.

تجهیزات نقشه برداری

اگر از تجهیزات نقشه برداری استفاده شود، باید نشانه هایی در سراسر سطح تزریق قرار داده شود به گونه ای که اپراتورها قادر به اسکن سریع این نشانه ها باشند. این کار می تواند به راحتی با قرار دادن یک خط روی دیوار یا ستون یا روی یک میله ای که ایستاده یا داخل زمین کوبیده شده انجام شود. همچنین این کار می تواند با چسباندن یک خطکش در سطوح مختلف صورت پذیرد. این خطکش ممکن است پس از تزریق تا چند اینچ جابجا شود.

مانومتر

یک را ساده اما بسیار موثر مانیتورینگ استفاده از سطح معمول سیال با استفاده از مکانیسم مانومتر است. یک امتیاز این روش این است که می توان تعدادی لوله شفاف را به یک مخزنی که دور از زمین تحت تزریق قرار دارد، وصل کنیم. سطح این مخزن باید از جمع سطوح لوله های انشعابی بزرگتر باشد تا با هر افت هد هر لوله یا گروهی از لوله ها هد مخزن تغییر خاصی نکند. به طور جایگزین، می توان از مخزن های متعدد به همراه لوله های وصل شده به هر مخزن استفاده کرد. مزیت این کار، مانیتورینگ همه نقاط مطلوب از یک مرکز است. بیاکون های لیزری چرخشی از دیگر ابزار های مانیتورینگ هستند. مجراهای فاضلاب و لوله های زهکشی نیز باید با عبور آب تمیز از بالا دست به پایین دست به خاطر اطمینان از عدم وجود نشت تزریق مانیتور شوند.

موارد کاربرد تزریق تراکمی

1) در تراکم خاک های سست، فروریزشی و خاکریزها

شکل 2-یک ردیف از گمانه های غلاف دار که در هر طرف لوله تزریق شده اند

2) کاهش پتانسیل روانگرایی خاک

شکل 3-متراکم سازی خاک های روانگرا

3) بهسازی سدهای خاکریزه ای

شکل 4-منحنی دانه بندی سنگدانه های مورد استفاده در ملات تزریق باید با سنگدانه های هسته سد هماهنگ باشد

4) تراکم خاک های غوطه ور

5) تصحیح نشست سازه های معمولی و سازه های متکی بر شمع

برای توفیق در این کار باید شرایط زیر وجود داشته باشد :

الف ) سازه باید روی یک پی واحد قرار داشته باشد و آن اندازه سفت باشد تا بتواند تمرکزهای کوچک و غیر قابل اجتناب واکنش خاک را تحمل نماید؛

ب ) فشار تزریق نباید به علت به مخاطره افتادن دیگر ابنیه مجاور، محدود گردد؛

پ ) ملات سفت باید تزریق شود که با جک هیدرولیکی در خاک نفوذ نماید و خاک های مجاور را متراکم کند.

شکل 5-کاربرد تزریق تراکمی در تراز کردن و بلند کردن سازه

6) کاهش نشست حین عملیات تونل سازی

شکل 6-نمادی طولی از تزریق تراکمی که برای کنترل نشست، همراه با حفاری تونل در زمین نرم، به کار می

7) نواحی کارستی

شکل 7-تونل بر روی زمین شناسی بسیار پیچیده قرار گرفته است

کنترل نشست در تزریق تراکمی

تزریق تراکمی می تواند پتانسیل نشست خاک را کم کند. مثلا به وسیله تغییر مکان دادن و فشردن خاک به مقدار برابر یا بیشتر از نشست مورد انتظار، که در نتیجه این کار، خاک پیش فشرده می شود. افزایش دانسیته به وسیله جابجایی ناشی از تزریق تراکمی همچنین باعث خواهد شد که سختی خاک افزایش پیدا کرده، مدول الاستیسیته نیز زیاد شده و در نتیجه نشست الاستیک کم شود.

ناحیه بهسازی شده

میزان بهسازی که یک توده تزریق تراکمی منفرد را احاطه کرده است، از مرکز تزریق به سمت خارج به تدریج کم می شود. برای رسیدن به یک بهسازی یکنواخت، تزریق های متوالی باید به اندازه کافی نزدیک هم باشند تا نیرو های اعمال شده به وسیله تزریق جدید، تزریق های قبلی را تحت تاثیر قرار دهد. فواصل تزریق 8 تا 12 فوت یا همان 2.5 تا 3.7 متر (الالوسی، 1997)، 8 فوت یا همان 2.5 متر (باندمیر، 1997) و 6 فوت یا همان 1.8 متر (استیلی، 1982) گزارش شده اند. درکل، این فواصل با توجه به شرایط ویژه سایت تعیین می شود. حساسیت سایت برای حرکت، بیشترین تزریق را در صورت ایمنی، تعیین می کند. یک قانون سر انگشتی، فضای تزریق را 3 تا 5 برابر قطر توده تزریق، تخمین می زند.

مدول یا مقاومت بهسازی شده

تزریق تراکمی ممکن است، زاویه داخلی خاک را بر مبنای افزایش دانسیته نسبی، زیاد کند. در این رابطه از معادله مایرهوف (1956) استفاده می شود :

جابجایی تراکمی و حجم تزریق

برای کاربرد تزریق تراکمی، طراح باید مقدار افزایش دانسیته مورد نیاز و حجم مواد مورد تراکم را محاسبه کند. ساده ترین روش برای تعیین افزایش دانسیته مورد نیاز، مقایسه دانسیته نسبی اولیه با مقدار لازم برای رسیدن به اجرای مطلوب است.
در همه جا، برای مقاصد اجرایی، حجم تغییر مطلوب برابر حجم توده محدود شده دوغاب تزریق شده است؛ درصد به دست آمده معمولا بین 5 تا 15 درصد باید باشد.

حجم تزریق : حجم کل دوغاب تزریق با ضرب حجم خاک تحت تزریق در درصد حجم جابجایی که در بالا محاسبه شد، به دست می آید.

مزایا و معایب تزریق تراکمی

الف ) مزايا

1) بهسازي و اصلاح در نقاط مختلف امكان پذير است.

2) سرعت در نصب و استقرار

3) كاربرد در محدوده وسيع

4) مؤثر در انواع خاكها

5) دسترسي آسان در نقاط تنگ و عدم نياز به جاي زياد اتاقك

6) لرزش مضري در نزديكي ساختمانها رخ نمي دهد و خطرناك نيست

7) گل و لاي و فاضلاب ندارد

8) عدم نياز به اتصال و تخريب فونداسيون يا ستون

9) غير مخرب و قابل تطابق با فونداسيونهاي موجود

10) قابل انجام در اعماق مختلف بصورت زاويه دار و منحني

ب ) محدوديتها

1) محدوديت در خاكهاي اشباع

2) محدوديت در خاكهاي ريزدانه چسبنده و خاكهاي حساس

3) تجربه پيمانكاران

قابلیت تزریق تراکمی

شکل 8-حدود کاربرد تزریق تراکمی

---