بهسازی زمینهای آبرفتی به روش تزریق سیمان
فهرست مطالب
فصل اول 5
تاريخچه 5
فصل دوم 9
اهداف ، مزايا و معايب تزريق سيمان 9
فصل سوم 15
زمينهاي قابل تزريق سيمان 15
جدول 2 19
فصل سوم 22
روشهاي تزريق 22
الف: تزريق جابجائي 25
ب: تزريق نفوذي 28
ج: تزريق هاي مرحله اي 29
3- تزريق از پائين به بالا با پکر 32
اين روش تزريق مزاياي بي‌شماري دارد که عبارت است از : 38
4- تزريق گردشي از بالا به پائين 39
شکل 30 نحوه استفاده از تيوب Brocher در تزريق حفره هاي بزرگ و غارهاي زير زميني 41
فصل چهارم 43
عمل تزريق سيمان 43
عمل تزريق شامل دو بخش عمده زير است : 44
1-1-4- دو غاب نيوتني غير دانه اي 45
جدول 3- مشخصات و موارد كاربرد انواع دو غابها 52
2-1-4- دوغابهاي بينگ هامين دانه اي 54
شکل 16 تاثير درجه انعقاد در مقدار دبي . 61
شكل 17 – انواع تكنيك‌هاي تحكيم زمين 63
جدول 5 محدوديت قابليت تزريق دوغابها براساس اندازه ذرات و قابليت نفوذ پذيري زمين 64
شكل 20- دامنه نفوذ دو غابهاي شيميايي نيوتني 69
2-4- تکنيک تزريق 76
شكل 22 79
4-2-4- مقدار دوغاب و نحوه عمل آن 87
فصل پنجم 90
نحوه كنترل دوغاب و عمليات تزريق سيمان 90
2-5- کنترل عمليات تزريق 93
فصل ششم 95
ماشين آلات مورد نياز در يك طرح تزريق سيمان 95
ماشين‌آلات 96
1- دستگاه حفاري DIAMEC 260 97
شكل 5- شكل شماتيك دستگاه حفاري در يك گالري با ژنراتور برقي 100
شكل 8- انواع سرمته‌هاي حفاري 101
1-2- تانک مدرج 102
شكل 9- تانك مدرج 102
شكل 10- مخلوط كن مدل CEMIX175 103
شكل 10- مخلوط كن مدل CEMIX200 104
4-2- پمپ تزريق 105
شكل 11- دو نوع همزن 106
شكل 12- پمپ از نوع ZIB 11545 107
شکل 13 – تغييرات دبي- فشار براي دو نوع پمپ 107
شکل 14 – پمپ ZHB 8045 109
شکل 15 پمپ نوع ZBE 110
4-4-2- پمپ ZBA 110
شكل 16- پمپ ZBA 111
1. USE- پکر 113
2: TOP – پکر 114
شكل 18- دو نوع پكر 115
منابع و مراجع 117
فصل اول
تاريخچه
تكنولوژي تزريق بعنوان يك راه حل مهندسي ، يك تكنيك كهن در بسياري زمين است كه درحدود دو قرن قدمت دارد. تزريق در زمين براي نخستين بار توسط شخصي بنام Berigny در سال 1802 انجام شد و لكن اين تكنيك ، تنها در چند دهه اخير پيشرفت نموده و اكنون بعنوان يك تكنيك برتر شناخته شده است .
از آنجا كه كيفيت اين تكنيك در بهسازي زمين در رابطه با اجراي انواع سازه‌هاي بزرگ و مهم در اكثر كشورهاي صنعتي پيشرفته به عنوان يك راه حل مفيد و موثر كاملا ً مورد قبول متخصصين است ، در نتيجه وجود مشكلات و موانع خاصي نظير مسائل مكانيك خاك منطقه عمل اعم از پائين بودن مقاومت زمين ، پائين بودن پي سنگ ، تخلخل زياد ، احتمال نشست يا مشكلات زمين شناسي همانند وجود شكستگي‌هاي زياد در منطقه ، تكتونيزه بودن محل ،وجود غارهاي زيرزميني ، بالا بودن سطح آبهاي زيرزميني ، هوا زدگي لايه‌ها ، تشكيلات مختلف زمين شناسي از لحاظ جنس ، شيب و ضخامت لايه‌ها ، يا نفوذ پذيري زمين منطقه عملياتي ، مشكلات خاكبرداري ،مشكلات ناشي از فرار آب ،وجود باتلاش و لجن زار و … اجراي هيچ پروژه مهم و ضروري را تحت الشعاع قرار نمي دهد . چرا كه تزريق بعنوان موثرترين و اغلب اقتصادي ترين راه حل بوده كه برطرف كننده و يا كاهش دهنده اكثريت موانع و مشكلات طبيعي و حتي مصنوعي منطقه مورد نظر ميتواند باشد ،كه البته اين تكنيك حتي در برطرف كردن مشكلات سازه‌هاي اجراء شده نيز كاربرد شاياني دارد ( بلند كردن ساختمانهاي نشست كرده ، جلوگيري از ريزش تونلها در مناطق سنگريزه‌اي ، جلوگيري از تراوش آب در انواع سدهاي ساخته شده در گذشته و…..)
برجسته‌ترين موفقيت در تزريق مربوط به زمانيست كه از تزريق در معادن استفاده شد . آن زمان باز كردن معبرها بوسيله تزريق به آساني انجام مي گرفت .
تكنيك تزريق همزمان با دوره ساخت سدهاي بزرگ رشد يافته است . ساخته شدن بعضي از اين سدها فقط در اثر عمليات تزريق امكان پذير بوده است ، مخصوصاً سدهاي خاكي با دهها متر ارتفاع ،كه روي رسوبات آبرفتي ضخيم قرار گرفته بودند اجراء اينگونه سدهاي خاكي يك اثر انكار ناپذير روي تكنيك تزريق در زمينهاي آبرفتي داشت ،زيرا تا آن زمان تكنيك تزريق در زمينهاي آبرفتي پيشرفت خيلي كمي داشت در حاليكه تزريق در سنگها كاملاً شناخته شده و پيشرفته بود . دليل اين عدم پيشرفت احتمالاً اين بود كه نخستين سازه‌ها بر روي سنگها و صخره‌ها ساخته مي‌شد و مهمتري از همه تزريق در سنگها به نخستين سازه‌ها بر روي سنگها و صخره‌ها ساخته مي‌شد و مهمتر از همه تزريق در سنگها به مسائل مشكل و پيچيده‌اي همانند داشتن اطلاعات و دانش تجربي تزريق در آبرفتها نياز نداشت . با اين وصف تزريق در آبرفتها بطور چشمگيري پيشرفت كرده و امروزه اين امكان را بوجود آورده كه كارهاي واقعاً مشكل و مهمي در اعمال زمينهاي مناطق شهري به نحو احسن انجام گيرد .
بهسازي زمين منطقه‌اي با تزريق توسط يك مهندس همانند معالجه يك بيمار توسط پزشك است . همانطوريكه يك پزشك براي معالجه ، با شناخت كامل وضع بيمار و اطلاع از داروها اقدام مي‌نمايد ، بنابراين يك مهندس هم با آشنائي كامل به وضعيت و مشخصات زمين منطقه و توجه به خاصيت هر دوغابي جهت بهسازي زمين اقدام به تزريق نموده و دراين كاربايد براي شناخت كامل از وضعيت زمين با نمونه برداريهاي مختلف و آزمايشات ضروري و همچنين شناخت خواص انواع دوغابها و موارد كاربرد آنها با شم مهندسي خود و با توجه به هدفي كه از نتيجه كار دارد اقدام نمايد .
همانطوريكه در معالجه يك بيمار تجربه ديد بيشتري به پزشك مي‌دهد ، در تكنيك تزريق هم تجربه و كسب اطلاعات از تجارب ارزشمند ساير متخصصان مخصوصاً در كاربرد انواع دوغابها در زمينهاي مختلف و همچنين اطلاع از موفقيت‌ها و يا عدم موفقيت‌هاي تزريق در خاك در پروژه‌هاي مختلف و بررسي علل آن براي يك مهندس طراح حائز اهميت است .
فصل دوم
اهداف ، مزايا و معايب تزريق سيمان
تزريق در واقع پر كردن درزها ومنفذهاي زمين منطقه‌اي با مواد سيالي كه دوغاب ناميده مي‌شود ، مي‌باشد كه بااجراي اين عمل ، اين امكان بوجود مي آيد كه منطقه مورد نظر ، نفوذ ناپذير و يا مقاوم گردد ،حال منطقه مذكور ممكن است شامل زمينهاي سنگي شكسته ،زمينهاي سنگي با درزهاي بزرگ و يا زمينهاي آبرفتي باشد .
ما ضمن بيان تكنيك كلي تزريق ، مراحل و شرايط كامل يك پروژه تزريق را از ابتدا تا مرحله عمل بازگو كرده ،بعلاوه سعي خواهيم كرد تا امكانات و تكنيك‌هاي تزريق در رسوبات آبرفتي را – كه در مقايسه با تزريق در سنگ كه يك تكنيك بهسازي شناخته شده‌اي است – شرح دهيم كه در دو دهه اخير بطور چشمگيري توسعه يافته و به جرات مي توان گفت كه تزريق ميتواند بعنوان تنها راه حل مناسب و اصولي براي فندانسيونهاي غير معمول باشد .
با توجه به مزايائي كه تكنولوژي تزريق دارد نبايد از معايب آن چشم پوشي كرد . در اغلب حالات در مقايسه با ساير تكنيك‌ها ، تزريق يك راه حل كند مي باشد .
همچنين ممكن است در بعضی موارد خاص مخارج هنگفتي را در بر داشته باشد ، زيرا كه براي دستيابي به نتايجي با كيفيت بهتر ،نياز به استفاده از دوغابهاي مخصوص و اكيپ مجهز و متخصص مي‌باشد .
مزاياي تزريق را از نقطه نظر فني و جنبه‌هاي اقتصادي آن بايد مورد بررسي قرار داد . مزاياي اقتصادي تزريق باعث طرفداري و توجه شايان به اين تكنيك در مقايسه با ساير تكنيك‌ها شده است . بويژه وقتي كه مشكلات تكنيكي خاصي نظير موارد زير وجود داشته باشد .
1- چنانچه لازمست فونداسيون طرحي پائين‌تر از سطح آبهاي زيرزميني خاكبرداري شود (فونداسيون هاي عميق ،براي اجراي عمليات ساختماني به مدت زمان زيادي نياز دارند .)
لذا از نظر اقتصادي مقرون به صرفه خواهد بود تا جهت مقابله با نفوذ آب در يك منطقه درمقايسه با تخليه آب توسط پمپ ، آب بندي محل با تزريق انجام گيرد .
2- وقتي اجراي يك پي مناسب خيلي مشكل باشد . اين مورد معمولاً در كارهاي داخل شهر ، در تونلهاي انتقال ،مجاري فاضلاب ،راههاي زيرزميني مترو و … پيش مي آيد .
3- وقتي ابعاد هندسي محل فندانسيون خيلي پيچيده باشد و شرايط مرزي و تشكيلات مختلفي از لحاظ جنس و از نظر زمين شناسي وجود داشته باشد .
4- وقتي ، وجود سازه‌هائي در مجاور فنداسيون جديد ، اجازه و امكان خاكبرداري در عمق‌هاي خيلي پائين را ندهد ( چرا كه احتمال حركت ،جابجائي و شايد هم ريزش فنداسيونهاي موجود را موجب شود ) بايد خاطر نشان كرد كه تزريق عملي است كه در آن مخلوطي بصورت دوغاب با فشار پمپ به فضاهاي خالي خاك وارد شده و سپس اين دوغاب در منافذ و درزهاي خاك سفيد مي‌گردد . در نتيجه اين عمل مشخصات مكانيكي زمين اصلاح و بهبود يافته ( عمل تحكيم ) و يا نفوذ پذيري زمين نسبت به آب كاهش مي‌يابد(آب بندي ).
از اين تعريف علاوه بر موارد فوق ساير كاربردهاي تزريق استنباط مي‌گردد كه عبارتند از :
1- غير قابل نفوذ و آب بندي كردن يك قسمت مشخصي از خاك زير يا اطراف يك سازه به منظور :
الف : دستيابي به يك محيط ثابت و پايدار ، يا به يك ديواره‌ي آب بند با كيفيت بسيار بالا كه بستگي به هدفي دارد كه مدنظر است ( براي مثال در ديواره‌ي آب بند يك سد ، در قسمتهاي بالاتر ديواره از لحاظ عدم نفوذ پذيري كيفيت بالائي مدنظر است ، در حاليكه در قسمتهاي پائين‌تر و عميق ، كيفيت پائيني مورد نياز بوده چرا كه لايه‌هاي افقي طبقات زمين بعلت ايجاد افت در مسير آب خطر نفوذ پذيري و تراوش را كاهش مي‌دهد .)
ب: دستيابي به يك محيط موقت ، يا آب بند با كيفيت خوب در اثناء اجراي فنداسيون يك سازه ( بعنوان مثال ساخت يك صندوقه آب بند در آبرفتهاي نفوذ پذير در اثناء عمليات يك نيروگاه آبي و يا عمليات اجرائي فنداسيون يك سد انحرافي در عرض يك رودخانه‌ي بزرگ .)
يك محيط آب بند ممكن است توام با زهكشي و تخليه آب باشد كه اين روش اقتصادي‌تر از حالتي است كه تزريق با كيفيتي بالاتر و بدون تخليه آب انجام گيرد .
باتزريق ممكن است بمنظور كاهش نفوذ آب و يا جلوگيري از افت هواي فشرده و يا بخاطر جلوگيري از اختلاط آبهاي آلوده يا شور با آب تميز قابليت نفوذ پذيري زمين كاهش يابد .
2- تحكيم زمين فنداسيون كه ممكن است بخش معلومي از آن آب بندي شده يا نشده باشد . با اين عمل مقاومت خاك – به منظور امكان حفاري تونلها – افزايش مي‌يابد و يا قدرت تحمل (ظرفيت باربري )خاك زيادشده و در نتيجه فنداسيون ساخت شده بر روي آن نشست بيش از اندازه نخواهد داشت .
ايجاد همگني و يكنواختي كه توسط تزريق در زمين بوجود مي آيد امكان خاكبرداري با ماشين آلات بزرگ را ميسر مي‌سازد كه اين روش يكي از دهها كاربرد جديد تكنيك تزريق در بين كاربردهاي احتمالي در آينده است .
از كاربردهاي خاص تزريق مي‌توان به پر كردن فضاهاي بزرگ زيرزميني مناطق متروكه معدني ، تزريق اتصالي ،بالا آوردن گل و لجن ،پر كرد ن ترك‌ها يا درزهاي خيلي ريز در بتون ، ايجاد برآمدگي و گيرداري درجوانب و انتهاي بست‌هاي مهاري اشاره نمود .
در موردتزريق در بتون كه يكي از كاربردهاي بسيار مهم تزريق است اشاره كوتاهي مي‌نمائيم .
بلوكهاي بتوني در سده‌هاي بتوني بعلت وجود درزهاي عمودي و افقي (درزهاي ساختماني ) نسبت به هم داراي فواصلي مي‌باشند . اين درزها بعد از اتمام زمان گيرش بتون ، حداقل يك ميلي‌متر زياد مي‌شود . براي اينكه سد بتواند تشكيل مجموعه واحدي را داده مخصوصاً در سدهاي قوسي بتواند به حالت قوسي كار كند ، اين درزها بايد بوسيله‌ي تزريق پر گردد . بدين منظور اين درزها به سطح‌هاي متعددي تقسيم بندي شده و توسط شبكه لوله‌هائي مجهز به كلاپر پر مي‌گردند . درزبندي بين دو سطح متوالي و آب بندي سطوح تزريق در امتداد ديواره‌ي سد بوسيله‌ي نوارهاي آب بند از جنس P.V.C انجام مي گيرد .
هر كلاپر با توجه به مشخصات سازنده آن داراي يك سطح تزريق است كه بعنوان مثال به كلاپر مصرفي در سد قوسي كارده در مشهد مي‌توان اشاره كرد كه 12 متر مربع سطح تزريق را شامل مي‌شود . بطور كلي اين عمل در اصطلاح مهندسين به درزگيري نيز مشهور است .
در هر شرايطي ،لازمست تكنيك تزريق مورد توجه خاص قرار گيرد و انتخاب آن به جاي ساير راه‌حل‌ها بايد با در نظر گرفتن ملاحظاتي نظير هزينه طرح ، برنامه كار ، آساني عمليات و بالاتر از همه ايمني و پايداري طرح همراه باشد .
فصل سوم
زمينهاي قابل تزريق سيمان
در مورد اينكه چه نوع زمينهائي قابل تزريق هستند مي‌توان به طور كلي زمينها را به دو گروه عمده طبقه‌بندي كرد :
( الف ) زمينهاي سنگي ترك خورده و درزدار
(ب) زمينهاي آبرفتي با خاكهاي دانه‌دار
براي زمينهاي سنگي ترك خورده و درزدار ، ايجاد نفوذ ناپذيري و تحكيم بطور كلي با تزريق مخلوط سيمان رقيق و با فشار زياد حاصل مي‌شود . در اين حالت درزها و شكافها در اثر فشار تا حدودي باز شده و در نتيجه دوغاب بآساني در آنها نفوذ مي كنند . البته در درزهاي ريز بايد غلظت دوغاب سيمان خيلي رقيق باشد ( نسبت سيمان به آب كم باشد ) . در نتيجه‌ي اين عمل و تحت شرايط خوب ،تقريباً تمام درزهاي سنگ وخاكهاي چسبنده با توجه به دو عامل دوغاب رقيق و فشار متناسب امكان بهسازي خواهند داشت .
شرايط براي خاكهاي دانه‌دار غير چسبنده كاملاً متفاوت مي باشد . اگر خاكي داراي شن و قلوه سنگهاي زياد باشد ممكن است از دوغاب يا خمير سيمان نيز استفاده شود اما در حالتي كه خاك منطقه ريزدانه باشد ( ماسه و كوچكتر از آن ) دوغاب رقيق و فشار زياد تزريق تاثير كمي خواهد داشت . اين عدم تاثير در حقيقت بدين علت است كه دوغاب رقيق سيماني آب خود راحين تماس با ماسه از دست داده و در نتيجه دوغاب بصورت يك مخلوط سفت در مي آيد و افزايش فشار نه تنها تاثيري در نفوذ دوغاب نخواهد داشت ،بلكه باعث ايجاد ترك خواهد شد . براي بهسازي چنين خاكهائي لازمست كه خاصيت دوغاب در چنين محيط‌هائي مورد بررسي دقيق قرار گيرد .
چنانچه خاصيت دوغاب براي خاكهائي كه بهسازي مي‌شوند در نظر گرفته نشود و از اين اصل جدي غفلت گردد چه بسا ممكن است طرح به شكست و يا به هزينه‌هاي زائد غير ضروري منجر شود .
ترزاقي و لاكروكس ،آيشي و گلسوپ ، كارون ،اسكمپتون ،كاتين براي هر نوع خاك دانه‌دار با استفاده از منحني دانه‌بندي با نفوذ پذيري خاك ، خاصيت بهينه‌اي براي دوغابهاي مربوط ارائه داده‌اند .
كمب فورت و كارون اين محدوديت‌ها را با استفاده از قطر منفذهاي خاك تعيين كرده‌اند . جداولي كه براساس تجربيات و نظرات افراد مختلف بدست آمده معمولاً با پيدايش دوغابهاي جديد و حذف دوغابهاي قديمي مورد اطلاع و تجديد نظر قرار گرفته است .
درجدول (2) ليست دوغابهائي كه بطور گسترده رايج ومورد استفاده است ، آورده شده است . كه بعضي از دوغابها از نظر فني و يا از جنبه‌ي انحصاري عمداً حذف شده چرا كه بعضي از اين دوغابها هرگزاز مرحله‌ي آزمايشگاهي فراتر نرفته است . البته جداول ديگري كه بيانگر انواع دوغابها و خواص آنهاست ذكر خواهد شد . اغلب هر شركت دست اندركار تزريق ، دوغابهائي بطور انحصاري در اختيار داشته و يااينكه سازندگان اينگونه دوغابها آنها را بصورت كد و يا با نام تجارتي عرضه مي‌كنند و يا هر شركتي به لحاظ مخفي نگه‌داشتن فرمول دوغابها ، آنها را فقط در طرحهاي مورد مورد استفاده قرار مي‌دهد .
براي هر نوع دانه‌بندي خاك يك يا چندين نوع مواد مناسب وجود دارد كه امكان تزريق تحت بهترين شرايط فني و اقتصادي را داراست . پيشرفتهائي كه در امر ساختن دوغابهاي شيميائي در ده سال اخير انجام يافته امكان بسته شدن تمامي درزها و شكافهاي خيلي ريز را ميسر ساخته است . دوغابهاي جديد عمدتاً براي بهسازي خاكهاي كم نفوذ ساخته شده‌اند .
