بهسازی زمینهای آبرفتی به روش تزریق سیمان

 
استاد: آقای دکترقضاوی 1
فصل اول 5
تاریخچه 5
فصل دوم 9
اهداف ، مزایا و معایب تزریق سیمان 9
فصل سوم 15
زمین‌های قابل تزریق سیمان 15
جدول 2 19
فصل سوم 22
روشهای تزریق 22
الف: تزریق جابجائی 25
ب: تزریق نفوذی 28
ج: تزریق های مرحله ای 29
3- تزریق از پائین به بالا با پکر 32
این روش تزریق مزایای بی‌شماری دارد که عبارت است از : 38
4- تزریق گردشی از بالا به پائین 39
شکل 30 نحوه استفاده از تیوب Brocher در تزریق حفره های بزرگ و غارهای زیر زمینی 41
فصل چهارم 43
عمل تزریق سیمان 43
عمل تزریق شامل دو بخش عمده زیر است : 44
1-1-4- دو غاب نیوتنی غیر دانه ای 45
جدول 3- مشخصات و موارد کاربرد انواع دو غابها 52
2-1-4- دوغابهای بینگ هامین دانه ای 54
شکل 16 تاثیر درجه انعقاد در مقدار دبی . 61
شکل 17 – انواع تکنیک‌های تحکیم زمین 63
جدول 5 محدودیت قابلیت تزریق دوغابها براساس اندازه ذرات و قابلیت نفوذ پذیری زمین 64
شکل 20- دامنه نفوذ دو غابهای شیمیایی نیوتنی 69
2-4- تکنیک تزریق 76
شکل 22 79
4-2-4- مقدار دوغاب و نحوه عمل آن 87
فصل پنجم 90
نحوه کنترل دوغاب و عملیات تزریق سیمان 90
2-5- کنترل عملیات تزریق 93
فصل ششم 95
ماشین آلات مورد نیاز در یک طرح تزریق سیمان 95
ماشین‌آلات 96
1- دستگاه حفاری DIAMEC 260 97
شکل 5-  شکل شماتیک دستگاه حفاری در یک گالری با ژنراتور برقی 100
شکل 8- انواع سرمته‌های حفاری 101
1-2- تانک مدرج 102
شکل 9- تانک مدرج 102
شکل 10-  مخلوط کن مدل CEMIX175 103
شکل 10- مخلوط کن مدل CEMIX200 104
4-2- پمپ تزریق 105
شکل 11- دو نوع همزن 106
شکل 12-  پمپ از نوع ZIB 11545 107
شکل 13 - تغییرات دبی- فشار برای دو نوع پمپ 107
شکل 14 - پمپ ZHB 8045 109
شکل 15 پمپ نوع ZBE 110
4-4-2- پمپ ZBA 110
شکل 16- پمپ ZBA 111
1. USE- پکر 113
2: TOP – پکر 114
شکل 18-  دو  نوع پکر 115
منابع و مراجع 117
 
 
فصل اول
 تاریخچه
 تکنولوژی تزریق بعنوان یک راه حل مهندسی ، یک تکنیک کهن در بسیاری زمین است که درحدود دو قرن قدمت دارد. تزریق در زمین برای نخستین بار توسط شخصی بنام Berigny در سال 1802 انجام شد و لکن این تکنیک ، تنها در چند دهه اخیر پیشرفت نموده و اکنون بعنوان یک تکنیک برتر شناخته شده است .
 از آنجا که کیفیت این تکنیک در بهسازی زمین در رابطه با اجرای انواع سازه‌های بزرگ و مهم در اکثر کشورهای صنعتی پیشرفته به عنوان یک راه حل مفید و موثر کاملا ً مورد قبول متخصصین است ، در نتیجه وجود مشکلات و موانع خاصی نظیر مسائل مکانیک خاک منطقه عمل اعم از پائین بودن مقاومت زمین ، پائین بودن پی سنگ ، تخلخل زیاد ، احتمال نشست یا مشکلات زمین شناسی همانند وجود شکستگی‌های زیاد در منطقه ، تکتونیزه بودن محل ،‌وجود غارهای زیرزمینی ، بالا بودن سطح آبهای زیرزمینی ، هوا زدگی لایه‌ها ، تشکیلات مختلف زمین شناسی از لحاظ جنس ، شیب و ضخامت لایه‌ها ، یا نفوذ پذیری زمین منطقه عملیاتی ، مشکلات خاکبرداری ،‌مشکلات ناشی از فرار آب ،‌وجود باتلاش و لجن زار و ... اجرای هیچ پروژه مهم و ضروری را تحت الشعاع قرار نمی دهد . چرا که تزریق بعنوان موثرترین و اغلب اقتصادی ترین راه حل بوده که برطرف کننده و یا کاهش دهنده اکثریت موانع و مشکلات طبیعی و حتی مصنوعی منطقه مورد نظر می‌تواند باشد ،‌که البته این تکنیک حتی در برطرف کردن مشکلات سازه‌های اجراء شده نیز کاربرد شایانی دارد ( بلند کردن ساختمانهای نشست کرده ، جلوگیری از ریزش تونلها در مناطق سنگریزه‌ای ، جلوگیری از تراوش آب در انواع سدهای ساخته شده در گذشته و.....)
برجسته‌ترین موفقیت در تزریق مربوط به زمانیست که از تزریق در معادن استفاده شد . آن زمان باز کردن معبرها بوسیله تزریق به آسانی انجام می گرفت .
 تکنیک تزریق همزمان با دوره ساخت سدهای بزرگ رشد یافته است . ساخته شدن بعضی از این سدها فقط در اثر عملیات تزریق امکان پذیر بوده است ، ‌مخصوصاً سدهای خاکی با دهها متر ارتفاع ،‌که روی رسوبات آبرفتی ضخیم قرار گرفته بودند اجراء اینگونه سدهای خاکی یک اثر انکار ناپذیر روی تکنیک تزریق در زمینهای آبرفتی داشت ،‌زیرا تا آن زمان تکنیک تزریق در زمین‌های آبرفتی پیشرفت خیلی کمی داشت در حالیکه تزریق در سنگها کاملاً شناخته شده و پیشرفته بود . دلیل این عدم پیشرفت احتمالاً این بود که نخستین سازه‌ها بر روی سنگها و صخره‌ها ساخته می‌شد و مهمتری از همه تزریق در سنگها به نخستین سازه‌ها بر روی سنگها و صخره‌ها ساخته می‌شد و مهمتر از همه تزریق در سنگها به مسائل مشکل و پیچیده‌ای همانند داشتن اطلاعات و دانش تجربی تزریق در آبرفتها نیاز نداشت . با این وصف تزریق در آبرفتها بطور چشمگیری پیشرفت کرده و امروزه این امکان را بوجود آورده که کارهای واقعاً مشکل و مهمی در اعمال زمینهای مناطق شهری به نحو احسن انجام گیرد .
 بهسازی زمین منطقه‌ای با تزریق توسط یک مهندس همانند معالجه یک بیمار توسط پزشک است . همانطوریکه یک پزشک برای معالجه ، با شناخت کامل وضع بیمار و اطلاع از داروها اقدام می‌نماید ، بنابراین یک مهندس هم با آشنائی کامل به وضعیت و مشخصات زمین منطقه و توجه به خاصیت هر دوغابی جهت بهسازی زمین اقدام به تزریق نموده و دراین کارباید برای شناخت کامل از وضعیت زمین با نمونه برداریهای مختلف و آزمایشات ضروری و همچنین شناخت خواص انواع دوغابها و موارد کاربرد آنها با شم مهندسی خود و با توجه به هدفی که از نتیجه کار دارد اقدام نماید .
 همانطوریکه در معالجه یک بیمار تجربه دید بیشتری به پزشک می‌دهد ، در تکنیک تزریق هم تجربه و کسب اطلاعات از تجارب ارزشمند سایر متخصصان مخصوصاً در کاربرد انواع دوغابها در زمینهای مختلف و همچنین اطلاع از موفقیت‌ها و یا عدم موفقیت‌های تزریق در خاک در پروژه‌های مختلف و بررسی علل آن برای یک مهندس طراح حائز اهمیت است .
 فصل دوم
اهداف ، مزایا و معایب تزریق سیمان
 
تزریق در واقع پر کردن درزها ومنفذهای زمین منطقه‌ای با مواد سیالی که دوغاب نامیده می‌شود ، می‌باشد که بااجرای این عمل ، این امکان بوجود می آید که منطقه مورد نظر ، نفوذ ناپذیر و یا مقاوم گردد ،‌حال منطقه مذکور ممکن است شامل زمینهای سنگی شکسته ،‌زمینهای سنگی با درزهای بزرگ و یا زمینهای آبرفتی باشد .
 ما ضمن بیان تکنیک کلی تزریق ، مراحل و شرایط کامل یک پروژه تزریق را از ابتدا تا مرحله عمل بازگو کرده ،‌بعلاوه سعی خواهیم کرد تا امکانات و تکنیک‌های تزریق در رسوبات آبرفتی را – که در مقایسه با تزریق در سنگ که یک تکنیک بهسازی شناخته شده‌ای است - شرح دهیم که در دو دهه اخیر بطور چشمگیری توسعه یافته و به جرات می ‌توان گفت که تزریق می‌‌تواند بعنوان تنها راه حل مناسب و اصولی برای فندانسیونهای غیر معمول باشد .
 با توجه به مزایائی که تکنولوژی تزریق دارد نباید از معایب آن چشم پوشی کرد . در اغلب حالات در مقایسه با سایر تکنیک‌ها ، تزریق یک راه حل کند می باشد .
 همچنین ممکن است در بعضی موارد خاص مخارج هنگفتی را در بر داشته باشد ، زیرا که برای دستیابی به نتایجی با کیفیت بهتر ،‌نیاز به استفاده از دوغابهای مخصوص و اکیپ مجهز و متخصص می‌باشد .
مزایای تزریق را از نقطه نظر فنی و جنبه‌های اقتصادی آن باید مورد بررسی قرار داد . مزایای اقتصادی تزریق باعث طرفداری و توجه شایان به این تکنیک در مقایسه با سایر تکنیک‌ها شده است . بویژه وقتی که مشکلات تکنیکی خاصی نظیر موارد زیر وجود داشته باشد .
1- چنانچه لازمست فونداسیون طرحی پائین‌تر از سطح آبهای زیرزمینی خاکبرداری شود (فونداسیون های عمیق ،‌برای اجرای عملیات ساختمانی به مدت زمان زیادی نیاز دارند .)
 لذا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه خواهد بود تا جهت مقابله با نفوذ آب در یک منطقه درمقایسه با تخلیه آب توسط پمپ ، آب بندی محل با تزریق انجام گیرد .
 2- وقتی اجرای یک پی مناسب خیلی مشکل باشد . این مورد معمولاً در کارهای داخل شهر ، در تونلهای انتقال ،‌مجاری فاضلاب ،راههای زیرزمینی مترو و ... پیش می آید .
 3- وقتی ابعاد هندسی محل فندانسیون خیلی پیچیده باشد و شرایط مرزی و تشکیلات مختلفی از لحاظ جنس و از نظر زمین شناسی وجود داشته باشد .
4- وقتی ، وجود سازه‌هائی در مجاور فنداسیون جدید ، اجازه و امکان خاکبرداری در عمق‌های خیلی پائین را ندهد ( چرا که احتمال حرکت ،‌جابجائی و شاید هم ریزش فنداسیونهای موجود را موجب شود ) باید خاطر نشان کرد که تزریق عملی است که در آن مخلوطی بصورت دوغاب با فشار پمپ به فضاهای خالی خاک وارد شده و سپس این دوغاب در منافذ و درزهای خاک سفید می‌گردد . در نتیجه این عمل مشخصات مکانیکی زمین اصلاح و بهبود یافته ( عمل تحکیم ) و یا نفوذ پذیری زمین نسبت به آب کاهش می‌یابد(آب بندی ).
 از این تعریف علاوه بر موارد فوق سایر کاربردهای تزریق استنباط می‌گردد که عبارتند از :
 1- غیر قابل نفوذ و آب بندی کردن یک قسمت مشخصی از خاک زیر یا اطراف یک سازه به منظور :
الف : دستیابی به یک محیط ثابت و پایدار ، یا به یک دیواره‌ی آب بند با کیفیت بسیار بالا که بستگی به هدفی دارد که مدنظر است ( برای مثال در دیواره‌ی آب بند یک سد ، در قسمت‌های بالاتر دیواره از لحاظ عدم نفوذ پذیری کیفیت بالائی مدنظر است ، در حالیکه در قسمتهای پائین‌تر و عمیق ، کیفیت پائینی مورد نیاز بوده چرا که لایه‌های افقی طبقات زمین بعلت ایجاد افت در مسیر آب خطر نفوذ پذیری و تراوش را کاهش می‌دهد .)
 ب: دستیابی به یک محیط موقت ، یا آب بند با کیفیت خوب در اثناء‌ اجرای فنداسیون یک سازه ( بعنوان مثال ساخت یک صندوقه آب بند در آبرفتهای نفوذ پذیر در اثناء عملیات یک نیروگاه آبی و یا عملیات اجرائی فنداسیون یک سد انحرافی در عرض یک رودخانه‌ی بزرگ .)
 یک محیط آب بند ممکن است توام با زهکشی و تخلیه آب باشد که این روش اقتصادی‌تر از حالتی است که تزریق با کیفیتی بالاتر و بدون تخلیه آب انجام گیرد .
 باتزریق ممکن است بمنظور کاهش نفوذ آب و یا جلوگیری از افت هوای فشرده و یا بخاطر جلوگیری از اختلاط آبهای آلوده یا شور با آب تمیز قابلیت نفوذ پذیری زمین کاهش یابد .
 2- تحکیم زمین فنداسیون که ممکن است بخش معلومی از آن آب بندی شده یا نشده باشد . با این عمل مقاومت خاک – به منظور امکان حفاری تونلها – افزایش می‌یابد و یا قدرت تحمل (‌ظرفیت باربری )‌خاک زیادشده و در نتیجه فنداسیون ساخت شده بر روی آن نشست بیش از اندازه نخواهد داشت .
 ایجاد همگنی و یکنواختی که توسط تزریق در زمین بوجود می آید امکان خاکبرداری با ماشین آلات بزرگ را میسر می‌سازد که این روش یکی از دهها کاربرد جدید تکنیک تزریق در بین کاربردهای احتمالی در آینده است .
 از کاربردهای خاص تزریق می‌توان به پر کردن فضاهای بزرگ زیرزمینی مناطق متروکه معدنی ، تزریق اتصالی ،بالا آوردن گل و لجن ،‌پر کرد ن ترک‌ها یا درزهای خیلی ریز در بتون ، ایجاد برآمدگی و گیرداری درجوانب و انتهای بست‌های مهاری اشاره نمود .
در موردتزریق در بتون که یکی از کاربردهای بسیار مهم تزریق است اشاره کوتاهی می‌نمائیم .
 بلوکهای بتونی در سده‌های بتونی بعلت وجود درزهای عمودی و افقی (‌درزهای ساختمانی ) نسبت به هم دارای فواصلی می‌باشند . این درزها بعد از اتمام زمان گیرش بتون ، حداقل یک میلی‌متر زیاد می‌شود . برای اینکه سد بتواند تشکیل مجموعه واحدی را داده مخصوصاً در سدهای قوسی بتواند به حالت قوسی کار کند ، این درزها باید بوسیله‌ی تزریق پر گردد . بدین منظور این درزها به سطح‌های متعددی تقسیم بندی شده و توسط شبکه لوله‌هائی مجهز به کلاپر پر می‌گردند . درزبندی بین دو سطح متوالی و آب بندی سطوح تزریق در امتداد دیواره‌ی سد بوسیله‌ی نوارهای آب بند از جنس P.V.C انجام می ‌گیرد .
 هر کلاپر با توجه به مشخصات سازنده آن دارای یک سطح تزریق است که بعنوان مثال به کلاپر مصرفی در سد قوسی کارده در مشهد می‌توان اشاره کرد که 12 متر مربع سطح تزریق را شامل می‌شود . بطور کلی این عمل در اصطلاح مهندسین به درزگیری نیز مشهور است .
در هر شرایطی ،‌لازمست تکنیک تزریق مورد توجه خاص قرار گیرد و انتخاب آن به جای سایر راه‌حل‌ها باید با در نظر گرفتن ملاحظاتی نظیر هزینه طرح ، برنامه کار ، آسانی عملیات و بالاتر از همه ایمنی و پایداری طرح همراه باشد .
 
فصل سوم
زمین‌های قابل تزریق سیمان
 
در مورد اینکه چه نوع زمینهائی قابل تزریق هستند می‌توان به طور کلی زمینها را به دو گروه عمده طبقه‌بندی کرد :
( الف ) زمینهای سنگی ترک خورده و درزدار
(ب‌) زمینهای آبرفتی با خاکهای دانه‌دار
برای زمینهای سنگی ترک خورده و درزدار ، ایجاد نفوذ ناپذیری و تحکیم بطور کلی با تزریق مخلوط سیمان رقیق و با فشار زیاد حاصل می‌شود . در این حالت درزها و شکافها در اثر فشار تا حدودی باز شده و در نتیجه دوغاب بآسانی در آنها نفوذ می کنند . البته در درزهای ریز باید غلظت دوغاب سیمان خیلی رقیق باشد ( نسبت سیمان به آب کم باشد ) . در نتیجه‌ی این عمل و تحت شرایط خوب ،‌تقریباً تمام درزهای سنگ وخاکهای چسبنده با توجه به دو عامل دوغاب رقیق و فشار متناسب امکان بهسازی خواهند داشت .
 شرایط برای خاکهای دانه‌دار غیر چسبنده کاملاً متفاوت می باشد . اگر خاکی دارای شن و قلوه سنگهای زیاد باشد ممکن است از دوغاب یا خمیر سیمان نیز استفاده شود اما در حالتی که خاک منطقه ریزدانه باشد (‌ ماسه و کوچکتر از آن ) دوغاب رقیق و فشار زیاد تزریق تاثیر کمی خواهد داشت . این عدم تاثیر در حقیقت بدین علت است که دوغاب رقیق سیمانی آب خود راحین تماس با ماسه از دست داده و در نتیجه دوغاب بصورت یک مخلوط سفت در می آید و افزایش فشار نه تنها تاثیری در نفوذ دوغاب نخواهد داشت ،‌بلکه باعث ایجاد ترک خواهد شد . برای بهسازی چنین خاکهائی لازمست که خاصیت دوغاب در چنین محیط‌هائی مورد بررسی دقیق قرار گیرد .
چنانچه خاصیت دوغاب برای خاکهائی که بهسازی می‌شوند در نظر گرفته نشود و از این اصل جدی غفلت گردد چه بسا ممکن است طرح به شکست و یا به هزینه‌های زائد غیر ضروری منجر شود .
ترزاقی و لاکروکس ،‌آیشی و گلسوپ ، کارون ،‌اسکمپتون ،‌کاتین برای هر نوع خاک دانه‌دار با استفاده از منحنی دانه‌بندی با نفوذ پذیری خاک ،‌ خاصیت بهینه‌ای برای دوغابهای مربوط ارائه داده‌اند .
کمب فورت و کارون این محدودیت‌ها را با استفاده از قطر منفذهای خاک تعیین کرده‌اند . جداولی که براساس تجربیات و نظرات افراد مختلف بدست آمده معمولاً با پیدایش دوغابهای جدید و حذف دوغابهای قدیمی مورد اطلاع و تجدید نظر قرار گرفته است .
 درجدول (2) لیست دوغابهائی که بطور گسترده رایج ومورد استفاده است ، آورده شده است . که بعضی از دوغابها از نظر فنی و یا از جنبه‌ی انحصاری عمداً حذف شده چرا که بعضی از این دوغابها هرگزاز مرحله‌ی آزمایشگاهی فراتر نرفته است . البته جداول دیگری که بیانگر انواع دوغابها و خواص آنهاست ذکر خواهد شد . اغلب هر شرکت دست‌ اندرکار تزریق ، دوغابهائی بطور انحصاری در اختیار داشته و یااینکه سازندگان اینگونه دوغابها آنها را بصورت کد و یا با نام تجارتی عرضه می‌کنند و یا هر شرکتی به لحاظ مخفی نگه‌داشتن فرمول دوغابها ، آنها را فقط در طرحهای مورد مورد استفاده قرار می‌دهد .
 برای هر نوع دانه‌بندی خاک یک یا چندین نوع مواد مناسب وجود دارد که امکان تزریق تحت بهترین شرایط فنی و اقتصادی را داراست . پیشرفتهائی که در امر ساختن دوغابهای شیمیائی در ده سال اخیر انجام یافته امکان بسته شدن تمامی درزها و شکافهای خیلی ریز را میسر ساخته است . دوغابهای جدید عمدتاً برای بهسازی خاکهای کم نفوذ ساخته شده‌اند .
 بجز حالتهای استثنائی مانند خاکهای هموژن ، که برای اینحالت فقط و باید اپتیمم دوغاب در جدول را انتخاب کرد و این انتخاب زمانی لازم است که بعلت کاهش چشمگیر در قابلیت نفوذ دوغاب اقدام به اصلاح و یا تغییر خاصیت دوغاب نموده و یا دوغابهای پرنفوذ انتخاب نمائیم . غالباً می‌توان از سه یا چهار نوع دوغاب در یک ناحیه تزریق استفاده نمود . چون بعضی قسمتها نیاز به استفاده از دوغابهائی با مقاومت‌های متفاوت یا زمانهای گیرش مختلف دارند .