تزریق پر فشار یا جت گروتینگ یکی از روشهای نسبتاً جدید پایدارسازی گود و همچنین بهسازی خاک است. در این روش با افزایش ظرفیت باربری خاک به صورت درجا، مشخصات خاک را اصلاح می کنند. روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ) برای اولین بار در کشور ژاپن استفاده گردید. در اوایل دهه ۷۰ میلادی در معادن زغال سنگ آمریکا و بریتانیا، برش به وسیله جت با فشار بالای آب مورد بررسی قرار گرفت. برادران یاماکادوی ژاپنی در سال ۱۹۶۵ از این روش نه فقط برای برش بلکه برای تزریق سیمان استفاده کردند.
در روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ):
- پس از حفر گمانه تا عمق مورد نظر طراح
- دوغاب سیمان به همراه آب و هوای فشرده تحت فشار بسیار بالای ۲۵۰ تا ۷۰۰ بار
- با سرعتی بالغ بر ۱۰۰ متر بر ثانیه
از نازل انتهای میله حفاری خارج گشته و همزمان با دوران میله حفاری، خاک اطراف محل خروج مخلوط آب و هوای فشرده، تخریب و فشرده گشته و با آن آمیخته می شود. بدین وسیله ستونی سیمانی با مقاومت بالا ایجاد می گردد.
مشخصات تزریق در روش جت گروتینگ
مراحل اجرای تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
تزریق پر فشار (جت گروتینگ) جهت تثبیت خاک
تزریق پر فشار (جت گروتینگ) جهت آب بندی
تزریق پر فشار بر اساس تعداد سیال های مورد استفاده عموماً به ۳ روش اجرا می گردد:
- تک سیاله(Single fluid) : در این روش در انتهای عملیات حفاری، دریچه های تخلیه بسته شده و مخلوط تزریق با فشار بسیار بالا (تا ۶۰۰ بار) از طریق نازل‌ها به داخل خاک تزریق می شود و به طور همزمان، راد درحال چرخش به سمت بالا حرکت می کند. بدین وسیله دوغاب تزریق شده با سرعت و انرژی بالا با خاک اطراف مخلوط می گردد.
- دو سیاله(Double fluid) : شیوه اجرای ستون سیمانی تزریق پر فشار (جت گروتینگ) در این روش مانند حالت تک سیاله بوده با این تفاوت که هنگام انجام عملیات تزریق با فشار بالا (تا ۶۰۰ بار) غلافی از هوای فشرده تحت فشار ۱۲ بار که در محیط دوغاب قرار دارد، همزمان با دوغاب به درون خاک تزریق شده که در نتیجه باعث بالا رفتن انرژی تزریق و افزایش شعاع نفوذ مخلوط می گردد و در نهایت قطر به دست آمده بالاتری در خاکهای مختلف خواهیم داشت.
- سه سیاله (Triple fluid): در این روش ابتدا آب تحت فشار بالا (تا ۶۰۰ بار) در شرایطی که غلاف هوای فشرده تحت فشار ۸ الی ۱۲ بار در اطراف آن قرار دارد، جهت شکستن ساختار خاک به درون آن تزریق می شود. سپس دوغاب با فشار ۴۰ الی ۷۰ بار از یک نازل دیگر در محدوده مورد نظر تزریق شده و با خاک مخلوط می گردد.
انتخاب یکی از روش ۳ بالا بر اساس:
- نوع خاک
- خواص فیزیکی
- نوع کاربرد مورد انتظار از توده خاک سیمان
انجام می گردد.
ضمناً نوع اتصالات (واترسویل و …) و نازل (مانیتور) در سه روش مذکور متفاوت است.
۳ حالت مرسوم اجرای تزریق پرفشار (جت گروتینگ)
با توجه به تعداد سیال مورد استفاده در روش تزریق پر فشار، مقاومت فشاری ستون سیمانی تغییراتی پیدا می کند.
در مقاله (Kauschinger et al., 1989) مقاومت فشاری چند نمونه از ستون های سیمانی به دست آمده است:
| نوع خاک | تک سیاله | دو سیاله | سه سیاله |
| خاک های ماسه ای | ۱۰-۳۰ | ۷.۵-۱۵ | ۱۰-۲۰ |
| خاک های رسی | ۱.۵-۱۰ | ۱.۵-۵ | ۱.۵-۷.۵ |
مقاومت فشاری ستون های سیمانی به روش جت گروتینگ بر حسب مگاپاسکال
مبانی طراحی روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
همانند اعضای باربر قائم دیگر مثل شمع، فواید استفاده از روش تزریق پر فشار به صورت زیر می باشد:
- افزایش ظرفیت باربری خاک در فشار و برش
- کنترل نشست
- مقابله با روانگرایی
- کاهش نفوذپذیری
برای محاسبه تأثیر تزریق پر فشار بر هر یک از اهداف بالا همانند دیگر اعضای باربر قائم روابط مختلفی در مهندسی ژئوتکنیک ارائه گردیده است. به عنوان نمونه جهت محاسبه ظرفیت باربری مجاز ژئوتکنیکی ستون های تزریق پرفشار از مقاومت اصطکاکی و نوک این ستون ها استفاده می گردد. ظرفیت این ستون ها برابر حداقل دو مقدار:
- ظرفیت مجاز ژئوتکنیکی
- ظرفیت مجاز سازه ای
می باشد. ظرفیت مجاز سازه ای این ستون ها نیز بر اساس یکی از دو روش زیر قابل محاسبه می باشد:
- مقاومت تک محوره مغزه های اخذ شده از ستون
- بارگذاری بزرگ مقیاس ستون ها
بنابراین یکی از پارامترهای مهم طراحی ستون های تزریق پر فشار، مقاومت فشاری محصور نشده مخلوط خاک و سیمان حاصل از این روش می باشد.
ظرفیت ستون های تزریق پرفشار = حداقل ظرفیت مجاز ژئوتکنیکی و سازه ای آنها
جهت تدقیق طراحی می توان یک ستون تزریق پر فشار در پروژه اجرا کرد و با نمونه گیری از اعماق مختلف این ستون، مقاومت ۲۸ روزه این نمونه ها را به دست آورده و طراحی اولیه را اصلاح کرد. مقاومت فشاری خاک سیمان رابطه مستقیمی با:
- جنس خاک
- میزان سیمان به کار رفته در دوغاب
دارد.
کاربردهای روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
همان طور که در شکل زیر مشخص است، روش تزریق پر فشار در محدوده وسیعی از خاکها جهت بهسازی و پایدارسازی خاک قابل استفاده می باشد. روش جت گروتینگ، کاربردهای مختلفی دارد که به چند نمونه اشاره می گردد:
- ترمیم و بازسازی پی ها
- سازه نگهبان جهت پایدارسازی گودها
- آب بندی گودها و سازه های زیر سطح آب زیرزمینی
- دوخت به کف (Underpinning)
- دیوار آب بند سد و خاکبرداری
- به عنوان پی سازه در خاکهای سست
- بهسازی و افزایش ظرفیت باربری پی های سازه های موجود
- استفاده به جای شمع
- کنترل و کاهش خطر روانگرایی در خاکهای سست و اشباع
- پایدارسازی شیروانی‌ها
- تثبیت خاک و سنگ اطراف تونل
محدوده کاربرد روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ) در مقایسه با سایر روش های بهسازی بستر
کنترل کیفی روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
یکی از نکات مهم در روش های پایدارسازی و بهسازی خاک بررسی شرایط نهایی اجرا می باشد که به آن کنترل کیفی می گویند. کنترل کیفی، اجرایی شدن فرضیات طراح را در محل پروژه مورد آزمایش قرار می دهد. کنترل کیفی هم بر روی عضو اجرا شده اصلی و هم آزمایشی می تواند انجام گردد.
بر اساس استانداردهای جهانی (ASCE,EN) کنترل کیفی در روش جت گروتینگ بر روی ستون های آزمایشی و اصلی قابل انجام است. بدین منظور ستون های آزمایشی با مقادیر مختلف:
- فشار تزریق
- گام های تزریق
- طرح اختلاط مختلف و …
اجرا شده و اطلاعات تزریق به طور دقیق ثبت می گردد.
پس از تعیین قطر و مقاومت ستون های آزمایشی، مقادیر پارامترهای ستونی که قطر و مقاومت مساوی فرضیات طراحی دارد را انتخاب کرده و ستون های تزریق پر فشار پروژه با آن پارامترها اجرا می گردد.
آزمایش ها و کنترل های لازم در مرحله ساخت ستون های نهایی، عبارتند از:
- آزمایش های کنترل مصالح پیش از گیرش
- آزمایش های کنترلی پس از گیرش
- آزمایش های بزرگ مقیاس
روش اجرای تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
مراحل اجرای تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
اولین مرحله از اجرای روش جت گروتینگ، حفر گمانه و تزریق دوغاب سیمان می باشد که دارای مشخصات زیر است:
- حفاری به روش دورانی با قطر: حدود ۷۶ تا ۱۱۰ میلیمتر
- فشار آب: ۲۰ بار
- عمق: تا عمق مشخص شده در نقشه های اجرایی
دوغاب، در مخلوط کننده های اولیه و ثانویه (میکسرهای اولیه و ثانویه) تهیه شده و آماده تزریق می گردد. تزریق به صورت دورانی و در مراحل:
- توقف
- تزریق دورانی پر فشار
- بیرون کشیدن
انجام می گردد.
به عنوان نمونه ۸ دور در ۴ ثانیه تزریق با فشار ۳۵۰ تا ۷۰۰ بار و سپس ۴ سانتی متر بیرون کشیدن و تکرار این مراحل. این اعداد بسته به شرایط ژئوتکنیک و قطرهای مورد نظر طراحی می گردد. با این اعداد به صورت آزمایشی ستون های تزریق پر فشار اجرا گردیده و سپس قطر ستون ها جهت برآورد مشخصات فنی پروژه اندازه گیری می شود.
فشار بالای تزریق در روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ)، موجب تغییر ساختار خاک گردیده و ستون خاک – سیمانی مقاوم ایجاد می گردد. شعاع تأثیر جت تزریق که گاهی اوقات به ۳/۵ متر می رسد، به عوامل زیر بستگی دارد به :
- فشار تزریق
- زمان تزریق
- مقاومت برشی برجای خاک
- اندازه نازل ها
- وزن مخصوص دوغاب تزریق
- نوع خاک
- سرعت چرخش
- سرعت حرکت رو به بالای میله حفاری
در صورتی که علاوه بر بهسازی خاک، آب بند کردن آن نیز موردنظر باشد، می‌توان به مخلوط تزریق مقداری بنتونیت نیز اضافه نمود.
فشار بالای خروجی از نازل دستگاه حفاری
تجهیزات مورد نیاز برای جت گروتینگ
تجهیزات اصلی برای اجرای این روش عبارتند از:
- سیلو
- تجهیزات اختلاط
- پمپ با فشار بالا
- پمپ مخلوط تزریق (روش تک سیاله و دو سیاله)
- کمپرسور (روش دو سیاله و سه سیاله)
- تجهیزات حفاری
مزایای روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
روش تزریق پر فشار، گاهی مواقع جایگزین مناسبی برای روش های بهسازی مثل پیش بارگذاری، اجرای شمع و روش های دینامیکی می باشد. با توجه به وجود زمین های ساحلی سست و نشست پذیر در ایران که مستعد پدیده های روانگرایی و نشست می باشند نیاز به بهسازی بستر کاملاً مشهود است.
روش تزریق پر فشار که در بازه وسیعی از خاکها قابل استفاده است، گزینه مناسبی جهت بهسازی چنین خاکهایی می باشد.
از جمله مزایای این روش می توان به موارد ذیل اشاره کرد:
- تبدیل زمین به بخشی از سیستم خاک – سازه
- امکان کنترل و تأیید کیفی کار
- هزینه کمتر تجهیز کارگاه نسبت به موارد مشابه نظیر اجرای شمع
- سرعت اجرای بسیار بالا
- هزینه اجرای کمتر نسبت به موارد مشابه
- تولید صدا و ارتعاش کمتر در محیط شهری نسبت به روش های مشابه
- کاهش نفوذپذیری خاک
- افزایش مقاومت خاک
- کاهش نشست خاک بر اثر سربار
- جلوگیری از روانگرایی
- اصلاح زمین به صورت درجا