تفاوت روش جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک

تفاوت‌ جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک یکی از سؤال‌های رایج است که در این مقاله به آن پرداخته شده است. در پروژه‌های عمرانی، بهبود خصوصیات مهندسی خاک از اهمیت بالایی برخوردار است، به‌ویژه زمانی که خاک موجود دارای ظرفیت باربری کم، نشست‌پذیری زیاد یا نفوذپذیری بالا باشد. دو روش رایج برای اصلاح و تقویت خاک، اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing – DSM) و جت گروتینگ (Jet Grouting) هستند که به‌طور گسترده در پروژه‌های مختلف مانند بهسازی خاک، پایدارسازی گودها، سدها و تونل‌ها به کار می‌روند.

در یک نگاه کلی، هر دو روش اشاره شده در دسته بندی روش­‌های اختلاط عمیق (Deep Mixing Methods) قرار می­‌گیرند. اداره بزرگراه‌های فدرال (FHWA) روش‌های اختلاط عمیق را بر اساس سه معیار کلیدی طبقه‌بندی کرده است:

• روش تزریق ماده تثبیت‌کننده:

• تزریق تر: در این روش، عامل تثبیت‌کننده (مانند دوغاب سیمان یا آهک) به‌صورت مایع به خاک تزریق می‌شود. این تکنیک در روش‌های اختلاط عمیق تر (Wet DSM) و جت گروتینگ رایج است.
• تزریق خشک: در این روش، تثبیت‌کننده به‌صورت پودر (مانند سیمان یا آهک خشک) به خاک اضافه می‌شود. این روش بیشتر در اختلاط عمیق خشک (Dry DSM) و به‌ویژه در خاک‌های با رطوبت بالا کاربرد دارد.

• روش اختلاط ماده تثبیت‌کننده با خاک:

• انرژی مکانیکی/چرخشی: در روش اختلاط عمیق خاک (DSM) ، تیغه‌های مکانیکی یا مته‌های مارپیچی با چرخش و هم‌زدن خاک، آن را با ماده تثبیت‌کننده مخلوط کرده و ستون‌های مقاوم ایجاد می‌کنند.
• جت با فشار بالا: در روش جت گروتینگ، یک جت پرفشار دوغاب سیمانی ساختار خاک را تخریب کرده و با آن ترکیب می‌شود که در نهایت منجر به تشکیل ستون‌های سیمانی‌شده با مقاومت بالا می‌شود.

• محل قرارگیری ابزار اختلاط:

• در انتهای میله حفاری: در این حالت، ابزار اختلاط در نوک میله حفاری قرار دارد.  جت گروتینگ تک‌ و دو سیاله در این دسته جای می­‌گیرند.
• در بخشی از طول میله حفاری: در این روش، ابزار اختلاط در امتداد بخشی از میله حفاری توزیع شده است. جت گروتینگ سه سیاله مثالی از این روش بوده که امکان بهسازی گسترده‌تری را فراهم می‌کند.

تا بدین جا مشخص گردید که روش اختلاط عمیق خاک و جت گروتینگ، هر دو بخشی از مجموعه روش‌­های اختلاط عمیق می­‌باشند. بر اساس دسته بندی اداره بزرگراه­‌های فدرال، هر یک از روش‌­های اختلاط عمیق بر اساس سه ویژگی به دسته بندی­‌های مختلفی تقسیم می­‌شوند که در همین مورد بخشی از تفاوت­‌های این دو روش بهسازی خاک مشخص گردید.

در ادامه به بررسی و تفاوت‌ جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک پرداخته شده است.

جت گروتینگ

جت گروتینگ یکی از روش‌های نوین بهسازی خاک است که به منظور تقویت ویژگی‌های مکانیکی و کاهش میزان نفوذپذیری خاک‌های ضعیف به کار می‌رود. این تکنیک بر پایه تزریق دوغاب سیمانی یا ترکیبات مشابه با فشار بسیار بالا به درون خاک استوار است. این فرآیند موجب شکست ساختار خاک، ترکیب آن با دوغاب و در نهایت سخت شدن مخلوط در محل می‌شود. نتیجه‌ی این عملیات، ایجاد ستون‌هایی از ترکیب خاک و دوغاب است که موجب افزایش ظرفیت باربری و بهبود پایداری زمین می‌شود.

مراحل اصلی اجرای جت گروتینگ:

• حفاری اولیه:
  در ابتدا، یک گمانه با قطر حدودی 10 تا 15 سانتی­متر تا عمق موردنظر حفر شده تا امکان دسترسی به لایه‌های مدنظر فراهم گردد.
• تزریق دوغاب تحت فشار بالا:
  در این مرحله، دوغاب سیمانی از طریق نازل‌های مخصوص با فشار بسیار زیاد به درون خاک تزریق می‌شود. این فشار بالا باعث شکسته شدن ساختار خاک و اختلاط آن با دوغاب می‌شود.
• چرخش و خروج تدریجی میله حفاری:
  همزمان با فرآیند تزریق، میله حفاری به‌آرامی چرخانده شده و به تدریج از داخل گمانه خارج می‌شود، تا ستون‌های پیوسته و یکنواختی از مخلوط خاک و دوغاب شکل گیرد.
• سخت شدن و تثبیت:
  پس از اتمام تزریق، دوغاب به تدریج سخت شده و ستون‌های مقاوم و پایدار را در داخل خاک تشکیل می‌دهد.

این تکنیک امکان بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی خاک را در شرایط زمین‌شناسی مختلف فراهم می‌کند و یکی از گزینه‌های مناسب برای پروژه‌های عمرانی حساس به شمار می‌رود. در تصویر شماره 1 نمایی از مراحل انجام کار مشاهده می­گردد.

حال به منظور آشنایی با تفاوت‌ جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک، به تعریف اختلاط عمیق خاک پرداخته شده است.

اختلاط عمیق خاک

یکی از روش‌های کارآمد برای بهسازی خاک، اختلاط عمیق خاک است. در این روش، ماده تثبیت‌کننده‌ای مانند سیمان یا آهک به خاک محل افزوده شده و با ترکیب آن، ساختاری مقاوم و پایدار ایجاد می‌شود. این فرآیند موجب افزایش مقاومت برشی، کاهش میزان نشست و بهبود ویژگی‌های مکانیکی خاک می‌گردد.

اولین استفاده از روش اختلاط عمیق خاک به سال 1971 در نزدیکی فرودگاه هاندا ژاپن بازمی‌گردد، جایی که آهک به‌عنوان ماده افزودنی اصلی مورد استفاده قرار گرفت. در ابتدا، آهک رایج‌ترین ماده پایدارساز در این روش بود، اما با گذشت زمان و شناخت بهتر تأثیرات مثبت سیمان بر خاک، به دلیل دسترسی آسان‌تر و عملکرد بهتر، سیمان به‌تدریج جایگزین آهک شد و به ماده‌ای پرکاربرد در این روش تبدیل گردید.

فرآیند اجرای این روش به این صورت است که ابتدا اوگر حفاری به کمک بازوهای خود عملیات حفاری را آغاز می‌کند. پس از دستیابی به عمق موردنظر، عملیات حفاری متوقف می‌شود و سپس اوگر آغاز به حرکت و چرخش کرده و به‌طور تدریجی به سمت بالا منتقل می‌شود. در این مرحله، دوغاب سیمانی از طریق نازل‌های مخصوص و با فشار بالا به درون خاک تزریق می‌شود. این فرآیند به‌صورت مرحله‌ای صورت می‌گیرد؛ بدین ترتیب که پس از بالا آمدن اوگر به میزان حدود یک متر، دستگاه آن را به مدت تقریباً یک دقیقه در همان تراز می‌چرخاند و هم‌زمان تزریق دوغاب ادامه می‌یابد. لازم به ذکر است که فواصل و زمان‌بندی این مراحل بسته به نوع دستگاه و خصوصیات خاک متغیر می‌باشد. تصویر شماره 2 نمایی از مراحل اجرای این روش را نشان می­دهد.

تا بدین جای کار با روش اجرای این دو روش آشنایی اولیه ایجاد گردید. حال در ادامه مطلب به تفاوت جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک اشاره شده است.

تفاوت‌ جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک

• روش کار

  • در فرآیند جت گروتینگ، سیستم تزریق، دوغاب سیمانی را با فشار بسیار بالا وارد خاک می‌کند؛ این دوغاب با خاک اطراف ترکیب می‌شود و در نهایت، ستون مقاومی در محل تشکیل می‌گردد. فشار بالای دوغاب، خاک اطراف را تخریب می‌کند و با آن ترکیب می‌شود؛ در نتیجه، فرآیند تزریق ستونی با قطری بزرگ‌تر از میله حفاری ایجاد می‌کند. این روش به دلیل ایجاد ستون‌های مستحکم با نفوذپذیری بسیار پایین، گزینه‌ای مؤثر برای پایدارسازی شیب‌ها و افزایش ظرفیت باربری خاک در سازه‌های مهندسی محسوب می‌شود.
  • در مقابل، اختلاط عمیق خاک شامل ترکیب مکانیکی یک ماده پایدارکننده، مانند سیمان، با خاک موجود در محل است تا بستر مناسب جهت انجام فعالیت‌های عمرانی ایجاد شود. این روش معمولاً برای ساخت ستون‌ها یا دیوارهای خاک-سیمانی در زمین به کار می‌رود که می‌توانند ظرفیت باربری خاک و کنترل نشست زمین را افزایش دهند. برخلاف جت گروتینگ، قطر ستون‌های ایجادشده در این روش برابر با قطر ابزار اختلاط است.

• تجهیزات

  • جت گروتینگ به تجهیزات ویژه‌ای نیاز دارد، ازجمله دستگاه‌های حفاری، واحدهای اختلاط دوغاب، سیلوهای ذخیره سیمان، پمپ‌های فشارقوی و کمپرسورها. این ابزارهای تخصصی برای تزریق دوغاب با فشار بالا و ایجاد ستون‌های موردنظر در خاک ضروری هستند.
  • در مقابل، اختلاط عمیق خاک نیز به دستگاه مناسب، واحدهای اختلاط دوغاب، سیلوهای سیمان و پمپ‌ها نیاز دارد.

• بهسازی خاک

  • جت گروتینگ با ایجاد ستون‌های خاک-سیمانی، موجب افزایش مقاومت خاک و ظرفیت باربری آن می‌شود. این ستون‌ها می‌توانند پایدارسازی گودها یا شیب‌ها را فراهم کنند، که آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای مختلف عمرانی تبدیل می‌کند.
  • در مقابل، اختلاط عمیق خاک ترکیبی یکنواخت‌تر از خاک موجود و ماده تثبیت‌کننده ایجاد می‌کند. اگرچه مقاومت حاصل معمولاً کمتر از جت گروتینگ است، اما پایداری و یکنواختی بیشتری دارد. این روش معمولاً در شرایطی که ترکیب یکنواخت خاک مدنظر باشد، مانند تقویت فونداسیون یا بهسازی بستر زمین، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• هزینه

  • مقرون‌به‌صرفه بودن هر روش به نیازهای خاص پروژه و اهداف مورد انتظار بستگی دارد.

• مواد تثبیت کننده

  • اختلاط عمیق خاک: ماده تثبیت کننده اصلی در این روش سیمان یا دوغاب سیمان می‌­باشد. محققان در ژاپن آهک را به عنوان یک جایگزین مناسب برای سیمان در میان تثبیت‌کننده‌ها معرفی کرده‌اند. البته هنوز در کشورهای اسکاندیناوی منظور بهسازی خاک، مخلوط آهک و سیمان رواج بیشتری نسبت به استفاده از آهک تنها دارد. البته تا به امروز مصالح متعددی نظیر گچ، خاکسترهای آتشفشانی و تفاله کوره های آهن (روباره) با سیمان و آهک ترکیب شده‌اند.
  • جت گروتینگ: ماده تثبیت کننده اصلی در این روش دوغاب سیمان یا مواد افزودنی دلخواه با توجه به نظر تیم مهندسی می­‌باشد.

• کاربردها

• جت گروتینگ معمولاً در پروژه‌های بهسازی خاک کوچک‌تر که نیاز به تقویت یا پایدارسازی خاک در یک ناحیه خاص دارند، استفاده می‌شود. روش جت گروتینگ محدودیت عمق زیادی ندارد و در اعماق بیشتری نسبت به اختلاط عمیق خاک که معمولا تا حدود 20 متر است، قابلیت بهسازی را دارد. از دیگر تفاوت­های روش جت گروتینگ نسبت به روش اختلاط عمیق، امکان بهسازی در یک محدوده خاص از عمق می‌­باشد در حالی که در روش اختلاط عمیق الزما یک ستون سرتاسری ایجاد می­شود.
• در مقابل، اختلاط عمیق خاک بیشتر برای پروژه‌های بزرگ‌تری که محدودیت دسترسی ندارند، مناسب است. این روش معمولاً در مواقعی استفاده می‌شود که نیاز به ترکیب یکنواخت خاک در مساحت وسیع‌تری باشد، مانند پایدارسازی خاک سدها، گسترش جاده‌ها، یا پروژه‌های بهسازی محیط زیست. تصویر شماره 3 نمایی از دامنه عملکرد این دو روش و تفاوت‌ جت گروتینگ و اختلاط عمیق خاک از منظر دامنه کاربرد را نشان می­دهد.