انواع رو‌ش‌های جت گروتینگ

بهسازی خاک یکی از بخش‌­های اساسی و پایه­‌ای در مهندسی ژئوتکنیک است که با هدف افزایش ظرفیت باربری، کاهش نشست و بهبود پایداری سازه‌ها انجام می‌شود. این فرآیند به ویژه در مناطقی که خاک دارای ضعف‌های ساختاری است، اهمیت زیادی دارد. روش‌های رایج بهسازی خاک شامل تراکم دینامیکی، تزریق، جت گروتینگ، اختلاط عمیق خاک و استفاده از ستون‌های سنگی است که بسته به نوع خاک و شرایط پروژه انتخاب می‌شوند.

یکی از روش‌های موثر در این زمینه، جت گروتینگ است که از طریق تزریق دوغاب سیمانی با فشار بالا به درون خاک، ساختار آن را اصلاح کرده و یک توده مقاوم ایجاد می‌کند. این روش به ویژه برای پایدارسازی گودبرداری‌ها، کاهش نفوذپذیری و آب بندی و افزایش ظرفیت باربری خاک به کار گرفته شده است.

نمونه‌ای از کاربرد موفق این روش در تثبیت بستر خطوط مترو در شهر توکیو بوده است، جایی که به دلیل شرایط خاک سست، جت گروتینگ موجب افزایش ظرفیت باربری زمین و جلوگیری از نشست‌های محتمل گردید.

توسعه تاریخی و تجربیات جهانی

روش جت گروتینگ به مانند هر روش دیگر، در طول زمان و با افزایش دانش و تجربه مهندسین توسعه و تکامل یافته است. در یک نگاه کلی، روش جت گروتینگ به سه روش تک سیاله، دو سیاله و سه سیاله تقسیم بندی می­‌گردد. تصویر شماره 1 نمایی از شماتیک این روش‌­ها را نشان می­‌دهد. در ادامه به تاریخچه این روش و تکامل آن پرداخته خواهد شد.

بر اساس کارهای تجربی که از سال ۱۹۶۵ آغاز شد، اولین نسخه از سیستم جت گروتینگ تک‌سیاله، که به روش Chemical Churning Pile (CCP)  معروف است، در اوایل دهه ۱۹۷۰ در ژاپن توسعه و ثبت اختراع شد . طبق گفته‌ی زانتوس و همکاران (۱۹۹۴)، در همان دوره، روش Jumbo Special Pile (JSP) در سال ۱۹۷۲ توسعه یافت که می‌توان آن را پیش‌درآمدی برای سیستم‌های دو‌سیاله کنونی دانست. جالب است که علی‌رغم پیشرفت‌های تکنولوژی جت گروتینگ در اوایل دهه ۱۹۷۰، آغاز اجرای آن در دیگر کشورها از اواخر دهه ۱۹۷۰ بوده است. به‌طور مثال، کشورهایی مانند ایالات متحده، چین، ایتالیا و فرانسه این تکنیک را به‌ منظور مقابله با مشکلات پیچیده ژئوتکنیکی به‌کار گرفته‌اند.

در اواخر دهه ۱۹۸۰، با افزایش محبوبیت جت گروتینگ، مشکلاتی در خصوص تغییرات قطر ستون‌ها گزارش شد. این مشکلات به‌ویژه در روش تک‌سیاله مشهود بود، زیرا قطر ستون‌های ایجادشده با این روش نسبتاً کوچک بود. این مسائل باعث شد تا محققین و مهندسان به فکر توسعه نسخه‌ای کارآمدتر از این سیستم باشند.

در نتیجه، در دهه ۱۹۹۰، سیستم‌های سه سیاله معرفی شدند که توانستند هندسه‌های بزرگتری تولید کنند و کنترل بیشتری بر کیفیت ستون­های ایجاد شده در خاک‌های مختلف داشته باشند. این سیستم‌ها با استفاده از سه سیال مختلف، نسبت به سیستم‌های تک‌سیاله و دو‌سیاله مزایای زیادی از جمله دقت بیشتر، امکان تولید ستون‌های مقاوم‌تر و کارایی بالاتر در شرایط سخت زمین داشتند. تصویر شماره 2 نمایی از پیشرفت این روش را نشان می­‌دهد.

سیستم تک‌سیاله

روش جت گروتینگ تک‌سیاله یکی از روش‌های نوین و مؤثر در مهندسی ژئوتکنیک است که به‌منظور بهبود شرایط زمین و پایدارسازی خاک‌ها در پروژه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، از یک سیال (معمولاً دوغاب سیمان) که تحت فشار بسیار بالا به زمین تزریق می‌شود، برای ایجاد ستون‌های پایدار در خاک استفاده می‌شود. این سیال با ایجاد یک جریان پرسرعت به داخل زمین نفوذ کرده و موجب اختلاط و دگرگونی ساختار خاک در ناحیه تزریق می‌گردد. به این ترتیب، خاک به‌صورت عمقی و موضعی تقویت می‌شود و ستون‌های مقاوم در آن ناحیه به‌وجود می‌آید. یکی از ویژگی‌های بارز این سیستم، سادگی و کارایی بالای آن در ایجاد ستون‌های مقاوم است که به‌ویژه در خاک‌های نرم و دانه‌درشت عملکرد بهتری دارد.

اولین استفاده از روش جت گروتینگ تک‌سیاله در خاک چین، که به‌عنوان اولین اجرای فناوری جت گروتینگ در این کشور شناخته می‌شود، به اواخر دهه ۱۹۷۰ بازمی‌گردد (شن و همکاران، ۲۰۱۲). این روش در شانگهای برای ساخت سازه نگهبان به‌منظور پایدارسازی عملیات گودبرداری استفاده شد. در این روش، سیال تحت فشار از طریق نازل‌ها به‌صورت جت و با سرعت بالا به درون خاک تزریق می‌گردد. این جت باعث اختلاط خاک و سیال شده و ستون‌هایی تقویت‌شده با خاک و سیمان به‌وجود می‌آید که استحکام و مقاومت زمین را افزایش می‌دهند.

در همان دوره، در ایالات متحده، روش جت گروتینگ تک‌سیاله به‌طور گسترده‌ای برای پایدارسازی تونل‌های یا برای پروژه بازسازی پیاده‌روی کنار رودخانه در تگزاس به کار گرفته شد (بریل و همکاران، ۲۰۰۳). همچنین، کروس و فلورا (۲۰۰۰) به برخی از کاربردهای این روش در ایتالیا اشاره کرده‌اند که شامل پروژه‌های ساخت پل، پیاده‌روی کنار رودخانه و تونل می‌شود.

به‌دلیل سادگی و کارایی بالای این روش، از آن به‌ویژه در پروژه‌­های آب‌بندی گودها و سدها نیز استفاده می­گردد. از آن‌جایی که استفاده از هوای فشرده در فضاهای زیرزمینی بسته ممکن نیست، روش تک سیاله برای پایدارسازی موقت در تونل‌ها به‌کار گرفته می‌شود (روسو و مدونی، ۲۰۰۵).

با این‌حال، با افزایش محبوبیت این روش در اواخر دهه ۱۹۸۰، روش جت گروتینگ تک‌سیاله چالش‌هایی را به همراه داشت، از جمله تغییرات در قطر ستون‌ها و تأثیرپذیری عملکرد آن در تشکیل ستون یکنواخت و با قطر دلخواه از جنس خاک، که توسط کروس و فلورا (۲۰۰۰) گزارش شده است. مشکلات گزارش‌شده در کنترل کیفیت در خاک‌های چسبنده و به‌ویژه قطر نسبتاً کوچک ستون‌های جت گروتینگ تولیدشده توسط روش تک‌سیاله، موجب شد تا توسعه نسخه‌ای کارآمدتر با نام سیستم سه‌سیاله آغاز شود که قادر است هندسه‌های بزرگ‌تری تولید کند.

سیستم سه‎ سیاله

سیستم جت گروتینگ سه سیاله یک روش پیشرفته است که برای بهبود عملکرد و کارایی تکنیک‌های جت گروتینگ با ترکیب سه سیال مختلف آب، هوا و دوغاب سیمان در فرآیند تزریق طراحی شده است. این روش به ویژه برای ایجاد ستون‌های بزرگ‌تر، مقاوم‌تر و پایدارتر از خاک-سیمان مفید است. سیستم سه سیاله امکان کنترل دقیق‌تر فرآیند تخریب ساختار خاک را فراهم می‌آورد که در کار با انواع مختلف خاک‌ها بسیار ضروری است. در مقایسه با سیستم‌های دو سیاله سنتی، سیستم سه سیاله انعطاف‌پذیری بیشتری داشته و در پروژه‌های بزرگ مقیاس که به بهبود وسیع خاک نیاز است، استفاده می‌شود. سیستم جت گروتینگ سه سیاله که در اواخر دهه 1980 توسعه یافت، منجر به ایجاد چهار نوع مختلف از این روش شد:  X-jetting method، Rodin Jet Pile (RJP) method، Ultra-jetting System (UJS)، و Twin-jet method.  این روش‌ها بیشتر در چین به کار گرفته شده‌اند، کشوری که از دهه 1990 به عنوان بزرگ‌ترین استفاده‌کننده جهانی فناوری جت گروتینگ شناخته شده است، چرا که پروژه‌های ساخت‌وساز گسترده‌ای در این دوره اجرا شده است.

• Rodin Jet Pile (RJP) Method

این روش که در سال 1996 توسط تسوجیتا معرفی شد، از یک فرآیند تخریب ساختار خاک دوگانه استفاده می‌کند. تخریب ساختار خاک اول از طریق جت آب با فشار بالا همراه با هوا انجام می‌شود، در حالی که تخریب دوم شامل هوای فشرده است که یک محلول از دوغاب سیمان را با فشار بالا در بر می‌گیرد. این روش عمدتاً برای تولید هندسه‌های بزرگ خاک سیمانی استفاده می‌شود. فشار بالا و فرآیند تخریب ساختار خاک دوگانه اجازه می‌دهد تا اختلاط خاک مؤثرتر انجام شود و ستون‌های با قطر بزرگ‌تری ایجاد شوند. تصویر شماره 3 نمایی از شماتیک این روش را نشان می‌­دهد.

• X-jetting Method

در روش X-jetting ، خاک تحت تأثیر جت‌های آب با فشار بالا (400 بار) که توسط هوا احاطه شده است، از هم گسیخته می‌شود، در حالی که هوا با فشار 6 تا 10.5 بار به دور جت‌های آب قرار دارد. پس از تخریب ساختار خاک، دوغاب سیمان با فشار کم از نازل جداگانه‌ای تزریق می‌شود تا با خاک مخلوط شود. این روش به ویژه در کنترل تخریب ساختار خاک بسته به نوع خاک مؤثر است که منجر به هندسه‌های پیش‌بینی‌پذیرتری از ستون‌ها می‌شود. این روش برای دستیابی به ستون‌های بزرگتر و پایدارتر نسبت به روش‌های سنتی بسیار کارآمد است. تصویر شماره 4 نمایی از شماتیک این روش را نشان می­‌دهد.

• Ultra-Jetting System (UJS)

سیستم Ultra-Jetting (UJS) ، که توسط یونگ-هیون کیم توسعه داده شد، از یک مرحله پیش تزریق با آب و هوا با فشار بالا استفاده می‌کند و سپس دوغاب سیمان تزریق می‌شود. این روش از سه نازل استفاده می‌کند: یک نازل برای آب و هوا و نازل‌های جانبی برای تزریق دوغاب سیمان. ویژگی اصلی سیستم UJS این است که در مرحله اول، تزریق آب پرفشار به صورت مایل انجام می‌شود که باعث کاهش اختلال در خاک اطراف می‌شود. این روش به ویژه برای ایجاد قطرهای بزرگ ستون مفید است که از 80 سانتی‌متر در خاک‌های چسبنده تا 2.5 متر در خاک‌های شنی متغیر است. سیستم UJS در پروژه‌های زیرساختی بزرگ، مانند تقویت پل راه‌آهن Mangwoo در کره جنوبی در سال 2003، موفقیت‌آمیز بوده است. تصویر شماره 5 نمایی از شماتیک این روش را نشان می‌دهد.

• Twin-jet Method

توسعه این روش توسط یانگ-هیون کیم در سال 2004 آغاز شد (شن و همکاران، 2012). این تکنیک به واسطه یک سیستم تزریق سریع از یک طرف و مکانیزم سخت شوندگی آنی از طرف دیگر شناخته می‌شود. برای مثال، در مکانیزم سفت‌شدن آنی، از کاتالیزوری مانند سیلیکات سدیم برای بهبود یکنواختی مخلوط خاک سیمان استفاده می‌شود. ایجاد این روش زمانی پیشنهاد گردید که روش‌های جت گروتینگ موجود دیگر قادر به مقابله با چالش‌های خاصی مانند کنترل حرکات خاک نبودند. در برخی مواقع، اجرای تکنیک‌های سنتی جت گروتینگ می‌تواند پیامدهای نامناسبی مانند برآمدگی (روسو و مدونی، 2005؛ اوکمانسکی و همکاران، 2015) یا نشست زمین (ارامو و همکاران، 2012) در اطراف خاک در پی داشته باشد. توسعه این فناوری جدید به بهبود اجرای پروژه‌های زیرزمینی مانند تونل‌سازی (شن و همکاران، 2014؛ وو و همکاران، 2015) و همچنین افزایش ظرفیت باربری زمین در مناطق شهری پرجمعیت کمک کرده است.

یکی از نخستین کاربردهای این فناوری توسط وانگ و همکاران (2013) گزارش شده است. در این پروژه، از تکنیک twin-jet  برای تقویت پایداری (با تقویت پایه‌ها) پل تاریخی نام جی-کیو در کره استفاده شد. این روش در شرایطی که خاک عمدتاً از لایه‌های غیرچسبنده تشکیل شده بود، بسیار مؤثر واقع شد.

با وجود افزایش توانایی تخریب ساختار خاک، سیستم سه سیاله هنوز با معایبی مانند تولید مقدار زیادی پسماند روبه‌رو است که باید جمع‌آوری و به محل‌های دفع منتقل شود. استفاده مجدد از این پسماند از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی می‌تواند بسیار مفید باشد.

سیستم دو سیاله

سیستم جت گروتینگ دو سیاله یکی از روش‌های پیشرفته و پرکاربرد در زمینه بهسازی و تثبیت خاک به‌شمار می‌رود. این فناوری با تزریق همزمان دوغاب و هوا تحت فشار بالا، امکان ایجاد ستون‌ها یا دیواره‌های مستحکم در خاک‌های مختلف را فراهم می‌کند. سیستم دو سیاله به‌دلیل توانایی در ایجاد ساختارهای پایدار و مقاوم، در پروژه‌های عمرانی بزرگی همچون بهسازی زمین، بازسازی سدها، ساخت دیوارهای دیافراگمی و آب‌بندی مورد استفاده قرار گرفته است.

محبوبیت سیستم دو سیاله در دهه ۱۹۹۰ به اوج خود رسید (بریل و همکاران، ۲۰۰۳). این محبوبیت مرهون صرفه‌جویی قابل‌توجه در هزینه‌ها از یک سو و گسترش دامنه کاربردهای آن از سوی دیگر بود.

با این حال، در اواخر دهه ۱۹۹۰، گونه‌ای جدید از سیستم دو سیاله در ژاپن ظهور کرد: فناوری سوپر جت گروتینگ. هدف از توسعه این فناوری، ایجاد ستون‌های بزرگ‌تر با کیفیت مطلوب و هزینه کمتر بود. تفاوت این سیستم با سیستم دو سیاله متعارف، در تزریق حجم بیشتر دوغاب از یک سو و کاهش جریان دوغاب در نازل‌ها از سوی دیگر بود (برک و همکاران، ۲۰۰۰؛ بریل و همکاران، ۲۰۰۳). همان‌طور که در شکل 6 نشان داده شده است، این روش شامل استفاده از هوای فشرده (7 تا ۱0.5 مگاپاسکال) است که دوغاب پرفشار (300 بار) را احاطه کرده و به‌طور همزمان از دو نازل متقابل تزریق می‌شود.

یکی از نخستین کاربردهای فناوری سوپر جت گروتینگ در چین به سال ۱۹۹۵ بازمی‌گردد. این روش در پروژه سد شیائولانگدی در نزدیکی رودخانه زرد برای ساخت دیوارهای دیافراگمی به‌کار گرفته شد (شن و همکاران، 2012). همچنین، این فناوری در اوایل دهه ۲۰۰۰ از ژاپن به ایالات متحده صادر شد و نخستین کاربرد آن در یک پروژه تونل‌سازی در آتلانتیک‌سیتی، نیوجرسی بود (برک و همکاران، ۲۰۰۰). روش سوپر جت در پروژه‌ای دیگر برای اجرای یک تونل با روش cut-and-cover  در فرودگاه مینیاپولیس نیز استفاده شد. بریل و همکاران (۲۰۰۳) گزارش دادند که هزینه این پروژه به‌طور قابل‌توجهی کمتر از پروژه‌های مشابه قبلی بود.

از دیدگاه کلی، اگرچه این روش معایبی (مانند عدم مناسب‌بودن برای زیرسازی، مشکل در مدیریت ضایعات، کنترل برآمدگی در خاک‌های چسبنده و غیره) داشته، اما سیستم دو سیالی امکان دستیابی به هندسه‌های با کیفیت مطلوب را فراهم می‌کند. علاوه بر این، در مقایسه با سایر سیستم‌های جت گروتینگ، فناوری سوپر جت صرفه‌جویی قابل‌توجهی در هزینه‌ها ایجاد می‌کند. همچنین، چندین مطالعه تأکید کرده‌اند که فناوری سوپر جت گروتینگ بزرگ‌ترین قطر ستون را ایجاد می‌کند (برک، ۲۰۰۴؛ بریل و همکاران، ۲۰۰۳؛ وانگ و همکاران، ۲۰۱۳) و بهترین توانایی اختلاط را دارد (برک، ۲۰۰۴). در واقع، اثر تخریب ساختار خاک جت به‌طور قابل‌توجهی توسط هوای محصور بهبود می‌یابد؛ این هوا از یک سو اثرات اصطکاک را کاهش داده و از سوی دیگر، با ایجاد یک اثر بالابرنده، بازگشت ضایعات را بهبود می‌بخشد.

نگاه کلی

جت گروتینگ به عنوان یکی از روش‌های پیشرفته و مؤثر در بهسازی و تثبیت خاک، در پروژه‌های عمرانی مختلفی از جمله ساخت سدها، تونل‌ها، دیوارهای دیافراگمی و پایدارسازی گود و آب بندی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فناوری با تزریق دوغاب تحت فشار بالا به داخل خاک، باعث ایجاد ستون‌ها یا دیواره‌های مستحکم می‌شود که مقاومت و پایداری خاک را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. با توجه به تنوع شرایط خاک و نیازهای پروژه‌های مختلف، روش‌های گوناگونی از جت گروتینگ توسعه یافته‌اند که هر یک دارای مزایا، محدودیت‌ها و هزینه‌های خاص خود هستند.

در این میان، روش‌های تک سیالی، دو سیالی، سه سیالی و سوپر جت گروتینگ از پرکاربردترین روش‌ها به‌شمار می‌روند. هر یک از این روش‌ها با توجه به فشار تزریق، قطر ستون ایجادشده، کیفیت اختلاط و هزینه‌های اجرایی، برای شرایط خاصی مناسب‌تر هستند. به‌طور مثال، روش تک سیالی به‌دلیل هزینه پایین و سادگی اجرا، برای پروژه‌های کوچک و خاک‌های نرم و درشت دانه ایده‌آل است، در حالی که روش سه سیالی با قابلیت ایجاد ستون‌های بسیار بزرگ و کیفیت اختلاط عالی، برای پروژه‌های بزرگ و خاک‌های سخت و متراکم مناسب‌تر است.

هدف از این مقایسه، بررسی دقیق‌تر ویژگی‌های هر روش از نظر فشار تزریق، قطر ستون، هزینه‌ها و محدودیت‌ها است تا بتوان بر اساس نیازهای پروژه، روش مناسب را انتخاب کرد. این بررسی بر اساس مطالعات و تجربیات عملی در پروژه‌های مختلف انجام شده و می‌تواند به عنوان مرجعی برای تصمیم‌گیری در انتخاب روش بهینه جت گروتینگ مورد استفاده قرار گیرد. جدول شماره 1 خلاصه­‌ای از این مقایسه را نشان می­‌دهد.