بهسازی خاک به روش تزریق پرفشار (جت گروتینگ)

تزرق پرفشارر(jet grouting)
تزریق پر فشار یکی از روش‌های بهسازی خاک میباشد این روش مبتنی بر تزریق با سرعت زیاد یک یا چند سیال (دوغاب، هوا و آب) در خاک است. سیال‌ها از طریق نازلی که در انتهای لوله قرار دارد داخل خاک تزریق میشوند. قطر گمانه
قطر گمانه معمولا بین ۱۲۰ تا ۱۵۰ میلی متر  است.

تاریخچه
ایده اولیه استفاده از فشار زیاد در تزریق توسط بریتانیایی‌ها در دهه ۱۹۵۰  عنوان گردید؛ اما استفاده عملی از آن اولین  بار توسط ژاپنی‌ها در دهه ۱۹۶۰  برای افزایش میزان آب‌بندی در روش تزریق شیمیایی استفاده شد  و سپس به دلیل مسائل زیست محیطی دوغاب جایگزین مواد شیمیایی شد. در اواسط دهه ۱۹۷۰ روش تزریق با فشار بالا به اروپا آورده شد و سپس در سراسر دنیا مورد استفاده قرار گرفت.

انواع تزریق پر فشار (جت گروتینگ)
 بر اساس تعداد سیال‌ها به سه دسته تقسیم میشوند:

1- تک سیاله (Single): دراین روش دوغاب برای مخلوط کردن خاک تزریق میشود و ساده‌ترین روش تزریق میباشد. در این روش ابتدا حفاری صورت میگیرد و پس از آن مخلوط  با فشار بسیار بالا (تا ۶۰۰ بار) از طریق نازل‌ها به داخل خاک تزریق می‌شود و به طور همزمان، راد درحال چرخش به سمت بالا حرکت می‌کند. بدین وسیله دوغاب تزریق شده با سرعت و انرژی بالا با خاک اطراف مخلوط می‌گردد.

2-دو سیاله(double):شیوه اجرا در این روش مانند حالت تک سیاله بوده با این تفاوت که هنگام انجام عملیات تزریق با فشار بالا هوای فشرده تحت فشار۱۲ بار که در محیط دوغاب قرار دارد، همزمان با دوغاب به درون خاک تزریق میشود. این روش شعاع نفوذ بیشتر و عملکرد بهتری دارد هرچند باعث هدر رفتن دوغاب میشود. این روش تاثیر بیشتری در خاک‌های درشت دانه غیر چسبنده مانند شن و ماسه دارد.

3-سه سیاله (triple): دراین روش ابتدا آب با 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 میشود. سپس دوغاب با فشار ۴۰ الی ۷۰ بار از یک نازل دیگر که زیر نازل آب قرار دارد (به منظور انتقال حداکثر ذرات خاک حفاری شده به سطح و در عین حال محدود کردن خروج دوغاب اضافه شده) در محدوده مورد نظر تزریق شده و با خاک مخلوط می‌گردد. در این روش نیاز نیست که فشار دوغاب زیاد باشد چون عملیات شکستن ساختار خاک توسط هوا و آب صورت میگیرد و دوغاب نقش پرکننده دارد. این روش بیشتر در خاک‌های چسبنده و ریزدانه ماننند رس و لای کاربرد دارد.

سیستم‌های پیشرفته‌تر تزریق
1-تزریق با جت متقاطع (cross jet griuting): دو نازل به صورت زاویه دار جهت حصول به قطر یکسان ستون در انواع خاک‌ها قرار میگیرند.

2-تزریق با فشار فوق العاده بالا (super jet grouting): این روش باعث به وجود آمدن ستون خاک سیمان با قطر بزرگتر (۵تا ۹ متر) میشود که معادل ۲۰ستون جت معمولی است.
 
عوامل موثر در روش جت گروتینگ

• فشاردینامیکی جت
• سرعت جریان
• سرعت هوای پوششی
• نوع و جنس خاک

در مورد خاک، باید به این مورد دقت شود که ساختار خاک به چه میزان با انرژی حاصل از تزریق پر فشار به هم میریزد.همانطور که در شکل نشان داده شده است، خاک غیر چسبنده راحت‌تر فرسایش می‌یابد؛ خاک هرچه چسبنده‌ تر شود امکان شکستن ساختارخاک و افزایش مقاومتآن از طریق این روش دشوارتر است.
در زیر دامنه کاربرد روش‌های تزریق بر حسب دانه‌بندی خاک را مشاهده میکنید:
  تجهیزات روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ)

• سیلوی سیمان
• مخازن آب
• میکسرهای اولیه و ثانویه
• پمپ تزریق
• شلنگ‌های انتقال دوغاب
• دستگاه حفاری و تزریق

کاربرد تزریق با فشار بالا (جت گروتینگ)

• تقویت زیر پی
• پایدارسازی شیب
• پایدارسازی مقطع تونل
• تثبیت گود و آب‌بندی آن

روش اجرای تزریق پر فشار ( جت گروتینگ)
ابتدا آب و سیمان با نسبت‌های مشخص در میکسر اولیه باهم ترکیب می‌شوند. نسبت آب به سیمان را میتوان با روش‌های مختلفی مانند قیف مارش، تعیین چگالی و… کنترل نمود.
پس از اختلاط در میکسر اولیه، دوغاب به میکسر ثانویه پمپ میشود. معمولا ظرفیت میکسر ثانویه در حدود ۵ برابر میکسر اولیه میباشد. نقش اصلی میکسر ثانویه تامین ذخیره دوغاب کافی برای شروع عملیات تزریق می‌باشد.
پمپ تزریق دوغاب موجود در میکسر ثانویه را با فشار مورد نظر (تا۱۰۰۰بار) از طریق شلنگ به رادهای دستگاه حفاری و تزریق منتقل می‌کند.
همزمان با آماده شدن دوغاب در میکسرها دستگاه حفاری تا عمق موردنظر برای ایجاد ستون تزریق پرفشار عملیات حفاری را انجام می‌دهد. در این مرحله تنها آب با فشار کم (درحدود ۲۰ بار) از درون راد دستگاه تزریق می‌شود.
تزریق آب  در این مرحله دو علت دارد:

• بسته نشدن نازل توسط ذرات خاک
• تسهیل حفاری

پس از حفاری تا عمق مورد نظرر آب قطع شده و بجای آن دوغاب با فشار بالادر چرخه‌ی تزریق وارد میشود. وجود یک پیستون (blocking valve) پس از نازل باعث میشود که با آفزایش فشار، دوغاب به سرمته حفاری نرسیده و تنها از نازل خارج شود. نوع سر مته حفری با توجه به نوع خاک تعیین می‌شود.
عملیات تزریق از انتهای گمانه حفاری شده آغاز می‌شود. روش تزریق با توجه به نوع خاک و ستون‌های آزمایشی اجرا شده در ابتدای کار مشخص می‌شود.روش تزریق شامل سرعت دوران و بالا آمدن راد و همچنین فشار تزریق و نسبت آّب به سیمان می‌باشد.
کنترل سرعت دوران و بالا آمدن راد می‌تواند بصورت دستی یا اتومات انجام پذیرد.
در اجرای ستون‌های تزریق پرفشار بایدتوجه کرد به سبب مسائل اجرایی نیاز به وجود حداقل ۱ متر سربار بصورت خاکریز در مکان مورد نظر برای اجرای ستون می‌باشد. این خاکریز پس از اتمام عملیات اجرای ستون‌های تزریق پرفشار برداشته خواهد شد.

مزایای روش تزریق پر فشار (جت گروتینگ)

• کاهش نفوذپذیری خاک
• افزایش مقاومت خاک
• کاهش نشست خاک بر اثر سربار
• جلوگیری از روانگرایی
• اصلاح زمین بصورت درجا
• تبدیل زمین به بخشی از سیستم خاک- سازه
• امکان کنترل و تایید 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 روشهای مشابه