تراکم دینامیکی – روشﻫﺎی بهسازی خاک برای مقابله با روانگرایی

تراکم دینامیکی روش های بهسازی خاک برای مقابله با روانگرایی

در این مقاله هم چون مقالات گذشته سایت به بررسی روش های بهسازی خاک جهت مقابله با روانگرایی پرداخته می شود. در مقالات قبلی به بررسی روش های تزریق (  جت گروتینگ و ..) ، اختلاط عمیق خاک   و  تراکم ارتعاشی پرداخته شد در این مقاله به بررسی روش تراکم دینامیکی یکی دیگر از روش های بهسازی خاک جهت مقاله با روانگرایی پرداخته می شود و روش اجرای و طراحی این روش بهسازی مورد بررسی قرار می گیرد.

 تعریف و تاریخچه

الف- تعریف

تراکم دینامیکی ^[۱] یکی از روش های بهسازی زمین است که از اعمال مقادیر بالای انرژی بر روی سطح زمین ناشی می شود.

این انرژی با بالابردن و رها کردن مکرر کوبه ای که وزن آن از ۵ تا ۲۷ تن و ارتفاع متوسط آن بین ۹ تا ۳۰ متر متغیر است، اعمال می شود.

کوبه به کمک یک جرثقیل معمولی و با استفاده از یک کابل تکی و یک چرخ بالابر ^[۲]  دارای قرقره آزاد که اجازه می دهد کابل با کمترین میزان اصطکاک از روی قرقره باز شود، بالا برده و رها می شود.

انرژی ضربه ای کوبه ها بر روی سطح زمین منجر به تراکم نهشته  خاکی تا اعماقی متناسب با مقدار انرژی اعمالی می شود. عمق بهسازی معمولا از حدود ۳ تا ۱۱ متر که به ترتیب عمق های متناظر با انرژی سبک و سنگین هستند، تغییر می کند.

به دنبال اعمال تراز بالای انرژی، سطح نهشته خاک تا عمقی برابر با عمق گودال های ایجاد شده در شرایط سست قرار می گیرد. این لایه سطحی گاهی اوقات در یک شبکه نقاط نزدیک به هم و با اعمال انرژی سطح پایین تحت عنوان دور اتوکشی ^[۳] متراکم می شود.

شکل (۱) طرح شماتیکی است که روند انجام تراکم دینامیکی را نشان می دهد.

پیکان ها بیانگر مقدار انرژی منتقل شده به داخل توده خاک در پی برخورد کوبه بر روی سطح زمین هستند. خط سینوسی در حال افت بر روی سطح زمین ارتعاشات منتقل شده به خاک اطراف را نشان می دهد.

عمق بهسازی خاک پیش بینی شده به صورت تابعی از نوع خاک و میزان انرژی اعمالی به یک نقطه نشان داده شده است.

چنانچه برای ایجاد یک لایه ی باربر مناسب در زیر خاکریز یا سازه نیاز به بهسازی خاک باشد، تراکم دینامیکی می تواند به عنوان یک راه حل عملی و امکان پذیر مطرح شود؛

چرا که:

– به طور کلی روش تراکم دینامیکی اقتصادی ترین شکل بهسازی  خاک (ساختگاه) است.

در این روش برای بالابردن و رها کردن کوبه ها از جرثقیل های معمولی استفاده می شود که این امکان را به پیمانکاران کوچک محلی می دهد تا برای انجام پروژه با پیمانکاران بزرگ و تخصصی رقابت کنند.

 – روش تراکم دینامیکی را می توان روی محدوده ی وسیعی از نهشته های خاکی شامل خاک های سیلتی تا نهشته های دانه ای قلوه سنگی مورد استفاده قرار داد.

این روش می تواند علاوه بر نهشته های خاکی طبیعی، خاکریزهای مصنوعی ساخت بشر را نیز اصلاح کند.

ب- مرور کلی تاریخچه روش تراکم دینامیکی

در طی قرن ها، رها کردن کوبه ها از ارتفاعات مختلف به عنوان روشی برای متراکم کردن نهشته های خاکی مورد استفاده قرار گرفته است. مطابق اطلاعات موجود، رومی ها از این روش برای متراکم کردن خاک های سست استفاده می کردند.

 اولین گزارش درباره این روش در سال ۱۸۱۲ میلادی توسط Rondelet در کتابی با عنوان Kunst Zu Baun منتشر شد.

در سال ۱۹۳۳ ساختگاهی متشکل از خاک های غیر چسبنده در آلمان با رها کردن کوبه ۱٫۸ تنی از ارتفاع ۱٫۵ متری به کمک یک بیل مکانیکی تحت عملیات تراکم قرار گرفت.

گروه مهندسان ارتش آمریکا ^[۴] نخستین بار در سال ۱۹۳۶ تراکم با استفاده از کوبه های سنگین را در ساخت سد Franklin Falls آزمایش کرد.

 در سال ۱۹۵۵ روش تراکم دینامیکی برای متراکم کردن خاک سست تکیه گاه یک مخزن نفت خام به قطر ۷۶ متر در آفریقای جنوبی مورد استفاده قرار گرفت.

در روسیه، استفاده از وزنه های سنگین در تراکم خاک های سیلتی و ماسه ای سست از حدود سال ۱۹۶۰ آغاز شد.

استفاده از روش تراکم دینامیکی به صورت منظم و پیوسته در اروپا از سال ۱۹۶۹ و در ایالات متحده از سال ۱۹۷۱ شروع شد.

 در اروپا برای متراکم کردن نهشته های خاکریزی شده، وزنه های ۸ تا ۱۰ تنی از ارتفاع ۸ تا ۱۲ متر رها می شدند. این روند تراکم که کوبش سنگین نامیده می شد، بیشتر در نهشته های خاکریزی شده با کیفیت خوب نظیر ضایعات سنگی، لاشه سنگ و ماسه مورد استفاده قرار گرفت.

پس از چند سال، این روش به گونه ای توسعه یافت که محدوده کاربرد آن نهشته های خاکی ریزدانه را نیز شامل شود و نام آن به تحکیم دینامیکی ^[۵] تغییر پیدا کرد.

در ایالات متحده، عملیات تراکم در ابتدا با استفاده از کوبه هایی به وزن ۱٫۸ تا ۵٫۴ تن با ارتفاع متوسط ۶٫۱ تا ۱۰٫۷ متر برای متراکم کردن خاکریزهای توده سنگی و نهشته های دانه ای سست به عنوان تکیه گاه سازه های سبک انجام شد.

 بعدها کوبه هایی با وزن تا حدود ۱۵ تن برای متراکم کردن محل های دفن زباله پیشین مورد استفاده قرار گرفت. این روش در ابتدا کوبش ^[۶] نامیده شد، اما در نهایت به تراکم دینامیکی معروف شد.

تا پیش از سال ۱۹۷۵ روش های تراکم اروپایی و آمریکایی به طور مستقل گسترش یافته و تا حدی تجربی بودند.

در سال ۱۹۷۵، مقاله ای تخصصی منتشر شد که با جنبه های نظری و عملی تراکم دینامیکی سر و کار داشت. در این مقاله فرمولی برای پیش بینی عمق بهسازی به صورت تابعی از انرژی اعمال شده ارایه شد.

 این مقاله اطلاعات کافی برای قرار دادن روش تراکم دینامیکی بر یک مبنای فنی صحیح و معتبر ارایه داد. مقالات بعدی منتشر شده در اروپا و ایالات متحده از این مقاله به عنوان نقطه ی شروعی برای توسعه و مبادله پایگاه داده های تراکم دینامیکی استفاده کردند.

در ایالات متحده، روش های عملی تراکم دینامیکی توسط Lukas در گزارش ۸۶ / ۱۳۳ -FHWARD تحت عنوان “تراکم دینامیکی در ساخت بزرگراه ها” خلاصه شده است که راهنمایی های روشنی را برای اجرای این روش ارایه می دهد.

 پ- واژه نامه

این واژه نامه مجموعه اصطلاحات مختص تراکم دینامیکی را شرح می دهد.

 – انرژی اعمالی: میانگین انرژی اعمال شده بر روی سطح زمین که به صورت مجموع کل انرژی وارد شده در اثر تراکم دینامیکی تقسیم بر مساحت سطحی خاک متراکم شده محاسبه می شود. واحد متداول مورد استفاده برای این کمیت ( kJ/m2) است.

 – گودال : فرورفتگی در سطح زمین در محل سقوط کوبه که از اعمال انرژی ناشی می شود.

 – عمق بهسازی: بیشترین عمقی که در آن بهسازی قابل ملاحظه و محسوس به دست می آید.

– انرژی سقوط: انرژی در هر ضربه که به صورت حاصل ضرب جرم کوبه در ارتفاع سقوط محاسبه می شود.

– انرژی سطح بالا: ترازی از انرژی که برای ایجاد تراکم تا عمق بهسازی اعمال می شود.

 – نشست القایی: میانگین نشست زمین در اثر تراکم که با خواندن تراز زمین قبل و بعد از تراکم دینامیکی تعیین می شود.

– انرژی سطح پایین: ترازی از انرژی که پس از اعمال انرژی سطح بالا برای تراکم نهشته های سطحی تا عمق نفوذ گودال

اعمال می شود. در بسیاری از موارد اعمال انرژی سطح پایین “دور اتوکشی” نامیده می شود.

– دور : اعمال بخشی از انرژی طرح ریزی شده برای یک نقطه کوبش منفرد.

برای انتقال انرژی در نظر گرفته شده در هر یک از نقاط کوبش به چندین ضربه (سقوط کوبه از ارتفاع مشخص) نیاز است.

چنانچه به دلیل ایجاد گودال های عمیق یا اضافه فشار آب منفذی نتوان تمام این ضربه ها را در یک زمان اعمال کرد، پس از محو اضافه فشار آب منفذی با پر کردن حفرات با مصالح دانه ای، اجرای دور یا دورهای دیگر مورد نیاز خواهد بود. معمولا یک مدت انتظار دست کم چند روزه بین اجرای دورهای مختلف وجود دارد.

– مرحله: نشان دهنده الگویی است که انرژی طراحی شده مطابق آن اعمال خواهد شد. به عنوان مثال می توان تمام نقاط کوبش بیرونی یک الگوی شبکه را برای متراکم شدن در مرحله یک انتخاب کرد.

پس از تکمیل مرحله یک، می توان نقاط کوبش میانی را تحت عنوان مرحله دو متراکم کرد. در برخی از پروژه ها تنها از یک مرحله استفاده می شود در حالی که برخی دیگر از پروژه ها تا پنج مرحله ی تراکم را نیز شامل می شوند.

۲ –ملاحظات طراحی

الف- مزایا و معایب / محدودیت ها

• مزیت ها:

مزایا استفاده از روش تراکم دینامیکی شامل موارد زیر است:

– برخورد کوبه بر روی خاک هم شبیه به یک روش کاوش و هم به عنوان یک ابزار اصلاحی به کار می رود.

چنانچه در مناطقی از ساختگاه شرایط خاک ضعیف یا حفرات بزرگ به صورت موضعی وجود داشته باشد، نسبت به نواحی اطراف کوبه بیشتر به داخل زمین فرو خواهد رفت و در نتیجه چاله هایی با عمق بیشتر ایجاد خواهد شد. این موضوع بازخوردی آنی از رفتار خاک را در اختیار مهندس ناظر قرار می دهد.

سپس می توان در خصوص اعمال انرژی بیشتر در این نواحی به منظور اصلاح شرایط خاک نامرغوب و با برداشتن خاک نامرغوب در حالتی که امکان تراکم نهشته تحت انرژی اعمالی وجود ندارد، تصمیم گیری کرد. این جنبه ی کاوش گری تراکم دینامیکی در نهشته های ناهمگن نظیر خاکچال های قدیمی، ضایعات معدنی و یا نهشته های کارستی که در آنها حفرات به صورت موضعی وجود دارند، دارای اهمیت است.

– می توان عملیات تراکم نهشته ها را در همان حال که کار پیش می رود نظارت کرد.

اگر بر روی یک ناحیه چندین دور کوبش انجام شود، معمولا هر دور نسبت به دور قبلی میانگین عمق چاله کمتری ایجاد خواهد کرد.

این نشانه ای از بهسازی ساختگاه براساس مقاومت خاک است. معمولا قبل و بعد از هر مرحله ی اعمال انرژی، نشست زمین قرائت می شود و میزان فشردگی زمین شاخصی از درجه بهسازی خاک به دست آمده است. به طور معمول، در طی عملیات تراکم میزان فشردگی رخ داده در زمین ۵ تا ۱۰ درصد ضخامت ناحیه بهسازی خاک (که با استفاده از معادله ۸-۲ تخمین زده می شود) می باشد. در خاکریزهای بیش از حد سست نظیر خاکچال های تازه ریخته شده، فشردگی زمین می تواند به ۲۰ تا ۲۵ درصد نیز برسد.

– روش تراکم دینامیکی را می توان در ساختگاه هایی متشکل از یک مخلوط بسیار ناهمگن از نهشته ها و محدوده ی دانه بندی متغیر از تخته سنگ های بزرگ و بتن شکسته تا خاک های سیلتی به کار برد.

 تراکم دینامیکی، با به کارگیری تجهیزات مشابه و بدون نیاز به تغییر در تراکم کردن تمام این نهشته ها کارآیی دارد. علاوه بر این نهشته هایی را که پیش از این به عنوان غیر قابل تراکم در نظر گرفته می شدند نظیر نخاله های ساختمانی با خاکچال های بهداشتی تجزیه شده، می توان با استفاده از این روش متراکم کرد.

 تراکم نهشته خاک معمولا یک لایه باربر با تراکم پذیری یکنواخت تر را به وجود می آورد که میزان نشست های تفاضلی را به حداقل می رساند. نواحی ضعیف تر داخل نهشته دستخوش بیشترین میزان اصلاح و بهسازی می شوند که این امر مناطق با قابلیت تراکم پذیری بالا را از بین می برد.

 – در نهشته های متخلخل و نیمه متخلخل می توان در زیر سطح آب به تراکم مورد نظر دست یافت و به این ترتیب روش های پرهزینه آب گیری و یا سیستم های مهاربندی جانبی را که در حفاری های متداول و روش های جایگزینی مورد نیاز هستند، حذف کرد

 – به جز برای کوبه های بسیار سنگین و ارتفاع های سقوط زیاد، پیمانکاران غیر متخصص محلی می توانند تراکم دینامیکی را انجام دهند که این موضوع سبب می شود هزینه اجرای این روش بسیار رقابتی شود.

برای کوبه های بزرگتر و ارتفاع های سقوط بیشتر، تجهیزات باید اصلاح شوند؛ چرا که محفظه قرقره کابل بالاتر از حد معمول قرار دارد. در این حالت برای انجام کار نیاز به پیمانکاران متخصص است.

– در هنگام بروز شرایط نامساعد آب و هوایی نظیر بارندگی و یخبندان می توان اجرای تراکم دینامیکی را ادامه داد به شرط آن که اقدامات پیشگیرانه در خصوص کاهش انباشتگی آب و نفوذ یخ زدگی به عمق در نظر گرفته شود.

آبهای سطحی اضافی باید با شیب دار کردن زمین و جاری ساختن آب یا با پمپاژ برداشته شوند. به وسیله پوشاندن سطح زمین با خاک یا پوشالی که بلافاصله پیش از اجرای تراکم دینامیکی برداشته می شوند، باید از نفوذ یخ زدگی به عمق نهشته های ریزدانه جلوگیری کرد.

• معایب

 معایب تراکم دینامیکی شامل موارد زیر است:

 – تراکم دینامیکی ارتعاشاتی را در زمین تولید می کند که می تواند تا فواصل قابل توجه از نقطه کوبش منتقل شوند.

در مناطق شهری، این موضوع ممکن است استفاده از کوبه های سبک و ارتفاع های سقوط کم و محدود کردن تراکم دینامیکی به نواحی مرکزی و دور از مرز مالکیت را ایجاب نماید. در برخی ساختگاهها به منظور کاهش انتقال انرژی به بیرون ساختگاه ترانشه های کم عمقی در قسمت بالایی توده خاک حفر می شوند.

– به منظور جلوگیری از نرم شدگی سطحی توده خاک و چسبیدن کوبه به خاک، تراز آب زیرزمینی باید پایین تر از ۲ متری زیر سطح زمین قرار داشته باشد.

اگر سطح آب بالاتر از ۲ متر باشد، لازم است که با به کمک پمپاژ سطح آب پایین آورده شود و یا با خاکریزی، تراز کلی ساختگاه افزایش یابد.

– در ساختگاه های متشکل از نهشته های بسیار سست نظیر خاکچال های تازه ریخته شده، خیلی اوقات لازم است لایه ای از مصالح دانه ای نظیر بتن یا سنگ شکسته روی سطح ریخته شود تا به این ترتیب هم یک سکوی کاری برای عملکرد تجهیزات ایجاد شود و هم نفوذ کوبه در محل کوبش محدود شود.

همچنین این لایه سطحی حفاظی را برای نهشته های ضعیف زیری به وجود می آورد. هزینه خاکریز دانه ای می تواند هزینه کلی اجرای تراکم دینامیکی را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

– در فواصل حدود ۶ متر از محل کوبش، کوبه هایی به وزن ۱۵ تا ۳۰ تن جابجایی افقی زمین به میزان ۲۵ تا ۷۶ میلی متر اندازه گیری شده است.

در چنین شرایطی ممکن است تاسیسات یا مجاری مدفون در داخل ناحیه ی تاثیر جابجا شده و یا آسیب ببینند.

ب- بررسی امکان اجرای روش

• تراکم دینامیکی نهشته های مختلف

پارامترهایی از خاک که لازم است برای تعیین مناسب بودن تراکم دینامیکی ارزیابی شوند، عبارتند از:

– نفوذپذیری توده خاک که می توان از روی طبقه بندی خاک تخمین زد؛

– درجه اشباع که به موقعیت سطح آب زیرزمینی مربوط است؛

– طول مسیر زهکشی؛

– وضعیت قرارگیری لایه های خاک نظیر لایه های سخت و ضعیف مدفون.

تراکم دینامیکی در نهشته هایی که در آنها درجه اشباع پایین، نفوذپذیری توده خاک بالا و شرایط زهکشی خوب است، بهترین عملکرد را دارد.

خاک های دانه ای متخلخل به عنوان مناسب ترین نوشته ها برای انجام تراکم دینامیکی در نظر گرفته می شوند.

اگر این نهشته ها در بالای سطح آب قرار گرفته باشند، تراکم آنی بوده و همزمان با فشرده شدن ذرات خاک به یک حالت متراکم تر رخ می دهد. اگر این نوشته ها در زیر سطح آب قرار داشته باشند، نفوذپذیری خاک معمولا بالا بوده و اضافه فشار آب منفذی تولید شده در اثر ضربه کوبه تقریبا بلافاصله مستهلک می شود؛ در نتیجه بهسازی خاک نیز به همان نسبت آنی و بلافاصله است. نهشته های دانه ای متخلخل شامل ماسه ها و شن های طبیعی و نهشته های خاکریزی شده متشکل از نخاله های ساختمانی، رسوبات دانه ای حاصل از ضایعات معدنی، ضایعات صنعتی نظیر تفاله کوره و پسماندهای تجزیه شده هستند.

خاک های رسی اشباع (طبیعی یا خاکریزی شده) بخشی از نهشته هایی هستند که تراکم دینامیکی برای آنها مناسب نیست. در نهشته های اشباع، بهسازی خاک تنها در صورتی رخ می دهد که بتوان آب موجود در فضای حفرات را به بیرون راند. در خاکهای رسی که نفوذپذیری پایین است، اضافه فشار آب منفذی تولید شده در طی تراکم دینامیکی برای مستهلک شدن نیاز به یک مدت زمان

طولانی دارد که تراکم دینامیکی را به یک روش غیر عملی برای این نهشته ها تبدیل می کند. علاوه بر این درجه بهسازی خاک در نهشته های رسی اشباع معمولا بسیار کم و ناچیز است.

در بین دو حد نهایی خاکهای دانه ای متخلخل و نهشته های رسی اشباع، گروه سومی با عنوان خاک های نیمه متخلخل وجود دارد. لای ها، لای های رسی و لای های ماسه ای در این گروه قرار دارند.

اگرچه اجرای تراکم دینامیکی در این نهشته ها عملی و موفقیت آمیز است، اما به دلیل نفوذپذیری پایین تر از حد مطلوب لازم است انرژی در چند مرحله اعمال شود تا به این ترتیب امکان استهلاک اضافه فشار آب منفذی در بین مراحل اعمال انرژی فراهم شود.

گاهی اوقات، استهلاک اضافه فشار آب منفذی در طی دوره های زمانی چند روزه تا چند هفته ای رخ می دهد. در ساختگاه برخی پروژه ها به منظور کوتاه کردن مسیر زهکشی و در نتیجه استهلاک سریعتر فشار منفذی از زهکش های فتیله ای استفاده می شود.

متاسفانه از یک سو در مرحله شناسایی محلی پیش از ساخت، کلیه پارامترهای تاثیرگذار خاک تعیین نمی شوند و از سوی دیگر نمی توان آنها را با دقت اندازه گیری کرد.

می توان تخمینی از نفوذپذیری محلی را از طریق آزمون های جریان کند که در داخل گمانه ها انجام می شوند، به دست آورد. اما این روش در بیشتر پروژه ها به کار گرفته نمی شود. در عوض، نفوذپذیری معمولا از روی طبقه بندی خاک و یا نتایج آزمون های شاخص خاک تخمین زده می شود.

از مطالعه و بررسی جدول اطلاعات گمانه ها می توان ایده هایی در خصوص طول مسیر زهکشی به دست آورد. هرچند ممکن است رگه های نازک ماسه ای موجود در داخل یک نهشته ریزدانه از دید عملیات شناسایی مخفی بمانند.

بنابراین شرایط زهکشی را تنها می توان به صورت ذهنی تخمین زد. در خاکهای ریزدانه، درجه اشباع را می توان از روی آزمون های آزمایشگاهی نظیر وزن مخصوص، میزان رطوبت و چگالی دانه ها تخمین زد. در خاک های درشت دانه، می توان فرض کرد که خاک در بالای سطح آب، نیمه اشباع و در زیر سطح آب کاملا اشباع است.

شکل (۱۶۸) راهنمایی برای تخمین مناسب بودن روش تراکم دینامیکی در نهشته های خاکی مختلف براساس آزمون های شاخص متداول است. در ادامه، تعریفی از ۳ گروه نهشته های نشان داده شده در این شکل به طور مختصر بیان می شود.

 

– ناحیه ی ۱

نشان دهنده نهشته های خاکی نفوذپذیر است که مناسب ترین مصالح برای اجرای تراکم دینامیکی هستند. نفوذپذیری این نهشته ها معمولا ازm/s  ۱۰^-۸  بیشتر است. در این نهشته ها، صرف نظر از این که نیمه اشباع باشد یا کاملا اشباع، با اجرای تراکم دینامیکی بهسازی خاک حاصل می شود.

– ناحیه ی ۳ نهشته های رسی ناتراوا را نشان می دهد.

نفوذپذیری این خاک ها معمولا کمتر از m/s  ۱۰^-۵ است. در حالتی که این نهشته ها اشباع و یا نزدیک به اشباع باشند، روش تراکم دینامیکی برای بهسازی آن ها پیشنهاد نمی شود. در نهشته های رسی که تنها تا حدی اشباع هستند (نیمه اشباع) به شرط آن که میزان رطوبت در زمان تراکم برابر با و یا کمتر از حد خمیری باشد، بهسازی خاک کم و بیش حاصل می شود.

– ناحیه ی ۲ نشان دهنده نهشته های خاکی میانی است که ممکن است بهسازی خاک در آنها حاصل شود به شرط آن که انرژی در چند مرحله اعمال شود تا به این ترتیب اجازه استهلاک کامل فشار آب منفذی در بین مراحل داده شود.

نفوذپذیری این نهشته ها معمولا بینm/s  ۱۰^-۵ تا m/s  ۱۰^-۸  است. روند پیشنهادی برای ارزیابی این که آیا نهشته های خاکی موجود در یک ساختگاه برای اجرای تراکم دینامیکی مناسب هستند یا خیر، به این صورت است که ابتدا به منظور مشخص نمودن ناحیه قرارگیری منحنی دانه بندی بر روی شکل ۲ ، دانه بندی نمونه های شاخص خاک تعیین می شود.

چنانچه منحنی دانه بندی خاک در ناحیه ی ۱ قرار بگیرد، مطابق مراحل طراحی و اجرای تراکم دینامیکی پیش می رویم. اگر خاک در محدوده نواحی ۲ یا ۳ قرار بگیرد، انجام آزمون های اضافی شامل میزان رطوبت و چگالی دانه ها به تعیین درجه اشباع کمک خواهد کرد.

همچنین لازم است که موقعیت سطح آب تعیین شود و نشان داده شود که آیا رگه های متخلخلی در داخل نهشته خاک وجود دارند یا خیر.

چنانچه به جای دانه بندی خاک، نفوذپذیری اندازه گیری شده در محل مناسب بودن روش تراکم دینامیکی برای خاک را تعیین کند، باید آزمون های نفوذپذیری محلی اضافی در نظر گرفته شود. اگر آزمایش ها قرار گرفتن خاک در ناحیه ی ۳ را تایید کنند، باید روش های جایگزین بهسازی زمین مورد بررسی قرار بگیرد. اگر نهشته در قالب ناحیه ی ۲ دسته بندی شود، تراکم دینامیکی موثر خواهد بود اما انرژی باید در چند مرحله اعمال شود.

در برخی پروژه ها، برای ارزیابی موثر بودن تراکم دینامیکی قبل از اجرا از مقاطع آزمایشی استفاده می شود. هنگامی که لایه بندی خاک متغیر باشد، این روش دارای اهمیت ویژه ای است. لایه های سخت و سست موجود در یک نهشته های یکنواخت می توانند عمق و درجه بهسازی خاک را تحت تاثیر قرار دهند.

برای اندازه گیری میزان بهسازی خاک، معمولا قبل و بعد از اعمال انرژی گمانه هایی حفر شده و آزمون های نفوذ استاندارد، نفوذ مخروط و پرسیومتر انجام می شوند. در طی اجرای تراکم دینامیکی ممکن است سطوح مختلف انرژی اعمال شده و مورد ارزیابی قرار بگیرد. در خاک های ریزدانه، برای اندازه گیری مقدار فشار آب منفذی تولید شده در اثر تراکم دینامیکی و زمان استهلاک آن می توان پیزومترهایی را نصب کرد. اطلاعاتی که از یک مقطع آزمایشی به خوبی ابزارگذاری شده و نظارت شده جمع آوری می شود. در آماده کردن مشخصات فنی ارزنده ای که می تواند هزینه های اجرا را پایین آورده و از تاخیرهای اجرایی جلوگیری کند، بسیار مفید است.

 ملاحظات زیست محیطی:

هرگاه که یک کوبه به زمین برخورد می کند، ارتعاشات از طریق لایه های زیرسطحی منتقل می شوند به طوری که شدت آنها با افزایش فاصله از نقطه کوبش کاهش می یابد. به منظور اجرای تراکم دینامیکی در نزدیکی محدودهی املاک باید ارتعاشات ایجاد شده در زمین که به بیرون ساختگاه منتقل می شوند، منتقل شود.

اداره معادن ایالات متحده با بررسی موارد اجرای تراکم دینامیکی این نکته را دریافت که خرابی ساختمان ها به سرعت ذرات مرتبط است.

شکل ۳ توسط این اداره و براساس تجارب آنها در خصوص خرابی های اندازه گیری شده در ساخت و سازهای مسکونی در اثر ارتعاشات ناشی از انفجار ارایه شده است.

مقدار حدی سرعت ذرات بستگی به بسامد موج ایجاد شده دارد. معمولا تراکم دینامیکی منجر به تولید بسامدهای ۵ تا ۱۲ هرتز می شود. با استفاده از شکل ۳ به عنوان راهنما، این بسامد، سرعت حدی ذرات را به مقدار mm/ s 13 برای خانه های قدیمی با دیوارهای دارای اندود گچی و mm/ s19 برای ساختمان های جدیدتر با دیوارهای ساخته شده از تخته های گچی محدود می کند.

بیشتر شدن سرعت حدی ذرات از مقادیر ارایه شده در شکل ۳ به این معنی نیست که خرابی رخ خواهد داد؛ بلکه این مقادیر آستانه  پایینی را نشان میدهند که با عبور از آن ممکن است ترک خوردگی اندود گچی یا بلوک گچی رخ دهد.

 

اطلاعات به دست آمده توسط اداره معادن ایالات متحده نشان میدهد که خرابی جزیی هنگامی رخ میدهد که سرعت ذرات از mm/ s 51 بیشتر شود و چنانچه سرعت ذرات از حدود mm/ s 193 تجاوز کند، خرابی عمده روی خواهد داد.

بنابراین نگه داشتن سرعت ذرات پایین تر از حدود mm/ s13 – 19 می تواند مقدار محافظه کارانه ی معقولانه ای برای به حداقل رساندن خرابی باشد. به طور معمول در زمان اجرای تراکم، ارتعاشات ایجاد شده در زمین با استفاده از یک لرزه نگار اندازه گیری می شود. خواندن اطلاعات در روی زمین و در مجاورت سازه های نزدیک انجام می شود. با این حال، پیش از شروع عملیات تراکم لازم است سرعت ارتعاشات زمین پیش بینی شود چرا که این کمیت ممکن است تراز اعمال انرژی در مجاورت تاسیسات موجود را تحت تاثیر قرار دهد.

برای مقاصد طراحی می توان از شکل ۴ استفاده کرد. ابتدا جذر انرژی حاصل از یک کوبش (ارتفاع کوبش ضربدر جرم کوبه) تقسیم بر فاصله از نقطه کوبش برای محاسبه ضریب انرژی مقیاس شده به کار میرود. سپس می توان این مقدار را به همراه نوع نهشته ی خاکی که بیشترین شباهت را به خاک در حال تراکم دارد، برای پیش بینی سرعت ذرات مورد استفاده قرار داد. شکل ۴ براساس داده های واقعی به دست آمده از ساختگاه های مشخص ترسیم شده است.

چنانچه مقدار محاسبه شده سرعت ذرات بیشتر از حد مطلوب باشد، لازم است که با مقدار انرژی کاهش یابد و با فاصله میان نقطه کوبش و تاسیسات مجاور افزایش یابد. هر کدام از این تمهیدات ضریب انرژی مقیاس شده را کاهش خواهد داد. در برخی ساختگاه ها، به منظور کاهش سرعت ذرات ترانشه هایی در امتداد خطوط مرزی حفر شده است. بررسی های صورت گرفته نشان داده است که این روش می تواند در کاهش امواج سطحی منتقل شده به بیرون ساختگاه تا اندازهای مفید باشد. کارآیی این ترانشه ها را می توان در زمان اجرا با خواندن مقادیر ارتعاشات ناشی از ضربه کوبه در دو طرف ترانشه ارزیابی کرد.

 

اگرچه ممکن است در اثر اجرای تراکم دینامیکی خرابی خاصی رخ ندهد، اما هنوز هم ارتعاشات ایجاد شده در زمین توسط انسانها احساس خواهد شد. این ارتعاشات می تواند آزاردهنده بوده و منجر به شکایت شود.

پاسخ نسبی ارایه شده توسط افراد در سمت راست شکل ۴ نشان داده شده است. ارتعاشات زمین در محدوده ی m/ s 13 – 19 مزاحم ساکنین اطراف خواهد بود. چنانچه ارتعاشات زمین در این محدوده باشد، به منظور کاهش ترس صاحبان املاک مجاور، لازم است برخی آموزش ها از طرف مالک یا پیمانکار عملیات تراکم انجام شود.

تاسیسات مدفون بدون آن که خراب شوند، سطوح بالاتری از ارتعاش را نسبت به ساختمانها تحمل می کنند؛ چرا که تاسیسات توسط توده خاک احاطه شده اند. این تاسیسات همراه با توده خاک حرکت کرده و به صورت محصور باقی می مانند.

شاهراه ها و لوله های آب سرعت ذراتی در حدود mm/ s 76 را بدون خرابی تحمل می کند. تراکم دینامیکی همچنین باعث تغییر مکان جانبی زمین می شود.

شکل ۵ اندازه گیری های صورت گرفته برای سه نوع خاک مختلف را که توسط انحراف سنج های واقع در فواصل ۳ و ۶ متری از نقطه برخورد کوبه هایی به وزن ۱۵ تا ۲۹ تن انجام شده است، نشان می دهند.

در فاصله ی ۳ متری از نقطه کوبش، تغییر شکل های جانبی به میزان ۲۵۴ تا ۳۰۵ میلی متر مشاهده می‌شود. در حالی که در فاصله ۶ متری مقدار این تغییر شکل ها از ۱۳ تا ۷۶ میلی متر نوسان می کند. این ها تغییر شکل های پایداری هستند که هنگامی که زمین بر اثر کوبش به صورت جانبی جابجا می شود، رخ می دهند.

براساس این اندازه گیری ها و مشاهدات صورت گرفته از دیگر ساختگاه ها، به نظر می رسد که اگر جابجایی حاصل منجر به خرابی سازه های مدفون شود، عملیات تراکم دینامیکی با کوبه هایی به وزن ۱۵ تا ۳۰ تن نباید در محدوده ۶ تا ۷ متری این سازه ها انجام شود. این محدودیت می تواند تاسیسات و پی سطحی سازه ها را شامل شود.

گاهی اوقات ممکن است در اثر ضربه حاصل از برخورد کوبه به زمین، ذرات توده در حال تراکم در هوا پراکنده شوند. در نوشته های خاکی خشک و نهشته هایی که حاوی ذرات بزرگتر نظیر قلوه سنگ و تخته سنگ هستند و یا حتی ساختگاه های خاکچالی شامل آجر و بطری، احتمال رخ دادن این اتفاق وجود دارد. برای اجتناب از برخورد با واریزه های پرتاب شده در هوا باید یک فاصله ی کاری ایمن از نقطه کوبش مشخص شود.

در جایی که قرار است تراکم دینامیکی در مجاورت مستقیم یک خیابان یا یک ساختمان دیگر انجام شود، به منظور جلوگیری از پرتاب ذرات به بیرون ساختگاه، ممکن است نیاز به برپایی یک حفاظ یا مانع باشد.

مسایل ایمنی و هزینه ای ناشی از سایش سریع کابل باید توسط پیمانکار مورد توجه قرار گیرد.

راه حل این موضوع می تواند شامل استفاده از مفاصل گردان ، کاهش طول کابل، استفاده از کابل اتصالی، استفاده از کابل های با سطح غیر دوا، قرار دادن لاستیک های سایشی روی کوبه و یا دیگر اصلاحات خاص تجهیزات باشد.

در روش تراکم دینامیکی محدودیت عمق بهسازی وجود دارد. سنگین ترین کوبه ای که می توان آن را با تجهیزات متداول بلند کرد، حدود ۱۶ تن با ارتفاع سقوط ۲۳ تا ۲۷٫۴ متر است. این ترکیب وزن و ارتفاع سقوط منجر به بیشینه  عمق بهسازی حدود ۱۱ متر خواهد شد.

اگر عمق بهسازی بیشتری مورد نیاز باشد، می توان تجهیزات تخصصی را برای بلند کردن و رها کردن کوبه های ۲۷ تنی از ارتفاع ۳۰ متری به منظور دستیابی به عمق بهسازی ۱۴ متر به کار برد.

اگر بهسازی عمیق تری لازم باشد، باید ترکیب تراکم دینامیکی با دیگر روش های بهسازی نظیر تزریق و ستون های شنی در نظر گرفته شود.

پ- کاربردها

هدف اصلی تراکم دینامیکی متراکم کردن نهشته های طبیعی و مصنوعی (خاکریزی شده) به منظور بهبود خواصی از خاک است که عملکرد را تحت تاثیر قرار می دهند.

کاربردهای عمده تراکم دینامیکی تا به امروز شامل موارد زیر است:

١- تراکم نهشته های سست

۲- فروپاشی حفرات بزرگ

• تراکم نهشته های سست

کاربرد اصلی روش تراکم دینامیکی متراکم کردن نهشته های سست به منظور کاهش نشست ناشی از اعمال بار است.

تراکم از به هم فشردگی ذرات خاک و کاهش نسبت تخلخل ناشی می شود. در خاک های نیمه اشباع، روند متراکم شدن مشابه تراکم ضربه ای آزمایشگاهی در روش پروکتور است.

در ماسه های ریز و لای های اشباع یا نزدیک به حالت اشباع، اضافه فشار آب منفذی ایجاد شده در اثر ضربه برخی از اتصال های نقطه به نقطه  میان ذرات خاک را آزاد می کند. به دنبال محو فشار آب منفذی، ذرات خاک در یک حالت متراکم تر انباشتگی و با میزان رطوبت کمتر باز چیده می شوند.

در مناطقی که در معرض فعالیت های لرزه ای قرار دارند، نهشته های ماسه ای یا ماسه های لای دار که تحت شرایط بارگذاری استاتیکی پایدار هستند، می توانند در طی یک رخداد لرزه ای روانگرا شوند. تراکم دینامیکی برای متراکم کردن این نهشته ها به کار می رود. به طوری که استعداد آنها به وقوع روانگرایی لرزه ای را از بین برده و یا آن را کاهش می دهد.

شکل ۶ رفتار خاک را در طی اجرای تراکم دینامیکی نشان می دهد. نهشته خاک به صورت یک نمودار فاز متشکل از سه قسمت مجزا یعنی مصالح جامد، مایع و گاز توصیف می شود.

نمودار فاز نشان داده شده در سمت چپ شکل ۶ بیانگر حالت اولیه نهشته خاک است. در طی مرحله نخست اعمال انرژی، اضافه فشار آب منفذی در بخش مایع نهشته خاک تولید شده و سپس با گذشت زمان مستهلک می شود.

زمان مورد نیاز برای استهلاک فشار آب منفذی تابعی از نفوذپذیری توده خاک و فاصله تا مسیر زهکشی است. همچنین مقداری نشست القایی زمین وجود دارد که با یک افت در خط بالایی نمودار فاز نشان داده شده است. این نشست القایی از دفع بخش از گاز و مایع موجود در حفرات ناشی شده و یک نسبت تخلخل کمتر را به وجود می آورد. بخش جامد نهشته ی خاک به همان صورت باقی می ماند.

در جریان مرحله دوم اعمال انرژی، فشار آب منفذی در طى کوبش به طور موقت افزایش می یابد. اما این بار مقدار افزایش اندکی کمتر است. در انتهای مرحله دوم، اضافه فشار آب منفذی یک بار دیگر مستهلک شده و به شرایط اولیه باز می گردد.

در این مرحله، ضخامت بخش مایع اندکی کمتر از مرحله نخست کاهش می یابد و بخش گاز نیز تا حدی کمتر است. نشست القایی فراتر از آنچه که در طی مرحله نخست رخ داد، افزایش یافته و نسبت تخلخل خاک نیز کاسته می شود.

 

در طی مرحله سوم، اضافه فشار آب منفذی دوباره اما این بار به میزان کمتری نسبت به مراحل قبلی تولید می شود. بار دیگر در حین استهلاک فشار آب منفذی مقداری آب به بیرون رانده می شود و نشست القایی کل اندکی افزایش می یابد.

حالت نهایی توده خاک در سمت راست شکل ۶ نشان داده شده است. حجم قسمت جامد مشابه با حالت اولیه باقی می ماند اما حجم بخش مایع و گاز کاهش می یابد. نسبت تخلخل کاهش یافته منجر به کاهش تراکم پذیری و افزایش مقاومت نهشته می شود.

• فروپاشی حفرات بزرگ

در هر دو مورد نهشته های طبیعی و مصنوعی ممکن است حفرات بزرگی در داخل توده خاک وجود داشته باشد. به منظور فروپاشی این حفرات و فراهم آوردن یک شالوده یکنواخت تر که نشست های تفاضلی را کاهش می دهد، از تراکم دینامیکی استفاده می شود.

در نهشته های کارستی، حفرات موجود در نهشته ی خاک در اثر فرسایش گسترش پیدا کرده و در بسیاری از موارد به غارهای بزرگ زیرزمینی کارستی تبدیل می شوند که این غارها در نتیجه  حل سنگ آهن یا دولومیت ایجاد می شوند.

خطر نشستهای بزرگ پیش بینی نشده یا فروپاشی حفرات خاک را می توان با انجام تراکم دینامیکی کاهش داد. برای این که عملیات تراکم دینامیکی موثر باشد، باید به کمک معادله زیر موقعیت حفرات در عمق بهسازی تعیین شود.

نهشته های خاکریزی شده ی مصنوعی متشکل از نخاله های ساختمانی، زباله های جامد، ضایعات معدنی و یا مواد حاصل از فرآیند معدنی ممکن است حفره های بزرگی داشته باشند که این حفره ها در طی عملیات خاکریزی ایجاد می شوند.

مجاری مدفون نظیر لوله ها و مخازن، عامل دیگری برای ایجاد حفره در نهشته های خاک هستند. این حفرات را می توان با کمک تراکم دینامیکی فروریخت به شرط آن که در داخل ناحیه بهسازی قرار گرفته باشند.

در ساختگاه هایی که حفرات بزرگ شناخته شده یا احتمالی وجود دارد، باید تمهیداتی در خصوص اعمال انرژی اضافی به صورت موضعی در نظر گرفته شود. عمق بیش از اندازه  چاله سطحی یا فررفتگی بیش از حد عادی سطح زمین نشان دهنده  وجود چنین حفراتی است. در چنین ساختگاه هایی به انجام بازبینی های محلی دقیق نیاز است.

۳-تجهیزات اجرا و مصالح مناسب

الف – تجهیزات

برای آن دسته از پروژه های تراکم دینامیکی که وزن کوبه های آنها کمتر از حدود ۱۶ تن است، از جرثقیل های متداول استفاده می شود.

گاهی اوقات کوبه ها مختص عملیات تراکم دینامیکی ساخته می شوند در حالی که برخی دیگر از آنها از قالب های فولادی و منابع دیگر نظیر در گاو صندوق بانکها درست می شوند.

از جمله قطعات وابسته تجهیزات تراکم دینامیکی یک بولدوزر سر جلو است که پس از ایجاد گودالها برای تسطیح زمین به کار می رود. همچنین ممکن است به منظور فراهم آوردن یک بستر کاری محکم در سرتاسر ساختگاه نیاز به آوردن مصالح دانه ای از بیرون ساختگاه باشد.

به دلیل نیاز بیشتر پروژه های تراکم دینامیکی به تجهیزات متداول و در دسترس، بسیاری از پیمانکاران عمومی، تخریب و یا حفاری هنگامی که به خوبی راهنمایی و نظارت شوند، می توانند پروژه های تراکم دینامیکی را انجام دهند.

• کوبه ها

تراکم دینامیکی معمولا با کوبه هایی به وزن ۵ تا ۲۷ تن انجام می شود. کوبه های سبک تر در جایی به کار می روند که ضخامت نهشته  مورد نظر برای بهسازی نسبتا کم (حدود ۳ متر) است و کوبه های سنگین تر برای نهشته هایی با ضخامت حدود ۹ تا ۱۲ متر مورد استفاده قرار می گیرند.

کوبه ها باید خیلی سخت و محکم باشند چرا که هنگام برخورد این وزنه ها با زمین تنش های زیادی در آنها ایجاد می شود. بیشتر کوبه ها از فولاد توپر ساخته می شوند اما برخی از آنها یک صفحه زیری به همراه دیوارهای جانبی فولادی دارند که فضای داخلی آن با بتن پر شده است. کوبه هایی که فقط از بتن ساخته می شوند عمر نسبتا کوتاهی دارند.

کوبه ها می توانند در اشکال مربعی، دایره ای و یا شش گوشه ساخته شوند اما همواره باید یک سطح زیرین صاف داشته باشند. معمولا کوبه ها هنگام بلند کردن می پیچند چرا که حالت مارپیچی کابل در اثر بار سنگین کوبه ها باز می شود. بنابراین یک کوبه دایره ای همیشه روی همان اثر قبلی به زمین برخورد خواهد کرد.

البته از کوبه های مربعی شکل نیز استفاده می شود اما یک الگوی دایره ای شکل از حفرات در محل برخورد کوبه ایجاد می شود. گاهی اوقات برای جلوگیری از چرخش کوبه در حین بالا کشیدن و رها کردن از سیم های مهاری استفاده میشود.

فشار تماسی در کف کوبه ها باید در محدوده ی kPa 36 – 72 باشد. این فشار با تقسیم وزن کوبه بر مساحت کف آن به دست می آید.

اگر فشار کوبه به طور قابل توجهی بیشتر از این مقادیر باشد، ممکن است منجر به نفوذ کوبه به داخل زمین شود بدون آن که تراکمی رخ دهد. فشارهای کمتر از حدود kPa 36 انرژی را روی ناحیه ای وسیع تر از آنچه که منجر به تراکم عمیق شود، پخش خواهند کرد. گاهی اوقات پس از آن که تراکم عمیق تمام شد، کوبه هایی با فشار تماسی پایین برای ایجاد تراکم سطحی مورد استفاده قرار می گیرند. فشار تماسی در کف این کوبه ها معمولا حدود kPa 10 – 34 است. در برخی پروژه ها تراکم سطحی یا با تجهیزات متداول تراکم و یا با غلتک زنی توسط یک کامیون کمپرسی کاملا پر به انجام می رسد.

تجهیزات بالابر

برای انتقال بیشترین مقدار انرژی به زمین، کوبه ها با استفاده از یک کابل تکی و گردونه ای بر روی تجهیزات بالابر که دارای قرقره آزاد است بالا کشیده و رها می شوند.

تنها موارد افت انرژی که در این نوع تجهیزات رخ می دهد، اصطکاک قرقره آزاد درون گردونه، اصطکاک کابل روی قرقره بالایی بازوی جرثقیل و مقداری مقاومت هوا در کف کوبه است. همچنین یک سری قطعات تخصصی تجهیزات وجود دارند که کوبه را با استفاده از کابلهای چندگانه بلند می کنند. سپس یک ساز و کار رهاسازی امکان سقوط آزاد زا برای کوبه فراهم می کند. این شیوه همچنین روشی قابل قبول برای اعمال انرژی است.

جرثقیل های متداول معمولا برای کوبه هایی به وزن ۵ تا ۱۶ تن مورد استفاده قرار می گیرند. جدول ۱ نوع جرثقیل و ابعاد کابل مورد نیاز برای بالا کشیدن و رها کردن مکرر کوبه هایی با ابعاد مختلف را نشان می دهد.

برای کوبه هایی به وزن ۱۶ تا ۲۳ تن به منظور جلوگیری از خرابی، باید تجهیزات بالابر متداول اصلاح شوند. هنگامی که کوبه رها می شود، حرکت گهواره ای حاصل تنشی را در میله متصل کنندهی کابین به شنی جرثقیل ایجاد می کند. برای کاهش این تنش، خیلی اوقات پایه هایی را بر روی سکوها قرار می دهند تا از حرکت گهوارهای کاسته شود. علاوه بر این، برای این که گردونه های بالابر در برابر نیروها مقاومت کنند، بزرگتر و ضخیم تر ساخته می شوند.

 

ب – مصالح

• لایه تثبیت کننده سطحی

در جایی که شرایط زمین سست غالب است، به منظور فراهم آوردن امکان تردد تجهیزات تراکم دینامیکی در سرتاسر ساختگاه و نیز کاهش نفوذ کوبه به داخل زمین، ممکن است نیاز به قرار دادن یک لایه تثبیت کننده سطحی باشد. نهشته های سست، خاکچال های نسبتا جدید با یک لایه ی پوششی نازک و یا نهشته های از ضایعات معدنی که در سطح به حد پایین تری از درجهی سفتی هوازده شده است را شامل می شوند.

لایه تثبیت کننده معمولا از مصالح دانه ای با محدوده ی دانه بندی بین ابعاد ماسه و بیشینه ابعاد ۱۵۲ میلی متر تشکیل می شود. ضخامت این لایه ها بستگی به پایداری نهشته های سطحی دارد. اما ضخامت هایی در محدوده ۳۰ تا ۹۰ سانتی متر با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است.

در ساختگاه هایی که نهشته های موجود در آنها پایدارتر هستند (نظیر نهشته های ضایعات معدنی، نهشته های یخ آبرفتی دانه ای غیر متراکم و خاکچال های تجزیه شده قدیمی که در بالای سطح آب قرار گرفته اند) نیاز به استفاده از لایه های تثبیت کننده سطحی نیست. از آن جایی که اجرای لایه تثبیت کننده می تواند به اندازه عملیات تراکم دینامیکی هزینه بر باشد، تنها در جایی که کاملا ضروری باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

پ- ترتیب مراحل اجرا

تراکم دینامیکی معمولا طبق یک الگوی شبکه ای در سرتاسر محوطه پروژه انجام می شود و به اندازه فاصله ای برابر با ضخامت نهشته ضعیف در حال تراکم در خارج از مرزهای پروژه امتداد می یابد. انرژی را می توان در یک یا چند مرحله و برای هر مرحله در یک یا چند دور اعمال کرد.

منظور از یک مرحله، اعمال انرژی در یک الگوی خاص است. برای مثال، نخستین اعمال انرژی روی نقاطی با فاصله ۱ در سرتاسر محوطه را می توان مرحله یک نامگذاری کرد.

مرحله ی دو می تواند اعمال انرژی در بین نقاط شبکه ای اولیه باشد. اعمال انرژی تک مرحله ای اغلب در پروژه هایی مورد استفاده قرار می گیرد که فشارهای منفذی به سرعت مستهلک شده و قابلیت اعمال انرژی روی نقاط شبکه ای که در مجاورت مستقیم نقاط تازه متراکم شده قرار دارند، وجود داشته باشد. اعمال انرژی چند مرحله ای در پروژه هایی به کار می رود که فشار آب منفذی تولید شده و برای مستهلک شدن به زمان نیاز داشته باشد. بنابراین بهتر است انرژی روی یک شبکهی نقاط پراکنده و متناوب اعمال شود.

منظور از یک دور، اعمال انرژی به صورت نموی در هر یک از نقاط کوبش است. به عنوان مثال، چنانچه طرح تراکم به این شکل باشد که در محل یک نقطهی کوبش مشخص ۱۲ ضربه اعمال شود، اما تنها بتوان ۳ ضربه را قبل از آن که عمق گودال بیش از اندازه شده و یا بالاآمدگی زمین رخ دهد اعمال کرد، ۳ ضربه ی نخست تحت عنوان دور اول نامیده می شوند. پس از آن که دور اول به اتمام رسید، فرصت داده می شود تا فشار آب منفذی مستهلک شود و گوال ها نیز پر می شوند. هنگامی که ضربه های تکمیلی

اعمال می شوند، این کوبشها تحت عنوان دور دوم از همان مرحله نامگذاری می شوند. در نهشته های ریزدانه، گاهی لازم است ۳یا ۴ دور به کار رود؛ در حالی که در نهشته های متخلخل تر اعمال تنها یک دور کافی است.

در حالی که در بیشتر پروژه ها تراکم دینامیکی روی یک الگوی شبکه ای انجام می شود، برخی پروژه ها نیاز به اعمال انرژی اضافی در محل های ویژه دارند. برای مثال، می توان در محل پی ها انرژی اضافی اعمال کرد. در پروژه هایی که در محل آنها تشکیلات کارستی وجود دارد، ممکن است نشست حاصل در برخی نواحی بیشتر باشد که این موضوع نشان دهنده وجود حفرات است و می توان در این نقاط انرژی اضافی اعمال کرد.

۴-مفاهیم طراحی

الف – تعریف مساله

چنانچه ملاحظات مقدماتی طراحی که در بخش ملاحظات طراحی مورد بحث قرار گرفت، نشان دهد که اجرای تراکم دینامیکی برای یک پروژه مناسب خواهد بود، گام بعدی تهیه یک طرح تفصیلی (طرحی مشخص تر و دارای جزییات بیشتر برای مراحل مورد استفاده در تراکم دینامیکی است. این طرح موارد زیر را شامل می شود:

– تعیین نیازمندیهای عملکردی پروژه برای سازه تکمیل شده؛

– انتخاب وزن و ارتفاع سقوط کوبه متناظر با عمق موردنیاز بهسازی؛

– تخمین درجه بهسازی حاصل از اجرای تراکم دینامیکی؛

– تعیین انرژی اعمالی مورد استفاده در کل ساختگاه پروژه برای ایجاد بهسازی

ب- نیازمندی های عملکردی

تراکم دینامیکی توده خاک را متراکم می کند و این به نوبه خود مقاومت برشی خاک را افزایش داده و نفوذپذیری را کاهش می دهد. مقدار کمینه خواص خاک که برای عملکرد مناسب سازه ها و تاسیسات جدید مورد نیاز است، باید با استفاده از تحلیلهای متداول تعیین شود، که این تحلیل ها معمولا براساس نتایج آزمون های SPT و CPT هستند.

سپس می توان مقادیر مورد نیاز خواص خاک را با مقادیر تخمینی خواص بهبود یافته در اثر تراکم دینامیکی مقایسه کرد. بر این اساس می توان تعیین کرد که آیا تراکم دینامیکی قابلیت ایجاد اثر مورد نظر را دارد یا خیر.

به عنوان مثال، اگر قرار باشد یک خاکریز جاده روی خاک سست ساخته شود، یکی از نگرانی های طراحی نشست خاکریز است. بیشتر خاکریز ها می توانند نشست های تا حدود ۱۵۰ میلی متر را بدون نمود خرابی بر روی سیستم پیاده رو تحمل کنند؛ به شرط آن که نشست تا حد قابل قبولی یکنواخت باشد، در مجاورت سازه های متکی به شمع رخ ندهد و خیلی به آرامی به وقوع بپیوندد.

برای تعیین این که آیا نشست کمتر از ۱۵۰ میلی متر خواهد بود یا خیر، می توان براساس خواص تخمین زده شده خاک پس از تراکم، نشست را برای ارتفاع خاکریز مورد نظر محاسبه کرد. اگر نشست کمتر از مقدار مجاز باشد، تراکم دینامیکی نیازمندی های پروژه را برآورد خواهد کرد. اما اگر نشست تخمین زده شده با استفاده از تحلیل های متداول از آنچه که خاکریز می تواند تحمل کند بیشتر شود، باید روش های دیگر تقویت خاکریز مورد بررسی قرار گیرد.

در جایی که ظرفیت باربری خاک زیر پی مورد توجه باشد، می توان روند مشابهی را دنبال کرد. به این صورت که خواص تخمین زده شده  خاک بر اساس روش های ارایه شده در این بخش در یک تحلیل گسیختگی متداول به کار می رود تا تعیین شود که آیا برای جلوگیری از گسیختگی، ظرفیت باربری به اندازه ی کافی افزایش یافته است یا خیر.

اگر هدف تراکم جلوگیری از وقوع روانگرایی باشد، تحلیل های متداول معمولا براساس نتایج آزمون های SPT و CPT انجام می شوند. مقدار کمینه عدد نفوذ استاندارد یا مقاومت نفوذ مخروط برای پیشگیری از روانگرایی توسط این تحلیل ها تعیین می شود. مقادیر عدد نفوذ استاندارد و مقاومت نفوذ مخروط اصلاح شده پس از انجام تراکم را می توان به کمک روشهای ارایه شده در این بخش تخمین زد.

اگر مقدار کمینه عدد نفوذ استاندارد و مقاومت مخروط قابل دستیابی باشد، می توان نتیجه گرفت که تراکم دینامیکی یکی از روش های مناسب برای بهسازی زمین است.

روش های ارایه شده در این بخش برای تخمین بهسازی حاصل، پیش از شروع پروژه انجام می شوند. اما لازم است میزان بهسازی به دست آمده با استفاده از آزمون های محلی اضافی کنترل شود.

در نهشته هایی که به صورت کنترل نشده خاکریزی می شوند، همواره احتمال دارد که یک سری نواحی  بیش از اندازه است خاک در داخل نهشته با تراکم متوسط وجود داشته باشند.

ممکن است در هیچ کدام از گمانه های اولیه به این بسته های خاک سست برخورد نشده باشد؛ اما اگر مهندس طراح از این موضوع آگاه باشد که ساختگاه متشکل از خاکریزهای کنترل نشده است، تراکم دینامیکی می تواند خطر نشست تفاضلی ناشی از این بسته های دیده نشده  خاک سست را کاهش دهد.

از آن جایی که تراکم دینامیکی روی یک الگوی شبکه ای در سرتاسر ساختگاه انجام می شود، وجود این بسته های سست در طی عملیات تراکم آشکار خواهد شد. می توان برای تراکم این خاکریزهای سست انرژی اضافی اعمال کرد و یا این که بخشی از نهشته سست را با مصالح دانه ای جایگزین کرده و سپس تراکم دینامیکی را روی این مجموعه اعمال کرد.

پ- عمق و وسعت بهسازی

عمق بهسازی تابعی از مقداری متغیر شامل وزن کوبه، عمق سقوط، نوع خاک و متوسط انرژی اعمالی است. تمام این عوامل در رابطه ی زیر بیان شده اند:

 

 

عوامل دیگری که عمق بهسازی را تحت تاثیر قرار می دهند شامل وجود لایه های سست جاذب انرژی و لایه های سخت در سطح زمین که مانع انتقال انرژی به عمق های بیشتر می شوند، هستند. بحث جامع تری در خصوص عوامل موثر بر عمق بهسازی در مرجع (۱۹۹۵) Lukas ارایه شده است.

بسته به تجهیزات موجود می توان ترکیبات مختلفی از W و H را در رابطه فوق به کار برد. شکل ۸ رابطه میان ارتفاع سقوط و وزن کوبه مورد استفاده در تعداد زیادی از پروژه ها را به شکل خلاصه بیان می کند.

این شکل را می توان به عنوان یک نقطه ی شروع، همراه با انجام اصلاحاتی روی N و H بسته به پیمانکار انتخاب شده، مورد استفاده قرار داد.

میزان بهسازی خاک حاصل در اثر اجرای تراکم دینامیکی معمولا با استفاده از آزمون های برجای متداول نظیر SPT و CPT اندازه گیری می شود. به منظور ارزیابی و نظارت میزان بهسازی نتایج به دست آمده از آزمون ها پس از اجرای تراکم دینامیکی با مقادیر اولیه ی قبل از تراکم دینامیکی مقایسه می شوند. معمولا بیشترین مقدار بهسازی در نزدیکی بخش بالایی خاک تحت تراکم رخ می دهد و سپس با افزایش عمق کاهش می یابد. شکل ۹ تغییرات بهسازی با عمق را نمایش می دهد. نواحی نشان داده شده در این شکل به صورت زیر توصیف می شوند:

 

a: پس از مراحل اولیه کوبش، نهشته های سطحی تا عمق نفوذ گودال سست می شود؛

b: نهشته های سطحی با انجام دور اتوکشی متراکم می شوند؛

c: با گذشت زمان مقاومت افزایش می یابد؛

d: بیشینه بهسازی معمولا در اعماق ۳/D تا ۲/D رخ می دهد؛

درجه بهسازی خاک به دست آمده تا حد زیادی تابع متوسط انرژی اعمال شده در سطح زمین است. به طور کلی، هر چقدر میزان انرژی بیشتر باشد، درجه بهسازی بیشتر است. با این وجود محدودیت هایی در خصوص بیشینه مقادیر قابل دستیابی SPT و CPT وجود دارد.

 

براساس بررسی صورت گرفته روی تعدادی از ساختگاه ها، حد بالایی نتایج آزمون های SPT و CPT در جدول ۲ نشان داده شده است. نتایج به دست آمده بیشینه  مقادیر بهسازی خاک در اعماق ۳/D تا ۲/D را نشان می دهند.

در بالا و پایین این محدوده عمق، مقادیر حاصل از انجام آزمون ها کمتر خواهد بود. در ساختگاههایی که این مقادیر آزمون ها اندازه گیری شده اند، متوسط انرژی اعمال شده در حدرد MJ/ m2 ۲ – ۳ بوده است.

چنانچه مقدار انرژی کمتری اعمال شود و یا برخی عوامل پیچیده نظیر لایه های جاذب انرژی یا پوسته های سطحی سخت که اجازه ی انتقال انرژی به عمق را نمی دهند وجود داشته باشد، درجه بهسازی به طور قابل ملاحظه ای کمتر از مقادیر نشان داده شده در جدول ۲ خواهد بود.

حد بالای نتایج آزمون ها که در جدول ۲ ارایه شده است، باید تنها برای تخمین بیشترین درجه بهسازی قابل دستیابی در یک ساختگاه مورد استفاده قرار گیرد. مقدار واقعی بهسازی به دست آمده باید با انجام آزمون های برجا نظیر SPT و CPT پس از تراکم دینامیکی اندازه گیری شود. تعدادی از آزمون ها باید در زمان حضور تجهیزات تراکم دینامیکی در ساختگاه انجام شوند تا چنانچه درجه بهسازی خاک به مقدار مطلوب نرسد، امکان اعمال انرژی اضافی فراهم باشد.

با این حال مطالعات انجام شده نشان می دهد که در پی اجرای تراکم دینامیکی و پس از استهلاک کل فشار منفذی اضافی، یک بهسازی تاخیری تابع زمان رخ می دهد. این افزایش مقاومت با زمان به خاصیت سیمانی بین ذرات خاک، تحکیم ثانویه و تاثیر سن نسبت داده می شود. این پدیده بیشتر در خاکهای ریزدانه رخ می دهد؛ اما در خاک های دانه ای نیز مشاهده شده است.

بنابراین اگر نتایج آزمون های انجام شده در پایان تراکم دینامیکی تنها به صورت مرزی قابل قبول باشند، برای تایید بهبود خواص خاک با زمان می توان آزمون های اضافی را پس از گذشت مدت زمانی انجام داد.

ت- نیازمندی های انرژی

تراکم دینامیکی معمولا روی یک الگوی شبکه ای در سرتاسر محوطه ی پروژه انجام می شود. از این رو بهتر است انرژی اعمال شده در قالب مقادیر متوسط بیان شود. این متوسط انرژی اعمالی را می توان براساس رابطه

 

چنانچه از کوبه های با ابعاد مختلف و ارتفاع های سقوط متفاوت استفاده شود، متوسط انرژی اعمالی مجموع تمام سطوح انرژی خواهد بود.

برای مثال، یک سطح بالای انرژی معمولا با استفاده از یک کوبه سنگین و ارتفاع سقوط زیاد اعمال می شود. در بسیاری از موارد به دنبال این مرحله یک سطح پایین انرژی (دور اتوکشی) با استفاده از کوبه های با ابعاد کوچک تر و ارتفاع سقوط کمتر اعمال می شود. در این حالت متوسط انرژی اعمالی مجموع انرژی های اختصاص یافته به ساختگاه خواهد بود. 

بیشتر پروژه های تراکم دینامیکی با استفاده از سطوح انرژی متغیر در محدوده ی MJ/ m ۱ – ۳ به انجام می رسند. با این وجود، بسته به درجه بهسازی خاک لازم برای تامین نیازمندیهای پروژه، انرژی اعمالی می تواند برای هر ساختگاه متغیر باشد.

در طی مراحل طراحی یا برنامه ریزی اولیه می توان با استفاده از جدول ۳ تخمینی از انرژی مورد نیاز در واحد حجم را به دست آورد. این جدول برخی متغیرهایی را که مقدار انرژی مورد نیاز برای دستیابی به بهسازی کافی را تحت تاثیر قرار می دهند، با هم ترکیب می کند. این متغیرها شامل ضخامت نهشته، نوع خاک در حال تراکم و تراکم نسبی اولیه نهشته است.

در جدول ۳ نهشته ها به سه گروه کلی دسته بندی شده اند به طوری که خاکچال ها بیشترین مقدار انرژی و خاک های درشت دانه کمترین میزان انرژی را نیاز دارند.

در این جدول، ضخامت نهشته با بیان انرژی اعمالی در واحد حجم در نظر گرفته شده است. متوسط انرژی که باید روی سطح یک نهشته اعمال شود با ضرب انرژی اعمالی واحد در ضخامت نهشته به دست می آید. تراکم نسبی اولیه با نشان دادن انرژی مورد نیاز در یک محدوده به حساب آمده است. در داخل هر نوع خاک خاص، سست ترین نهشته ها بالاترین سطح انرژی پیشنهادی و نهشته های متراکم تر مقادیر کم تری از آن را نیاز دارند.

 

به منظور طراحی اولیه ی برنامه تراکم می توان گام های زیر را مورد استفاده قرار دادن

گام ۱: بر اساس ناحیهی خاک به دست آمده از شکل ۳، انرژی مورد نیاز برای تراکم از روی جدول ۳ تعیین می شود.

گام ۲: با دانستن عمق مطلوب بهسازی (D) و تخمین ضریب n متناسب با نوع خاک، معادله فوق برای محاسبه WH به کار میرود. سپس می توان شکل ۸ را برای انتخاب مقادیر مشخص W و H مورد استفاده قرار داد؛ به طوری که مقدار مورد نظر WH به دست آید. جدول ۱ اطلاعاتی را در خصوص ابعاد جرثقیل مورد نیاز برای وزنهی انتخاب شده ارایه می دهد.

گام ۳: با استفاده از معادله تعداد سقوط و دور مورد نیاز به گونه ای تخمین زده می شود که سهم انرژی هر نقطه تراکمی از حاصلضرب مقدار تعیین شده در گام اول در عمق بهسازی بزرگتر باشد.

معمولا این طرح اولیه با استفاده از نتایج آزمون های محلی انجام شده روی نواحی آزمایشی، اصلاح می شود.