خلاصه

تثبیت خاک برای پایدارسازی ترانشه های طبیعی، خاکبرداری ها و افزایش مقاومت زمین برای انجام عملیات عمرانی حائز اهمیت می باشد. تا کنون روشهای بسیاری برای تثبیت خاک بکار برده شده است. این تحقیق اصول استفاده از حرارت به دو صورت سرمایش و گرمایش برای بهسازی خاک را نشان می دهد. انجماد زمین برای بهسازی خاک نسبت گرمایش شناخته شده تر است. در این روش با منجمد کردن آب های منفذی داخل خاک مقاومت زمین را افزایش میدهند زیرا یخ مانند یک چسباننده ذرات خاک را بهم میچسباند. در بهسازی

زمین با گرمایش، ساختار فیزیکی و شیمیایی ذرات خاک در اثر حرارت بصورت یک محصول کریستالی و شیشه ای تغییر می کند. با حرارت دادن خاک، آب های داخل خاک همراه با مواد آلی که در کاهش مقاومت خاک موثرند با کمک فرآیند تبخیر از بین منافذ خاک خارج شده و ذرات ریزتر خاک در بین این منافذ قرار گرفته و ساختار خاک را مقاومتر میکنند. این دو روش نسبت به روشهای دیگر علاوه بر اینکه آلودگی زیست محیطی خاصی را برای زمین ایجاد نمیکنند، خود در از بین بردن این آلودگیها نیز موثرند.

کلمات کلیدی: تثبیت خاک، انجماد زمین، سامانه انجماد, متبلورسازی خاک، روکش حرارتی، چاه حرارتی.

.۱ مقدمه

در این مقاله تحقیقاتی، عملیات موفق بهسازی زمین در خاک، با تأکید بر طراحی، ساخت و ساز و عملکرد بلند مدت بهسازی زمین مورد مطالعه قرار گرفته است. تکنیک بهسازی زمین به هشت گروه اصلی بهسازی زمین در خاک تقسیم می شوند که عبارتند از : تراکم خاک، تحکیم خاک، کاهش وزن خاک، مسلح کردن خاک، روشهای شیمیایی، تثبیت حرارتی خاک، روشهای الکتریکی، تثبیت بیوتکنیکال .

روشهای بهسازی زمین در مهندسی ژئوتکنیک ابزاری برای رفع مشکل زمینهای ضعیف و مسئلهدار میباشند که عوامل متعددی باعث می شود که مهندسان یک یا ترکیبی از چند تکنیک را برای بهسازی زمین انتخاب کنند.
بهسازی زمین در خاک دارای پنج عملکرد اصلی است:

۱٫ برای افزایش ظرفیت باربری

۲٫ برای کنترل تغییر شکل و سرعت بخشیدن به تحکیم

۳٫ تامین کردن پایداری جانبی

۴٫ کنترل تراوش در ترانشه ها و محیط زیست

۵٫ افزایش مقاومت در برابر روانگرایی

انجام بهسازی زمین در سطح معمولاً آسان و نسبتاً ارزان است ولی در عمق کار سختتر است و معمولاً نیاز به تجزیه و تحلیل بیشتر، استفاده از تجهیزات و ساخت و ساز تخصصیتر میباشد. برخی از این روشها برای یک نوع زمین مناسب هستند در حالی که روشهای دیگر شامل طیف گستردهای از خاکها می شوند.

در این مطالعه تحقیقی تلاش داریم به تفصیل تثبیت حرارتی خاک با استفاده از سرمایش و گرمایش را مورد بررسی قرار داده و نحوه عملکرد آن به همراه کاربرد گستردهی آن در مهندسی ژئوتکنیک شرح دهیم. هر دو حالت حرارت و انجماد را برای بهسازی زمین می توان استفاده کرد. روش حرارتی هنوز در مرحله آزمایشی و در حد نرم افزاری کوچک است اما روش انجماد زمین، به عنوان یک اقدام موقت برای پشتیبانی حفاری در مناطق شهری پذیرش شده است.[۱]

۲٫ بهبود خصوصیات مکانیکی خاک ها با استفاده از سرمایش

روش سرمایشی، استفاده از سرما و انجماد زمین برای تبدیل درجا آب منفذی به یخ است. سپس یخ به عنوان یک ماده چسبنده عمل میکند و با اتصال ذرات مجاور خاک برای افزایش قدرت ترکیبی شان آنها را تبدیل به یک بلوک یا سنگ بهم پیوسته وغیر قابل نفوذ میکند (شکل .(۱

ملاحظاتی که در روش انجماد زمین در نظر گرفته می شوند عبارتند از: تجزیه و تحلیل حرارتی، هندسه سیستم تبرید، خواص حرارتی خاک و سنگ، نرخ انجماد، انرژی مورد نیاز، تجزیه و تحلیل و توزیع سیستم سرما ساز.

از جمله موارد کاربردی روش انجماد زمین عبارتند از: زیر بنای موقت، حمایت موقت برای حفاری، پیشگیری از جریان آبهای زیرزمینی در منطقه حفاری، تثبیت شیب موقت و مهار موقت آلودگی زباله های سمی و خطرناک.

شکل -۱ استفاده از سرما و انجماد زمین برای تبدیل درجا آب منفذی به یخ.[۳]

۱ Biotechnical

انجماد زمین دارای دو عملکرد اصلی است:
۱٫ برای جلوگیری از نشت آب های زیرزمینی به حفاری

۲٫ افزایش مقاومت برشی خاک و بهسازی ظرفیت ساختاری آن

دو سیستم اساسی معمولاً در انجماد مورد استفاده قرار می گیرند. یکی سیستم باز که در آن مبرد (نیتروژن مایع یا دی اکسید کربن) پس از جذب انرژی و تبخیر شدن فشار از دست میدهد و دیگری سیستم هیدرولیک مدار بسته با استفاده از وسایل معمولی مکانیکی و گردش خنککننده است. در هر دو، آبهای زیر زمینی منجمد شده و از ورود به حفاری جلوگیری می شود، و مقاومت برشی خاک افزایش مییابد به طوریکه یخ به عنوان عامل اتصال ذرات خاک به هم عمل میکند. انجماد زمین می تواند در طیف وسیعی از خاکها استفاده شود.

خاکهای اشباع و نیمه اشباع یا نزدیک به آنها به دلیل ریزشی بودن و مسئله جریان آبهای زیرزمینی دارای ویِژگی خاصی هستند و نمیتوان خاکبرداری ابنیه راهها، باند فرودگاهها، سازههای آبی، ساختمان و رانش خاکهای روی آن را تعمیم داد. عدم پیش بینی تمهیدات لازم اجرای پروژه را دچار مشکلات عدیده خواهد کرد.

انجماد زمین اولین بار در دهه ۱۸۶۰ میلادی در معادن ذغال سنگ ولز مورد استفاده قرار گرفت در مقایسه با روشهای دیگر خاکبرداری و تثبیت خاک که روی این گونه خاکها مناسب و کارا نیستند این روش در دامنه وسیعی از خاکها کاربرد دارد. البته خاک باید اشباع و نیمه اشباع باشد (در بعضی حالات آب را به نواحی خشک خاک اضافه میکنند و خاک را برای انجماد مناسب میسازند). آب زیرزمینی میتواند با سرعت در آن حرکت کند و هم چنین در این روش آلودگی ممکن نیست به خاک افزوده شود و فرایندها با محیط زیست دوستانه است.[۲ ]

ابعاد ناحیه انجماد میتواند با افزایش وکاهش قطر لولهها و تنظیم دما کنترل گردد. نقطه ضعف بزرگ این روش مدت زمانی است که برای افزایش نواحی انجماد صرف می شود که با یک برنامه ریزی مناسب می توان این مسائل را مرتفع نمود.

انجماد می تواند مقاومت چشمگیری به خاکهای ضعیف بدهد. توده منجمد خاک دارای مسئله خزش تحت بار میباشد، خاک منجمد نفوذ ناپذیر است و فرایند انجماد آب زیرزمینی یا خاک آلوده ساز نیست. سامانههای انجماد سازی ایمن و غیر آلوده هستند ولی برای تداوم استفاده در پروژه باید نگهداری شوند.

آب حاصل از ذوب انجماد به زمین بر می گردد و آب زیرزمینی محیط به شرایط پیش از انجماد خود بر می گردد، هر چند تغییر حجم پیچیده در خلال انجماد و آب شدگی ممکن است موجب مسائلی در تکیه گاه سازه همراه باشد که این مشکل را هم میتوان با تحلیل و طراحی مناسب حل نمود.
استفاده از انجماد زمین برای مقاوم سازی و بهبود خاک به حدود یک و نیم قرن پیش برمی گردد. در معنای کلی یعنی تبدیل آب به یخ، اجرای انجماد به وسیله به وجود آوردن سرمای متوسط در تماس با خاک برای یک مدت کافی تا آبهای منفذی یخ ببندد. در عمل لوله ها به طریق مناسبی در داخل ناحیهای که باید منجمد شود جای داده می شود هر لوله به صورت دوتایی بوده که لوله کوچکتر به صورت هم مرکز در داخل لوله بزرگتر قرار دارد. عامل سردکننده به داخل لوله میانی پمپ می شود و به فاصله داخلی دو لوله برگشت داده می شود. لوله خارجی که با خاک در تماس است آن را خنک میسازد بعد از آنکه یخ در ناحیه تماس شکل گرفت ادامه عملیات سامانه موجب می شود که ناحیه منجمد رشد کند و افزایش یابد و سپس