معرفی روش تزریق پرفشار یا جت گروتینگ (JetGrouting)

تکنیک تزریق پرفشار به عنوان روشی کاربردی برای حل مشکلات ژئوتکنیکی بستر و بهسازی درجا، در سراسر جهان از دهه 1970 تاکنون بسیار محبوب شده است. با این حال، گاهی اوقات، استفاده نامناسب از تزریق پرفشار منجر به نتایج ناموفق شده و باعث ایجاد تامل بیشتر در مورد کارایی آن شده است. با این وجود، این عدم موفقیت‌ها معمولا ناشی از ناآگاهی در مورد تجهیزات و روش اجرای درست این روش است. در واقع، به منظور اجرای بهینه یک پروژه تزریق پرفشار، داشتن دانش دقیق از روش اجرا و تجهیزات آن و مهم‌تر از همه، درک اثرات احتمالی تزریق پرفشار بر روی انواع خاک‌های مختلف ضروری است. نتایج مطالعاتی که اخیرا صورت گرفته روش‌های پیشرفته و قابل اعتمادی را برای تخمین اثر تزریق پرفشار فراهم کرده است، که آنها را به خواص خاک و روش‌های بهسازی مرتبط می‌کند.

در ابتدا روش تزریق پرفشار تنها برای بهبود خصوصیات خاک در زیر پی سازه‌های عظیم کاربرد داشته اما استفاده از آن امروزه شامل گودبرداری، تونل‌سازی، دیوارهای آب بند نیز شده است به طوری که در حال حاضر تزریق پرفشار به یک روش سریع با کاربردهای متنوع و به عنوان یکی از محبوب‌ترین روشهای بهسازی خاک بدل شده است.

در واقع بهسازی خاک به روش تزریق پرفشار یا جت گروتینگ (Jet Grouting) در شرایطی که خاک‌های سست، مستعد روانگرایی یا با ظرفیت باربری پایین وجود دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش پس از حفاری خاک و رسیدن به عمق موردنظر، با استفاده از فشار بالا، دوغاب سیمانی به داخل خاک تزریق شده و در ادامه با مخلوط شدن دوغاب با خاک ‌برجا منجر به وجود آمدن ستون‌های مقاوم در خاک می‌گردد. جت گروتینگ با هدف تثبیت خاک، جلوگیری از نفوذ آب، و بهبود ظرفیت باربری خاک موثر است.

تاریخچه روش تزریق پرفشار

روش جت گروتینگ اولین بار در ژاپن در دهه 1960 توسعه یافت. در آن زمان، مهندسان ژاپنی به دنبال روشی نوین برای تثبیت خاک‌های سست و با ظرفیت باربری کم بودند که با شرایط زمین‌لرزه‌ای ژاپن نیز سازگار باشد. اولین آزمایش‌ها و کاربردهای این روش در پروژه‌های زیرزمینی و تثبیت خاک در زیر سازه‌های شهری و مناطق آسیب‌پذیر نسبت به زلزله انجام شد.

در دهه 1970، این تکنیک با استقبال بیشتری در کشورهای صنعتی روبرو شد و به اروپا و آمریکا نیز راه یافت. در آن زمان، جت گروتینگ با ابزارهای ساده‌تری اجرا می‌شد و قابلیت‌های فنی و کاربردی آن محدود بود، اما مهندسان به سرعت متوجه شدند که این روش برای تثبیت خاک‌های سست و کنترل جریان آب‌های زیرزمینی در پروژه‌های عمرانی بسیار مفید است.

در دهه 1980 و 1990، جت گروتینگ به دلیل پیشرفت‌های روزافزون و معرفی تجهیزات پیچیده‌تر و کارآمدتر، دچار تحول شد. نازل‌های چند سیالی و سیستم‌های کنترل فشار پیشرفته، امکان اجرای جت گروتینگ در خاک‌های مختلف و با ابعاد و عمق‌های متفاوت را فراهم کردند. در این دوره، کاربردهای آن گسترده‌تر شد و در پروژه‌های بزرگ مقیاس و متنوعی مانند ساخت تونل‌ها، سدها، و پایدارسازی گودها و شیب‌ها مورد استفاده قرار گرفت.

در دهه 2000 به بعد، با پیشرفت نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی سه‌بعدی مانند PLAXIS 3D، امکان طراحی و کنترل دقیق‌تر جت گروتینگ فراهم شد. امروزه این روش در بسیاری از کشورهای دنیا به عنوان یک تکنیک استاندارد در بهسازی خاک و بهبود ظرفیت باربری مورد استفاده قرار می‌گیرد و به دلیل کارایی و دقت بالای آن در خاک‌های مختلف همچنان پرطرفدار است.

کاربرد این روش در ایران نیز از دهه 1380 به بعد در پروژه‌های خاصی مانند پایدارسازی گودها و پروژه‌های زیرزمینی آغاز شد و به مرور در پروژه‌های بیشتری مورد استفاده قرار گرفت.

روش اجرای تزریق پرفشار

این روش شامل چند مرحله‌ی اساسی است:

1. حفاری تا عمق مشخص: ابتدا یک گمانه تا عمق مورد نظر در خاک حفاری می‌شود. عمق حفاری بسته به نوع پروژه و ویژگی‌های خاک متغیر است.
2. تزریق دوغاب تحت فشار بالا: دوغاب سیمان با فشار بالا از نازل‌های مخصوص به داخل خاک تزریق می‌شود. فشار معمولاً بسیار زیاد (تا 500 بار) و سرعت بیش از 100 متر بر ثانیه، باعث می‌شود دوغاب خاک اطراف را جا به جا کند و به اصطلاح ساختارخاک را به هم ریخته و با آن ترکیب شود.
3. اختلاط و ایجاد ستون مقاوم در خاک: دوغاب در تماس با خاک به سرعت با آن ترکیب می‌شود و ستون‌های مقاومتی در خاک شکل می‌گیرد. بسته به نوع نازل و تکنیک تزریق، می‌توان ستون‌هایی با قطرهای مختلف ایجاد کرد.
4. پایان عملیات و آماده‌سازی ستون‌های جت گروت: پس از اتمام تزریق، دوغاب سخت شده و ستون‌هایی مقاوم و دارای ظرفیت باربری مناسب در خاک به وجود می‌آورد.

تجهیزات روش جت گروتینگ (تزریق پرفشار )

تجهیزات اصلی برای اجرای این روش شامل:

1. مخازن آب و افزودنی، سیلوی سیمان و انبار بنتونیت
2. مخلوط کننده (میکسر) و همزن
3. پمپ تزریق با فشار بالا
4. کمپرسور هوای فشرده
5. سیستم پایش

شکل 1: نمونه تجهیزات لازم روش تزریق پرفشار

مزایا و معایب جت گروتینگ

مزایای روش:

1. امکان اجرای روش در زیر سطح آب زیرزمینی
2. سرعت اجرای بالا
3. عدم آسیب رسانی به سازه‌های اطراف
4. انجام تزریق در محیط پوشیده و محدود
5. کنترل دقیق پارامترهای اجرایی مثل قطر و مقاومت ستون‌های تزریقی
6. انعطاف‌پذیری بالا در انواع خاک‌ها
7. مطلوب بودن نفوذپذیری و مقاومت نهایی ستون‌ها
8. قابلیت اصلاح مشخصات در حین اجرا

معایب :

1. هزینه اجرای بالا
2. پیچیدگی و نیاز به تجهیزات خاص
3. نیازمند پایش و کنترل دقیق
4. محدودیت در عمق تزریق

تقسیم‌بندی اجرای روش‌های جت گروتینگ

روش جت گروتینگ با توجه به نوع سیالات تزریق‌شونده و همچنین ویژگی‌های خاک و شرایط پروژه به دسته‌بندی‌های مختلفی تقسیم می‌شود. این تقسیم‌بندی عمدتاً به نوع نازل و تعداد سیالات تزریقی بستگی دارد که در ادامه به سه روش اصلی اجرای جت گروتینگ پرداخته شده است:

1- روش تک سیاله (Single Fluid)

• شرح: در این روش، تنها از دوغاب سیمان به عنوان سیال تزریقی استفاده می‌شود. دوغاب با فشار بسیار بالا (معمولاً 300 تا 500 بار) از طریق نازل به داخل خاک تزریق می‌شود. در واقع در این حالت، فرسایش و اختلاط خاک هر دو توسط دوغاب ایجاد می‌شوند.
• کاربرد: این روش برای خاک‌های نرم و نسبتاً یکنواخت، به ویژه خاک‌های ماسه‌ای مناسب است.
• مزایا و معایب:
  • مزیت این روش در سادگی و کم‌هزینه بودن آن است، زیرا تنها از دوغاب استفاده می‌شود.
  • محدودیت این روش، عدم کارایی در خاک‌های سخت، قطر محدود ستون‌های نهایی و عمق تاثیر کم در خاک می‌باشد.

2- روش دو سیاله (Double Fluid)

• شرح: در این روش از دوغاب سیمان به همراه هوا به عنوان سیالات تزریقی استفاده می‌شود. در واقع جت دوغاب توسط یک جت هوای هم محور پوشانده می‌شود که باعث افزایش کارایی آن می‌گردد. چنین هوای پرفشاری (تا فشار 15 بار) از طریق نازل هم محور قرار گرفته در اطراف نازل دوغاب ایجاد
  می‌شود در نهایت، مخلوط تزریق با کمک فشار هوا و با فشار تزریق تا حدود 700 بار به داخل خاک تزریق می‌شود که باعث افزایش سرعت و قدرت اختلاط با خاک می‌گردد.
• کاربرد: روش دو سیاله برای خاک‌های با تراکم متوسط دانه‌ای و خاک‌های لای و رسی که نیاز به فشار تزریق بیشتری دارند، کاربرد دارد.
• مزایا و معایب:
  • این روش به دلیل افزایش فشار تزریق، ستون‌های نهایی دارای قطر بیشتری نسبت به روش تک سیاله هستند.
  • از معایب این روش، این است که استفاده از هوا به تجهیزات و هزینه‌های بیشتر نیاز دارد و همچنین ممکن است باعث پراکندگی ذرات خاک شود.

3- روش سه سیاله (Triple Fluid Jet Grouting)

• شرح: در این روش از آب، دوغاب سیمان و هوا به‌طور همزمان به عنوان سیالات تزریقی استفاده می‌شود. آب با فشار بسیار بالا (تا 600 بار) از نازل میانی به درون خاک تزریق می‌شود. این جریان آب خاک را با شدت بیشتری شسته و ساختار آن را تخریب می‌کند. در این حالت، به دلیل وجود لایه هوای فشرده در حدود 10 بار فشار در اطراف نازل آب، آب می‌تواند خاک را با شدت بیشتری تخریب و برای تزریق دوغاب آماده کند. و در آخر مخلوط تزریق با فشار تزریق در حدود 50 تا 70 بار از نازل دیگری که اندکی پایین‌تر قرار گرفته خارج می‌شود.
• کاربرد: روش سه سیال در خاک‌های رسی و لای که دارای چسبندگی زیاد هستند، کاربرد بیشتری دارد.
• مزایا و معایب:
  • به دلیل استفاده همزمان از هوا، آب و دوغاب با فشارهای بالا، این روش قابلیت استفاده در خاک‌های متراکم و حتی خاک‌های دارای مواد درشت‌دانه یا نیمه‌سنگی را دارد که در روش‌های دیگر به‌سختی کارایی دارد.
  • ترکیب سه سیال باعث می‌شود که خاک به‌طور کامل تخریب و جابجا شود. و دوغاب به‌خوبی با خاک مخلوط شود. این امر باعث می‌شود که ستون نهایی از نظر یکنواختی و مقاومت بالا باشد و قطر آن نیز در مقایسه با روش‌های دیگر بیشتر شود.
  • از معایب آن هزینه بالا و پیچیدگی در کنترل فشار و دبی سیالات است، زیرا به تجهیزات پیچیده‌تر و نیروی ماهرتر نیاز دارد.

شکل 2 : شکل شماتیک روش‌های اجرای تزریق پرفشار: (الف) تک سیاله، (ب) دو سیاله و (ج) سه سیاله

جدول 1 : محدوده قطر و مقاومت محوری نهایی ستون در انواع روش‌های جت گروتینگ

نوع خاک	خاک‌های ریزدانه	خاک‌های درشت دانه
روش اجرای جت	تک سیاله	دو سیاله	سه سیاله	تک سیاله	دو سیاله	سه سیاله
قطر ستون ایجاد شده (m)	0.4-0.8	1-1.5	1-2	0.5-1	1-2	1.5-3
مقاومت تک محوری ستون (MPa)	1.5-10	1.5-5	1.5-7.5	10-30	7.5-15	10-20

کاربردهای روش تزریق پرفشار

روش جت گروتینگ به دلیل انعطاف‌پذیری و کارایی بالا، کاربردهای متعددی در پروژه‌های متنوع دارد. این روش برای پایدارسازی خاک، افزایش ظرفیت باربری پی، آب‌بندی و کنترل نفوذ آب،کنترل روانگرایی خاک، تقویت بخش سقف تونل‌ها، بسیار مناسب است و به‌خصوص در شرایط خاصی که نیاز به جلوگیری از تراوش آب در یک محدوده ی خاصی وجود دارد، به‌عنوان یکی از بهترین روش‌ها شناخته می‌شود.

1. بهسازی و افزایش ظرفیت باربری خاک
2. کنترل و کاهش نشست در سازه‌ها
3. پایدارسازی گودبرداری‌ها
4. کنترل روانگرایی خاک
5. آب‌بندی و کاهش نفوذپذیری خاک
6. پایداری و تثبیت تونل‌ها و سازه‌های زیرزمینی
7. بهسازی و تثبیت بستر پی‌سازی سدها
8. آب بندی کف گودها و سازه های زیر سطح آب زیرزمینی

شکل 3 : انواع کاربردهای مختلف روش تزریق پرفشار

فرآیند طراحی جت گروتینگ

در کل روند طراحی تزریق پرفشار باید همانند تمام سازه‌ها از تعدادی گام مشخص تشکیل شود که از شناسایی‌ محلی یا آزمایش‌های ژئوتکنیکی برجا تا برآورد هزینه نهایی طرح برداشته می‌شود و در طی آن موارد اجرایی و نهایی مورد بررسی قرار گرفته و بامعیارهای طرح کنترل می‌شود.

در واقعیت مراحل طراحی، اجرا و کنترل کیفیت، فرآیندی به هم وابسته است. با این حال، جنبه‌های مرتبط با روش‌های اجرایی نقش مهم‌تری نسبت به طراحی در خصوص تزریق پرفشار دارند.

در واقع طراحان ژئوتکنیک با تعیین طرح اولیه، پارامترهای مختلف اجرایی را در اختیار سازنده و یا پیمانکار قرار داده و سازنده با اجرای ستون‌های آزمایشی و سعی و خطا در متغیرهای اجرایی مثل فشار تزریق، تعداد و ابعاد نازل‌ها، نسبت آب به سیمان، سرعت دوران، نرخ بالاکشیدن میله تزریق و … اطلاعات مفیدی را در این زمینه بدست می‌آورد و بدین ترتیب مهندس طراح، طرح نهایی و دقیق خود را می‌تواند ارائه دهد.

در کل موارد مربوط به طراحی به صورت نمودارهایی از آزمایش‌ها و پروژه‌های انجام شده قبلی‌ مورد ارزیابی و بررسی قرار گرفته‌اند. در نتیجه می‌توان گفت اثرات تزریق پرفشار در مرحله طراحی به آسانی قابل پیش‌بینی نیست و لذا واقع بینانه‌تر آن است که بر روندهای کاملا تجربی تکیه شود.

توجه : این مطلب، یک تبلیغ رپورتاژ بوده و مجله ساختمان در محتوا و محصولات آن هیچگونه نظری و مسئولیتی ندارد.