ستون‌های سنگی
از ستون‌های سنگی می توان برای بهسازی بستر ضعیف قرار گرفته در زیر ساختمان‌های کوتاه مرتبه و یا سازه‌هایی نظیر مخازن ذخیره مایعات، پایه‌های پل‌ها، و همچنین مرمت پی‌های کارخانه‌ها و خاکریزها، به منظور کاهش مقدار قابل ملاحظه نشست استفاده نمود. روش مذکور در واقع یک شیوه مقرون به صرفه جهت بهسازی خاک‌های ریزدانه و خاک‌های تراکم پذیر را ارائه می‌دهد. از طرف دیگر ستون‌های سنگی اغلب به دلیل سازگاری با محیط زیست، هزینه کم، کارائی و سهولت اجرا در خاک‌های ضعیف، مدت‌های زیادی است که در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
یکی از بزرگترین معایب استفاده از ستون‌های سنگی در خاک‌های مسئله‌دار و دارای مقاومت پایین آن است که چنانچه خاک مورد نظر بسیار سست باشد به دلیل غالب شدن فشار وارده از پیرامون، محل متورم شدن به خاک احاطه کننده، ستون سنگی دچار گسیختگی میشود. در سال‌های اخیر به منظور افزایش کارایی ستون‌های سنگی، از ژئوگریدها به عنوان پوشش تقویت کننده مناسب برای ستون‌ها استفاده میشد. زیرا این مصالح دارای مقاومت کششی بالا و قفل شدگی قابل توجهی در ساختار شبکه‌ای خود با مصالح ستون‌های سنگی هستند.
عملکرد این پوشش‌ها به این گونه‌ای است که مصالح درشت دانه در بین شبکه‌های ژئوگرید محصور میشوند و با توجه به بالا بودن مقاومت کششی ژئوگریدها از گسیختگی و کمانش بیش از اندازه ستون سنگی جلوگیری به عمل می‌آید.
در خاک‌های نرم، ساخت سازه‌هایی مانند ساختمان، مخازن ذخیره، انبار و موارد مشابه آن روی خاک‌های ضعیف معمولاً منجر به نشست بیش از اندازه یا مسائل پایداری خواهد شد. به منظور کاهش و یا رفع مشکلات ناشی از نشست و یا ظرفیت باربری، بهسازی خاک با ستون‌های سنگی ممکن است مورد توجه قرار گیرد. به علاوه به علت نفوذپذیری بسیار زیاد مصالح ستون‌های سنگی، نرخ تحکیم در رس‌های نرم افزایش می‌یابد.
ستون‌های سنگی معمولی
برخلاف شمع‌های اتکایی، که بارهای وارده را از میان لایه‌های خاکی سست به لایه خاکی فونداسیونی صلب‌تری منتقل می‌کنند، ستون‌های سنگی معمولی، خصوصیات خاک سست را بهبود می‌بخشند. هنگامی که یک توده خاک ترکیبی بارگذاری میشود، ستون‌ها به علت مبادله بار بین دو نوع مصالح با توجه به سختی نسبی آنها، فاصله ستون‌ها و اندازه ستون‌ها، با خاک پیرامونی اندرکنش خواهند داشت. ستون‌های سنگی معمول، عموماً با استفاده از شن‌های درشت دانه و سنگ‌های خرد شده که با دانسیته‌های مختلف متراکم میشوند، با توجه به شرایط سایت و روش نصب، ساخته میشوند. توده خاکی ترکیبی معمولاً جهت حمل بارهای نسبتاً سبک و متوسط مانند خاکریزها مناسب است.
روش‌های تسلیح کردن ستون‌های سنگی
تحقیق در زمینه مسلح کننده‌های ژئوسنستیک معمولاً در یکی از سه زمینه زیر انجام میشود.
- مسلح کننده‌های ژئوسنستیکی ستون‌های سنگی با استفاده از لایه‌های افقی ژئوگرید قرار گرفته در بخش بالایی ستون جهت کاهش تورم.
- ستون‌های محصور شده ژئوتکستایلی GEC، محصور شدگی محیطی در ستون‌های ماسه‌ای با استفاده از پوشش ژئوتکستایلی
- ستون‌های سنگی محصور شده با ژئوگرید، محصور شدگی محیطی ستون‌های سنگی با استفاده از پوشش ژئوگرید.
تسلیح با استفاده از ژئوسنستیک در لایه‌های افقی
ستون‌های سنگی هنگامی که بارگذاری میشوند، تمایل دارند که بصورت جانبی منبسط شوند. بزرگی و موقعیت این گسترش شعاعی علاوه بر آنکه به خصوصیات فیزیکی ستون و خاک پیرامون آن بستگی دارد، با توجه به اینکه ستون سنگی بصورت مجزا عمل می‌کند و یا اینکه در گروه قرار دارد، مشخص میشود. اگرچه انبساط شعاعی می‌تواند به محصور شدگی جانبی ستون‌های مجاور نسبت داده شود، انبساط بیش از حد (تورم یا Bulging) می‌تواند به گسیختگی ستون منجر شود. آزمایش‌های که روی ستون‌های مجزا انجام شده، نشان داده که تورم معمولاً در بخش بالایی ستون، یعنی جایی که محصورشدگی جانبی کم است، اتفاق می‌افتد.
بر اساس این موضوع تحقیقاتی بر روی مصالح پئوسنستیک قرار گرفته در لایه‌های افقی در میان بخش تورمی ستون سنگی جهت افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل جانبی، انجام شده است. این مقاومت با اندرکنش و قفل شدگی میانی بین مصالح سنگی ستون و مصالح مسلح کننده فراهم میشود.
ستون‌های محصور شده با ژئوتکستایل
ستون‌های محصور شده با ژئوسنستیک یک نوآوری جدید بوده، که جهت استفاده در سایت‌های با خاک‌های بسیار سست توسعه پیدا کرد که مقاومت‌های برشی زهکشی نشده کمتر از ۹ کیلوپاسکال دارند. در گذشته، شمع زنی یا اشکال دیگری از فونداسیون‌های صلب جهت عبور از خاک‌های این چنینی مورد استفاده قرار می‌گرفته است. به هر حال در بسیاری از حالت‌ها، ستون‌های محصور شده با ژئوتکستایل اکنون یک راه حل اقتصادی و مفیدتر را برای نگهداشتن سازه‌های با بارگذاری متوسط و سبک، فراهم کرده است. با توجه به سختی بیشتر نسبت به ستون‌های سنگی معمولی، ستون‌های محصور شده نیازمند آن هستند که روی یک لایه صلب‌تر ساخته شوند و ممکن است حتی نیازمند یک لایه ژئوتکستایل مسلح شده روی سطح باشند.
با بارگذاری ستون‌های محصور شده، تورم شعاعی موجب ایجاد نیروهایی روی ژئوتکستایل میشود. وجود محصورشدگی برای ستون‌های سنگی موجب افزایش سختی ستون و کاهش نشست‌های توده خاک ترکیبی (ترکیب ژئوتکستایل محصور کننده وستون سنگی و خاک پیرامونی) می‌گردد.
این ستون‌ها همانند شمع‌هایی عمل می‌کنند که بار سطحی را به یک لایه صلب زیرین منتقل می‌نمایند. با این حال به علت گسترش شعاعی و تراکم ستون در حین بارگذاری، کوتاه شدگی محوری قابل توجهی در ستون به وقوع می‌پیوندد. این موضوع موجب نشست و ایجاد مقاومت ثانویه در خاک پیرامونی خواهد شد. به علاوه، خاک پیرامونی فشاری محصور کننده‌ای را فراهم می‌کند که در جهت افزایش ظرفیت ستون عمل خواهد کرد. این روش می‌تواند به عنوان یک تکنیک بهسازی زمین مورد توجه قرار گیرد، اگر چه خاک پیرامونی در ستون‌های سنگی معمولی به این روش بهسازی نخواهد شد.
مقاومت طراحی و رفتار کرنشی وابسته به زمان ژئوتکستایل جهت طراحی فونداسیون مهم است. افت ناگهانی نگهدارنده شعاعی به علت گسیختگی محصور کننده می‌تواند منجر به ایجاد تنش اضافی نسبت به خاک، نشست بیشتر و احتمال شرایط سرویس پذیری بیش از اندازه شود.
روش‌های نصب
تکنیک جابجایی یا جایگزینی ممکن است جهت نصب ستون‌های سنگی محصور شده با ژئوتکستایل در خاک‌های خیلی نرم یا بشدت نرم می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
روش جایگزینی
یک لوله فولادی با ضخامت جداره نازک با نوک باز (غلاف) که از نظر قطری برابر با پوشش ژئوتکستایل است، از سطح زمین تا لایه فونداسیون زیرین فرو برده میشود. خاک میانی غلاف با استفاده از یک مته به بیرون استخراج میشود. سپس پوشش ژئوتکستایل داخل غلاف قرار داده شده و از سطح معمولاً ترکیبی از شن ریزدانه و ماسه حفره میانی را پر می‌کنند. پس از آنکه حفره میانی ژئوتکستایل پر شد، غلاف فولادی از اطراف ستون محصور شده بیرون کشیده میشود. ممکن است ستون محصور شده تراکم اندکی را با لرزش غلاف در حین بیرون کشیدن تجربه کند. به محض بارگذاری، تنش‌های ستونی جانبی که منجر به گسترش شعاعی و کرنش ژئوتکستایل میشوند، باعث محصور شدگی ستون میشوند.
روش جابجایی
غلاف فولادی تا لایه فونداسیونی به سمت پایین ویبره میشود. این غلاف دارای دو درپوش مکانیزه در انتهای خود است که در حین فرو رفتن درون زمین بسته نگه داشته میشود و موجب جابجایی خاک نرم پیرامونی میشود. سپس ژئوتکستایل درون غلاف مشابه روش جایگزینی، قرار داده شده و پر میشود. در حینی که غلاف بالا کشیده میشود، درپوش انتهایی با فشار باز شده و به درپوش اجازه بالا آمدن از اطراف ستون محصور شده داده میشود. روش جابجایی معمول‌ترین روش استفاده شده برای ساخت بوده و برای خاک‌های بسیار نرم ترجیح داده میشود. این روش موجب ایجاد ستون‌های سنگی میشود که با خاک پیرامونی دارای قفل شدگی داخلی هستند.
ستون‌های سنگی محصور شده با ژئوگرید
استفاده از ژئوتکستایل به مصالح ستونی و روش‌های نصب مشخصی، محدود میشود. ماسه و شن ریزدانه معمولاً به عنوان مصالح پرکننده قفسه‌های محصور کننده انتخاب میشوند، زیرا سنگ دانه‌های درشت‌تر موجب آسیب رسیدن به ژئوتکستایل میشوند. به علاوه، به منظور کاهش پتانسیل آسیب رسیدن به محصورکننده ژئوتکستایلی، تنها تراکم اندکی در حین نصب به ستون‌ها اعمال میشود. نهایتاً جهت بسیج شدن نیروهای پیرامونی در محصورکننده، کرنش‌های پیرامونی تا ۱ درصد مورد نیاز است. این کرنش‌های اولیه منجر به تورم شعاعی زیادی در حین بارگذاری ستون خواهد شد.
فاکتورهای ترکیبی ذکر شده می‌تواند منجر به نشست‌های بیشتر از مقدار مطلوب در برخی از پروژه‌ها شود. تحقیقاتی اخیرا به منظور مطالعه ژئوسنستیک‌های دیگری مانند ژئوگرید برای استفاده به عنوان مصالح محصور کننده انجام شده است. اگرچه ژئوگرید ممکن است مقاومت کمتری نسبت به ژئوتکستایل در برخی حالت‌ها داشته باشد، اما ژئوگرید معمولاً قوی‌تر بوده و ممکن است این توانایی را به ستون‌ها بدهد که نسبت به ژئوتکستایل، تا حد بیشتری متراکم شود. علاوه بر این، ژئوگرید معمولاً نیازمند کرنش‌های کششی کوچکتری جهت بسیج شدن نیروهای کششی نسبت به ژئوتکستایل است که این موضوع سختی اولیه بزرگتری را فراهم می‌کند. این خصوصیات می‌تواند ساخت یک ستون با سختی افزایش یافته (هنگامی که با محصورشدگی ژئوتکستایل مقایسه میشود) را به دنبال داشته باشد.
استفاده از ژئوگرید محصور کننده می‌تواند با سنگ دانه‌های درشت‌تر مانند سنگ خرد شده سازگار بوده و به عنوان جایگزین برای مصالحی مانند ماسه و شن ریز، به حساب آید. در سال‌های اخیر به منظور افزایش کارایی ستون‌های سنگی، از ژئوگریدها به عنوان پوشش تقویت کننده مناسب برای ستون‌ها استفاده میشود. زیرا این مصالح دارای مقاومت کششی بالا و قفل شدگی قابل توجهی در ساختار شبکه‌ای خود با مصالح ستون‌های سنگی هستند. عملکرد این پوشش‌ها به این گونه است که مصالح درشت دانه در بین شبکه‌های ژئوگرید محصور میشوند و با توجه به بالا بودن مقاومت کششی ژئوگریدها از گسیختگی و کمانش بیش از اندازه ستون سنگی جلوگیری به عمل می‌آید.
اصول رفتاری ستون محصور شده ژئوگرید و ژئوتکستایل بسیار مشابه هستند. هر دو سیستم از نیروهای پیرامونی تولید شده در میان مصالح ژئوسنستیک جهت ایجاد محصور شدگی ستون علاوه بر مقداری محصور شدگی که توسط خاک پیرامونی فراهم میشود، بهره می‌گیرند. به هر حال، ژئوگرید بصورت کلی سخت تر از ژئوتکستایل (بخصوص در حین بارگذاری اولیه) است که موجب ایجاد پاسخ صلب‌تر میشود. ژئوگرید می‌تواند همراه با مصالح شنی و سنگی خرد شده درشت دانه، بجای ماسه مورد استفاده قرار گیرد. از طرف دیگر، به علت مقاومت بالای ژئوگرید، استفاده از نیروی تراکم بیشتر در حین نصب ممکن میشود که می‌تواند به یک ستون متراکم تر منجر شود.
در مقایسه با ستون‌های محصور شده با ژئوتکستایل، تحت بارگذاری این فاکتورها ممکن است پاسخ ستونی سخت‌تری داشته باشد و به تکنیک منحصر به فردی برای کاربردهای آن منجر شود.
رفتار ستون مجزا
هنگامی که بارگذاری انجام میشود به ستون سنگی به سمت پایین نیرو وارد شده و موجب ایجاد تنش‌های برشی در سطح بین ستون و خاک طبیعی پیرامون آن میشود. این موضوع منجر به از بین رفتن بار با افزایش عمق شده و بارهای بزرگتری در بخش بالایی ستون اعمال میشود. هنگامی که فشتر پیرامونی و سختی خاک طبیعی جهت نگهداشت بار کافی نباشد خاک میانی ستون دچار گسیختگی برشی شده و منجر به بر آمدگی و تروم ستون میشود. این تورم می‌تواند به حالت تعادل پلاستیک رسیده و ضرورتاً منجر به گسیختگی ستون نشود.
رفتار گروه ستون
با فرض آنکه خاک بهسازی شده با ستون سنگی، با استفاده از یک فونداسیون نسبتاً صلب بارگذاری شده و ستون‌ها روی یک لایه صلب قرار گرفته‌اند، نیروهای بارگذاری روی ستون سنگی و خاک پیرامونی با مقادیر یکسانی اعمال میشوند. از آنجا که سنگ در مقایسه با خاک طبیعی نسبتاً غیرقابل تراکم است، ستون سنگی به علت پاسخ به کوتاه شدگی محوری، بصورت شعاعی در خاک پیرامون توسعه پیدا می‌کند. همچنین خاک در نتیجه کوتاه شدگی ستون مجبور به تغییر حجم خواهد داد. اگرچه با توسعه یافتن شعاعی ستون‌های مجاور، محصورشدگی بیشتری ایجاد میشود، اما این گسترش یافتن ممکن است در بخش بالایی ستون سنگی، جایی که فشار محصور کننده جانبی و سختی خاک پیرامونی کمتر است، بزرگتر باشد. در حین بارگذاری، تنش قائم بصورت پیوسته بین ستون و خاک طبیعی به نسبت سختی نسبی هر یک از مصالح، منتقل میشود. به علت عملکرد تحکیم، محصور شدگی و سختی خاک تا ایجاد تعادل بین ستون و خاک اطراف آن، افزایش می‌یابد.
- مشکل اساسی در ستون‌های سنگی گسیختگی این ستون‌ها تحت بارگذاری است.
- محصورکردن ستون سنگی با طول محصورشدگی کامل مناسب می‌تواند ظرفیت باربری خاک‌های سست را تا چندین برابر نسبت به ستون سنگی معمولی افزایش دهد.
- محصور شدگی با ژئوگریدهای دارای سختی بالاتر، فشار محصور شدگی بالاتری را نسبت به ستون سنگی به علت ایجاد نیروی کششی حلقه‌ای بالاتر، ایجاد می‌کند.
- برای یک محصورشدگی با سختی معین، ظرفیت باربری با افزایش طول محصورشدگی، بهبود می‌یابد.
- تاثیر سختی محصور کننده هنگامی که طول محصورکننده بسیار کم است، قابل چشم پوشی است. به هر حال، هرچه طول محصور کننده افزایش یابد، محصور شدگی ایجاد شده با سختی بالاتر، نتایج بهتری ایجاد کرده و این موضوع برای طول کامل محصورکننده مشخص‌تر است.
