نشریه زمین شناسی مهندسی

---

تزریق با فشار بسیار بالا روشی برای اصلاح خاک است که در آن آب یا دوغاب، با فشار بسیار بالا و سرعت زیاد از طریق نازل‏هایی به داخل خاک تزریق شده و باعث تخریب ساختار خاک می‌شود. طی این فرآیند، بخشی از ذرات خاک و دوغاب از درون گمانه حفاری بیرون آمده و بخشی دیگر به‏صورت درجا با دوغاب مخلوط می‏شوند. در نتیجه این فرآیند، توده‌ای از خاک اصلاح شده به‏وجود می‌آید که به آن اصطلاحاً توده خاک-سیمان اطلاق می‌شود. ستون‏های خاک- سیمان ایجاد شده از طریق روش تزریق با فشار بالا در داخل خاک، دارای مقاومت بالا، تغییر شکل‌پذیری اندک و نفوذپذیری بسیار پایین هستند و باعث تقویت خصوصیات خاک محل می‌شوند. در مقاله حاضر ابتدا اصول تزریق با فشار بالا و عوامل مؤثر در این روش تشریح شده است، سپس به بررسی نتایج حاصل از خاک‏برداری اطراف ستون‏های خاک- سیمان ایجادشده با تزریق با فشار بسیار بالای آزمایشی و آزمایش‏های انجام‏شده روی نمونه‏های اخذ شده از این ستون‏ها پرداخته شده است. با توجه به نتایج به‏دست آمده از آزمون‌های مذکور، عملیات تزریق با فشار بسیار بالا باعث افزایش و تقویت خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک محل از جمله مقاومت فشاری تک محوری، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی تا چندین برابر شده است. در پایان نیز مقادیر پارامترهای تزریق با فشار بسیار بالا برای دست‏یابی به اقطار بیشتر در سایت مذکور (براساس نتایج تزریق آزمایشی)، از قبیل سرعت بالا کشیدن مانیتور، سرعت دوران مانیتور، فشار آب، فشار دوغاب و فشار هوا پیشنهاد شده است.

---

امروزه تاثیر عملیات تزریق سیمان معمولاً توسط نتایج آزمایش¬های نفوذپذیری تائید می¬شود که این روش برای نشان دادن میزان تغییرات ایجاد شده در خصوصیات مکانیکی توده سنگ کافی نمی¬باشد. اگرچه محققان مختلف از آزمایش¬های برجا جهت ارزیابی بهبود خصوصیات مکانیکی توده سنگ استفاده کرده¬اند اما انجام این آزمایش¬ها هزینه¬بر و زمان¬بر بوده و همچنین مستلزم مهارت کافی است. تزریق سیمان باعث کاهش نفوذپذیری، بهبود وضعیت درزه¬ها و نهایتاً افزایش امتیاز توده سنگ در سیستم¬های رده¬بندی مهندسی سنگ می¬شود. بنابراین با اندازه¬گیری مقادیر شاخص کیفی توده سنگ (Q) در مغزه¬های بدست آمده از گمانه¬های تزریق شده، می¬توان میزان کارایی و موفقیت آمیز بودن عملیات تزریق در بهبود خصوصیات مکانیکی توده سنگ را نشان داد. در این پژوهش برای اولین بار از روش نگاربرداری Q به عنوان روشی ساده برای ارزیابی تاثیر تزریق سیمان در بهبود مدول تغییرشکل-پذیری توده سنگ استفاده شده و نتایج حاصل از نگاربرداری Q در پانل¬های تزریق آزمایشی ساختگاه سدهای بختیاری، بازفت و خرسان 2 را مورد بررسی قرار داده است. مقادیر مدول تغییرشکل¬پذیری توده سنگ در شرایط قبل و بعد از تزریق توسط نگاربرداری Q محاسبه شده است. نتایج محاسبات حاکی از همخوانی خوب بین مقادیر مدول تغییرشکل¬پذیری محاسبه شده از روش نگاربرداری Q و حاصل از آزمایش¬های برجا است. این همخوانی قابلیت و کارائی روش نگاربرداری Q برای ازیابی تاثیر عملیات تزریق و اندازه¬گیری پارامترهای توده سنگ را تایید می¬کند. همچنین نتایج نشان می¬دهد که توده سنگ¬هایی با کیفیت پایین-تر، به میزان بیشتری نسبت به توده سنگ¬هایی با کیفیت بالاتر بهبود یافته است.

---

ایران در زمره کشورهایی است که گسترۀ وسیعی از خاک‌های رمبنده دارد و در صورت شناسایی نشدن این نوع خاک‌ها، اگر سازه، راه و یا خطوط ریلی روی آن‌ها احداث شود، در اثر اشباع شدن خاک، مشکلات چشم‌گیری ایجاد می‌کند در دشت سمنان نیز به‌دلیل وجود شکست‌‌های خاک در محل عبور راه‌های مواصلاتی مهم، مواردی از رمبنده بودن خاک مشاهده شده است. در مسیر راه آهن تهران- سمنان به‌علت بهره‌برداری از خط و عدم امکان مسدودی خط یکی از راه حل‌هایی که می‌تواند به‌طور مؤثر برای اصلاح مشکلات ناشی از وجود خاک‌های رمبنده استفاده شود تزریق برجا است. در این پژوهش برای اصلاح خاک منطقۀ بررسی شده با استفاده از تزریق، ماده تزریقی آهک به‌دلیل وجود رس در خاک، استفاده شده است. نتایج آزمایش‌های میدانی و آزمایشگاهی بیان‌گر آن است که با توجه به سیمانتاسیون رسی موجود بین ذرات خاک محل، تزریق آهک منجر به کاهش چشم‌گیر پتانسیل رمبندگی خاک در شرایط اشباع و افزایش ظرفیت باربری خاک در مقایسه با سایر مواد تزریقی شده است.از این رو، به‌عنوان راه‌کاری مناسب در موارد مشابه پیشنهاد می‌گردد.

---

در مقاله حاضر نتایج پژوهش‌ای آزمایشگاهی در خصوص مقدار نفوذپذیری دوغاب بنتونیت در داخل ماسه تمیز ارائه شده است. وجود خاک رس بنتوینت در بافت خاک به‌واسطۀ تزریق آن در ماسه، منجر به تغییر در خصوصیات مکانیکی و هیدرولیکی ماسه می­شود. در این تحقیق با استفاده از دستگاه تزریق و با تغییر فشار نفوذ، دوغاب بنتونیت با غلظت‌های مختلف در داخل ماسه با دانه‌بندی مختلف تزریق شده است و تغییرات طول نفوذ دوغاب بحث و بررسی شده است. بر پایۀ آزمایش‌های انجام شده، مقدار نفوذ در  فشارهای ثابت با دانه‌بندی رابطۀ مستقیم و خطی دارد. مقدار غلظت بنتونیت در دوغاب تزریقی نیز به‌واسطۀ افزایش غلظت و هم‌چنین تأثیر ویسکوزیته نمونه از عوامل مهم دیگری در تعیین طول نفوذ دوغاب در ماسهاست. البته می‌توان با افزایش فشار تزریق تأثیر افزایش غلظت بنتونیت را جبران کرد و دوغاب را تا عمق مورد نظر تزریق کرد. از جمله عوامل تأثیرگذار دیگر در طول نفوذ دوغاب، سطح مخصوص و ظرفیت تبادل کاتیونی ماده تزریق‌شونده است. با مقایسه تزریق دوغاب کائولینیت در ماسه مشاهده شد هرچه مقدار سطح مخصوص و ظرفیت تبادل کاتیونی ماده تزریقی کاهش یابد مقدار نفوذ دوغاب در ماسه افزایش پیدا می‌کند.
 

---

جت‏گروتینگ یکی از روش‏های بهسازی بستر و پایدارسازی شیب‏ها است که به‌کمک آن می‏توان ظرفیت باربری قائم یا جانبی زمین موردنظر را از طریق تزریق دوغاب سیمان تحت ‌فشار افزایش داد. در این تحقیق، بهسازی خاک با المان‏های جت‏گروت در یکی از شهرهای ساحلی شمال ایران بررسی می‌شود. نتایج تزریق دوغاب سیمان به‌روش تک‌سیالی به‌همراه شرایط ژئوتکنیکی خاک محل ارائه می‌شود. قطر ستون‏های جت‏گروت، مقاومت تک‌محوری مغزه‏های گرفته‌شده و درصد بازیابی مغزه‏ها به‌عنوان مهم‌ترین پارامترهای ارزیابی عملکرد بهسازی در معیارهای موجود، استفاده شده و بر اساس نتایج آن، طرح اولیه اصلاح و اجرا شده است. هم‌چنین مشاهده شد که در صورت تأمین فشار تزریق 450 بار در ماسه سیلتی اشباع و غیراشباع با اعداد SPT متوسط به‌ترتیب 13 و 20، با سرعت بالا آمدن راد 5/0 سانتی‌متر برثانیه و چگالی دوغاب gr/cm³ 1600، به‌ترتیب ستون‏هایی با قطر cm 80 و cm 100 به‌دست می‏آید که مغزه‏های استخراجی از ستون‏های اجراشده در ماسه سیلتی اشباع دارای مقاومت تک‏محوری kg/cm² 40 است. با توجه به زمان اجرای کوتاه نسبت به حجم عملیات بهسازی، روش جت‏گروتینگ روشی مناسب و اقتصادی در زمین‏های ماسه‏ای اشباع و غیراشباع برای تأمین ظرفیت باربری موردنیاز است و معیار نرخ بهسازی در ارزیابی مقاومت تک‌محوری مغزه‏های استخراجی از خاک بهسازی شده و تصحیح ظرفیت باربری ستون‏های جت‏گروت کارایی مناسبی از خود نشان داده است.
 

---

از مشکلات عمده‌ای که مانع استفاده از روش به‌سازی بیولوژیکی در پروژه‌های عمرانی می‌شود، حجم وسیع مواد مصرفی و هزینه‌های زیاد ناشی از آن است. در این تحقیق کارآیی روش تزریق جدید با هدف کاهش حجم مواد مصرفی به شیوه‌ای مؤثر بررسی شده است. نمونه‌های آماده شده از لحاظ ریزساختار، رفتار مقاومتی و میزان رسوب آزمایش شده­اند. نوع رسوب تشکیل شده بر اساس تجزیۀ X-Ray و نحوۀ اتصال پیوندها با استفاده از تصاویر SEM ارزیابی شده­اند. بررسی میزان همگنی نمونه­ها با اندازه‌گیری میزان رسوب در طول نمونه انجام شده ­است. نتایج به­دست آمده نشان می­دهند که نمونه­ها همگنی نسبتاً خوبی در مقایسه با نمونه‌های ساخته شده با روش تزریق متداول دارند. همین طور آزمایش‌های مقاومت فشاری تک‌محوره (UCS) روی نمونه­های به‌سازی شده انجام و نتایج آن با نمونه‌های ساخته شده با روش تزریق متداول مقایسه شده است. در نهایت مشخص شد که روش تزریق پیشنهادی علاوه بر کاهش حجم و هزینۀ مواد مصرفی، منجر به ایجاد نمونه‌ای نسبتاً همگن با مقاومت فشاری قابل قبول می‌شود. 

---

تزریق CO₂ در سازندهای زمین­شناسی، مانند مخازن تخلیه شده نفت و گاز، علاوه بر مزیت­های زیست­محیطی یکی از روش­های مؤثر ازدیاد برداشت نفت به‌عنوان ازدیاد برداشت ثالثیه است. وجود مخازن دارای افت فشار و نیازمند به تزریق گاز در جنوب غرب ایران از یک طرف و داشتن اثرات فنی و زیست­محیطی از طرف دیگر سبب ایجاد پتانسیل مناسبی جهت تزریق گاز CO₂ برای ازدیاد برداشت در این منطقه شده است. برای انجام یک پروژه تزریق CO₂، در اولین گام، یک ارزیابی از وضعیت فشار منفذی مخزن، مقادیر و جهت‌گیری تنش‌های برجا و وضعیت شکستگی­ها و گسل­ها مورد نیاز است. در این پژوهش، ابتدا فشار منفذی بر اساس روش ایتون تغییر یافته^[1]برای 47 چاه برآورد و با داده­های آزمون مجدد سازند^[2] و فشار گل اعتبارسنجی شد. مقادیر تنش‌های برجا برای 47 چاه در طول میدان گچساران، با استفاده از روابط پوروالاستیک، تخمین زده و با استفاده از داده­های آزمون­های نشت و نشت تمدید یافته^[3] اعتبارسنجی شد. سپس جهت­گیری تنش‌های برجای افقی و شکستگی­ها بر استفاده نگاره­های تصویری بررسی شد. رژیم تنش در میدان بررسی شده نرمال تعیین شد. در نهایت با استفاده تئوری گسل در حالت تنش بحرانی وضعیت شکستگی­ها و گسل­ها از نظر فعالیت هیدرولیکی و مکانیکی ارزیابی شد. در این بررسی گسل­های شمارۀ 15، 6، 10 و 2 به‌ترتیب مستعدترین گسل­ها برای فعالیت مجدد در طی تزریق CO₂ بودند. 
 

---

به‌تازگی به نوع خاصی از رس کائولینیت بنام متاکائولین در بتن توجه شده که نتایج جالب توجهی به دنبال داشته است. هر چندکه، در بارۀ کاربرد این مصالح در شاخه تزریق و بهسازی زمین پژوهش چندانی انجام نشده است و اثرات این ماده بر رفتار مکانیکی خاک بستر به‌خوبی مشخص نیست. هدف اصلی این تحقیق بررسی پارامتر­های مکانیکی ماسه تزریق‌شده با دوغاب حاصل از ترکیب سیمان و متاکائولین، در درصد­های مختلف با رویکرد بهبود در عملکرد آن و به‌دست آوردن نسبت بهینه استفاده از متاکائولین است. برای بررسی رفتار خاک تزریق شده با دوغاب­های سیمان-متاکائولین یک مدل آزمایشگاهی طراحی و ساخته شد. نمونه­ها بعد از عمل­آوری به‌مدت 14 و 28 روز تحت آزمایش­های سه­محوری با شرایط مختلف قرار گرفتند. به‌طورکلی نتایج نشان داد که متاکائولین می­تواند در پایدارسازی هر چه بیش‌تر دوغاب سیمان تزریقی در مقابل پدیده آب اندازی نقش مثبت ایفا کند. هم‌چنین با توجه به نتایج حاصل از آزمایش­ سه­محوری روی خاک ماسه­ای تزریق شده با دوغاب­های سیمان-متاکائولین مشاهده شد، جای‌گزینی درصدی از سیمان مصرفی با متاکائولین سبب همگن­تر شدن، بهبود در شکل­پذیری و نرم تر شدن رفتار پس از گسیختگی می­شود اما پارامتر چسبندگی ناحیۀ تزریق شده را در مقایسه با استفاده از سیمان خالص در دوغاب مقداری کاهش می­دهد. هم‌چنین با توجه به نتایج تحقیق حاضر و نتایج حاصل از تحقیق­های محققان پیشین مشاهده می­شود مقدار استفاده بهینه از متاکائولین در دوغاب با توجه غلظت دوغاب و شرایط محیط از قبیل تنش ­همه­جانبه تعیین می­شود و در حالت­های مختلف باید این مقدار را با روش سعی و خطا به‌دست آورد. به‌طورکلی می­توان گفت با جای‌گزین کردن درصدی از سیمان دوغاب با متاکائولین می­توان با حفظ تقریبی مقاومت فشاریِ خاک تزریق شده، شکل­پذیری (افزایش کرنش نظیر مقاومت حداکثر) را افزایش و مدول نرم‌شوندگی را کاهش می‌دهد.