إحلال أو استبدال التربة في المنشآت الهندسية Soil Replacement

 

 Soil Replacement   إحلال التربة

 

يتم إحلال أو استبدال التربة غير الصالحة بتربة ذات خواص محددة للإيفاء بالغرض المطلوب ويكون إحلال التربة للآتي:

1 - زيادة منسوب التأسيس للمبنى.

2 - زيادة قدرة تحمل التربة للأحمال الخارجية وذلك بتحسين بعض خواصها.

3 - تجنب تأثير المياه الجوفية لحماية الأساسات وعادة ما تنفذ طبقات الإحلال بتربة أقوى من التربة الأصلية أو على الأقل مساوية لها ويتم تنفيذها على طبقات لا يتعدى سمك الطبقة 30 سم وتدمك جيدا مع الرش بالماء للوصول إلى اقصى دمك بأقل جهد دمك.

أنواع تربة الإحلال:

1.    تربة الرمل والزلط:

وتستخدم لزيادة منسوب التأسيس أو زيادة قدرة تحمل التربة عند منسوب التأسيس بخليط من الزلط والرمل بنسبة 2:1 أو 1:1

2.    الإحلال بالزلط:

 وتستخدم كنظام تصريف للمياه الجوفية بعيدا عن خرسانة الأساسات حيث تتحرك خلالها المياه الجوفية أفقيا لتستقبلها أنظمة الصرف وعادة سمك الطبقة 15 سم من تربة إحلال بالزلط كاف لهذا الغرض

3.    الإحلال بالخرسانة (الإحلال المثبت):

 عندما لا تجدى وسائل تصريف المياه الجوفية في التخلص من كل المياه الجوفية عند منسوب التأسيس تنفذ طبقة أحلال من الخرسانة قليلة الأسمنت قليلة المياه (مفلفلة) حيث تدخل المياه الجوفية في خلطة هذه الخرسانة الضعيفة.

4.    الإحلال بالرمل:

يستخدم الرمل لرفع المنسوب أو خفض الاجهادات على التربة الأصلية نظرا لرخص ثمن الرمل ويستخدم الرمل الخشن كطبقة احلال في حالة التربة الفوارة حيث يعمل كطبقة مرنة لامتصاص الانتفاخ الناتج عن التربة الأصلية.

5.    طبقة النظافة:

وتستخدم عند حدوث ترويب للتربة الناعمة أو فوران للتربة الرملية وذلك في وجود المياه الجوفية وتستخدم طبقة بسمك 15-20سم من الرمل أو الزلط والرمل لتنفيذ الأساسات فوقها.

تربة الإحلال يتم اللجوء إليها عندما تكون التربة الأصلية غير صالحة للتأسيس للمبنى المراد اقامته عليها وعدم صلاحية التربة يتمثل في:

 

1-    ان تكون التربة ذات هبوط حاد كبير لا يتناسب مع الاحمال الناتجة من المنشأة - وقد تتناسب مع منشأة اخرى ذات احمال اقل.

2-   ان تكون التربة فوارة وعالية الانتفاخ - اي يزداد الحجم بمجرد وصول المياه إليها وتقل في حالة الجفاف مما يؤدي الي تأثيرات خطيرة على المنشأة.

3-    عندما تكون التربة لها قابلية عالية للإنهيار بمجرد زيادة نسبة الرطوبة بها نتيجة تسرب مياه – بحيث يحدث الانهيار القصي لها تبعا لذلك مما يؤدي الي مشاكل خطيرة بالمنشأة.

4-   عندما تكون التربة الأصلية عند منسوب التأسيس لا تستطيع تحمل الاحمال الناتجة من المنشأة - اي انها ذات جهد قليل لا يتناسب مع جهد الاحمال فيتم عمل الإحلال لزيادة الجهد عند منسوب التأسيس - وسمك طبقة الإحلال يتوقف على الجهد الذي تستطيع تحمله الطبقة التي يتم عمل الإحلال عليها - وهذه حسب تتابع الطبقات في الموقع والذي يتم تحديده من تقرير التربة

5-   إذا زادت نسبة املاح الكلوريدات او الكبريتات عن حدود معينة حسب الكود قد يؤدي الي اضرار بالأساسات في هذه الحالة يتم تغيير التربة.

6-   أن التربة الجبسية (التي فيها نسبة الجبس عالية ومؤثرة حسب تقرير الفحص المخبري لمكونات التربة) تحتاج الى استبدال لان الجبس ذو قابلية ذوبان عالية في الماء.

وبالنسبة لنوع التربة المستخدمة في الإحلال فيجب ان تكون خالية من جميع العيوب السابقة ولا علاقة لتربة الإحلال بالتربة الأصلية - يعني تربة الإحلال لازم يتم عمل اختبارات لها للتأكد من انها صالحة للتأسيس.

لابد من عمل اختبار أو فحص معملي لتربة الإحلال وأهم اختبارات التربة في حالة الإحلال هو اختبار الدمك Compaction

 

اختبار دمك التربة:

مقدمة:

عرف دمك التربة منذ القدم حينما بدأ الإنسان في بناء السدود القديمة حيث كانت تتم عملية دمك التربة بتمرير أعداد كبيرة من العمال والمعدات والحيوانات على التربة المفككة مرات متعددة. وكانت جسور السكك الحديدية في البداية تدمك بترك تربتها عدة سنين لتدمك تحت تأثير وزنها قبل وضع طبقة الزلط فوقها. وكانت الأساليب المستخدمة قديما في دمك التربة وسائل تقريبية إلى أن قدم بروكتور أبحاثه عام 1933م فأدخل الأسلوب العلمي في هذا المجال.

تعريف الدمك:

دمك التربة هو ضغط جزيئات التربة القريبة من بعضها البعض بالطرق الميكانيكية. يتم طرد الهواء أثناء ضغط التربة من الفارغ في كتلة التربة وبالتالي يتم زيادة كثافة الكتلة. يتم ضغط التربة لتحسين الخصائص الهندسية للتربة. ويكون مطلوب ضغط التربة لبناء السدود الأرضية وسدود القنوات والطرق السريعة والمدارج والعديد من الهياكل الأخرى.

 

ويختلف الدمك من التصلب بأن الأخير هو طرد تدريجي للمياه من التربة المشبعة باستخدام إجهاد مستمر ويصاحب ذلك نقص في الحجم.

نظرية الدمك

تزيد الكثافة الجافة عند دمك تربة مع زيادة نسبة الرطوبة تحت أي جهد دمك إلى أن تبلغ العينة الرطوبة القصوى ثم تنخفض الكثافة الجافة بعد الزيادة في الرطوبة عند الحد الأقصى. وهناك نظريات كثيرة لتفسير ذلك منها أنه إذا كانت الرطوبة في تربة ما منخفضة فإن حبيباتها تتغلف بطبقة رقيقة من الماء والهواء الذي يفصل هذه الحبيبات يكتسب ضغطا جويا حيث يكون الهواء في بادئ الأمر متصل بالجو. فإذا تم دمك الحبيبات مع بعضها بحيث يمتنع اتصال الهواء الموجود في الفراغات بالجو فإن ضغط الهواء المحبوس في الفراغات يزيد عن الضغط الجوي بمقدار يتوقف على درجة تقارب الحبيبات من بعضها وحجم الهواء المحبوس في الجيوب الناتجة من تقارب الحبيبات. وكلما كان حجم الهواء المحبوس كبيرا كلما كان ضغطه صغيرا والعكس صحيح في حالة نسبة الرطوبة القصوى مما ينتج انخفاض في نسبة الهواء المحبوس أما الجزء المتبقي من جهد الدمك فإنه يفشل حتى في التغلب على مقاومة الاحتكاك الصغيرة بين الحبيبات مما ينتج عنه زيادة في نسبة المسام وبالتالي في انخفاض في الكثافة الجافة وتستمر هذه العملية مع زيادة الرطوبة إلى أن تصل رطوبة تكون عندها نسبة الفراغات الهوائية أقل ما يمكن.

وإذا زادت الرطوبة عن هذا الحد فإن الهواء المحبوس يكون أكبر من جهد الدمك الذي يفشل في ضغط الهواء المحبوس أو التغلب على الاحتكاك بين الحبيبات. وعلى هذا تكون النتيجة انخفاض في كثافة التربة الجافة وزيادة في المسام ونسبة الفراغات الهوائية. ومما سبق يمكن استنتاج أن الضغط المتوالد في الفراغات الهوائية خلال علمية الدمك هو الذي يلعب دورا كبيرا في تشكيل منحنى الدمك.

أهمية الدمك كتطبيق هندسي:

في مجال السدود الترابية فإن دمك تربة الردم في السد تزيد مناعته لنفاذ الماء مما يقلل كمية الماء المتسربة منه. كما أن قوة القص لردم مدموك جيدا تساعد على ثبات هذا الردم ومقاومته للانزلاق. وفي مجال الطرق والمطارات فإن هذه الأعمال الهندسية تزيد سعتها الحملية إذا أنشأت على أساس مدموك جيدا.

وفي مجال تحسين خواص التربة في عمليات الإحلال فإن الدمك من أهم العمليات اللازمة لتثبيت التربة سواء أضيفت مادة التثبيت أم لم تضاف.

تجارب الدمك العملية:

تهدف تجارب الدمك العملية إلى إيجاد وضع مثالي يكون أساسا واسترشادا لإجراء عملية الدمك في الموقع. ويوجد العديد من التجارب العملية التي تعتمد على طريقة ونوع الدمك، وينقسم الدمك إلى الأنواع الأتية:

- الدمك الديناميكي:

 حيث يتم الدمك بواسطة دك التربة بمطرقة تسقط من ارتفاع معين. - الدمك بالعجن: حيث يتم الدمك بواسطة اختراق وافر للتربة ثم يحدث بعض العجن في التربة أثناء الدمك.

- الدمك بحمل ساكن ( استاتيكي):

حيث تدمك التربة في قالب تحت حمل استاتيكي.

- الدمك بالهز: حيث يتم دمك التربة بتعريضها للاهتزاز.

الاختبارات اللازمة لتربة الإحلال المراد الردم بها قبل توريدها للموقع:

هناك عدة اختبارات للتربة منها:

1- اختبار بروكتور Proctor المعدل لمعرفة الكثافة الجافة والمحتوي المائي قبل اي شيء

2- اختبار الحدود اتربرغ Atterberg Limits (حد السيولة - اللدونة -الصلبة -معامل المرونة)

3 - التحليل المنخلي ضروري جدا لان ادا مرة من منخل 200 أكثر من 35% تربة غير صالحة

ام بعد الإحلال تقوم بعمل اختبار على تربة الحلال وايجاد الكثافة الجافة لها ومقارنتها بكثافة المتحصل عليها من اختبار بروكتور المعدل يجب ان تكون مبين 95%-100%

اختبار بروكتور القياسي:

لتقييم كمية ضغط التربة ومحتوى الماء المطلوب في الحقل، يتم إجراء اختبارات الدمك على نفس التربة في المختبر. يوفر الاختبار علاقة بين محتوى الماء والكثافة الجافة. يتم الحصول على محتوى الماء الذي يتم فيه تحقيق أقصى كثافة جافة من العلاقة التي توفرها الاختبارات. استخدم بروكتور قالبا قياسيا يبلغ قطره الداخلي 4 بوصات وارتفاعا فعالا يبلغ 4.6 بوصة بسعة 1/30 قدم مكعب. كان للقالب لوحة قاعدة قابلة للفصل وطوق قابل للإزالة بارتفاع 2 بوصة في الجزء العلوي. يتم ضغط التربة في القالب في 3 طبقات، أعطيت كل طبقة 25 ضربة من 5.5 رطل يصل ارتفاع أداة الدك إلى 12 بوصة. نظام IS: يوصي الجزء السابع 2720 بشكل أساسي بنفس المواصفات كما هو الحال في اختبار Proctor القياسي، مع بعض التعديلات الطفيفة. يبلغ قطر القالب الموصى به 100 مم وارتفاعه 127.3 مم وسعته 1000 مل. كما يبلغ وزن أداة الدك الموصى به 2.6 كجم مع مسافة دمك حرة تبلغ 310 مم وقطر وجهه يبلغ 50 مم. يتم ضغط التربة في ثلاث طبقات. يتم تثبيت القالب على لوحة القاعدة القابلة للفصل. وطوق من ارتفاع 60mm.

وقد تتغير هذه الأبعاد في الأدوات المستخدمة حسب النظام Standard  المتبع في الفحص و الاختبار وتظل النتيجة واحدة في الحصول على نفس النتائج كما هو موضح أدناه:

في هذه الحالة تجفف عينة من التربة بعد أن تسحق بحيث يكون التجفيف هوائيا في حدود 5 كحجم تمرر من خلال منخل فتحته 20 ملميتر ثم تضاف كمية من الماء حسب نوع التجربة بحيث تعطي محتوى رطوبة ما بين 4% إلى 6% للتربة الرملية و الحجرية و بقيمة تتراوح بين 8% إلى 10% للتربة الطينية  ثم توضع العينة على ثلاث طبقات في القالب المكون في اسطوانة مفرغة قطر 10.2 سم وقطرها الداخلي 1.6 سم (يعطي حجما حوالي 944 سم3) كما أن هذه الاسطوانة لها امتداد علوي ارتفاعه 6 سم و تدمك كل طبقة من الطبقات الثلاث بواسطة الدك 20 مرة بمطرقة تزن حوالي 2.5 كيلوجرام و قطرها 5.1 سم و تسقط من ارتفاع 30.5 سم ثم يزال الامتداد العلوي للأسطوانة و تسوى التربة بداخلها ثم يوزن القالب الاسطواني بما يحتويه من تربة لحساب الكثافة الرطبة للعينة و المحتوى المائي لها. ويتم أخذ حوالي 3 كجم من التربة المجففة بالهواء للاختبار. يتم خلطه مع محتوى مائي بنسبة 8٪ وملء القالب في ثلاث طبقات وإعطاء 25 ضربة لكل طبقة. يتم أخذ حجم القالب وكتلة التربة المضغوطة. يتم حساب الكثافة الظاهرية من الملاحظات. يتم وضع عينة تمثيلية في الفرن لتحديد محتوى الماء. يتم اكتشاف معرف الكثافة الجافة من الكثافة الظاهرية والمحتوى المائي. يتم تكرار نفس الإجراء عن طريق زيادة محتوى الماء. عرض نتائج منحنى ضغط اختبار بروكتور

يتم رسم منحنى الضغط بين محتوى الماء والكثافة الجافة المقابلة كإحداثيات. ويلاحظ أن الكثافة الجافة تزداد في البداية مع زيادة محتوى الماء حتى يتم تحقيق أقصى كثافة. ومع زيادة أخرى في محتوى الماء تنخفض الكثافة الجافة ويعرف المحتوى المائي المقابل للكثافة الجافة القصوى باسم المحتوى المائي الأمثل (O.W.C) أو المحتوى الرطوبي الأمثل (O.M.C).

عند محتوى مائي أكثر من المستوى الأمثل، يقلل الماء الإضافي من الكثافة الجافة لأنه يشغل المساحة التي ربما كانت تشغلها الجسيمات الصلبة. وبالنسبة لمحتوى مائي معين، يتم الحصول على أقصى كثافة نظرية تتوافق مع الحالة عندما لا تكون هناك فراغات هوائية (درجة التشبع هي 100٪). تعرف الكثافة القصوى النظرية أيضا باسم الكثافة الجافة المشبعة ويمكن رسم الخط الذي يشير إلى الكثافة القصوى النظرية جنبا إلى جنب مع منحنى الضغط ومن المعروف باسم خط فراغ الهواء الصفري.

 

 - العوامل المؤثرة على الدمك:

1-   المحتوى المائي:

 تؤثر الكثافة الجافة في زيادة المحتوى المائي إلى أن تصل التربة بمحتواها المائي إلى القيمة القصوى ثم بعدها تتناقص الكثافة الجافة بزيادة المحتوى المائي.

2-   كمية الدمك:

 لكل تربة نوع معين مناسب لها من الدمك، وزيادة طاقة الدمك تزيد من قيمة الكثافة الجافة القصوى ويخفض المحتوى المائي الأمثل وعامة فإن زيادة جهد الدمك أو طاقة الدمك تجعل المنحنى يتحرك شمالا إلى الأعلى.

3-   نوع التربة:

الكثافة الجافة القصوى تعتمد على نوع التربة. والتربة ذات الحبيبات الخشنة المتدرجة يكون لها كثافة جافة قصوى أكبر من تلك التربة ذات الحبيبات الناعمة. والطين له أقل كثافة قصوى.

4-   طريقة الدمك:

تؤثر على قيم الدمك وتشمل طريقة الدمك سواء المعملية أو الحلقية على وزن المطارق وكيفية الدمك (ديناميكي أو ستاتيكي، عجن أو هرس) وزمن الدمك والمساحة المعرضة للدمك.

5-   الإضافات:

 توجد بعض الإضافات يمكن استخدامها لتحسين صفات الدمك.

تأثير الدمك على خواص التربة

1-   يزيد من مقاومة القص للتربة.

2-    يزيد قدرة تحمل التربة.

3-    يخفض من قدرة التربة على الانضغاط والهبوط.

4-    يقلل من نفاذية التربة وبالتالي تنخفض قدرتها على تسرب المياه.

 

خاتمة:

في مجالات الهندسة المدنية كالسدود الترابية مثلا فإن دمك تربة الردم في السد تزيد مناعته لنفاذ الماء مما يقلل كمية الماء المتسربة منه. كما أن قوة القص لردميات مدموكه جيدا تساعد على ثبات هذا الردم ومقاومته للانزلاق. وفي مجال الطرق والمطارات فإن هذه الأعمال الهندسية تزيد سعتها الحملية إذا أنشأت على أساس مدموك جيدا.

وأما في مجال تحسين خواص التربة بواسطة عمليات الإحلال فإن الدمك من أهم العمليات اللازمة لتثبيت التربة سواء أضيفت مادة التثبيت أم لم تضاف.