در این روش وزنه­ای از ارتفاع مشخص سقوط آزاد نموده و در اثر برخورد به زمین انرژی خود را به زمین منتقل کرده و باعث متراکم شدن خاک می­ شود. این عمل با تکرار کوبیدن زمین توسط وزنه انجام می­ شود. عکس­العمل خاکها در طی تراکم دینامیکی با توجه به نوع خاک و انرژی وارده متفاوت است. درک وسیع و گسترده از رفتار خاک همراه با روش های مختلف تراکم برای مفید واقع شدن بهسازی زمین اساسی است. با وجود کاربرد گسترده این روش اساس طراحی آن هنوز تجربی یا نیمه تجربی است و فرآیندهای درگیر در مسئله به طور کامل مشخص نشده است. از آنجا که این روش هزینه­ های پی سازی ساختمانهای واقع در زمینهای سست را به شدت کاهش می­دهد لذا از دیدگاه اقتصاد کلان مملکتی تحقیق در زمینه شناسایی و جنبه های فنی و اجرایی این روش ضرورت دارد.

۱-۳- اهداف و روش تحقیق
تراکم دینامیکی یک روش تجربی بوده و برای هر محل بر اساس مشخصات زمین آن محل و امکانات در دسترس، مؤثرترین و اقتصادی ترین الگو انتخاب می­ شود. در این تحقیق جهت بررسی و تعیین الگوی بهینه عملیات تراکم دینامیکی، پروژه انجام گرفته در بندر بوشهر بصورت عددی شبیه سازی شده است.
بدین منظور برای آَشنایی بیشتر با روش تراکم دینامیکی این تحقیق در پنج فصل انجام شده است. در فصل اول مقدمه­ای درباره ضرورت بهسازی خاک و روش­های مختلف آن بیان شده است. در فصل دوم در مورد روش تراکم دینامیکی، مبانی تئوری آن و مسائل مختلف اجرایی مرتبط با آن به اجمال سخن گفته شده است. فصل سوم به چگونگی مدلسازی با روش تفاضل محدود اختصاص یافته است. در فصل چهارم نتایج محاسبه شده در مدلسازی عددی با نتایج اندازه گیری شده در پروژه مجتمع کشتی سازی شهید محلاتی بندر بوشهر مقایسه شده است و تطابق خوبی بین این دو نتایج مشاهده شد. همچنین پارامترهای مختلف ژئومکانیکی مؤثر بر تراکم دینامیکی مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل پنجم خلاصه نتایج حاصل از مدلسازی عددی و همچنین پیشنهاداتی جهت مطالعات بعدی ذکر شده است.
فصل ۲
مروری بر منابع
۲-۱ مقدمه
یکی از روش­های بهسازی عمیق خاک تراکم دینامیکی است. این عمل با تکرار کوبیدن زمین به وسیله وزنه­ای که از ارتفاع مشخص سقوط آزاد می­ کند انجام می­ شود. عکس العمل خاکها در طی تراکم دینامیکی با توجه به نوع خاک و انرژی وارده متفاوت است. درک وسیع و گسترده از رفتار خاک همراه با روش­های مختلف تراکم برای مفید واقع شدن بهسازی زمین اساسی است.
۲-۲ تاریخچه
متراکم کردن ماسه­های سست بوسیله سقوط آزاد وزنه قدمت زیادی دارد. از این روش ابتدا چینی­ها و سپس رومی­ها استفاده کردند [۴]. اما اولین منبع انتشار یافته در این زمینه پروژه­ای در آلمان بود. بکارگیری وزنه­های سنگین از سال ۱۹۷۰ در فرانسه توسط منارد آغاز شد. در طی دو دهه گذشته تراکم دینامیکی (که به آن متراکم کردن به وسیله­ ضربه (کوبش سنگین و تحکیم دینامیکی گفته می­ شود) بعنوان یک روش قابل قبول جهت بهسازی زمین در محل شناخته شده است [۵].
این روش بعنوان یک روش اقتصادی تر جهت آماده کردن زمین برای استفاده از پی های کم عمق می­باشد چراکه استفاده از پی­های عمیق، گودبرداری، جابجایی خاک و پیش بارگذاری و یا اضافه کردن موادی به زمین متحمل هزینه­ های بیشتر می­ شود. از این روش در پروژه­ های مختلف مهندسی نظیر ساختمان سازی، احداث بزرگراه و فرودگاه، احداث سازه در مناطق ساحلی نظیر تعمیرگاه و کارخانه کشتی سازی، کاهش پتانسیل روانگرایی در خاکهای ماسه­ای، استفاده می­ شود.
۲-۳ مبانی تئوری تراکم دینامیکی
۲-۳-۱ تئوری تراکم دینامیکی در خاکهای دانه­ای
برای بررسی رفتار ماسه حالت ساده­ای که شامل تعداد ذرات ماسه کروی و یکنواخت است در نظر گرفته می­ شود. ذرات در سست­ترین حالت آرایش مکعبی و در متراکم ترین حالت آرایش لوزی شکل دارند [۵].
با توجه به اینکه نهشته های طبیعی یکنواخت نیستند اما بررسی­ها نشان داده است که حداقل و حداکثر نسبت پوکی آنها اختلاف زیادی با آرایش یکنواخت ندارند، بنابراین امکان مشابه سازی روشی با دانه­ های یکنواخت جهت رسیدن از یک حالت سست به یک حالت متراکم وجود دارد [۵].
فرض کنید تنش تراکمی یکنواختی مشابه تنش همه جانبه به جسمی که در آن فرو رفته است به ذرات با آرایش مکعبی وارد شود. در این حالت هیچگونه تغییری در آرایش ذرات صورت نگرفته و نسبت پوکی ثابت می­ماند. اما با اعمال نیروی برشی یکنواخت ذرات به حداقل تخلخل می­رسند (شکل ۲-۱)[۵].
شکل (۲-۱) تنش برشی عامل تراکم در خاکهای دانه­ای
با توجه به اینکه ارتعاش باعث القاء تنش برشی و در نتیجه تغییر شکل برشی می­گردد لذا عکس­العمل ذرات به ارتعاش مشابه زمانی است که نیروی برشی یکنواختی به آنها وارد شود که باعث می­ شود ذرات به حداقل پوکی برسند. برای روشن شدن موضوع نحوه انتشار امواج در اثر بارگذاری در سطح توضیح داده می­ شود.
هنگامی که بار دینامیکی ناشی از ضربه به طور ناگهانی به جسم وارد می­ شود تمام جسم در یک لحظه متأثر نخواهد شد. قسمتی از جسم که به منبع تولید بار نزدیکتر است ابتدا متأثر شده و تغییر شکل­های ایجاد شده به علت بهم خوردگی و اغتشاش جسم به شکل امواج تنش در سایر نقاط جسم منتشر می­ شود.
در زمین همگن، ایزوتروپ و الاستیک اگر ناگهان در نقطه­ای نزدیک سطح بار دینامیکی وارد شود، سه موج الاستیک با سرعت­های متفاوت از محل ضربه به خارج انتشار می­یابد. دو موج به عنوان امواج پیکره­ای هستند که به صورت جبهه­های کروی انتشار یافته و خیلی کم تحت تأثیر سطح آزاد زمین قرار می­گیرند. سومین موج سطحی است و دامنه آن به سرعت با عمق کاهش می­یابد. دو موج پیکره­ای با هم متفاوت هستند. موجی که سریعتر حرکت می­ کند موج اولیه (P)، طولی یا فشاری نامیده می­ شود. این موج سبب حرکت ذرات در راستای انتشار می­ شود ولی موج کندتر یا موج برشی یا ثانویه (S) باعث حرکت ذرات در جهت عمود بر راستای انتشار می­گردد. این موج به دلیل طبیعت برشی در سیالات انتشار نمی­یابد.
هر سه موج همچنانکه به سمت خارج حرکت می­ کنند حجم بیشتری از مصالح را متأثر می­ کنند. بنابراین شدت انرژی هر موج با فاصله گرفتن از منبع انتشار آن کاهش می­یابد. دامنه ارتعاشات امواج پیکره­ای به نسبت (r فاصله از منبع تولید موج است) کاهش می­یابد این در حالی است که کاهش دامنه ارتعاشات در سطح به نسبت است. کاهش دامنه امواج سطحی (امواج رایلی) به نسبت است [۵].
(شکل ۲-۲) نحوه انتشار امواج در یک محیط پیوسته، همگن و ایزوتروپ در اثر بارگذاری دینامیکی ناشی از ضربه [۵]
در خاک­های اشباع موج P که تراکمی است از فاز سیال عبور می­ کند و باعث افزایش فشار آب منفذی شده و به دلیل حرکت کششی-فشاری^[۶] باعث تغییر در اسکلت خاک می­­شود. موج S که موج برشی است از دانه­ای به دانه دیگر به کندی عبور کرده و باعث قرار گیری ذرات در وضعیت متراکم­تر می­گردد و موج رایلی که زیر سطح و به موازات آن حرکت می­ کند نقشی مشابه موج برشی دارد [۵]. بنابراین در اثر بارگذاری دینامیکی موجی جهت القاء تنش برشی به ذرات وجود دارد. نتیجه این بارگذاری، تنش برشی همراه با تنش قائم ناشی از سربار، چرخش و انتقال دانه­ها از یک وضعیت سست مشابه آرایش مکعبی به یک وضعیت متراکم مشابه آرایش لوزی شکل می­باشد. در تراکم دینامیکی (شکل ۲-۳) بخش A دارای تغییر شکل پلاستیک بوده ولی هر نقطه روی جبهه B که در حاشیه بخش A قرار دارد به عنوان منبع تولید موج P و S است [۵].
(شکل ۲-۳) امواج برشی، تراکمی و سطحی ایجاد شده در اثر تراکم دینامیکی
۲-۳-۲ تراکم دینامیکی در خاک­های ریزدانه
تا سال ۱۹۷۰ تکنیکی که در آغاز با نام کوبش سنگین شناخته شده بود در مصالح شنی و ماسه­ای کابرد داشت. اما بعد از آن امکاناتی فراهم شد که این روش در خاک­های رسی اشباع نیز استفاده شود. از آن زمان به بعد این روش تحت عنوان تحکیم دینامیکی نامیده شد [۶].
قبل از اعمال ضربه های سنگین به رس­های اشباع، چنین تصور می­شد که امکان تحکیم این خاکها به نحو رضایت بخش جود ندارد. سپس مشخص شد که در این مصالح وجود حباب­های ریز گاز منجر به تراکم پذیری خاک تحت اثر نیروهای دینامیکی شدید می­ شود. علاوه بر آن ایجاد ترک­های شعاعی در اطراف محل ضربه نقش اساسی در تسریع از بین رفتن فشار آبهای منفذی دارند و حتی گاهی منجر به ظهور آبفشان­ها^[۷] در سطح می­گردند. به منظور درک مکانیزم تحکیم دینامیکی بایستی به ۴ نکته توجه داشت [۶]:
قابلیت تراکم پذیری خاک­های ریزدانه اشباع ناشی از وجود حباب­های ریز گاز است.
در اثر ضربه­های مکرر روانگرایی تدریجی در خاک اتفاق می­افتد.
در اثر ایجاد ترک­های شعاعی، زایل شدن فشار اب منفذی تسریع می­ شود.
بندش بازیافتی خاک باعث افزایش مقاومت خاک بعد از کوبش می­گردد.
۲-۳-۲-۱ قابلیت تراکم
خاک­های ریزدانه اشباع را به طور معمول به عنوان خاک­های تراکم ناپذیر طبقه بندی می­نمایند زیرا وقتی این خاک­ها در معرض بارگذاریهای سریع قرار می­گیرند، نفوذپذیری کم آنها مانع زهکشی سریع آبهای منفذی موجود در این خاک­ها می­ شود؛ این تخلیه و خرج آب شرط لازم و کافی برای نشست می­باشد. (تئوری تحکیم که توسط ترزاقی بسط و گسترش یافت).
به هر صورت مشاهدات اولیه به طور شگفت­انگیزی نشان داد که هر قدر هم طبیعت خاک قابل اصلاح شدن باشد، همیشه عملیات تراکم منجر به نشست سریع قابل ملاحظه­ای می­گردد. این نتیجه که برای خاک­های دانه­ای قابل قبول بود نمی­توانست به وسیله تئوری­های مرسوم برای خاک­های غیر قابل نفوذ تشریح گردد. تحقیقات بعدی نشان داد که بیشتر خاک­های کواترنری دارای گاز به شکل حباب­های ریز هستند و مقدار این گاز بین یک درصد برای نامطلوبترین حالت­ها تا ۴ درصد برای حالت­های مطلوب متغییر است. ضربه­ها یا ارتعاشات مکانیکی حالت­های تعادل این حباب­های ریز را به شکل کم و بیش غیر قابل برگشت تغییر می­دهد [۶].
۲-۳-۲-۲ روانگرایی
هنگامی که انرژی به شکل ضربه­های مکرر به خاک وارد می­ شود، گاز موجود در خاک به تدریج متراکم می­ شود. وقتی درصد حجمی گاز موجود در خاک به صفر می­رسد، خاک به شکل یک ماده تراکم ناپذیر عمل می­ کند و در این مرحله روانگرایی خاک اتفاق می­افتد. مقدار انرژی لازم برای رسیدن به این مرحله انرژی اشباع نامیده می­ شود [۶].
روانگرایی در نهشته­های طبیعی غالباً به تدریج رخ می­دهد. بیشتر نهشته­های طبیعی بطور لایه لایه بر روی هم قرار گرفته و رسوبات لایی یا ماسه ای قبل از رسوبات رسی روان می­شوند. این مطلب دارای اهمیت است که اگر روانگرایی در این لایه ­ها یا قسمت­ هایی از آن اتفاق بیفتد ولی از روانگرایی توده رس جلوگیری به عمل آید، از شکل گیری مجدد توده خاک ممانعت می­ شود [۶].
شناخت انرژی دقیق مربوط به این حالت مرزی الزامی است زیرا در این حالت فشار آب منفذی به مقدار حداکثر رسیده است. لازم به تذکر است هنگامی که انرژی اشباع حاصل شد، استعمال انرژی بیشتر صرف نطر از زیان­آور بودن، به طور کامل هدر می­رود [۶].
۲-۳-۲-۳ نفوذ پذیری
از بین رفتن خیلی سریع فشار آب منفذی اولیه با بهره گرفتن از ضریب نفوذ پذیری که قبل از تراکم اندازه گیری شده قابل توضیح نیست. بلکه خصوصیت ویژه­ای است که در محل­های تراکم دینامیکی مشاهده می­ شود.
افزایش فشار آب منفذی باعث گسستن بافت­های جامد خاک (ایجاد ترک) شده و در نتیجه جریان آب در این ترک­های جدید متمرکز می­ شود. تمایل به تشکیل ترک در خاک­های طبیعی محسوس است به خصوص اگر ساختمان خاک لایه­ای باشد، این مسئله برای خاک­هایی که دست نخورده­اند یا به طور مصنوعی یکنواخت شده ­اند کمتر دیده می­ شود [۶].
با متمرکز بودن انرژی تراکم در محل­های مشخص شبکه پیش ­بینی شده، ترک­های قائم ایجاد می­شوند و به طور منظم در اطراف نقطه ضربه پخش می­شوند؛ این مناطق زهکشی ترجیحی عموماً عمود بر امتداد کمترین تنش هستند. چشمه­های آب تحت شرایط زمین شناسی مشخص، چند ساعت پس از تراکم در نزدیکی گودی­ها ظاهر می­شوند که به وسیله این شبکه جریان آغاز و تغذیه می­گردند [۶].
در موارد خاص ملاحظه شده است که تراکم نا منظم و بی قاعده، جریان دائمی این کانال­های طبیعی را منقطع می­سازد و جایگزینی مجدد به منظور طراحی بعدی و بهتر مراحل تراکم را مشکل­تر می­نماید [۶].
همچنین در آزمایشگاه مشاهده شده وقتی تنش­های بین دانه­ای کاهش می­یابد، ضریب نفوذ پذیری افزایش می­یابد و هنگامی که خاک روان می­ شود، این ضریب به بیشترین مقدار خود خواهد رسید. در این حالت، فشار آب منفذی برابر فشار کل رو بار است. این مسئله نیز دلیلی است که در حین عملیات تحکیم دینامیکی در شرایط محلی عموماً منجر به روانگرایی می­ شود، نفوذپذیری زیادی می­ شود. این نفوذپذیری در آغاز همراه با فشار خیلی زیاد آب منفذی است. امواج ضربه، آبی را که جذب سطحی شده است، به آب آزاد تبدیل می­ کنند و در نتیجه منجر به افزایش مقاطع عرضی کانال­های مویی می­گردد. حالت عکس وقتی اتفاق می­افتد که خاک در اثر پدیده بندش دوباره سازی شود. لازم به ذکر است که این اطلاعات به علت آنکه اندازه گیری تغییرات ضخامت لایه­ های آب جذب سطحی عملی نیست، فقط می ­تواند به عنوان یک حدس مطرح شود [۶].
۲-۳-۲-۴ بندش بازیافتی خاک
در حین عملیات تراکم، ابتدا افت قابل ملاحظه­ای در مقاومت برشی مشاهده می­ شود که میزان حداقل آن وقتی است که خاک روان شده یا به حالت روانی می­گراید، در آن زمان مجموعه خاک به­ طور کامل گسیخته شده و قسمتی از آب جذب سطحی که نقش مهمی را در سختی ساختمان خاک ایفا می­ کند به آب آزاد تبدیل می­ شود؛ هنگامی که فشار آب منفذی از بین می­رود افزایش قابل توجهی در مقاومت برشی و مدول تغییر شکل ملاحظه می­ شود. این به علت تماس نزدیکتر ذرات و همچنین تثبیت لایه­ های جدید آب جذب سطحی است. این مرحله ممکن است چند ماه زمان صرف کند. خاصیت بندش که در رس­های حساس به خوبی شناخته شده است در حقیقت در همه خاک­های ریز دانه قابل تشخیص است [۶].
۲-۳-۲-۵ نمایش ترسیمی
شکل (۲-۴) دو سیستم تحکیم را نشان می­دهد. شکل (۲-۴ الف) تئوری تحکیم دینامیکی (منارد) را نشان داده و شکل (۲-۴ ب) تئوری تحکیم کلاسیک (ترزاقی) را نشان می­دهد [۶].
این دو سیستم از نظر چهار خصوصیت اصلی به شرح زیر با هم تفاوت دارند: