دانشکده مهندسی

گروه آموزشی مهندسی عمران

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران گرایش ژئوتکنیک

عنوان:

بررسی رفتار ستون‌های سنگی محصورشده با ژئوتکستایل به‌وسیله آزمایش برش مستقیم بزرگ‌مقیاس

 

استاد راهنما:

دکتر مسعود مکارچیان

 

داوران ممتحن:

دکتر محمد ملکی

دکتر عباس قدیمی

 

پژوهشگر:

عادل شکیبی نژاد

 

زمان: سه‌شنبه 10 مهر 1397 ساعت 10

مکان: سالن آمفی‌تئاتر دانشکده مهندسی

 

Bu-Ali Sina University

Faculty of Engineering

Department of Civil Engineering

 

Thesis Submitted for Master of Science in Civil Engineering

 

Title:

Investigation of Geotextile-Encased Stone Columns Behavior by Large Direct Shear Test

 

Supervisor:

Dr. Masoud Makarchian

 

By:

Adel Shakibi Nezhad

 

October 02, 2018

 

 

 

چكيده:

روش‌های مختلفی به‌منظور بهسازی و بهبود خصوصیات مکانیکی خاک‌های سست وجود دارد که یکی از این روش‌ها، استفاده از ستون‌های سنگی (شمع‌های دانه‌ای) است. ستونهای سنگی به‌عنوان روشی موثر، اقتصادی و سازگار با محیط زیست برای بهسازی خاک‌های با مقاومت کم از جمله خاک‌های سیلتی و رسی و ماسه‌های سست به‌کار می‌رود. در این روش با تعویض بخشی از خاک نامرغوب محل با حفر چاهک‌هایی با قطر و فاصله معین از یکدیگر و سپس با ریختن مصالحی شامل شن، ماسه و یا سنگریزه به درون چاهک‌ها و متراکم کردن آن‌ها، ستون‌هایی به‌صورت قائم ایجاد می‌شود. این ستون‌ها می‌توانند بار را از سازه به لایه‌های مقاوم خاک انتقال دهند. استفاده از روش ستون سنگی موجب بهبود مقاومت برشی، افزایش پایداری شیروانی‌های خاکی، کاهش نشست، افزایش مقاومت در برابر روانگرایی، بهبود ظرفیت باربری، زهکشی قائم و افزایش سرعت تحکیم خواهد شد. مهمترین محدودیت‌های ستون‌های سنگی، ضعف برشی این ستون‌ها و گسیختگی ناشی از انبساط جانبی بر اثر بارگذاری به‌دلیل عدم محصورشدگی از طرف خاک‌های اطراف است که این مشکلات را می‌توان با محصورکننده‌های ژئوسنتتیکی تا حدودی برطرف کرد. در سال‌های اخیر تحقیقات بسیاری به‌صورت آزمایشگاهی، میدانی و عددی، به‌منظور شناخت رفتار و برطرف کردن محدودیت‌های این روش انجام شده است. بررسی تحقیقات انجام شده در خصوص ستونهای سنگی، نشان دهنده آن است که مسأله رفتار ستون‌های سنگی مسلح شده با ژﺋﻮﺳﻨﺘﺘﻴﻚ تحت اثر بارهای جانبی، کمتر مورد توجه بوده است؛ لذا بررسی رفتار ستون‌های سنگی تحت اثر بارهای جانبی ضروری به‌نظر می‌رسد.

در این تحقیق تاثیر محصورکننده ژئوتکستایل، بر ظرفیت باربری جانبی خاک سست بهسازی شده با ستون سنگی مورد بررسی قرار گرفته است. به‌منظور مطالعه آزمایشگاهی رفتار مدل فیزیکی ستون‌های سنگی در برابر نیروی جانبی، از دستگاه آزمایش برش مستقیم بزرگ‌مقیاس تمام اتوماتیک استفاده شده است. با استفاده از این دستگاه که قابلیت انجام آزمایش بر روی نمونه‌های تحکیم یافته و تحکیم نیافته و همچنین قابلیت انجام آزمایش به‌صورت زهکشی شده و زهکشی نشده را دارد، روند تغییرات مقاومت برشی مدل فیزیکی ستون سنگی در بستر ماسه‌ای و بستر رسی بررسی شده است. ستونهای سنگی در این دستگاه با قطرهای 5، 7 و 9 سانتیمتر و بهصورت تکی و گروهی با آرایش هندسی مثلثی و مربعی مدل شدهاند و رفتار برشی این مدلها در حالتهای افزایش قطر ستونها و همچنین افزایش تعداد ستون‌ها مورد ارزیابی قرار گرفته است. همه آزمایشها در حالت‌های غیرمسلح و مسلح شده با مصالح ژئوتکستایل‌ها انجام شده است.

نتایج آزمایش‌های مدل‌های فیزیکی ستون‌های سنگی نشان می‌دهد که ستون‌های سنگی غیرمسلح در بستر ماسه‌ای، رفتار کرنش– نرم‌شوندگی دارد و با افزایش قطر ستون سنگی، میزان ظرفیت باربری آن‌ها افزایش می‌یابد که این افزایش در گروه ستون‌های سنگی، بیشتر از ستون‌های سنگی تکی است. اما در ستون‌های سنگی محصورشده با ژئوتکستایل در بستر ماسه‌ای، مشخص شد که در دو حالت ستون‌های سنگی تکی و گروهی به‌علت وجود محصور کننده، اندکی رفتار کرنش- سخت‌شوندگی وجود دارد و با افزایش قطرستون‌ها و افزایش سطح مسلح شده بستر ماسه‌ای با ستون‌ها، ظرفیت باربری جانبی نمونه‌ها افزایش چشمگیری پیدا می‌کند و تسلیح ستون‌های سنگی در بستر ماسه‌ای موجب افزایش سختی و مقاومت این ستون‌ها نسبت به حالت غیرمسلح می‌شود. نتایج آزمایش‌های  بستر رسی بهسازی شده با ستون‌های سنگی تکی و گروهی غیرمسلح نشان داد که در این حالت رفتار بستر بهسازی شده مشابه رفتار بستر رسی بدون ستون سنگی بود و به‌دلیل جایگزینی خاک سست بستر رسی با مصالح مقاوم ستون سنگی، افزایش اندکی در ظرفیت باربری جانبی این ستون‌ها مشاهده شد. در آزمایش‌های ستون‌های سنگی مسلح شده با ژئوتکستایل در بستر رسی مشخص شد که محصور کردن ستون‌های سنگی در حالت‌های تکی و گروهی موجب افزایش سختی و افزایش مقاومت برشی این ستون‌ها می‌شود و همچنین افزایش قطر و افزایش سطح مسلح شده بستر رسی با ستون‌های سنگی در حالت‌های تکی و گروهی موجب بهبود پارامترهای مقاومتی خاک می‌شود.

واژه‌های کلیدی: ستون سنگی، شمع دانه‌ای، بهسازی خاک، ژئوتکستایل، مدل فیزیکی، برش مستقیم بزرگ‌مقیاس.

 

 

Abstract:

Different methods exist for improving the mechanical properties of loose soils, which one of these methods is the use of stone column (granular pile). Stone columns can be used as an effective, economical, and environmentally friendly way to improve low-strength soils, including silty and clayey soils and loose sand. In this method, part of the poor soil of the site by digging wells with a diameter and a certain distance from each other, is replaced by pouring materials such as gravel, sand or rockfill into the wells and compacting them. Then the stone columns are formed vertically, which can transfer the load from the structure to the soil-resistant layers. Using the stone column method will improve the shear strength, increase the stability of the slopes, decrease settlement, increase the resistance to liquefaction, improve load bearing capacity, vertical drainage and increase the speed of consolidation. The most important limiting of stone columns is the shear weakness of these columns and the rupture by lateral expansion (bulging) due to loading caused by lack of enclosure from surrounding soils, which can be somewhat resolved by the geosynthetic encased columns. In recent years, many studies have been carried out in laboratory, field, and numerical, in order to understand the behavior and eliminate the limitations of this method. Investigating the research on stone columns indicates that the problem of the behavior of reinforced columns with geosynthetics under lateral loads is less studied. Therefore, it seems necessary to study the behavior of stone columns under lateral loads.

In this research, the effect of enclosing geotextile on the lateral load capacity of improved loose soil with stone columns has been investigated. For the purpose of laboratory study of behavior of the physical model of stone columns against the lateral loadings, a large-scale direct shear test machine is used. Using this device, which is capable of testing on consolidated and unconsolidated specimens, as well as the ability to carry out the test as drained and undrained, the shear strength of the physical modelling of stone column in sand bed and clay bed, has been investigated. Stone columns in this device with 5, 7 and 9 cm in diameter are modeled in single and group with triangular and square geometric arrangement. The shear behavior of these models is evaluated in cases of increasing the diameter of the columns as well as increasing the number of columns. All experiments were carried out in unreinforced and reinforced with geotextile materials.

The results of tests on physical modelling of stone columns showed that unreinforced stone columns in the sand bed have strain-softening behavior and, with the increase in the diameter of columns, their load bearing capacity increases, which is higher in the group of stone columns than single stone columns. However, in stone columns enclosed with geotextile in the sand bed, it was revealed that in both single and group stone columns, due to soil confinement, there is a slight strain-hardening behavior. By increasing the diameter of the columns and increasing the reinforced surface of the sand bed with stone columns, the lateral load capacity of the specimens will increase dramatically, and enclosing the stone columns in the sand bed will increase the hardness and resistance of these columns to the unreinforced one. Results of clay bed tests improved with unreinforced single and group stone columns showed that in this case, the treated subgrade behavior was similar to that of clay layer without stone column, due to the replacement of loose clay bed with resistant stone columns materials, a slight increase in lateral load bearing capacity of these columns were observed. In tests of stone columns reinforced with geotextile in clay bed, it was found that confining stone columns in single and group states, increases the stiffness and shear strength of stone columns, as well as increase in diameter and reinforced surface of  stone columns in both single and groups,  improvement of soil strength parameters.

Key Words: Stone Column, Granular Pile, Soil Improvement, Geotextile, Physical Model, large-Scale Direct shear

 

 

 

 

نام: عادل

نام خانوادگی: شکیبی نژاد

تاریخ تولد: 08/10/1369

ایمیل:adel.shakibi@yahoo.com

تلفن تماس: 09184473864

آدرس: همدان- ملایر- خیابان خبرنگار- کوچه کشاورز   

 

سوابق تحصیلی :

 

آشنایی با زبان های خارجی:

 

سوابق کاری:

 

 

مهارت های نرم افزاری: