در جریان پروژه‌های عمرانی و در طی مراحل ساختمان‌سازی و راه‌سازی، از تجهیزات مختلفی استفاده می‌شود. یکی از این تجهیزات اساسی که در اولین مراحل هر پروژه به کارگرفته می‌شود، ماشین آلات تراکم خاک هستند. این ماشین‌آلات انواع مختلفی دارند که هریک از آن‌ها برای متراکم کردن نوعی از خاک یا جهت زیرساخت مخصوصی استفاده می‌شود. در این مقاله قصد داریم ابتدا نحوه کار ماشین آلات متراکم کننده خاک (Soil Compaction Equipment) و سپس انواع مختلف آن را شرح دهیم.
عناوین اصلی این مطلب
متراکم کردن خاک به چه منظور انجام می‌شود؟
متراکم کردن خاک یک عملیات کلی است که با هدف بهبود چگالی خاک انجام می‌شود. تراکم خاک یا Soil Compaction به وسیله‌ی وارد کردن فشار و تنش به خاک صورت می‌گیرد. این کار کمک می‌کند ذرات سازنده‌ی خاک بهم دیگر فشرده شوند و در نتیجه چگالی خاک افزایش پیدا کند. با فشرده و متراکم کردن خاک، هوایی که بین ذرات آن وجود دارد خارج می‌شود و بستری محکم‌تر و بهینه‌تر برای ساخت سازه‌ها، جاده‌ها، پیاده روها و سدها فراهم می‌شود.
برای متراکم کردن خاک از ماشین آلات تراکم خاک استفاده می‌شود. اگر قبل از آغاز پروژه‌هایی مانند احداث جاده یا ساختمان این کار انجام شود، احتمال بروز مشکلاتی مانند جابجایی و نشست زمینی که روی آن پروژه عمرانی انجام شده، وجود دارد. خاکی که به حد کافی فشرده و متراکم نشده، وقتی وزن سازه، بنا، خودروها و مانند آن را متحمل می‌شود، دچار جابجایی شده یا آب در زیر سازه نفوذ می‌کند. در نهایت این پدیده باعث مشکلاتی از قبیل ترک خوردگی یا شکستن دیوار ساختمان، فشار روی لوله‌های زیر بنا و در نتیجه شکستن آن‌ها، تشکیل حفره یا نشست بستر جاده‌ها و… می‌شود.
بنابراین بالابردن تراکم خاک پیش از شروع اغلب پروژه‌های عمرانی ضروری است. این کار که با استفاده از ماشین آلات تراکم خاک ممکن می‌شود، با افزایش چگالی خاک، باعث بالا رفتن ظرفیت باربری، تقویت ماندگاری و دوام سازه روی بستر خاک و بیشترشدن مقاومت زمین در برابر تغییر شکل ناشی از تحمل وزن سازه می‌شود. همچنین با افزایش فشردگی بستر، امکان نفوذ آب در خاک را به حداقل می‌رساند.
معرفی انواع تجهیزات برای متراکم کردن خاک
برای این که بتوان خاک یک بستر را به‌خوبی متراکم کرد، باید براوردهای لازم قبل از شروع کار انجام شود و سپس نوع تجهیزات لازم برای این فرایند تعیین شود. برای مثال توجه به نوع خاک محل و مساحت زمین مورد نظر در پیدا کردن ابزارهای مناسب برای متراکم‌سازی خاک اهمیت دارد. معمولا قبل از آغاز کار، با آزمایشات خاصی نوع و ویژگی‌های خاک بستر مشخص می‌شود.
ماشین آلات تراکم خاک که به آن‌ها کمپکتور هم گفته می‌شود، ابزارهایی هستند که با کمک آن‌ها می‌توان خاک را فشرده و متراکم کرد. این ماشین‌ها با روش‌های مختلفی مثل روش‌های استاتیکی، ضربهای، کوبشی و ارتعاشی، فاصله و هوای بین ذرات خاک را از بین برده و زمین را سفت و محکم می‌کنند تا برای اجرای مراحل بعدی آماده شود. این ماشین‌آلات می‌توانند بطور سطحی یا عمیق باعث متراکم شدن خاک شوند.
- متراکم کردن خاک به روش استاتیک: استفاده از ماشین‌آلات دارای غلتک.
- متراکم کردن خاک به روش کوبشی: استفاده از غلتک‌های پاچه بزی، پنوماتیک و کفشک‌دار.
- متراکم کردن خاک با روش ضربهای یا داینامیکی: ضربه زدن به خاک با وزنه یا چکش مخصوص به کمک ماشین آلاتی مثل بیل مکانیکی.
- متراکم کردن خاک با روش ارتعاشی: ایجاد و فرستادن ارتعاشات با کمک ویبروفلوت و واترجت.
آشنایی با ماشین آلات تراکم خاک
معمولا ماشین‌آلات متراکم کننده‌ی خاک را به 2 دسته کلی ماشین‌آلات سبک و ماشین‌آلات سنگین تقسیم می‌کنند. هر یک از این دسته‌ها شامل چندین نوع تجهیزات غلتکی یا کوبنده برای فشردن خاک بستر هستند. بعضی از آن‌ها از نیروی ثقلی یا اعمال وزن سنگین برای افزایش چگالی خاک استفاده می‌کنند، و بعضی دیگر به شیوه‌های دیگر مثل زدن یک ضربه محکم به سطح خاک این کار را انجام می‌دهند.
- ماشین‌آلات سبک تراکم خاک: شامل کمپکتور رامر یا قورباغه‌ای و کوبنده ارتعاشی یا کمپکتور صفحه‌ای.
- ماشین‌آلات سنگین تراکم خاک: شامل غلتک صاف، پاچه بزی، پاچه فیلی، پنوماتیک، ضربهای، شبکه‌ای و کفشک‌دار.
کمپکتور رامر (قورباغه‌ای)
این دستگاه از انواع سبک ماشین آلات تراکم خاک است که از آن برای متراکم کردن خاک زمین‌هایی با مساحت کم استفاده می‌شود. کمپکتورهای قورباغه‌ای اندازه بزرگی ندارند و بطور کاملا دستی توسط افراد جا به جا و استفاده می‌شوند. این محصول ضربه‌هایی روی محکم روی سطح خاک می‌زند تا لایه‌های خاک را فشرده‌تر کند. قسمت فشرده کننده‌ی این تجهیزات معمولا از یک سطح مقطع مربعی با اندازه ضلع 20 تا 25 سانتیمتری تشکیل شده است. وزن کمپکتور رامر هم بین 30 کیلو تا 10 تن متغیر است، اما اکثر آن‌ها وزن سبکی دارند و بطور دستی منتقل و استفاده می‌شوند. از ماشین‌آلات متراکم کننده قورباغه‌ای برای سطوح کوچک یا باریک که خاکی چسبنده مثل خاک رسی دارند، استفاده می‌شود. پس معمولا برای فشردن خاک در پی ساختمان و ترانشه‌ها به‌کار گرفته می‌شوند.
ماشین آلات تراکم خاک صفحه‌ای
کمپکتورهای صفحه‌ای هم نمونه‌ای از ابزارهای سبک متراکم‌سازی خاک هستند که مانند انواع کمپکتور قورباغه‌ای، بطور دستی و توسط افراد استفاده می‌شود. به این محصولات کمپکتورهای ارتعاشی هم گفته می‌شود که در مدل‌های کوچک و بزرگ تولید می‌شوند. انواع کوچک این تجهیزات برای فشرده‌سازی متراژ پایین خاک و انواع بزرگ‌تر که مساحت صفحه‌ی آن‌ها به 0.16 تا 1.6 مترمربع می‌رسد، برای متراکم کردن خاک نواحی وسیع‌تر مناسب هستند. به‌طور میانگین وزن سبک‌ترین این ماشین‌آلات از 50 کیلوگرم شروع شده و در انواع سنگین‌تر وزنی در حدود 100 تا 2000 کیلو هم دارند. از ماشین آلات تراکم خاک صفحه‌ای برای افزایش چگالی خاکی با دانه‌های درشت‌تر که تقریبا 4-8% دانه‌های ریز داشته باشد، استفاده می‌شود.
غلتک فولادی صاف
این غلتک‌ها برخلاف دو مدل قبلی که به آن‌ها اشاره کردیم، از انواع ماشین‌آلات سنگین هستند که معمولا برای سطوح وسیع‌تر خاک از جمله بستر راه‌ها و جاده‌ها، بستر سدها، کف پیاده روها، زمین فرودگاه‌ها و مانند آن کاربرد بیشتری دارند. همچنین برای فشرده‌سازی خاک درشت دانه به‌خوبی عمل می‌کنند. به این تجهیزات، غلتک چرخ صاف هم گفته می‌شود. چون غلتک جلویی آن به‌عنوان چرخ ماشین عمل کرده و به حرکتش روی زمین کمک می‌کند. بسته به شیوه طراحی این ماشین آلات تراکم خاک، بعضی از آن‌ها صرفا یک غلتک در قسمت جلویی داشته و در قسمت پشتی دو چرخ لاستیکی دارند.
اما بعضی دیگر از این ماشین‌ها علاوه‌بر غلتک بزرگ در قسمت جلو، در بخشی عقبی هم به جای دو چرخ، دارای دو غلتک کوچک هستند که همان کار حرکتی چرخ را با مزیتی برای متراکم‌سازی بیشتر، ترکیب می‌کند. این غلتک‌ها وزنی سنگین دارند که اغلب در حدود 6 تا 10 تن خواهد بود و در 8 چرخه عبور از روی سطح، قادر هستند تا عمق 20 سانتیمتری از سطح خاک را کاملا فشرده کنند. بعضی از آن‌ها به جای فشار ثقلی، با اثر ارتعاشی به متراکم کردن خاک کمک می‌کنند.
ماشین آلات تراکم خاک با غلتک پاچه بزی
نمونه‌ای دیگر از ماشین آلات سنگین هستند که مثل غلتک چرخ صاف، یک استوانه سنگین در قسمت جلویی دستگاه دارند که به متراکم‌تر شدن بافت خاک کمک می‌کند. اما فرق این مدل با دستگاه قبلی در آنجاست که سطح غلتک صاف نیست و قسمت‌هایی برجسته دارد که در تمام سطح غلتک پراکنده شده‌اند. اندازه این غلتک‌ها و قدرتشان برای فشرده کردن خاک می‌تواند گوناگون باشد، اما بیشترین کاربرد آن‌ها برای آماده‌سازی بستری است که خاک چسبنده دارد. همچنین می‌تواند جهت نرم کردن خاک خشک مفید باشد.
غلتک‌های پاچه فیلی
ماشین آلات تراکم خاک با غلتک پاچه فیلی، شبیه به غلتک پاچه بزی است، اما بجای بعضی زوائد برجسته روی غلتک، چندین ورق 20-25 سانتیمتری روی آن جوش داده شده است. از این غلتک‌ها برای متراکم‌سازی خاک‌های لای‌دار که چسبندگی کمی دارند، استفاده می‌شود. طراحی غلتک‌های پاچه فیلی به نحوی انجام شده که سطح تماس غلتک با زمین بیشتر شده و به‌همین دلیل در هربار عبور از روی خاک، فشار در سطح بیشتری پخش می‌شود تا مقدار خاک متراکم شده بیشتر باشد.
غلتک چرخ لاستیکی (پنوماتیک)
این دستگاه یک ماشین سنگین با دو ردیف شامل چند چرخ لاستیکی است که به جای غلتک‌های فلزی، برای اعمال فشار ثقلی روی زمین به‌کار گرفته شده‌اند. چرخ‌های این مدل تقریبا 80% عرض کل دستگاه را شامل شده و وزن این ماشین آلات تراکم خاک را به خاک وارد می‌کنند. بنابراین سطح تماس و اعمال فشار آن‌ها بر خاک زیاد است و به‌همین دلیل از ریزش خاک پیشگیری می‌شود. غلتک چرخ لاستیکی چندان برای متراکم کردن خاک پرکاربرد نیست و اکثر اوقات برای صاف‌تر و یکنواخت‌تر کردن سطح زبر یا شیب‌دار خاک جهت احداث جاده آسفالت به‌کار برده می‌شود. همچنین برای افزایش چگالی خاک‌هایی که چسبندگی ندارند یا چسبندگی خیلی کمی دارند، کاربردی است. خاک این بسترها می‌تواند حاوی شن، ماسه، رس ماسه‌دار و خاک لای‌دار باشند.
ماشین آلات تراکم خاک با غلتک ضربهای
غلتک‌های ضربهای دارای یک طراحی کمی متفاوت‌تر هستند که در قسمت پشتی مشابه تراکتور و در بخش جلویی مشابه غلتک هاست. با این تفاوت که غلتک آن یک وزنه منشوری شکل است که با چرخیدن خود به سطح خاک ضربه می‌زند. با این روش متراکم‌سازی، می‌توان عمق بیشتری از خاک بستر (تا چند متری عمق زمین) را فشرده و هواگیری کرد. به ویژه در خاکی که حاوی شن و پر کننده‌های سنگی است، استفاده از این دستگاه مطلوب است.
غلتک شبکه‌ای
در ماشین آلات دارای غلتک شبکه‌ای، استوانه‌ی غلتک با حالتی مشبک از جنس فولاد ساخته شده است. این بخش مشبک را با ترکیباتی مثل بالاست پر می‌کنند تا وزن بالایی در حد 10-5.5 تن پیدا کند. بنابراین می‌توانند فشار ثقلی بسیار قابل توجهی به خاک وارد کند. استفاده از این ماشین آلات تراکم خاک برای متراکم کردن بسترهایی که خاک ضخیم و سنگ‌های هوازده دارد، مخصوصا در احداث جاده‌ها مناسب است. اما برای فشرده کردن خاک رس‌دار، لای‌دار و یکدست کاربردی نخواهد بود.
غلتک کفشک دار
این مدل غلتک یک ماشین سنگین دیگر است که نقاط اشتراکی با غلتک پاچه بزی دارد. در این دستگاه هم غلتکی استوانه‌ای با برجستگی‌های متعدد دارد. اما در آن برجستگی‌ها پهن‌تر هستند و با نام کفشک شناخته می‌شوند. این دسته از غلتک‌ها می‌توانند فشار استاتیک بالا تا حد 40-15 تن را به سطح خاک اعمال کنند. سرعت کار این ماشین آلات متراکم کننده بالاست و راندمان بهتری نسبت به غلتک‌های پاچه بزی دارند. از غلتک‌های خوب برای متراکم کردن خاک‌های چسبنده، همین مدل است.
در انتخاب ماشین آلات تراکم خاک به چه مواردی باید توجه کرد؟
چندین مورد زیر در انتخاب نوع ماشین‌آلات مناسب برای متراکم کردن خاک اهمیت دارد:
- نوع خاک: همانطور که در توضیح هریک از ماشین‌آلات گفتیم، هر مدل از آن‌ها برای متراکم کردن نوع خاصی از خاک مناسب‌تر است. اگر بستر خاک باید برای احداث جاده آسفالت آماده شود، بکارگیری غلتک پنوماتیک مناسب‌تر است. در صورتی که برای زمین‌هایی با خاک رسی، انواع کمپکتورهای رامر و صفحه‌ای یا غلتک‌های پاچه بزی و کفشک‌دار بهترند.غلتک پاچه فیلی و شبکه‌ای برای خاک‌های لای‌دار مطلوب هستند و اگر خاک ماسه‌ای است، بهتر است از غلتک صاف یا کمپکتور ارتعاشی استفاده شود. برای خاک بستری با سنگ زیاد، غلتک‌های پاچه بزی، شبکه‌ای و ضربهای یا کوبنده ارتعاشی پیشنهاد می‌شود.
- سرعت کار ماشین‌آلات: ماشین آلات تراکم خاک سرعت حرکت و عملیات متفاوتی دارند. در انواعی از این دستگاه‌ها که سرعت بیشتر است، مساحتی از سطح خاک که که در یک زمان فشرده می‌شود، بیشتر است. اما در مورد اغلب آن‌ها بالاتر بودن سرعت باعث کاهش کیفیت تراکم ایجاد شده می‌شود. درواقع سرعت آهسته‌تر اگرچه مراحل را به کندی پیش می‌برد، ولی فرصت کافی برای فشرده‌تر شدن و افزایش چگالی خاک وجود دارد.غلتک‌های از نوع ارتعاشی، در این مورد استثنا هستند و سرعت بالاتر حرکتشان باعث کاهش راندمان نمی‌شود. در مورد سایر ماشین‌آلات معرفی شده باید بین سرعت و کیفیت متراکم‌سازی خاک یک بالانس در نظر گرفته شود.