بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي اثر بيولوژيکي بر روي بهبود وضعيت رمبندگي خاک
خلاصه
رمبندگي، کاهش حجم خاک غير اشباع در تنش خالص ثابت در اثر افزايش رطوبت مي باشد. خاک رمبنده در رطوبت طبيعي خود در مقابل تنش هاي وارده تغيير مکان هاي نسبتا کمي را تجربه مي نمايد. اما اين خاک بعد از مرطوب شدن تحت بار ثابت ، نشست نسبتا زيادي را تجربه مي کند.
در پروژه هاي مهندسي در صورت احداث هر گونه سازه اي بر روي اينگونه خاکها با اشباع شدن خاک نشست زيادي در خاک بوجود مي آيد، که اين به نوبه خود باعث صدمه ديدن سازه مي گردد. روشهاي متعددي جهت تثبيت خاکهاي رمبنده توسط محققين مختلف پيشنهاد گرديده است . دراين تحقيق يک روش جديد جهت تثبيت خاکهاي رمبنده مورد بررسي قرار گرفته است . در اين روش اثر بيولوژيکي يک باکتري رسوب دهنده کلسيت بر روي کاهش پتانسيل رمبندگي بررسي گرديده است . براي بررسي کارايي روش پيشنهادي، نمونه هاي متعددي از يک خاک فروريزشي تهيه و بامحلولهايي شامل باکتري و درصد هاي مختلف کلريد کلسيم (عامل رسوب ساز) تثبيت (بهسازي) شده اند. ابتدا دو حالت مختلف اختلاط خاک با محلول باکتري و عامل رسوب ساز بررسي و نحوه اختلاط مناسب تعيين شده است . سپس تاثير غلظت هاي مختلف کلريد کلسيم مورد نيازو مدت زمان عمل آوري نمونه با باکتري و کلريد کلسيم مورد بررسي قرارگرفته و مقادير بهينه آن ها براي نمونه هاي آزمايش شده تعيين گرديده اند.
کلمات کليدي: بهسازي خاک، خاک فرريزشي، تثبيت بيولوژيکي
١. مقدمه
رمبندگي(Collapse) به ريزش ناگهاني خاک در اثر از دست رفتن مقاومت عامل پيوند دهنده ذرات خاک اطلاق مي شود و ميزان رمبندگي ايجاد شده وابسته به نسبت تخلخل اوليه خاک است [١]. تعدادي از نهشته هاي سيلتي تشکيل يافته تحت شرايط آب و هوايي خشک مستعد کاهش حجم قابل ملاحظه يا رمبندگي در هنگام اشباع شدن (مرطوب شدن ) هستند. بنابراين نفوذ آب سطحي، به شکل آبياري، نشت از لوله ها و بالا آمدن سطح آب زيرزميني ممکن است موجب بوقوع پيوستن نشت هاي زياد گردد.
ويژگي هاي اصلي که باعث مي شوند خاک ها خصوصيات فروريزشي از خود نشان مي دهند، عبارتند از: تخلخل بالا (بيش از٤٠%)درجه اشباع پايين (زير ٦٠%)، ميزان لاي بالا (بيش از ٣٠% ) و نرم شدگي سريع در آب ( زمان بازشدگي پيوند هاي خاک هاي بادرفتي با فروريزش بالا کمتر از ١ دقيقه است )[١].
شاخص رمبندگي به صورت زير تعريف مي گردد:
در فرمول ١، h٠: ارتفاع اوليه نمونه ١٩ ميليمتر، d٠:(Seat load ): قرائت در بار ٥کيلو پاسکال ، di:قرائت در قبل ازاشباع شدن و df: قرائت دستگاه تحکيم (ادئومتر) بعد از اشباع شدن مي باشند. جدول ١ نشان دهنده طبقه بندي خاک رمبنده بر اساس شاخص رمبندگي مي باشد [٢].
نايت به پيوندهاي رسي که به صورت پلي بين ذرات خاک عمل مي کنند اشاره مي کند و تحمل قسمت اعظم نيروهاي بين ذره اي را به عهده اين پيوندها مي داند. در نتيجه به عقيده وي، در اثر رطوبت بر خاک که موجب وقوع شکست برشي در اين پيوند ها و در نتيجه از بين رفتن آنها مي شود، رمبندگي در خاک اتفاق مي افتد [٣]. باردن و همکارانش با استفاده از عکس هاي ميکروسکوپي مربوط به نمونه هاي مختلف خاک ملاحظه کردند که پيوندهاي رسي بين ذرات که در حالت طبيعي وجود دارند در نمونه هاي ساخته شده در آزمايشگاه که خاک دچار دست خوردگي مي شود ديده نمي شود. البته با وجود اينکه پيوندهاي رسي بين ذرات در اين نمونه ها وجود ندارد، ليکن در اين حالت نيز براي مقادير مختلف درجه اشباع ، ميزان رمبندگي بيشتري نسبت به نمونه هاي دست نخورده ديده مي شود [٤].
عوامل موثر بر رمبندگي:
بطور کلي مي توان گفت که نوع خاک، درصد رطوبت اوليه ، وزن مخصوص خشک اوليه و فشار اوليه و فشار اعمالي هنگام اشباع از مهمترين عوامل موثر بر ميزان رمبندگي مي باشند. از تحقيقات پيشين بر روي خاک هاي رمبنده مي توان نتيجه گرفت که کاهش پتانسيل رمبندگي خاک ها منوط است به :
١- افزايش تفاوت بين درصد ماسه و رس .
٢- افزايش درصد رطوبت اوليه .
٣- افزايش وزن مخصوص خشک اوليه .
٤- کاهش فشار اعمالي هنگام اشباع .
درسال هاي اخير، پژوهش هاي مختلفي در ارتباط با استفاده از باکتري هادر زمينه ي مهندسي عمران انجام شده است . در ابتدا، استفاده از باکتري ها محدود به جدا کردن مواد شيميايي از فاضلاب ، پاکسازي خاک آلوده و از بين بردن گازهاي گلخانه اي در مکان هاي دفن زباله بود. اما اخيرا از انواع باکتري هاو به طور خاص از باکتري هاي رسوب دهنده ي کربنات کلسيم ، در زمينه ي مهندسي ژئوتکنيک ، به ويژه در تثبيت خاک واگرا[٥]، کاهش نفوذپذيري [٦,٧] و بهبود وضعيت مکانيکي خاک[٨] استفاده شده است . همچنين لازم به ذکر است ازباکتري هاي فوق الذکربراي مي توان براي ترميم ترک هاي بتن و بهبود دوام بتن استفاده کرد. [٩,١٠]. دراين راستا، در تحقيق کنوني روش نويني جهت تثبيت خاک رمبنده مورد بررسي قرار گرفته است . روش پيشنهادي در شاخه علم بيوژئوتکنولوژي قرار دارد. در اين تحقيق به بررسي امکان استفاده از باکتري باسيلوس اسفائريکوس براي تثبيت خاک فروريزشي پرداخته مي شود.
٢. مصالح و روش ها
خاک مورد آزمايش از سد سيوند در ١٠٠ کيلومتري شمال شرق شيراز تهيه شده است که پس از انجام آزمايش اوليه در رده بندي خاک با رمبندگي شديد قرار گرفت . براي آماده سازي نمونه ، ابتدا خاک از الک شماره ١٠ گذرانده شد تا نمونه اي يکنواخت ازخاک جهت آزمايشات بدست آيد.
سپس با استفاده از دستگاه تحکيم واستاندارد٠٣-D ASTM D٥٣٣٣آزمايش رمبندگي انجام شد [٢]. ازباکتري باسيلوس اسفاريکوس
(Bacillus Sphaericus) براي بهبود وضعيت رمبندگي استفاده گرديد. همچنين از محيط کشت (Culture media) براي کشت باکتري استفاده شد که در جدول ٢ اجزاي محيط کشت آورده شده است .
ابتدا با استفاده از آب مقطر محلولي بدون اوره از موادذکر شده در جدول (٢)آماده گرديد و پس از آن محلول براي زمان ٢٠ دقيقه در در اتوکلاو تحت دماي ١٢٠ درجه سانتيگراد قرار گرفت و سپس اوره با فيلتري با اندازه بازشدگي ٠.٢٢ ميکرومتر به محلول اضافه گرديد. pH محلول قبل و بعد از اتوکلاو به ترتيب ٧.٨ و ٧.٩ و پس از اضافه نمودن اوره ٨.٠ بود.
براي اندازه گيري غلظت باکتري در واحد حجم از دستگاه اسپکترومترنوري استفاده شد که مقدار چگالي نوري (Optical Density) را براي محلول تعيين مي کند. نحوه کاربا اين دستگاه بدين صورت است که ابتدا محيط کشت را درون ظرف مخصوص ريخته و عدد مرتبط با محيط کشت به تنهايي به عنوان شاخص در نظر گرفته مي شود( که در واقع چگالي نوري صفر را داراست ). سپس بقيه مقادير (چگالي نوري مخلوط باکتري و ترکيبات محيط کشت ) را نسبت به آن مقدار پايه اندازه مي گيريم . به اين ترتيب چگالي نوري محلول باکتري به دست مي آيد. دستگاه اسپکترومتر نوري(اسپکتروفتومتر) در شکل ١ نشان داده شده است .
جدول ٢- ترکيبات محيط کشت
شکل ١ – اسپکتروفتومتر براي اندازه گيري چگالي نوري( OD ) محلول باکتري و محيط کشت محلول
غلظت باکتري باسيلوس اسفاريکوس در OD مساوي ١، معادل با cell.ml ١٠٩ است . پس از تهيه باکتري با غلظت و رطوبت مورد نظر، محلول باکتري به خاک ترزيق مي شود وبه صورت يکنواخت با خاک مخلوط مي گردد . براساس آزمايشهاي انجام شده با مقادير مختلف عامل رسوب ساز (کلريد کلسيم (٥٠، ٧٥و ١٠٠ گرم بر ليتر)، مقدار بهينه عامل رسوب ساز (کلريد کلسيم ) ٧٥ گرم بر ليتر تعيين گرديد. لازم به ذکر است که باکتري باسيلوس اسفاريکوس با کمک عامل شيميايي رسوب ساز به رسوب کربنات کلسيم بر روي (و در بين ) ذرات خاک مي پردازد و سبب تقويت ريزبافت (ميکروساختار) خاک فروريزشي مي گردد. بهسازي خاک به روش بيوشيميايي نيازمند افزودن باسيل اسفاريکوس وکلريد کلسيم ، هر دو، به خاک مي باشد.
براي متراکم کردن نمونه در حلقه دستگاه تحکيم از تراکم ايستايي استفاده شد که با نرخ ٢ ميليمتر بر دقيقه نمونه را متراکم نمود. ارتفاع نمونه ١٩ ميليمتر مي باشد.
٣. نتايج
در اين تحقيق ابتدا نوع مخلوط کردن نمونه با باکتري و عامل رسوب ساز مورد آزمايش قرار گرفت . بدين صورت که در حالت اول ابتدا کلريد کلسيم کاملا با خاک مخلوط و سپس محلول باکتري به خاک اضافه گرديد (اختلاط نوع ١) . در حالت دوم محلول باکتري و کلريد کلسيم باهم به خاک اضافه و مخلوط گرديدند (اختلاط نوع ٢). چگالي نوري باکتري ٢، رطوبت ١٢ درصد، چگالي خشک خاک ١.٥ گرم بر سانتيمتر مکعب بود. در اين آزمايش ها از خاک طبيعي با پتانسيل رمبندگي شديد استفاده شد. همانگونه که قبلا اشاره گرديد، جهت به دست آوردن بهترين غلظت عامل رسوب ساز، سه غلظت مختلف از آن مورد آزمايش قرار گرفت که به ترتيب ٥٠ ، ٧٥ و١٠٠ گرم کلريد کلسيم محلول در يک ليتر آب مي باشد. چگالي نوري باکتري در اين آزمايشها ثابت ، ٢، در نظر گرفته شد. متغير ديگري که مورد آزمايش قرار گرفت مدت زمان عمل آوري نمونه مي باشد که به ترتيب مدت زمان ١، ٣ و ١٤ روز مورد بررسي قرارگرفت .در اين آزمايش ها نيز براي کنترل بهترخروجي آزمايش ها، درصد رطوبت در همه نمونه ها، ثابت ، ١٢ درصد و نسبت باکتري به عامل رسوب ساز دو در نظر گرفته شد.
با توجه به پتانسيل رمبندگي دو نمونه ي تهيه شده در دو جالت ١ و ٢، مي توان گفت نمونه ي تهيه شده با روش اختلاط نوع ٢ (اختلاط همزمان خاک با باکتري و کلريد کلسيم ) ، کاهش پتانسيل رمبندگي بيشتري را نسبت به نمونه ديگر داشته است (جدول ٣). البته هردو آزمايش کاهش پتانسيل رمبندگي را (براي نمونه تثبيت شده در مقايسه با نمونه تثبيت نشده ) به همراه داشته است . در شکل ٢ به وضوح مي توان اين اختلاف پتانسيل رمبندگي را مشاهده نمود.
شکل ٣ تاثير غلظت هاي مختلف کلريد کلسيم (عامل رسوب ساز) را بر نمودار تنش -کرنش نشان مي دهد. در اين آزمايش ها، چگالي خشک خاک ١.٥ گرم بر سانتي مترمکعب و رطوبت ١٢درصد مي باشد و از محلول باکتري باچگالي نوري ٢ استفاده شده است .
