بخشی از مقاله
بررسی آزمایشگاهی تأثیر ابعاد هندسی ژئوسل بر رفتار بار-نشست پی نواری واقع بر خاک ماسهای مسلح شده با ژئوسل
خلاصه
یکی از انواع مسلحکنندههای سهبعدی خاک، ژئوسل است که با توجه به ساختار سلولیشکل خود و تأمین محصورشدگی لازم برای خاک داخل سلولها، عملکرد بسیار مناسبی از لحاظ افزایش ظرفیت باربری در مقایسه با مسلحکنندههای مسطح دارد. در این پژوهش بهمنظور مطالعه ظرفیت باربری خاک ماسهای مسلح شده با ژئوسل، از مدل فیزیکی پی نواری واقع بر خاک مسلح با مقیاس کاهش یافته استفاده شده است که در آن ژئوسلها با ابعاد هندسی مختلف و در موقعیت مشخصی از نمونههای ماسه متراکم قرار میگیرند. در هر آزمایش، بر روی مدل پی، بارگذاری تا لحظه گسیختگی صورت گرفته و رفتار بار-نشست آن ثبت میگردد. نتایج نشان میدهد که با افزایش ارتفاع ژئوسل و نیز افزایش تعداد چشمهها در واحد سطح، ظرفیت باربری خاک افزایش مییابد. همچنین، افزایش عرض ژئوسل تا حدود 5 برابر عرض صفحه بارگذاری نیز در افزایش ظرفیت باربری موثر بوده و پس از آن تأثیر قابل توجهی ندارد.
کلمات کلیدی: ژئوسل، پی نواری، خاک مسلح، ظرفیت باربری خاک.
1. مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از ژئوسینتتیکها بهعنوان مسلحکنندهی خاک شالودهها بهخصوص در بسترهای سست بسیار رواج یافته است. یکی از مؤثرترین انواع مسلحکنندهها ژئوسلها میباشند کهعمدتاً با ژئوگرید و ژئوتکستایلها ساخته میشوند. به طور کلی ژئوسل به لحاظ ساختار سلولی خود با مکانیزم جالبی قادر است با ایجاد محصورشدگی لازم و ایجاد فشار همهجانبه برای خاک داخل سلولها و نیز ایجاد اصطکاک جانبی بین ذرات خاک و دیواره-های خود، لایهی خاک مسلح شده با ژئوسلرا به یک دال نسبتاً مقاوم تبدیل نماید و در نتیجه با توزیع و پخش بارهای وارده در سطوح وسیعتر منجر به افزایش چشمگیر ظرفیت باربری خاک و به تبع آن کاهش نشست شود؛ در نتیجه میتوان گفت ژئوسلها در مقایسه با مسلح کنندههای مسطح (مانند ژئوتکستایل، ژئوگرید و...) عملکرد بسیار مناسبتری از لحاظ افزایش ظرفیت باربری و کاهش نشست دارند؛ هر چند متأسفانه استفاده از آنها به دلیل عدم وجود استاندارد طراحی و نیز عدم شناخت رفتار بار-نشست پی واقع بر روی خاک مسلح با ژئوسل در کشور ما کمتر مورد توجه قرارگرفته است. با این وجود از جمله مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی که در زمینهی بررسی رفتار خاک مسلحشده با ژئوسل توسط محققان مختلف تاکنون انجام شده است میتوان به Sitharam et al. (2007)؛ Dash et al. (2001; 2008)؛ Zhang et al. (2010)؛ Moghaddas Tafreshi & Dowson (2010)؛ Chen et al. (2013)؛ اشاره نمود.
در این پژوهش بهمنظور مطالعهی ظرفیت باربری خاک مسلح شده با ژئوسل، یک مدل فیزیکی با مقیاس کاهش یافته، شامل یک پی صلب واقع بر خاک مسلح در آزمایشگاه مورد استفاده قرار گرفته است. در این مدل، ژئوسلها با ابعاد هندسی مختلف (ارتفاع، قطر سلول و عرض ژئوسل) که
با استفاده از ژئوتکستایل تاری-پودی ساخته شدهاند، در موقعیت مشخصی از نمونههای ماسهی متراکم که به روش بارش تهیه شدهاند، قرار میگیرند. سپس بر روی مدل پی که در سطح خاک قرار گرفته است، بارگذاری تا لحظه گسیختگی صورت گرفته و رفتار بار-نشست آن توسط سیستم ابزار دقیق و قرائت دادهها ثبت میگردد. شایان ذکر است، یکی از دغدغههایی که در این پژوهش آزمایشگاهی در مقایسه با تحقیقات مشابه وجود داشت، عدم دسترسی به نمونهی کوچک مقیاس ژئوسل با مقاومت مطلوب اتصالات آن بود. لذا با توجه به اهمیت موضوع، نوع خاصی از ژئوسل جهت انجام این پروژه ابداع و تولید شد که دارای اتصالات دوختی بوده و در نتیجه به دلیل عدم آسیبدیدگی از اتصالات، این اطمینان حاصل میشود که حداکثر مقاومت کششی ژئوتکستایل و درنتیجه حداکثر مقاومت passive در داخل سلولها، در پروسهی باربری بسیج شده است و آسیبدیدگی ژئوسل به هیچ وجه از سستی اتصالات نبوده است (تصاویر ژئوسلها پس از پایان آزمایشها نیز مؤید این مطلب هستند و نمونهای از آنها در بخش 2.3 آمده است).
نتایج این پژوهش نشان میدهد که با افزایش ارتفاع ژئوسل، ظرفیت باربری خاک به شدت افزایش مییابد. همچنین با کاهش ابعاد سلولها و در نتیجه افزایش تعداد چشمهها در واحد سطح، ظرفیت باربری خاک افزایش مییابد. افزایش عرض ژئوسل تا حدود 5 برابر عرض صفحه بارگذاری نیز در افزایش ظرفیت باربری مؤثر بوده و پس از آن تأثیر قابل توجهی ندارد.
2. دستگاه آزمایش
اجزای کلی دستگاه آزمایش عبارتند از: مدل پینواری، محفظه خاک، قاب بارگذاری و ملحقات آن، دستگاه بارش، سیستم بارگذاری و سیستم قرائت و ثبت اطلاعات که در ادامه به اختصار توضیحات لازم در این خصوص آمده است:
مدل پی، مکعب مستطیلی فلزی با عرض50 ، طول 340 و ضخامت 75 میلیمتر است که مدلکننده یک پی نواری صلب میباشد. کف پی نیز با چسباندن کاغذ سنباده به صورت زبر مشابه با شرایط واقعی در نظر گرفته شده است.
محفظه اصلی خاک در دستگاه آزمایش، داری ابعاد داخلی 125×80×75 )طول 125 cm، عرض 80 cm و ارتفاع (75 cm است که دارای کلیهی شرایط موردنظر به لحاظ صلبیت و امکانات میباشد. البته به منظور انجام آزمایشهای این پژوهش، محفظهای با ابعاد داخلی به طول 80 cm ، عرض 34/2 cm و ارتفاع 75 cm در داخل محفظه موجود تعبیه گردیده است که کف محفظه و دیواره (وجه طولی) قرارگیری ابزار از ورق فلزی به ضخامت 10 mm و قاب محفظه از پروفیلهای فولادی UNP 80 و L 80×80 ساخته شده است و در نهایت سایر دیوارهی مخزن از ورقه پلکسی ساخته شدهاند و بوسیله مجموعه پروفیلهای فولادی مهار گردیدهاند تا ضمن جلوگیری از ایجاد تغییرشکلهای جانبی (خارج از صفحه)، تا حد امکان اصطکاک بین مصالح خاکی و دیوارههای محفظه کاهش یابد و اثرات اصطکاک شرایط مرزی که باعث خطا در نتایج آزمایشگاهی میشود به حداقل ممکن برسد، شکل .1
شکل – 1 تصویر محفظهی خاک
دستگاه بارش به طور کلی از تکیهگاه، مخزن متحرک (با قابلیت نصب صفحات مشبک در خروجی آن)، و سیستم بالابر تشکیل شده است. در انتهای قیف مخزن بارش، دریچهای با ابعاد 10 cm ×10 cm با قابلیت نصب دو کشو تعبیه گردیده که امکان نصب درب تحتانی مخزن و صفحات مشبک جهت کنترل نرخ بارش ماسه را فراهم مینماید.
جهت تولید و اعمال بار قائم استاتیکی و یا سیکلی، از سیستم هوای فشرده (Pneumatic) استفاده شده است و امکان بارگذاری استاتیکی با نرخهای مختلف وجود دارد.
برای اندازهگیری تغییرمکان پی، از یک LVDT با کورس 10 cm و دقت 0/05 mm استفاده شده است که قابلیت حرکت با سرعتهائی تا 10 m/s را داراست. مبدل اندازهگیری نیرو (Loadcell) نیز از نوع S شکل و با ظرفیت 2/5 تن، جهت اندازهگیری نیروی محوری وارده به مدل پی تعبیه شده است، شکل .2 سیستم جمعآوری، تبدیل و ثبت اطلاعات نیز شامل دستگاه Data logger ، رایانه و کارت A/D میباشد.
شکل – 2 تصویر مدل پی نواری و لودسل
3. مشخصات مصالح
مصالح مورد استفاده در این پژوهش، شامل خاک ماسهای و ژئوتکستایل تاری-پودی (جهت تهیه ژئوسل) میباشند که در ادامه توضیحات لازم در این خصوص آورده شده است.
3.1 ماسهی مورد استفاده
ماسهی مورد استفاده از نوع سیلیسی تیزگوشه و تهیه شده از سنگ سیلیس معدن فیروزکوه میباشد که از محصولات شرکت تاوان سیلیس است. جهت حذف اثر چسبندگی و آب، ماسهی مصرفی ابتدا شسته شده (تا ریزدانهها حذف شوند) و سپس به طور کامل خشک شده است. ماسهی مذکور دارای دانهبندی یکنواخت است، تا در حین بارش، تفکیک دانهها رخ ندهد و تحلیل نتایج نیز آسانتر شود. نتایج آزمایش دانهبندی نشان میدهد که کلیهی دانههای مصالح از الک نمرهی 8 عبور کرده و روی الک نمرهی 30 باقی میمانند. چکیدهی مشخصات ماسهی مصرفی در جدول 1 و منحنی دانهبندی آن در شکل 3 آمده است.
3.2 ژئوتکستایل مورد استفاده
ژئوتکستایل مورد استفاده از نوع تاری-پودی میباشد کهعموماً در تهیهی پردههای عمودی مورد استفاده قرار میگیرد. در این پژوهش، با برش ژئوتکستایلها به صورت نوارهای مستطیلی (با ابعاد متنوع) و دوخت آنها به یکدیگر، نوع خاصی از ژئوسل جهت انجام آزمایشها تولید شد. مشخصات و نتایج تست کشش نمونههای ژئوتکستایل (نوارهایی با ابعاد 20 cm × 5 cm و ضخامت متوسط (0/81 mm در شکل 4 آمده است.
3.3 مشخصات هندسی ژئوسلها
یکی از دغدغههایی که در این پژوهش آزمایشگاهی در مقایسه با تحقیقات مشابه وجود داشت، عدم دسترسی به نمونهی کوچک مقیاس ژئوسل با مقاومت مطلوب اتصالات آن بود. لذا با توجه به اهمیت موضوع، نوع خاصی از ژئوسل جهت انجام این پروژه ابداع و تولید شد که دارای اتصالات دوختی بوده و در نتیجه به دلیل عدم آسیبدیدگی از اتصالات، این اطمینان حاصل شد که حداکثر مقاومت کششی ژئوتکستایل و درنتیجه حداکثر مقاومت passive در داخل سلولها، در پروسهی باربری بسیج شده است و آسیبدیدگی ژئوسل در حین باربری به هیچ وجه از سستی اتصالات نبوده است. بر ایناساس، ابتدا ژئوتکستایل مورد استفاده به شکل نوارهایی مستطیلی با طول و عرضهای متنوع برش داده شد و سپس اتصال آنها از طریق دوخت ماشینی صورت گرفت و درنهایت ژئوسل با اتصالات دوختی و دارای سلولهای مربعیشکل تولید شد. تصویر نمونهای از ژئوسلهای تولیدی در شکل 5 آمده است و نشان میدهد که اتصالات، استحکام کافی را داشتهاند و ژئوسلها از محل اتصالات آسیب ندیدهاند.
برای انجام این پژوهش تعداد 9 عدد ژئوسل تولید شد که پلان شماتیک آنها در شکل 6 و مشخصات آنها در جدول 2 آمده است.
