بخشی از مقاله
بهسازی خاک بستر با استفاده از الیاف پلی پروپیلن به منظور کاهش ضخامت سازه ای روسازی راه
خلاصه
امروزه به منظور اجرای پروژه های مختلف راهسازی و ابنیه فنی راه، بهبود خواص فیزیکی و مهندسی خاک بستر با هدف بهسازی خاک و افزایش مقاومت باربری، افزایش دوام، کاهش تورم و انقباض و در نتیجه کاهش ضخامت سازه ای ساختار روسازی همواره مورد توجه مهندسین و محققین قرار گرفته است. یکی از این روش های بهسازی، تثبیت خاک بستر با افزودن الیاف های طبیعی و مصنوعی می باشد که الیاف مصرفی در این تحقیق پلی پرو پیلن با درصد وزنی های مختلف از نمونه خشک خاک است که اثر آن توسط آزمایشهای تراکم، نسبت باربری کالیفرنیا و نشست تحکیمی بر روی نمونه های خاک تقویت شده با الیاف بررسی گردیده و با نمونه های خاک معمولی نیز مقایسه شده است که بیانگر افزایش مقاومت و سختی خاک بستر و در نتیجه بهبود عدد سازه ای ساختار روسازی می باشد و به عبارت دیگرکاهش ضخامت لایه های تشکیل دهنده روسازی به همراه بهبود خواص خاک رس موجود در محل پروژه بعنوان خاک بستراصلاح شده از مهمترین نتایج بهسازی خاک با الیاف می باشد که به لحاظ اقتصادی نسبت به سایر روشهای تثبیت فیزیکی و شیمیایی توجیه پذیر خواهد بود.
کلمات کلیدی: تثبیت خاک، الیاف پلی پرو پیلن،خاک رس،نشست تحکیم
1. مقدمه
مقاومت خاک نقش مهمی در طراحی روسازی راه ها داشته به طوری که هرچه مقاومت خاک بستر روسازی کمتر بوده می بایست تعداد و ضخامت لایه های روسازی بیشتر و جنس آن نیز مرغوبتر و با کیفیت تر گردد از طرفی روشهای مختلفی برای بهبود خصوصیات مکانیکی و مهندسی خاک وجود دارند که عبارتند از، تثبیت خاک، تسلیح خاک3 با عناصر کششی نظیر میلگرد، تسمه فولادی و مصالح پارچه گونه4 مانند ژئوتکستایل (بافته شده با الیاف تک رشته ای و یا چند رشته ای و نیز بافته نشده اتصال یافته با چسب شیمیایی و حرارت)و یا توری5 مانند ژئوگرید که در همه موارد این المانها به صورت افقی و با فواصل مشخص قرار می گیرند، میخکوبی خاک توسط ریز شمع ها6 ، مخلوط مرکب7 ماسه و الیاف مصنوعی چند رشته ای (تگزول(8
و در نهایت خاک مسلح شده الیافی( Ply Soil) 1 با توزیع تصادفی الیاف در آن(RDFS)2 که در این تحقیق نیز بر این روش و ارزیابی آن بر بهبود مشخصات مهندسی و مکانیکی خاک تکیه دارد.
بنابراین تسلیح خاک با الیاف از یک طرف شامل استفاده از الیاف با آرایش یافتگی مشخص مانند ژئوسنتتیک ها بوده و از طرف دیگر شامل کاربرد مستقیم الیاف به صورت تصادفی در ماتریس(خاک) می باشد که البته به جهت روش انجام اختلاط با استفاده از تراکم و در نتیجه قرار گیری و توزیع الیاف در خاک همانند یک روش تثبیت خاک می باشد و با توجه به جهت قرار گیری تصادفی الیاف در خاک(برخلاف سایر روشهای تسلیح خاک که المانهای کششی افقی می باشند) یک جرم همگن تشکیل شده و مقاومت همسانی را در خاک ایجاد می کند.
در تحقیق حاضر از الیاف پلی پروپیلن در خاک ریز دانه استفاده شده و آزمایش هایی نظیر تراکم، نسبت باربری کالیفرنیا (CBR)و نشست تحکیمی انجام شد که در این آزمایشها ضمن بررسی تاثیر توزیع تصادفی الیاف پلی پروپیلن بر رفتار مقاومتی خاک های ریزدانه تقویت شده با الیاف با توجه به متغیر بودن طول و درصد الیاف، تاثیر آنها در طراحی ساختار روسازی راه و نیز جلوگیری از خرابی شیار شدگی رویه آسفالتی بررسی می شود.
2. پیشینه تحقیق
تعــداد بســیار کمــی تحقیــق بــر روی خــاک هــای ریزدانــه تقویــت شــده بــا الیــاف و تــاثیر آن بــر روی پارامترهــای مقاومتی،نشســت تحکیمــی، تورم،ضـریب نفــوذ پــذیری،ترک خــوردگی انجــام شــده اسـت .تحقیقــات در دســت بررســی بســتگی بســیار زیـادی بــه نــوع خــاک، طــول و درصــد الیاف، انواع آزمـایش و روش هـای انجـام آزمـایش هـا دارد . از طرفـی امـروزه شـیار شـدگی روسـازی آسـفالتی بـه دلیـل ضـعف تـراکم لایـه هـا ی ســنگی و بســتر راه و نیــز از جملــه مهمتــرین مشــکلاتی کــه مهندســین ژئوتکنیــک بــا آن مواجــه هســتند مســئله نشســت تحکیمــی وتغییــرات حجمــی خــاک هــای رســی مــی باشــد کــه در ایــن راســتا مطالعــات مختلفــی توســط chauhan در ســال 2008 و نیــز Yetimoglu در ســال 2005 وهمچنــین Consoli در ســال 2003 در مــورد تــاثیر توزیــع تصــادفی الیــاف بــر روی ویژگــی هــای دینــامیکی و مکــانیکی خــاک هــای چســبنده انجــام شــده اســت . [4-1] از طرفــی Bosscher , Connell گــزارش کــرده انــد کــه پیوســتگی دررس هــای خشــک شــده تــاثیرات قابــل تــوجهی بــر روی ضــریب نفــوذ پــذیری،مقاومت برشــی، تــراکم پــذیری و پایــداری شــیروانی از ایــن خــاک هــا دارد.[5] بــر اســاس مطالعــات Miller ,Mishra تشـکیل تـرک هـای خشـک شـده بـه طـور قابـل ملاحظـه ای ضـریب نفـوذ پـذیری از رس هـا را افـزایش مـی دهـد و منجـر بـه کــاهش مقاومــت مــی شــود. [6] تــاثیر درصــد و طــول الیــاف پلــی پــرو پــیلن بــر روی خــواص مکــانیکی از کائولینیــت بــا اســتفاده از آزمــایش ســه محــوری بوســیله Abdi ,Ebrahimi مــورد بررســی قــرار گرفــت [7]. همچنــین بررســی تــاثیرات الیــاف بــر مقاومــت و تغییــرات حجــم در خــاک هــای متــورم شــونده توســط Puppala , Musenda انجــام شــده اســت.[8] دانشــمندان ژاپنــی Furumoto و Miki وObata در ســال 2002 کشــف کردنــد کــه الیــاف کوتــاه پلــی اســتر 64 میلیمتــری مقاومــت بــالایی در برابــر پدیــده رگــاب3 از خــود نشــان مــی دهنــد. همچنــین الیاف کوتاه تقویت کننده لایه های خاکی باعث پایداری خاکریز ها در برابر نشست و بارندگی و سیل را از خود نشان می دهند.
Tang و همکــاران در ســال 2010 اثــر رفتــار میکــرو مکــانیکی انــدرکنش بــین ذرات خــاک و الیــاف پلــی پــروپیلن را بررســی کردنــد. نتیجه این شـد کـه مقاومـت برشـی درسـطح بـین الیـاف و خـاک در درجـه اول بـه مقاومـت در برابـر بـاز آرایـی4 ذرات خـاک، سـطح تمـاس مـوثر بین خاک و الیاف، زبری سطح الیاف و تراکم خاک بستگی دارد.
بهزاد امیر فریار و Sherif Aggour در سال 2014 بهبود رفتار ژئوتکنیک خاک مسلح شده با الیاف پلی پروپیلن را بررسی نمودند که با مشخص شدن درصد بهینه 0/2% الیاف ضمن پرکردن موثر فضای خالی خاک در آزمایش تراکم باعث ایجاد حداکثر وزن واحد حجم موثر شده و مصالح مرکب سفت تر را تولید می کند لذا در درصدهای بیش از مقدار بهینه به دلیل افزایش فضای خالی بین ذرات خاک توسط الیاف، اثر منفی در آن داشته و در نتیجه شرایط خاک در این درصد بهینه الیاف را الیاف-اشباع شده5 می نامند.
3. مواد ومصالح
-1-3 نوع خاک:
دو نوع خاک رسی الف و ب با خصوصیات خمیری مختلف و کانی های تشکیل دهنده کائولینیت و مونت موریلونیت در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته شده است که ویژگی ها و مشخصات آن ها مطابق جداول شماره 1 و 2 می باشند.
نوع الیاف:
الیاف پلی پروپیلن استفاده شده در این تحقیق مطابق جدول شماره 3 از خانواده پلی اولیفین بوده که به عنوان شایع ترین نوع الیاف مصنوعی مصرفی در خاک ها می باشد و دارای مزایایی مانند کم هزینه بودن، آبگریز بودن، واکنش شیمیایی با اسیدها و بازها ندارد و نیز به راحتی با خاک مخلوط شده و تشکیل یک مخلوط کاملاً همگن با خاک را می دهد.
در تحقیق حاضر برای خاک نوع الف از الیاف با طول 12میلیمتر و با درصد های %0 تا %1 استفاده شده و برای خاک نوع ب نیز از الیاف با طول های مختلف 5و10و 15 میلیمتر و با درصدهای 0و2و4و8 استفاده شده است .
جدول (3)مشخصات و ویژگی های الیاف پلی پروپیلن
مقدار نوع
متغییر mm طول
0/05 mm قطر
پلیمر -الفین مواد
9/1 kN/m3 چگالی
165 نقطه ذوب سانتیگراد
سفید رنگ
320-400 N/mm2 مقاومت کششی
4000 N/mm2 مدول الاستیسیته
4. معرفی آزمایش های انجام شده :
دراین تحقیق آزمایش تراکم بر روی خاک نوع الف و برای نمونه خاک های ساده ونیز مسلح شده با الیاف به طول کوتاه 12میلیمتری به میزان 0/3 و 0/6 درصد وزن خشک خاک انجام شد. همچنین در راستای نتایج آزمایش تراکم و تعیین حدود مقادیر بهینه برای الیاف مصرفی، آنگاه آزمایش CBR بر روی خاک نوع الف انجام شد به طوری که ابتدا تمامی نمونه های ساده و تقویت شده با الیاف تحت آزمایش تراکم قرارگرفتند و پس از اشباع شدن در آب به مدت 96 ساعت آزمایش CBRبر روی آنها انجام شد و در نهایت منحنی تغییرات فشار وارده به ازای نفوذهای مشخص شده تعیین می شود لازم به ذکر است که در خصوص خاک های ریزدانه به علت میزان تورم آنها در مرحله اشباع شدن درآب، وجود یک صفحه سربار معادل فشار ناشی از احداث روسازی آینده الزامی می باشد.
و در نهایت به منظور ارزیابی تاثیر افزودن تصادفی الیاف برروی نشست تحکیمی، آزمایش ادئومتری بر روی نمونه ها انجام شد وبرای انجام این آزمایش از خاک نوع ب و درصد رطوبت % 70 حد روانی و چگالی خشک مشابه برای نمونه ها با مقادیر سربار مختلف استفاده شده 50 ، 100و 200 کیلو پاسکال استفاده شده است.
برای تمامی این آزمایشها در ابتدا خاک و مقدار مناسبی از الیاف به صورت خشک(درصد الیاف به صورت درصد وزنی خشک خاک) و دستی مخلوط شدند و سپس آب به تدریج به مخلوط اضافه شد تا یک مخلوط همگن و یکنواخت بدست آید و آماده سازی نمونه ها در داخل قالب به طور مستقیم مطابق با روش ASTM انجام شد.
