بخشی از مقاله
تاثیر استفاده از مخلوط خاک و ژئوفوم در کاهش فشار جانبی وارد بر دیوارهای حائل
خلاصه
به کارگیری مصالح سبک وزن در خاکریز یکی از روشهای متداول کاهش فشار جانبی به حساب میآیـد و تـاکنون مطالعـات مختلفـی در زمینـه کاربرد برخی از این مصالح نظیر خرده لاستیک، بلوکهای ژئوفوم پلی استایرن انبساطی (EPS)، انواع پوکههای معدنی و صنعتی و . . . در خاکریز دیوارهای حائل انجام پذیرفته است. ژئوفومهای EPS به دلیل وزن مخصوص بسیار کم مصالح گزینه ایدهآلی برای ساخت خاکریزهـای سـبک بـه شمار میروند. در این تحقیق اثر سبک سازی خاکریز با استفاده از مخلوط خاک و خرده ژئوفوم بازیافتی بـر رفتـار دیوارهـای حائـل بررسـی شـده است. نخست با انجام یک سری آزمایش برش مستقیم پارامترهای مقاومت برشی این مخلوط و سطح مشترک آن با مصالح دیـوار تعیـین گردیـده است. سپس با استفاده از روابط مرسوم تعیین فشار جانبی خاک، تاثیر سبکسازی بر تغییرات فشار وارد بر دیوارهای حائل ارزیابی شده است. نتایج حاصله بیانگر آن است که استفاده از مخلوط خاک- ژئوفوم سبب کاهش فشار جانبی و افزایش پایداری دیوار میگـردد. در عـین حـال اسـتفاده از این مصالح یک راه حل مناسب در راستای کاهش آلودگیهای زیست محیطی و کاربرد بهینه از ضایعات ژئوفوم میباشد.
کلمات کلیدی: مخلوط خاک و ژئوفوم، دیوار حائل، بهسازی خاک، آزمایش برش مستقیم، سبکسازی خاکریز
1. مقدمه
افزایش فشار جانبی خاکریز در اثر ساخت دیوارهای حائل بلند و یا وجود سربارهای قابل ملاحظه در پشت دیوار، منجر به افزایش مقطع دیوار و در نتیجه افزایش هزینههای ساخت میگردد. با انتخاب راهکارهای مناسب کاهش فشار جانبی میتوان تـا حـد امکـان هزینـههـای سـاخت را کـاهش داد. عمـده مطالعات انجام شده در راستای کاهش فشار جانبی وارد به دیوار را میتوان در قالـب 2 دسـته طبقـه بنـدی نمـود: (الـف) اصـلاح مشخصـات هندسـی و مقاومتی دیوار، (ب) اصلاح مشخصات فیزیکی و مقاومتی خاکریز. مشخصات هندسی دیوار و خصوصیات رفتاری مصالح به کار رفته در آن تاثیر قابل توجهی بر فشار جانبی وارد بر دیوار دارد. در دیوارهای حائل انعطافپذیر، بخشی از نیروهای وارده در قالب تغییرشکلهای خمشی مستهلک میگردد و در نتیجه فشار جانبی کاهش مییابد. از طرفی شکل و هندسه دیوار دیوار بر شدت و نقطه اثر نیروهای جانبی وارد بر دیوار تاثیرگذار بوده و به طور مثال ایده استفاده از دیوارهای گوژپشت بر همین اساس حاصل گردیده است .[1] در مقایسه با روش فوق، اصلاح مشخصات مقاومتی (افزایش چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی) و فیزیکی (نظیر کاهش وزن مخصوص مصالح) خاکریز راهکار رایجتری در کاهش فشار جانبی محسوب میشود. با افـزایش پارامترهای مقاومتی خاکریز از طریق روشهای مختلف نظیر مسلح نمودن خاکریز توسط ژئوسنتتیکهـایی مثـل ژئوگریـد و ژئوتکسـتایل و یـا تزریـق دوغاب سیمان در خاک میتوان فشار جانبی وارد بر دیوار را کاهش داد 2]، 3 و .[4 استفاده از مصالح سبک وزن در خاکریز پشت دیوارهای حائل نیز به دلیل دارا بودن دانسیته کمتر نسبت به مصالح مرسوم شنی و ماسهای، سبب افزایش پایداری دیوار میشود. در این روش حجمنسبتاً وسیعی از خـاکریز طبیعی با مصالح سبک وزن جایگزین میگردد و محدوده بهسازی تا جایی ادامه مییابد که گوه گسیختگی درون آن واقع شود. از بین مصالح گوناگونی که میتوانند به عنوان گزینه بالقوه در سبک سازی خاکریز مطرح باشند، خـرده لاسـتیک، بلـوکهـای ژئوفـوم پلـی اسـتایرن انبسـاطی (EPS) و انـواع پوکههای معدنی و صنعتی بیش از سایرین مورد توجه محققین واقع شده و تاکنون مطالعات مختلفـی در زمینـه اثربخشـی آنهـا در کـاهش فشـار جـانبی خاکریز انجام پذیرفته است 5]، 6، 7 و .[8
ژئوفومهای پلی استایرن انبساطی (EPS) نخستین بار در اوایل دهه 1970 میلادی مورد توجه مهندسین عمران قرار گرفتند و در طی سـالهـای بعد، استفاده از آنها به دلیل خصوصیات منحصر به فردشان بهطور چشمگیری گسترش یافت. امروزه ژئوفومهای EPS در صنایع بسته بندی و سـاختمانی (ساخت بلوکهای سقفی) مورد استفاده قرار میگیرند. علاوه بر این، سبک وزن بودن ) تا وزن مخصوص خاکدانههای طبیعی) و تراکمپـذیری ژئوفومهای EPSسبب شده تا این مصالح به منظور بهسازی در خاکریز پشت دیوارهای حائل (عمدتاً به صورت بلوک یـا صـفحه) بـه کـار بـرده شـود. ضایعات حاصل از استفاده گسترده از ژئوفومهای EPS بخش مهمی از زبالههای شهری را به خود اختصاص مـیدهنـد. تولیـد انبـوهی از ایـن ضـایعات موجب شده تا راهکارهایی در جهت استفاده بهینه از ژئوفومهای مستعمل ارائه و ارزیابی گردد.
یکی از اشکال به کارگیری ژئوفومهای EPS در مهندسی ژئوتکنیک، استفاده از مخلوط خردههای آن بـا خـاک بـه عنـوان مصـالح پرکننـده سبک وزن میباشد. چنانچه سبکسازی خاکریز توسط ضایعات و زبالههای ساختمانی و صنعتی صورت گیرد، علاوه بر کاهش نیروهای طراحی، سبب دستیابی به یک راه حل مناسب در راستای کاهش آلودگیهای زیست محیطی و استفاده بهینه از این ضایعات میگردد. برای تهیه این مصالح، خردههای حاصل از بازیافت بلوکها و صفحات ژئوفوم EPS با خاک مخلوط میشود و چنانچه دستیابی به مقاومتهای بالاتر مورد نظر باشد، مواد تثبیت کننـده نظیر سیمان به آن افزوده میشود. وزن مخصوص مخلوط متناسب با درصد اختلاط و جنس خاک (و مواد تثبیت کننده در صورت وجود) در محـدوده 6 kN/m3 تا 18 kN/m3 تغییر میکند .[9] لذا مخلوط خاک و ژئوفوم وزن کمتری از خاکریزهای طبیعی داشته و سبب کاهش تنشهای قـائم و افقـی خاکریز میگردد. از طرفی در صورت انتخاب یک طرح اختلاط بهینه، میتوان ضمن حفظ تراکم پذیری مخلوط (و کاهش فشار وارد به دیوار)، حجم مصالح مصرفی و نشستهای قائم خاکریز (ناشی از تغییر حجم مصالح در بارگذاریهای آتی) را تا حد ممکن کاهش داد. با ایـن وجـود عملکـرد ایـن مخلوط و اثر آن بر رفتار دیوارهای حائل ندرتا مورد بررسی قرار گرفته است .[10]
ایلاری [11] با انجام یک سری آزمایشات برش مستقیم و سه محوری، رفتار مکانیکی مخلوط ژئوفوم- خاک و تـاثیر آن بـر کـاهش پتانسـیل تورم و کاهش حجم خاکهای متورم شونده را ارزیابی نمود. این مطالعات بر روی مخلوط ماسه و بنتونیت بـا نسـبتهـای اخـتلاط گونـاگون صـورت گرفت و خرده ژئوفوم با درصدهای اختلاط وزنی %0، %0/3، %0/6 و %0/9 به خاک افـزوده شـد. نتـایج آزمـایشهـای بـرش مسـتقیم نشـان داد کـه در مخلوطهای با بنتونیت کمتر، با ازدیاد درصد وزنی ژئوفوم EPS، تنش برشی ماکزیمم قابل تحمل افزایش مییابد. لیکن در خاکهای خمیریتر عکس این رویه برقرار است. دنگ و ژیائو [12] تاثیر نسبت اختلاط و فشار محدود کننده را بر رفتار مخلوط خـاک دانـهای و ژئوفـوم بررسـی نمودنـد. نتـایج آزمایشهای سه محوری بر روی 3 نسبت اختلاط مختلف %0/5) ، %1/5 و (%2/5 نشان داد که افزایش درصد اختلاط ژئوفوم سبب کاهش مقاومت برشی و افزایش کرنشهای حجمی میگردد. فشار محدوده کننده نیز با مقاومت مخلوط رابطه مستقیم دارد. آنها نسبت %0/5 را به عنوان درصد اختلاط بهینـه پیشنهاد نمودند. نجمالدین و کاناکسی [13] تاثیر افزودن ژئوفومهای پلی استایرن انبساطی اصلاح شده (MEPS) به خاک را بر شـاخص هـای آزمـایش تراکم نظیر درصد رطوبت بهینه و بیشترین دانسیته خشک بررسی نمودند. اصلاح حرارتی ژئوفـومهـای EPS، روش جدیـدی اسـت کـه توسـط کـان و دمیربوگا در سال 2009 برای دستیابی به فومهایی با دوام، دانسیته و مقاومت بیشتر ارائه گردیده است ]نقل از .[13 نتایج تحقیقات نجمالدین و کاناکسـی نشان داد که با افزایش درصد وزنی فوم MEPS، ماکزیمم وزن مخصوص خشک در هر دو آزمایش تراکم به صورت خطی کاهش مییابد.
به طور کلی مطالعات پیشین در رابطه سبک سازی خاکریز دیوار حائل عمدتاً منحصـر بـه مصـالحی نظیـر بلـوکهـای ژئوفـوم EPS و خـرده لاستیک بوده است و تحقیقات صورت گرفته در رابطه با استفاده از سایر مصالح بازیافتی نظیر خردههای ژئوفـومهـای بازیـافتی و مخلـوط آن بـا خـاک انگشت شمار بوده و اغلب آنها نیز در خصوص بررسی رفتار کلی این مصالح انجام پذیرفته است. در تحقیق حاضـر، بـا انجـام یـک سـری آزمـونهـای آزمایشگاهی، رفتار مخلوط خاک و ژئوفوم در نسبتهای وزنی مختلف بررسی شده و پارامترهای مقاومت برشی این مخلـوط و سـطح مشـترک آن بـا مصالح دیوار تعیین گردیده است. سپس به ازای هر طرح اختلاط، فشار وارد بر دیوار با استفاده از تئوریهای رایج محاسبه فشار جانبی خاک محاسبه و تاثیر طرح اختلاط بر پایداری دیوار در برابر لغزش و واژگونی بررسی شده است.
2. مشخصات مصالح
برای ساخت مخلوط خاک- ژئوفوم، ورقههای ژئوفوم EPS خرد شد تا در اختلاط با خاک ماسهای ترکیب نسبتاً همگنی را تشکیل دهد (شکل .(1 وزن مخصوص خشک این خرده ژئوفومها که فرم اولیه و شکل ظاهری آنها پس از خرد کردن برابر 0/17 kN/m3 به دست آمد. خـرده ژئوفـومهـا بـه دلیـل منافذ موجود در بین دانههایشان، در مقایسه با ورقهها و بلوکهای ژئوفوم، وزن مخصوص کمتری دارنـد. ایـن خـرده ژئوفـومهـا در نسـبتهـای وزنـی مختلف، با ماسه با دانهبندی تقریباً یکنواخت مخلوط گردید. ضریب یکنواختی ماسه مورد استفاده Cu = 3/94، ضریب انحنا Cc = 1/14 و درصد ریزدانه آن کمتر از %5 بوده که مطابق سیستم نامگذاری متحد، ماسه بد دانهبندی شده نامیده میشود. محدوده اندازه خرده ژئوفـومهـا و ماسـه در شـکل 2 نشـان داده شده است.
3. ساخت و آماده سازی نمونهها
نمونههای خاک و خردههای ژئوفوم در نسبتهای وزنی %0 (ماسه خالص)، %0/3، %0/6 و %0/9 درون جعبه برش و در حالت خشک آماده سازی شدند. با توجه به اختلاف وزن این دو مصالح و به منظور دستیابی به مخلوطی همگنتر، خاک و خرده ژئوفوم در 3 مرحله متناوبا به درون جعبـه بـرش اضـافه، مخلوط و متراکم شدند. نمونهها در ابعاد 60 mm 60 mm و با ضخامت 10 mm آمـاده سـازی شـدند. اسـتفاده از اغلـب روابـط تعیـین فشـار جـانبی دیوارهای حائل مستلزم دانستن مقادیر پارامترهای مقاومت برشی سطح مشترک مصالح خاکریز و دیوار است. جهت ارزیـابی مقاومـت سـطح مشـترک مخلوط و دیوار، قطعهای بتنی به ابعاد 60 mm 60 mm و به ارتفاع 10 mm ساخته شد و در نیمه پایینی جعبه برش قرار داده شد. نیمه فوقانی قالب نیـز در دو مرحله، متناوبا با خاک و خرده ژئوفوم پر و متراکم گردید. نمونههای آزمایش سطح مشترک در نسبتهـای وزنـی %0، %0/3، %0/6 و %0/9 و در حالت خشک آمادهسازی شدند. در جدول 1، وزن مخصوص نمونهها به ازای درصدهای وزنی مختلف آورده شده است.
4. برنامه آزمایشها
آزمایشهای تعیین مقاومت برشی مخلوط توسط دستگاه برش مستقیم موجود در آزمایشگاه مکانیک خاک دانشکده فنـی دانشـگاه تهـران و بـر اسـاس استاندارد ASTM D3080-98 صورت گرفت .[14] آزمایش برش مستقیم با هدف ارزیابی رفتار مقاومتی مخلوط خاک- ژئوفوم و تاثیر نسبت اختلاط مصالح بر پارامترهای مقاومت برشی مخلوط و سطح مشترک آن با مصالح دیوار انجام شد. تنشهای قائم متناسب با شرایط واقعی نمونهها در محل اعمال گردید. این تنشها با شدت 50، 100 و 150 kN/m2 برای تعیین مشخصـات مخلـوط خـاک - ژئوفـوم و بـه مقـدار 25، 50 و 75 kN/m2 و بـرای تعیـین پارامترهای سطح مشترک مخلوط و دیوار وارد شد. تنشهای عمود بر سطح تماس خاک و دیوار در مدل واقعی در راستای افق بوده و بـا فـرض آنکـه تنشهای افقی در خاک تقریباً %50 تنشهای قائم باشد، در آزمایشات سطح مشترک برابر با مقادیر مذکور انتخاب شده است. تنشهای اعمالی قـائم بـر روی نمونههای خشک و در حالت زهکشی شده، صورت گرفت و از این رو سرعت بارگذاری برابر 0/61 mm/min انتخاب گردید.
5. نتایج
.1.5 رفتار مخلوط خاک - ژئوفوم
برای شناخت رفتار تنش- تغییرشکل و و ارزیابی تاثیر استفاده از مخلوط خاک و ژئوفوم بر کاهش فشار جانبی و پایداری دیوارهای حائـل یـک سـری آزمایش برش مستقیم انجام شد. شکل 3، تاثیر تغییرات درصد وزنی ژئوفوم %0/0)، %0/3، %0/6 و (%0/9 بر رفتار مخلوط را در تنشهای قائم 50، 100 و 150 کیلوپاسکال نشان میدهد. همانگونه که ملاحظه میشود که با افزایش درصد وزنی ژئوفوم، تنشهای برشی قابل تحمل در مخلوط کاهش مییابـد. این روند در فشارهای قائم بیشتر 100) و 150 کیلوپاسکال) محسوستر بوده، بهطوری که نسبت تنشهای برشی در برخی از نقاط متنـاظر درصـد وزنـی %0/0 و %0/9 بیش از 2 برابر میباشد. با افزایش درصد وزنی، رفتار کلی نمونهها نیز دچار تغییر میگردد. در نسـبت وزنـی %0/0 (ماسـه خـالص)، رفتـار مقاومتی مخلوط مشابه خاکهای متراکم بوده و دارای نقطه ماکزیمم در لحظه گسیختگی است. در درصدهای وزنی بیشتر، ساختار نمونه به دلیل وجود دانههای ژئوفوم دستخوش تغییر میشود. تراکم پذیری مخلوط سبب میشود که در تنشهای برشی بیشتر، دانههای ژئوفوم متراکم شـده و در محـدوده گسیختگی، اتساع رخ ندهد(رفتاری مشابه خاکهای دانهای سست).
شکل 4 این تفاوت رفتاری را به طور واضحتری نمایش میدهد. در این نمودارها، تاثیر درصد وزنی ژئوفوم بر تغییرات ارتفـاع نمونـه بـه ازای تنشهای قائم 50، 100 و 150 کیلوپاسکال نشان داده شده است. با افزایش تنشهای برشـی در ماسـه خـالص، نمونـه ابتـدا کـاهش ارتفـاع (حجـم) داده (مقدار منفی در تغییر ارتفاع نمونه) و با آغاز گسیختگی و پس از آن، دچار اتساع و افزایش حجم (مقدار مثبت در تغییر ارتفاع نمونه) میگردد. با بیشتر شدن درصد اختلاط ژئوفوم، رفتار نمونهها تغییر کرده و مشابه خاکهای سست، قبل و بعد از گسیختگی، همواره دارای رفتار انقباضی است.
نکته قابل توجه در این نمودارها تاثیر تنشهای قائم اعمالی بر تغییرات حجم نمونهها است. افزایش تنشهای قـائم در مخلـوطهـای بـا درصـد اختلاط %0/0، %0/6 و %0/9 با تغییرات ارتفاع نمونهها رابطه مستقیم داشته و بر حسب نسبت
