بخشی از مقاله
خلاصه
ژئوفوم یکی از انواع ژئوسینتتیک است که بدلیل مقاومت در برابر خوردگی، وزن حجمی ناچیز در برابر وزن حجمی خاک و تراکم پذیری بالا، قابلیت کاربرد بالایی در مهندسی ژئوتکنیک دارد. خاک رس بدلیل قابلیت جذب بالا و تغییر حجم زیاد در اثر تغییر رطوبت، همواره مورد توجه ویژه در کارهای مهندسی است. در این پژوهش رفتار مخلوط رس-ژئوفوم در برش مستقیم و در حالت زهکشی شده، مورد ارزیابی آزمایشگاهی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان دهنده آن است که اندازه زاویه اصطکاک رس خالص بزرگتر از مخلوط آن با دانه های ژئوفوم در اندازههای گوناگون است.
در تنشهای قائم کوچک، مخلوط رس با ژئوفوم با اندازه دانه متوسط دارای بیشترین چسبندگی و کمترین زاویه اصطکاک نسبت مخلوط رس با ژئوفوم با اندازههای کوچک و بزرگ است، درحالیکه در تنشهای بزرگ، اندازه دانههای ژئوفوم تاثیر چندانی بر زاویه اصصکاک مخلوط ندارد ولی باعث کاهش حدودی %50 در زاویه اصطکاک انواع مخلوط رس و ژئوفوم نسبت به رس خالص میشود. همچنین نمودارهای جابجایی افقی بر حسب جابجایی عمودی نشان دهنده رفتار تراکمی رس خالص و مخلوط رس و دانههای ژئوفوم در همه انواع اندازه ها دارد ولی نرخ افزایش تراکم با تنش قائم، در مورد مخلوط رس و ژئوفوم بزرگ دانه نشان از تمایل به اتساع این نوع مخلوط دارد.
1. مقدمه
ژئوسینتتیکها امروزه بعنوان ابزاری موثر در بهبود ویژگیهای خاک و رفع مشکلات ژئوتکنیکی جایگاه ویژهای یافته اند. این مواد که از الیاف های پلیمری تهیه میشوند، بدلیل مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش، مناسب برای کارهای ژئوتکنیکی میباشند. انواع این مواد شامل ژئوگرید، ژئوسل، ژئونت، ژئو تکستایل، ژئو ممبران، ژئو فوم، ژئو کامپوزیت و ژئوسینتتیک آستر میباشند. ژئوسینتتیکها کاربردهایی مانند مسلح کردن خاک - ژئوگرید، ژئوسل، ژئونت و ژئو تکستایل - وعایق بندی - ژئو ممبران - در انواع پروژههای عمرانی مانند راهسازی، سد سازی، دیوارهای نگهدارنده خاک، فرودگاهها، محلهای انباشت زباله و ... دارند.
در این میان، ژئوفوم بدلیل وزن سبک، نفوذ پذیری پایین، عدم تغییر حجم در برابر آب مقاومت نسبتاً مناسب، قابلیت بسیاری برای رفع مشکلات ژئوتکنیکی دارد. دلیل چگالی پایین ژئوفومها آن است که این مواد از پلی استایرن منبسط شونده - EPS - ساخته میشوند. از ژئوفومها در خاکریزها، دیوارهای حائل، پایدار سازی شیبها و بتنهای سبک وزن استفاده میشود. نخستین بار در سال 1970در نروژ، ژئوفومها برای بازسازی خاکریز پایه یک پل بکار گرفته شدند .
دامنه تغییرات مقاومت فشاری این مواد 70 تا 350 کیلو پاسکال است. چگالی ژئوفوم، پایین و در حدود یک در صد چگالی خاک است. بر اساس استاندارد ASTM D6817، حدود چگالی ژئوفوم بین 11/2 تا 45/7 کیلوگرم بر متر مکعب است و بیشینه مقاومت فشاری این مواد در کرنشهای 1%، %5 و %10 به ترتیب برابر با 128، 300 و 345 کیلو پاسکال در دانسیته 45/7 kg/m3 است. ژئوفومها، بدلیل قابلیت اشتعال، در دماهای بالا نیاز به مراقبت دارند. از ژئوفوم، غالباً بصورت بلوک بهره برداری میشود. این بلوک ها با چگالی، مقاومت و اندازههای گوناگون ساخته میشوند. بلوک های ژئوفوم غالباً با عرض 1/25 متر و در ضخامتهای متنوع از 0/1 متر تا 1 متر و همچنین طولهای 0/5 تا 5/6 متر تولید میشوند.
ویژگیهای ذاتی ژئوفومها از جمله چگالی، مدول کشسانی، رفتار تحت بارهای فشاری و همچنین استفاده از آنها در بتنهای سبک وزن و خاکهای منبسط شونده توسط پژوهشگران مختلف بررسی شده است. نگوسی با انجام آزمایشهای فشاری محصور نشده بر روی نمونههای مکعبی 50 میلیمتری، مشاهده کرد که با افزایش دانسیته، مقاومت فشاری و مدول کشسانی ژئوفوم افزایش مییابد .[2] با توجه به آنکه با افزایشش سطح کرنش در یک دانسیته ثابت، مقدار مقاومت فشاری افزایش مییابد، نگوسی رابطهای بین مقاومت و دانسیته در سطح کرنشهای گوناگون ارائه داد
وی همچنین مشاهده کرد که با افزایش ابعاد نمونههای مکعبی ژئوفوم از 50 میلیمتر به 600میلیمتر، مدول کشسانی تقریباً دو برابر میشود - افزایش از 2/4 MPa به - 4/2 MPa که این واقعیت به اثر انتهایی نسبت داده شد چراکه مشخص گردید، مدول یانگ در انتها و وسط نمونه ها متفاوت است. هازاریکا با آزمایش فشاری محصور نشده بر روی نمونه های مکعبی و مکعب مستطیلی ژئوفوم در اندازههای گوناگون، نشان داد که نمونه های مکعبی 50 میلیمتری دارای کمترین مقاومت فشاری و نمونه های مکعبی 100 میلیمتری دارای بیشترین مقاومت فشاری در دانسیته یکسان هستند
وی مشاهده کرد که نمودار تنش کرنش تا حد زیادی غیر خطی و تنها در محدوده کوچکی کشسانی است. همچنین با افزایش نرخ کرنش، مقاومت فشاری و مدول کشسانی نمونه های ژئوفوم افزایش مییابد. بر اساس آزمایشهای یاد شده، هازاریکا رابطه ای بین مدول کشسانی و دانسیته ارائه داد
از آنجا که بلوکهای ژئوفوم در عمل در کنار یکدیگر و در تماس با هم قرار دارند، مقاومت تماسی این بلوکها در پژوهشهای چندی مورد کاوش قرار گرفته است. بارت و والسنگکار با انجام آزمایش بر روی بلوکهای ژئوفوم در تماس با هم مشاهده کردند که مقاومت برشی سطح مشترک ژئوفومها با وجود صفحات اتصال دهنده خاردار، نسبت به حالت بدون این صفحات، تغییری نمیکند
آنها نشان دادند که پلی اورتان استفاده شده بین بلوکهای ژئوفوم، مقاومت برشی سطح مشترک ژئوفومها را افزایش میدهد. شیلی و نگوسی به بررسی ضریب اصطکاک سطوح مشترک ژئوفوم به ژئوفوم - در شرایط خشک و مرطوب - ، مقاومت سطوح مشترک ژئوفوم به ژئوفوم در سطوح تنش متفاوت و برگرفته از سطوح تنش واقعی در کاربردهای صحرایی و تاثیر اندازه نمونه بر مقاومت و ضریب اصطکاک پرداختند .[11] نتایج مهم این پژوهش عبارتند از:
الف - خشک یا مرطوب بودن سطوح تماس بلوکهای ژئوفوم، تاثیر چشمگیری بر مقاوت سطوح تماس در سطوح تنش نرمال گوناگون نمیگذارد.
ب - ضریب اصطکاک با افزایش تنش نرمال، کاهش مییابد.
پ - اندازه نمونه، تاثیر چشمگیری بر مقاومت برشی و ضریب اصطکاک محل تماس نمونهها ندارد.
واگنر، با انجام آزمایش بر نمونههای ژئوفوم های با چگالی 22 kg/m3، زاویه اصطکاک سطح مشترک ژئوفوم-ژئوفوم را در حدود 32 درجه بدست آورد کورودا وهمکاران، با انجام چندین آزمایش میز لرزهای بر ژئوفوم های با چگالی 20 kg/m3، زاویه اصطکاک سطح مشترک ژئوفوم-ژئوفوم را بین 11 تا 21 درجه بدست آوردند .
میکی، رفتار برشی سطح مشترک ژئوفوم به ژئوفوم و ژئوفوم به ماسه را با ژئوفوم های با چگالی 20 kg/m3 و در دستگاه برش مستقیم بررسی کرد. وی زاویه اصطکاک سطوح مشترک ژئوفوم به ژئوفوم، ژئوفوم به لایه نازک ماسه و ژئوفوم به لایه ضخیمتر ماسه را به ترتیب در حدود 33 درجه، 35 درجه و 29 درجه بدست آورد .
پژوهشها نشان میدهند که وجود ژئوفوم باعث بهبود مشکلات ناشی از متورم شوندگی خاکهای رس میگردد. آیتکین و همکاران، با آزمایش خاک متورم شونده بدون ژئوفوم و با وجود رولهای ژئوفوم با ضخامتهای مختلف، فشار تورم جانبی و قائم را بدست آوردند .
نتایج این پژوهشگران نشان داد که: الف - با گذشت زمان، فشار تورم جانبی و قائم افزایش میابد. ب - بکار بردن ژئوفوم باعث کاهش فشارهای تورم جانبی و قائم میشود که این کاهش در مورد فشار تورم جانبی بیشتر است. پ - با افزایش ضخامت رولهای ژئوفوم، فشار تورم جانبی و قائم کاهش بیشتری میابد که این کاهش در مورد دیوارهای صلب در حالتی که نسبت ضخامت ژئوفوم به ارتفاع دیوار 0/2 باشد، بیشینه است. نتایج این پژوهش نشان دهنده نقش موثر ژئوفوم در کاهش فشار جانبی خاک رس بر دیوارهای حائل است.
هر چند تاکنون، استفاده از ژئوفوم ها به شکلی غیر از بلوک های حجیم رواج کمی یافته است، اما وجود حجم قابل توجه ضایعات ژئوفوم حاصل از بسته بندی مواد غذایی و کالاها، استفاده از این مواد در ابعاد کوچک و تا حد دانه ای را توجیه میکند.
دنگ و ژیائو، یک سری آزمایشهای سه محوری زهکشی شده و برش مستقیم بر ماسه خالص و مخلوط ماسه و دانههای ژئوفوم با درصدهای وزنی 0/5%، 1/5% و 2/5% انجام دادند .[16] ماسه استفاده شده در این پژوهش، نیمه متراکم و خوب دانه بندی شده بود. تنش نرمال بکار گرفته شده در این آزمایشها 100، 200، 300 و 400 کیلو پاسکال بود.
نتایج این پژوهشگران نشان داد که: الف - وجود دانههای ژئوفوم در کنار ماسه، باعث کاهش چشمگیری در زاویه اصطکاک مخلوط، بویژه در نسبتهای وزنی پایین ژئوفوم میشود. ب - دانههای ژئوفوم منجر به ایجاد چسبندگی ظاهری و رفتار بیش تحکیم یافتگی در مخلوط ماسه-دانههای ژئوفوم میشوند. پ - مخلوط ماسه-زئوفوم تحت تنش برشی، تراکم پذیری بیشتری نسبت به ماسه خالص دارد. ت - در نسبتهای وزنی پایین ژئوفوم، منحنی موهر-کولمب مخلوط، خطی است، در حالیکه در نسبتهای وزنی بالا، این منحنی بصورت قطعهای خطی است.
در این پژوهش، تاثیر اندازه دانه های ژئوفوم بر مقاومت برشی مخلوط رس و دانه های ژئوفوم در حالت زهکشی شده بررسی شده است. بدین منظور از سه اندازه مختلف کوچک، متوسط و بزرگ دانه های ژئوفوم استفاده شده است. نوآوری این پژوهش نسبت به کارهای پیشین، تفاوت در نوع خاک - رس خالص - و همچنین استفاده از دانه های ژئوفوم استاندارد و گرد گوشه است.
2. تعریف مسئله
برای انجام پژوهش حاضر، از خاک یکی از بخشهای جنوب شرقی شیراز استفاده شده است. پس از انجام آزمایش دانه بندی و حدود آتر برگ در مورد این خاک، نام این خاک بر مبنای طبق بندی یونیفاید، CL ، حد خمیری خاک برابر %15 و حد روانی آن %24 بدست آمد. برای بررسی تاثیر اندازه ژئوفوم بر رفتار مخلوط رس و دانه های ژئوفوم، از سه اندازه کوچک، متوسط و بزرگ دانههای تقریباً کروی ژئوفوم که هر یک با حجم مشخصی برابر %20 کل حجم مخلوط با رس ترکیب میشوند، استفاده شد. مشخصات ژئوفوم های استفاده شده در جدول 1 آمده است.
جدول -1 ویژگیهای دانههای ژئوفوم
خاک در حالت خشک در چهار لایه در سلول برش مستقیم ریخته شد و هر لایه با انرژی ثابتی کوبیده شد بگونه ای که چگالی آن در حالت خشک 1/6 gr/cm3 بدست آمد. برای ساختن نمونه با داشتن حجم سلول دستگاه برش مستقیم - 4/5 *10*10 cm - ، چگالی خاک و چگالی ژئوفوم، وزنی از خاک و ژئوفوم که به ترتیب معادل %80 و %20 حجم کل مخلوط است، جدا گردیده و با رطوبت %15 با هم مخلوط گردیدند.
با افزودن درصد رطوبت یاد شده، مقدار چگالی مرطوب خاک به 1/84 gr/cm3 رسانده شد. سپس نمونه ها در دستگاه برش مستقیم قرار داده شده و برای ایجاد حالت زهکشی شده، با سرعت ./167 میلیمتر بر دقیقه که با توجه به آزمایش تحکیم بر روی خالص بدست آمده بود، بارگذاری شدند. برای هر یک از چهار حالت رس خالص و مخلوط رس با دانههای ژئوفوم کوچک، متوسط و بزرگ، سه آزمایش در تنشهای قائم 50، 100 و 200 کیلوپاسکال، و در مجموع دوازده آزمایش انجام شد.
