بخشی از مقاله
خلاصه:
منحنی نگهداشت آب- خاک نشانگر میزان رطوبت خاک در مقادیر مختلف مکش ساختاری است. مقاومت برشی ، ضریب نفوذپذیری، تغییر حجم خاکهای غیراشباع تابعی از خصوصیات منحنی نگهداشت آب - خاک میباشد. منحنی نگهداشت آب - خاک شامل منحنی های خشکاندازی - نشاندهنده از دست دادن آب - و ترسازی - نشاندهنده جذب آب - میباشد. بنابراین تعیین این منحنی به واسطهی ارتباط تنگاتنگ آن با سایر خصوصیات هیدرولیکی و مکانیکی خاکهای غیراشباع از اهمیت بالایی برخوردار است.
بهسازی - تثبیت - خاک از مسائل مهم مهندسی ژئوتکنیک می باشد. در سالهای اخیر برای بهبود خواص مکانیکی خاکها از روش های مختلف تثبیت خاک از جمله روش های بیولوژیکی که سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند استفاده شده است. بدیهی است نخستین گام در جهت شناخت تاثیر این روشهای بهسازی بر رفتار خاکهای تثبیت شده در ناحیه ی غیراشباع، بررسی تاثیر این روشها بر منحنی نگهداشت آب-خاک می باشد.
در این راستا در این تحقیق، ضمن مرور تاریخچه تحقیقات انجام شده در ارتباط با تاثیر میکروارگانیسمها بر خصوصیات مکانیکی خاکهای غیراشباع، تغییرات منحنی نگهداشت آب- خاک در طی تثبیت بیولوژیکی خاک بوسیله باکتری باسیلوس اسفاریکوس بررسی و میزان تاثیر غلظت باکتری بر روی مختلف منحنی نگهداشت آب-خاک مورد بحث و بررسی قرار میگیرند به طور کلی تحقیق حاضر نشان میدهد که با افزودن مقداری باکتری و برای یک درصد رطوبت معین میزان مکش کل و مکش ماتریک افرایش پیدا میکند.
1. مقدمه
قسمت عمده از خاکهای سطح زمین از نوع خاکهای غیراشباع میباشند که به صورت کامل از آب اشباع نشدهاند. این خاکها که عمدتا در مناطق خشک و نیمه خشک - بیش از 60 درصد کشورهای جهان - قرار دارند رفتار متفاوت و پیچیدهتری نسبت به خاکهای اشباع از خود نشان می-دهند. با توجه به پیچیدهتر بودن رفتار نسبت به خاکهای اشباع و وسعت خاکهای غیراشباع در سطح زمین، این نیاز احساس میشود که بررسیهای کاملتری در زمینه مکانیک خاکهای غیراشباع انجام شود.
در خاکهای اشباع حفرات با یک سیال - مثل آب - پر میشوند، در حالیکه حفرات در خاکهای غیراشباع با مخلوطی از دو سیال - آب و هوا - پر شده است. اندازهگیری خصوصیات خاکهای مختلفی که شامل یکی از دو فاز سیال - برای مثال آب یا هوا - میباشند بسیار آسانتر از خاکهایی است که شامل هر دو فاز سیال - آب و هوا - هستند. در نتیجه استفاده از روابط خاکهای اشباع و یا خاکهایکاملاً خشک در بررسی رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع نتایج صحیحی را در بر نخواهد داشت. به طور کلی منظور از خاک غیراشباع، خاکی است که درجهی اشباع آن بین %20 تا %80 باشد که درک مناسب از رفتار و خصوصیات خاکهای غیراشباع نیازمند بررسیهای آزمایشگاهی به کمک دستگاههای مناسب میباشد.
شناخت رفتار خاکهای غیراشباع در موارد مهمی همچون تغییر حجم، مقاومت برشی و نفوذپذیری مستلزم بررسی وضعیت مکش موجود در خاک-هاست که آن هم خود تابعی از درصد رطوبت خاک است. در این میان منحنی نگهداشت آب - خاک1 با برقراری ارتباط میان مکش موجود در این خاکها و درصد رطوبت رابطهی مناسبی جهت بیان تغییرات مکش و درصد رطوبت موجود در این خاکها را فراهم مینماید. از طرفی تعیین این منحنی نیازمند انجام آزمایش میباشد.
از جمله کاربردهای عملی مکانیک خاک غیر اشباع در مهندسی ژئوتکنیک میتوان به بررسی نحوه ساخت و رفتار سدهای خاکی، شیروانی های خاکی تحت اثر شرایط جوی، پایداری حفاریها، چگونگی جریان آب و هوا در خاکهای غیراشباع ، فشار جانبی خاکها، ظرفیت باربری پیهای سطحی، حرکت لایههای زمین در خاکهای متورم شونده و بسیاری موارد دیگر اشاره کرد.
ضرورت بررسی خاکهای غیراشباع زمانی مشخص میشود که با خاکهای مسألهدار2 از جمله خاکهای آماسی3 - متورم شونده - و یا رمبنده4 - فروریزشی - سروکار داشته باشیم. عدم شناسایی و آگاهی از رفتار این نوع خاکها میتواند منجر به خسارتهای سنگین و جبرانناپذیری شود. خاک-های متورمشونده یا آماسی در طبیعت به صورت فراوان یافت میشود و در بسیاری از پروژهها امکان روبرو شدن با آنها وجود دارد.
وجود فشار هوای مثبت و یا در برخی موارد برابر با صفر - Ua 0 - و فشار آب حفره ای منفی - Uw<0 - ، در خاکهای غیراشباع باعث می شود که تفاضل این دو فشار در این خاکها کهاصطلاحاً مکش ساختاری نامیده می شود همواره مثبت باشد این در حالی است که این عبارت در خاکهای اشباع همواره منفی می باشد. وجود مکش مثبت در خاکهای غیراشباع از مهمترین تفاوتها در رفتار خاکهای غیراشباع و اشباع می باشد.
به دلیل آن که مکش خاک یکی از مهمترین پارامترهای توصیف کننده شرایط رطوبتی خاکهای غیراشباع می باشد، اندازهگیری مکش خاک یکی از ضروریترین پارامترها برای کاربردهای مهندسی در خاک غیراشباع می باشد. در مکانیک خاک غیراشباع به رابطه بنیادی بین مقدار آب حفرهای و مکش خاک، که به صورت یک یا چند منحنی - بسته به تعداد مسیرهای مکش - قابل رسم و نمایش است، منحنی نگهداشت - مشخصه - آب - خاک گفته میشود. منحنی نگهداشت آب - خاک که به نام منحنی درصد رطوبت - مکش نیز مشهور است، یکی از مهمترین منحنیهای کاربردی در مکانیک خاک غیراشباع است به طوریکه از نظر اهمیت میتوان آن را با منحنی تحکیم در خاکهای اشباع مقایسه نمود.
در طول سالیان متمادی از روشها و وسایل متعددی در مهندسی ژئوتکنیک و علوم مرتبط با خاک برای اندازهگیری مکش در خاکهای غیراشباع استفاده شده است. هر کدام از این روشها دارای محدودیتهایی در زمینه بازه مکش اعمالی، زمان به تعادل رسیدن و هزینه آن میباشند. بنابراین برای عملی بودن اندازهگیری مکش باید از روشی که هم ارزان باشد و هم بتوان به کمک آن بازه مشخص و کاملی از مکشها را در بر گیرد، استفاده کرد .[1] یکی از روشهای اندازهگیری مکش خاک استفاده از فیلتر کاغذی میباشد. که این روش در ابتدا در سال 1920 در اروپا از آن استفاده شد و در سال 1937 توسط گاردنر [2] به آمریکا آورده شد. از آن به بعد از روش فیلتر کاغذی در بسیاری از مطالعات استفاده شد.
فاوست و جرج در سال1967، مککوین و میلر در سال 1968، الخفاف و هنکس در سال1974، مککین در سال1980، همبلین در سال 1981 ، چاندلر و گویرز در سال 1986 ، هوستن و همکاران در سال [3] 1994، سواربیک در سال 1995 از جمله افرادی بودند که به شیوههای گوناگون از روش فیلتر کاغذی استفاده کردند.
میشل و سانتاماریا [4] در سال 2005 جزء اولین کسانی بودند که بحث کاربرد فرایندهای زیستی را در مهندسی ژئوتکنیک مطرح کردند و بدنبال آن در سال2006، انجمن تحقیقات ملی ایالات متحده، " ژئوتکنیک زیستی" را بعنوان موضوع مهم تحقیق در قرن 21 معرفی کرد .
اولین کار گروه مهندسی ژئوتکنیک زیستی در سال 2007 توسط دییونگ و همکارانش ایجاد گردید از آن پس مقالات بسیاری که بیانگر توانایی بالقوه این زمینه بود، ارائه گردیده که از مهمترین آن ها میتوان به مقالات ایوانف و چیو در [5] 2008، کاوازانجیان و کاراتاس در[6] 2009، دی-یونگ و همکارانش در[7] 2011، و هتا و همکارانش در [8] 2011 اشاره کرد. وسیعترین کاربرد زیست فناوری در ژئوتکنیک که تا بحال بر روی آن کارهای بیشتری انجام گرفته و نتایج مفیدی نیز در بر داشته است، " فرایند رسوب کلسیت "، از طریق محلول حاوی باکتری میباشد، که در بهبود خواص فیزیکی خاکها بسیار مفید واقع شده است.
در این مقاله به بررسی اثر تثبیت بیولوژیکی بر روی منحنی نگهداشت آب - خاک یک خاک متورمشونده مورد بررسی قرار میگیرد. برای این منظور در ابتدا آزمایشهای شناسایی بر روی خاک مورد نظر انجام شده ، سپس با استفاده از آزمایش فیلتر کاغذی، میزان مکش کل و مکش ماتریک در حالت بدون باکتری و محیط کشت و حالت اضافه شدن باکتری به نمونه، اندازه گیری و منحنی های نگهداشت آب-خاک بدست آمده است. نحوه و شرح آزمایش های انجام شده و نتایج آن ها در قسمت های بعدی آورده شده است.
2. مشخصات خاک مورد استفاده:
خاک متورم شونده بررسی شده در این مطالعه، به صورت مصنوعی و با ترکیب سه نوع خاک مختلف شامل ماسه سیلتی با درصد وزنی %70، کائولینیت با درصد وزنی %15 و بنتونیت با درصد وزنی %15 ساخته شد. لازم به ذکر است که این ترکیب خاک توسط سجادی در سال [9] 1392 به منظور بررسی امکان بهسازی خاک متورم شونده به روش بیولوژیکی استفاده شد. براساس نتایج بدست آمده از آزمایشهای دانهبندی و براساس ASTM 2487 میتوان خاک را در رده CL طبقه بندی کرد و آزمایش تراکم به روش پراکتور استاندارد براساس ASTM D 698 بر روی خاک انجام شد، که رطوبت بهینه 13/8درصد و حداکثر وزن مخصوص خشک خاک 18/2 3 است.
3. ساخت و آزمایش نمونهها:
با توجه به فعالیت مورد نیاز در زمینه مینرال سازی و تولید کربنات کلسیم برای این مطالعه از باکتری باسیلوس اسفاریکوس استفاده شد. به منظور رشد بهتر باکتریها، در ابتدا باید باکتریها را در محیط کشت مناسب، کشت داده و پس از آمادهسازی باکتریها، محلول حاصل به خاک اضافه گردید، برای توضیحات بیشتر در این خصوص به پایان نامه صفاری در سال [10] 1393 رجوع گردد.
برای آمادهسازی نمونهها، خاک موردنظر با درصد رطوبتهای 14، 16، 18، 20، 22 و 24 درصد تهیه و سپس نمونهها در ظروف دربستهای که بتواند رطوبت را ثابت نگه دارد به مدت 24 ساعت قرار گرفت. بعد از گذشت 24 ساعت، خاک مرطوب را در قالب به صورت استاتیکی متراکم گردید. سرعت تراکم در دستگاه تراکم جک مکانیکی 2 میلیمتر در دقیقه تنظیم گردید - شکل . - 1
تراکم نمونهها براساس وزن مخصوص خشک نمونه 17 کیلونیوتن بر متر مکعب و با توجه به ثابت بودن حجم قالب - قالب مربعی شکل با ابعاد - 60 mm* 60mm*20 mm که 72 سانتیمتر مکعب میباشد به 122/4 گرم خاک برای تراکم در هر مرحله نیاز میباشد و تراکم به گونهای انجام میگیرد که نمونه در دو سطح بالا و پایین قالب کاملأ صیقل بوده است. پس از متراکم سازی، نمونهها را دوباره در ظروف دربستهای که بتواند رطوبت را ثابت نگه دارد قرار داده سپس برای اطمینان بیشتر چند لایه سلفون دور ظرف پیچیده سپس درون پلاستیکهای زیپدار به مدت 4 روز نگهداری گردید. بعد از گذشت 4 روز نوبت به قرار دادن فیلترهای کاغذی - برای انجام این آزمایش از فیلتر کاغذی Whatman No. 42 استفاده شد - بر روی نمونهها میشود - شکل - 2 که برای این منظور طبق استاندارد ASTM D5298[11]، 3 فیلتر در زیر نمونه برای اندازهگیری مکش ماتریک، یک رینگ بر روی نمونه متراکم شده و 2 فیلتر بر روی رینگ برای اندازهگیری مکش کل قرار گرفت - شکل . - 3
پس از قرار دادن فیلترها، نمونهها را دوباره در ظروف دربستهای که بتواند رطوبت را ثابت نگه دارد قرار داده، سپس به مدت 10 روز در داخل دسیکاتورهایی که بتوانند رطوبت را در خود ثابت نگه دارند قرار گرفت - شکل . - 4 طبق استاندارد ASTM D5298 این آزمایش در دمای ثابت 25 درجه سانتیگراد انجام گردید، این شرایط را با کمک سیستم خنک کننده آزمایشگاه با دقت 1درجه سانتیگراد ایجاد گردید. پس از گذشت 10 روز نمونهها را از داخل دسیکاتور در آورده سپس با استفاده از ترازو با دقت 0/0001 گرم فیلترها وزن گردید.
برای این منظور دو فیلتر که بر روی رینگ قرار دارند - برای مکش کل - در ابتدا وزن میشود و سپس فیلتر وسط از 3 فیلتر زیرین - برای مکش ماتریک - توزین شد. بعد از وزن کردن فیلترهای مرطوب، فیلترهای مربوط به هر نمونه را درون یک ظرف آلومنیومی قرار داده و آنها را به مدت 24 ساعت درون گرمخانه با دمای 110 درجه سانتیگراد قرار داده میشود. بعد از گذشت 24 ساعت فیلترها را از گرمخانه خارج و دوباره وزن و درصد رطوبت هر کدام از فیلترها بدست آمد. پس از بدست آوردن میزان درصد رطوبت هر یک از فیلترها با توجه به نمودار کالیبراسیون - نمودار مکش برحسب درصد رطوبت - استاندارد ASTM D5298 - شکل - 5 میزان مکش در هر درصد رطوبت اندازهگیری و با توجه به مکشهای بدست آمده منحنی نگهداشت آب - خاک رسم گردید.
