بخشی از مقاله
خلاصه
افزایش رشد ترافیک سالیانه وهمچنین تاثیر بارهای ناشی از عبور وسایل نقلیه سنگین در سطح راههای کشور موجب شده است تا خرابی و اضمحلال سیستم های روسازی زود ترازموعدمقرر فرا رسد. یکی از مهمترین عوامل در افزایش عمر راه های احداث شده بر روی زمین ها ی سست ، تقویت وتثبیت بستر راه ها می باشد. تجربیات متعدد در این زمینه ثابت نموده است که در صورت عدم بهسازی ، لایه های روسازی راه با سرعت بسیار زیاد تحت تاثیر عوامل ترافیکی و محیطی تخریب شده و از این رو خسارات هنگفتی به سرمایه های ملی کشور وارد می شود.
به منظور برطرف نمودن این نوع مشکلات، می توان ازشبکه های ژئوسنتتیکی دربستر و یا سایر لایه های روسازی استفاده نمود.اثر مستقیم استفاده از این شبکه ها ،توزیع بهتربارهای ترافیکی روی بستروجلوگیری از نشست های موضعی ونامتقارن می باشد. ژئوسنتیکها موادی هستند که همگام با پیشرفت صنعت پتروشیمی با استفاده از انواع مختلف پلیمرها ساخته می شوند واستفاده از آن ها به عنوان مصالحی جدیددر بهسازی و تسلیح راه ها مورد استقبال قرارگرفته است.ازمیان انواع ژئوسنتتیک ها، گروههای ژئوتکستایل و ژئوگریدها بیشترین کاربرد را در امر بهسازی وتسلیح بستر راه را دارند. در این مقاله، ابتدا نتایج استفاده از تسلیح کننده در بستر، بر روی عملکرد روسازی یک مقطع آزمایشی مورد بررسی قرار می گیرد، سپس با استفاده از روش عددی المان محدود ،تاثیرپارامترهای مکانیکی روی نتایج آزمایش میدانی،شبیه سازی گردیده و مورد مطالعه قرار می گیرد .
کلمات کلیدی: ژئوگرید ، المان محدود ، مسلح سازی ، نشست ، آباکوس
1. مقدمه
خاک به عنوان یک محیط دانه ای طبیعی حاصل از فرسایش و دگرگونی سنگها قابلیت تحمل و انتقال نیروهای کششی را نداشته، نیروی برشی بیشتر از ظرفیت نهایی برشی خود را تحمل نمی کندودر مقابل بارتغییر شکل می دهد. لذا در بسیاری شرایط در اثر اعمال نیروهای مختلف طبیعی و یانیروهای ناشی از سازه ها دچارگسیختگی شده و یا نشست می کند. همچنین بدلیل ماهیت نفوذپذیر آن و وجود آب در طبیعت، همواره در معرض رطوبت قرار داشته و نسبت به تغییرات شرایط اقلیمی حساس می باشد. بدین لحاظ تاسیسات بنا شده بر روی آن نیز با تغییر شرایط رطوبت دچار مشکلات عدیده ای می گردند.امروزه با افزایش حجم ترافیک و شدت بار وارد بر شبکه حمل و نقل زمینی کشور از جمله شبکه راهها و راه آهن، نیاز به احداث راههای عریض و ایمن و همچنین خطوط راه آهن سریع السیر بیش از هر زمانی در کشور احساس میشود.
ساخت آزاد راهها و شبکه راه آهن متناسب با حجم درخواست رو به افزایش جامعه امروزی، نیاز به گسترش و بکارگیری روش های نوین و فناوری روز را در این زمینه اجتناب ناپذیر ساخته است.[1]یکی از مهمترین مشکلاتی که امروزه اکثر مهندسین در پروژه های راهسازی با آن مواجه می باشند ، احداث راه بر بستر نرم می باشد. استقرار سنگدانه ها و رویه شنی یا آسفالتی بر روی بستر نرم با خاک ضعیف ، منجر به ایجاد تغییر شکلهای ماندگار زیاد در طول ساخت و بعد از آن می گردد و عملکرد مطلوب از سازه مورد نظر و راه ساخته شده ، حاصل نمی گردد.اگر در طول زمان ساخت یا زمان سرویس دهی راه رطوبت از طریق زهکشی یا روشهای دیگر کنترل نگردد به علت وجود بستر نرم و نشست زیاد، راه ترافیک سنگین عبوری را تحمل نکرده و دچارگسیختگی ، شیار شدگی ، تغییر شکل زیاد و حتی انتشار ترک در رویه آسفالتی می گردد. یکی از روشهای مقابله با مشکل فوق استفاده از تکنیک بهسازی خاک از طریق حفر و جایگزینی مسلح کننده ژئوسنتتیکی در بالای بستر نرم می باشد. خصوصیت مقاومت کششی ژئوسنتتیک - ژئوگرید یا ژئوتکستایل - شرایط تثبیت شده مکانیکی مناسبی را به لحاظ ظرفیت باربری وتغییر شکل پلاستیک فراهم نموده و منجربه بهبود ظرفیت باربری سنگدانه ها میگردد .[2]
2. مکانیزم مقاوم سازی بسترراه بوسیله ژئوگرید
مکانیزم محدودیت جانبی - محصور کنندگی - که در حقیقت یکی ازاصول مقاوم سازی بسترراه از طریق مقاومت جانبی اساس، دربرابر گسترش حرکت جانبی تحت بارهای قائم وارددرسطح راه است. کرنش های جانبی ایجادشده دراساس راه، زیربار چرخها، منجربه حرکت مصالح به سمت پایین وطرفین باروارده می گردد. ژئوسنتتیک ها با مقاوم سازی اساس مانع حرکت فوق الذکر می گردد.دومین مکانیزم ، افزایش ظرفیت باربری می باشد. فرآیندبهسازی ظرفیت باربریازطریق انتقال سطح گسیختگی سیستم پروفیل راه ازبسترنسبتا ً ضعیف به لایه اساس سخت می باشد، به نحویکه مدل گسیختگی بسترراه ازبرش پانچ درحالت بدون بهسازی به گسیختگی کلی در حالت بهسازی شده،تغییرخواهدکرد. سومین مکانیزم ،تسلیح غشائی نام دارد. در این حالت پس ازپدیدار شدن تغییر شکل دربستر، شبکه ژئوسنتتیک قرار گرفته در میان لایه ها همانند یک غشاء، کشیده شده ودر نتیجه، شبکه بخش وسیعتری از خاک را تحت اثر فشار قرارمی دهد.اثرتسلیح غشائی دراثرتغییرشکل قائم که به شکل مقعر ایجادشده، درلایه ژئوگرید کشیده شده، به وجودمی آید. مؤلفه قائم نیروی غشاء کششی می تواند تنش فعال قائم روی بسترخاک راکاهش دهد. در این مکانیزم جابه جایی جهت بسیج کردن اثرغشاءکششی لازم می باشد. [3]
.3 آزمایش صحرایی
آزمایش های مقیاس کامل شامل مطالعات صحرایی ومیدانی ،آزمایش های تسریع شده - بارگذاری سریع - راه می باشد، که رفتار واقعی راه راشبیه سازی می کندلازم. به ذکر است به علت زیاد بودن هزینه جمع آوری اطلاعات معمولا ً آزمایش های محدودی انجام می گیرد.بنابراین درگزارش های تحقیقاتی معمولاً آزمایش ها بامقیاس کوچک یا شبیه سازی عددی مورد مطالعه قرارمی گیرد. بهسازی بسترراه معمولا برای راه های بدون روسازی و موقت بیشترین کاربرد را دارد. این راهها معمولا ترافیک عبوری با حجم کمتری از وسایل نقلیه را پشتیبانی کرده و مطابق نظرانیستیتو ملی بزرگراه ها - - NHI تکنیک بهسازی با استفاده از ژئوسنتتیک ها برای این نوع از راهها مورد استفاده قرار میگیرد. معمولادر این نوع از بهسازی از محصول ژئوتکستایل استفاده می گردید، لکن اخیرا استفاده از ژئوگرید ها نیز در بهسازی و تثبیت بستر راه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در همین راستا اداره حمل و نقل مونتانا - - MDT در سال 2009 به علت، عدم وجود استانداردی کلی برای ترکیب خصوصیات ژئوسنتتیک ها در بهسازی بستر، پروژه بهسازی بستر با دو محصول ژئوتکستایل و ژئوگرید را در دستور کار خود قرار داده است .
این تحقیق توسط Eli cuelho and Steve Perkins در july 2009 تحت حمایت دپارتمان حمل و نقل مونتانا و زیر نظر دانشگاه مونتانا-بازمن - - Montana state university - bozeman صورت گرفته است. در این پروژه یک ترانشه به صورت مصنوعی با حفر مسیر موجود ،جهت اجرای مقاطع آزمایش، ایجاد میگردد و خاک بستر مورد نظر در آن به صورت یکنواخت جایگذاری میگردد. خاک لایه بستر از گودال مجاور محل آزمایش حفر گردیده و بر اساس طبقه بندی سیستم آشتو - - AASHTO M-145 و یونیفاید - - USCS-ASTM D 2487 به ترتیب A-2-6 و - SC ماسه رس دار با شن - و دارای سی بی آر 1,7 - CBR - میباشد. در طول آزمایش نیز تنها یک کامیون با مشخصاتی که در ادامه به آن اشاره میگردد جهت اعمال بار ترافیکی استفاده میگردد. ترانشه ساخته شده با ابعاد 4 متر عرض و 1 متر عمق و با طول 195 متر، با حدقل اثر شرایط مرزی دیواره و کف ترانشه میباشد. سنگدانه لایه اساس، بر اساس طبقه بندی آشتو خاک از نوع - AASHTO M-145 - A-1-a و بر اساس ASTM D 2487 سیستم یونیفاید از نوع - GW - GM شن خوب دانه بندی همراه با ماسه و لای - می باشد. در این پروژه 10 ژئوسنتتیک مورد آزمایش بوده و دو مقطع کنترل آزمایش غیر مسلح نیز در طول ترانشه اجرا میگردد. شکل - 1 - یک مقطع عرضی از مقطع آزمایش و ماشین آزمایش را نشان می دهد. [4]
.4 بارگذاری و ژئوسنتتیک ها ی مورد استفاده در این پروژه
بار ترافیک به وسیله یک کامیون سه محوره اعمال می گردد که فشار باد چرخها 690کیلو پاسگال می باشد.کامیون با سرعت 15 کیلومتر بر ساعت از مقطع کنترل اول وارد و با عبور از مقاطع آزمایش مسلح با ژئوسنتتیک ها از مقطع کنترل دوم خارج می گردد. ضمنا طرح مقاطع آزمایش و جهت ترافیک عبوری نیز در شکل 2ارائه گردیده است . [4]
.5 بررسی شیار طولی
برای تعیین عملکرد مقاطع آزمایش معمولا عمق شیار شدگی در فاصله های زمانی منظم در طول ترافیک اندازه گیری می گردد، تا شیار شدگی بر اساس تعداد عبور کامیون - ترافیک - حاصل گردد. شکل - 3 - مقدارمتوسط شیار اندازه گیری شده در مقابل تعداد عبور ترافیک در مقاطع آزمایش را نشان میدهد. همانطوریکه مشاهده میگردد خطی که شیب بیشتری دارد عملکرد بدتری داشته و خطی که شیب کمتری دارد عملکرد بهتری در کاهش نشست و افزایش ظرفیت داشته است وخطی که دارای تقعر به سمت بالا بوده عملکرد خوبی نداشته و خطی که تقعر پایین داشته عملکرد بهتری داشته و تعداد عبور کامیون و ظرفیت ترافیک را افزایش داده است. در کل نمایان است که همه مقاطع آزمایش نسبت به مقاطع کنترل کاهش خوبی در نرخ شیار شدگی و افزایش تعداد عبور ترافیک را داشته اند. برای دو مقطع کنترل نمودار به صورت خطی مستقیم بوده و دو نوع ژئوگریدیکپارچه تزریقی - IFG -3 , IFG -5 - تقعر به سمت بالا داشته که نشاندهنده افت عملکرد با افزایش تعداد عبور ماشین می باشد. در حقیقت دلیل عملکرد نامناسب این نوع ژئوگریدها - - IFG به علت گسیختگی پارگی در جهت عبورماشین بوده که منجر به کاهش عمده ظرفیت باربری می گردد .[4]
