بخشی از مقاله
خلاصه
تثبیت خاك بستر یکی از مراحل اولیه و در عین حال اصلی دراحداث بزرگراه ها می باشد. هدف این مقاله پژوهشی بدست آوردن رابطه اي بر پایه رگرسیون چند خطی و ارزیابی و آزمون داده هاي ورودي بر پایه شبکه عصبی می باشد که می توان از آن براي پیش بینی تغییرات مقادیر سی.بی.آر خاك بستر با افزودن درصدهاي معینی خاکستر بادي استفاده شود.پارامترهاي ورودي براي این پژوهش متغیرهایی هستند که بطور مستقیم بر مقادیر سی.بی.آر تأثیرگذار است.از آنجاییکه داده هاي کافی براي ایجاد یک شبکه عصبی مصنوعی قابل اعتماد در دسترس نیست، روشی بر پایه آموزش مورد استفاده قرار گرفت. نتایج حاصل از تحلیل حساسیت نشان داد که مقاومت خاك تثبیت شده با خاکستر بادي بترتیب به ویژگی هاي تراکم و به حدود اتربرگ وابسته است. بعلاوه می توان نتیجه گرفت براي حصول حداکثر سی.بی.آر، افزودن خاکستر بادي به خاکهاي کم مقاومت از 15 تا 20 درصد متغیر است.
.1مقدمه
گرایش به استفاده از مواد شبه سیمانی و دور ریز در تثبیت خاك یا مقاوم سازي خاك در سراسر دنیا در حال افزایش می باشد.دلیل اصلی این گرایش، تولید بیش از حد مواد دور ریز مانند خاکستر بادي، پلاستیک ها، خاکستر پوسته برنج می باشد که فقط خطر به همراه نمی آورد بلکه مشکلات جمع شدن این حجم زیاد از این مواد را به همراه دارد. استفاده از برخی از این مصالح زائد در تجربیات اجرایی مشکلات را تا حد زیادي کاهش می دهد. پیشینه تثبیت خاك یک قدمت طولانی با صدها سال تجربه پژوهشی دارد. تاکنون مطالعات پژوهشی بر روي خاکستر بادي، خاکستر پوسته برنج و پلاستیک ها صورت گرفته که همگی آنها مزایاي کاربرد این مواد را تأیید می کنند.Alhassan در سال 2008 نشان داد که کاربرد خاکستر پوسته برنجدر خاك طبیعی پتانسیل خوبی دارد. در این پژوهش گزارش شد که با افزودن خاکستر پوسته برنج به خاك طبیعی مقادیر نسبت باربري کالیفرنیا١ - CBR - به اندازه مقاومت فشاري محصور نشده افزایش می یابد.[1] همچنین مقدار رطوبت بهینه افزایش یافت در حالیکه حداکثر چگالی خشک به جهت اختلاط خاکستر پوسته برنج با خاك طبیعی کاهش می یابد. Brook در سال 2009تثبیت خاك با مخلوط خاکستر پوسته برنج و خاکستر بادي با خاك طبیعی را گزارش نمود.[2] در این مطالعه نیز نشان داده شد که مقادیر سی.بی.آر و مقاومت فشاري محصور نشده افزایش داشته است.
اثر گرد سنگ مرمر به همراه خاکستر پوسته برنج بصورت اختلاط با خاك هاي تورم زا توسط Sabatو Nandaدر سال 2011مطالعه شد.[3] در این مطالعه دیده شد که با افزایش خاکستر پوسته برنج و گرد سنگ مرمر با خاك مقدار حداکثر چگالی خشک کاهش و مقدار رطوبت بهینه افزایش می یابد. همچنین مقادیر سی.بی.آر و مقاومت فشاري محصور نشده متعاقباً به جهت افزودن این دو ماده به خاك طبیعی افزایش یافت. مطالعه Yuliantoو Mochtarدر سال2010اثر بخشی استفاده از خاکستر پوسته برنج و آهک بعنوان یک ماده پوزولانی با خاك طبیعی را نشان می دهد.[4] نتایج نشان می دهد که رفتار مهندسی و فیزیکی خاك تثبیت شده را بخوبی بهبود می بخشد. مقادیر وزن واحد حجم مرطوب و وزن مخصوص افزایش می یابد در حالیکه مقدار آب و نسبت تخلخل با افزایش دوره عمل آوري، کاهش می یابد. افزایش زمان کیورینگ نیز رفتار مهندسی را تغییر می دهد بطوري که مقاومت خاك افزایش و تراکم پذیري کاهش می یابد. در این مطالعه اهداف عبارتند از : ارزیابی مقاومت فشاري وسی.بی.آرخاك بستر تثبیت شده با خاکستر بادي، تا عوامل تاثیر گذار بر مقاومت فشاري وسی.بی.آر خاك بستر تثبیت شده حاوي خاکستر بادي و تحلیل حساسیت سی.بی.آرخاك بستر با استفاده از روش شبکه عصبی مصنوعی شناسایی شود.
خاکستر بادي باقیمانده سوختن زغال سنگ است که حاوي ذرات بسیار ریز دي اکسید سیلیسیم بشکل آمورف و کریستالی، اکسید آلومینیوم، اکسید آهن و دي اکسید کربن می باشد. این ماده کاربردهاي مختلفی در زمینه هایی مثل تولید بتن، کلینکر سیمان، مواد جایگزین در ساخت آجر، فیلر معدنی در بتن آسفالتی و غیره دارد. یکی از این کاربردها در تثبیت خاك بستر براي راهسازي است. اختلاط خاکستر بادي با آهک و یا سیمان می تواند براي تثبیت خاك بستري که مقاومت فشاري پایینی براي مقاصد راهسازي دارد، بکار برده شود. بعد از اینکه این مواد افزوده شد واکنش هایی بین خاکستر بادي، آهک و آب رخ می دهد که منجر به تولید محصولات سیمانی شده و دانه هاي خاك را بهم می چسباند. خاکهاي حاوي مقدار زیادي رس نیاز به نسبت بیشتري از آهک به خاکستر بادي دارند تا اطمینان حاصل شود که مقدار زیادي آهک بعنوان ماده ذخیره براي واکنش آهک و خاکستر بادي و براي تثبیت رس با آهک وجود دارد.
مهندسان راهساز تجربیات خوبی از مزایاي طولانی مدت افزایش مقاومت و دوام خاك بستر روسازي با یک چسباننده سیمانی مخلوط شده را در حین عملیات راهسازي در اختیار دارند. مقدار قابل توجهی منابع مالی می تواند با تثبیت خاك بستر روسازي در مقایسه با برداشت خاك بستر ناپایدار و جایگزینی آن صرفه جویی اقتصادي شود. هنگامیکه طراحی روسازي مد نظر باشد، تثبیت خاك بستر می تواند منجر به کاهش ضخامت سایر لایه هاي روسازي گردد. شکل - - 1 تصویري شماتیک از نیروگاه حرارتی زغال سنگ و محصول فرعی آن خاکستر بادي نوع - Cدرشت دانه - را نشان می دهد.
یک راهکار با بیشترین عملکرد اقتصادي و فنی با وجود محدویت هاي موجود با حداکثر کردن فاکتورهاي مطلوب و کمینه کردن فاکتورهاي نامطلوب قابل دستیابی است. در این مقایسه، با حداکثر نمودن مقادیر میانگین تلاش می شود تا به نتیجه بیشینه یا پیامدي مستقل از قیمت دست یابیم.بسیاري از اختراعات بشر از طبیعت الهام گرفته شده است. شبکه هاي عصبی مصنوعی یکی از همین موارد است. شناسایی فاکتورهاي مختلف که بر مقاومت خاك تثبیت شده با نسبت هاي مختلف وزنی خاکستر بادي، اثرگذار می باشد و سپس وارد کردن داده ها به نرم افزار [5] NeuroSolutions.5 منجر به پیش بینی مقاومت خاك می شود که هدف اصلی این مطالعه است. از نگاهی دیگر داده هاي تجربی بدست آمده در آزمایشگاه با مدل سازي در شبکه عصبی مصنوعی کالیبره می شود تا قادر به پیش بینی دقیق تر با حداقل خطاي ممکن باشد.
.2مرور بر مطالعات پیشین
خاك بستر از اجزاي بدیهی سازه روسازي می باشد و عملکرد ناکافی آن منجر به گسیختگی هاي ماندگار در روسازي می شود. بویژه بسترهاي رسی تکیه گاهی نامطلوب در حالت اشباع می باشند. خاك هاي با خواص خمیري قابل توجه نیز ممکن است با بروز تغییردر شرایط رطوبتی متعاقباً جمع شدگی یا تورم ایجاد کند. این تغییرات حجمی می تواند منجر به جابجایی یا فرخوردگی با تغییرات رطوبتی گردد و ممکن است منجر به کاهش چگالی و مقاومت بستر و در نهایت اضمحلال تسریع شده روسازي شود. پیشینه قابل توجهی از کاربرد افزودنی هاي تثبیت خاك براي بهبود عملکرد بستر ضعیف با کنترل تغییرات حجمی و افزایش مقاومت وجود دارد. آهک و سیمان بطور موفقیت آمیزي براي دهه هاي متعدد مورد استفاده قرار گرفته است و اخیراً خاکستر بادي نوع C بعنوان یک راهکار اقتصادي براي بهبود عملکرد بستر مورد استفاده قرار گرفته است. خاکستربادي نوع C تا حد زیادي به خاك از نظر ترکیبات شیمیایی شباهت دارد بطوري که این مواد همان عناصر اصلی را دارند - Nو P و K و Ca و S و Alو Naو - Fe و مقدار ناچیزي - Mnو Znو Cu وB و Asو Cd وCoو Crو Hgو Moو Niو Pb و - Se دارد. همچنین از نظر ترکیبات فیزیکی شبیه به خاك است. مزایاي خاکستر بادي نوع Cبه سه دسته تقسیم میشود:
الف - عامل خشک شدگی: خاکستر بادي در معرض آب هیدراته می شود. با مصرف آب توسط خاکستر بادي، از آن می توان بعنوان عامل خشک کننده خاك هاي اشباع استفاده کرد بخصوص هنگامیکه روند خشک شدگی تسریع شده مطلوب باشد.
ب - کنترل تغییرات حجم: خاکستر بادي رفتار جمع شدگی و تورم را کاهش می دهد بعلت اینکه خود به تنهایی تغییرات حجمی قابل توجهی ندارد پس افزودن آن اثر تورم رس را کاهش می دهد. بعلاوه حاوي مقداري آهک است که مانند یون انتقال عمل میکند تا پیوستگی دانه هاي رس با آب را کاهش دهد.
ج - افزایش مقاومت: خاکستر بادي مانند یک عامل شبه سیمانی عمل می کند که مقاومت خاك اصلاح شده را افزایش می دهد. بخش عمده کسب مقاومت بسیار سریع رخ می دهد، با اینحال براي برخی از ترکیبات خاك و خاکستربادي کسب مقاومت بیشتر در طول زمان در اثر واکنش هاي پوزولانی مانند آهک وجود دارند. کسب مقاومت در اسرع وقت ارزش خاصی دارد بعلت اینکه بستري را به عنوان سکوي کارهاي فوقانی براي روسازي آسفالتی و تجهیزات تراکم فراهم می کند. باقی ماندن این اثرات بطورحتمی بهبود بخش نیست.McCallisterو Petryدر سال 1991طی آزمایشات در مقیاس آزمایشگاهی نشان داد که تثبیت با مقدار ناکافی آهک، بهبود در رفتار خاك را منجر شد که ماندگاري قابل ملاحظه اي نداشتFerguson .[7]و Zeyدر سال1992 یافتند که خاکهاي تثبیت شده با خاکستر بادي عملکرد میدانی بسیار خوبی پس از یک دوره دوساله داشته است.
.1.2نقش خاکستر بادي در بهبود خواص خاك
ویژگی هاي شیمیایی و فیزیکی خاك به جهت ترمیم با خاکستر بادي بر اساس ویژگی هاي اصلی خاك و خاکستر بادي تغییر می کند. برخی از تغییرات کلی در ویژگی هاي خاك مثل بافت ، چگالی ظاهري، ظرفیت نگهداري آب و نرمالیته خاك قابل ملاحظه است. کاربرد مقدار زیادي خاکستربادي میتواند بافت سطحی خاکها را معمولاً با افزایش مقدار لاي تغییر دهد. افزودن خاکستر بادي به میزان 70تن در هکتار بافت خاك ماسه اي و رسی را به خاك لومی تغییر می دهد. افزودن خاکستر بادي به میزان 200 تن در هکتار ویژگی هاي فیزیکی و شیمیایی خاك را بهبود می بخشد و طبقه بندي بافت موجود را از لوم ماسه اي به لوم سیلتی تغییر می دهد. اندازه ذرات خاکستربادي شبیه به لاي است و چگالی ظاهري خاك را تغییر می دهد. کاربرد خاکستر بادي به میزان صفر، 5،10،15درصد وزنی در خاك رسی به میزان قابل توجهی چگالی ظاهري را کاهش داد و ساختمان خاك را بهبود بخشید که در عوض تخلخل، کارایی و ظرفیت حفظ رطوبت خاك را افزایش داد. کاربرد خاکستر بادي در خاك ماسه اي می تواند بطور دائمی بافت خاك را تغییر دهد، تخلخل در مقیاس میکرون را افزایش و ظرفیت نگهداري آب را بهبود بخشد. بطور کلی خاکستربادي چگالی ظاهري خاکها را کاهش می دهد که منجر به افزایش تخلخل ، کارایی و ظرفیت نگهداري آب می شود.[9]
افزایش تدریجی در مقدار خاکستربادي در خاکهاي معمولی - صفر، 10و 20تا 100درصد حجمی - گزارش شده که تخلخل، ظرفیت نگهداري آب، هدایت پذیري و ظرفیت تبادل یون هاي مثبت را افزایش می دهد. بسته به منبع، خاکستربادي می تواند اسیدي یا قلیایی باشد که براي خنثی کردن نرمالیته خاك موثر است.[10]در مطالعه اي مشابه پژوهش حاضر که توسط Trivedia و همکاران در سال 2013 انجام شد پارامترهاي ورودي بجزء حداکثر چگالی خشک در نظر گرفته شد که فاکتور تأثیرگذار در مقدار سی.بی.آر است. بعلاوه در مطالعه آنها از الگوریتم ژنتیک براي پیش بینی سی.بی.آر استفاده شد که نتایج پیش بینی - خروجی الگوریتم - و آزمایشگاهی تا %99.2 بطور متوسط از لحاظ صحت بر نتایج واقعی منطبق بود.
.3شبکه هاي عصبی مصنوعی
شبکه هاي عصبی مصنوعی ترکیبی از عملکرد المانهاي ساده بطور موازي می باشد. این المان ها از سیستم هاي عصبی بیولوژیکی الهام گرفته شده است. همانطور که در طبیعت، تابع شبکه با ارتباط بین المان ها معین می شود. یک شبکه عصبی قادر به تعلیم یافتن براي یک عملکرد خاص با تصحیح مقادیر ارتباطات - اوزان - بین المان ها می باشد. عموماً یک شبکه عصبی تصحیح می شود یا تعلیم می یابد تا پارامترهاي ورودي، خروجی مورد نظر را حاصل کند.
