بخشی از مقاله
خلاصه
تثبیت خاک به روش بیولوژیک از جمله روش های نوین بهسازی خاک است که در آن با بهره گیری از باکتری ها خواص مهندسی خاک بهبود می یابد. اساس این روش بر مبنای هیدرولیز اوره و تشکیل رسوب کربنات کلسیم است که سبب اتصال دانه های خاک به یکدیگر می شود. در این تحقیق به معرفی کاربردی نوین از خاک های بهسازی شده به روش بیولوژیک در پایدارسازی شیروانی های خاکی پرداخته شده است. تحلیل پایداری شیروانیهای خاکی به روش تعادل حدی با استفاده از نرم افزار Slope/w صورت گرفته است. نتایج حاصل حاکی از افزایش ضریب اطمینان پایداری شیب با افزایش عمق بهسازی و افزایش تعداد لایه های بهسازی شده می باشد.
1. مقدمه
شیروانی های خاکی در قسمتهای خاکبرداری بعلت وجود وزن، تمایل به حرکت دادن توده خاک به سمت پایین را دارد. وقتی که مولفه های وزن به قدر کافی بزرگ باشد، لغزش شیروانی خاکی به سمت پایین رخ می دهد.[1] از دیدگاه ایستایی، لغزش وقتی رخ می دهد که نیروی رانشی - ناشی از مولفه وزن - بر نیروهای مقاوم - ناشی از مقاومت برشی خاک در سطح لغزش - ، غلبه نماید.[2] در کنترل ایمنی پایداری شیروانی بایستی تنش های برشی ایجاد شده در امتداد بحرانی ترین و محتمل ترین سطح لغزش محاسبه شده و با مقاومت برشی مقایسه گردد.
هزینه های بالای اجرای دیوار حائل صلب و به طور کلی معایب روش های معمول، مهندسان طراح را به سمت اسنفاده از روش های دیگر پایدارسازی سوق داده است، به طوریکه به تدریج سیستم های انعطاف پذیر با نشست پذیری نسبی بیشتر، جایگزین سازه های معمول نگهدارنده شده-اند.[1] سیستم های خاک بهسازی شده از جمله این روش ها می باشند.
روشهای رایج بهسازی خاک از انرژی مکانیکی یا مواد شیمیایی استفاده می کنند. مواد شیمیایی مورد استفاده مانند دوغابهای سیمانی، اپوکسیها، سیلیکاتها و غیره موجب اتصال دانههای خاک به یکدیگر می شود که به جزء سیلیکات سدیم تمام مواد شیمیایی مصرفی سمی و آلاینده محیط میباشند4] و.[5 در سالهای اخیر روش ایجاد بیولوژیکی رسوب کربنات کلسیم مورد توجه قرار گرفته است که همین امر تحقیقات متنوعی را درباره نحوهی رسوب، عوامل شیمیایی و ژئوتکنیکی موثر بر رسوب بیولوژیکی و مکانیزم گسیختگی خاکهای اصلاح شده به روش بیولوژیکی سبب شده است.
در این تکنیک به منظور اصلاح رفتار خاک از فرآیندهای بیوشیمیایی در خاک بهره میگیرند که این واکنشهای ژئو بیوشیمیایی درون حفرات موجود در ساختار خاک انجام میگردد و منجر به ایجاد رسوب کلسیم کربنات در بین دانههای خاک میشود.در این روش از یک باکتری هوازی جهت افزایش سرعت واکنش هیدرولیز اوره بهره میگیرند7] و8 و.[9 اخیرا دانش فنی روش نوین تزریق بیولوژیکی که دارای کارآیی بالایی می باشد توسط نویسندگان مقاله بنام دانشگاه صنعتی سهند تبریز به ثبت رسیده است
در این تحقیق به بررسی کاربردی نوین از خاک های بهسازی شده به روش بیولوژیک در پایدارسازی شیروانی های خاکی پرداخته شده است.
2. اصول تئوری حاکم
در تعیین ضریب اطمینان پایداری شیروانی های خاکی در نرم افزار slope/w از روش تعادل حدی استفاده شده است. چهارچوب کلی این روش ها با وجود تفاوت و اختلاف در روند تحلیل و نتایج به دست آمده یکسان بوده و مبنای نظری آن ها استفاده از قطعههای عمودی برش خورده از سطح لغزش شیروانی میباشد. که هر روش با توجه به فرضیه ها و اصول کلی خود به تحلیل پایداری قطعهها بر اساس تعادل گشتاور و نیرو و همچنین چگونگی تاثیر نیروهای افقی - برشی - و قائم در روند محاسبات میپردازد.
1.2 روش عمومی تعادل حدی
تعادل حدی عمومی در سطح لغزش، یک روش کلی است که بیشتر فرضیات استفاده شده در روش های مختلف را داراست و میتواند سطوح لغزش دایره ای و غیر دایره ای را مدل کند. در این روش سطح لغزش شیروانی با استفاده از برش های قائم به یک سری قطعات عمودی تقسیم شده و تعادل و پایداری هر قطعه بر اساس نیروی وزن و نیروهای وارد بر قطعه، اهم از نیروهای بین قطعات و گشتاور آنها تامین می گردد. از رابطه 1 و 2 ضرایب اطمینان بر اساس تعادل نیرو ها و گشتاور در این روش محاسبه میشود.
که در آن : چسبندگی موثر ذرات خاک، زاویه اصطکاک موثر خاک، فشار آب حفره ای، نیروی قائم، وزن قطعه، بار خطی، α شیب قطعه، و سایر مجهولات نظیر β، و Rنیز پارامتر های هندسی هستند که بر اساس نحوه برش هر قطعه از سطح لغزش شیروانی تعیین می شوند.
در این روش استفاده از تاثیر نیروهای برشی در تحلیل پایداری شیروانی در واقع بر گرفته از روش مورگنسترین- پرایس است که به صورت رابطه 3 بیان شده است:
که در آن X نیروی برشی وارد بر قطعه، E نیروی قائم قطعه، درصد شیب نیروی برآیند قطعه و f - x - نیز تابع نیروهاست که میتواند مقادیری بین 0 و 1 اختیار کند. مفهوم با توجه به شکل 1 بیان می گردد. در این شکل منحنی فوقانی نشان دهنده تابع نیروی حالت تئوری و منحنی پایینی نشان دهنده تابع نیروی واقعی است. نسبت این دو منحنی نامیده می شود.
شکل -1 نمودار تغییرات تابع نیرو در یک شیروانی
2.2 روش ساده شده بیشاپ
این روش مبتنی بر تعادل گشتاور بوده که بر اساس آن از تاثیر نیروهای قائم در تحلیل پایداری قطعه استفاده شده ولی از تاثیر نیروهای افقی - برشی - در تحلیل پایداری صرف نطر میگردد. طبق رابطه 3 برای تامین شرایط روش ساده شده بیشاپ - عدم تاثیر نیروهای افقی یا برشی - لازم است مقدار برابر صفر باشد.
3.2 روش ساده شده جانبو
این روش مشابه روش ساده شده بیشاپ است با این تفاوت که در این روش تنها تعادل نیروهای قطعه مد نظر قرار گرفته و تعادل گشتاور ملاک تحلیل پایداری قطعه نیست. با صرفنظر نمودن از تاثیر نیروهای برشی قطعه، مقدار برابر صفر در نظر گرفته می شود.
4.2 روش مرگنسترن پرایس
این روش بر اساس دو مدل ضریب اطمینان، یکی بر اساس تعادل گشتاور و دیگری بر اساس تعادل نیروهای وارد بر قطعه بیان شده است. در این روش از توابع f - x - متنوعی می توان در محاسبات تعادل پایداری شیروانی خاکی بهره گرفت. شکل 2 نمونه ای از ضرایب اطمینان را برای روش های ذکر شده در مقابل نشان می دهد.
شکل -2 مقایسه ضرایب اطمینان بیشاپ، جانبو و مورگنسترن- پرایس در مقابل
5.2 اساس روش یهسازی بیولوژیک
روش بهسازی خاک به روش بیولوژیکی - MICP - از سه مرحله کلی تشکیل میشود:
1. هیدرولیز اوره توسط فعالیت اوره آز میکرواورگانیزم ها و تشکیل آمونیوم و یون کربنات
2. انجام واکنش میان یون کربنات و یون کلسیم و رسوب بلورهای کربنات کلسیم
3. اتصال دانه های ماسه توسط کربنات کلسیم. کریستالهای کربنات کلسیم با تشکیل پل منسجم بین دانه های شن و ماسه موجود، باعث افزایش مقاومت و سختی شن و ماسه میگردد
در این پژوهش سعی بر آن است که با توجه به این خاصیت ایجاد شده، تاثیر مکانیزم به وجود آمده را در افزایش مقاومت خاکهای بهسازی شده و استفاده از آنها به عنوان نوعی مسلح کننده در پایدارسازی شیروانی های خاکی مورد بررسی قرار داد.
