بخشی از مقاله
مطالعه اثر شیرابه بر رفتار خاك جدارة محل دفن پسماندهاي شهر تهران (طرح فوکوکا١)
چکیده
امروزه مطالعات ژئوتکنیکی در بهسازي محلهاي دفن مواد زاید و در نتیجه مواد زاید جامد شهري اهمیت بسزایی دارد. یکــی از مـواردي کـه ایـن محلـها را از سـایر پروژهها متمایز میکند، تولید مایعی خطرناك و داراي خواصی چندگانه بنام شیرابه در این محلها میباشد. در این مقاله بخشی از مطالعــات انجـام گرفتـه بـر روي خـاك محل دفن فوکوکا (واقع در کهریزك تهران) تشریح شده است. محور اصلی مقاله بررسی اثر شیرابه بر روي پارامترهاي مقاومت مکانیکی خــاك و همچنیـن تفـاوت آن بـا آب، با استفاده از نتایج آزمایشهاي برش مستقیم و سه محوري است. هدف اصلی مقاله ارائه یک دیدگاه کلی دربارة ماهیت شیرابه و اثــرات آن بـر روي رفتـار خـاك و در نهایت در نظر گرفتن این نتایج در طراحی و اجراي بهینه محلهاي دفن مواد زاید جامد شهري براي مهندسین ژئوتکنیک است.
مقدمه
حفاظت از محیط زیست را میتوان در حفاظت سه عنصر اصلی آب، هوا و خاك خلاصه کرد و تمام بحثهاي مرتبط با محیط زیست را به این سه عنصــر ارتبـاط داد.
بحث دفع مواد زاید، چه خطرناك و چه غیر خطرناك٢، از جمله مواردي است که میتواند هر سه عنصر آب، هوا و خاك را در معرض خطر قرار دهد. تولید انــواع گازهـاي خطرناك حاصل از تجزیه مواد زاید موجب آلودگی هوا شده و خود مواد زاید و یا اثرات سوء ناشی از آنها (مانند تولید شیرابه) نیز میتواند به آلودگی خاك اطراف و آبهاي سطحی و زیرزمینی منجر شود. به همین دلیل یکی از بحثهاي داغ سالهاي اخیر در زمینه مهندسی محیط زیست و همچنین مهندسی ژئوتکنیک، موضوع دفن مواد زایـد بوده است.
از جمله مهمترین بخشهاي طراحی یک محل دفن، داشتن اطلاعات کافی از وضعیت ژنوتکنیکی خاك محل دفن است. به همیــن جـهت انجـام مجموعـه کـاملی از آزمایشهاي ژئوتکنیکی به صورت درجا یا آزمایشگاهی در قبل، در حین اجرا و بعد از ساخت، ضروري است.
معرفی اجمالی طرح فوکوکا
زبالههاي شهري کلان شهر تهران در تنها محل دفن زبالههاي این شهر واقع در کهریزك، در ١٥ کیلومتري محدوده قانونی شهر، دفــن میشـود. جنـس خـاك ایـن منطقه شنی-رسی و عمق آبهاي زیرزمینی در حدود ١٠٠ متر گزارش شده است. این محل با مساحت بیش از٤٠٠ هکتار از طریق یـک جـادة آسـفالتی و پـهن بـه شـهر متصل میشود.
روزانه در حدود ٧٠٠٠ تن زباله اعم از جامد، نیمه جامد و حتی مایع به مرکز دفن کهریزك وارد میشود که شامل زباله هاي خانگی، لجن و پســماند رفـت و روب و نظافت شهري، زباله هاي صنعتی و بیمارستانی میباشد (جهت اطلاعات بیشتر به منابع ١ و ٢ مراجعه شود).
اخیراً قسمتی از زباله حمل شده به کهریزك به طریق سطحی و نیمه هوازي با استفاده از روش ”فوکوکا“٣ دفن میگردد. اساس کار در این روش، کاهش گاز متــان از طریق نیمه هوازي کردن سیستم جمع آوري و برگشت شیرابه به تودة زباله است.
طرح فوکوکا در حقیقت یک نوع روش دفن سطحی است که داراي خصوصیات و مزایاي ویژهاي میباشد.
یکی از مزایاي بزرگ طرح فوکوکا کاهش تولید گاز متان و به جاي آن افزایش تولید گاز دياکسیدکربن میباشد. همچنین از دیگر مزایاي مهم طرح فوکوکا میتوان به کاهش حجم شیرابه تولیدي و همچنین اصلاح کیفیت شیرابه اشاره کرد. این مزایا بدلیل امکان نیمه هوازي بودن فرایند تجزیه میباشد.
در ایران با توجه به بالا بودن درصد مواد آلی در زایدات خانگی (حدود ٦٥ درصد) و در نتیجه بالا بودن حجم شیرابه و گاز تولیدي، به نظــر میرسـد طـرح فوکوکـا، بخصوص در نقاطی که سطح آب زیر زمینی بالاست (مثل شهرهاي شمالی و جنوبی کشور)، یک طرح قابل اجرا و مناسب باشد.
در مردادماه ١٣٧٧ این طرح در شکلی نمایشی در منطقهاي به وسعت ٢ هکتار اجرا گردیدکه البته بعدها با اضافه نمودن ٧ هکتار دیگر از شکل آزمایشی خارج و بـه عنوان یک محل دفن واقعی مورد استفاده قرار گرفت.
نمونه گیري
در بحث آزمایشهاي ژئوتکنیک، نمونهگیري اولین قدم و یکی از حساسترین و مهمترین بخشهاي انجام یک آزمایش میباشد.
با توجه به وضعیت نابسامان شیروانیها و خروج شیرابه از نقاط مختلف آن، بررسی پایداري کنونی طرح، از اولویت اول برخوردار بود. به همین جهت از نقاط مختلـف خاکریزهاي طرح نمونهگیري شد تا علاوه بر یافتن پارامترهاي برشی، مطالعاتی نیز روي خاك تحت اثر نفوذ شیرابه انجام گردد.
زمانی که نمونهگیري انجام شد از زمان بهره برداري پروژه تقریباﹰ سه سال گذشته بود و در این مدت شش خاکریز بر روي یکدیگر ساخته شده وخــاکریز ششـم نـیز چند ماهی بود که به صورت نیمه کاره رها شده بود و به نظر میرسید که دیگر عملیات دفنی در آن صورت نخواهد گرفت.
در زمان نمونهگیري بر اساس مشاهدات عینی این شش خاکریز از یکدیگر براحتی قابل تفکیک نبودند، بطوریکه فقط چهار خـاکریز بـر روي یکدیگـر قـابل تفکیـک بودند. سطح تراز شیرابه را میتوان با توجه به سطح خارجی و مرطوب خاکریز براحتی تشخیص داد. این خط تراز تقریباﹰ به شکل سراسري در طــول خـاکریز و تقریبـاﹰ در وسط خاکریزهاي ادغام شدة سوم و جهارم میباشد (شکل١). در همین منطقه بدلیل نفوذ شیرابه و بالا رفتن فشار منفذي، در خاك لغزشهاي موضعی٤ بوجود آمده اسـت که در بعضی نقاط با پیوستن تعدادي از آنها این لغزشهاي موضعی به عنوان یک عامل تهدید کنندة پایداري خود را مطرح میکنند (شکل٢).
براي بررسی اثر شیرابه روي خاك در زمانهاي مختلف، نمونهگیري از خاك جداره به سه دسته تقسیم بندي شد که عبارت بودند از خــاك غـیر آلـوده، خـاك نیمـه آلوده و خاك کاملاﹰ آلوده. خاك غیر آلوده همان خاکی است که تا کنون شیرابه به آن نرسیده است، خاك نیمه آلوده خاکی است که شیرابه بــه آن رسـیده و آنـرا کـاملاﹰ مرطوب کرده است. خاك کاملاﹰ آلوده نیز به خاکی میگوییم که از شیرابه اشباع شده و درطی مدت زمان زیادي که شیرابه روي آن اثر گذاشته است به صورت یک خـاك سیاه رنگ و لجنی در آمده است.
این سه خاك میتوانند به نحوي بیانگر اثر شیرابه روي خاك در زمان هاي مختلف باشند.
نمونههاي خاك به صورت دست خورده تهیه شد و نمونهگیري از ضلع شمالی طرح فوکوکا انجام گردید. نمونههاي گرفته شده از هر سه خاك در داخــل دو یـا سـه نایلون ضخیم ریخته شده و در نایلونها محکم بسته میشد. همچنین علاوه بر نمونهگیري، وزن مخصوص خاك نیز در محل و در چند نوبت مختلف اندازهگیري شد.
آزمایشهاي مقاومت برشی
آزمایشهاي مقاومت برشی انجام شده به شرح زیر میباشند:
آزمایشهاي برش مستقیم ١٠*١٠:
ـ روي خاك غیر آلوده با سرعت 2 mm/min
ـ روي خاك نیمه آلوده با سرعت 2 mm/min
ـ روي خاك کاملاﹰ آلوده با:
ـ سرعت 0.3mm/min
ـ سرعت 1 mm/min
ـ سرعت 2 mm/min
آزمایشهاي سه محوري:
ـ آزمایش UU روي خاك غیرآلودة اشباع با شیرابه
ـ آزمایش CU روي خاك غیرآلودة اشباع با شیرابه
ـ آزمایش CU روي خاك غیرآلودة اشباع با آب
ـ آزمایش CD روي خاك غیرآلودة خشک متراکم نشده
ـ آزمایش CD روي خاك غیرآلودة متراکم شده با رطوبت بهینه
بدلیل گستردگی مطلب، در ادامه به تشریح برخی از مهمترین دستاوردهاي حاصل از این آزمایشها خواهیم پرداخت.
آزمایشهاي برش مستقیم
آزمایشهاي برش بر روي سه نوع خاك مختلف انجام شد که عبارت بودند از خاك کاملاﹰ آلوده، نیمه آلوده و غیر آلوده. همچنین علاوه بر تنوع خاکها، شرایط دیگري نیز در آزمایشهاي برش بررسی شد که از آن جمله میتوان به سرعتهاي مختلف برش، بررسی تفاوت رفتار خاك اشباع با آب و اشباع با شیرابه، بررســی اثـر مـدت زمـان زهکشی و … اشاره کرد که به برخی از آنها در ادامه اشاره میگردد.
الف- بررسی اثر نفوذ شیرابه بر مقاومت برشی خاکریز طرح فوکوکا
همانطور که اشاره شد خاکریزهاي اجرا شده در طرح فوکوکا بدون ایجاد تراکم و فقط به صورت ریختن خاك اجرا شده بود و به همین دلیل در بسیاري از نقاط بدنه خاکریز، ترشدن بدنه بدلیل نفوذ شیرابه و حتی خروج شیرابه را میتوان مشاهده کرد. به منظور بررسی اثر نفوذ شیرابه بر پارامترهاي مقاومت برشی میتــوان سـه مقطـع زمانی را براي نفوذ شیرابه در نظر گرفت. مقطع اول زمانی است که خاك هنوز خشک است و شیرابه داخل آن نفوذ نکرده است. مقطع دوم هنگامیست کــه خـاك در اثـر نفوذ شیرابه کاملاً مرطوب شده و مقطع سوم نیز زمانیست که در دراز مدت شیرابه کاملاﹰ خاك را آلوده و به صورت لجن درآورده است. براي بررسی این سه مقطع زمــانی میتوان از سه نمونهاي که از خاك غیر آلوده، نیمه آلوده و کاملاﹰ آلوده تهیه شده کمک گرفت که در حقیقت هر یک بیانگر یکی از مقاطع زمانی فوق الذکر میباشند.
هر سه نمونه انتخاب شده تحت شرایط یکسان و تحت سرعت ٢ میلیمتر در دقیقه و شرایط عدم زهکشی آزمایش شدند.
با توجه به شکل ٣ میتوان مشاهده کرد در خاك نیمه آلوده نسبت به خاك غیر آلوده مقدار φ کمتر شده است و مقدار کمیمقدار C افزایــش یافتـه اسـت ولـی در مورد خاك آلوده با کاهش ناگهانی هر دو پارامتر φ و C مواجه هستیم به طوریکه مقدار φ به میزان تقریباﹰ ٨٠ درصد و میزان C نیز در حدود ٣٠ درصد نسبت به خــاك غیرآلوده کاهش مییابد. البته باید به این نکته توجه داشت که در این آزمایشها اجازة زهکشی به خاك داده نشده است.
ب- تفاوت اثر آب و شیرابه بر پارامترهاي برشی
در این مقایسه جهت بررسی تفاوت اثر شیرابه و آب برروي خاك، نتایج دو آزمایش انجام شده بررسی میگردد.
پس از انجام آزمایش زهکشی شده برروي خاك آلوده، با خشک کردن مقداري خاك آلوده و مخلوط کردن آن با آب آزمایش دوباره تکـرار شـد کـه نتـایج نـهایی را میتوان در نمودار شکل ٤ مشاهده کرد.
با توجه به نمودار مشاهده میشود که وجود شیرابه در خاك باعث افزایش چسبندگی در خاك و از طرف دیگر باعث کاهش زاویه اصطکاك داخلی خاك مــیگـردد.
همانطور که از شکل پیداست مقدار چسبندگی از ٧٧/٦ کیلو پاسکال براي خاك آغشته با آب به عدد ٧١/٢٤ کیلو پاسکال براي خاك آغشته با شیرابه رسیده و از طرفــی مقدار زاویه اصطکاك از ٧٦/٣٧ درجه به ٩٨/٢٤ درجه کاهش یافته است.
به نظر میرسد که این امر به علت اثرات شیمیایی شیرابه، که بیشتر برروي اجزاء ریزدانه خاك تأثیر میگذارد، اتفاق میافتد. این اثرات باعث میشوند کــه خـاك در درازمدت به شکل لجنی سیاه رنگ درآید که در نهایت باعث بالارفتن چسبندگی میگردد و همچنین دلیل کاهش زاویه اصطکــاك داخلـی را نـیز میتـوان بـه دو عـامل ارتباط داد؛ یکی همان اثر شیمیایی شیرابه بر روي بافت خاك و دیگري عامل لزجت شیرابه میباشد که با احاطه کردن دور دانه ها باعث کاهش درگــیري بیـن دانـه هـا (بخصوص دانه هاي درشت تر) شده و در نتیجه کاهش زاویه اصطکاك داخلی خاك را موجب میشود. البته باید توجه داشت که نتایج فوق مربوط به اثر شــیرابه بـه روي خاك محل دفن کهریزك (طرح فوکوکا) میباشد و مسلماﹰ خاکهاي مختلف ممکن است عکس العملهاي متفاوت و یا حتی رفتاري عکس خاك فوق از خود نشان دهنـد. از طرفی شیرابه تولیدي نیز، با توجه به نوع زباله، داراي ترکیبات متفاوتی خواهد بود و باید به این دو موضوع کاملاﹰ توجه داشت.
آزمایشهاي سه محوري
همانطور که قبلاﹰ اشاره شد، آزمایشهاي سه محوري در کنار برش مستقیم دو شیوة معمول و رایج جهت یافتن پارامترهاي مقـاومت برشـی میباشـند. در ایـن میـان آزمایشهاي سه محوري به لحاظ کارایی، نتایج بهتر و دقیق تري نسبت به آزمایشهاي برش مستقیم میدهد. همچنین با آزمایشهاي سه محوري میتوان فشــار منفـدي را نیز کنترل کرد که یکی از مزیتهاي اصلی این آزمایش نسبت به برش مستقیم میباشد.
لازم به ذکر است که کلیه آزمایشها با استفاده از نمونههاي استوانهاي با قطر ٤ و ارتفاع ٨ سانتیمتر و با سرعت یک میلیمتر بر دقیقه انجام گرفت.
آزمایشهاي سه محوري تحکیم یافته زهکشی نشده (CU)
الف- آزمایش خاك غیر متراکم غیرآلوده با آب
در این آزمایش آزمایش نمونهسازي خاك به هنگام ریختن در داخل غشاء به صورت لایه لایه و توسط یک قیف کاغذي انجام شــد و پـس از ریختـن هـر لایـه نـیز مقداري تراکم جزئی به نمونه داده شد. پس از ساخت نمونه و آماده سازي دستگاه، یکی از مهمترین مراحل آزمایش آغاز شد که این مرحله، مرحله اشــباع سـازي نمونـه میباشد. این مرحله از حساسترین مراحل آزمایش میباشد و اگر اشباع سازي نمونه به شکل مطلوبی صورت نگیرد، اندازهگیریهاي فشار منفــدي و در نتیجـه پارامترهـاي مقاومت برشی موثر بدست آمده نادرست خواهد بود. در اینجا دو پارامتر مهم A و B وجود دارند که بــه پارامترهـاي فشـار منفدي٥ معروفنـد پـارامتر B بـراي کنـترل اشباعیت نمونه پس از اعمال فشار جانبی (قبل از اعمال تنــش انحرافـی) محاسـبه میشـود و عبارتسـت از نسـبت تغیـیرات فشـار منفـدي بـه تغیـیرات فشـار جـانبی (B=∆U/∆σ3) که اگر این پارامتر یک و یا تقریباﹰ نزدیک به یک باشد بیانگر اشباع بودن نمونه میباشد. پارامتر A به هنگام اعمال تنش انحرافی محاسبه میگردد و به شکل زیر با پارامتر B مرتبط است:
∆U=B[∆σ3+A(∆σ1-∆σ3)]
که معادله فوق معادله مشهور اسکمپتون میباشد. مقدار پارامتر A به عوامل زیادي مانند کرنش، مقدار تنش جانبی، نرخ بیش تحکیم یافتگی، غــیر ایزوتـروپـی و براي رسهاي طبیعی، به دستخوردگی نمونه بسیار وابسته و حساس است .(Holtz and Covacs, 1996)
