مقاله کاربری ﮊئوتکستایل بعنوان فیلتر در سدهای خاکی

بخشی از مقاله

کاربری ﮊئوتکستایل بعنوان فیلتر در سدهای خاکی
چکیده :
فیلتر یک از اجزا مهم سازه های خاکی ایست که در ارتباط با جریان آب می باشند . هنگامی که جریان نشت از یک خاک با دانه های نسبتا ریز به مصالح درشت تر ( برای مثال مصالح زهکش ) وارد می شود ، ممکن است مصالح ریز دانه از جای خود حرکت کرده ، اولا باعث بروز ناپایداری در کل سازه گردیده و خطرآفرین باشند و ثانیا فضاهای خالی سیستم زهکش را پر کرده و در برابر حرکت آب ایجاد مانع کنند و در نتیجه باعث افزایش فشار هیدرواستاتیکی در سازه شوند . بدین جهت ایجاد چنین بخشی در سازه لازم خواهد بود . طی دهه های گذشته علاوه بر مصالح فیلتر دانه ای ، از مواد مصنوعی بنام ﮊئو تکستایل نیز استفاده شده است که خصوصیاتی نظیر مصالح دانه ای ( خاک ) دارند و از نظر مقاومت مکانیکی و شیمیایی در حد بالاتری قرار دارند . از این مواد در اکثر پروﮊه های ﮊئوتکنیکی چه در سطح جهانی و چه در کشور ما استفاده شده است و از اینرو نیاز به شناخت بهتر این مواد می باشد .
در این مقاله در مورد کاربرد های ﮊئوتکستایل در مهندسی به اختصار صحبت خواهد شد و سپس درباره خصوصیات فیلتری آن ، مبانی طراحی و کاربری اش در سدهای خاکی و سنگریزه ای بررسی خواهد شد .

کلمات اصلی و مهم :
فیلتر ، ﮊئوتکستایل ، ﮊئوسنتتیک ، زهکش ، تراوش(نشت)، فرسایش داخلی ( (piping و سد خاکی.

۱- فیلتر
۱-۱- تعریف
فیلتر مصالحی است حد واسط که در مرز بین دو لایه ای که به لحاظ توزیع دانه بندی متفاوت هستند ، قرار داده می شوند . نقش اصلی فیلتر جلوگیری از شسته شدن و حرکت مواد ریز دانه سازه خاکی می باشد و بدیهی است که کاربرد آن در جایی است که تحت اثر گرادیان هیدرولیکی می باشد .
۱-۲- عملکرد فیلتر

وقتی که جریان نشت از یک خاک با دانه های نسبتا ریز به مصالح درشت دانه تر ( مانند زهکش در پنجه سد خاکی) وارد می شود ، این خطر وجود دارد که ذرات ریز خاک به داخل مصالح درشت دانه تر شسته شوند . اگر این کار در یک مدت زمان طولانی انجام بگیرد ، ذرات ریز ممکن است تمام فضاهای بین مصالح درشت دانه را پر کرده و آن را مسدود نمایند . برای رفع چنین مشکلی ، بین دو لایه ریز و درشت از یک لایه فیلتر بعنوان محافظ استفاده می شود . فیلتر و زهکش اجازه می دهد تا جریان تراوش از خاک نسبت به زمانی که فیلتر وجود ندارد ، سریعتر خارج شود . بنا بر این مصالح فیلتر بایستی نسبت به خاک اساس ( خاک مورد حفاظت ) درشت دانه تر و با حفرات بازتری باشد . جریان تراوش از خاک ریز دانه به فیلتر ممکن است همراه با شسته شدن و حرکت ذرات ریز دانه خاک اساس به حفرات مصالح فیلتر باشد و این انتقال باعث به خطر افتادن سازه خاکی خواهد گردید . تخریب مذکور ممکن است بدلیل از دست رفتن و کمبود مصالح تراکم یافته باشد و یا اینکه ناشی از انسداد خلل و فرج فیلتر و بوجود آمدن فشار زیاد هیدرواستاتیک در پشت مصالح فیلتر باشد . بهر حال و به هر دلیل در اینصورت ایمنی سازه با خطر مواجه شده و سازه در طی زمان منهدم خواهد گردید . وجود فیلتر باعث طول عمر سازه با بروز کمترین خطر می گردد .
۱-۳- فیلتر در سدهای خاکی

در سدهای خاکی نیز وضع بهمین صورت است ؛ اگر بین لایه زهکش (سنگ ریزه ای ) و خاک اصلی در پنجه سد ، لایه فیلتر موجود نباشد ، ذرات ریز قسمت اصلی به سمت سنگریزه ها شسته شده و مسیر آن را مسدود می کنند و نتیجه آنکه سیستم زهکش سد از کار می افتد ونیز تدریجاﹰ مصالح سازنده بدنه به بیرون شسته شده و باعث خرابی و ضربات جبران ناپذیر می گردد . بنا براین باید برای اطمینان از وجود ایمنی سازه ، یک لایه فیلتر بین مصالح ریزدانه و درشت دانه قرار داده شود که البته می تواند بیش از یک لایه باشد و هر لایه نقش فیلتر را برای لایه زیرین بر عهده داشته باشد .

بدلیل استفاده بهینه از مواد و مصالح در سدهای خاکی مثل مصالح حاصل از حفاری ، امکان استفاده از منابع قرضه نزدیک به سایت و صرفه جویی در زمان و اطمینان برای پایداری و کنترل نشت در سدها ، اقدام به زون بندی در سدها می شود . مناطق مختلفی در زون بندی خاکریز سد مشخص می شود که هسته مرکزی ، پوسته ، فیلتر ، لایه محافظ بالادست و پایین دست از آن جمله است .

فیلتر در سدهای خاکی ممکن است در موقعیت های متعددی مورد نیاز باشد ، مانند جاهایی که زهکش های افقی ، عمودی و مایل وجود دارند یا در نزدیکی مجاری تخلیه ، در زیر سازه های کاهنده انرﮊی ، چاههای فشار شکن و در زیر پوشش ریپ رﭖ ؛ مهمترین خصوصیات این فیلترها عبارتند از دانه بندی چگالی متراکم مصالح و نفوذ پذیری .

تراکم نسبی مصالح فیلتر حداقل باید ۵۸% باشد و هیچ قسمتی یا بخشی از این مواد کمتر از ۰۸% تراکم نسبی نداشته باشد ؛ ونیز باید دانه بندی مصالح فیلتر آنگونه باشد که مصالح دچار بهم خوردن دانه بندی و جدایی دانه ها نشوند که در اینصورت خصوصیات مهندسی مصالح و از جمله نفوذ پذیری مصالح تغییر قابل توجهی خواهد نمود ؛ و برای جلوگیری از بروز ترکهای کششی در مصالح بایستی درصد مجاز ریزتر از اندازه #NO.200 بوسیله آزمایش های مختلف تعیین گردد .
۱-۴- انواع فیلتر

فیلترها به دو دسته کلی تقسیم می شوند :
الف مصالح دانه ای ؛ شن و ماسه دانه بندی شده بر طبق معیارهای طراحی فیلتر .
ب الیاف یا بافته هایی از جنس پلیمر مصنوعی . (Geotextiles )

۱-۵- محدوده طراحی فیلترهای دانه ای

برای جلوگیری از مشکلات و مسایلی که در بند های ۱-۲ و۱-۳ بیان گردید و طراحی دقیق و صحیح ، برای رسیدن به عملکرد مناسب مصالح فیلتر و زهکش ، محدوده هایی وجود دارد که طی سالها و با انجام آزمایش های متعدد بدست آمده اند . منابع مختلف بعضاﹰ محدوده هایی را پیشنهاد کرده اند که با اختلافات کوچکی همراه می باشند لیکن حاصل مطالعات مختلف بصورت زیر بوده است :

برای انتخاب مصالح فیلتر دو معیار کلی وجود دارد که لازم است برای هر فیلتر تامین گردد :

الف اندازه حفرات مصالح فیلتر باید بقدر کافی ریز باشد تا از شسته شدن خاک مورد حفاظت به داخل آن جلوگیری شود . ( (piping

ب مصالح فیلتر باید آنقدر نفوذ پذیر باشند ، تا از بوجود آمدن نیروهای نشت زیاد و فشار هیدرواستاتیک در مصالح جلوگیری شود.( (permeability

 بر طبق تحقیقات تجربی برترام (۰۴۹۱) دو محدوده زیر انتخاب و توصیه شده است :

piping

(1) D15(filter)/D85(soil)<= 4-5

permeability

(2) D15(filter)/D15(soil)>= 4-5

• و نیز اداره مهندسی ارتش آمریکا چنین توصیه می کند :

piping

(3) D15(filter)/D85(soil)< 5-63 (4) D15(filter)/D15(soil)< 20-404
(5) D50(filter)/D50(soil)< 25

٣ اگر CU=D60/D10<1.5 باشد حد بالایی تا ۶ افزایش می یابد .

٤ اگر CU=D60/D10>4 باشد حد بالایی تا ۰۴ افزایش می یابد .

۸۰۹

permeability

(6) D15(filter)/D15(soil )>4
ـ توضیح : منظور از Di قطری از مصالح دانه ایست که i% مصالح از آن ریزتر است .
ﻭ نیز اداره مهندسی ارتش آمریکا در تشریح محدوده های پیشنهادی می افزاید :
ـ مصالح فیلتر نباید از قطر 76mm بزرگتر باشد ( این دستورالعمل به منظور جلوگیری از جداشدگی دانه ها در فیلتر است)
ـ به منظور جلوگیری از فرسایش داخلی ذرات ریز فیلتر و تامین نفوذ پذیری کافی ، نباید میزان ریز دانه های ریزتر از الک شماره ۰۰۲ در مصالح فیلتر بزرگتر از ۵ % باشد .
با محدوده های تعیین شده می توان دانه بندی فیلتر و همچنان پوشش سنگ چینی و لایه ریپ رﭖ را نیز تعیین کرد به گونه ای که از شسته شدن خاک حفاظت شده به درون فیلتر و همچنین مصالح فیلتر به پاشنه سنگی جلوگیری شود . لازم به ذکر است که ضخامت لایه فیلتر باید بوسیله قانون دارسی تعیین شود .

۲- ﮊئوتکستایل
۲-۱- تعریف

ﮊئوتکستایل از انواع ﮊئوسنتتیک ها می باشد . در تعریف کلی ، ﮊئوسنتتیک ها منسوجات و یا پوششهای ساخته شده از الیاف نفتی هستند که خاصیت اصلی آنها فساد ناپذیری در مقابل عوامل مخرب درون خاک است

. لذا از این نظر کاربردهای فراوانی در مهندسی خاک و بهبود کیفیت خواص گوناگون خاک دارند . ﮊئوسنتتیک ها انواع گوناگونی نظیر ﮊئوتکستایل ، ﮊئوممبران ، ﮊئوگرید ، ﮊئومت و.… دارد که هریک بر حسب خاصیت کاربردهای مختلفی دارند . از این میان ﮊئوتکستایل بر مبنای خصوصیاتی که در مهندسی ﮊئوتکنیک دارد ، از دامنه کاربرد وسیعی برخوردار می باشد . ﮊئوتکستایل ها پوشش های عموماﹰ نفوذ پذیری می باشند که از الیاف مصنوعی بدست آمده اند و این الیاف از مشتقات نفت خام نظیر پلی استر ، پلی اتیلن ، پلی پروپیلن و بعضی از مواقع از فایبر گلاس ساخته می شوند . گفتنی است که ساخت این منسوجات از مواد طبیعی به دلیل فساد پذیر بودن آنها امکان پذیر نیست . ﮊئوتکستایل ها می توانند به صورت بافته شده و یا بافته نشده باشند ، ﮊئوتکستایل های بافته شده می توانند همانند پارچه از بافته شدن دو سری نخ موازی عمود بر هم و یا همانند کاموابافی از درهم رفتن حلقه های نخ ساخته شوند . در ﮊئوتکستایل های بافته نشده الیاف به صورت اتفاقی در کنار یکدیگر قرار گرفته و به کمک مواد شیمیایی ، حرارت و یا بصورت مکانیکی با یکدیگر یکپارچه می شوند .
۲-۲- انواع ﮊئوتکستایل

همانطور که اشاره گردید ، ﮊئوتکستایل بر دو نوع بافته شده wovens و بافته نشده non-wovens می باشد . و ویژگی آنها در مقابل خاک ، خاصیت جدا کنندگی و فیلتریزاسیون می باشد . همچنین در حفاظت از وقوع فرسایش و دربرابر جریانهای متلاطم کاربرد فراوانی دارند .
۲-۳- کاربرد ﮊئوتکستایل در مهندسی
۲-۳-۱- زهکشی : آب زیرزمینی در روی ﮊئوتکستایل به خوبی جریان پیدا کرده و می تواند به

سمت نقاط خروچی هدایت شود .

۲-۳-۲- فیلتریزاسیون : در صورتی که لایه ﮊئوتکستایل نفوذپذیر بین دولایه خاک دانه ای درشت و ریز قرار گیرد ، زهکشی به راحتی از لایه ریز به لایه درشت انجام شده و از نفوذ دانه های ریز به لایه درشت جلوگیری می شود .

۲-۳-۳- جداسازی : با استفاده از ﮊئوتکستایل می توان لایه های مختلف خاک را از هم جدا کرد ؛ به عنوان مثال در احداث شاهراه ها ، بستر رسی را می توان به کمک ﮊئوتکستایل از زیر اساس شنی جدا نمود .
۲-۳-۴- تسلیح : مقاومت کششی زیاد ﮊئوتکستایل باعث افزایش ظرفیت باربری زمین می شود .
۲-۴- کاربری ﮊئوتکستایل به عنوان فیلتر

بدلیل برتری از نظر اجرا ، بهینه بودن از نظر اقتصادی و داشتن خصوصیات مناسب و کاربری آسان این مواد با کاربرد موفقیت آمیزشان در بسیاری از پروﮊه های زهکشی و ﮊئوتکنیکی جای فیلترهای دانه بندی شده را گرفته اند ، بنا براین ، مواد ﮊئوتکستایل بایستی رفتار و کارکردی مشابه فیلترهای دانه ای داشته باشند :

• اجازه عبور آب اضافی و هدایت آن به سمت زهکش ها و ادامه این کار در طول مدت بهره برداری .

• نگهداری ذرات خاک در محل خود و جلوگیری از بروز پدیده فرسایش داخلی ( . (piping

• ﮊئوتکستایل نیز بمانند فیلترهای دانه بندی شده نیاز به طراحی و درنظر گرفتن یک سری خواص مهندسی دارد و در غیر اینصورت نمی تواند بعنوان یک سیستم کارآ عمل نماید .

• از جمله مزایایی که ﮊئوتکستایل دارد می توان به ساخت و نصب سریع ، صرفه اقتصادی ، مقاومت شیمیایی ، دوام زیاد ، عدم وجود جدایش بین دانه ها که در فیلترهای دانه ای در حین ساخت بوجود می آید و کاهش میزان حفاری اشاره کرد .

• در مقایسه با مصالح فیلتری نامناسب مثل دانه های با توزیع دانه بندی ناپیوسته (Gap-Graded) یا دانه بندی خارج از محدوده ( Broad-Graded) که برای فیلتر نامناسب است و استفاده از آن قطعاﹰ

اثرات نامناسبی را از نظر پدیده فرسایش داخلی (piping) و بوجود آمدن فشار هیدرولیکی ایجاد خواهد کرد ، ﮊئوتکستایل به مراتب بهتر می تواند ایفای نقش کند .

• درشرایط ویژه مثل خاک های واگرا ، بروز ترکها و شرایط اشباع ﮊئوتکستایل بهتر عمل می کند .

• ضخامت لایه ﮊئوتکستایل نسبت به لایه مصالح دانه ای خیلی کوچکتر است و این امر از نظراقتصادی

ﻭ اجرایی حائز اهمیت می باشد .
۲-۵- طراحی فیلتر ﮊئوتکستایل

طراحی ﮊئوتکستایل به همان اندازه ضروری است که طراحی فیلترهای دانه ای . ﮊئوتکستایل از نظر ساختمانی بسیار شبیه به ساختمان خاک است و بطور مشابه ، فضاهای خالی خاک (pores) و ذرات خاک ( (fabrics در ﮊئوتکستایل وجود