بررسی قابلیت عملکرد تراوایی در سیستمu200aهای زهکش متشکل از ژئوتکستایل و خاک تحت اثر فشار

یکی از این مهمترین کاربردهای ژئوتکستایل ها در پروژههای عمرانی استفاده از آنها به عنوان سیستم زهکش و یا فیلتراسیون در مجاورت خاک میباشد. مزایای متعدد استفاده از این نوع مصالح و همچنین بررسی عوامل موثر بر عملکرد آنها همچون خواص تراوایی و یا فیلتراسیون مدتهاست که مورد توجه محققان بوده و تاکنون روش های مختلفی چه بصورت آزمایشگاهی و یا نظری جهت ارزیابی آنها ابداع و یا پیشنهاد شده است. یکی از مواردی که تاکنون کمتر مورد بررسی قرارگرفته، اثر تغییرات فشار بر عملکرد تراوایی سیستم ژئوتکستایل-خاک میباشد. در این مقاله نتایج تحقیقات آزمایشگاهی در رابطه با تاثیر فشار سربار بر مقدار تراوایی دو نمونه ژئوتکستایل بافته نشده در یک سیستم ژئوتکستایل-خاک ارائه شده است. بدین منظور یک سلول اندازهu200aگیری ویژه جهت آزمونu200aهای سنجش قابلیت تراوایی در سیستم خاک و ژئوتکستایل، طراحی و ساخته که به کمک آن اثر تغییر فشار سربار بر خواص هیدرولیکی سیستم اندازه گیری شده است. نتایج این تحقیق نشان میدهد با افزایش فشار سربار میزان نفوذپذیری سیستم زهکش به صورت غیر خطی تغییر پیدا خواهد کرد. همچنین مقایسه بین تراوایی دو نوع ژئوتکستایل در سیستم ژئوتکستایل خاک نشان داد که ضخامت ژئوتکستایل اثر قابل توجهی بر روی تراوایی خواهد داشت.

با توجه به گسترش روز افزون کاربرد مصالح ساختگی در مهندسی عمران، کاربرد این مصالح در سدهای خاکی، ایجاد زهکشی و فیلتراسیون اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. مصالح ژئوتکستایل به عنوان صفحاتی نفوذپذیر، از الیاف با جنس پلی پروپیلن و یا پلی استر به دو صورت بافته شده و بافته نشده ساخته می شوند. به طور کلی، از ژئوتکستایل های بافته شده اغلب به منظور تسلیح در سازه های ژئوتکنیکی مورد استفاده قرار داده می شوند. محصولات ژئوسنتتیک بافته نشده از کنار هم قرار گرفتن الیاف به صورت شیمیایی، سوزن کاری و یا حرارتی ساخته می شوند و صفحه های یکپارچه ای را به منظور استفاده در پروژه های مختلف عمرانی به ویژه به منظور زهکشی و صافی کردن، پدید می آورند.

در سازه های ژئوتکنیکی، به ویژه سازه های خاکی که در ارتباط با جریان آب می باشند، ممکن است خسارت های زیادی در اثر حمل ذرات خاک توسط آب به وجود آید. پدیده هایی نظیر تراوش و فرسایش خاک میتواند سازه به مرور زمان دچار آسیب کرده و در برخی مواقع آثار جبران ناپذیری برجای گذارد. پدیده گرفتگی در ژئوتکستایل ها نیز می تواند سبب ایجاد اضافه فشار آب شود. عدم کنترل اضافه فشار آب ایحاد شده در سازه هایی از قبیل کانال ها، سدها، زهکش های ساخته شده در زیر اساس راه ها و سازه های ساحلی مانند اسکله ها و موج شکن ها می تواند باعث کاهش پایداری و ایجاد خسارت شود.

ژئوتکستایل ها به عنوان فیلتر به منظور صافی کردن و جلوگیری از فرسایش خاک برای اولین بار در سال 1950 در فلوریدای آمریکا مورد استفاده واقع شدند با پیشرفت تولید مواد پلیمری و افزایش ساخت ژئوسنتتیک ها، استفاده از این مصالح به منظور جلوگیری از فرسایش و حفاظت شیب ها گسترش یافته و معیارهای فنی طراحی و استفاده از آنها در سال 1977 توسط انجمن مهندسان ارتش آمریکا ارائه گردید . ژئوسنتتیک ها را می توان به عنوان جایگزین مناسب مصالح دانه ای به منظور اجرای زهکشی ها و فیلتراسیون دانست. از مزایای این مصالح نسبت به مصالح دانه ای می توان به صرفه اقتصادی، سرعت بالا در اجرا، مقاوت کششی مناسب، حمل و نقل آسان، مقاومت دراز مدت در برابر فرسایش فیزیکی و شیمیایی و در نهایت عملکرد بهتر در مقابل شستگی و حرکت ریزدانه های موجود در انبوه خاک اشاره نمود

چگونگی عملکرد سیستمهای خاک -ژئوتکستایل به عنوان زهکش و صافی، به شرایط سربار و همچنین شرایط مرزی بستگی دارد. تراوایی سیستم های ترکیبی خاک -ژئوتکستایل را می توان به دو صورت عبوردهی به صورت درون صفحه ای و در راستای صفحه قرارگیری ژئوتکستایل و نفوذپذیری در راستای قائم بر جهت قرارگیری لایه ژئوتکستایل بررسی نمود. آزمایش های مختلفی به منظور سنجش عبوردهی و نفوذپذیری طراحی و معرفی شده است که در آنها اثر سربار و همچنین جنس مصالح قرار گرفته در مجاورت ژئوتکستایل ها مورد مطالعه واقع شده است. پژوهش های پیشین نشان داده است که نفوذپذیری تحت اثر اعمال فشار دستخوش کاهش می شود. همچنین در مواردی به منظور مقایسه، از مصالح شنی و گوی های فلزی در مجاورت ژئوتکستایل استفاده شده است. نتایج نشان داده است که مقدار کرنش سطحی ایجاد شده در ژئوتکستایل می تواند بر نفوذپذیری موثر باشد. حتی این پارامتر می تواند تا مرز ایجاد پارگی های موضعی نیز پیش رود که خود سبب افزایش نفوذپذیری سیستم می گردد.از پژوهش های دیگر می توان به بررسی عملکرد هیدرولیکی ژئوتکستایل ها اشاره نمود که تغییرات شیب هیدرولیکی به عنوان عاملی موثر معرفی شده است همچنین می توان به بررسی های انجام شده به منظور شناخت رفتار حرکت ذرات به داخل ژئوتکستایل تحت بارگذاری چرخه ای اشاره نمود یکی از اصلی ترین مشکلات فیلترها و پوشش های ژئوتکستایلی، انسداد و گرفتگی آنهاست، هنگامی که صافی دچار گرفتگی شود، با گذشت زمان گرفتگی ایجاد شده در لایه گسترش یافته و تعمیر و بازسازی آن در بسیاری از موارد بسیار دشوار بوده و نیاز به احداث کلی و یا موضعی مجدد می باشد. که مستلزم صرف هزینه های بسیار زیاد خواهد بود . انسداد در ژئوتکستایل ها به مفهوم کاهش نفوذپذیری در اثر حرکت ذرات خاک و رسوب مواد آلی در میان بازشدگی های لایه می باشد که به بسته شدن خلل و فرج آن می انجامد. علاوه بر انسداد به صورت فیزیکی، پدیده می تواند منشأ بیولوژیکی و شیمیایی نیز داشته باشد با توجه به موضوعات مطرح شده برای طراحی و اجرای دقیق تر محصولات ژئوتکستایل به عنوان زهکش و صافی نیاز به بررسی و شبیه سازی شرایط منطبق بر پروژه هدف میباشد. چرا که در هر پروژه، شرایط مرزی و فشارهای وارد بر سیستم متفاوت از دیگری میباشد. هرچند رفتار کلی و شرایطی مانند اثر اندازه دانه ها و روزنه های موجود در ژئوتکستایل به صورت نسبی یکسان با یکدیگر می باشند. لذا ارزش پژوهش های آزمایشگاهی در این زمینه به معرفی رفتار و تفاوت های موجود در ژئوتکستایل ها و شرایط مرزی آنها می باشد. انسداد (گرفتگی)ایجاد شده در اثر عبور ذرات از ژئوتکستایل می تواند ساز و کارهای متفاوتی داشته باشد. به علت افزایش فشار آب حفره ای در محل لایه ژئوتکستایل، پدیده بلندشدگی امکان رخدادن دارد. همچنین پدیده ول شدگی (آویخته شدن) سبب ایجاد جداشدگی بین ژئوتکستایل و خاک مورد نظر می شود. این پدیده به ویژه هنگامی که چند لایه ژئوتکستایل بر روی هم قرار گرفته اند، احتمال وقوع بیشتری دارد که بر اثر تغییر متناوب شیب هیدرولیکی در مجموعه خاک-ژئوتکستایل پدید می آید. در این تحقیق بررسی مقدار افزایش یا کاهش گرفتگی و تغییرات نفوذپذیری سیستم خاک ژئوتکستایل تحت اثر سربار مورد بررسی قرار داده شده است. در سیستم مورد مطالعه در این پژوهش، ژئوتکستایل به عنوان یک لایه صافی، مانعی برای عبور ذرات خاک ایجاد میکند؛ این در حالی است که در جریان آب از ژئوتکستایل عبور می کند.

دستگاه و مصالح مورد استفاده

همان طور که پیشتر اشاره شد، از ژئوتکستایلها به منظور زهکشی و همچنین صافی کردن (فیلتراسیون) می توان استفاده نمود. لذا می توان از طریق آزمایش های جداگانه ای عملکرد تراوایی به صورت درون صفحه ای (عبوردهی) و به صورت عمود بر راستای صفحه ای قرارگیری ژئوتکستایل (نفوذپذیری) را مورد بررسی قرار داد. در آزمون های انجام شده با هدف سنجش مقدار عبوردهی در کاربرد زهکشی ژئوتکستایل ها، لازم است آب در راستای صفحه ژئوتکستایل از آن عبور داده شود تا مقدار تراوایی درون صفحه ای یا همان عبوردهی مشخص گردد. از میان روش های متعددی که به منظور تعیین گرفتگی و بررسی مقدار نفوذپذیری (عبور جریان در راستای عمود بر صفحه قرارگیری ژئوتکستایل) سیستم های خاک-ژئوتکستایل استفاده می شود، می توان به آزمایش جریان بلند مدت اشاره کرد. روش آزمایش بدین ترتیب است که پس از نمونه برداری از محل خاک مورد نظر، بر روی نمونه ژئوتکستایل در درون استوانه آزمایش قرار داده می شود. سپس، مجموعه تحت یک جریان بلند مدت با اختلاف فشار آب ثابت قرار گرفته و تغییرات ایجاد شده در مقدار خروج آب بر واحد زمان (دبی) مورد بررسی قرار می گیرد. زمان انجام آزمایش ها برای خاک های دانه ای به صورت تقریبی 10 ساعت و برای خاکه ای ریزدانه تا 200 ساعت نیز به طول می انجامد. به منظور تعیین مقدار نفوذپذیری و ایجاد جریان با فشار ثابت، دستگاهی بر اساس معیارهای ذکر شده در استاندارد ASTM D5101-12 ساخته شده است تفاوت دستگاه ساخته شده و آنچه در استاندارد آمده است، در استفاده از یک پیستون می باشد که با هدف اعمال فشار بر روی نمونه تعبیه شده است. این پیستون، از یک صفحه صلب بر روی سطح سیستم خاک-ژئوتکستایل تشکیل شده که در محل اتصال به کلاهک استوانه، به خوبی آببندی شده است. همچنین برای ایجاد شرایط یکسان در همه آزمون ها، از گوی های فولادی ضد زنگ با قطر 5/ 1 سانتیمتر جهت شبیه سازی بستر زیرین ژئوتکستایل با شرایط واقعی مطابق معیار 12 - ASTM D5101 ، استفاده شده است. در شکل ذیل تصویر دستگاه مورد استفاده، نشان داده شده است.

به طور کلی میتوان گفت در سیستم خاک-ژئوتکستایل G1 ، با افزایش فشار از صفر تا 50 کیلوپاسکال، در شیب هیدرولیکی یک خروجی اولیه آب به مقدار 4 درصد و خروجی نهایی آب 9 درصد کاهش می یابد. بعلاوه، با افزایش فشار از 50 تا 200 کیلوپاسکال دبی خروجی اولیه 11 درصد و دبی خروجی نهایی 5/ 11 درصد نسبت به حالت تنش صفر افزایش یافته است. در شیب هیدرولیکی پنج، با افزایش فشار از صفر تا 50 کیلوپاسکال، خروجی اولیه آب به مقدار 1/ 5 درصد و خروجی نهایی آب 6/ 8 درصد کاهش می یابد. همچنین با افزایش فشار از 50 تا 200 کیلوپاسکال، دبی خروجی اولیه 11/7 درصد و دبی خروجی نهایی 2/ 11 درصد افزایش یافته است.

برای ژئوتکستایل G2 در شیب هیدرولیکی یک، با افزایش فشار از صفر تا 100 کیلوپاسکال مقدار جریان آب اولیه 16 درصد و جریان نهایی آب 36 درصد کاهش و با افزایش فشار تا 200 کیلوپاسکال، مقدار جریان آب اولیه 2/ 47 درصد و جریان نهایی آب 74 درصد کاهش یافته است. در شیب هیدرولیکی پنج، از فشار صفر تا 100 کیلوپاسکال، جریان آب اولیه 2/ 23 درصد و جریان نهایی آب 3/ 29 درصد کاهش و با افزایش فشار تا 200 کیلوپاسکال، مقدار جریان آب اولیه 8/ 58 درصد و جریان نهایی آب 5/ 75 درصد نسبت به حالت بدون تنش کاهش یافته است.

نتیجه گیری

در آزمایشهای انجام شده مشاهده می شود که تغییر در پارامترهایی مانند شیب هیدرولیکی و فشار اعمال شده، بر ثبات عملکرد فیلتر و نحوه رفتار سیستم خاک-ژئوتکستایل اثرگذار می باشد. در حالت کلی، می توان نتایج این پژوهش را در موارد زیر ارائه نمود. مقدار شاخص تغییر جریان در سیستم خاک-ژئوتکستایل G1 و G2 متفاوت است که این تفاوت را میتوان به صورت مستقیم به رخداد پدیده انسداد در این دو لایه مرتبط ساخت. بعلاوه، اثر شیب هیدرولیکی اعمال شده بر شاخص جریان، در هر دو سیستم مورد بررسی تقریباً یکسان می باشد. دلیل این تفاوت در رفتار دو لایهی ژئوتکستایل را میتوان ناشی از مقامت فشردگی و کششی ژئوتکستایل دانست. چرا که بر اثر اعمال فشار سربار، نمونه های ژئوتکستایل از نظر فیزیکی دچار تغییر در ضخامت شده و در نتیجه تغییر در مقدار پارامتر اندازه روزنهی مشخصه (AOS) می شوند. با توجه به افزایش فشار در سیستم خاک-ژئوتکستایل، افزایش تراکم ایجاد شده سبب کاهش مقدار نسبت تخلخل می شود. بنابراین، نسبت تخلخل در سیستم خاک-ژئوتکستایل G1 از فشار صفر تا 200 کیلوپاسکال حدود 5/ 9 درصد و در سیستم خاک-ژئوتکستایل G2 حدود 5/ 13 درصد کاهش می یابد. این موضوع را می توان به بالاتر بودن مقاومت فشردگی و کششی ژئوتکستایل G2 ، نسبت به G1 دانست که بر اثر افزایش فشار دچار فشردگی و کشیدگی کمتری نسبت به ژئوتکستایل G1 می شود. تفاوت در شیب هیدرولیکی نیز اثر متفاوتی بر مقدار نفوذپذیری سیستم خاک-ژئوتکستایل می گذارد. با افزایش آن به شیب هیدرولیکی پنج، مقدار گرفتگی اولیه افزایش یافته و گرفتگی در اثر گذشت زمان با آهنگ کندی کاهش یافته است. این در حالی است که در شیب هیدرولیکی یک، گرفتگی اولیه کمتر بوده و گرفتگی در طول مدت آزمایش رخ داده است. این عامل می تواند تحت تأثیر دو پارامتر مهم مقدار قدرت جریان آب که ذرات را جابجا می کند و همچنین نوع ذرات (از نظر جنس و نوع کانی ها که چقدر قابلیت جابجایی دارند) باشد. با توجه به قابلیت ژئوتکستایل ها در دو زمینه اصلی زهکشی ( قابلیت عبوردهی جریان آب) و صافی (قابلیت جلوگیری از عبور ذرات ریزدانه و معلق به عنوان فیلتر) در زمان طراحی لازم است به اولویت هر یک از این قابلیت ها و شرایط پیش روی طراح توجه شود. همانطور که در این آزمایش ها مشاهده می شود. ، ژئوتکستایل G1 و G2 تحت اثر فشارهای اعمال شده رفتارهای متفاوتی نشان داده اند. این تفاوت رفتار علاوه بر اثرپذیری از جنس دانه های تحتانی (که در این مطالعه گوی های فلزی در نظر گرفته شده اند) تابع تغییرات شیب هیدرولیکی نیز می باشد. لذا لازم است قبل از استفاده از ژئوتکستایل ها به منظور فراهم آوردن قابلیت صافی کردن و یا زهکشی، با توجه به شرایط پروژه آزمایش های نفوذپذیری انجام شوند تا از عملکرد و پایداری سیستم خاک-ژئوتکستایل استفاده شده اطمینان حاصل شود.

رضا ناطقی، عبدالحسین حداد

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران