تحلیل پایدارسازی ترانشهها با استفاده از ژئوگریدها
از دیرباز تلاشهای متعددی به منظور غلبه بر ضعف کششی خاک انجام گرفته است. استفاده از یک عنصر (جسم) کششی به منظور بهبود مقاومت خاک از مدتها قبل به کار گرفته شده به طوری که بیش از سه هزار سال پیش، بابلیان در ساخت زیگوراتها از خاک مسلح استفاده کردهاند. همچنین استفاده از ترکیب خاک و کاه به عنوان مصالح ساختمانی در ایران نیز متداول بوده است. نخستین ترانشه از خاک مسلح به ارتفاع پنج متر ساخته شد.
در اواخر دهه ۷۰ میلادی استفاده از مصالح با قابلیت کشسانی، نظیر ژئوتکستایل که پیش از آن جهت جداسازی و فیلتراسیون استفاده میشد، به عنوان مصالح تسلیح کننده معمول شد. پارچههای پلیمری یا مصنوعی مانند ژئوتکستایل و ژئوگرید به دلیل سختی نسبتاً کم، از نظر تغییر شکلپذیری با خاک سازگارتر هستند. علاوه بر این، پارچهها تراوا و مقاوم در برابر خوردگی هستند و بعضی از آنها در برابر پوسیدگی، حملات باکتریها و اسیدها پایدار بوده و غیرسمی نیز هستند.
معرفی ژئو گریدها
ژئوگریدها یکی از انواع مصالح ژئوسنتتیک (یعنی مصالحی از جنس پلیمر که با اهداف مسلح سازی، جداسازی، فیلتراسیون و… در مجاورت و تعامل با سازههای خاکی و سنگی به کار برده میشوند) هستند. معمولاً به منظور تقویت استفاده میشوند و شامل شبکه ایاز اجزای کششی هستند که اندازهی چشمههای آنها به صورتی است که بتواند با مصالح اطراف قفل و بست ایجاد کند. این مصالح دارای ساختاری صفحهای هستند، یعنی از المانهای کششی که به صورت طولی و عرضی قرار گرفتهاند و در نقاط فصل همدیگر را قطع کرده و ایجاد شبکه با اشکال و اندازههای متفاوت منمایند، تشکیل شده یافتهاند. انواع مختلف ژئوگرید را میتوان با توجه به مواد تشکیل دهنده و نحوه تولید دسته بندی کرد. مواد اولیهای که در تولید ژئوگریدها بکار میروند عمدتاً پلیمر هستند. انواع پلیمرهایی که در تولید ژئوگرید بکار میرود به همراه توضیح مختصری راجع به خواص و برخی از مزایا و نقاط ضعف استفاده از آنها، به شرح زیر است.
پلی پروپیلن (PP)
ارزانترین نوع پلیمر در ساخت ژئوگریدها بوده و کمترین میزان مقاومت پس از خزش را در بین انواع پلیمرها را دارد. مقاومت این نوع ژئوگریدها پس از خزش به کمتر از یک سوم ۳۰/۷ % کاهش پیدا می کند.
پلی اتیلن (PE)
این نوع پلیمرها جهت تولید ژئوگرید نسبت به پلیمرهای دسته اول از مطلوبیت بیشتری برخوردارند و مقاومت خزش آنها ۳۶ درصد مقاومت نهایی آن است و در انواع محیطهای شیمیائی قابل استفاده هستند اما به دلیل ساختار خشک و غیر منعطفی که دارند باید جهت اتصال آنها به بلوک بتنی مدولار، تمهیدات خاصی در نظر گرفت.
پلی استر (PET)
این نوع پلیمرها کمترین کاهش مقاومت در اثر خزش را دارد و مقاومت آن پس از خزش به ۶۳/۵٪ مقاومت نهائی میرسد. از آنجا که پلی استر در محیطهای قلیایی دارای دوام مناسبی نیست، ژئوگریدهای پلی استری معمولاً با روکشی از جنس پلی پروپیلن یا دیگر پلیمرهای مقاوم در شرایط خاص شیمیایی ارائه میشوند. با این حال استفاده از ژئوگریدهای پلی استری در محیطهای قلیایی توصیه نمیشود.
آرامید
پلیمرهائی گران قیمت با درصد کرنش خیلی پایین (به ترتیب ۵ و ۲ درصد) هستند و برای پروژههای حساس از نقطه نظر جابجائی و نشست مثل کولههای باربر مورد استفاده قرار میگیرند. ساختار تشکیل دهنده ژئوگریدها به نحوه تولید آنها باز میگردد، سه روش عمده برای تولید ژئوگریدها وجود دارد و بر این اساسژئوگریدها به سه دسته تقسیم میشوند.
ژئوگریدهای بافته شده
از بافته شدن الیاف پلی استر به همدیگر در شبکههای حدود ۲×۲ سانتیمتر یا ۳×۳ و پوشش آنها با پلیمر PVC ژئوگریدهای منعطف پلی استری ساخته میشوند. از مهمترین مزایای آن میتوان به کرنش پایین و مقاومت بالا در برابر خزش و اجرای آسان آن اشاره کرد. این نوع ژئوگریدها هم به روش مکانیکی و هم به روش اصطکاکی با بلوکها میتوانند اتصال برقرار کنند.
ژئوگریدهای تزریق
اکثر ژئوگریدهای پلی اتیلن و پلی پروپیلن به روش تزریقی یا اکسترودی تولید میشوند. محدودیت این نوعژئوگریدها این است که حتماً بایستی به روش مکانیکی با بلوکهایی اتصال پیدا کنند.
ژئوگریدهای اتصالی
نوع خاصی از ژئوگریدها هستند که بصورت تسمههای تزریقی در جهتهای طولی و عرضی روی هم قرار داده شده و از طریق اشعههای لیزری نوارهای طولی و عرضی به همدیگر اتصال پیدا میکنند. محدودیت این نوع ژئوگریدها مثل ژئوگریدهای ردیف (ب) عدم امکان اتصال آن به بلوک به روش اتصال اصطکاکی است. این نوع ژئوگریدها منعطف با مقاومت کششی بسیار بالا هستند که جهت تسلیح خاک به کار برده میشود.
ژئوگریدها از الیاف پلی استر با سختی بالا و خزش کم ساخته شده و با یک لایه محافظ پلیمری پوشش داده میشوند و در اندازه چشمههای مختلف و معمولاً با مقاومتهای بین ۱۰ کیلونیوتن الی ۱۵۰ کیلونیوتن تولید میشوند. عرض هر رول آن بطور معمول ۳/۷۸ متر تا ۵ متر و طول آن بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ متر بوده و در نتیجه همپوشانی لایهها به حداقل میرسد.
ژئوگریدها با جنس فایبرگلاس یک نوع با کیفیت بالاست که به عنوان تقویت کنندههای مهمی در جادهها مورد استفاده قرار میگیرند. این نوع از ژئوگرید با پوششی از پلی استر برای تقویت اسفالت سطحی، زیر اساس با خصوصیات کششی بالا به صورت ژئوگریدهای دو محوره استفاده میشود که دارای خصوصیات دیگری مثل مدول بالا، دوام دراز مدت و طویل شدگی کم هستند. همچنین این نوع ازژئوگرید در بستر سازی مسیر راه آهن، فرودگاه، و پایدارسازی شیب به کار میرود. از خصوصیات مهم دیگر این نوع از ژئوگرید میتوان به پایداری دما، پایداری شیمیایی و فیزیکی اشاره کرد.
میکروگریدهای لایه لایه از جنس پلی استر بافته شده ریز است که در آن سلولهای تشکیل دهنده شبکهها از هم فاصله مشخص و تعریف شدهای دارند. میکروگریدها، قفل شدگی بالایی را با خاک ایجاد میکنند و همچنین نفوذپذیری بالایی را نشان میدهند. این نوع از ژئوگریدها برای تقویت خاکهایی استفاده میشوند که وزن مخصوص بالایی دارند و برای استحکام بیشتر آنها احتیاج به یک پوشش اشباع با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی با دوام بالاست و این خصوصیت در میکروگریدها وجود دارد. دقت بافت دو سویه در میکروگریدها بسیار بالاست و در فاصله بین سلولهای شبکه، لایهای با جنس PVC قرار گرفته است. از مهمترین ویژگیهای این نوع ژئوگرید میتوان به تولید و نصب آسان آنها اشاره کرد. میکروگریدها یک نوع ژئوگرید دو محوره هستند که در هر دو محور آن مقاومت کششی برابر است. شکافهای کوچک میکروگرید میتواند یک نگهدارنده عالی برای بافتهای خاکی باشد همچنین نفوذ پذیری بالای این شبکهها عملکرد بهتر آنها را نسبت به استفاده از گیاهان برای پایدار سازی شیبها نشان میدهد.
مکانیسم عملکرد ژئوگریدها
واژه خاک مسلح، به مسلح کردن خاک به وسیله عناصر کششی نظیر میلگرد، تسمههای فولادی و یا ژئوسنتتیکها اطلاق میشود. سازههای خاک مسلح MSE شامل موارد متعددی از قبیل دیوارهای حائل، پایه پلها، دیوارهای ساحلی، خاکریزها و فونداسیونها هستند که در این میان دیوارهای حائل خاک مسلح دارای بیشترین کاربرد هستند. به طور کلی اجزای اصلی دیوارهای خاک مسلح را میتوان شامل سه بخش مجزا دانست.
خاکریز
خاک مورد استفاده در دیوارهای خاک مسلح جز در موارد خاصی دانهای است. به این منظور غالباً از مصالح درشت دانه با حداکثر ۱۵ درصد ریز دانه استفاده میشود.
المانهای مسلح کننده
مسلح کنندهها اغلب در دو نوع مختلف مسلح کنندههای غیر کششی و مسلح کنندههای کششی هستند. مسلح کنندههای غیر کششی اغلب به صورت تسمههای فولادی آجدار و یا شبکههای سیمی جوش خورده هستند.
منظور از غیر کششی بودن مسلح کننده این است که در مسلح کننده به علت سختی کششی زیاد، کشش قابل توجهای ایجاد نمیشود. این نوع مسلح کننده را در تمامی سازههای MSE میتوان بکار برد، ولی اغلب در سازههای نظیر پایه پلها که کنترل تغییر شکلها مهم است بکار میرود. مسلح کنندههای کششی یا ژئوسنتتیکها اغلب شامل ژئوگریدها و ژئوتکستایلهای بافته شده و بافته نشده هستند. این نوع مسلح کنندهها به
علت سختی کمی که نسبت به مسلح کنندههای فولادی دارد، تغییر شکلهای زیادتری از خود نشان میدهند.
صفحات نما
پوشش وجه جلو دیوار یا پوسته اغلب شامل، بلوکهای بتنی پیش ساخته، شبکههای سیمی و یا ژئوتکستایل است. المانهای پوسته برای حفظ ظاهر توده خاک مسلح، جلوگیری از فرسایش خاک موجود بین مسلح کنندهها و ریزش خاک انتهایی بکار میروند و عضو سازهای محسوب نشده و در پایداری دیوار خاک مسلح نقشی ندارند.
به طور کلی مزیت دیوارهای خاک مسلح نسبت به دیوارهای معمولی به شرح زیر است.
از لحاظ اقتصادی به خصوص در ارتفاعهای بیشتر از ۱۲ متر بسیار با صرفه خواهند بود. شکل پذیری همسان با خاک نسبت به مصالح بتنی بسیار بهتر است، چرا که بتن از مصالح ترد بوده و ترک خوردگی مطرح است.
ظرفیت استهلاک انرژی و نیرو که در خاک نسبت به سایر مصالح وجود دارد و در سازههای خاک مسلح به علت کنترل حرکت ذرات توسط تسمهها، ظرفیت استهلاک بالاتری به چشم میخورد. پایداری دیوارهای خاک مسلح به طور کلی شامل دو بخش پایداری داخلی و پایداری خارجی است. استفاده از ژئوگریدها در طراحی دیوارهای خاک مسلح مربوط به پایداری داخلی است. گسیختگی داخلی در دیوارهای خاک مسلح شامل موارد زیر است.
- پارهشدگی مسلح کنندهها
- بیرون کشیدگی مسلح کنندهها
- لغزش یک لایه از توده خاک مسلح نسبت به لایه دیگر (لغزش داخلی)
- گسیختگی اتصال مسلح کنندهها به پانلهای نما
طراحی، برآورد و پایداری داخلی دیوارهای خاک مسلح شامل موارد زیر است.
محل و حداکثر نیروی کششی تسمهها
بررسیهای تجربی زیادی در مورد توزیع نیروی کششی مسلح کنندهها، نشان میدهد که نیروی کششی مسلح کنندهها در نقاط اتصال مسلح کنندهها و نما بیشینه نیست، به طوری که مکان هندسی نقاط کششی بیشینه در پایین دیوار از پای نما میگذرد و در بالای دیوار به صورت قائم است. خط حداکثر نیروی کششی مسلح کنندهها دو منطقه را در توده خاک مسلح مشخص میکند، منطقه فعال که محدوده ما بین این خط و نما است و منطقه مقاوم که در پشت این خط قرار دارد. البته لازم به ذکر است که موقعیت این خط بر حسب نوع سازه، نوع بستر و نیروی وارده متغیر است. بعد از تعیین موقعیت حداکثر نیروی کششی مسلح کننده لازم است تا مقدار این نیرو را نیز مشخص کنیم، بدین منظور روشهای مختلفی وجود دارد که از آن جمله میتوان روش ثقلی، روش گوه، روش سختی اداره بزرگراههای فدرال آمریکا، روش توسعه یافته AASHTO و روش Ko-Stiffness را نام برد.
تغییر شکل جانبی ترانشه با مسلح کننده ژئوگرید و تسمه فولادی نشان داد حداکثر تغییر مکان افقی ترانشه مسلح شده با تسمههای فولادی در حدود ۵ میلیمتر بوده که به مراتب کمتر از تغییر مکان جانبی ترانشه مسلح شده با ژئوگرید است. این مسأله بدلیل آنست که تسمههای فولادی نسبت به ژئوگرید از سختی بسیار بالاتری برخوردار هستند.
توزیع کرنش در مسلح کنندهها (انتهای ساخت) نشان داد در مسلح کنندههای فولادی به دلیل سختی بالا کرنش مسلح کننده بمراتب کمتر از کرنش ژئوگرید است.
در بررسی توزیع کرنش مسلح کنندههای فولادی و ژئوگرید، بعد از اعمال بار نواری مشاهده میشود در مسلح کنندههای ژئوگرید و مخصوصاً در نیمه پایینی ترانشه، کرنش مسلح کننده در فاصلههای بیشتر از ۴ متر از پانلهای نما تقریباً صفر است. این مسأله بدلیل سطح تماس زیاد مسلح کنندههای ژئوگرید با خاک است.