نویسند‌گان: حامد نائی، بابک كرم بارنگی
خلاصه:
ژئوتكستایل ها صفحاتی نازك، قابل انعطاف و نفوذ پذیری هستند كه از الیاف (رشته) مضوعی ساخته شده اند و برای بهبود رفتار خاك در رابطه با مهندسی عمران به كار گرفته می شوند. در صورت طراحی و بكارگیری مناسب این محصول، ژئوتكستایل ها می توانند در موارد فیلتراسیون، زهكشی، جداسازی و تقویت خاك كاربرد داشته باشند. ژئوتكستایل ها می توانند به نحوی طراحی و نصب گردند كه همزمان در چند مورد از موارد فوق مورد استفاده قرار گیرند. در این مقاله موارد استفاده ژئوتكستایل ها در امور ساختمانی از جمله جداسازی، فلیتر كردن، زهكشی، تقویت و تحكیم و راهسازی بررسی و تشریح می شود.
واژه های كلیدی: ترموپلاستیك، ژئوتکستایل بافته، ژئوتکستایل نبافته، ژئوگرید
١- مقدمه
ترموپلاستیك ماده خام ژئوتكستایل ها می باشند كه خود یك ماده آلی تركیبی كربن می باشد. خاصیت اصلی ترموپلاستیك ها بستگی به ساختمان، مواد افزودنی و نحوه تهیه آنها دارد. از پلیمرازاسیون مولكولهای این ماده پلیمرهای مختلفی تهیه می گردد كه از میان آنها پلی پروپیلن، پلی استر، پلی آمیدها واولفین ها به صورت الیاف برای ساخت ژئوتكستایلها به كار می روند، كه با توجه نحوه تهیه ژئوتكستایل ها عموماً به صورت بافته، نبافته و ژئوگریدها می باشند.
بافته ها از رشته های نخ یا الیافی كه به صورت عمود، مانند زنجیر در هم فرو رفته اند تشكیل می شوند و الیاف بافته ها به صورت رشته های منفرد یا رشته هایی كه به هم بافته شده اند می باشند. اندازه های چشمه های بافته از یك دهم میلیمتر تا یك سانتیمتر متغیر است. بافته ها به صورت نوار باریكی به عرض ٢تا ٣ میلیمتر می باشند كه مانند حصیر بافته شده اند.
نبافته ها به علت شكل خارجی كه دارند اغلب نمد نامیده می شوند و به صورت صفحاتی از تارهای نخ كه به صورت غیر منظم بهم اتصال یافته اند تشكیل شده اند. این اتصال به صورت حرارتی، مكانیكی وشیمیایی صورت می پذیرد. وزن نبافته ها در واحد سطح برحسب كیفیت آنها بین ١٠٠ تا ٦٠٠ گرم می باشد.
مشخصه ژئوگریدها (شبكه های زمینی) اندازه بزرگ منفذ آنهاست بعضی از این شبكه های زمینی با سوراخ كردن ورقه ها و سپس كشیدن آنها تهیه می شوند تا مولكول های پلیمر در یك ردیف قرار گیرند. انواع دیگر ژئوگریدها با به هم جوش دادن تارهای جهت داده شده و با بافتن نخ ها وبرش دادن به آنها تهیه می شوند.
۲- مشخصات مكانیكی هیدرولیكی ژئوتكستایل
مشخصات مكانیكی و فیزیكی ژئوتكستایل باید كاملاً معین گردد تا با تعیین موارد استفاده بر اساس آنها نظری دقیق تر ارائه نمود و كاربرد بهتری را از آن نتیجه گرفت. اهمیت مطالعات انجام شده در این باره توسط آزمایشگاه های تحقیقاتی، مشاوران و تولید كنندگان صورت گرفته است. اولین مشخصه ای كه برای شناخت امكانات هیدرولیكی خاك به فكر می رسد نفوذ پذیری آن است، بافت كلیه ژئوتكستایل های ژئوتكنیكی به صورتی است كه جریان آب را جهت الیافها، در داخل ضخامت ژئوتكستایل و عمود بر سطح آن ممكن می سازد.
این مساله به خوبی در مورد نبافته ها ضخامت اولیه آنها بیش از یك میلیمتر است روشن می باشد كه می تواند تا میزان 4.8 میلیمتر گردد؛ از طرف دیگر نازكی الیاف ژئوتكستایل ها (قطر الیاف نبافته ها در حدود ٧٠ تا ٢٠ میكرن) نشان می دهد كه قدرت صاف كنندگی آنها در مقابل ذرات نسبتاً خوب است (معمولاً ذرات مختلف در صورتی می توانند از یك لایه خاك عبور نمایند كه اندازه آنها كوچكتر از اندازه كوچكترین ذره تشكیل دهنده آن لایه خاك باشد). خصوصیات مكانیكی نه تنها هنگامی كه ژئوتكستایل نقش مكانیكی دارد باید شخص باشد بلكه شناخت آنها در شرایط دیگر نیز به خاطر مسائل كارگذاری و رفتار در طول زمان لازم است؛ یكی از خصوصیات اساسی ژئوتكستایل تغییر شكل پذیری آنهاست، درصد برای بافته ها می باشد. با استفاده از آزمایشی پارگی می توان چگونگی شروع یك پارگی و رفتار ژئوتكستایل بعد از پارگی را بهتر تخمین زد. آزمایشات نشان می دهند كه رفتار نبافته ها در مقابل پارگی بهتر از رفتار ژئوتكستایل های بافته شده می باشد، دلیل این امر در هم بودن الیاف در نبافته هاست كه باعث انتقال نیرو به تعداد بیشتری الیاف می گردد و در نتیجه پاره كردن ژئوتكستایل را مشكل می سازد.
٣- كاربرد ژئوتكستایل ها در امور ساختمانی
الف) جداسازی: كاربرد ژئوتكستایل ها برای مقابله جداسازی به این معنی است كه دو لایه مختلف از مواد، توسط ژئوتكستایل از یكدیگر جدانگه داشته شوند. هر دو لایه ممكن است خشك باشند ولی در اغلب موارد میزان متفاوتی آب در هر یك از این دو لایه وجود دارد. ژئوتكستایلها این امكان را بوجود می آورند كه آب از منسوج عبور نماید و بطور دائمی از مخطوط شدن مواد با مشخصات مختلف جلوگیری كرده و به آب اجازه دهد كه به لایه زیرین منتقل گردد.
ب) فیلتر كردن: ژئوتكستایل ها را می توان در لایه های زمینی با ذرات ریز و درشت به عنوان فیلتر به كار بر دو از نفوذ جریانی ذرات ریز خاك جلوگیری كرده و همزمان تخلیه آب را عملاً بدون مقاومت ممكن می سازد كه برای جلوگیری از پرشدن لوله ها و مجاری آبروها توسط ذرات خیلی ریز خاكهای اطراف، به كار گرفته می شوند.
ج) زهكشی: هدف از زهكشی دور كردن آب از اطراف فونداسیون ساختمانها و خطوط لوله یا تونل ها می باشد. زمانی كه سیستم زهكشی شروع به كار می كند ژئوتكستایل باعث می شود كه یك فیلتر طبیعی برای ذرات بسیار ریز موجود در خاك اطراف تشكیل شود، ذرات درشت تر به نزدیكی منسوج آمده و در كنار هم قرار می گیرند و ذرات نرم تر و ریزتر پشت آن قرار می گیرند. همچنین می توان برای تبثیت و محكم كردن لایه های خاكریز بستر راه آهن استفاده نمود. برای این منظور اطراف كانال و یا محفظه زهكشی را با یك لایه فیلتر پوشانده با این كار آب هایی كه از سنگ ریز به پایین نفوذ می كنند به آن هدایت می شوند. یك لایه جدا كننده بین بستر راه آهن و سنگ ریز بالای آن قرار داده می شود تا از داخل شدن ذرات خاك به لایه سنگ ریز جلوگیری نماید و آب بارندگی را از این راه به زهكشی هدایت كند و با تثبیت لایه خاكریزی بستر، نیروی وارد بر آن به طور یكنواخت تری تقسیم شده موجب می شود عمر زیرسازی راه آهن زیاد شود.
د) محافظت:
ژئوتكستایل ها به طور قابل ملاحظه ای برای تحمل تنش ها و تغییر شكل های نسبی مكانیكی مناسب بوده و بنابراین می تواند لایه های ضعیفی را كه نباید تحت تاثیر تنش های بزرگی واقع شوند محافظت نموده و مانع تخریب آنها گردد. یكی از مهمترین موارد در رابطه حفاظت از تنش ها در پوسته سنگی تغییر نموده و تغییر شكل ها به وقوع می پیوندد كه در نتیجه تعدادی از درزهای موجود بازتر یا بسته تر می شود.
ه) تقویت:
ژئوتكستایل ها عملكرد بسیار خوبی در رابطه با پخش و یكنواخت كردن تنش ها یا نیروها در یك سطح بیشتری را داشته و به نحوه مطلوبی مانع گسیختگی های نقطه ای موضعی می گردد. مصالح بنایی و خاكریزی تنش های فشاری را به نحو رضایت بخشی می توانند تحمل نمایند در حالیكه در مقابل كشش ضعیف هستند، با استفاده توام این مصالح و ژئوتكستایل دو خصوصیت ذكر شده را بهبود می بخشند، در حقیقت عملكرد ژئوتكستایل در عمق معینی از خاك را می توان مشابه رفتار میلگردهای فولادی در بتن مسلح دانست. یك خصوصیت دیگر ژئوتكستایل ها، خاصیت ارتجاعی آنهاست و این امر موجب می شود خاكی كه با ژئوتكستایل تقویت شده است تحت اثر بار خارجی دچار تغییر شكل و نشست شده است، بعد از حذف بار به حالت اولیه برگردد (خصوصیت برگشت پذیری).
٤- كاربرد ژئوتكستایل در مهندسی پی
الف) راه های دسترسی و كارگاهی و راه های یخ زده: در صورتی كه ظرفیت باربری خاك كم باشد مانند مناطق با تلاقی و نظایر آن اصولاً كوبیدن مصالح خاكریز جهت بالابردن ظرفیت باربری خاك با افزایش آب غیرممكن است، بنابراین می توان با استفاده از ژئوتكستایل و ریختن قشری از مصالح به ضخامت حداقل ٣٠ سانتی متر كه حتی ممكن است در مقابل آب نیز حساس باشند، می توان قابل تردد برای وسایل نقلیه نمود؛ البته ذكر این نكته لازم است كه كاربرد ژئوتکستایل به تنهایی نمی تواند جوابگو باشد زیرا الیاف در تركیب با یك جرم دارای اینرسی، می تواند ظرفیت باربری متناسبی را تامین نماید كه این خصوصیت را می توان مشابه عملكرد فولادی كشش در بتن تصور نمود.
ب) خاكریزی روی خاك های قابل تراكم:
استفاده از ژئوتكستایل در این حالت موجب سهولت در ریختن و تسطیح لایه زهكشی زیرین می گردد؛ وجود ژئوتكستایل مانع از مخلوط شدن مصالح مرغوب و نامرغوب و در نتیجه عدم اتلاف آنها شده و سرعت كار افزایش مقاومت خاكریز و ظرفیت باربری آن می گردد، البته ژئوتكستایل به هیچ وجه از نشست جلوگیری نمی كند ولی می تواند نشست های موضعی را تعدیل و پخش نماید.
ج) حفاظت بتن تازه در پی های سطحی و عمیق: در این حالت ژئوتكستایل فقط به عنوان لایه جدا كننده و ضدآلودگی عمل می كند: هدف اصلی محدود كردن مصرف بیش از حد بتن می باشد، البته این روش موقعی قابل استفاده است كه پی یا شمع بقدر كافی بزرگ باشد. به علت خصوصیات فیلتری و تاب مكانیكی مناسب، این الیاف از تراوش بتن به درون شكاف ها و حفرات جلوگیری نموده و مانع رقیق یا لاغر شدن آن می گردد، علاوه بر این به علت ناهمواری های بدنه شمع، اصطكاك بهتری بین خاك و شمع در مقایسه با محفظه های فولادی بوجود می آید.
٥- كاربرد ژئوتكستایل در راه سازی
الف) به عنوان لایه اساس: یكی از جدیدترین كاربردهای ژئوتكستایل در راهسازی ریختن مستقیم مخلوط های داغ آسفالتی بر روی آنها می باشد، البته این كاربرد بیشتر از نظر تكنیكی می تواند مورد توجه باشد، زیرا عملاً پوشانیدن روی ژئوتكستایل با ٧ سانتی متر آسفالت مشكل است ولی به هر حال این راه حل در موارد خاصی كه نتوان رویه موجود را برداشت انتخاب می گردد. ولی آنچه كه در این قسمت ذكرش حائز اهمیت است این می باشد كه استفاده از ژئوتكستایل و نوع مواد تشكیل دهنده آن خودارای مطالعات مخصوص می باشد و دراین رابطه باید بررسی كافی نمود تا نتایج حاصله مفید گردد.
ب) به عنوان لایه زیراساس: لایه زیر اساس آخرین لایه عملیات خاكی و اولین لایه سازه ای در بدنه روسازی می باشد و ظرفیت و كارآیی نقش مهمی در تعیین ضخامت لایه های فوقانی دارد.
ج) در آب بندی تونلها و پل ها: آب بندی تونل ها یكی از مشكلات اساسی تونل سازی است؛ آبهای نفوذی به طور دائم به ابنیه تونل و سطح جاده صدمات زیادی وارد می سازد و نگهداری و ترمیم آن از نظر اقتصادی نامناسب است. در آب بندی تونل ها نیز یك لایه ضخمیم و غیر قابل نفوذ پلاستیکی بنام PVC به كار برده می شود به طوریكه قبل از انجام عملیات بنائی داخل تونل لایه ژئوتكستایل به روی سنگهای تونل نصب می شود، سپس لایه PVC روی آن چسبانده می شود.
٦- كاربرد ژئوتكستایل در كارهای آبی
الف) لایه مقاوم در برابر سوراخ شدن یا ترك خوردن: اغلب مواد عایق و آب بندی كننده دارای خاصیت شكنندگی بوده و برای ممانعت از ترك خوردن یا سوراخ شدن، آنها را به طور مشترك با ژئوتكستایل مصرف می كنند، بنابراین می توان از آنها به عنوان روكش غیرقابل نفوذ در مخازن صنعتی، سدهای كوچك خاكی، كانال ها و غیره استفاده نمود.
ب) فیلترهای زهكش: عموماً در اطراف لوله مشبك چاه های پمپاژ آب و لوله های زهكش فلیترهای ماسه ای یا شنی كه به آن گراول پیكینگ (Gravel Packing) می گویند و وظیفه آن جلوگیری از نفوذ مواد ریز دانه در سیستم مربوطه جمع شده و آن را مسدود می نمایند. در خاكهای معمولی می توان لوله های زهكشی را بوسیله غلاف هایی از این ژئوتكستایل و یا توسط الیافی كه در محل بدو لوله های مشبك زهكش دوخته می شود، حفاظت نمود.
ج) محافظت سواحل: برای جلوگیری از فرسوده شدن ساحل در اثر عمل مخرب موج معمولاً روی آن را سنگ های بزرگ می چینند (موج شكن)، در این صورت ممكن است نفوذ آب از میان حفرات بزرگ در بین سنگها، موجب شستگی ماسه و خاك ساحل شده و سنگها به تدریج در زمین فرو روند، برای جلوگیری از این پدیده ابتدا ساحل را با ژئوتكستایل پوشانده و سپس سنگ ها را بر روی آن می چینند. بر خلاف آنچه كه در زهكشی اتفاق می افتاد، در اینجا ژئوتكستایل باید اثرات دینامیكی امواج را جذب كنند و خصوصیات مقاوتی آنها مطرح می گردد به خصوص كه ژئوتكستایل ها باید در مقابل سوراخ شدگی ناشی از وزن سنگها نیز مقاوم باشند.
د) ایجاد سواحل مصنوعی: پهن كردن یك پوشش ضد آلودگی روی گل و لای یا روی علف های هرز امكان می دهد كه با ریختن مصالح مرغوب بر روی آنها ساحل مناسبی نبوده اند با هزینه كمی ساحل سازی نمود؛ در اینجا هدف مناسب نمودن یك منطقه وسیع با تلاقی برای تردد با شنا یا قایقرانی است. ریختن ساده مصالح تمیز و ریز به تنهایی مناسب نیست، زیرا بعد از گذشت یك فصل این مواد بوسیله گل جذب خواهد شد.
٧- كاربرد ژئوتكستایل درساخت دیوارهای حائل
به كمك ژئوتكستایل می توان بدون استفاده از مصالح بنایی یا مبنتی و فقط به كمك خاك موجود در محل و لوازم كوبیدن خاك، دیوار حائل ساخت. با به كاربردن ژئوتكستایل ها در تكنیک خاك مسلح نیز می توان دیوارهایی با پیشانی قائم ساخت كه ممكن است به عنوان دیوار حائل با سكویا سازه های متنوع دیگر مورد استفاده قرار گیرند.
٨- خلاصه و نتیجه گیری
آنچه تا به حال ذكر شده خلاصه ای از كاربرد متنوع ژئوتكستایل در مهندسی عمران می باشد. سازنده های این محصولات همواره برای پیدا کردن موارد استفاده جدید در رقابت می باشند. سهولت زیاد استفاده از ژئوتكستایل و مجموعه خصوصیات مكانیكی و هیدرولیكی آنها موجب شده كه از نظر قیمت با مصالح و راه حلهای متداول رقابت نماید، بنابراین بدیهی است كه ژئوتكستایل ها می توانند كاربردهای دیگری نیز داشته باشند و این به عهده مهندسین است كه در صورت بر خورد با مشكل خاصی و با در نظر داشتن خصوصیات اصلی ژئوتكستایل، آنها را زمینه خاص و جدیدی به كار برده و به سایرین نیز ارائه نمایند؛ واضح است كه استفاده از ژئوتكستایل می تواند در ایران هم مورد نظر قرار گیرد و همانند هر روش نو، كارگاه های اولیه باید كاملاً تحت نظر قرار داشته باشند.