بررسي رفتار سازه خاكي مسلح شده با ژئوتكستايل روي رس نرم
دكتر مهدي سياوش نيا،عضو هيئت علمي آزاد اسلامي-واحد تهران مرکزي
احد شكيبا،كارشناس ارشد ژئوتكنيك دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران مركزي
siavoshnia@yahoo.com
ahad_shakiba@yahoo.com
چكيده
نتايج اين مطالعه عددي براي بررسي قابليت روش المان محدود در تحليل رفتار خاكريز مسلح شده بر روي لايه رسي نرم ارائه شده است و هدف اصلي آن استفاده از مقاومت كششي تسليح كننده براي جلوگيري از پهن شدن و كاهش تغيير فرم خاكريز مي باشد. همچنين اثر پارامترهاي: تعداد لايه هاي ژئوتكستايل،شيب طرفين خاكريز،مدول ژئوتكستايل وطول موثر ژئوتكستايل بر روي رفتار خاكريز بررسي شده و در صد كاهش تغيير شكل ها براي تغييرات هر پارامترارائه شده است.
مقدمه
خاك مصالحي است كه به خوبي در مقابل فشار و برش مقاومت مي‌كند اما قادر نيست در برابر نيروي كششي از خود مقاومت چندان نشان دهد.خاك مسلح مصالح ساختماني مركبي است كه در آن عناصر داراي مقاومت كششي به عنوان عنصر تسليح كننده در توده خاك قرار مي‌گيرند.
امروزه تسليح خاك به عنوان فني موثر و قابل اعتماد براي افزايش مقاومت و پايداري توده‌هاي خاكي به كار گرفته مي‌شود. اين روش در كارهاي مختلفي از سازه‌هاي نگهبان و سدهاي خاكي گرفته تا تثبيت لايه‌هاي موجود در زير بستر‌هاي سطحي، خاكريز راه و روسازي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
از دهه 80 ميلادي به بعد استفاده از پارچه مصنوعي بافته شده يا بافته نشده به نام ژئوتكستايل و نيز از شبكه‌هاي پلاستيكي به نام ژئوگيريد به عنوان مصالح تسليح يا عضو تقويت كننده به طور گسترده‌اي متداول گرديد. دليل اين مسئله ميتواند ناشي از عملكرد بهترژئوتكستايل ها با سختي نسبي پايين كه هماهنگي بهتري با خاك دارند، نسبت به مصالح تسليح كننده فلزي با سختي بالا باشد. اين عناصر پليمري يا مصنوعي به دليل سختي نسبي پايين، از نظر تغيير شكل‌پذيري با خاكهاي سازگارتر مي‌باشند]1[.
ژئوسينتتيكها، و كاربرد آنها
ژئوسينتتيكها يكي از انواع گوناگون تركيبات پليمري هستند كه در فعاليتهاي عمراني كاربرد گسترده‌اي يافته‌اند.اين مواد اليافهاي
پپليمري از جنس مواد پلي‌اتيلن و يا پلي‌پروپيلن، پلي آميد و پليستر هستند كه توسط شركت‌هاي مختلف و به صورت‌هاي متفاوتي به بازار عرضه مي‌شود]2. [
انواع مصالح ژئوسينتتيك كه امروزه بيشتر استفاده مي‌شوند، عبارتند از:
الف: ژئوتكستايلها- ب: ژئوگريدها- پ: ژئوسلها- ت: ژئوممبرينها- ث: ژئوسينتتيكها با آستري از رس يا GCLها
ج: ژئوپايپها- چ: ژنوكامپوزيتها
ژئوسينتتيكها پنج وظيفه اساسي زير را بر عهده دارند]1[:
الف: جداسازي- ب: تسليح يا تقويت- پ: فيلتراسيون- ت: زهكشي- ث: آب‌بندي
ژئوتكستايل در واقع منسوجاتي است كه به جاي استفاده از رشته‌هاي طبيعي مانند نخ، پشم و يا ابريشم، از الياف پليمري در ساخت آن استفاده مي‌شود. اين الياف از مصالح پليمري ساخته مي‌شوند. پليمرهايي كه در ساخت الياف پليمري براي توليد ژئوتكستايل ها به كار مي‌روند، به ترتيب عبارتند از:
الف: پلي‌پروپيلن حدود 83 درصد
ب: پلي استر حدود 14 درصد
پ: پلي اتيلن حدود 2 درصد
ت: پلي آميد يا نايلون حدود 1 درصد
بسته به نحوه اتصال، انواع گوناگون ژئوتكستايل بافته نشده به شرح زير توليد مي‌شود]1[:
الف: اتصال با سوزن- ب: اتصال با چرخش- پ: اتصال با حرارت- ث: اتصال با صمغ
لازم به يادآوري است كه علت استفاده از رشته يا ساير اجزاء خطي ژئوتكستايل يا ساير فراورده‌هاي ژئوسينتتيك اين است كه بهترين راه به دست آوردن حداكثر مقاومت كششي از يك ماده به شكل رشته در آوردن آنهاست]1[.
در كارهاي عمراني بيش از 80 نوع كاربرد براي ژئوتكستايل وجود دارد. ولي به طور كلي چهار كاربرد عمده براي ژئوتكستايل وجود دارد]1 [:
الف: جداسازي- ب: تسليح يا تقويت- پ: فيلتراسيون- ث: زهكشي
مدل سازي و تحليل مدل‌ها
- هندسه مدل:
براي تحليل مدل ابتدا لازم است كه مدل هندسي مقطع به نرم‌افزار معرفي گردد. مدل هندسي شامل خصوصيات هندسي خاكريز از قبيل ارتفاع، شيب خاكريز، عرض تاج و عرض كف خاكريز و همچنين خصوصيات هندسي بستر محل احداث خاكريز از قبيل ضخامت لايه‌ها و فاصله كناره‌هاي مدل خاكريز ميباشد.
خاكريز مدل اصلي به ارتفاع 5 متر، عرض تاج 10 متر با شيب طرفين 5/1:1 (V:H) ميباشد بستر به صورت يك لايه 4 متري مدل گرديده و فرض شده كه لايه زير آن بستر نفوذ ناپذير باشد. با توجه به متقارن بودن هندسه مدل نيمه راست خاكريز مدل گرديده و از خاصيت تقارن استفاده شده است.
لازم به ذكر است كه جهت شبيه‌سازي نحوه ساخت خاكريز، بدنه خاكريز به لايه‌هايي به ضخامت 5/0 متر تقسيم شده است. جهت مسلح كردن خاكريز از ژئوتكستايل استفاده شده ومدت زمان ساخت هر لايه 3 روز در نظر گرفته شده است .بعد از ساخت كل خاكريز مدل در 5 مرحله 1 ساله وسپس تا رسيدن به حد اقل فشار آب حفره اي) ( KN/m2 1 تحكيم گرديده است.
- خصوصيات مصالح:
يكي از پارامترهاي مهم در مدل‌سازي معرفي دقيق خصوصيات مصالح ميباشد. براي مدل‌‌سازي‌هاي حاضر دو نوع مصالح با مشخصات متفاوت در نظر گرفته شده است.
براي مصالح خاكريز از مدل موهر-كولمب (الاستوپلاستيك) استفاده شده است. اما با توجه به اينكه مصالح بستر از جنس رس با مقاومت برشي و نفوذپذيري كم ميباشد لازم است مدلي در نظر گرفته شود كه قادر به مدل كردن رفتار تحكيمي و وابسته به زمان مصالح باشد اين مصالح علاوه بر نشست تحكيمي داراي خزش (Creep) نيز مي‌باشند به همين دليل مدل پيشرفته Soft Soil Creep كه براي اولين بار در نسخه 2/7 نرم‌افزار اضافه شده به كار رفته است.
با توجه به خصوصيات مصالح خاكريز رفتار اين مصالح زهكشي شده (Drained) در نظر گرفته شده است. در مورد مصالح بستر با توجه به ريزدانه بودن و نفوذپذيري كم آن و همچنين با توجه به تحكيم پذيري مصالح ريزدانه، رفتار مصالح زهكشي نشده (Undrained) ميباشد.
ساير مشخصات مصالح در جداول ذيل ارائه گرديده است.
جدول (1) پارامترهای خاکريز
|
R(inter)
|
psi
|
phi
|
C
|
E
|
nu
|
Ky
|
Kx
|
Gamma(wet)
|
Gamma(dry)
|
Type
|
Identification
|
|
|
|
degree
|
KN/m^2
|
KN/m^2
|
|
m/day
|
m/day
|
KN/m^3
|
KN/m^3
|
|
units
|
|
.9
|
9
|
38
|
10
|
6130
|
.33
|
864
|
864
|
19.2
|
19.2
|
Drained
|
Embankment
|
جدول (2) پارامترهای بستر
|
mu
|
Kappa
|
Lambda
|
R(inter)
|
psi
|
phi
|
C
|
nu
|
Ky
|
Kx
|
Gamma(wet)
|
Gamma(dry)
|
Type
|
Identification
|
|
|
|
|
|
degree
|
degree
|
KN/m^2
|
|
m/day
|
m/day
|
KN/m^3
|
KN/m^3
|
|
units
|
|
.006
|
.026
|
.13
|
.9
|
0
|
23
|
20
|
.15
|
.0000864
|
.0001728
|
18.5
|
16
|
Undrained
|
Subsoil
|
با توجه به اينكه بين خاكريز و بستر، ژئوتكستايل استفاده شده است لازم است كه مشخصات ژئوتكستايل در اين بخش معرفي گردد. Plaxis ژئوتكستايل را يك عنصر كششي كه نوع آن با پارامتر EA به نرم‌افزار معرفي مي‌گردد در نظر مي‌گيرد در اين مدل‌سازي مقدار EA به جز در مواردي كه خود اين پارامتر متغير ميباشد ب
چون ژئوتكستايل يك عنصر سازه‌ای ميباشد لذا لازم است اندركنش آن با خاك لحاظ شود به همين دليل در محل تماس آن با خاكريز از المان استفاده مي‌شود. در نرم‌افزار plaxis پارامتر R تعيين كننده مقدار مقاومت برشي خاك و مسلح كننده ميباشد طبق تحقيقاتBergado همكارانش در سال 2003 با شبيه سازي آزمايشات برشی تقسيم و Pull out test با نرم‌افزار Plaxis انجام داده‌اند R=0.9 ميباشد. كه همين R در اين تحقيق نيز استفاده شده است]3 [.
بررسي اثر تعداد لايه‌هاي ژئوتكستايل
به منظور بررسي وجود و يا عدم وجود و همچنين تعداد لايه‌هاي ژئوتكستايل روي رفتار خاكريز سه عدد خاكريز مدل شده است، خاكريز اول بدون ژئوتكستايل خاكريز دوم داراي يك لايه ژئوتكستايل در محل فصل مشترك خاكريز و ژئوتكستايل و خاكريز سوم داراي سه لايه ژئوتكستايل(در محل فصل مشترك خاكريز و بستر-دو متر بالاترازبسترو4متربالاتر از بستر).
در جدول (3) مقادير حداكثر جابجايي هاي افقي و قائم مربوط به هر خاكريز آورده شده است.
جدول (3) مقادير جابجايي قائم و افقي برای خاکریز با تعداد لايه های ژئوتکستايل متفاوت
|
تعداد لايه هاي ژئوتكستايل
|
جابجايي افقي (cm)
|
جابجايي قائم (cm)
|
|
| |
|
بدون ژئوتكستايل
|
37
|
85.57
|
|
| |
|
يك لايه ژئوتكستايل
|
25.59
|
77.81
|
|
| |
|
سه لايه ژئوتكستايل
|
24.11
|
76.45
|
|
با توجه به نتايج حاصله و بررسي خاكريزهاي فوق مي توان نتيجه گرفت:
- بيشترين مقدار نشست قائم خاکريز درخط مرکزی اتفاق می افتد،که وجود لايه ژئوتکستايل در محل تماس خاکريز با بستر نرم ميتواند باعث کاهش 9 درصدی اين نشست گردد.
- بيشترين مقدار جابجايی افقي کمي مانده به انتهای خاکريز (در محدوده پنجه خاکريز) اتفاق مي افتد که وجود ژئوتکستايل مي تواند باعث کاهش 83/30 درصدی اين جابجايی گردد.
- با افزايش مدول سختی ژئوتکستايل می توان ميزان جابجايی ها را کاهش داد.
- افزايش تعداد لايه های ژئوتکستايل در خاکريز موجب 6/1 درصد کاهش نشستهای قائم و 4 درصد کاهش جابجايی های افقي نسبت به حالتي که خاکريز يک لايه ژئوتکستايل دارد مي گردد،که اين مقادير در مقايسه با حالت قبل ناچيز می باشند.
بررسي اثر شيب خاكريز:
پارامتر دوم از پارامترهاي هندسي مدل كه در اين تحقيق مورد بررسي قرار گرفته است شيب طرفين خاكريز ميباشد. بدين منظور 4 خاكريز با شيب‌هاي 1:1، 5/1:1، 1:2 و 1:3 مورد تحليل قرار گرفت.نتاج حاصل به شرح جدول زير می باشد.
جدول (4) مقادير جابجايي قائم و افقي برای خاکریز با شیبهای متفاوت
|
شيب
|
جابجايي افقي (cm)
|
جابجايي قائم (cm)
|
|
| |
|
شيب 1 يه 1
|
25.96
|
77.3
|
|
| |
|
شيب 1 يه 1/5
|
25.59
|
77.81
|
|
| |
|
شيب 1 يه 2
|
22.44
|
76.51
|
|
| |
|
شيب 1 يه 3
|
19.02
|
74.58
|
|
با توجه به نتايج حاصله ميتوان نتيجه گرفت که:
- بيشترين مقدار نشست قائم خاکريز درخط مرکزی اتفاق می افتدو با کاهش شيب طرفين خاکريز از مقدار 1 به 1 به مقدار 1 به 3 اين نشست 5/3 درصد کاهش مي يابد.
- بيشترين مقدار جابجايی افقي کمي مانده به انتهای خاکريز (در محدوده پنجه خاکريز) اتفاق مي افتد و با کاهش شيب طرفين خاکريز از مقدار 1 به 1 به مقدار 1 به 3 اين جابجايی به مقدار 7/26 درصد کاهش می يابد
- ملاحظه می شود که تغيير شيب از مقدار 1 به 5/1 به مقدار 1 به 1 تغييری در مقادير نشست ايجاد نمي کند که علت آن وجود تسليح کننده مي باشد.
بررسي اثر سختي ژئوتكستايل:
با توجه به تنوع محصولات ژئوسنتتيكي موجود در بازار جهت انجام پروژه‌هاي عمراني بررسي اثر نوع ژئوسنتتيك با در نظر گرفتن پارامترEA در اين تحقيق مورد بررسي قرار گرفته است.
سختي مدل مبنا 
ميباشد. جهت بررسي رفتار خاكريز ناشي از تغيير سختي آن در يك تحليل مقدار آن نصف شده 
و در تحليل دوبرابر شده است 
از نظر ساير مشخصات هر سه مدل مشابه مي‌باشند.
نتايج حاصل از آناليِز عددی در جدول زير مشاهده می شود.
جدول (5) جابجايي قائم و افقي با سختی ژئوتکستایل متفاوت
|
سختي ژئوتكستايل ( EA)
(KN/m)
|
جابجايي افقي (cm)
|
جابجايي قائم (cm)
|
|
| |
|
1250
|
30.9
|
82.17
|
|
| |
|
2500
|
25.59
|
77.81
|
|
| |
|
5000
|
21.72
|
73.38
|
|
با توجه به نتايج حاصله ميتوان نتيجه گرفت که:
- بيشترين مقدار نشست قائم خاکريز درخط مرکزی اتفاق می افتد و با افزايش مدول ژئوتکستايل از مقدار (KN/m) 1250 به مقدار(KN/m) 5000 اين نشست به مقدار 69/10درصد کاهش مي يابد.
- بيشترين مقدار جابجايی افقي کمي مانده به انتهای خاکريز (در محدوده پنجه خاکريز) اتفاق مي افتد و با افزايش مدول ژئوتکستايل از مقدار (KN/m) 1250 به مقدار(KN/m) 5000 اين جابجايی به مقدار 7/29درصد کاهش مي يابد.
هرچه ژئوتكستايل سختي بيشتري داشته باشد نيروي كششي بزرگتري در آن ايجاد خواهد شد. علت آن اين است كه با افزايش سختي اختلالات كرنش برشي در بالا و پايين ژئوتكستايل بيشتر شده و نيروي كششي بزرگتري در مسلح كننده ايجاد مي‌شود.
بررسي طول موثر لايه ژئوتكستايل
جهت بررسي طول موثر (Le) لايه ژئوتكستايل،ژئوتكستايل با طول هاي متفاوت 4و8 متري از پنجه خاكريز در دو طرف قرار داده شده و نتيجه مورد بررسي قرار گرفته است.
نتايج حاصل از آنالِز عددی در جدول زير مشاهده می شود.
جدول (7-7) جابجايي قائم و افقي با طول متفاوت ژئوتکستایل
|
طول موثر ژئوتكستايل
|
جابجايي افقي (cm)
|
جابجايي
قائم (cm)
|
|
| |
|
4
|
37.15
|
88.17
|
|
| |
|
8
|
36.6
|
75
|
|
| |
|
پوشش كامل
|
25.59
|
77.81
|
|
با توجه به نتايج حاصله مي توان نتيجه گرفت که:
- بيشترين مقدار نشست قائم خاکريز درخط مرکزی اتفاق می افتد و با افزايش طول لايه ژئوتکستايل از 32 درصد طول پوشش کامل به طول پوشش کامل اين نشست به مقدار 7درصد کاهش مي يابد.
- بيشترين مقدار جابجايی افقي کمي مانده به انتهای خاکريز (در محدوده پنجه خاکريز) اتفاق مي افتد و با افزايش طول لايه ژئوتکستايل از 64 درصد طول پوشش کامل به طول پوشش کامل اين نشست به مقدار 31درصد کاهش مي يابد.
نتيجه گيري
1-به جاي افزايش و يا كاهش ارتفاع خاكريز مي توان با استفاده از يك لايه ژئوتكستايل در خاكريز واقع بر روي رس نرم جابجايي هاي قائم و افقي را كاهش داده و پايداري خاكريز را به ميزان قابل توجهي افزايش داد.
2-با توجه به اين كه كاهش جابجايي هاي افقي نقش موثري در تامين پايداري خاكريز دارند بهترين محل براي قرار گيري لايه ژئوتكستايل در محل تماس خاكريز با بستر نرم مي باشد.
3-در مواردي كه نياز است خاكريز با شيب تند بنا شود مي توان از ژئوتكستايل با سختي بيشتر براي تامين پايداري خاكريز استفاده نمود.
References
1) رضا نورزاد "مشخصات رفتاري ماسه مسلح با ژئوتكستايل"تز وكترا،دانشگاه صنعتي شريف،1379
2) علي شرقي "تحليل خاكريز مسلح شده با ژئوتكستايل روي بستر رسي نرم با استفاده از مدل سازي عددي"تز فوق ليسانس،دانشگاه صنعتي شريف،1381
3)Dennes T.Bergado,Pham V Long,(2002),A Case Study Of Geotextile Reinforced Embankment on soft Ground,
School of engineering,Asia Institute of Engineering,Banqkok