نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد یازدهم، شمارۀ 1 بهار 1931 92

شناسایی و تثبیت خاکهای واگرا: مطالعۀ موردی کانال انتقال آب سیمین دشت-گرمسار

عبدالحسین حداد؛ دانشگاه سمنان ،دانشکدۀمهندسی عمران
حامد جاودانیان*؛ دانشگاه شهرکرد، دانشکدۀ فنی و مهندسی، فائزه ابراهیمپور؛ دانشگاه سمنان ،دانشکدۀ مهندسی عمران تاریخ: دریافت 11/9/34 پذیرش 11/1/31 چکیده
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

وجود املاح در بعضی از خاکهای ریزدانه رسی باعث ایجاد پدیدۀ واگرایی در این خاکها میشود. عدم شناسایی دقیق رسهای واگرا خسارات و خرابیهایی را به دنبال دارد زیرا ذرات خاکهای رسی واگرا تحت شرایط خاصی متفرق شده و به سرعت شسته میشوند. در منطقۀ سیمین دشت )واقع در استان سمنان(، برخی از سازههای هیدرولیکی بهعلت قرارگیری روی این نوع خاکها دچار آسیبهای جدی شدهاند. از این رو در این تحقیق به بررسی خاکهای اطراف کانال انتقال آب در منطقۀ مذکور و ارزیابی میزان واگرایی این خاک ها پرداخته و در نهایت روشهای اصلاح این خاکها پیشنهاد شده است. بدین منظور نمونههایی از خاک محل تهیه و پس از تعیین مشخصات خاک، نمونههای مذکور تحت آزمایشهای کرامب ،هیدرومتری دوگانه و تستهای شیمیایی قرار گرفتند. نتایج حاصل بیان گر واگرایی خاک این منطقه به خصوص در اطراف کانال انتقال آب سیمین دشت بوده است. در این تحقیق تأثیر افزودن سیمان، آهک و آلومینیوم نیترات بر کاهش واگرایی نمونه های خاک با انجام آزمایشهای پینهول بررسی شده واقع شد. نتایج آزمایشهای انجام شده بر نمونههای اصلاح شده نشان داده که افزودن %1 سیمان، یا %1 آهک )بدون برطرف شدن کامل پدیده آب شستگی(، یا %9 آلومینیوم نیترات به خاک بسیار واگرا ،و هم چنین افزودن %9 سیمان، یا %1 آهک، یا %9 آلومینیوم نیترات به خاک واگرای این منطقه، موجب تثبیت آن می شود.
1675384196428

واژه های کلیدی: خاک واگرا، پین هول، هیدرومتری دوگانه، کرامب ،تثبیت خاک.
[email protected] نویسنده مسئول *
03
مقدمه
تجربه های گذشته نشان میدهد که خواص مکانیکی اغلب خاکها با افزایش رطوبت و اشباع شدن تغییر می کند. در برخی از خاکها بر اثر افزایش رطوبت پدیده های خاصی بروز می کند که بعضاً به خسارات عمده ای در پروژههای عمرانی منجر می گردد. از انواع این خاک ها، خاکهای واگرا هستند. خاک واگرا به خاکی اطلاق میشود که حالت فیزیکی-شیمیایی دانههای آن به گونهای است که در تماس با آب ، ذرات منفرد رس پراکنده و از یک دیگر جدامیشوند ]1[، ]2[. در این حالت خاک رس بهشدت فرسایش پذیر است، بهطوری که حتی تحت تأثیر تنشهای بسیار کوچک و با گرادیان هیدرولیکی کم روان میشود ]9[. وقتی خاک واگرا در تقابل با آب قرار میگیرد، ذرات رس متفرق شده و به صورت سوسپانسیون ته نشین میشوند ]4[. رسهای واگرا در مقایسه با رسهای معمولی دارای درصد سدیم محلول در آب بالاتری هستند ]1[، ]1[.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

شیبها و سدهای خاکی بسیاری در اثر بروز پدیدۀ واگرایی تخریب شدند ]7[. نخستین بار در استرالیا، مسئلۀ تخریب، فرسایش و ایجاد حفرههای بزرگ در بسیاری از سدهای خاکی کوتاه موجب شد تا انجمن حفاظت خاک استرالیا بررسی های گستردهای در مورد روشهای حفاظت و جلوگیری از ادامۀ روند فرسایش ناشی از خاکهای واگرا آغاز کند ]1[.
ایجاد واگرایی مستلزم وجود یک مجرای نشت )مثلامثلاً یک ترک( در خاک ریز یا تودۀ خاک است. سپس فرسایش دیوارههای سرتاسر مجرا بهطور هم زمان اتفاق میافتد ]8[. رفتار خاک های واگرا متأثر از هر دو جنبه کانیشناسی و شیمیایی است که به علت حضور کانیهای فعال رس همانند مونتموریونیت و حضور کاتیونهای سدیم است ]3[. ذرات رس شامل کانیهایی هستند که با کانیهای تشکیل دهندۀ ذرات ماسه و لای کاملاکاملاً متفاوتند. رسها معمولاًمعمولا ذرات کریستالی صفحهای شکلی هستند که از دو واحد اصلی سیلیکاتهای چهاروجهی )5(Si)2 O( و آلومینیومهیدروکسید هشتوجهی )3Al (OH)( ساخته شدهاند. این دو واحد در لایههای متناوب روی هم قرار گرفتهاند. به علت نقص در ساختار شبکۀ کریستالی، یونهای 3+Al جای گزین یونهای 4+Si میشوند و برخی از یونهای 3+Al با یونهای 2+Mg جای گزین 03
میشوند. در نتیجه، کانیهای رس از لحاظ بار الکتریکی مثبت، ضعف دارند، یعنی دارای یک بار منفی دائمی هستند و برای جبران این ضعف، کاتیونهای آب موجود در اطراف خود را جذب میکنند ]1[.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

در ترکیب تبادلی یونها، راحتتر آن است که +Na با 2+Ca یا 3+Al جای گزین شود. یونهای سدیم )که در سطح ذرات خاک واگرا حضور دارند( تکظرفیتی هستند و نسبت به یونهای دوظرفیتی یا سه ظرفیتی کلسیم و آلومینیوم تأثیر کم تری روی خنثی کردن باربارِ روی ذرات کلوئیدی و جلوگیری از تورم و واگرایی ذرات خاک دارند [11]. بنابراین ذرات کلوئیدی منفرد یک دیگر را دفع کرده و در محلول، معلق باقی میمانند ]3[. به عبارت دیگر در فرایند واگرایی کاتیونهای یکظرفیتی سدیم در روی سطح ذرات رس باعث افزایش ضخامت لایۀ دوگانه و هم چنین افزایش نیروی دافعۀ بین ذرات میشوند. زمانیکه نیروی دافعۀ بین ذرات از نیروی جاذبه بیش تر باشد، وجود آب به راحتی و سهولت ذرات خاک را از یک دیگر جدا کرده و جابهجا می کند. فرسایش این نوع خاکها نیازمند جریان آب با سرعت زیاد نیست و ذرات رس ممکن است به علت نیروهای دافعه حتی در آب ساکن هم به صورت کلوئیدی شناور شوند، در حالی که برای فرسایش سایر رسها سرعت جریان آب باید از یک حد مشخص بیش تر باشد و در کم تر از آن هیچگونه فرسایشی در خاک رخ نمیدهد ]11[.
ساخت پروژههای عمرانی در نواحی دارای خاکهای واگرا بسیار مشکل است و احتمال فرسایش خاک همواره خطری جدی برای سازههای مستقر بر نهشتههای دارای خاصیت واگرایی محسوب می شود. بنابراین شناسایی و هم چنین اصلاح خاکهای واگرا اهمیت زیادی دارد. روشهای مختلفی برای کنترل واگرایی وجود دارد که افزودن مواد شیمیایی به خاک نسبت به سایر روشها سادهتر و اقتصادیتر است. از این رو تقویت خواص خاک با افزودن مواد تثبیت کننده به عنوان راهکاری مناسب در مواجهه با خاکهای واگرا است.
در رابطه با اثر افزودن آهک به خاک تحقیقات گستردهای در سرویس حفاظت خاک امریکا صورت گرفته است. سدهای بسیاری در اوکلاهاما با استفاده از این روش ترمیم شدهاند. در تحقیقات انجام شده در اوکلاهاما مشخص شد که به طورکلی بر اثر افزودن آب آهک دامنۀ خمیری خاک کاهش و حد انقباض آن افزایش مییابد. اگر خاک رس واگرای بررسی شده با یک یا دو درصد آهک زنده مخلوط شود، درصد واگرایی کاهش مییابد ]3[.
09
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

به طور معمول افزایش 1 تا 1 درصد وزنی آهک هیدراته به خاک رس واگرا، موجب جای گزینی کاتیونهای کلسیم بهجای کاتیونهای سدیم خاک شده و علاوه بر کاهش خاصیت خمیری ،پتانسیل واگرایی آن را نیز کاهش میدهد. افزایش آهک با کاهش خاصیت خمیری، از ایجاد درز و ترک ناشی از انقباض در خاک نیز جلوگیری کرده، جریان متمرکز و شدید آب به داخل توده خاک را که میتواند موجب فرسایش درونی آن شود، کاهش میدهد. براساس نتایج تحقیقات انجام شده افزایش 1/1 تا 2 درصد وزنی آلومینیومسولفات به خاک، علاوه بر افزایش مقاومت در برابر آب شستگی، باعث افزایش نفوذپذیری، کاهش پتانسیل تورمپذیری و افزایش مقاومت برشی خاک نیز می شود. افزودن گچ آب دار به خاک واگرا با انجام فرآیند جای گزینی یونهای کلسیم بهجای سدیم باعث تجمع ذرات رس و کاهش پتانسیل واگرایی میشود. مقدار گچ مورد نیاز باید متناسب با مشخصات شیمیایی خاک تعیین شود. در این روش نیز به علت قابلیت انحلال نسبتانسبتاً کم تر گچ در آب، عمل اختلاط و تأثیر گچ ممکن است با اشکالاتی همراه باشد ]12[.
نتایج تحقیقات انجام شده در سالهای اخیر نشان داده است که افزایش مقادیر کم سیمان به خاک بستر )8/1 تا 4 درصد( توانسته است با جای گزینی یونهای کلسیم آزاد موجود در سیمان پرتلند و نیز با ایجاد خاصیت چسبندگی ناشی از هیدراسیون سیمان، ذرات رس واگرا را به خوبی تثبیت کرده و خاصیت فرسایشپذیری آن را به میزان چشم گیری کاهش دهد، به گونه ای که مخلوطهای خاک-سیمان حاصل به خوبی قادر به تحمل جریان آب با سرعت های تا 2 متر در ثانیه نیز بوده است ]19[.
در این تحقیق با انجام آزمونهای آزمایشگاهی به بررسی خاکهای اطراف کانال انتقال آب سیمین دشت-سمنان پرداخته شده است. روش کلی در این تحقیق شامل بازدید محلی، تهیۀ نمونههای خاک، تهیه و ساخت تیمارهای آزمایشی مختلف، انجام آزمایشهای شناسایی خاک بررسی شده، و انجام آزمایشهای هیدرومتری دوگانه و پینهول روی نمونههای خاک اصلی و تیمارهای بررسی شده است. اثر افزودن مقادیر مختلف سیمان، آهک و آلومینیومنیترات در اصلاح واگرایی خاکهای رسی منطقه سیمیندشت-سمنان بررسی و آزمایش واقع شده است.

00منطقۀ بررسی شده
حوزۀ آب ریز حبلهرود با مساحت تقریبی 9911 کیلومترمربع در شمال شهرستان گرمسار در استان سمنان واقع شده است. کانال انتقال آب سیمیندشت به گرمسار در استان سمنان با طول 97 کیلومتر در حدفاصل سد انحرافی سیمیندشت و سد انحرافی گرمسار با جهت شمال-جنوب در امتداد رودخانۀ حبلهرود احداث شده است. این کانال در بسیاری از نقاط دچار خرابیهای چشم گیری شده است. در پوششهای بتنی کانال، آب شستگی و فرسایش خاک در زیر پوشش منجر به ایجاد ترکهایی در بتن شده و یا از روی خاک ریزها در اثر ترک های انقباضی خاک یا حفاری کانال به صورت نادرست ایجاد شده که در آخر به تخریب سازه منجر شده است. شکلهای 1 و 2 نمونههایی از خرابیهای ناشی از وجود خاکهای واگرا در کانال انتقال آب سیمیندشت به گرمسار را نشان میدهند. باید حتیالامکان از اجرای سامانههای انتقال آب در بسترهای واگرا اجتناب کرد و چنان چه احداث سامانه در چنین شرایطی اجتنابناپذیر باشد باید تدابیر لازم به منظور جلوگیری از ایجاد خسارات اتخاذ شود.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

قابل ذکر است که بخشی از خسارتهای موجود در کانال نیز به علت وجود خاکهای تورمزا در بستر کانال بوده است ]19[.

شکل 3. کانال انتقال آب سیمیندشت به گرمسار

شکل 9. خرابی موجود در مجاورت کانال انتقال آب سیمیندشت به گرمسار

بررسی های آزمایشگاهی
1. مصالح مصرفی
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017

در این تحقیق اثر میزان سیمان )تیپ 1 کلاس 921(، آهک و آلومینیومنیترات در تثبیت خاک واگرای منطقه سیمیندشت گرمسار بررسی شده است. دو نوع خاک رسی خاصیت واگرایی اصلاح شده که مشخصات و منحنی دانهبندی آن ها بهترتیب در جدول 1 و شکل 9 ارائه شده است.

0
20
40
60
80
100
120
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
Passing (%)
Size (mm)
Soil A
Soil B



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید