نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد یازدهم، شمارۀ 2 تابستان 6931

تأثیر افزودن نانورس روی رفتار ژئوتکنیکی
خاک های ریزدانه نرم

علیرضا طبرسا؛ دانشگاه گلستان، گرگان
تاریخ: دریافت 50/50/30 پذیرش 61/66/30 چکیده
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

با توجه به گسترش بسیار زیاد خاک های مسئله دار در ایران، اصلاح و به سازی این قبیل خاک ها به عنوان امری اجتناب ناپذیر نقش بسیار مهمی در پروژه های عمرانی دارد. با توجه به پیشرفت علم نانوتکنولوژی در مهندسی ژئوتکنیک، در این تحقیق سعی شده است تا تأثیر اضافه کردن مقادیر مختلف نانوذرات رس بر رفتار ژئوتکنیکی خاک های ریزدانه ضعیف با کمک تحقیقات آزمایشگاهی بررسی شود. در این تحقیق نمونه های مختلف خاک از منطقه شبکۀ سد بوستان گنبد و اینچه برون واقع در استان گلستان انتخاب شد. به منظور بررسی تأثیر به سازی خاک های مذکور با کمک نانورس ،آزمایش های مختلف ژئوتکنیکی از قبیل حدود اتربرگ، تراکم استاندارد، مقاومت فشاری تک محوری، سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده و تحکیم مضاعف انجام گرفت. نتایج آزمایش ها حاکی از نقش بسیار مهم نانورس بر خواص خمیری، مقاومتی و تغییر شکل پذیری خاک بوده است. هم چنین با توجه به اهمیت نوع خاک می توان دریافت که در اثر افزودن نانورس به خاک های بررسی شده پتانسیل رمبندگی نمونه ها بسیار محسوس کاهش می یابد.

واژه های کلیدی: نانورس ،رمبندگی، به سازی، خاک های ریزدانه

[email protected] نویسنده مسئول *

222
مقدمه
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

خاک همواره به عنوان یکی از مصالح اصلی پروژه های عمرانی از زمان های گذشته مورد توجه انسان بوده است و با پیشرفت علوم، پژوهش های مختلفی از سوی محققان بر رفتار خاک و خواص مهندسی مرتبط با آن انجام گرفته است. در طبیعت خاک هایی وجود دارد که با کوچک ترین تغییری در ساختار و بافت آن تحت شرایط مختلف محیطی یا بارگذاری، منجر به وقوع تغییر شکل و نشست های زیادی گشته که در نتیجه این عامل، سبب کاهش مقاومت و پیوند بین ذرات خاک می شود. به این قبیل خاک ها، خاک های مسئله دار گفته می شود. از مهم ترین این خاک ها می توان به خاک های رمبنده اشاره کرد. خاک های رمبنده بیش تر در نواحی گرم و خشک یافت می شوند و از خصوصیات مهم این نوع خاک ها می توان به تخلخل زیاد، وزن مخصوص کم و چسبندگی ناچیز آن اشاره کرد. براساس پژوهش های کلمنس و فینبار ]6[، راجرز و همکاران ]2[ و گائو ]9[ خاک های رمبنده در سطح های وسیعی در حدود 61 درصد ایالات متحده ،61 درصد اروپا و 60 درصد روسیه و سیبری و بخش های عظیمی از چین توزیع شده اند. تجربیات حاصل از بررسی های ژئوتکنیکی انجام شده در مناطق مختلف ایران بیان گر وجود خاک های رمبنده در بسیاری از دشت های پوشیده از رسوبات بادرفتی مانند گرگان، مغان، ساوه، مناطق مرکزی و دشت های جنوب شرقی کشور و در امتداد رشته کوه های البرز و زاگرس است ]4[. عوامل مختلفی بر میزان رمبندگی خاک ها تأثیر دارد که از مهم ترین آن ها می توان به مشخصات هیدرولیکی و تنش اشاره کرد ]0[. خاک های رمبنده در اثر مرطوب شدن، نشست های زیادی می کند به طوری که طبق پژوهش های انجام شده مقدار نشست می تواند به 2 الی 1 درصد ضخامت لایه خاک نیز برسد ]1[. در صورت شناسایی نکردن این نوع خاک ها، اگر سازه ای روی آن ها احداث شود، سازه احداث شده در صورت اشباع شدن و تغییرات رطوبت خاک دچار آسیب و زیان می شود. در این رابطه استفاده از عناصر کمکی در تقویت و اصلاح خاک از زمان های گذشته مورد توجه بشر بوده است. به طوری که با پیدایش مصالح جدید و نیاز انسان به پروژه های مختلف عمرانی موجب شده تا زمینه و بستر مناسبیبرای کشف روش های نوین در علم مهندسی ژئوتکنیک خصوصاً روش های به سازی و اصلاحخواص مهندسی خاک فراهم شود و متعاقباً تئوری خاک مسلح و روش های مرتبط با آن دارایاهمیت شایانی شود. در این راستا محققان به استفاده از نانومواد در به سازی خاک های ضعیف توجه کرده اند به طوری که در دهۀ گذشته استفاده از نانوتکنولوژی رشد چشم گیری در بسیاری از علوم داشته است ]1[. در این خصوص استفاده از نانومواد در مهندسی ژئوتکنیک کاربرد بسیار زیادی پیدا کرده است. نتایج بررسی های مختلف نشان داده است که با افزایش درصد نانوسیلیس مقاومت فشاری و ضریب نفوذپذیری خاک به ترتیب افزایش و کاهش یافته و هم چنین باعث تغییر رفتار نمونه های خاک از حالت الاستیک به الاستوپلاستیک می گردد ]8[، ]3[، ]65[.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

تایپودیا و همکاران ]66[ به بررسی تأثیر نانوذرات دی کلرید کلسیم، اکسید کلسیم و نیترات پتاسیم روی خواص خاک پرداختند. نتایج آن ها حاکی از افزایش مقاومت برشی، کاهش نفوذپذیری و کاهش تراکم پذیری تحت افزودن نانوذرات بوده است. طا ها و طا ها ]62[ تأثیر افزودن انواع مختلف نانوذرات شامل نانو آلومینیوم، نانو مس و نانو رس را بر رفتار تورمی و انقباضی خاک های مختلف ریزدانه بررسی کردند. نتایج آن ها نشان داد که افزودن نانو رس دارای تأثیر نامحسوسی روی مقادیر رطوبت بهینه و وزن مخصوص خشک ماکزیمم نمونه ها بوده است و هم جنین با افزودن نانورس شاخص خمیری و حد انقباض خاک زیاد می شود. نتایج پژوهش های مجید و همکاران ]69[ نشان داد که افزودن نانومواد به خاک منجر به کاهش حد روانی، حد خمیری و شاخص خمیری نمونه ها شده است. هم چنین با توجه به اهمیت تأثیر به سازی بر خواص خمیری خاک های ریزدانه در این زمینه نتایج بررسی های مختلف نشان داده است که با افزودن نانومواد، حدود اتربرگ خاک نیز افزایش می یابد ]64[، ]60[.
تأثیر افزودن نانورس بر کنترل فرسایش خاک ها بررسی شده است. در این خصوص نتایج حاکی از بهبود کنترل فرسایش خاک در اثر افزودن نانورس است ]61[. با توجه به اهمیت بررسی های ژئوتکنیک زیست محیطی و تأثیر شیرابه ها در طراحی مدفن بهداشتی زباله ها، پژوهش ای جامعی در این زمینه انجام شده است. نتایج این پژوهش ها نشان داده است که باافزودن نانورس به خاک در اثر نفوذ شیرابه ها به خاک زیرین، مقادیر فلزات سنگین جذب222
خاک شده و به عبارت دیگر تأثیر افزودن نانورس، ضمن کاهش نفوذپذیری مخلوط، موجبکاهش غلظت فلزات سنگین و جذب آلاینده ها و بهبود عملکرد زیست محیطی می شود.
هم چنین افزودن نانورس موجب کاهش ظرفیت تبادل کاتیونی خاک نیز شده است ]61[، ]68[. با توجه به اهمیت به سازی خاک های مسئله دار و لزوم تقویت آن ها و ارزیابی رفتار آن ها ناشی از تثبیت و اصلاح خواص خاک ،تأثیر افزودن نانومواد مختلف از قبیل نانوسیلیس، نانوآلومینیوم ،نانورس و نانومس بر خواص ژئوتکنیکی خاک ها بررسی شده است. نتایج حاصل از این پژوهش ها حاکی از تأثیر بسیار مهم نانوذرات بر رفتار رمبندگی خاک ها بوده است ]63[. بهاری و شاه نظری ]25[ با انجام آزمایش های ژئوتکنیکی مختلف دریافتند که در اثر افزودن نانورس به نمونۀ خاک آزمایش شده از بستر کانال بند انحرافی گنج افروز، پایداری و استحکام خاک بیش تر شده و مشکلات ناشی از فرسایش بستر و هم چنین حمل مصالح قرضه برای زیرسازی کانال وجود نخواهد داشت.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

با توجه به گسترش خاک های رمبنده در ایران و اهمیت به سازی آن ها و نیز مشاهده خرابی های گسترده کانال های اصلی شبکه سد بوستان گنبد واقع در شمال شرقی استان گلستان ناشی از نشست های زیاد خاک منطقه ،در این تحقیق سعی شده است تا تأثیر اضافه کردن مقادیر مختلف نانوذرات رس بر رفتار خاک های ریزدانه ضعیف با کمک پژوهش های آزمایشگاهی بررسی شود و تأثیر پارامتر های مختلف در مکانیسم به سازی بررسی و ارزیابی شود.

مصالح و روش های انجام آزمایش
1. مشخصات خاک های استفاده شده
با توجه به اهمیت موضوع و امکان استفاده عملی از نتایج و دستاورد های این تحقیق در پروژه های عمرانی و نیز با توجه به بازدید ها و بررسی میدانی صورت گرفته، مشاهده شد که در بخش های عظیمی از کانال های اصلی شبکه سد بوستان گنبد واقع در شمال شرقی استان گلستان به علت شرایط ژئوتکنیکی خاص منطقه، نشست های زیاد و غیر یک نواخت خاک دراطراف کانال ناشی از آبگیری در زمان بهره برداری رخ داده است که این عامل باعث بروز ترک هایزیاد در پوشش بتنی کانال و خاک زیرین و اطراف دیوار ها شده که در نهایت موجب تخریببخش های عظیمی از کانال های مذکور شد. از این رو، به منظور بررسی تأثیر به سازی خاک در شرایط میدانی، همۀ آزمایش ها و بررسی های ژئوتکنیکی روی نمونه های خاک واقع در محل کانال های مذکور تحت استاندارد های معتبر انجام شد. در این ارتباط تعدادی گمانهی صحرایی به منظور شناخت خاک در دیواره ها و کف کانال مورد نظر حفاری شد. طی حفر گمانه های اکتشافی، با توجه به تغییرات لایه های مشاهده شده، از اعماق و لایه های مختلف برای انجام آزمون های آزمایشگاهی و شناسایی خاک نمونه برداری شده است. هم چنین نمونه های دست نخورده نیز به وسیله نمونه گیر شلبی برای انجام آزمایش های لازم انتخاب شد. شکل 6 کانال های بررسی شده را نشان می دهد.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

1405534-579373

شکل 1. نمایی از محدودۀ آزمایش خاک واقع در کانال های اصلی شبکه سد بوستان گنبد و خرابی های رخداده شده در آن
همچنین به منظور بررسی اثر نوع خاک در مکانیسم به سازی، آزمایش ها روی خاک دیگری واقع در منطقه اینچه برون در شمال استان گلستان نیز انجام شد. برای شناخت و تعیین مشخصات فیزیکی و مکانیکی خاک های استفاده شده در تحقیق، آزمایش های مختلفی از قبیل دانه بندی و هیدرومتری، حدود اتربرگ، وزن مخصوص ویژه و تراکم استاندارد خاک تحت استانداردهای معتبر انجام شد. بهعنوان نمونه شکل 2 بیان گر منحنی دانهبندی خاک شبکه سد بوستان گنبد است. با توجه به اهمیت تأثیر بافت و کانیشناسی خاکهای بررسی شده در 232
مکانیسم به سازی، شکل 9 نتایج آزمایش های میکروسکوپی الکترونی (SEM) را نشانمی دهد. هم چنین در جدول 6 خلاصه مشخصات خاک های آزمایش شده آورده شده است.

1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:31 IRST on Saturday October 28th 2017

شکل 2. منحنی دانه بندی خاک منطقۀ شبکه سد بوستان گنبد

)الف( )ب( شکل 3. نتایج آزمایش SEM خاک های مورد آزمایش
الف( منطقه اینچه برون، ب(شبکه سد بوستان گنبد
2. نانومواد استفاده شده
نانوذره استفاده شده در این تحقیق به منظور به سازی خاک، نانورس بوده که از شرکت
پیشگامان نانو مواد ایرانیان به نام تجاری Clay montmorillonite K (10) تهیه شده است. در این ارتباط مشخصات فیزیکی و شیمیایی نانورس مورد استفاده در جدول های 6، 2 و 9 نشان داده شده است.
231
جدول 1. مشخصات خاک های استفاده شده منطقه شبکه سد نام خاک
518160-253252



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید