نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد یازدهم، شمارۀ 2 تابستان 6931 922

تزریق‌پذیری‌خاک‌ماسهای‌به‌وسیلۀ‌دوغاب‌بنتونیت‌

امیر نوری، رضا ضیایی مؤید*، محمود حسنلوراد؛
دانشگاه بین المللی امام خمینی )ره(، دانشکدۀ مهندسی عمران تاریخ: دریافت 61/04/34 پذیرش 61/02/39 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

در مقاله حاضر نتایج پژوهش ای آزمایشگاهی در خصوص مقدار نفوذپذیری دوغاب بنتونیت در داخل ماسه تمیز ارائه شده است. وجود خاک رس بنتوینت در بافت خاک به واسطۀ تزریق آن در ماسه، منجر به تغییر در خصوصیات مکانیکی و هیدرولیکی ماسه میشود. در این تحقیق با استفاده از دستگاه تزریق و با تغییر فشار نفوذ، دوغاب بنتونیت با غلظت های مختلف در داخل ماسه با دانه بندی مختلف تزریق شده است و تغییرات طول نفوذ دوغاب بحث و بررسی شده است. بر پایۀ آزمایش های انجام شده، مقدار نفوذ در فشارهای ثابت با دانه بندی رابطۀ مستقیم و خطی دارد. مقدار غلظت بنتونیت در دوغاب تزریقی نیز به واسطۀ افزایش غلظت و هم چنین تأثیر ویسکوزیته نمونه از عوامل مهم دیگری در تعیین طول نفوذ دوغاب در ماسهاست. البته می توان با افزایش فشار تزریق تأثیر افزایش غلظت بنتونیت را جبران کرد و دوغاب را تا عمق مورد نظر تزریق کرد. از جمله عوامل تأثیرگذار دیگر در طول نفوذ دوغاب، سطح مخصوص و ظرفیت تبادل کاتیونی ماده تزریق شونده است. با مقایسه تزریق دوغاب کائولینیت در ماسه مشاهده شد هرچه مقدار سطح مخصوص و ظرفیت تبادل کاتیونی ماده تزریقی کاهش یابد مقدار نفوذ دوغاب در ماسه افزایش پیدا می کند.

1674012233901

واژه های کلیدی: تزریق، بنتونیت، نفوذپذیری، ماسه فیروزکوه * نویسنده مسئول [email protected]

033
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

تزریق یکی از روش های بهبود خواص مکانیکی خاکهای سست است که طی آن مادهتزریقی به خلل و فرج، درز و شکاف و یا حفره های تشکیلات سنگی و خاکی تزریق شده و باعث بهبود مشخصات توده میشود. به طوری که در اثر آن نفوذپذیری لایه ها کم، مقاومت لایه ها زیاد و شکل پذیری آن ها کم میشود. ویژگی مهم استفاده از روش تزریق در به سازی تودۀ خاک، در زیر سازه های موجود است که در پروژه های مختلف ساختمانی، راه سازی و راه آهن در حال بهره برداری استفاده می شود ]4[. یکی از پدیده هایی که تزریق در آن مؤثر است کنترل روان گرایی در خاک های غیرچسبنده است. در چنین خاک هایی، به ویژه ماسۀ ریز تا متوسط و یا حتی خاک ریزتر غیرپلاستیک، بارگذاری زهکشی نشده سیکلی، که می تواند در هنگام وقوع زلزله رخ دهد، ممکن است باعث شود تا فشار آب حفره ای بیش از حد از مقدار تنش مؤثر بکاهد و باعث شود که زمانی که تنش مؤثر به صفر نزدیک می شود روان گرایی رخ دهد ]61[. به منظور افزایش مقاومت خاک در برابر روان گرایی، خاک را می توان از طریق یکی از چهار روش متراکم کردن خاک سست، افزایش چسبندگی بین دانه های خاک، پایین بردن تراز آب های زیرزمینی و زهکشی اصلاح کرد ]66[. بررسی ها نشان میدهد که نفوذ بنتونیت به درون فضای منافذ ماسه، با افزایش چسبندگی خاک، مقاومت سیکلیکی ماسه را افزایش می دهد. در صورتی که زمان کافی از تزریق بنتونیت به داخل نمونه ماسه گذشته باشد، مقاومت روان گرایی بیش از پیش افزایش پیدا میکند ]3[.
بنتونیت همواره به طور صنعتی در پروژه های مختلف عمرانی استفاده می شود. این ماده با توجه به هدایت هیدرولیکی کمی که دارد در مواردی مانند بستر دفن زباله، دیوارهای آببند و مخازن دفن باله های هسته ای استفاده می شود ]64[. بر اساس آن چه در ادبیات آمده در تزریق بنتونیت در خاک ماسه ای، ضریب نفوذ پذیری قبل از تزریق مقدار 2-60×6162 بوده است که بعد از تزریق به مقدار 9-60×9122 رسیده و حدود 269 برابر کاهش دارد ]2[. به تازگی، محققان بسیاری به منظور بهبود عملکرد مهندسی خاک ها، استفاده از سیستم دوغاب بنتونیت را در تزریق به خاک های دانهای تحت شرایط بارگذاری استاتیک و دینامیکی بررسی کرده اند ]1[، 033
]3[، ]20[. پژوهش هایی در زمینۀ ارزیابی مشخصات زهکشی نشده خاک ماسه که به وسیلۀدوغاب بنتونیت تزریق شده است انجام شده است ]69[. هم چنین پژوهش های دیگری درخصوص افزایش مقاومت روان گرایی خاک ماسه ای سست به وسیلۀ تزریق دوغاب بنتونیت انجام شده است ]61[. در این عملکرد، دوغاب بنتونیت در خاک دانه ای سست اشباع با فشار کم و بدون اختلال در ساختار خاک تحت تزریق قرار می گیرد. با توجه به ماهیت تیکسوتروپی دوغاب بنتونیت، مادۀ تزریق شده به حالت ساختارهای ژل مانند در داخل خلل و فرج خاک قرار می گیرد و منجر به افزایش مقاومت خاک در مقابل بارهای استاتیک و دینامیکی میشود.
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

در حالی که برای دست یابی به خواص مهندسی مناسب در خاک دانهای استفاده از دوغاب بنتونیت غلیظ مناسب است، غلظت های زیاد نفوذ بنتونیت را به دلیل نفوذپذیری کم خاک محدود می کند. به منظور غلبه بر این محدودیت، لازم است ویژگی های رئولوژیکی دوغاب مانند تنش تسلیم و ویسکوزیته اصلاح شوند تا از این طریق برای افزایش عمق نفوذ در ماسه اقدام عمل آید. محققان دیگری مشاهده کردند با کاهش ویسکوزیته در دوغاب سیمان با ابعاد میکرو، مقدار نفوذ آن در ستون ماسه ای به طور چشم گیری افزایش می یابد ]61[.
به طورکلی دوغاب ها به دو دستۀ دوغاب های همراه با دانههای معلق )دوغاب زبر( و دوغاب های محلول )دوغاب نرم( تقسیم میشوند. مخلوط آب و سیمان، رس، بنتونیت و غیره در دسته دوغاب های زبر قرار دارند. سیلیکات ها، لیگنوسولفونات، آمینوپلاست ،آکریلامید ،آکریلیت، پلی استر، پلی اوره اتان و برخی مواد شیمیایی دیگر به عنوان دوغاب های شیمیایی نرم معروفند ]1[. اختلاف اصلی بین دوغاب های شیمیایی نرم و زبر آن است که قابلیت نفوذ دوغاب های زبر تابعی از نسبت اندازۀ ذرات به اندازۀ حفره ها و ترک ها و هم چنین ویسکوزیته اولیۀ آن است، در حالی که برای دوغاب های نرم، تابعی از ویسکوزیته اولیه و زمان ژل شدگی است ]6[. هم چنین محققان دیگری مشاهده کردند خصوصیات شیمیایی دوغاب در مقدار تزریق پذیری آن در خاک های دانه ای تأثیرگذار است ]20[.
موضوع تزریقپذیری خاک های دانهای سال هاست که بررسی شده است. در این زمینه تعدادی از محققان برخی از محدودیت های تزریقپذیری خاک ها را با توجه به اندازۀ دانههای 039
خاک ارائه کردند ]62[. محققان دیگری براساس اندازۀ دانه خاک و سیمان مسئلۀ تزریقپذیریرا بررسی کردند، در حالی که آزمایش های با مقیاس بزرگ تر نشان می دهند که تزریقپذیریخاک های دانهای متأثر از پارامترهای مختلفی از خاک و ماده تزریق است ]1[، ]69[. این پارامترها عبارتند از اندازۀ دانههای خاک و مادۀ سوسپانسیون تزریق، درصد ریزدانه )FC( خاک، فشار تزریق ،دانسیتۀ نسبی )Dr( خاک و نسبت آب به بنتونیت )یا ویسکوزیته( دوغاب. با بررسی خصوصیات مکانیکی خاک در اثر تزریق سیلیکات سدیم بر ماسه بابلسر مشاهده شده که تزریق این دوغاب با غلظت های زیاد حدود 90 % باعث ایجاد چسبندگی در خاک شده و در بالاترین حالت به حدود 10 کیلوپاسکال می رسد و تأثیر چندانی هم بر زاویۀ اصطکاک داخلی ندارد ]9[.
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

در مقاله حاضر با توجه نبودن بررسیهای انجام شده بر سرعت نفوذ بنتونیت در ماسهها و هم چنین نقش مؤثر بنتونیت در خصوصیات مکانیکی خاکهای ماسهای ،مقدار نفوذپذیری خاک های ماسهای به وسیلۀ بنتونیت تحت اثر عوامل تغییر دانهبندی، غلظت بنتونیت در سوسپانسیون تزریق و تراکم ماسه بررسی می شود. هم چنین یکی از اهداف پژوهش انجام شده تعیین میزان کمی درصد دوغاب بنتونیت و هم چنین نوع و غلظت بهینۀ آن برای تزریق در خاک ماسۀ فیروزکوه بوده است که به عنوان پیش زمینه ای برای انجام پژوهش های آتی بر به سازی پتانسیل روان گرایی خاک مذکور در اثر تزریق بنتونیت استفاده می شود.

ویژگي های ماسه استفاده شده
در بررسی حاضر، از ماسه سیلیسی شکستۀ فیروزکوه با نام تجاری ماسه 696، ماسه D11 و ماسه D1 برای انجام آزمایش ها استفاده شده است. این ماسهها دارای رنگ زرد مایل به طلایی است و دانهبندی یک نواختی دارد. برای بررسی اثر پارامتر دانهبندی بر میزان تزریق پذیری ماسه با استفاده از دوغاب شیمیایی ،سه نوع دانهبندی مختلف درشت )رد شده از الک شمارۀ 4 و مانده روی الک شمارۀ 90، ماسۀ D1(، متوسط )رد شده از الک شمارۀ 1 و مانده روی الک شمارۀ 600- ماسۀ D11(، ریز )بین الک شمارۀ 90 و 200-ماسه 696( استفاده 030
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

شد که در ادامه به اختصار ماسه درشت، متوسط و ریز نامیده می شوند. در شکل 6 نموداردانهبندی ماسه های استفاده شده در آزمایش ها نشان داده شده است. در جدول 6 نیز مشخصاتهر یک از این ماسهها ارائه شده است.

شکل 3. نمودار دانهبندی ماسههای استفاده شده جدول 3. مشخصات ماسههای استفاده شده در این تحقیق
نام ماسه ماسه فیروزکوه ماسه فیروزکوه ماسه فیروزکوه
131 D11 D1
D50 (mm) 0/7 1/1 1/6
Cu 2/14 1/57 1/8
Cc 1/09 1/17 1/09
Gs 2/65 2/65 2/65
e max 0/94 0/96 0/99
e min 0/64 0/66 0/69
γmin (ton/m3) 1/37 1/35 1/33
γmax (ton/m3) 1/62 1/60 1/57

دستگاه تزریق
برای انجام عملیات تزریق در آزمایشگاه، از دستگاهی طبق شکل 2 استفاده شد. دستگاهتزریق متشکل از یک مخزن، قالب استوانه ای به طول 6 متر برای ساخت و تزریق نمونهها و سیستم لوله کشی برای ورود و خروج دوغاب از نمونه است. جنس قالب ها و مخزن از نوعی پلاستیک شفاف فشرده و لولهها از جنس پلاستیک شفاف انعطاف پذیر است. به نحوی که در حین انجام تزریق، روند کار دیده می شود. محل قرارگیری مخزن به گونهای است که قابلیت تنظیم ارتفاع برای ایجاد فشارهای مختلف تزریق دارد. حداقل ارتفاع قابل تنظیم 6 متر و حداکثر مقدار آن نیز 2/9 متر است و هر گام تغییر ارتفاع برابر با 90 سانتی متر است. برای جلوگیری از افت تراز فشار در ارتفاع نمونه، استوانه نمونه در حالت افقی قرار گرفته و تزریق گردید.
ساخت نمونهها
نمونه ها به روش ریزش خشک و با دانسیته نسبیهای 90، 90 و 10 درصد ساخته شدند.
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

در این روش ابتدا خاک در آون خشک شده و سپس با استفاده از یک قیف استوانهای شکل خیلی آرام و با حرکت مارپیچ و سرعت ثابت، از ارتفاع نزدیک صفر به داخل قالب ریخته می شود )قطر خروجی قیف 62 میلی متر است(. سپس با زدن ضربات آرام به بدنۀ قالب می توان مقدار خاک مشخصی را در قالب ریخت تا دانسیتۀ نسبی مورد نظر ایجاد شود. بهتر است خاک به 6 الی 9 قسمت مساوی تقسیم شود و با تقسیم ارتفاع قالب به همان تعداد لایه ،نمونه در چند مرحله ساخته شود تا نمونه همگنی ایجاد شود. نمونهها به شکل استوانهای به قطر4 سانتی متر و ارتفاع600 سانتیمتر ساخته شدند و با ترکیبات مختلف دوغاب تزریق شدند.
دوغاب انتخابی برای تزریق در خاک ماسه، دوغاب بنتونیت است. مونت موریلونیت به عنوان کانی رسی اصلی در بنتونیت شناخته شده است به طوری که به عنوان مثال در بنتونیت MX80 بیش از 11% بنتونیت از مونت موریلونیت تشکیل شده است ]61[.

033
472567-70432

مخزن دوغاب با ارتفاع قابل تغییر
قالب نمونه
شکل 9. شکل شماتیک دستگاه تزریق استفاده شده

دوغاب تزریقي
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

هدف اصلی این مقاله یافتن تزریقپذیری این دوغاب در خاک ماسه ای است. هزینۀ آن نیز تا حدی کم است و اجرای آن نیز آسان است. از مزایای دیگر دوغاب گفته شده اثرات زیست محیطی اندک آن است. به دلیل نوع خاک، ترکیبات شیمیایی آن، یون های موجود در خاک، بافت، دانه بندی، اندازۀ دانهها، تراکم اولیه، قابلیت عبور دوغاب از توده خاک، ترکیب دوغاب میتواند متفاوت انتخاب شود بنابراین با ساخت دوغاب های مختلف، نحوۀ تزریق پذیری خاک بررسی می شود.
غلظتهای مختلفی که در این تحقیق استفاده شده است با توجه به تزریق پذیری سوسپانیسیون در داخل خاک ماسه و هم چنین مقادیر استفاده شده برای روان گرایی مقادیر 9، 9 و 1 درصد نسبت بنتونیت به آب در نظر گرفته شده است ]60[.

تزریق
پس از تعیین ترکیبات دوغاب، نوع خاک و درصد تراکم، دوغاب را به درون مخزن ریخته و شیر ورودی قالب باز می شود. ابتدا از حداقل فشار برای تزریق نمونه استفاده می شود، بعد از گذشت مدتی پس از تزریق نمونه، میزان نفوذ دوغاب در قالب ثابت شده و طول نفوذ ثبت شده و سپس فشار تزریق افزایش مییابد. با افزایش فشار تزریق دیده می شود که نفوذ دوغاب به درون نمونه از سر گرفته می شود. مانند مرحلۀ قبل پس از گذشت مدت زمان محدودی مشاهده می شود که با افزایش طول تزریق، میزان نفوذ دوغاب به درون نمونه کاهش یافته وپس از ثابت شدن آن، میزان نفوذ ثابت می شود. بنابراین با ثبت قرائت نفوذ جدید همانندمرحلۀ قبل دوباره میزان فشار تزریق افزایش داده می شود و این مراحل تا جایی که تمام ستون یک متری نمونه تزریق شود ادامه می یابد. شکل 9 محل قرائت طول نفوذ و شکل 4 تغییرات طول نفوذ در برابر زمان برای هدهای ارتفاعی مختلف را به عنوان نمونه 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

شکل
0
.

نمونه

در

نفوذ

طول

قرائت

محل

شکل

0

.



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید