نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد هشتم، شمارۀ 3 پاییز 3333 5432

ارزيابي تأثیر افزودن بنتونیت بر خصوصیات رفتاری
خاکهای ريزدانه

مریم هادی، رسول اجل لوئیان؛ دانشگاه اصفهان، گروه زمین شناسی
امیرحسین صادقپور*؛ دانشگاه کاشان
تاريخ: دريافت 3/7/33 پذيرش 31/4/32 چکیده
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

افزودن بنتونیت به خاک رس برای افزایش خصوصیات پلاستیسیته آن، یکی از راه کارهای ممکن برای تأمین رس تماسی در پروژه های سد خاکی است؛ اما بنتونیت مصرفی از طرفی باعث افزایش شاخص خمیری خاک شده و از طرف دیگر، برخی اثرات منفی در مخلوط خاک رس برجای می گذارد. بنا بر این برای تأمین رس تماسی با این روش، لازم است تغییرات همۀ خصوصیات ژئوتکنیکی مخلوط رس- بنتونیت ارزیابی شود. در پژوهش حاضر تأثیر افزودن بنتونیت بر ویژگی های ژئوتکنیکی خاک های ریزدانه منابع قرضۀ سد خاکی چشمه زنه بررسی شده است. برای این منظور، نمونه های رس با درصدهای مختلف بنتونیت از 5 درصد تا 22 درصد آزمایش شد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که افزودن بنتونیت به نمونه های ریزدانه، علاوه بر کاهش ضریب نفوذپذیری، سبب کاهش ضریب تحکیم، دانسیته خشک حداکثر ،ظرفیت باربری و زاویۀ اصطکاک داخلی خاک می شود. از طرفی رطوبت بهینه ،شاخص خمیری، چسبندگی، زمان 52 درصد تحکیم وشاخص تورم خاک افزایش می یابد. نتایج آزمایش واگرایی نشان می دهد که افزودن بیش از 32 درصد بنتونیت به خاک سبب ایجاد نشانه هایی از واگرایی در مخلوط می گردد. با توجه به تأمین خصوصیات پلاستیسیته مورد نظر برای رس تماسی با اختلاط 32 درصد بنتونیت با خاک رس منطقه از یک طرف و اهمیت بحث واگرایی برای مصالح هسته سد از طرف دیگر، بر اساس نتایج به دست آمده در این تحقیق، درصد بهینه بنتونیت برای این منظور معادل 32 درصد تعیین و پیشنهاد شد.
1981454200984

واژه های کلیدی: خاک ریزدانه، بنتونیت، هسته رسی، رس تماسی، شاخص خمیری * نويسنده مسئول [email protected]
5432
مقدمه
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

در سدهای خاکی، برای آب بندی هر چه بهتر محل تماس هسته با پی سنگی سد، از لایه ای رسی با نام رس تماسی3، با شاخص خمیری زیاد استفاده می شود. این لایه، از طرفی سبب اتصال هرچه بهتر مصالح هسته سد و سنگ بستر شده و از طرف دیگر، علاوه بر تأمین تغییر شکل پذیری مناسب در هنگام نشست های پی، باعث کنترل جریان نشت آب از مرز تماس هسته با پی میشود. بر اساس بررسی های انجام شده فوستر و همکاران ]3[ تا سال 3311، 33% تخریب سدهای خاکی و سنگریزه ای بزرگ، بهعلت وقوع پدیدۀ رگاب از درون بدنۀ سد ،35% به دلیل رگاب درون پی و 2% به دلیل وقوع این پدیده از خاک ریز به پی اتفاق افتاده است. به طورکلی در حالی که پدیدۀ رگاب، دلیل اصلی 41% تخریب ها در سدهای خاکی ثبت شده، فقط 2% آن بهعلت وقوع زلزله و مابقی آن به علت روگذری آب و ناپایداری شیروانیهای آن گزارش شده است و این موضوع، اهمیت توجه به پدیده را بیش تر نشان می دهد. بر اساس نتایج بررسی های انجام شده برای دلایل تخریب سدهای خاکی در دو دهه گذشته، یکی از دلایل اصلی تخریب و یا ایجاد مشکلات اساسی در سد دیکو2 در سال 3337، سد چانسزا3 با ارتفاع 35 متر در لهستان در سال 3334و سد واک بننت4 با ارتفاع 313 متر در کانادا در سال 3331، مسئلۀ رگاب است که گزارشهای مفصل دلایل تخریب آن ها منتشر شده است ]2[.
استفاده از رس تماسی مناسب، در کاهش وقوع این پدیدۀ مخرب از محل تماس هسته با پی بسیار مؤثر است. به همین منظور بر اساس تجربیات ب هدست آمده، توصیه شده است که این رس، این ویژگی ها را داشته باشد ]3[:
حد روانی)LL(، در محدودۀ 32 – 25 درصد.
شاخص خمیری )PI(، 35-32 درصد )حداکثر تا 32%(.
درصد ذرات عبوری از الک نمره 222 ، بیش تر یا مساوی با 52 درصد.
-63880752731

از آن جا که در برخی پروژه ها، امکان دسترسی به منبع قرضه ای با این خصوصیات مناسب بهمنظور استفاده در لایۀ رس تماسی وجود ندارد، از راهکارهای مختلفی برای تأمین مصالح این لایه استفاده می شود.
1. Contact Clay 2. Dychow 3. Chancza 4. Wac Bennent
5433
یکی از این راهکارها، اختلاط خاک منبع قرضۀ رسی محل، با بنتونیت است که با اینروش، شاخص خمیری رس موجود افزایش می یابد. بنتونیت، کانی رسی از خانوادۀ مونت موریلونیت با خصوصیات انبساطی است که در اثر هوازدگی خاکسترهای آتشفشانی به وجود می آید. واحدهای ساختاری این رس، شامل دو صفحه چهار وجهی سیلیکا است که یک صفحه هشت وجهی آلومینا را در بر گرفته اند. بنتونیت، به دلیل داشتن خصوصیات منحصر به فرد خود می تواند در زمینۀ افزایش شاخص خمیری خاک های منبع قرضه در سدهای خاکی مفید واقع شود.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

در پژوهش های انجام شده سیما و هارسولسو، تأثیر استفاده از 7 گونه مختلف بنتونیت بر خصوصیات نفوذپذیری 5 نوع خاک با دانه بندی های متفاوت بررسی شدند. نتایج آزمایش ها نشان دادند که با افزایش درصد بنتونیت، ضریب نفوذپذیری خاک کاهش می یابد به طوری که، میزان این کاهش به مشخصات خاک پایه و بنتونیت مصرفی بستگی زیادی دارد ]4[. میشار و همکاران، تأثیر خواص فیزیکی و شیمیایی بنتونیت شامل حد روانی، انبساط آزاد و درصد یون سدیم قابل تبادل را بر پارامتر های تحکیم خاک )50CV, CC, t( ارزیابی کردند. آن ها به این نتیجه دست یافتند که با افزایش حد روانی، انبساط آزاد و درصد یون قابل تبادل بنتونیت، شاخص تراکم )CC( و زمان 52 درصد تحکیم )50t( افزایش و ضریب تحکیم )CV( کاهش می یابد ]5[. محققان دیگر تأثیر بنتونیت بر پارامترهای ضریب تحکیم و ضریب نفوذپذیری در ماسه های بادی ریزدانه، بررسی کردند. نتایج این تحقیقات نشان داده اند که بنتونیت، سبب کاهش مقادیر ضریب تحکیم و ضریب نفوذپذیری مخلوط می شود ]1[.
گودودا و همکاران در تحقیقات دیگری، ارزیابی تأثیر بنتونیت بر مشخصات تراکمی و پارامترهای مقاومت برشی مخلوط های خاک_ بنتونیت بررسی کردند ]7[. نتایج بررسی این محققان نشان داده است که استفاده از بنتونیت، سبب کاهش دانسیته خشک حداکثر و زاویۀ اصطکاک داخلی مخلوط وافزایش رطوبت بهینه و چسبندگی آن می شود ]7[. نتایج تحقیقات باغبانیان و همکاران بر روی تأثیر افزودن بنتونیت بر خصوصیات خاک ریزدانه، نشان داد که 5432
افزودن بنتونیت باعث افزایش شاخص خمیری و رطوبت بهینه تراکمی مخلوط شده وضریبنفوذپذیری و دانسیته خشک حداکثر را کاهش می دهد ]1[.
در پژوهش های خوشخو و همکاران، پدیدۀ فرسایش داخلی در سدهای خاکی و تأثیر نوع کانی خاک های رسی بر این پدیده ارزیابی شد ]3[. این نتایج نشان می دهد که استفاده از بنتونیت، نه تنها تأثیر منفی از نظر فرسایش پذیری و تخریب سدهای خاکی ندارد، بلکه استفاده از این ماده به میزان مناسب، می تواند در کنترل فرسایش داخلی سدهای خاکی نیز مفید باشد.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

بررسی کلی نتایج اغلب تحقیقاتی که به منظور بررسی تأثیرات بنتونیت بر پارامترهای مهندسی خاک های مختلف انجام شده، نشان می دهد که افزایش بنتونیت به خاک ها، سبب افزایش در خصوصیاتی چون حد روانی، شاخص خمیری، انبساط آزاد، درصد رطوبت بهینه ،چسبندگی خاک، شاخص تراکم پذیری، ضریب تورم، زمان 52% تحکیم می شود. از طرف دیگر بنتونیت سبب کاهش دانسیته خشک حداکثر، ضریب تحکیم، زاویۀ اصطکاک داخلی و هدایت هیدرولیکی مخلوط ها می شود. میزان تأثیر در خصوصیات مهندسی مخلوط های خاک – بنتونیت، تابعی از درصد و نوع بنتونیت استفاده شده، خواص فیزیکی و شیمیایی آن، و نوع خاک پایه است.
هدف این تحقیق، بررسی امکان استفاده از بنتونیت، برای تهیه خاک رس تماسی در پروژۀ سد خاکی چشمه زنه شهرکرد است. این سد خاکی با هسته رسی و با ارتفاع 42 متراز پی، در فاصلۀ 22 کیلومتری جنوب غربی شهرکرد در حال احداث است. بررسی های انجام شده، نشان می دهد که خاک رسی مناسب به منظور استفاده در لایه رس تماسی در محدوده طرح وجود ندارد. ارزیابی هم زمان اثرات مثبت و منفی افزودن بنتونیت به خاک رس، به منظور تهیۀ رس تماسی برای استفاده در هسته سد و هم چنین تعیین میزان بهینه بنتونیت برای این منظور، در نتایج تحقیقات موجود دیده نمی شود و این موضوع ،جنبۀ اصلی تمایز این تحقیق با سایر تحقیقات موجود در این زمینه است. نتایج این پژوهش نشان می دهد که اگر چه افزودن بنتونیت به خاک ریزدانه، باعث افزایش ویژگی های خمیری مخلوط خاک می شود، اما باعث ایجاد برخی ویژگی های منفی در خاک نیز می گردد که تابع مشخصات خاک ریزدانه و بنتونیت 5432
مصرفی است. بنا بر این، با توجه به نوع مصالح این پروژه و موضوع تهیۀ رس تماسی مناسب،در این تحقیق تغییرات ویژگی های مخلوط با افزودن بنتونیت، بررسی شده است و با توجه به تغییرات مثبت و منفی افزودن بنتونیت بر خاک رس، میزان بهینه بنتونیت مورد نیاز برای این کار نیز تعیین شده است. بنا بر این، هدف دیگر این تحقیق، بررسی میزان بهینه بنتونیت مورد نیاز برای تهیۀ رس تماسی با ویژگی های خاص، برای استفاده در ناحیۀ اتصال هسته با پی در پروژۀ مذکور است.
روش تحقیق
در پژوهش اخیر، 5 نمونه خاک بررسی شده اند. نمونۀ 3A رس تماسی موجود در منبع قرضه، 2A رس بهکار رفته در پتوی رسی آببند است و نمونههای 3B2 ،B و 3B رسهای معمولی به کار برده شده در هستۀ سد چشمه زنه هستند.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

نمونه های 3A و 2A، بدون افزودن رس بنتونیت و نمونههای 3B2 ،B و 3B با افزودن درصدهای وزنی مختلف )2، 5، 32، 35 . 22 %( از پودر بنتونیت خشک، بررسی شده اند.
آزمون های انجام شده در این تحقیق، شامل این آزمون ها است که همگی بر اساس استاندارد ASTM انجام شده است ]32[:
دانه بندی )422ASTM D(، حدود آتربرگ )4331ASTM. D(، تعیین وزن مخصوص
)154ASTM. D(، تراکم استاندارد )131ASTM. D(، تعیین واگرایی )شامل آزمون کرامب
)1572ASTM. D(، پین هول )4147ASTM. D( و هیدرومتری دوگانه )4223ASTM.
D(، آزمونهای تعیین مقاومت خاک )شامل برش مستقیم )3212ASTM. D( و ظرفیت باربری کالیفرنیا )3113ASTM. D(، تحکیم )2435ASTM. D( و نفوذپذیری )2434ASTM. D(. نتایج و بحث
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی بنتونیت
به منظور شناخت خصوصیات پایۀ بنتونیت استفاده شده، آزمون های دانه بندی، حدود آتربرگ، وزن مخصوص و هم چنین برای شناخت ترکیب کانی شناسی ،آزمون آنالیز شیمیایی 5422
انکسار اشعه ایکس )XRD(، بر روی دو نمونه تصادفی از این رس صورت گرفت. جدول 3خصوصیات فیزیکی این نمونه ها را به طور خلاصه نشان می دهد.
-68579178309

جدول 3. خصوصیات فیزیکی رس بنتونیت
فعالیت )A( طبقهبندی درصد عبوری از الک (%) Gs LL (%) PL (%) PI يونیفايد 522
5/11 123/2 42/2 145 22/2 CH 1/23
نتایج آزمون های فیزیکی و آنالیز شیمیایی انجام شده نشان می دهد، بنتونیت استفاده شده از نوع سدیم دار است که بخش غالب آن را کانی سیلیس )2SiO( )12-52%( و سپس مونت موریلونیت سدیمدار )37-35%( تشکیل میدهد. با توجه به شاخص خمیری بهدست آمده، این بنتونیت در طبقهبندی یونیفاید، در گروه CH )رس با شاخص خمیری زیاد( و از نظر شاخص اکتیویته )AC( نیز در ردۀ خیلی فعال قرار می گیرد.

1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

آزمون های طبقه بندی مهندسي خاک
تعیین وزن مخصوص
با نظر به این که اکثر محاسبات وزنی و حجمی و محاسبات آزمون هیدرومتری، نیازمند دانستن مقادیر وزن مخصوص خاک ها است، آزمایش تعیین وزن مخصوص روی تمامی نمونه های اصلی انجام شده است. برای هر نمونه خاک، این آزمون سه بار تکرار شده و مقدار میانگین به عنوان وزن مخصوص خاک ارائه شده است )جدول 2(. چنان که نتایج این آزمون نشان می دهد، هر 5 نمونه خاک دارای وزن مخصوص جامد در محدودۀ 1/2 الی 15/2 هستند.
جدول 2. وزن مخصوص نمونه های بررسی شده
نام نمونه A1 A5 B1 B5 B4
GS 5/23 5/2 5/25 5/21 5/24
دانه بندی
به منظور بررسی مشخصات پایه نمونه های بررسی شده، آزمون های رده بندی خاک، شامل دانه بندی و حدود آتربرگ بر روی آن ها صورت گرفت. نمودار دانه بندی این 5 نمونه خاک، در 5421
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

شکل 3 نشان داده شده است. در همۀ نمونه ها ،بیش از 52 درصد نمونه از الک نمره 222 عبور کرده، که سهم زیاد ذرات رس در نمونه های بررسی شده را نشان می دهد. چنان که مشاهده می شود، نمونه 2A نسبت به نمونههای دیگر دانهبندی گستردهتر و درصد ریزدانه بیش تری دارند.

شکل
3
.

دانه

نمودار

نمونه

بندی

مختلف

های

شکل

3

.



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید