بررسی تثبیت و تورم خاک رس توسط گیاه بامبو
چکیده
برای احداث هر سازه باید اعضا‍ء به گونه ای طراحی شوند که تحمل بارهای وارده را داشته باشند. بار وارده از طریق سازه به زمین (خاک) وارد می شود. بنابراین لازم است خاک نیز تحمل بارهای وارده از طرف سازه را داشته باشد. همه خاک ها این توان را ندارند. بنابراین باید روشی اتخاذ نمود که وضعیت خاک از دیدگاه ظرفیت باربری، مقاومت برشی و نشست بهبود یابد. به این منظور، روش های زیادی در رابطه با تثبیت خاک مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق هم با اضافه کردن درصدهای مختلف بامبو به خاک و آزمایش های مکفی و بررسی موارد فوق الذکر این نتیجه حاصل می شود که با افزودن درصدهای مختلف بامبو به خاک مقدار بامبو بهینه حدود 4% وزنی می باشد که با افزایش آن ظرفیت باربری، مقاومت برسی و نشست بهبود می یابد.
بخش اول
دلایل و روش های تثبیت خاک
انگیزه و دلایل و روش های تثبیت خاک
خاک طبیعی محل عملیات ساختمانی همیشه برای اهداف موردنظر کاملاً مناسب نمی باشد و خواص مکانیکی خاک چه به عنوان مواد زیربنا و چه به عنوان ماده پر کننده خاکریز سد و غیره با توجه به اهمیت سازه و انتظار ما از آن و دیگر شرایط مربوط به سازه بایستی بهبود یافته و اصلاح گردد.
به عنوان نمونه در نهشته های دانه ای، خاک طبیعی ممکن است خیلی شل باشد و نشست الاستیگ زیادی از خود نشان دهد. در چنین حالتی لازم است که قبل از احداث سازه، خاک متراکم شود تا وزن مخصوص و در نتیجه مقاومت برشی آن افزایش یابد.
گاهی مواقع لایه فوقانی خاک نامطلوب است و باید برداشته شده و با خاکی با کیفیت بهتر که شالوده بر روی ان قابل احداث باشد، عوض گردد و سپس تا حد لازم متراکم شود. گاهی مواقع در اعماق کم به لایه های نرم و اشباع رس برخورد می شود.
بر حسب بار شالوده و ضخامت لایه رس، ممکن است نشست های قابل توجهی در سازه بوجود آید. برای جلوگیری از چنین نشست هایی لازم است که تکنیک های خاصی برای بهبود وضعیت خاک بکار گرفته شود یا اگر خاک دارای حالت تورم زیادی باشد و سازه در اثر این خاصیت تهدید می شود، باید با یکی از روش ها، مانند کنترل تراکم یا بالشتک ماسه ای یا پیش مرطوب کردن و یا تثبیت با آهک یا سیمان و یا روش الکتریکی، از تورم جلوگیری نمود. اگر هدف تغییر و افزایش خواص مقاومتی خاک باشد، یکی از روش های اساسی، منجمد کردن روش الکتریکی، تراکم، زه کشی، انتخاب دانه بندی صحیح، تثبیت و تسلیح کردن خاک بکار می رود.
تثبیت خاک اساساً به منظور اصلاح و بالا بردن کیفیت مصالح نامرغوب جهت استفاده آنها در پروژه های مختلف و به ویژه در امر راهسازی است و لذا حاصل تثبیت مصالح نامرغوب شامل موارد زیر است:
افزایش توان باربری خاک (بارهای قائم، بارهای افقی و …)
کاهش میزان نشست خاک
کاهش ضریب چسبندگی و مشخصاً در مورد خاک های با چسبندگی زیاد مانند رس
افزایش ضریب چسبندگی و مشخصاً در مورد خاک هایی با چسبندگی خیلی کم مانند ماسه بادی.
کاهش درصد جذب آب و جلوگیری از تورم خاک
تقلیل هزینه ساختمان راه ها (مساله حمل و نقل خاک ها)
سرعت عمل در انجام عملیات راهسازی (حمل کمتر و قابلیت تراکم بیشتر)
پایداری در مقابل عوامل جوی مانند تکرار یخبندان و ذوب یخ.
کاهش ضخامت لایه های روسازی.
عدم رویش گیاهان در سطح راه.
کاهش تغییر شکل پذیری در اثر بارهای وارده
کاهش میزان گرد و خاک در اثر عبور وسایل نقلیه.
تثبیت خاک ها بوسیله حرارت
این روش اولین بار توسط استرالیایی ها ابداع شده است. روش کار به این صورت است که خاک های چسبنده را می سوزانند تا در اثر حرارت شدید تغییراتی در بافت این نوع کانی ها حاصل شده و باعث اتصال و یکپارچه شدن خاک گردد. بدین صورت ظرفیت باربری خاک افزایش یافته و غالباً خصوصیات موردنظر در تثبیت خاک ها برای آن حاصل خواهد شد. عمل حرارت دادن و سوزاندن می تواند با استفاده از کوره های متحرک و یا بکارگیری چاشنی و فتیله انجام شود.
تثبیت خاک بوسیله رزین ها
تثبیت خاک ها با انواع رزین های طبیعی نظیر Rostanactds و یا رزین مصنوعی نظیر Furfual یا Aniline مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج مطلوب و مناسبی داشته است. بکارگیری رزین ها ضمن نفوذناپذیر نمودن خاک، آن را سمنته و سخت خواهند نمود. عموماً خاک های چسبنده را مقدار نسبتاً کمی (کمتر از 2% وزن خاک خشک) رزین طبیعی متراکم و غیرقابل نفوذ خواهند نمود. برای سمنته و غیرقابل نفوذ ساخت خاک های غیرچسبنده استفاده از رزین های مصنوعی نظیر آنچه در بالا ذکر شد، توصیه می شود.
تثبیت خاک بوسیله مواد شیمیایی
در این روش برای تثبیت خاک از یک یا چند ماده شیمیایی استفاده می شود و دو نوع محلول عمده که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند، محلول سیلیکات سدیم و کلرور کلسیم می باشند که در اثر واکنش های ناشی از این محلول ها عمل تثبیت انجام می شود، اما به طور کلی هر ماده شیمیایی (اعم از طبیعی یا مصنوعی) که بتواند خاک را سمنته و نفوذناپذیر نماید، بتوان در این طبقه قرار داد.
تثبیت خاک با قیر و مشتقات آن
در این روش از انواع مختلف قیرها و مشتقات آن ممکن است برای تثبیت خاک ها استفاده شود. در تثبیت خاک با استفاده از قیر از خاصیت چسبندگی ذرات قیر جهت چسباندن ذرات و دانه های خاک و غیرقابل نقوذ نمودن آنها استفاده می کنند. مکانیزم تثبیت در این روش فیزیکی ـ مکانیکی بوده و تقریباً هیچ نوع فعل و انفعال شیمیایی صورت نمی گیرد. علاوه بر نوع خاک دانه ها، نوع قیر و چگونگی اختلاط و شدت تراکم در نتایج نهایی تثبیت خاک از اهمیت بسزایی برخوردار است. از این روش نسبتاً ساده عموماً برای پوشش های سطحی راه های کم ترافیک و یا به منظور غیرقابل نفوذ نمودن خاک های چسبنده و خاک های درشت دانه تثبیت شده استفاده می کنند.
تثبیت خاک بوسیله تزریق
یکی از روش های مهم و با کاربرد زیاد جهت تثبیت و یا کم کردن نفوذپذیر خاک، روش تزریق می باشد. در این روش ژل و یا دوغاب مصالحی خاص توسط دستگاه های ویژه با توجه به نوع خاک و هدف مورد نیاز به داخل زمین تزریق می شود. مثلاً پرده آب بند سدها و یا تثبیت پی سدها قبل اجراء از موارد کاربرد این روش می باشند.
بخش دوم
گیاه بامبو
معرفی گیاه بامبو
بامبو گیاهی است از خانواده گندمیان یا علوفه با ساقه بندبند و توخالی که در حدود 1500 گونه از آن در دنیا یافت می شود. این گیاه بدون آنکه برای تولید و استفاده از آن در هزینه و نیروی انسان قابل توجهی صرف شود، سالیات درازی است که در تامین خوراک و مسکن نیمی از جمعیت جهان نقش عمده ای را ایفا کرده است.
امروزه با توجه به رشد روزافزون جمعیت، کمبود مواد اولیه و محدود بودن منابع طبیعی در جهان از بامبو به دلیل امتیازات ویژه آن در مصارف گوناگون استفاده می شود. کارشناسان توجه ویژه ای به کاربردهای آن داشته و دارند.
از مهمترین امتیازهای این گیاه نسبت به مصالح دیگر و منابع دیگر می توان به اختصار به موارد زیر اشاره کرد:
بامبو در مقایسه با چوب ارزانتر است و در دوره های کوتاه مدت می توان از آن بهره برداری نمود. بامبو نیازی به مراقبت های پرهزینه ندارد و از جنگل های بامبو هر چهار سال یکبار می توان بهره برداری نمود، در حالی که برای بهره برداری از درخت های جنگلی باید از 8 تا 10 سال انتظار کشید. شایان ذکر است که دوره هر بهره برداری از جنگل های شمال ایران، 120 سال پیش بینی می شود.
بامبو دارای مقاومت کششی بالایی بوده، به طوری که مقاومت کششی بعضی از گونه های آن از فولاد معمولی نیز بیشتر است. نوعی بامبو در تایلند می روید که مقاومت کششی آن به 504 نیوتن بر میلی متر مربع می رسد.
به دلیل استحکام توام با سبکی، شکل پذیری قابل توجه و یکنواختی مناسب بامبو یکی از مصالح ساختمانی مناسب به شمار می رود و سازه های بامبویی مقاومت خوبی در برابر نیروهای ناشی از باد و زلزله از خود نشان می دهند.
تولید و بهره برداری از بامبو یا ابزار و وسایل ساده امکان پذیر می باشد و نیاز به تکنولوژی پیچیده و وابسته ندارد. نیروی تجدید حیات بامبو فوق العاده است. به عنوان مثال بعد از بمباران اتمی هیروشیما هیچ گیاهی غیر از بامبو نتوانست به رشد و حیات خود ادامه دهد.
بامبو از مصالح ساختمانی طبیعی محسوب می شود و تولید و پرورش آن علاوه بر استفاده و کاربردهای مختلف صنعتی، برای حفظ محیط زیست و منابع طبیعی بسیار سودمند است.
کاشت بامبو در شیب های تند باعث جلوگیری از بروز سیل و فرسایش خاک می گردد.
مطابق اطلاعات موجود بامبو از کشورهای خارجی به ایران وارد شده و به طور پراکنده در مناطقی از استان های گیلان و مازندران یافت می شود. به علت ناشناخته بودن و عدم توجه به کافی در مورد تولید و استفاده وسیع از این گیاه تاکنون اقدامی جدی در کشور صورت نگرفته است. با توجه به ویژگی های ذکر شده بامبو کاربردهای متنوعی در صنایع چوب، کاغذسازی و ساختمان دارد که هر کدام برای خود جای بحث و تحقیق دارد.
به عنوان مثال در ساختمان از بامبو به عنوان تیر و ستون استفاده می شود. از انواع بامبو خرپا، قاب، دیوار باربر، غیرباربر، سقف کاذب و حصار نرده ای با روش های سنتی و ساده قابل اجراست.
خواص مهندسی بامبو
شکل مهندسی و خواص فیزیکی بامبو موجب شده اسا که تاکنون استاندارد دقیقی برای شیوه های آزمایش تعیین نگردد و از طرفی متذکر شد که کار تحقیقات علمی در مورد آن کمتر از چوب و فولاد بوده و به همین سبب سعی شده است از روش های استاندارد مربوط به چوب و فولاد و در برخی موارد از روش های پیشنهادی سایر پژوهشگران استفاده گردد.
مقاومت کششی
تعیین مقاومت کششی بامبو با آزمایش مستقیم بر روی ساقه کامل بسیار مشکل و شاید غیرممکن باشد. به علت بالا بودن مقاومت کششی آن، ساخت اتصالات و تمهیدات آزمایشگاهی که بتوان نیروی کششی قابل توجهی را به طور یکنواخت به سطح ساقه آن اعمال کرد، بسیار مشکل بوده و در برخی موارد غیرممکن است. بدین سبب تاکنون چند روش مختلف از طرف پژوهشگران در این زمینه عرضه شده است.
از میان این روش ها، نزدیکترین روش به آزمایش (استاندار) قطعه فولادی مورد توجه قرار گرفت. از آنجا که طول تارهای تشکیل دهنده ساقه در اطراف بندها به حداقل می رسد و نحوه قرار گرفتن آنها در گنار یکدیگر نامنظم است در نزدیکی بندها مقاومت کششی کاهش می یابد.
بنابراین لازم بود که دو دسته نمونه یک دسته دارای بند و دسته دیگر بدون بند مورد آزمایش واقع شود.
نتایج حاصل از آزمایش کششی بر روی پنج نمونه از دو دسته فوق در جدول زیر آورده شده است.
جدول 1: نتایج حاصل از آزمایش کششی
این نمونه ها در دستگاه یونیورسال مدل شنگ با ظرفیت 430 کیلونیوتن مورد آزمایش قرار گرفتند. علاوه بر نمونه های پنج گانه فوق، دو نمونه دیگر تهیه گردید که با نصب کرنش ها سنجش های الکتریکی از نوع 15-11 PL بر روی آنها و تثبیت نیرو و کرنش توسط دستگاه Data Logger از نوع Ps-601 اقدام به تهیه تنش کرنش نمونه ها گردید. با استفاده از این منحنی و نرم افزار Curvfit مقدار نمونه ارتجاعی کششی بامبو تعیین گردید.
مقاومت فشاری
برای بدست آوردن مقاومت فشاری نیز روش های گوناگونی بر روی نمونه های ساقه کامل و نواری بامبو پیشنهاد گردیده است. نتایج بدست آمده از هر روش برای یک نوع بامبو به نوبه خود جای بحث و مطالعه دارد. بنابراین روش مشابه، روشی استاندارد برای چوب بکار می رود، در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت و نمونه های دارای بند و بدون بند با مشخصات ارائه شده، تهیه گردید.
از هر نمونه سه قطعه مورد آزمایش قرار گرفت که نتایج مقاومت فشاری هر یک و میانگین آنها در جدول 2 آورده شده است.
جدول 2: نتایج آزمای فشاری
مقاومت برشی
شاید چنین به نظر آید که مقاومت بامبو در برش پایین باشد، لیکن بررسی های به عمل آمده حاکی از آن است که بامبو دارای مقاومت برشی مناسب است، زیرا مقاومت برشی چوب و بامبو بستگی مستقیم به ضخامت غشاء سلولی آنها دارد. از آنجا که وجود پرده های چوبی در چوب بیش از بامبو است، مقاومت برشی آن در مقایسه با بامبو که مقطع آن توخالی است، کمتر است. در واقع توخالی بودن مقطع بامبو که به صورت یک سلول عمل می کند، مقاومت آن بیش از چوب است. برای تعیین مقاومت برشی به علت اینکه خواص بامبو در جهت عمود بر الیاف و موازی الیاف آن متفاوت است. در این آزمایش دو نوع آزمایش برشی در جهت الیاف و عمود بر جهت الیاف انجام شده است.
برای تعیین مقاومت برشی عمود بر الیاف، روش استاندارد مربوط به چوب و فولاد را مطابق جدول زیر اعمال نموده و برای نمونه در امتداد الیاف از روش پیشنهادی پژوهشگر یانسن استفاده گردیده است.
جدول 4: مقاومت برشی بامبو در جهت الیاف طولی
مقاومت خمشی
برای تعیین مقاومت خمشی بامبو روش های زیادی عرضه شده است. به دلیل اهمیت این مقاومت آزمایش های متعددی بر روی نمونه ای نواری، یعنی از ساقه، ساقه کامل با طول های مختلف و انواع بارگذاری متمرکز یا گسترده صورت گرفته است که از آن میان، روشی را که با اعمال دوبار متمرکز در فواصل مساوی از دو انتها مقاومت خمشی خالص را بدست می دهد، برگزیده شده است. در این روش ساقه کامل موردنظر بوده است.
بخش سوم
روش های اختلاط خاک رس و بامبو
اختلاط در طول راه
این روش در مواقعی استفاده می شود که منظور تثبیت مصالح موجود بستر راه و یا روسازی و یا هر لایه از جسم راه باشد و روش کار بدبن ترتیب است که گریدر خاک هایی را که قرار است تثبیت شود و در طول راه ریخته شده است، پخش نموده و هوا می دهد و آنها را از حالت کلوخ خارج می کند. سپس با افزایش بامبو عمل مخلوط کردن آنها را ادامه می دهد و سرانجام پس از افزایش آب توسط آبپاش مجدداً اختلاط و عمل آوردن خاک با زیر و رو نمودن مصالح صورت می گیرد.
پس از حصول اطمینان از انجام عمل اختلاط به نحو مطلوب فرصت لازم برای عمل آمدن بهتر به مخلوط داده می شود و نهایتاً مخلوط در دو مرحله توسط غلطک های پاچه بزی و غلطک های چرخ لاستیکی متراکم می گردد.
اختلاط در محل قرنطینه
در این حالت برای اجرای لایه های خاکریز یا روسازی در صورتی که خاک مورد نیاز از قرضه تامین می شود، می توان عمل اختلاط مصالح را در محل قرضه به صورت خشک انجام داد و اصولاً روش کار بدین گونه است که ابتدا با ریپرهای گریدر خاک را زیر و رو نموده و فرصت خواهیم داد تا قدری رطوبت خاک کم و از حالت کلوخ خارج و به صورت دانه دانه درآید. سپس ذرات بامبو را که به صورت تراشه های ریز خواهند بود، به آن اضافه می کنیم. سپس توسط گریدر و یا هر دستگاه دیگری این مصالح را مخلوط می کنیم و لازم به ذکر است که در این راستا کیفیت مصالح تثبیت شده در گروه میزان همگنی این مخلوط است.
پس از حصول اطمینان از اختلاط، آب لازم را بوسیله تانکر آب پاش بر روی آن ریخته و مخلوط را زیر و رو می کنیم. مجدداً با زیر و رو کردن مخلوط سعی در امتزاج خاک، بامبو و آب و ایجاد زمینه ای برای انجام واکنش های ثانویه خواهیم نمود و در نهایت عمل تراکم را انجام می دهیم.
اختلاط الیاف بامبو و خاک
بهترین روش اختلاط الیاف بامبو و خاک در حالت خشک می باشد. دلیل این مساله، این است که در اختلاط الیاف با خاک جهت رسیدن به یک حالت بهینه باید حتی الامکان یک مخلوط نسبتاً همگن داشته باشیم و با توجه به این که الیاف بامبو در حالت خشک به طور مجزا از یکدیگر می باشند، ولی در حالت مرطوب، به دلیل داشتن یکسری مواد قندی به یکدیگر می چسبند. بنابراین روش اختلاط را در حالت خشک انتخاب می کنیم.
مقدار خاک و بامبوی مورد نیاز جهت اختلاط با درصد وزنی موردنظر جدا شده و این دو را همانطوری که قبلاً اشاره شد، جهت بدست آوردن یک مخلوط نسبتاً همگن و یکنواخت در حالت خشک و با دست مخلوط می کنیم. لازم به ذکر است درصد بامبوی مخلوط را به شکل نسبت وزنی بامبو به وزن خشک خاک تعریف می کنیم. به این ترتیب پس از آماده شدن مخلوط با درصدهای مختلف بامبو موردنظر آزمایشات لازم قابل اجرا می باشند.
با تشکر از
همراهی صمیمانه شما