مقاومت ژئوگریدها

در عملکرد اکثر سازه های خاکی مسلح، مقاومت بیرون کشش مسلح کننده نقش عمده ای را به عهده دارد. از طرفی به علت اینکه خاک های درشت دانه معمولاً اندرکنش بهتری با مسلح کننده برقرار می کنند، در این سازه ها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. خاک درشت دانه عموماً از محل قرضه به محل اجرای سازه های خاکی منتقل می شود و از این رو، تهیه ی آن پرهزینه است.

مطابق تعریف مؤسسه ی استاندارد آمریکا، ژئوسنتتیک ها محصولات صفحه ای از جنس پلیمرها هستند که به عنوان جزئی جدایی ناپذیر همراه با مصالح طبیعی ژئوتکنیکی مثل خاک و سنگ در سازه های مهندسی عمران بکار برده می شوند. به علت ضعف خاک، از این محصولات در تقویت مقاومت برشی خاک استفاده می شود. خاک، بیشترین حجم یک سازه ی خاک مسلح را تشکیل می دهد. می توان گفت که تقریباً همیشه امکان اجرایی سازه ی خاک مسلح حتی با استفاده از خاکی که در محل موجود است یا با استفاده از خاکی که از نزدیکی محل آورده شده، وجود دارد.

اما لازم است که بدانیم آیا خاک مورد استفاده برای ساختن یک سازه ی خاک مسلح مناسب است یا خیر. به همین منظور انتخاب خاک با در نظر گرفتن مواردی مثل نوع سازه، پایداری طولانی مدت سازه ی نهایی، پایداری کوتاه مدت (در حین ساخت)، خصوصیات فیزیکی شیمیایی مصالح و هزینه ی کار، صورت می گیرد. پایداری سازه ی خاک مسلح به توسعه ی مناسب اصطکاک بین خاک و مسلح کننده بستگی دارد. اصطکاکی که در این حالت بین خاک و مسلح کننده به وجود می آید تابعی از خصوصیات آنها خواهد بود.

خاک های غیرچسبنده ی متراکم شده به میزانی که این تراکم منجر به انبساط حجمی آنها در حین آزمایش برش شود، خاک های مناسب و ایده آلی برای استفاده در سازه های خاک مسلح هستند. این خاک ها در محدوده ای که سازه های خاک مسلح معمولاً بارگذاری می شوند به صورت مصالح الاستیک عمل می کنند. تنها عیب خاک های غیرچسبنده آن است که این خاک ها معمولاً مصالحی وارداتی هستند و بنابراین ممکن است برای اجرای یک سازه ی خاک مسلح، مصالح پر هزینه ای باشند.

از طرف دیگر، خاک های چسبنده (ریزدانه ی رسی) برای ساختن سازه های خاک مسلح مناسب نیستند. این خاک ها معمولاً از لحاظ دانه بندی ضعیف هستند. رفتار این خاک ها به صورت پلاستیک یا الاستوپلاستیک است، بنابراین در این خاک ها احتمال تغییر شکل پس از اجرا، زیاد است. مسلح کننده هایی که در خاک های چسبنده تحت اثر تنش زیادی واقع می شوند ممکن است مستعد خزش و تحت صدمه ی بیشتر در اثر خوردگی باشند. مهم ترین مزیت خاک های چسبنده، در دسترس بودن آنها است و بنابراین این مصالح مقرون به صرفه هستند.

مشکل دیگری که در رابطه با خاک ریزدانه (رسی) مطرح است مقاومت برشی سطح تماس آن با مسلح کننده است. به علت پایین بودن مقدار این مقاومت، گسیختگی برشی در سطح تماس، قبل از رسیدن مقاومت بیرون کشش مسلح کننده به حد نهایی، به وقوع می پیوندد. بنابراین مقاومت مسلح کننده در این خاک، به صورت کامل مورد بهره برداری قرار نمی گیرد. مکانیزم اندرکنش خاک و مسلح کننده را می توان به سادگی به دو گروه زیر تقسیم بندی نمود.

• لغزش خاک به صورت برش مستقیم بر روی سطح مسلح کننده.
• بیرون کشیده شدن مسلح کننده از داخل خاک

به همین دلیل با استناد به مفاهیم فوق، برای مسلح کننده هایی که به شکل شبکه ای ساخته شده اند، مثل ژئوگریدها، مکانیزم شماره ی 1 به کمک اصطکاک بین خاک و سطح ژئوگرید و نیز توسط اصطکاک داخلی ذرات خاک به تنهایی، کنترل می شود. در مکانیزم شماره ی 2 مقاومت بیرون کشش ژئوگرید به کمک اصطکاک بین خاک و ژئوگرید و همچنین توسط مقاومت باربری خاک بر روی اعضای عرضی ژئوگرید، قابل کنترل است.در رابطه با عوامل مؤثر و نیز رفتار مسلح کننده هایی از نوع ژئوسنتتیک در حین بیرون کشش، تاکنون مطالعات مختلف آزمایشگاهی و عددی توسط محققین مختلف انجام شده است.

برگادو و همکاران در سال 1987، اندرکنش بین خاک و ژئوگرید را با استفاده از آزمایش های برش مستقیم و بیرون کشش گزارش دادند و از نتایج آنها در یک مطالعه ی موردی، استفاده نمودند. در این آزمایش ها از ژئوگریدی که در خاک ماسه ی رسی قرار گرفته، استفاده شده است. آنها به این مسأله پی بردند که زاویه اصطکاک داخلی به دست آمده بین خاک و مسلح کننده، مقداری دست بالا است و این به علت اصطکاک دیواره ی داخلی جعبه ی آزمایش در آزمایش های کوچک مقیاس است. به همین دلیل آنها توصیه به روغن کاری دیواره ی داخلی جعبه و نیز افزایش مقیاس آزمایش، کردند.

نتایج مطالعات آنها نشان می دهد که مسلح کننده ی مهار شبکه، تحت شرایط یکسانی با ژئوگرید معمولی، مقاومت بیرون کشش بیشتر ی از خود بروز می دهد، این در حالی است که مهار شبکه برای رسیدن به مقاومت نهایی خود، جابه جایی کمتری نسبت به ژئوگرید معمولی در نقطه ی نزدیک به اعمال بار دارد. به علاوه، مهار شبکه رفتار سختتری را نسبت به ژئوگرید معمولی از خود بروز می دهد و این به دلیل ظرفیت بالا و توانایی مهار شبکه در کسب مقاومت بیرون کشش در جابه جایی های کمتر است. این افزایش ظرفیت در مسلح کننده ی مهار شبکه به علت مکانیزم مقاومت فعال مهارها است.

استفاده از مهار شبکه از این لحاظ که مقاومت بیرون کشش بیشتری در ازای جابه جایی کمتر در طول خود دارد، به صرفه تر است.که هر چقدر میزان ضخامت خاک درشت دانه ی اطراف ژئوگرید بیشتر شود، مقدار مقاومت بیرون کشش آن افزایش می یابد. البته این مقدار افزایش تابع ضخامت لایه ی خاک درشت دانه است. از طرفی، مقدار جابه جایی ثبت شده ی هر نقطه از ژئوگرید به ازای حداکثر مقاومت بیرون کشش آن نقطه، با افزایش ضخامت درشت دانه ی اطراف ژئوگرید، کاهش می یابد.

دلیل این امر آن است که با افزایش ضخامت درشت دانه، به علت افزایش تنش اصطکاکی بر روی صفحه ی ژئوگرید، مقدار جابه جایی کمتری از خود نشان می دهد.در یک مقایسه ی کلی بین نمودارهای مهار شبکه و ژئوگرید معمولی می توان گفت که میزان حداکثر نیروی بیرون کشش در مهار شبکه نسبت به ژئوگرید معمولی افزایش یافته ولی میزان جابه جایی در راستای مسلح کننده به ازای این نیرو، در مهار شبکه نسبت به ژئوگرید معمولی کاهش یافته است.