ماسه مسلح شده چیست؟

مقدمه

به طور معمول، برای افزایش تحمل بار در زمین‌ها و افزایش مقاومت خاک در برابر فشارها، از روش‌های مهندسی ژئومکانیکی استفاده می‌شود که به این روش‌ها خاک مسلح گفته می‌شود. این روش اغلب در مناطقی استفاده می‌شود که خاک آنها نرم است و نمی‌توان ساختمان را بر روی آنها احداث کرد و این خاک دارای توانایی مقاومت در برابر فشارهای ساختمانی نمی‌باشد.

در این مقاله قصد داریم به بررسی پرسش خاک مسلح چیست و کاربردهای آن در صنعت ساختمان بپردازیم و این روش مقاوم‌سازی خاک را مورد بررسی قرار دهیم؛ بنابراین، اگر شما نیز علاقه‌مندید اطلاعاتی درباره این روش به دست آورید، تا پایان این مقاله همراه ما باشید.

1. مفهوم خاک مسلح

همان‌طور که اشاره شد، خاکی که از طریق فرایندهای مهندسی ژئومکانیکی مقاوم‌سازی شده و برای انجام پروژه‌های عمرانی آماده شده است، خاک مسلح نامیده می‌شود. تاریخچه مقاوم‌سازی خاک و استفاده از خاک مسلح به هزاران سال پیش می‌رسد و نیاکان ما نیز با افزودن کاه، گل یا نیزار بافته شده به خاک، سعی در تقویت آن داشتند تا بتوانند خانه، قلعه، دیوارهای حفاظتی و… را بر روی زمین بنا کنند. دیوار چین می‌تواند به‌عنوان یکی از نمونه‌های خاک مسلح در دوره‌های گذشته ذکر شود.

2. مسلح‌کردن خاک

به‌صورت کلی، خاک از تجزیه و تفکیک سنگ‌های بزرگ به ذرات کوچک‌تری مانند شن، ماسه، سنگ‌ریزه و… تشکیل می‌شود، و هر نوع از خاک‌ها دارای ویژگی‌های خاصی است که به میزان خاصی از آب‌وهوا را از خود عبور می‌دهند. به‌عنوان‌مثال، سنگ‌ریزه، شن و ماسه جزو خاک‌های نفوذپذیر هستند و آب‌وهوا به‌راحتی از میان ذرات آن‌ها عبور می‌یابد.

نکته مهم این است که برای انجام پروژه‌های عمرانی مختلف مانند ساخت پل، ساختمان و…، نیاز داریم تا خواص مکانیکی خاک را با استفاده از سیستم‌های تقویتی تنظیم کنیم. برای مسلح‌کردن خاک، باید بر اساس نوع خاک و نیازهای پروژه موردنظر، از روش و سیستم تقویتی مناسب استفاده کرد و خواص مکانیکی موردنظر را فراهم کرد. به‌عنوان‌مثال، در برخی شرایط، لازم است فشردگی خاک را افزایش دهیم و برای این کار می‌توان از سیستم‌های تقویتی عمودی و افقی استفاده کرد.

3. روش‌های مسلح‌کردن خاک

از جمله روش‌های مسلح‌کردن خاک می‌توان به میخ‌کوبی، سیستم‌های مهاربندی یا انکراژ، ژئوسنتتیک و پنل فیسینگ اشاره کرد که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

1.3. میخ‌کوبی (Soil nailing)

روش میخ‌کوبی یکی از روش‌های مسلح‌کردن خاک است که برای استحکام بخشیدن به خاک زمین مجاور پروژه مورداستفاده قرار می‌گیرد. این روش با استفاده از میله‌ها و میخ‌های فولادی اجرا می‌شود. عموماً این روش برای حمایت از خاک زمین‌های مجاور در زمان اجرای مراحل گودبرداری به کار می‌رود و می‌توان به کاربردهای آن در پروژه‌هایی مانند بزرگراه‌ها، پل‌ها و… اشاره کرد.

2.3. سیستم مهاربندی یا انکراژ

روش سیستم مهاربندی یا انکراژ برای افزایش ظرفیت باربری خاک استفاده می‌شود. در این روش، سوراخ‌هایی در دیواره‌های گودها حفر می‌شود و مهارها در این سوراخ‌ها قرار می‌گیرند و با پیش‌تنیده شدن به المان‌های مقاومت تبدیل می‌شوند.

3.3. ژئوسنتتیک

متریال ژئوسنتتیک که در زمینه مهندسی ژئوتکنیک و خاک مسلح دارای کاربردهای بسیاری هستند و به‌عنوان زهکش، فیلتر و مسلح‌کننده به کار می‌روند، از پلیمرهای مصنوعی ساخته می‌شوند. متریال ژئوتکستایل که از خانواده ژئوسنتتیک است، از پلیمرهای پلی‌پروپیلن یا پلی‌استر تهیه می‌شود که در راستای افزایش مقاومت، پایداری و جلوگیری از فرسایش خاک و کمک به زهکشی مورداستفاده قرار می‌گیرد. ژئوگرید که یکی از موارد ژئوسنتتیک است، دارای ساختار مش مانند و دارای دهانه‌های مستطیلی و مربعی است. این ماده ژئوسنتتیک با ثابت نگه‌داشتن و جلوگیری از حرکت جانبی خاک، مقاومت و پایداری خاک را افزایش می‌دهد. ژئوممبران، ژئوکامپوزیت‌ها، ژئوسل‌ها، ژئومت‌ها، ژئونت‌ها و… از دیگر انواع ژئوسنتتیک‌ها هستند.

4.3. پنل‌های فیسینگ (Facing Panels)

پنل‌های فیسینگ یا Facing Panels، معمولاً از پنل‌های پیش‌ساخته فولادی یا بتنی که به هم متصل هستند، تشکیل می‌شوند و جزو سازه‌های مسلح‌کننده عمودی خاک هستند. در روش پنل فیسینگ، از بتن‌های با چگالی بالا (350 کیلوگرم بر مترمکعب) استفاده می‌شود و این موضوع سبب شده تا از این روش خاک مسلح در پروژه‌هایی مانند ساخت پل، زیرگذر و… استفاده شود. در این روش برای افزایش بهم پیوستگی ساختار، میل‌گردهایی را در زیر خاک قرار می‌دهند. ضمناً در این سیستم، از میل‌گردها و مش‌ها به‌عنوان اعضای کششی نیز استفاده می‌شود.

4. بخش‌های اصلی خاک مسلح

1.4. خاکریز

عموماً از خاک‌های دانه‌ای استفاده می‌شود.

2.4. عناصر مسلح‌کننده

در بیشتر موارد از تسمه‌های باریک و پهن‌ در فواصل معینی ‌استفاده می‌شود.

3.4. پوسته

قطعات پوسته به یک انتهای عناصر مسلح‌کننده متصل هستند و وجه خارجی دیوار را پوشش می‌دهند. نسبت عرض به ارتفاع در دیوارهای خاک مسلح معمولاً بزرگ است و در نتیجه بر خلاف دیوارهای حایل معمولی، پدیده تمرکز تنش در پنجه دیوار دیده نمی‌شود. به همین دلیل برای بسترهای با ظرفیت باربری کم مناسب هستند.

در خاک مسلح با استفاده از عناصر مسلح‌کننده که در داخل خاک قرار گرفته‌اند و ابتدای آنها به عناصر پوسته متصل شده‌، عناصر پوسته و به‌تبع آن خاکریز مهار می‌شود. در این روش خاکریز از یکسو روی اجزای پوسته فشار جانبی اعمال کرده و از دیگر سو، اندرکنش آن با تسمه‌ها باعث مهار خاک می‌شود.

5. روش اجرا و کاربری‌های متعارف

خاکریزی در ساز‌ه‌های خاک مسلح به‌صورت لایه‌لایه اجرا شده و مشابه خاکریزهای معمول متراکم می‌شود. المان‌های مسلح‌کننده در فاصله بین این لایه‌ها قرار می‌گیرند. المان‌های پوسته به دو صورت، فلزی و با مقطع نیم بیضی و بتنی پیش‌ساخته چلیپایی شکل استفاده می‌شود. اجرای دیوارهای خاک مسلح با استفاده این قطعات‌‌ ابتدا یک ردیف المان‌های پوسته در محل خود قرار داده می‌شود و پس از آن یک‌لایه خاکریز و المان‌های مسلح‌کننده اجرا می‌شود.

6. مقایسه خاک مسلح با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل

از مقایسه خاک مسلح با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل می‌توان به نتایج زیر رسید:

• امکان اجرای سریع و ساده خاک مسلح بخصوص با استفاده از امکانات پیش‌ساختگی وجود دارد.
• هزینه‌ها در مقایسه با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل کاهش می‌یابد.
• تطابق‌پذیری آن بالاست و امکان اجرا در انواع شیب‌ها و با شرایط مختلف خاک وجود دارد.
• وجود المان‌های پوسته امکان ایجاد بیشترین هماهنگی بین سازه و محیط اطراف را به طراح می‌دهد.
• انعطاف‌پذیری و تغییرشکل‌پذیری نسبتاً بالای خاک مسلح امکان تحمل نشست‌های زیاد را فراهم می‌آورد.

7. کاربرد خاک مسلح

‌مشکل اصلی خاک مسلح پدیده خوردگی المان‌های مسلح‌کننده در خاک است. بنابراین در طراحی و اجرای خاک مسلح باید توجه خاصی به دوام و پایایی مصالح المان‌های مسلح‌کننده در خاک داشت. در مجموع تجربه‌های حاصل از اجرای نمونه‌های مختلف خاک مسلح بیانگر کارایی مناسب آن برای موارد زیر است.

• دیوارهای خاک مسلح در جاده‌های کوهستانی که بر روی بسترهای ضعیف‌ یا شیب‌های ناپایدار اجرا شده‌اند.
• دیوارهای خاک مسلح برای آزادراه‌ها که در آنها اجرای سریع و هزینه پایین اهمیت بسیاری دارد.
• دیوارهای خاک مسلح در اطراف خطوط راه‌آهن که برای آنها مقاومت بالا در مقابل ارتعاش مدنظر است.
• دیوارهای خاک مسلح به‌عنوان دیوارهای ساحلی به دلیل مقاومت خوب آنها در مقابل ضربات امواج و فرسایش ناشی از آن.

8. مشخصات اجزای تشکیل دهنده خاک مسلح

• خاکریز
• الما‌ن‌های مسلح‌کننده
• الما‌ن‌های پوسته

1.8. خاکریز

برای افزایش کارایی خاک مسلح باید توجه خاصی به ویژگی‌های خاکریز داشت. ویژگی‌های مهم در این مورد به شرح زیر است.

• پایداری خاکریز در درازمدت و کوتاه مدت
• خواص مکانیکی خاک (چسبندگی و اصطکاک داخلی)
• خواص شیمیایی (مسائل دوام و پایداری، خوردگی عناصر مسلح‌کننده)

در مورد خاک‌های دانه‌ای و خاک‌های چسبنده باید به موارد زیر به هنگام انتخاب خاکریز برای خاک مسلح توجه داشت. انتخاب خاک‌های دانه‌ای متراکم شده که به هنگام اعمال نیروی برشی دچار افزایش حجم می‌شوند، مناسب‌تر هستند. در خاک‌های دانه‌ای خوب زهکشی شده، تنش مؤثر عمودی پس از اجرای هر لایه خاکریز سریعاً بین خاکریز و المان‌های مسلح‌کننده منتقل می‌شود و کاهش مقاومت برشی با بارگذاری قائم بدون تأخیر فاز صورت می‌گیرد. در محدوده بارهای معمول خاک مسلح این خاک‌ها رفتاری الاستیک از خود نشان می‌دهند، در نتیجه پدیده تغییر شکل پسماند (پس از اجرا) در آن رخ نمی‌دهد.

از سوی دیگر در خاک‌های ریزدانه که معمولاً خوب زهکشی نمی‌شوند، تنش مؤثر سریعاً منتقل نمی‌شود و در نتیجه ضریب ایمنی زمان اجرا بسیار کاهش می‌یابد. علاوه‌برآن به دلیل وجود رفتار الاستوپلاستیک یا پلاستیک در این خا‌ک‌ها احتمال رخداد تغییر شکل پسماند (پس از اجرا) وجود دارد. از سویی در این خاک‌ها المان‌های مسلح‌کننده با تنش بالا، مستعد پدیده خزش هستند و خوردگی در آنها بیشتر دیده می‌شود. بر اساس این مجموعه موارد استفاده از خاک‌های ریزدانه برای خاکریز خاک مسلح مناسب نیست.

2.8. عناصر مسلح‌کننده

این عناصر از عوامل کلیدی خاک مسلح برای انتقال نیرو از ناحیه محرک به ناحیه مقاوم هستند. این عناصر باید پیوستگی و اصطکاک مناسبی با مصالح خاکریز داشته، دوام و پایایی آنها مناسب، و دارای شکل‌پذیری زیاد در هنگام گسیختگی باشند. میزان وادادگی آنها تحت تنش‌های کششی باید کم باشد. براین‌اساس موادی که با موفقیت در مسلح‌سازی انواع سازه‌های مهندسی به کار رفته‌اند عبارت‌اند از فولاد گالوانیزه، آلیاژ آلومینیوم منیزیم، فولاد ضدزنگ، و مواد پلیمری.

عناصر مسلح‌کننده غیرفلزی معمولاً از پلیمرها ساخته می‌شوند، البته استفاده از ژئوسینتتیک‌ها (نظیر ژئوتکستایل، ژئوگرید و ژئوکامپوزیت) هم معمول است. این المان‌ها معمولاً ضعیف‌تر از المان‌های مشابه فلزی هستند و دچار خوردگی نمی‌شوند. اما توسط عوامل دیگر مورد حمله قرار می‌گیرند و پدیده خزش معمولاً در مورد این مواد از اهمیت بسیاری برخوردار است.

3.8. عناصر پوسته

این عناصر در واقع پوششی برای خاک مسلح هستند و عملکرد اصلی آنها جلوگیری از ریزش خاک بین الما‌ن‌های مسلح‌کننده است. این اجزا برای جلوگیری از فرسایش سطحی و ایجاد یک نمای مناسب استفاده می‌شوند. خاک مسلح به دلیل انعطاف‌پذیری بالای آن در بسیاری موارد بر روی خاک‌های نرم که نشست بسیاری در آنها رخ می‌دهد اجرا می‌شوند. بر این اساس المان پوسته هم باید انعطاف‌پذیری لازم را داشته باشد. بیشترین نوع المان‌های پوسته که معمولاً مورداستفاده قرار می‌گیرند، شامل موارد زیر است.

1.3.8. قطعات فلزی یا فولادی

شکل این المان‌ها به‌صورت مقطعی از نیم بیضی است که بسیار انعطاف‌پذیر و مقاوم هستند، برای نصب این المان‌ها آنها را به یکدیگر پیچ کرده و المان‌های مسلح‌کننده را در فاصله بین آنها قرار می‌دهند. استفاده از این نوع المان پوسته برای مناطقی که مشکل حمل‌ونقل و دسترسی وجود داشته باشد به دلیل سبکی بالایشان بسیار مناسب است.

2.3.8. قطعات بتنی

شکل این المان‌ها معمولاً به‌صورت چلیپایی است و با استفاده از بتن به‌صورت پیش‌ساخته تهیه می‌شوند. اتصالات آنها به‌گونه‌ای تعبیه شده که امکان تحمل تغییر شکل قابل‌ملاحظه‌ای را بدون ترک‌خوردگی در بتن داشته باشند و ‌خاک از آن محل خارج نشود.
قطعات بتنی امکان اجرای انواع پوشش‌های نما را فراهم می‌آورند.

3.3.8. دوام و پایایی

رفتار و عملکرد خاک مسلح در درازمدت تابعی از رفتار المان‌های مسلح‌کننده آن در طول زمان است. بر اساس ویژگی‌های مکانیکی موردنیاز برای المان‌های مسلح‌کننده، فولاد یکی از بهترین انتخاب‌ها است، اما پدیده خوردگی در فولاد باعث تقلیل رفتار خاک مسلح می‌شود. بدین دلیل بررسی بر روی سایر مصالح برای انتخاب آنها به‌جای المان‌های مسلح‌کننده هم‌زمان با کاربرد خاک مسلح شروع شده است.

9. رفتار خاک مسلح

خاک مسلح را می‌توان نتیجه مشارکت دو ماده با مدول الاستیسیته متفاوت دانست که اساس آن بر اصطکاک و اندرکنش خاک و الما‌ن‌های مسلح‌کننده پایه‌گذاری شده است. برای درک رفتار سازه‌های خاک مسلح ابتدا رفتار نمونه‌های آزمایشگاهی مصالح خاک مسلح و سپس اصطکاک بین خاک و المان‌های مسلح‌کننده و در نهایت رفتار سازه‌های خاک مسلح بررسی می‌شود.

1.9. رفتار نمونه‌های مصالح خاک مسلح

یک نمونه آزمایشگاهی از خاک مسلح را به‌عنوان یک نوع مصالح مورد آزمایش قرار می‌دهیم. نتایج حاصله از یک سری آزمایش‌های سه محوری بر روی نمونه‌های ماسه مسلح شده با دیسک‌های افقی آلومینیومی نمایانگر تأثیر چگالی ماسه، فواصل و مقاومت کششی عناصر مسلح‌کننده بر روی رفتار نمونه است. در این آزمایش‌ها دو مد خرابی قابل‌مشاهده است.

• خرابی در اثر پارگی المان‌های مسلح‌کننده
• خرابی در اثر لغزش بین خاک و المان‌های مسلح‌کننده

2.9. رفتار و مکانیزم سازه خاک مسلح

آزمایش‌های انجام شده نشانگر تغییر نیروی کششی در طول الما‌ن‌های مسلح‌کننده و رسیدن آن به یک مقدار حداکثر در این طول است. مکان هندسی محل تنش حداکثر در المان‌های مسلح‌کننده برای لایه‌های متفاوت خط نیروی کششی حداکثر را تعریف می‌کند. این خط دو ناحیه محرک و مقاوم را از هم جدا می‌کند.

3.9. ناحیه محرک

در این ناحیه خاک تمایل به جداشدن از سازه دارد و عامل اصطکاک در طول المان مسلح‌کننده آن را مهار می‌کند.

4.9. ناحیه مقاوم

در این ناحیه تنش برشی مانع از لغزش المان‌های مسلح‌کننده می‌شود. خط مرزی بین این دو ناحیه (خط کشش حداکثر) سطح محتمل گسیختگی در سازه است. موقعیت این خط تابع چند پارامتر از جمله هندسه سازه، نیروهای وارده و تأثیرات دینامیکی است. علاوه‌برآن میزان صلبیت المان‌های مسلح‌کننده هم بر روی شکل آن اثرگذار است.

این سطح گسیختگی متفاوت از گوه گسیختگی کولمب است، این خط در ناحیه فوقانی دیوار عمودی است و این به دلیل وجود المان‌های مسلح‌کننده نسبتاً صلب در خاک است که باعث تغییر توزیع تنش، کرنش در خاک می‌شود.

10. روش طراحی خاک مسلح

طراحی سازه‌های خاک مسلح شامل کنترل پایداری خارجی یا کلی و پایداری داخلی است.

پایداری خارجی یا کلی سازه

مدهای معمول خرابی در این مورد به شرح زیر است.

• لغزش
• واژگونی
• عدم کفایت باربری بستر (کج‌شدگی)
• لغزش عمیق

برای این منظور می‌توان خاک مسلح را مشابه یک سازه وزنی فرض نمود و کل نیروهای وارد بر سازه خاک مسلح را با فرض توزیع رانکین برای فشار جانبی خاک و توزیع ذوزنقه‌ای برای تنش خاک در زیر سازه در نظر گرفت.

11. رفتار لرزه‌ای خاک مسلح

بر اساس آزمایش‌هایی میز لرزان، مشاهده نمونه‌های واقعی پس از زلزله و تحلیل‌های عددی اجزای محدود، مشخص شده که سازه‌های خاک مسلح عموماً به دلیل انعطاف‌پذیری خوب، زلزله‌های شدید را بدون خرابی تحمل می‌کنند. توزیع عناصر مسلح‌کننده در جرم سازه باعث توزیع و استهلاک انرژی لرزه‌ای می‌شود، در نتیجه احتمال ایجاد نیروی متمرکز و به دنبال آن خرابی کاهش می‌یابد.

تأثیر زلزله روی پایداری کلی سازه خاک مسلح را می‌توان بر اساس فرضیات حاکم بر سایر سیستم‌های حایل وزنی انعطاف‌پذیر تخمین زد. در مورد پایداری داخلی، زلزله منجر به افزایش نیروهای دینامیکی در عناصر مسلح‌کننده می‌شود، توزیع نیروها در حالت دینامیکی متفاوت از توزیع آن در حالت استاتیکی است.

12. مزایای استفاده از خاک مسلح

• افزایش استحکام و پایداری

با استفاده از خاک مسلح، استحکام و پایداری خاک افزایش می‌یابد که این امر موجب می‌شود سازه‌هایی مانند پل‌ها، ساختمان‌ها و دیوارها بتوانند بارهای سنگین را به‌خوبی تحمل کنند.

• کاهش فرسایش

خاک مسلح باعث کاهش فرسایش خاک و جلوگیری ازدست‌دادن آن به دلیل عوامل مختلفی مانند باران و رودخانه‌ها می‌شود.

• افزایش قابلیت زهکشی

با استفاده از خاک مسلح، قابلیت زهکشی خاک بهبود می‌یابد که این امر موجب کاهش مخاطرات سیلاب و آب‌گرفتگی می‌شود.

• استفاده از منابع محلی

برای تقویت خاک مسلح، می‌توان از منابع محلی مانند مصالح محلی و طبیعی استفاده کرد که باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها و حفظ محیط‌زیست می‌شود.

• انعطاف‌پذیری

خاک مسلح انعطاف‌پذیری زیادی دارد که به علت این انعطاف‌پذیری، توانایی تطبیق با تغییرات طبیعی و محیطی را داراست. این مزایا موجب جلب‌توجه مهندسان و متخصصان به استفاده از خاک مسلح در اجرای پروژه‌های مختلف شده است.

13. معایب استفاده از خاک مسلح

• هزینه بالا

استفاده از خاک مسلح ممکن است هزینه‌های اجرایی پروژه را افزایش دهد، زیرا نیاز به مصالح و تجهیزات خاصی دارد که ممکن است گران باشند.

• پایداری زمانی

عمر مفید خاک مسلح معمولاً کمتر از مصالح مصنوعی است و نیاز به نگهداری و تعمیرات دوره‌ای دارد.

• پیچیدگی اجرایی

اجرای خاک مسلح ممکن است نیاز به مهارت‌ها و دانش فنی خاصی داشته باشد که این موضوع می‌تواند موجب افزایش پیچیدگی‌ها و مشکلات در طول اجرای پروژه شود.

• تغییرات زمین‌شناسی

خواص و ویژگی‌های خاک در طول زمان ممکن است تغییر کنند که این موضوع می‌تواند تأثیر منفی بر کارایی خاک مسلح داشته باشد.

• تأثیرات زیست‌محیطی

استفاده از برخی مصالح و روش‌های خاک مسلح ممکن است منجر به تخریب یا تغییر محیط زیستی محلی شود که این امر نیاز به بررسی دقیق و اجرای استراتژی‌های مناسب برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی دارد.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

خاک مسلح یک روش مهندسی مورداستفاده در ساخت‌وساز است که با تقویت و تقویت خواص مکانیکی خاک، استحکام و پایداری سازه‌ها را افزایش می‌دهد. این روش به‌عنوان یک جایگزین مؤثر برای استفاده از سازه‌های مصنوعی در بسیاری از پروژه‌های عمرانی شناخته شده است، بااین‌حال دارای مزایا و معایب خود است. بااین‌حال، با درنظرگرفتن نیازها و شرایط هر پروژه، استفاده از خاک مسلح می‌تواند یک گزینه مطلوب برای افزایش استحکام و پایداری سازه‌ها باشد.

جهت آشنایی کامل با “ماسه مسلح شده” به جزوه “مکانیک خاک” در بخش هایپر فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید.