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.

مسلح‌کردن خاک

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.

بخش‌های اصلی خاک مسلح

4. بخش‌های اصلی خاک مسلح

1.4. خاکريز

عموماً از خاک‌های دانه‌ای استفاده می‌شود.

2.4. عناصر مسلح‌کننده

در بيشتر موارد از تسمه‌های باريک و پهن‌ در فواصل معينی ‌استفاده می‌شود.

3.4. پوسته

قطعات پوسته به يک انتهای عناصر مسلح‌کننده متصل هستند و وجه خارجی ديوار را پوشش می‌دهند. نسبت عرض به ارتفاع در ديوارهای خاک مسلح معمولاً بزرگ است و در نتيجه بر خلاف ديوارهای حايل معمولی، پديده تمرکز تنش در پنجه ديوار ديده نمی‌شود. به همين دليل برای بسترهای با ظرفيت 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 خاکريز مهار می‌شود. در اين روش خاکريز از يکسو روی اجزای پوسته فشار جانبی اعمال کرده و از ديگر سو، اندرکنش آن با تسمه‌ها باعث مهار خاک می‌شود.

5. روش اجرا و کاربری‌های متعارف

خاکريزی در ساز‌ه‌های خاک مسلح به‌صورت لایه‌لایه اجرا شده و مشابه خاکريزهای معمول متراکم می‌شود. المان‌های مسلح‌کننده در فاصله بين اين لايه‌ها قرار می‌گيرند. المان‌های پوسته به دو صورت، فلزی و با مقطع نيم بيضی و بتنی پیش‌ساخته چليپايی شکل استفاده می‌شود. اجرای ديوارهای خاک مسلح با استفاده اين قطعات‌‌ ابتدا يک رديف المان‌های پوسته در محل خود قرار داده می‌شود و پس از آن یک‌لایه خاکريز و المان‌های مسلح‌کننده اجرا می‌شود.

6. مقايسه خاک مسلح با ساير سيستم‌های معمول ديوار حايل

از مقايسه خاک مسلح با ساير سيستم‌های معمول ديوار حايل می‌توان به نتايج زير رسيد:

• امکان اجرای سريع و ساده خاک مسلح بخصوص با استفاده از امکانات پيش‌ساختگی وجود دارد.
• هزينه‌ها در مقايسه با ساير سيستم‌های معمول ديوار حايل کاهش می‌يابد.
• تطابق‌پذيری آن بالاست و امکان اجرا در انواع شيب‌ها و با شرايط مختلف خاک وجود دارد.
• وجود المان‌های پوسته امکان ايجاد بيشترين هماهنگی بين سازه و محيط اطراف را به طراح می‌دهد.
• انعطاف‌پذيری و تغييرشکل‌پذيری نسبتاً بالای خاک مسلح امکان تحمل نشست‌های زياد را فراهم می‌آورد.

کاربرد خاک مسلح

7. کاربرد خاک مسلح

‌مشکل اصلی خاک مسلح پديده خوردگی المان‌های مسلح‌کننده در خاک است. بنابراين در طراحی و اجرای خاک مسلح بايد توجه خاصی به دوام و پايايی مصالح المان‌های مسلح‌کننده در خاک داشت. در مجموع تجربه‌های حاصل از اجرای نمونه‌های مختلف خاک مسلح بيانگر کارايی مناسب آن برای موارد زير است.

• ديوارهای خاک مسلح در جاده‌های کوهستانی که بر روی بسترهای ضعيف‌ يا شيب‌های ناپايدار اجرا شده‌اند.
• ديوارهای خاک مسلح برای آزادراه‌ها که در آنها اجرای سريع و هزينه پايين اهميت بسياری دارد.
• ديوارهای خاک مسلح در اطراف خطوط راه‌آهن که برای آنها مقاومت بالا در مقابل ارتعاش مدنظر است.
• ديوارهای خاک مسلح به‌عنوان ديوارهای ساحلی به دليل مقاومت خوب آنها در مقابل ضربات امواج و فرسايش ناشی از آن.

8. مشخصات اجزای تشکيل دهنده خاک مسلح

• خاکريز
• الما‌ن‌های مسلح‌کننده
• الما‌ن‌های پوسته

1.8. خاکريز

برای افزايش کارايی خاک مسلح بايد توجه خاصی به ويژگی‌های خاکريز داشت. ويژگی‌های مهم در اين مورد به شرح زیر است.

• پايداری خاکريز در درازمدت و کوتاه مدت
• خواص مکانيکی خاک (چسبندگی و اصطکاک داخلی)
• خواص شيميايی (مسائل دوام و پايداری، خوردگی عناصر مسلح‌کننده)

در مورد خاک‌های دانه‌ای و خاک‌های چسبنده بايد به موارد زير به هنگام انتخاب خاکريز برای خاک مسلح توجه داشت. انتخاب خاک‌های دانه‌ای متراکم شده که به هنگام اعمال نيروی برشی دچار افزايش حجم می‌شوند، مناسب‌تر هستند. در خاک‌های دانه‌ای خوب زهکشی شده، تنش مؤثر عمودی پس از اجرای هر لايه خاکريز سريعاً بين خاکريز و المان‌های مسلح‌کننده منتقل می‌شود و کاهش مقاومت برشی با بارگذاری قائم بدون تأخير فاز صورت می‌گيرد. در محدوده بارهای معمول خاک مسلح اين خاک‌ها رفتاری الاستيک از خود نشان می‌دهند، در نتيجه پديده تغيير شکل پسماند (پس از اجرا) در آن رخ نمی‌دهد.

از سوی ديگر در خاک‌های ريزدانه که معمولاً خوب زهکشی نمی‌شوند، تنش مؤثر سريعاً منتقل نمی‌شود و در نتيجه ضريب ايمنی زمان اجرا بسيار کاهش می‌يابد. علاوه‌برآن به دليل وجود رفتار الاستوپلاستیک يا پلاستيک در اين خا‌ک‌ها احتمال رخداد تغییر شکل پسماند (پس از اجرا) وجود دارد. از سويی در اين خاک‌ها المان‌های مسلح‌کننده با تنش بالا، مستعد پديده خزش هستند و خوردگی در آنها بيشتر ديده می‌شود. بر اساس اين مجموعه موارد استفاده از خاک‌های ريزدانه برای خاکريز خاک مسلح مناسب نيست.

2.8. عناصر مسلح‌کننده

اين عناصر از عوامل کليدی خاک مسلح برای انتقال نيرو از ناحيه محرک به ناحيه مقاوم هستند. اين عناصر بايد پيوستگی و اصطکاک مناسبی با مصالح خاکريز داشته، دوام و پايايی آنها مناسب، و دارای شکل‌پذیری زياد در هنگام گسيختگی باشند. ميزان وادادگی آنها تحت تنش‌های کششی بايد کم باشد. براین‌اساس موادی که با موفقيت در مسلح‌سازی انواع سازه‌های مهندسی به کار رفته‌اند عبارت‌اند از فولاد گالوانيزه، آلياژ آلومينيوم منيزيم، فولاد ضدزنگ، و مواد پليمری.

عناصر مسلح‌کننده غيرفلزی معمولاً از پليمرها ساخته می‌شوند، البته استفاده از ژئوسينتتيک‌ها (نظير ژئوتکستايل، ژئوگريد و ژئوکامپوزيت) هم معمول است. اين المان‌ها معمولاً ضعیف‌تر از المان‌های مشابه فلزی هستند و دچار خوردگی نمی‌شوند. اما توسط عوامل ديگر مورد حمله قرار می‌گيرند و پديده خزش معمولاً در مورد اين مواد از اهميت بسياری برخوردار است.

عناصر پوسته

3.8. عناصر پوسته

اين عناصر در واقع پوششی برای خاک مسلح هستند و عملکرد اصلی آنها جلوگيری از ريزش خاک بين الما‌ن‌های مسلح‌کننده است. اين اجزا برای جلوگيری از فرسايش سطحی و ايجاد يک نمای مناسب استفاده می‌شوند. خاک مسلح به دليل انعطاف‌پذیری بالای آن در بسياری موارد بر روی خاک‌های نرم که نشست بسياری در آنها رخ می‌دهد اجرا می‌شوند. بر اين اساس المان پوسته هم بايد انعطاف‌پذيری لازم را داشته باشد. بيشترين نوع المان‌های پوسته که معمولاً مورداستفاده قرار می‌گيرند، شامل موارد زیر است.

1.3.8. قطعات فلزی يا فولادی

شکل اين المان‌ها به‌صورت مقطعی از نيم بيضی است که بسيار انعطاف‌پذیر و مقاوم هستند، برای نصب اين المان‌ها آنها را به يکديگر پيچ کرده و المان‌های مسلح‌کننده را در فاصله بين آنها قرار می‌دهند. استفاده از اين نوع المان پوسته برای مناطقی که مشکل حمل‌ونقل و دسترسی وجود داشته باشد به دليل سبکي بالايشان بسيار مناسب است.

2.3.8. قطعات بتنی

شکل اين المان‌ها معمولاً به‌صورت چليپايی است و با استفاده از بتن به‌صورت پيش‌ساخته تهيه می‌شوند. اتصالات آنها به‌گونه‌ای تعبيه شده که امکان تحمل تغيير 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 پايايی

رفتار و عملکرد خاک مسلح در درازمدت تابعی از رفتار المان‌های مسلح‌کننده آن در طول زمان است. بر اساس ويژگی‌های مکانيکی موردنیاز برای المان‌های مسلح‌کننده، فولاد يکی از بهترين انتخاب‌ها است، اما پديده خوردگی در فولاد باعث تقليل رفتار خاک مسلح می‌شود. بدین دليل بررسی بر روی ساير مصالح برای انتخاب آنها به‌جای المان‌های مسلح‌کننده هم‌زمان با کاربرد خاک مسلح شروع شده است.

رفتار خاک مسلح

9. رفتار خاک مسلح

خاک مسلح را می‌توان نتيجه مشارکت دو ماده با مدول الاستيسيته 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 آزمايشگاهی مصالح خاک مسلح و سپس اصطکاک بين خاک و المان‌های مسلح‌کننده و در نهايت رفتار سازه‌های خاک مسلح بررسی می‌شود.

1.9. رفتار نمونه‌های مصالح خاک مسلح

يک نمونه آزمايشگاهی از خاک مسلح را به‌عنوان يک نوع مصالح مورد آزمايش قرار می‌دهيم. نتايج حاصله از يک سری آزمايش‌های سه محوری بر روی نمونه‌های ماسه مسلح شده با ديسک‌های افقی آلومينيومی نمايانگر تأثير چگالی ماسه، فواصل و مقاومت کششی عناصر مسلح‌کننده بر روی رفتار نمونه است. در اين آزمايش‌ها دو مد خرابی قابل‌مشاهده است.

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

2.9. رفتار و مکانيزم سازه خاک مسلح

آزمايش‌های انجام شده نشانگر تغيير نيروی کششی در طول الما‌ن‌های مسلح‌کننده و رسيدن آن به يک مقدار حداکثر در اين طول است. مکان هندسی محل تنش حداکثر در المان‌های مسلح‌کننده برای لايه‌های متفاوت خط نيروی کششی حداکثر را تعريف می‌کند. اين خط دو ناحيه محرک و مقاوم را از هم جدا می‌کند.

3.9. ناحيه محرک

در اين ناحيه خاک تمايل به جداشدن از سازه دارد و عامل اصطکاک در طول المان مسلح‌کننده آن را مهار می‌کند.

4.9. ناحيه مقاوم

در اين ناحيه تنش برشی مانع از لغزش المان‌های مسلح‌کننده می‌شود. خط مرزی بين اين دو ناحيه (خط کشش حداکثر) سطح محتمل گسيختگی در سازه است. موقعيت اين خط تابع چند پارامتر از جمله هندسه سازه، نيروهای وارده و تأثيرات ديناميکی است. علاوه‌برآن ميزان صلبيت المان‌های مسلح‌کننده هم بر روی شکل آن اثرگذار است.

اين سطح گسيختگی متفاوت از گوه گسيختگی کولمب است، اين خط در ناحيه فوقانی ديوار عمودی است و اين به دليل وجود المان‌های مسلح‌کننده نسبتاً صلب در خاک است که باعث تغيير توزيع تنش، کرنش در خاک می‌شود.

روش طراحی خاک مسلح

10. روش طراحی خاک مسلح

طراحی سازه‌های خاک مسلح شامل کنترل پايداری خارجی يا کلی و پايداری داخلی است.

پايداری خارجی يا کلی سازه

مدهای معمول خرابی در اين مورد به شرح زیر است.

• لغزش
• واژگونی
• عدم کفايت باربری بستر (کج‌شدگی)
• لغزش عميق

برای اين منظور می‌توان خاک مسلح را مشابه يک سازه وزنی فرض نمود و کل نيروهای وارد بر سازه خاک مسلح را با فرض توزيع رانکين برای فشار جانبی خاک و توزيع ذوزنقه‌ای برای تنش خاک در زير سازه در نظر گرفت.

11. رفتار لرزه‌ای خاک مسلح

بر اساس آزمايش‌هايی ميز لرزان، مشاهده نمونه‌های واقعی پس از زلزله و تحليل‌های عددی اجزای محدود، مشخص شده که سازه‌های خاک مسلح عموماً به دليل انعطاف‌پذیری خوب، زلزله‌های شديد را بدون خرابی تحمل می‌کنند. توزيع عناصر مسلح‌کننده در جرم سازه باعث توزيع و استهلاک انرژی لرزه‌ای می‌شود، در نتيجه احتمال ايجاد نيروی متمرکز و به دنبال آن خرابی کاهش می‌يابد.

تأثير زلزله روی پايداری کلی سازه خاک مسلح را می‌توان بر اساس فرضيات حاکم بر ساير سيستم‌های حايل وزنی انعطاف‌پذير تخمين زد. در مورد پايداری داخلی، زلزله منجر به افزايش نيروهای ديناميکی در عناصر مسلح‌کننده می‌شود، توزيع نيروها در حالت ديناميکی متفاوت از توزيع آن در حالت استاتيکی است.

مزایای استفاده از خاک مسلح

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.