معرفی خاک متورم شونده و روش های بهسازی آن

خاک متورم شونده یا منبسط شونده (Expansive Soil) گروهي از خاک های مسئله دار هستند. اين خاک ها جزء گروه خاک های رسي بوده و به طور معمول مخلوطي از کاني های رسي و غير رسي اند. مشخصات ژئوتکنيکي اين خاک ها توسط بخش رسي آن ها کنترل مي شود. اين گروه از خاک ها دارای مقدار قابل توجهي کاني مونت موريلونيت هستند که با آبگيری متورم شده و بر اثر از دست دادن آب منقبض می شوند.

خاک ها متشکل از مواد مختلفی می باشند که بیشتر این مواد تشکیل دهنده در صورت وجود رطوبت دچار تورم نمی شوند. با این حال، برخی از مواد رسی تورم پذیر می باشند. این مواد شامل اسمکتیت، بنتونیت، مونتموریلونیت، بیدلیت، ورمیکولیت، آتاپولژیت، نوترونیت، ایلیت و کلریت می باشند.

منظور از تورم در خاک متورم شونده ، تورم ناشي از جذب آب است. به طوری که مي توان بهترین تعریف را از پدیده ي تورم در این خاك ها بدین ترتيب ارائه نمود كه تورم عبارت از واكنش فيزیک و شيميایي خاک و محيط است كه مقدار آن بستگي به شدت نيروهای جاذبه و دافعه ي فيزیک و شيميایي دارد. پدیده ي تورم یک پدیده ي برگشت پذیر مي باشد، یعني خاک پس از كم شدن رطوبت و از دست رفتن رطوبت موجود در آن منقبض مي شود. لذا لازم است هنگام پرداختن به پدیده ي تورم در خاك های متورم شونده علاوه بر بررسي پدیده ي تورم، پدیده ي انقباض را نيز مورد بررسي قرار داد.

همچنین برخی از نمک های سولفاتی نیز وجود دارند که با تغییرات دمایی دچار تورم می شوند. خاک هایی که حاوی مقدار زیادی از مواد تورم پذیر باشند، دارای ظرفیت تورم پذیری و انبساط قابل توجهی می باشند.

پیشنهاد مطالعه : انواع خاک های مسئله دار و تعریف آنها

طرح شالوده روی خاک متورم شونده

سازندگان مختلف، روش های مختلفی را جهت طراحی شالوده در خاک متورم شونده ارائه کرده اند، شالوده طراحی شده باید به اندازه کافی در برابر اثرات نامطلوب انبساطی مقاوم باشد. می توان از شمع های پا فیلی در خاک های تورم پذیر استفاده کرد؛ اما استفاده از این نوع شالوده ها به عنوان راهکار کاملاً مناسب محسوب نمی شود، زیرا هنگامی که احتمال افزایش سفره آب زیر زمینی وجود داشته باشد، استفاده از آن چندان مناسب نیست. در ادامه به توصیه هایی برای طراحی شالوده در خاک های تورم پذیر می پردازیم :

1 . طراحی اندازه و عمق شالوده، طول و ابعاد شمع های پا فیلی، ضخامت دال و غیره باید صرفاً پس از ارزیابی خاک بر اساس داده های جمع آوری شده انجام شود. حداقل عمق توصیه شده 2 متر است.

2 . میلگرد گذاری سنگین و متراکم در پی می تواند موجب پیشگیری از تورم اتفاقی و کاهش مشکلات مرتبط با ترک خوردگی شود. می توان از نوارهای بتنی مسلح در سطح شالوده، تراز پایه ستون و نعل درگاه استفاده کرد.

3 . می توان نواحی اطراف ساختمان را روکش کرد، به طوری که رطوبت به شالوده نفوذ نکرده و موجب بروز تورم نشود. همچنین لازم است تا سیستم زهکشی مناسبی تعبیه شود.

4 . باید از کاشت درختان 3 متری در اطراف ساختمان پرهیز شود.

نگرش های غلط در رابطه با خاک متورم شونده

پیمانکاران و مهندسان دارای نظرها و نگرش های خاص خود در ارتباط با اقدامات احتیاطی و راه حل مناسب برای سازه های واقع بر خاک های تورم پذیر می باشند. ممکن است این نظرات همواره صحت نداشته باشد و در نتیجه در مواردی گمراه کننده باشد. در ادامه برخی از تصورات اشتباه در مورد طراحی سازه ها در شرایط تورمی که همواره صحیح نمی باشند، ذکر می شود :

1 .  در صورتی که پی های سطحی برای یک فشار باربری مجاز و کم طراحی شوند، تورم خاک به حداقل می رسد.

2 . خاکهایی که به رنگ مشکی نباشند، احتمالاً خاک تورم پذیر خواهند بود.

3 . در صورتی که محل، پیش از شروع ساخت حفر شده باشد، فرصت ایجاد تورم پس از ساخت از بین می رود.

4 . تثبیت و پایدار سازی شیمیایی خاک تورم پذیر کلیه مشکلات مرتبط با خاک تورم پذیر را مرتفع می سازد.

5 . مصالح درشت دانه قرار گرفته در زیر دال کف، موجب کاهش فشار بلند شدگی و باعث پر شدن منافذ توسط رس ها می شوند.

نحوه ی پیدایش خاک های متورم شونده

محققان مختلفي روی ریشه ي پيدایش این خاك ها به تحقيق پرداخته اند كه از پركارترین آنها ميتوان به Donalsen اشاره نمود. این محقق این خاك ها را به دو گروه تقسيم بندی مي کند، گروه اول خاك هایي هستند كه سر منشاء آنها سنگ های آذرین مي باشد كه در مناطقي از هند و آفریقای جنوبي از این نوع خاک، فراوان یافت مي شود. گروه دوم خاك هایي هستند كه از سنگهای رسوبي حاصل مي شوند كه مونتموریلونيت جزء اصلي این خاك ها را تشکيل مي دهد. این خاكها بر اثر هوازدگي و عوامل فيزیکي متلاشي شده و به خاكهای متورم شوند تبدیل مي شوند. عوامل فيزیکي و شرایط محيطي بر ایجاد و یا تشدید اثرات این خاك ها بسيار موثر است به طوری كه تغييرات فصلي شرایط آب و هوایي یا پوشش موضعي سطح زمين نيز مي تواند شرایط تورم خاک را تحت تاثير قرار دهد.

مکانیسم تورم

تاكنون برای تورم خاک مکانيسم های مختلفي از قبيل”مکش اسمزی” یا “تمركز آب به وسيله ي جذب قطبي” پيشنهاد شده است. تمام این پيشنهادها احتمالي بوده و هنوز هم جزئيات این نظریه ها مورد ابهام است زیرا پدیده ي جذب آب توسط خاک هنوز هم به خوبي كشف نشده است و بررسي تمام این مکانيسم ها نيازمند دانستن یک سری اطلاعات در فيزیک و شيمي مي باشد. البته در اینجا سعي شده است مکانيسم كاملا ساده ای كه در عين ساده بودن درک خوبي از پدیده های مکانيک خاک نيز ارائه نماید، بيان شود.

در یک رس كاملا خشک كاتيون ها به شدت جذب سطحي لایه های خارجي مي شوند و كاتيون های اضافي كه جایي برای نشستن روی لایه خارجي كاني رس ندارند، به صورت نهشته های املاح باقي مي مانند. در صورتي که آب به ذرات رس برسد املاح كاتيوني در آب حل مي شوند. این كاتيون ها بيشتر تمایل دارند كه از سطح ذرات رس دور شوند چون سطح كاني های رس از قبل توسط سایر كاتيون ها پوشانده شده است. از سوی دیگر آن دسته از كاتيون ها كه به سطح ذرات رس چسبيده اند به پيروی از قوانين اسمزی دوست دارند از سطح دور شده و غلظت كاتيون ها را در اطراف ذرات رس یکنواخت نمایند. این پدیده باعث دور شدن ذرات رس از یکدیگر شده و در نتيجه آب جذب شده، حجم كلي خاک را افزایش مي دهد. یعني به طور خلاصه مي توان گفت كه ورود ملکول های آب در بين ذرات خاک باعث ازدیاد حجم خاک مي شود.

Bolt در سال 1956 این پدیده را با استفاده از پدیده ي اسمزی تشریح نمود. وی به این نتيجه رسيد كه تورم كاني های ایليت و مونتموریلونيت در نتيجه ي افزایش فشار اسمزی در لایه یون جذب شده به وجود مي آید. براساس این نظریه كه فشار اسمزی تنها نيروی بين ذرات است، در صورتي که خاک تحت فشار خارجي قرار گيرد، فاصله ي بين ذرات رس كاهش یافته و آب تحت فشار خارج مي شود كه در اثر خروج آب از بين لایه ها غلظت یون بين ذرات افزایش یافته و در نتيجه فشار اسمزی نيز افزایش مي يابد. این افزایش فشار اسمزی آنقدر ادامه مي يابد تا در نهایت فشار اسمزی به یک حالت تعادل با فشار خارجي برسد. در صورتي که فشار خارجي كم شود، آب بين ذرات بر اثر فشار اسمزی زیاد تحت مکش واقع شده و آب به آن اضافه مي شود تا غلظت یون های بين ذرات كم شود. با ادامه ی جذب آب فاصله ی بين ذرات اضافه مي شود تا فشار اسمزی آب بين ذرات كم شود و به حالت تعادل برسد. جذب آب به این شکل باعث تورم مي شود. به همين علت است كه شيب منحني باربرداری خاك های متورم شونده در آزمایش تحکيم تندتر از خاكهای معمولي است. البته لازم به تذكر است كه تورم ناشي از جذب آب با تورم ناشي از باربرداری دو پدیده ي كاملا متفاوت هستند، كه البته ممکن است در یک جا هم با هم اتفاق افتند.

روش های بهسازی خاک متورم شونده

تاكنون محققين زیادی برای بهبود شرایط، در مکان هایي كه از وجود خاك های تورمي دچار مشکل هستند، فعاليت كرده اند. معمولا روش هایي كه برای كاهش پتانسيل تورم این خاك ها ارائه شده است، بر كاهش فشار تورمي این نوع خاک هم تاكيد دارد زیرا فشار تورمي خاک متناسب با مقدار تورم خاک است و مي توان گفت كه این دو كميت كاملا به هم وابسته هستند. در این ميان، برخي محققين برای بهسازی این خاك ها، در آزمایش های خود از افزودنيهایي همچون سيمان پرتلند، آهک و خاكستر بادی استفاده كرده اند.

پیشنهاد دانلود : روش های تثبیت خاک های مسئله دار

1 . بهسازی خاک متورم شونده با آهک

Al-Rawas در مطالعاتي كه انجام داده است با افزودن 6% آهک به خاک، مقدار فشار تورم خاک را به نصف رسانده است البته برای آهکي كه استفاده كرده است این درصد صادق است و در صورت تغيير مشخصات آهک درصدهای تثبيت متفاوت خواهند بود.

2 . بهسازی خاک متورم شونده با افزودنی های پلیمری

در آزمایش هایي كه توسط یثربي و همکارانش انجام گرفته است به منظور بررسي اثر پليمرهای مورد استفاده بر خاک متورم شونده ، دو نوع خاک رسي با نشانه خميری كم و متوسط از منطقه طالقان تهران تهيه و مورد آزمایش قرار گرفته است. از آنجا كه یکي از عوامل تاثيرگذار بر تعيين پتانسيل تورمي خاك ها، مقدار نشانه ی خميری خاک مي باشد، برای اینکه خاكي با خصوصيات تورمي بالا داشته باشيم، با افزودن بنتونيت به عنوان متورم شونده ترین خاک موجود، به نمونه های مورد آزمایش، خاك هایي با نشانه های خميری متفاوت تهيه نمودند و در نتيجه پس از اعمال مواد پليمری به این خاك ها اثرات آنها را بررسي كردند. لازم به ذكر است كه انجام آزمایش تورم روی خاك های مخلوط شده با بنتونيت نشان داد كه افزایش زیاد بنتونيت به خاک مورد مطالعه با افزایش زیاد در نشانه ي خميری همراه نيست بلکه خاصيت تورم پذیری خاک را به شدت افزایش مي دهد. پليمرهای مورد استفاده در این آزمایش ها سه نوع بودند كه عبارتند از رزین فوران، لاتکس وینيل استات – متيل متا اكریلات و لاتکس وینيل استات.

افزودن 3 درصد پليمر به یک نمونه از خاك ها باعث شد فشار تورم نمونه به اندازه ي 78 درصد كاهش یابد، افزودن 5 درصد، باعث كاهش 82 درصدی و افزودن 10 درصد پليمر باعث كاهش 92 درصدی فشار تورم در خاک مورد آزمایش گردید كه با توجه به آزمایش های انجام شده به نظر مي رسد مقدار 5 درصد مي تواند مقدار مناسبي برای استفاده به منظور كاهش فشار تراكمي باشد. از بين پليمرهای مورد استفاده، پليمر لاتکس وینيل استات در خاك های با نشانه خميری كمتر از 30 درصد و فشار تورم پایين، تاثير قابل توجهي بر كاهش تورم خاک ندارد.

منابع :

1 . مقاله روش های شناسایی خاک های منبسط شونده و راهکارهای علاج بخشی آنها از احمد نظری، محمد حاجی ستوده، سعید قربان بیگی و وحید تائبی، اولین کنفرانس ملی مهندسی ژئوتکنیک ایران، 30 مهر و 1 آبان 92

2 . ترجمه نوشتاری از سایت thecivilengg.com توسط امیر رضا بخشی، از مقالات تحلیلی ترجمه شده توسط گروه آموزشی 808