اول زمین محکم، بعد ساخت ‌و ساز

تحقیقات و مطالعات ژئوتکنیک و مقاومت مصالح در صنعت ساختمان و طرح‌های عمرانی نقش بسیار مهمی دارد. مهندسی ژئوتکنیک نیز زیرشاخه‌ای مهم و حیاتی از مهندسی عمران است که درباره مهارت‌ها، فنون و دانش‌های مورد نیاز برای مطالعه و پیش‌بینی رفتارهای مکانیکی و هیدرولیکی انواع خاک‌ها و سنگ‌ها تحت اثر نیروها و بارهای وارد شده از سوی سازه‌های ساخت انسان و همچنین ارائه توصیه و دستورات کیفی و کمی لازم برای طراحی، اجرا و نگهداری این سازه‌ها به تحقیق و بررسی می‌پردازد. در سال‌های اخیر به دنبال رشد روزافزون تاسیسات مهم و حیاتی و صنایع بزرگ و همچنین افزایش خسارات وارده بر مناطق زلزله‌خیز موجب شده است بررسی چگونگی تاثیر رفتار لرزه‌ای خاک در اجرای طرح‌های عمرانی بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. تثبیت خاک که به عنوان یکی از زیرشاخه‌های اصلی علم ژئوتکنیک مطرح شده است، اصلاح و بهبود خواص فیزیکی و مهندسی آن برای تامین یک رشته اهداف از پیش تعیین‌شده را هدف قرار می‌دهد. تثبیت خاک به روش‌های گوناگونی نظیر روش مکانیکی، شیمیایی، فیزیکی، بیولوژیک و روش الکتریکی امکان‌پذیر است. برخی از انواع خاک‌ها به علت داشتن مشخصات و ویژگی‌های فنی نامناسب یا داشتن مقادیر قابل توجهی رس یالای برای عملیات راه‌سازی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند؛ در حالی که با استفاده از روش‌های تثبیت خاک، اصلاح خاک‌های نرم و کم مقاومت امکان‌پذیر خواهد بود. تثبیت خاک علاوه بر افزایش دوام خاک، مقاوم باربری خاک را نیز به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد. این در حالی است که کاربرد روش‌های تثبیت خاک میزان نفوذپذیری، تورم و انقباض خاک، رطوبت خاک و همچنین دامنه خمیری خاک را نیز کاهش می‌دهد. بازسازی روسازی‌های فرسوده با استفاده از مصالح موجود و آماده‌سازی محوطه‌ای برای اجرای آسان‌تر عملیات ساختمانی نیز از دیگر ویژگی‌های تثبیت خاک است که می‌تواند بسیاری از موانع و مشکلات موجود در اجرای طرح‌های عمرانی را از میان بردارد.

تثبیت خاک برای جلوگیری از فرسایش

به گفته مهندس زیبا جعفرپور، دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران دانشگاه تربیت مدرس و مجری این طرح تحقیقاتی، در روش تثبیت خاک، کارشناسان با استفاده از اصول علمی و بهره‌گیری از فناوری‌های جدید، مواد و مصالح مناسب را در تقویت خاک به کار می‌گیرند و مشخصات مهندسی، خواص مکانیکی از جمله مقاومت، سختی، شکل‌پذیری و ظرفیت باربری آن را بهبود می‌بخشند.

در حقیقت تثبیت خاک برای دستیابی به اهداف مختلفی به کار می‌رود که از آن جمله می‌توان به جلوگیری موقت از فرسایش سطوح ساخت محلی جهت فعالیت‌های ساخت و ساز، بهبود شرایط خاک بسترهای ضعیف، بهسازی لایه‌‌های اساسی، کنترل شن‌های روان و همچنین بازیافت راه‌ها و معابر قدیمی با استفاده از مصالح ضعیف اشاره کرد. علاوه بر این، افزایش هزینه ساخت راه، سد، راه‌آهن، فرودگاه و به طور کلی سازه‌های خاکی با توجه به محدود بودن بودجه و سرعت اجرای کار سبب می‌شود تا مهندسان برای جلوگیری از جابه‌جایی حجم زیادی از مصالح، با عمل تثبیت، از مواد و مصالح محلی، حداکثر استفاده را داشته باشند. در کشور ایران با در نظر گرفتن اقلیم و شرایط جغرافیایی و همچنین وجود مناطق وسیعی از ماسه روان، این بسترها به طور اجتناب‌پذیری با خطوط راه‌آهن و راه برخوردار دارند که پیش‌بینی می‌شود با تحقق قابلیت‌های این طرح تحقیقاتی بتوان بسیاری از مشکلات موجود را از میان برداشت.

در این طرح تحقیقاتی برای بهبود خصوصیات خاک از 2 روش توام تثبیت فیزیکی و مکانیکی استفاده شده است. استفاده از پلیمر به عنوان یک تثبیت‌کننده فیزیکی، غیرسنتی، در دسترس و با کاربردی آسان است که برای افزایش توان باربری خاک ماسه روان نقش چشمگیری خواهد داشت.

پلیمرها موادی هستند که از خواص مکانیکی و فیزیکی نسبتا مطلوبی برخوردارند. این گروه ازمواد دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. بیشتر پلیمرهای متداول از پلیمریزاسیون مولکول‌های آلی ساده به نام منومر به دست می‌آیند. با ترکیب مناسبی از حرارت، فشار و کاتالیزور پیوند دوگانه بین اتم‌های کربن شکسته شده و یک پیوند ساده کووالانسی‌ جایگزین آن می‌شود.

سپس دو انتهای آزاد این منومر به رادیکال‌های آزاد تبدیل می‌شود. به طوری که هر اتم کربن یک تک الکترون دارد که می‌تواند به رادیکال‌های آزاد دیگر افزوده شود. این مولکول پایه با قابلیت‌ انجام واکنش، زیر بنای پلیمرها بوده و همان واحد تکراری پلیمر است که در طول زنجیر مولکول پلیمر به دفعات زیادی تکرار می‌شود. طول متوسط پلیمر به درجه پلیمریزاسیون یا تعداد واحدهای تکراری در زنجیر مولکول پلمیر بستگی دارد؛ بنابراین نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکراری به عنوان درجه پلیمریزاسیون تعریف شده است. با افزایش طول زنجیر مولکولی در صورتی که فقط نیروهای بین مولکولی سبب اتصال مولکول‌ها به یکدیگر شوند مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می‌یابند.

متراکم کردن خاک در عملیات عمرانی یک روش مکانیکی ساده و متداول برای افزایش دانسیته خاک و در نتیجه افزایش ظرفیت باربری و پایداری خاک است.

کاهش هزینه‌های اجرایی

به گفته جعفرپور، در این طرح تحقیقاتی برای افزایش ظرفیت باربری و پایداری خاک، با استفاده از 2 پلیمر مختلف وینیل استات و متیل متااکریلات با درصدهای متفاوت، اثر تثبیتی این دو نوع پلیمر بر خاک آزمایشی که نمونه‌های انتخابی از خاک ماسه‌ای گرمسار بوده مورد بررسی قرار گرفته است. در مرحله اول آزمایش‌های شناسایی پایه و آزمایش تراکم برای تعیین حداکثر دانسیته خشک خاک یا به عبارت دیگر تعیین درصد رطوبت بهینه خاک با محلول‌های پلیمری انجام شد و نتایج به دست ‌آمده مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله بعد برای تعیین چگونگی کسب مقاومت خاک‌های تثبیت شده، تعیین درصد بهینه پلیمر و زمان عمل‌آوری مفید، آزمایش نسبت باربری در 2 حالت خشک و اشباع انجام شد. هدف از انجام این تحقیق، بهبود خصوصیات مکانیکی خاک‌های ماسه‌ بادی با افزودن مواد پلیمری است و چون یکی از مهم‌ترین مشکلات خاک‌های ماسه بادی، مقاومت کم این نوع خاک از 2 حالت خشک و اشباع است، بنابراین آنچه در اجرای این طرح تحقیقاتی به عنوان یک اصل مهم در طی مراحل انجام آزمایش‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفت، بهبود مقاومت خاک‌های ماسه بادی بود. در این آزمایش‌ها از درصدهای مختلف از 2 پلیمر پلی وینیل استات و متیل متااکریلات و در زمان‌های عمل‌آوری مختلف طبق استاندارد MTSAD 1883-87 به منظور بررسی تغییرات مقاومت خاک در آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا (RBC) روی نمونه‌های انتخابی از خاک مذکور، تعیین درصد پلیمر بهینه و تعیین زمان گیرش بهینه انجام شد. علاوه بر این، تغییرات بافتی ایجاد شده در نمونه‌های تثبیت شده با استفاده از عکس‌های میکروسکوپ الکترونی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. این آزمایش یکی از متداول‌ترین روش‌های آزمایشگاهی برای تعیین مقاومت نسبی خاک‌هاست که مقاومت خاک را تحت شرایط کنترل شده درصد رطوبت و وزن مخصوص اندازه‌گیری می‌کند.

نتایج به دست آمده حاکی از آن است که چنانچه درصد پلیمر مصرفی برای تثبیت خاک ماسه‌های روان بیش از 3 درصد باشد علاوه بر این که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نخواهد بود از نظر فنی نیز چندان باعث افزایش مقاومت نسبت باربری خاک نخواهد شد؛ همچنین بررسی تاثیر زمان عمل‌آوری بر افزایش مقاومت نسبت باربری خاک نیز نشان داده است که در هر یک از انواع نمونه مدت زمان عمل‌آوری برای افزایش مقاومت نسبت باربری خاک متفاوت بوده و زمان عمل‌آوری 14 روزه، زمان بهینه برای عمل‌آوری و افزایش مقاومت نسبی خاک خواهد بود. علاوه بر این، براساس نتایج به دست آمده می‌توان میزان سختی و پایداری ترکیبات ایجاد شده در برابر رطوبت را نیز مشخص کرد. در حالت‌های اشباع در هر یک از درصدهای پلیمری مصرفی، افت کمی در مقدار مقاومت نسبی خاک نسبت به حالت خشک دیده خواهد شد. توجه به این موضوع در طول عمر مفید راه از لحاظ تعمیر و نگهداری حائز اهمیت خواهد بود، زیرا به علت مقاومت خوب نمونه‌های آزمایشی در حالت اشباع در طول عمر مفید راه از خرابی‌های زودرس روسازی که ناشی از تخریب یا فرسایش بستر راه به هنگام اشباع شدن است، جلوگیری می‌شود.

به گفته جعفرپور، ماسه‌های روان همان تپه‌های ماسه‌ای هستند که بر اثر فرسایش بادی یا به عبارت دیگر توفان‌های ماسه‌ای به وجود آمده و فاقد پوشش گیاهی هستند. عاری بودن این تپه‌ها از گیاه سبب می‌شود که توده‌های ماسه‌ای نتوانند در مقابل اثر فرسایشی بادهای شدید ثابت بمانند و در نتیجه با وزش باد جابه‌جا شوند. منظور از تثبیت جلوگیری از حرکت ماسه‌هاست که معمولا از طریق ایجاد موانع غیرزنده و پوشش گیاهی یا از طریق استفاده از پلیمرها یا مواد نفتی انجام می‌شود. افزودن مواد پلیمری سبب حفاظت از بخش فوقانی خاک در برابر عوامل گوناگونی همچو باد و باران می‌شود. این مواد به عنوان یک قشر عایق در جلوگیری از تغییرات ناگهانی دما و حفظ رطوبت خاک نقش بسیار مهمی خواهند داشت. پدیده فرسایش خاک نه‌تنها در اجرای طرح‌های عمرانی محدودیت‌هایی را به همراه خواهد داشت، بلکه عاملی است که سبب نابودی بسیاری از زمین‌های حاصلخیز کشاورزی و تبدیل آن به مکان‌های غیرقابل کشت نیز شده است. براساس بررسی‌های انجام شده بر اثر فرسایش خاک سالانه چندین میلیون هکتار از اراضی کشاورزی جهان از بین می‌روند. بر این اساس، پیش‌بینی شده تا سال 2010 میلادی یک‌سوم تا یک‌پنجم اراضی کشاورزی جهان بر اثر فرسایش دیگر قابل استفاده نباشند، بنابراین به نظر می‌رسد اجرای این طرح تحقیقاتی علاوه بر این که می‌تواند بسیاری از مشکلات و موانع موجود در اجرای طرح‌های عمرانی را از میان بردارد بتواند در جلوگیری از فرسایش خاک زمین‌های کشاورزی و از بین رفتن آنها نیز موثر واقع شود.

جعفرپور در پایان اظهار امیدواری کرد با استفاده از نتایج این پژوهش بتوان مقاومت، دوام و قابلیت باربری در بستر خاک‌های مورد نظر به منظور بهره‌برداری برای ساخت راه یا ابنیه فنی را به میزان قابل توجهی افزایش داد، در حالی که با توجه به افزایش مقاومت بستر، هزینه ساخت، مصرف مصالح در ساخت طرح، زمام اجرای طرح و کنترل بیابان‌ها نیز کاهش خواهد یافت. این پژوهش با راهنمایی دکتر یثربی عضو هیات علمی دانشگاه تربیت مدرس انجام شده است.

فرانک فراهانی‌جم