04 آگوست ژئوگرید

معرفی ژئوگرید (Geogrid)

ژئوگریدها شبکه‌های پلیمری متشکل از پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، پلی پروپیلن(PP) و یا پلی‌استر(PET/PES) می‌باشند که وظیفه‌ی مسلح‌سازی و افزایش ظرفیت باربری مقاطع خاکی و یا سنگی را بر عهده دارند. نتیجه تولیدات کارخانجات مختلف در سراسر دنیا، تامین سه نسل مختلف از این محصول ژئوسینتتیکی میباشد. تفاوت اصلی در این محصولات به نحوهی اتصال تار و پودهای آنها (بسته به روش تولید) برمیگردد که این امر موجب بروز تفاوت در مقاومت بلند مدت این محصولات میشود. انواع مختلف محصولات ژئوسینتتیکی موجود در دنیا به شرح زیر میباشد:

1- نسل اول: ژئوگریدهای قالبی (Extruded)

2- نسل دوم: ژئوگریدهای بافته شده (Woven)

3- نسل سوم: ژئوگریدهای جوشی (Welded)

در این میان شرکت نائو آلمان، ژئوگریدهای خود را مطابق با به بروزترین روش موجود (نسل سوم) و با نام تجاری Secugrid به بازار جهانی ارائه مینماید.

به طور کلی دو عامل اصلی در عملکرد ژئوگرید‌ها در راستای افزایش ظرفیت باربری و یا پایداری مقاطع خاکی مختلف وجود دارد. یکی از این عوامل ایجاد نیروی اصطکاک ما بین ذرات خاک و این محصول ژئوسینتتیکی و عامل دیگر به وجود آمدن قفل‌شدگی بین دانه‌های خاک به واسطه‌ی وجود چشمه‌های این محصول می‌باشد.

Interlocking

ژئوگرید

مقاومت و توانایی مسلحسازی خاک بوسیله ژئوگرید به خواص فیزیکی آن بستگی دارد. آزمایشهای استاندارد متعددی برای تعیین این خواص فیزیکی وجود دارند که از آن جمله میتوان به استانداردهای ISO، CEN، ASTM، GRI و استاندارد مؤسسه تحقیقات ژئوسینتتیک اشاره نمود. برخی از خواص فیزیکی ژئوگریدها به شرح زیر است:

1. مقاومت کششی نهایی
2. تغییر طول نهایی
3. مقاومت کششی (واقعی) در تغییر طول 1%، 2% و 5%
4. مدولهای اولیه
5. مقاومت در محل اتصال نوارها
6. مقاومت در برابر اشعه UV
7. ضخامت و عرض نوارها
8. سطح نوارها (زبری سطح)
9. مقاومت در برابر نصب
10. مقاومت در برابر دوام بلند مدت
11. رفتار خزشی
12. ابعاد و اندازه چشمه ها
13. نوع اتصال نوارهای طولی و عرضی

از میان خواص فوق، یکی از خاصیتهای مهم که موجب تمایز انواع محتلف ژئوگریدها از هم میشود، مقاومت کششی در تغییر طول 2% می باشد. نمودارهای زیر نتیجه مقایسه مقاومت نهایی انواع مختلف ژئوگرید را نشان میدهد. همانگونه که در نمودار شکل 1 مشاهده میگردد، ژئوگرید تولیدی شرکت نائو آلمان (با نام تجاری Secugrid) بیشترین مقاومت کششی را در تغییر طولهای 1%، 2% و 5% از خود نشان میدهد که یکی از دلایل اصلی این امر، نوع خاص و انحصاری جوش لیزر در محل اتصال دو نوار طولی و عرضی این محصول است.

نمودار 1- نتیجه مقایسه مقاومت نهایی انواع مختلف ژئوگرید (نسلهای مختلف) در تغییر طولهای مختلف

نمودار شکل 2 نمودار تنش-کرنش استخراجی از نتایج آزمایشهای انجام شده توسط پرفسور Muller در سال 2000 میلادی بر روی انواع مختلف ژئوگرید را نشان میدهد. همانگونه که مشاهده میشود، نمودار مربوط به Secugrid® (خط 1) نسبت به سایر محصولات مورد آزمایش در تراز بالاتری قرار گرفته و در یک نیروی کششی خاص، عملکرد کرنشی بهتری را از خود نشان داده است.

نمودار 2- نتایج آزمایشات صورت گرفته توسط پرفسور Muller در سال 2000 میلادی بر روی انواع مختلف ژئوگرید

بالا بودن مدولهای کششی در ژئوگریدهای تولید شده با روش نسل سوم از جمله Secugrid موجب میگردد که این نوع ژئوگریدها به محض اعمال نیرو به مقطع خاکی مسلح، وارد عمل شده و بدون تغییر طول اولیه، نیروی وارده را تحمل کنند. این در حالیست که ژئوگریدهای تولید شده با فناوری نسل 2 (بافته شده) به دلیل انعطافپذیری بیشتر نسبت به ژئوگریدهای نسل سوم، خاصیت مذکور را نداشته و به محض اعمال نیرو وارد عمل نمیشوند و میبایست ابتدا مقداری تغییر طول اولیه پیدا کنند. این امر به ویژه در دیوارهای حائل و یا اساس جادهها به عنوان یک ویژگی منفی در این محصولات محسوب شده و میتواند باعث ایجاد جابجایی در بدنهی دیوار و یا جاده گردد. شکل3 نمودار مقایسهای عملکرد Secugrid را به عنوان یک ژئوگرید نسل سوم با یک ژئوگرید تولید شده با فناوری نسل دوم (بافته شده) را به تصویر میکشد. همانگونه که مشاهده میگردد در ژئوگریدهای نسل سوم به محض اعمال تنش، نیروی مقاوم کششی بسیج شده و این در حالی است که در نسل دوم این محصولات اعمال تنش تا یک حد مشخص موجب بروز یک کرنش اولیه شده و پس از آن عملکرد مقاومتی ژئوگرید با یک تاخیر فاز آغاز شده است.

نمودار 3- مقایسه رفتار ژئوگرید بافته شده (نسل 2) و Secugrid® (نسل 3)

عامل مهم دیگر در مسلحسازی خاک توسط ژئوگرید، مقایسه رفتار تنش- کرنش خاک و محصول ژئوگرید میباشد. بدین منظور از آزمایش استاندارد بررسی مقاومت بیرون کشیدگی (pull-out) استفاده میشود. در نمودار 4 نتایج مربوط به این نوع آزمایش برای ژئوگریدهای نسل اول (A)، دوم (B) و سوم (C) نمایش داده شده است. این نمودار نمايانگر نیروی لازم برای ایجاد تغییر مکانی به میزان 5mm در نمونههای خاکی مسلحشده با ژئوگرید میباشد که برای دو نوع خاک، یکی ماسه ای که در آن عامل اصلی کارایی ژئوگرید اصطکاک خاک و این محصول است و دیگری شن شکسته که در آن عامل اصلی کارایی این محصول قفل شدگی ذرات خاک در چشمههای ژئوگرید میباشد، انجام گردیده است. همانگونه که از این نمودار مشخص است، در هر دو حالت، مقاومت Secugrid از دو نوع دیگر بیشتر است که این امر به دلیل نوع خاص جوش اتصال نوارها، ابعاد و اندازه چشمهها و زبر بودن سطح این نوع خاص از ژئوگرید میباشد.

نمودار 4- مقایسه رفتار تنش- کرنش خاک و ژئوگرید در آزمایش مقاومت بیرون کشیدگی

در نمودارهای شکل 5 تأثیر استفاده از ژئوگرید Secugrid در کاهش ضخامت خاکریز نشان داده شده است . همانگونه که از این نمودار مشاهده میگردد، به عنوان مثال استفاده از Secugrid در ایجاد خاکریز بر روی بستری با مقاومت اولیهی CBR = 4% با هدف حصول مقاومت نهایی CBR = 35%، موجب کاهش ضخامت حدود 20 سانتیمتری و صرفهجویی در هزینه و زمان اجرای پروژهها، به ویژه در محلهایی که فاصله منابع قرضه زیاد میباشد، شده است.

نمودار 5- تأثیر استفاده از ژئوگرید Secugrid® در کاهش ضخامت خاکریز

مهمترین عامل در طراحی سازههای خاک مسلح و انتخاب ژئوگرید، در نظر گرفتن مقاومت درازمدت (LTDS) ژئوگرید میباشد. لازم به ذکر است که مقاومتی که بر روی نام ژئوگرید ذکر گردیده مقاومت کوتاه مدت (STS) یا اسمی آن است. معادله زیر رابطه بین مقاومت درازمدت و کوتاه مدت ژئوگرید را نشان می دهد:

LTDS = STS / (A₁ × A₂ × A₃ × A₄ × γ_B)

که در آن:

LTDS: مقاومت درازمدت (پس از 120 سال)

STS : مقاومت کوتاه مدت (اسمی)

A₁: ضریب خزش

A₂: ضریب خسارات ناشی از حمل و اجرا

A₃: ضریب اتصالات و همپوشانی ها

A₄: ضریب اثرات محیطی

γ_B: ضریب اطمینان

سازههای خاک مسلح میبایست دارای پایداری به میزان حداقل 100 سال باشند، لذا به همینمنظور در طراحی سازههای خاک مسلح، عددی که به عنوان مقاومت ژئوگرید تعیین میگردد مقاومت درازمدت ژئوگرید میباشد. سپس برای تعیین نوع ژئوگرید مورد نیاز، مقاومت درازمدت را در ضرایب A₁ تا A₄ ضرب نموده تا مقاومت اسمی به دست آید. این همان عددی است که بر روی ژئوگریدها به عنوان مقاومت آنها درج شده است.

مقادیر دقیق ضرایب A₁ تا A₄ برای هر ژئوگرید متفاوت است. به عنوان مثال مقدار A₁ در حالت بارهای استاتیکی برای ژئوگریدهای پلی پروپیلنی عددی بیشتر از 5 و برای ژئوگریدهای پلی استری عددی بیشتر از 5/2 میباشد. برای تعیین نوع ژئوگرید مورد نیاز باید ضرایب فوق به طور دقیق تعیین گردند. این ضرایب باید در جداول دادههای فنی ژئوگریدهای تولیدی هر شرکت موجود بوده و به متقاضیان ارائه گردد. همچنین برای اطمینان از مقادیر ضرایب ارائه شده توسط تولیدکنندگان مختلف میتوان به مراجع معتبر رجوع نمود. معتبرترین مرجع موجود در این زمینه مؤسسه BBA انگلستان (British Board of Agreement) میباشد. این مؤسسه مستقل با بیش از 40 سال سابقه، مسئولیت تست و تأیید مشخصات فنی و کارایی مواد و محصولات مورد استفاده در مهندسی راه و ساختمان بویژه محصولات جدید را در سراسر دنیا بر عهده دارد. ضرایب A₁ تا A₄ مربوط به محصولات مختلف و انواع ژئوگریدهای مختلف، از طریق وب سایت رسمی این مؤسسه به آدرس www.bbacerts.co.uk قابل مشاهده میباشد.

به طور کلی عدد نهایی حاصلضرب A₁ تا A₄ مربوط به ژئوگریدهای نسل سوم (مانند Secugrid®) از انواع دیگر ژئوگرید کمتر میباشد. این بدان معناست که با مقاومت درازمدت یکسان، ژئوگریدهای نسل سوم با مقاومت اسمی کمتری مورد نیاز میباشد که این امر کاهش هزینه مصرف ژئوگرید و درنتیجه کاهش هزینهی کل یک پروژه را به دنبال خواهد داشت.

اندرکنش بین مسلح کنندهها و خاک از طریق نیروی اصطکاک و قفلشدگی مکانیکی بین خاک و این مصالح تامین میشود. شکل زیر و روابط مرتبط با آن تاثیر فاکتور مسلحکنندهی ژئوسینتتیکی ژئوگرید در افزایش مقدار پارامتر مقاومت برشی در حالت تسلیح با این مصالح نسبت به حالت غیر تسلیح را نشان میدهد:

مقاومت برشی( خاک غیر مسلح) 

مقاومت برشی (خاک مسلح) 

مزایا و امتیازات ژئوگریدهای تولید شده با روش نسل سوم 

1. این نسل از ژئوگریدها که به منظور طراحی دیوارهای خاک مسلح تولید میشوند ازجنس پلساستر میباشند و ضریب خزش بسیار پایینی دارند. این امر باعث کاهش متراژ ژئوگرید مصرفی و انتخاب ژئوگریدهای با گرید پایینتر شده و طرح اقتصادی میشود.
2. ضریب کاهنده این محصولات در برابر عوامل شیمیایی و محیطی برابر 1 میباشد و محیط اسیدی یا بازی موجب کاهش مقاومت آنها نمیشود.
3. ضریب کاهنده این محصولات ناشی از آسیبهای حین نصب نسبت به محصولات مشابه پایینتر میباشد که این خاصیت نیز نشانهی کیفیت و مقاومت بالای محصولات است.
4. وجود سطح مضرس در ژئوگریدهای تولید شده با این روش موجب میشود تا اندرکنش خاک و ژئوگرید (اصطکاک) و مقاومت در برابر بیرون کشیدگی افزایش یافته و طول لایهها کاهش یابد. این خاصیت نیز به اقتصادیتر شدن طرح کمک میکند.
5. ژئوگریدهایی که به منظور تسلیح بستر تولید میشوند، از جنس پلی پروپیلن میباشند که منحنی تنش-کرنش آنها به صورت سهمی شکل(غیر خطی) بوده و در کرنشهای پایین مدول الاستسسیته بالایی دارند.این نقطه قوت علاوه بر این که باعث انتخاب ژئوگریدهای با گرید پایینتر میشود، تغییر شکل بستر را نیز به شدت کاهش میدهد. مجموع این عوامل باعث پیشنهاد طرحی فنیتر و اقتصادیتر میشود.