پایان نامه تثبیت و اصلاح خصوصیات ژئوتکنیکی ماسه بادی با استفاده از دوغاب پلیمری

پایان نامه

برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی عمران – مکانیک خاک و پی

بررسی تثبیت و اصلاح خصوصیات ژئوتکنیکی ماسه بادی با استفاده از دوغاب پلیمری، پلی‌وینیل الکل، سیمان و الیاف تایر برای افزایش مقاومت و ظرفیت باربری خاک.

چکیده:

تثبیت و اصلاح خصوصیات ژئوتکنیکی ماسه بادی یکی از مهم‌ترین موضوعات در مهندسی ژئوتکنیک و پروژه‌های عمرانی محسوب می‌شود. وجود گستره وسیعی از مناطق بیابانی در ایران و فراوانی خاک‌های ماسه بادی باعث شده است این نوع خاک به یکی از چالش‌های اصلی اجرای پروژه‌های راه‌سازی، ساختمان‌سازی و توسعه زیرساخت‌های عمرانی تبدیل شود. ماسه بادی به دلیل مقاومت مکانیکی پایین، ظرفیت باربری محدود و حساسیت زیاد در برابر رطوبت، برای اجرای بسیاری از پروژه‌های مهندسی مناسب نیست و بدون انجام عملیات بهسازی، استفاده از آن با مشکلات فراوانی همراه خواهد بود. ازاین‌رو، پژوهش حاضر با هدف بررسی روش‌های مؤثر برای تثبیت و اصلاح خصوصیات ژئوتکنیکی ماسه بادی و ارزیابی عملکرد دوغاب پلیمری در بهبود رفتار مکانیکی این نوع خاک انجام شده است.

در این تحقیق از پلیمر پلی‌وینیل الکل به عنوان ماده اصلی اصلاح‌کننده استفاده شده است. هدف اصلی پژوهش، بررسی میزان تأثیر این پلیمر بر افزایش مقاومت مکانیکی، بهبود ویژگی‌های ژئوتکنیکی و افزایش دوام ماسه بادی در شرایط مختلف رطوبتی است. همچنین به منظور افزایش پایداری نمونه‌ها در برابر آب و جلوگیری از آب‌شستگی، سیمان به عنوان ماده مکمل مورد استفاده قرار گرفته و برای کاهش رفتار ترد نمونه‌ها نیز الیاف تایر به ترکیب افزوده شده است. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که استفاده هم‌زمان از این مواد می‌تواند عملکرد ماسه بادی را به میزان قابل توجهی بهبود دهد.

اهمیت این پژوهش از آنجا ناشی می‌شود که بخش قابل توجهی از اراضی کشور را خاک‌های ماسه‌ای و بیابانی تشکیل می‌دهند. در بسیاری از این مناطق، انتقال مصالح مناسب از نقاط دیگر هزینه‌های بسیار زیادی را به پروژه‌های عمرانی تحمیل می‌کند. بنابراین اگر بتوان با استفاده از روش‌های اصلاح خاک، خصوصیات مهندسی ماسه بادی موجود در محل پروژه را بهبود بخشید، علاوه بر کاهش هزینه‌های اجرایی، سرعت اجرای پروژه‌ها نیز افزایش خواهد یافت. این موضوع به‌ویژه در پروژه‌های راه‌سازی، توسعه زیرساخت‌های حمل‌ونقل، احداث ساختمان‌ها و سایر طرح‌های عمرانی اهمیت فراوانی دارد.

پژوهش حاضر ابتدا به معرفی روش‌های مختلف تثبیت و بهسازی خاک می‌پردازد. به طور کلی روش‌های بهسازی خاک به دو گروه اصلی تثبیت فیزیکی و تثبیت شیمیایی تقسیم می‌شوند. در تثبیت شیمیایی از مواد افزودنی برای ایجاد تغییر در رفتار خاک استفاده می‌شود، در حالی که در روش‌های فیزیکی بیشتر ساختار خاک بدون تغییر شیمیایی اصلاح می‌شود. انتخاب هر یک از این روش‌ها به شرایط پروژه، نوع خاک، هزینه‌های اجرایی، امکانات موجود و اهداف مورد نظر بستگی دارد.

در ادامه، ویژگی‌های خاک‌های ماسه بادی و مشکلات ناشی از استفاده از آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. این خاک‌ها معمولاً فاقد چسبندگی کافی هستند و در شرایط اشباع یا افزایش رطوبت، مقاومت خود را به میزان زیادی از دست می‌دهند. همچنین ظرفیت باربری پایین و تغییر شکل زیاد آن‌ها موجب می‌شود استفاده مستقیم از این خاک‌ها در پروژه‌های عمرانی با محدودیت همراه باشد. به همین دلیل اصلاح رفتار ژئوتکنیکی این نوع خاک همواره یکی از موضوعات مهم تحقیقات مهندسی عمران بوده است.

برای دستیابی به اهداف تحقیق، مجموعه‌ای از آزمایش‌های آزمایشگاهی بر روی نمونه‌های مختلف ماسه بادی انجام شده است. در این آزمایش‌ها تأثیر درصدهای مختلف پلی‌وینیل الکل بر خصوصیات مکانیکی خاک بررسی شده است. نتایج آزمایش تراکم نشان می‌دهد که افزودن این پلیمر تا مقدار مشخصی باعث افزایش وزن مخصوص خشک حداکثر خاک می‌شود، در حالی که تغییر محسوسی در رطوبت بهینه مشاهده نمی‌شود. این موضوع بیانگر آن است که پلیمر بدون ایجاد تغییر قابل توجه در شرایط تراکم، موجب افزایش کیفیت ساختار داخلی خاک می‌شود.

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این پژوهش، بررسی مقاومت باربری خاک با استفاده از آزمایش CBR است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که با افزایش درصد پلیمر، مقدار CBR نیز افزایش قابل توجهی پیدا می‌کند. این افزایش مقاومت بیانگر آن است که پلیمر موجب ایجاد پیوند مناسب میان ذرات ماسه شده و ظرفیت تحمل بار خاک را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. نتایج تحقیق نشان می‌دهد که مقاومت نمونه‌های اصلاح‌شده چندین برابر بیشتر از ماسه بادی طبیعی است و این موضوع قابلیت استفاده از این روش را در پروژه‌های عمرانی افزایش می‌دهد.

با توجه به محلول بودن پلی‌وینیل الکل در آب، پژوهش به بررسی راهکاری برای افزایش دوام نمونه‌ها در برابر رطوبت نیز پرداخته است. در این راستا از سیمان به عنوان ماده تثبیت‌کننده استفاده شده است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که افزودن مقدار مناسبی سیمان علاوه بر افزایش مقاومت مکانیکی خاک، پایداری آن را در برابر آب‌شستگی نیز به میزان چشمگیری افزایش می‌دهد. این موضوع اهمیت زیادی در پروژه‌هایی دارد که خاک در معرض بارندگی یا رطوبت قرار می‌گیرد.

در ادامه پژوهش، رفتار برشی نمونه‌های اصلاح‌شده مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش برش مستقیم نشان می‌دهد که افزودن پلیمر باعث افزایش قابل توجه مقاومت برشی خاک می‌شود. با وجود این، نمونه‌های اصلاح‌شده با پلیمر رفتار نسبتاً تردی از خود نشان می‌دهند و شکست آن‌ها به صورت ناگهانی اتفاق می‌افتد. به همین دلیل، برای افزایش شکل‌پذیری و کاهش شکست ترد، از الیاف تایر در ترکیب خاک استفاده شده است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که افزودن درصد مناسبی از الیاف موجب افزایش انعطاف‌پذیری نمونه‌ها شده و رفتار مکانیکی آن‌ها را بهبود می‌بخشد.

به طور کلی یافته‌های بخش نخست این پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از دوغاب پلیمری بر پایه پلی‌وینیل الکل، در کنار سیمان و الیاف، می‌تواند راهکاری مؤثر برای اصلاح خصوصیات ژئوتکنیکی ماسه بادی باشد. این روش ضمن افزایش مقاومت فشاری، مقاومت برشی و ظرفیت باربری خاک، موجب افزایش دوام آن در برابر شرایط محیطی نیز می‌شود و زمینه استفاده گسترده‌تر از خاک‌های ماسه‌ای در پروژه‌های عمرانی را فراهم می‌سازد.

پژوهش حاضر علاوه بر بررسی عملکرد پلی‌وینیل الکل، به ارزیابی اثر هم‌زمان چند ماده تثبیت‌کننده بر رفتار ژئوتکنیکی ماسه بادی نیز پرداخته است. نتایج آزمایش‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که استفاده هم‌زمان از پلیمر، سیمان و الیاف نسبت به استفاده مجزای هر یک از این مواد، عملکرد مطلوب‌تری در بهبود خصوصیات مکانیکی خاک ایجاد می‌کند. این ترکیب موجب افزایش مقاومت فشاری، مقاومت برشی، ظرفیت باربری و پایداری خاک در برابر عوامل محیطی شده و امکان استفاده از ماسه بادی را در پروژه‌های عمرانی فراهم می‌سازد.

یکی از مهم‌ترین بخش‌های تحقیق، بررسی مقاومت فشاری تک‌محوری نمونه‌های اصلاح‌شده است. نتایج این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که افزودن پلی‌وینیل الکل به ماسه بادی باعث افزایش قابل توجه مقاومت فشاری می‌شود. همچنین هنگامی که پلیمر همراه با سیمان و الیاف مورد استفاده قرار می‌گیرد، مقاومت نهایی نمونه‌ها نسبت به حالت استفاده از سیمان به تنهایی چندین برابر افزایش می‌یابد. این یافته بیانگر آن است که اثر هم‌افزایی مواد افزودنی می‌تواند نقش بسیار مؤثری در اصلاح رفتار خاک ایفا کند.

نتایج آزمایش‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که استفاده از درصد مناسب پلیمر موجب ایجاد پیوند بین ذرات ماسه شده و ساختار خاک را منسجم‌تر می‌کند. این موضوع باعث افزایش مقاومت خاک در برابر نیروهای فشاری و برشی می‌شود. در عین حال، افزودن سیمان موجب تثبیت بیشتر ساختار ایجادشده و افزایش دوام آن در برابر رطوبت و آب‌شستگی می‌شود. از سوی دیگر، الیاف تایر نیز با ایجاد شبکه‌ای مقاوم در میان ذرات خاک، از گسترش ترک‌ها جلوگیری کرده و رفتار شکل‌پذیرتری را در نمونه‌ها ایجاد می‌کند.

در این پژوهش تأکید شده است که انتخاب مقدار بهینه هر یک از مواد افزودنی اهمیت زیادی دارد. استفاده کمتر از مقدار مناسب ممکن است نتواند مقاومت مورد انتظار را ایجاد کند و استفاده بیش از حد نیز از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نخواهد بود. به همین دلیل، تعیین درصد بهینه پلیمر، سیمان و الیاف یکی از مهم‌ترین اهداف آزمایش‌های انجام‌شده بوده است. نتایج نشان می‌دهد که ترکیب بهینه این مواد بهترین عملکرد را در بهبود خصوصیات ژئوتکنیکی ماسه بادی فراهم می‌کند.

بخش دیگری از تحقیق به بررسی پیشینه مطالعات انجام‌شده در زمینه تثبیت خاک اختصاص یافته است. بر اساس مطالعات مرورشده، تاکنون روش‌های متعددی برای اصلاح خاک‌های ماسه‌ای پیشنهاد شده است که از جمله آن‌ها می‌توان به استفاده از سیمان، مواد ضایعاتی، الیاف طبیعی، الیاف مصنوعی، پلیمرها و سایر مواد افزودنی اشاره کرد. هر یک از این روش‌ها دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود هستند و انتخاب آن‌ها به شرایط پروژه، نوع خاک و اهداف مورد نظر بستگی دارد.

پژوهش همچنین به اهمیت استفاده از مواد ضایعاتی در پروژه‌های ژئوتکنیکی اشاره می‌کند. استفاده از موادی مانند شیشه خردشده و الیاف تایر علاوه بر بهبود خصوصیات مکانیکی خاک، موجب کاهش حجم ضایعات و کاهش هزینه‌های اجرایی نیز می‌شود. این رویکرد علاوه بر مزایای فنی، از دیدگاه زیست‌محیطی نیز اهمیت فراوانی دارد و می‌تواند در راستای توسعه پایدار مورد استفاده قرار گیرد.

یکی دیگر از مباحث مهم مطرح‌شده در این تحقیق، نقش سیمان در فرآیند تثبیت خاک است. سیمان یکی از رایج‌ترین مواد مورد استفاده در بهسازی خاک‌های ماسه‌ای محسوب می‌شود و با ایجاد واکنش‌های شیمیایی میان ذرات خاک، مقاومت و چسبندگی آن را افزایش می‌دهد. با وجود این، هزینه بالای مصرف سیمان باعث شده است محققان همواره به دنبال استفاده از مواد جایگزین یا مکمل باشند تا ضمن حفظ کیفیت، هزینه‌های اجرایی نیز کاهش یابد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از پلیمر در کنار مقدار محدودی سیمان می‌تواند به این هدف دست یابد.

از دیدگاه اقتصادی، یافته‌های تحقیق اهمیت ویژه‌ای دارند. در بسیاری از پروژه‌های عمرانی واقع در مناطق کویری، انتقال مصالح مناسب از معادن دوردست هزینه بسیار زیادی به پروژه تحمیل می‌کند. اگر بتوان با استفاده از روش‌های اصلاح خاک، ماسه بادی موجود در محل پروژه را به مصالحی با خصوصیات مهندسی مطلوب تبدیل کرد، علاوه بر کاهش هزینه‌های حمل‌ونقل، سرعت اجرای پروژه نیز افزایش خواهد یافت. این موضوع به‌ویژه در پروژه‌های راه‌سازی، احداث فرودگاه‌ها، ساخت خطوط ریلی و توسعه زیرساخت‌های مناطق بیابانی اهمیت فراوانی دارد.

نتایج این پژوهش همچنین نشان می‌دهد که اصلاح خاک با استفاده از دوغاب پلیمری می‌تواند جایگزین مناسبی برای برخی روش‌های سنتی تثبیت خاک باشد. این روش علاوه بر افزایش مقاومت مکانیکی، باعث بهبود دوام خاک در شرایط محیطی مختلف شده و قابلیت استفاده از آن را در پروژه‌های مختلف عمرانی افزایش می‌دهد. همچنین به دلیل امکان کنترل مقدار مواد مصرفی، این روش انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به بسیاری از روش‌های متداول دارد.

در جمع‌بندی نتایج پژوهش می‌توان گفت که پلی‌وینیل الکل نقش مؤثری در افزایش مقاومت ژئوتکنیکی ماسه بادی ایفا می‌کند. استفاده هم‌زمان از پلیمر، سیمان و الیاف تایر موجب ایجاد ساختاری مقاوم‌تر، پایدارتر و شکل‌پذیرتر در خاک می‌شود و بسیاری از محدودیت‌های ماسه بادی را برطرف می‌کند. این موضوع امکان استفاده از خاک‌های ماسه‌ای موجود در محل پروژه را فراهم ساخته و نیاز به جایگزینی کامل خاک یا حمل مصالح از مناطق دیگر را کاهش می‌دهد.

در نهایت، این تحقیق نشان می‌دهد که اصلاح و تثبیت ماسه بادی با استفاده از دوغاب پلیمری، روشی کارآمد برای افزایش کیفیت خاک‌های مسئله‌دار محسوب می‌شود. نتایج به‌دست‌آمده می‌تواند مبنای مناسبی برای طراحی و اجرای پروژه‌های عمرانی در مناطق ماسه‌ای باشد و زمینه استفاده گسترده‌تر از فناوری‌های نوین بهسازی خاک را فراهم کند. همچنین یافته‌های پژوهش می‌تواند برای مهندسان ژئوتکنیک، طراحان پروژه‌های عمرانی، پژوهشگران حوزه مهندسی عمران و مدیران پروژه‌های زیرساختی در انتخاب روش‌های مناسب تثبیت خاک و افزایش ایمنی و دوام سازه‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

Application of Polymer Slurry for Stabilization and Improvement of Geotechnical Properties of Dune Sand

Abstract

The purpose of this study was to improve the mechanical and geotechnical properties of dune sand. As one of the main problems of dune sand is low resistance under natural moisture and saturated conditions, a detailed experimental study was carried out to evaluate the effect of addition of polyvinyl alcohol polymer to improve the geotechnical properties of dune sand.

The results of compaction experiments indicated that addition of this polymer by 0.2 percent in soil weight, would lead to an increase in maximum dry density with no significant change in the optimum water content. The results of CBR tests on the samples with the same proportion of this polymer led to an increase of CBR values to 185- that is 7.5 times of CBR values observed for the samples with no polymer additives. Due to the solubility of the applied polymer in water and in order to protect the soil and polymer against scouring, a low percentage of cement (i.e. 2%) was also used.