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

چکیده

هدف از انجام این تحقیق بهبود خصوصیات مکانیکی و ژئوتکنیکی خاک ­های ماسه بادی است. چون یکی از مشکلات عمده ماسه بادی، مقاومت کم آن­ تحت شرایط رطوبت طبیعی و اشباع می­باشد، یک مطالعه آزمایشگاهی به منظور بررسی تاثیر افزودن پلیمر پلی وینیل الکل در بهبود خواص ژئوتکنیکی ماسه بادی انجام شد. نتایج حاصل از آزمایش­های تراکم نشان داد که افزودن این پلیمر تا ۰/۲ درصد وزنی، وزن مخصوص خشک حداکثر را افزایش می­دهد و در رطوبت بهینه تغییر قابل ملاحظه­ای ایجاد نمی­شود. نتایج آزمایش­ها همچنین نشان داد که با افزایش درصد پلیمر، مقاومت CBR نمونه­ها به مقدار قابل توجهی افزایش می­یابد به نحوی که در نمونه­های ساخته شده با ۰/۵ درصد وزنی پلیمر، مقدار CBR به ۱۸۵ رسید؛ این مقدار بیش از 7/5 برابر CBR برای خاک بدون مواد افزودنی می­باشد. با توجه به حلالیت پلیمر فوق در آب، برای حفاظت از مخلوط خاک و پلیمر در برابر آبشستگی از سیمان استفاده شد. آزمایش­ها نشان داد که با افزودن ۲ درصد سیمان به مخلوط فوق هم بر مقاومت نمونه­ها افزوده شده و هم پایداری ­آنها در برابر آبشستگی افزایش می­یابد. نتایج حاصل از آزمایش برش مستقیم نشان داد، افزودن پلیمر همچنین باعث افزایش چشمگیری در مقاومت برشی نمونه­ها می­شود. البته شکست خاک در این حالت، به صورت شکست ترد و ناگهانی مشاهده گردید. برای جلوگیری از این حالت و شکل پذیرتر کردن نمونه­ها از الیاف تایر استفاده شد. مقدار بهینه الیاف مورد نیاز در این حالت برابر با ۰/۶ درصد وزنی به دست آمد. نتایج آزمایش­های تک محوری نیز نشان دادند که افزودن پلی وینیل الکل مقاومت فشاری و برشی خاک را به میزان بسیار قابل توجهی افزایش می­دهد. همچنین مشخص شد ترکیب همزمان پلیمر، سیمان و الیاف به خاک بیشترین تاثیر را در اصلاح خصوصیات ماسه بادی دارد. به عنوان نمونه در ترکیب ۰/۴ درصد پلی وینیل الکل، ۲ درصد سیمان و ۰/۶ درصد الیاف تایر با ماسه بادی، مقاومت فشاری نمونه به ۱۵ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع رسید؛ درحالی که مقاومت فشاری برای ماسه بادی با ۲ درصد سیمان، تنها ۰/۳ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع بود.

فصل اول
مقدمه

دورنمای کار

بدون تردید یکی از مقدماتی‌ترین و مهم‌ترین اصول در اجرای طرح‌های عمرانی، داشتن زمینی مقاوم برای احداث بناست که با توجه به رشد روزافزون جمعیت دنیا در سال‌های اخیر ، مساحت زمین‌های مناسب برای ساخت و ساز و احداث بنا بتدریج در حال کاهش است. در چنین شرایطی دستیابی به روش‌های جدید و اصولی برای بهبود و اصلاح زمین‌های نامناسب رقابت شدیدی را بین مهندسان عمران کشورهای توسعه‌یافته ایجاد کرده است و در حقیقت باید پذیرفت که توسعه هرچه بیشتر فنون و روش‌های اختصاصی به منظور دستیابی به این هدف برای انسان ضروری خواهد بود. آنچه باعث می­شود که یک روش بر روش دیگر برتری یابد، پارامترهای اقتصادی، شرایط و مشکلات اجرایی، امکانات موجود و محدودیت­های زمانی و مکانی می­باشد. اصولا دستیابی به مصالح مرغوب که به لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد و بتواند بارهای اعمال شده از سوی سازه را به راحتی تحمل کند انگیزه اصلی اصلاح خاک[1] می باشد.

۲-۱-تعریف مسأله

عموما خاک موجود در سایت از دیدگاه مهندسی برای ساخت و ساز، ایده آل و کاملا مطلوب نیست و باید با اعمال تغییراتی بر آن برای فعالیت های عمرانی آماده شود.

به طور معمول در مواجهه با خاک های مسأله دار نظیر خاک های سست با قابلیت باربری کم و نشست پذیری زیاد دو راه پیش روی مهندسین ژئوتکنیک قرار دارد: الف) استفاده از المانهای باربر در خاک. ب) بهسازی و اصلاح خواص فیزیکی خاک. بهسازی (یا اصلاح) به مجموعه عملیاتی اطلاق می شود که به حذف برخی رفتارهای نامناسب خاک یا تحمیل رفتارهای مناسب به آن می انجامد. اصولا اهداف عمده بهسازی عبارتند از: افزایش مقاومت خاک، کاهش خصوصیات کلی تغییر شکل پذیری و حذف برخی رفتارهای نا مناسب یا اضافه نمودن برخی رفتارهای مناسب به خاک. روش های تثبیت خاک گسترده هستند که در هر مورد با توجه به شرایط خاص خود مورد استفاده قرار می گیرند اما به طور کلی می توان آن ها را به دو دسته تثبیت شیمیایی و تثبیت فیزیکی-مکانیکی تقسیم بندی کرد. منظور از تثبیت شیمیایی، اصلاح خواص مورد نظر خاک به کمک مواد افزودنی است، که به لحاظ فعل و انفعالات شیمیایی حاصل از این مواد در مجاورت خاک حاصل می گردد. منظور از تثبیت فیزیکی خاک، تثبیت و اصلاح خواص خاک بدون تغییر در خصوصیات شیمیایی خاک می باشد. این نوع تثبیت را می توان به روش های مختلفی اجرا نمود که تسلیح خاک یکی از این روش هاست.

 در کشور ایران با در نظر گرفتن اقلیم و شرایط جغرافیایی و همچنین وجود مناطق وسیعی از بیابان ها که اکثر خاک های این مناطق ماسه های ریز دانه (ماسه بادی) می باشد، چون یکی از مشکلات عمده خاک­های ماسه بادی، مقاومت کم آن­ها تحت شرایط رطوبت طبیعی و اشباع می­باشد، شاید یکی از موانع عمده در زمینه توسعه شبکه راه های کشور و پروژه های عمرانی، وجود این نوع ماسه ها در سطح وسیعی از کشور باشد. طبیعی است که چنانچه منابع قرضه فاصله زیادی تا محور راه یا پروژه های عمرانی داشته باشد، آنگونه که در مناطق کویر مرکزی، کویر لوت و یا بیابان های جنوب کشور چنین است هزینه احداث راه و بهسازی خاک منطقه چندین برابر حد معمول خواهد بود. بدین منظور مطالعه بر روی روش های جدیدی که قادر باشند اصلاحاتی بر روی خاک سطوح زمین پوشیده از ماسه بادی به عمل آورند، دارای اهمیت زیادی می­باشد و این تحقیق در این راستا می­باشد.

۳-۱-مروری بر مطالب ارائه شده در این تحقیق

در فصل دوم، کلیات و سابقه­ی تحقیق در رابطه با بهبود خواص خاک­های ماسه ای بررسی شده است.

فصل سوم روش تحقیق و برنامه­های آزمایشگاهی را بیان می­کند.

در فصل چهارم به نتایج حاصل از آزمایش­ها و تفسیر آن­ها پرداخته شده است.

فصل پنجم شامل نتیجه­گیری و ارائه پیشنهاد­ها می­باشد و در پایان منابع معرفی شده­اند.

فصل دوم
سابقه­ تحقیق

مقدمه ­ای بر اصلاح خاک، مواد و روش ­های مورد استفاده

در این بخش به طور مختصر از مواد مختلفی که تاکنون به منظور بهسازی خاک­های ماسه­ای استفاده شده است، پرداخته می­شود. مواد مورد استفاده به طور کلی شامل مورد ذیل است:

استفاده از مواد ضایعاتی

استفاده از الیاف طبیعی

استفاده از الیاف مصنوعی

استفاده از پلیم رها و مواد نفتی

۲-۲- استفاده از مواد افزودنی ضایعاتی به منظور بهسازی خصوصیات خاک های ماسه ای

تولید حجم عظیمی از مواد فرسوده با طول عمر بالا و عدم ارائه یک راه حل اصولی و صحیح برای دفن، بازیافت و یا استفاده بهینه، یکی از مسائل و مشکلات به وجود آمده در سال های اخیر می باشد. اضافه کردن مواد ضایعاتی علاوه بر بهبود خصوصیات خاک می تواند از دو دیدگاه دفع مواد ضایعاتی و کاهش هزینه های اجرایی نیز مورد بررسی قرار گیرد. در این تحقیق به چند مورد بطور خلاصه اشاره می­شود.

   ۱-۲-۲- بهبود خصوصیات ماسه های تثبیت شده با سیمان و خرده شیشه ضایعاتی

نخستین بار در سال ۱۹۱۷ میلادی آمیس[2] مخلوط خاک-سیمان را به عنوان یک اختراع در فیلا دلفیای امریکا به ثبت رساند و پس از وی در سال ۱۹۲۲ میلادی سازمان بزرگراه های ایالت داکوتای جنوبی و آیووا و متعاقب آن در سال ۱۹۳۲ میلادی اداره راه کارولینای جنوبی این مخلوط را در تثبیت مسیر جاده ها و احداث بزرگراه ها به کار گرفت [۱].

در طول سال های ۱۹۴۰-۱۹۵۰ تحقیقاتی بر روی فاکتور های موثر خاک بهبود یافته متراکم شده در بستر راه ها انجام گرفت[۲]. سیمنتاسیون[3] به معنای عام آن سیمانی شدن و چسبیدن است و در مهندسی ژئوتکنیک به چسبیدن ذرات خاک به یکدیگر و ایجاد یک توده چسبنده  و با مقاومت بیشتر اطلاق می شود. سیمانی شدن مصنوعی عموما در ارتباط با ماسه ها مورد بررسی قرار گرفته است. زیرا مصالح درشت تر مانند شن و ماسه های درشت دانه اصولا نیازمند به بهسازی نیستند و اغلب خصوصیات ژئوتکنیکی مطلوبی دارند به همین منظور برای بهسازی خاک با استفاده از سیمانی شدن مصنوعی آن، محققین بیشتر توجه را به ماسه ها و مصالح ریز دانه معطوف داشته اند[۳].

پس از اضافه شدن سیمان به خاک واکنش های مختلفی بین خاک و سیمان صورت می گیرد. مهمترین این واکنش ها در کوتاه مدت واکنش جانشینی یون های مثبت و واکنش تجمع-تراکم است. در این دو واکنش بافت خاک با تجمع ذرات در کنار یکدیگر به نوعی دانه بندی آن تغییر می کند و مقاومت آن افزایش می یابد. هرچه ذرات سیمان ریز تر باشند، هیدراتاسیون[4] بیشتر و برای مدت طولانی تر حتی تا سالیان دراز انجام می شود و این امر به افزایش مقاومت ترکیب سیمانی با زمان بر می گردد[۴].

دوپاس و پکر[5]در سال ۱۹۷۹، به مطالعه خواص استاتیکی و مکانیکی ماسه-سیمان به منظور بهسازی ماسه و اجتناب از خطر روانگرایی نشان دادند که با افزایش مقدار ماده سیمانی کننده بر چسبندگی خاک افزوده می شود و افزودن ۵ درصد سیمان پرتلند ۲۰۰-۳۰۰ کیلو پاسکال چسبندگی در خاک ماسه ای به وجود می آورد[۵].

  در سال های اخیر برخی بررسی های آزمایشگاهی توسط وارتمن[6] و همکاران صورت گرفته است که امکان استفاده از شیشه خرد شده را برای بهبود خواص مهندسی ذرات درشت دانه و ماسه ای و مواد ساحلی مانند کائولین و ماسه بادی مورد ارزیابی قرار داده اند. مقاومت اصطکاکی ذرات دانه ای خاک با افزودن شیشه خرد شده به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و افزودن شیشه خرد شده برای بهبود خواص مهندسی سایر مواد ساحلی به صورت یک راهکار پیشنهاد می شود[6].

در سال ۲۰۰۶ گراب[7] و همکاران به بررسی برخی از پارامترهای مکانیکی مخلوط خاک رسوبی و شیشه خرد شده پرداخته اند. این آزمایش ها بر روی ۱۰۰ درصد شیشه خرد شده، ۱۰۰ درصد مواد رسوبی و درصد های ۲۰/۸۰، ۴۰/۶۰، ۵۰/۵۰، ۶۰/۴۰ و ۸۰/۲۰ شیشه خرد شده (CG[8]) و مواد رسوبی انجام شد. افزودن ۲۰ درصد CG باعث کاهش ۳۳-۶۷ درصدی رطوبت بهینه و افزایش KN/m3  ۱-۳ دانسیته خاک در تراکم استاندارد می شود و همچنین باعث بهبود کارایی خاک رسوبی می گردد. زاویه اصطکاک داخلی ماکزیمم ۳۹ درجه بوده که در مخلوط های مواد رسوبی و شیشه خرد شده (CG) با نسبت ۶۰/۴۰ و ۸۰/۲۰ به دست آمده است[۷،۸]. با توجه به این نکته که تثبیت و بهسازی خاک با استفاده از سیمان یکی از پر هزینه ترین روش های بهسازی خاک می باشد، لذا فکر به کار بردن مواد افزودنی دیگر و جایگزینی و استفاده از آن در این نوع بهسازی جهت بهبود خصوصیات خاک تثبیت شده و افزایش پارامترهای مقاومتی و همچنین کم کردن سیمان مصرفی و متعاقبا کاهش هزینه ها مورد توجه مهندسان ژئوتکنیک بوده است. در سال ۲۰۱۰ حق شناس و همکاران با استفاده از آزمایش های تراکم استاندارد و تک محوری محدود نشده، بهبود خصوصیات مهندسی ماسه ساحلی تثبیت شده با سیمان با اضافه کردن خرده شیشه ضایعاتی را مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند که با استفاده از شیشه خرده ضایعاتی به عنوان ماده افزودنی به خاک می توان مقاومت و سایر پارامتر های مورد نظر را به صورت مطلوب کسب کرد و هم اینکه با توجه به ضایعاتی بودن شیشه از نظر اقتصادی هزینه های پروژه را کاهش داد. شیشه مورد استفاده در این تحقیق از شیشه های ضایعاتی و از ترکیب دو نوع شیشه ایمنی آبداده برای بدست آوردن دانه بندی مناسب استفاده گردیده است. شیشه ایمنی آبداده یا شیشه ایمنی پیش تنیده را بیشتر با نام شیشه سکوریت می شناسند. این شیشه ها با قطر های مختلف مانند ۳، ۵، ۶، ۱۰ میلیمتر جمع آوری شده و در دستگاه سایش لس آنجلس جهت خرد شدن ریخته شدند. پس از ۱۰۰۰ دور چرخیدن دستگاه، شیشه خرد شده خارج شده و با انجام دانه بندی ذرات با قطرهای مختلف در ظرف های جداگانه جهت استفاده دپو شدند.

برای ساخت نمونه ها ابتدا باید درصد مناسب سیمان و سپس درصد های مختلف شیشه انتخاب می گردیدند. مقدار سیمان موجود در مخلوط خاک-سیمان، به صورت درصدی از وزن و یا حجم خشک خاک بیان می شود، و مقدار آن به نوع خاک بستگی دارد. در مورد خاک های ماسه ای مقدار سیمان در درجه اول بستگی به درجه تخلخل خاک تثبیت شده دارد. به همین منظور با توجه به نوع خاک و مقدار حجمی سیمان مورد نیاز برای تثبیت مؤثر انواع مختلف خاک، در نهایت دو مقدار ۵ و ۷ درصد انتخاب شدند. با توجه به مطالعات قبلی، سه درصد وزنی مختلف ۲۰، ۴۰، ۶۰ برای افزودن شیشه خرد شده در نظر گرفته شد.

نتایج آزمایشهای آن ها به قرار زیر است:

   با انجام آزمایش تراکم استاندارد مطابق شکل ۱-۲ مشاهده می شود که با افزایش مقدار شیشه مقدار رطوبت بهینه کاهش می یابد و مقدار وزن مخصوص خشک ماکزیمم افزایش می یابد.

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.

The results of direct shear experiments indicated that adding polymer would also result in a significant increase in shear strength. A sudden and brittle soil failure was observed in this case. To increase the ductility of the soil and to prevent the brittle failures, it was decided to also add tire fibers. The optimum amount of fibers required was determined as 0.6 % soil weight in experiments.

The results of unconfined compression experiments indicated that addition of polyvinyl alcohol would increase the compressive and shear strength of soil significantly. It also became clear that combining the polymer, cement and fibers would have the greatest impact on improving dune sand properties. As an example, combining 0.4 percent polyvinyl alcohol, 2% cement and 0.6 percent of fibers with dune sand, resulted an increase of compressive strength of the samples to 15 kg/cm2, while the compressive strength of sand with 2% of cement was only 0.3 kg/cm2.