طراحی زهکش با ژئوتکستایل

یکی از عمده ترین کاربردهای ژئوتکستایل بعنوان فیلتر در انجام زهکشی دیوارهای حائل پتوهای زهکش کناره های راه سازه و زیر بستر نفوذ پذیر راه میباشد نقش فیلتر در جلوگیری از ذرات خاک هنگام جریان آب به سمت محل جمع آوری آب می باشد. ژئوتکستایل ها همچنین بعنوان فیلتر در زیر سیستم مسلح کنترل فرسایش استفاده می شوند. مزیت های کاربرد ژئوتکستایل در کاربردهای زهکشی نسبت به فیلترهای دانه ای :

• کارآیی بیشتر

• امکان کم کردن ضخامت لایه زهکش

• امکان حذف لوله های جمع آوری آب زهکشی

• عملیات خاکی کمتر

• هزینه کمتر

• نصب و اجرای سریع و آسان

نقش فیلترهای دانه ای و لایه زهکش ژئوتکستایل :

• اجازه عبور آب از فیلتر به مخزن آب در تمام طول عمر آن

• جلوگیری از حرکت ذرات خاک همراه با جریان آب

ژئوتکستایل ها نیز مانند فیلترهای دانه ای نیازمند طراحی دقیق مهندسی می باشند و در غیر اینصورت عملکرد خوبی نخواهند داشت. برای طراحی دقیق فیلترهای ژئوتکستایل پارامترهایی مانند مشخصات جریان آب مقاومت جوشش، مقاومت مسدود شدگی و شرایط ساخت لازم میباشد که در ادامه به معرفی آنها می پردازیم.

کاربردها اکنون به معرفی برخی از کاربردهای ژئوتکستایلها در انجام زهکشی می پردازیم

1. بعنوان فیلتر دور گودال های زهکشی برای جلوگیری از حرکت ذرات خاک بداخل سیستم زهکشی دانه ای همراه با جریان آب (شکل ۴-۱- الف) .

2. بعنوان فیلتر در زیر سطح راه در زمینهای با نفوذ پذیری زیاد (شکل ۴-۱- ب)

3. بعنوان زهکشی سازه هایی مانند دیوارهای حائل، پایه های پل در جداسازی زهکش دانه ای و یا کل سیستم از خاک پشت آن (4-۱- ج)

4. بعنوان پوشش برای لوله های جمع آوری آب زهکشی در سیستم های زهکشی جهت جلوگیری از ورود دانه های فیلتر به داخل لوله هنگام زهکشی شکل ( 4-1- د)

5. بعنوان جداساز زهکش پاشته ای و سطحی در پایدار سازی شیروانیها با زایل کردن فشار آب حفره ای و کنترل شکل فرسایش سطحی (شکل ۴-۱-۰)

6. بعنوان زهکش پاشنه ای در سدهای خاکی و خاکریزها برای کنترل تراوش (شکل ۴-۱- و)

شکل ۴-۱ انواع کاربردهای ژئوتکستایل ها در زهکشی و ایجاد فیلتر

در تمام کاربردهای فوق جریان آب در ژئوتکستایل عمود بر صفحه آن میباشد. در سایر کاربردها مانند زهکشی عمودی در فونداسیونهای روی خاکهای سست زهکشی جانبی در پشت دیوارهای حائل و لوله های انتقال گاز، جریان آب ممکنست هم بصورت عمود و هم در جهت صفحه آن اتفاق بیفتد.

تمام طراحی های مربوط به ژنوسینتیکها در کاربردهای مختلف باید با تشخیص نقاط بحرانی و حساس شرایط پروژه شروع شود (جدول ۴-۱)

جدول 4-1 راهنمایی برای تعیین درجه بحران و شدت پروژه های زهکشی و کنترل فرسایش

در شکل ۴-۲ مفهوم خاک بد دانه بندی شده خوب دانه بندی شده و با دانه بندی یکنواخت نشان داده شده است. خاکهای با دانه بندی منفک (بد دانه بندی شده) و یا با دانه بندی گسترده (خوب دانه بندی شده) هر دو ممکنست از نظر ساختمان داخلی ناپایدار باشند و پدیده جوشش و یا فرسایش داخلی را تجربه کرده باشند. از طرف دیگر خاک زمانی از نظر ساختمان داخلی پایدار است که خود فیلتر باشد یعنی ذرات ریز آن از داخل حفرات بین ذرات بزرگتر عبور نکنند. معیارهای بررسی وضعیت پایداری داخلی خاک در ادامه معرفی میشود خاکهای جداشدنی خاک هایی با دانه بندی ریز طبیعی می باشند که در حضور آب ذرات آنها از هم جدا میشوند و مستعد برای ایجاد جوشش و یا فرسایش داخلی می باشند.

شکل 4-2 انواع دانه بندی خاک ها در پروژه های زهکشی و ایجاد فیلتر

طراحی فیلتر ژئوتکستایل

طراحی فیلتر ژئو تکستایل در واقع مانند طراحی فیلترهای دانه ای می باشد.

شباهت ژئوتکستایل و خاک در داشتن حفرات و ذرات می باشد هرچند که به لحاظ ظاهر و ترتیب قرارگیری رشته ها و قابلیت تراکم پذیری ساختمان ژئوتکستایل رابطه پیچیده تری بین رشته ها و حفرات حاکم می باشد.

در ژئوتکستایل می توان اندازه حفرات را مستقیما اندازه گرفت در حالی که در خاک این کار به صورت غیر مستقیم و از طریق اندازه گیری ذرات تخمین زده می شود. بنابراین می توان با در دست داشتن اندازه حفرات موجود در ژئوتکستایل می توان روابط ساده ای را بین اندازه حفرات موجود در ان و اندازه ذرات خاکی که باید زهکشی شود برقرار کرد. در طراحی ژئوتکستایل برای مقاصد زهکشی و فیلتر کردن خاک از سه مفهوم عمده استفاده می شود.

• اگر اندازه بزرگترین حفره در ژئوتکستایل از اندازه بزرگترین ذره خاک کوچکتر باشد در انصورت خاک توسط فیلتر نگهداری میشود. در فیلترهای دانه ای ذرات بزرگتر خاک بر روی حفرات خاک تشکیل فیلتر می دهند که از حرکت ذرات کوچکتر خاک و ایجاد پدیده جوشش جلوگیری به عمل می اورد.

• اگر اندازه کوچکترین حفره در ژئوتکستایل به اندازه کافی بزرگ باشد که به ذرات کوچکتر خاک اجازه عبور از فیلتر را بدهد در ان صورت ژئوتکستایل هیچگاه کور و یا گرفته نمیشود

• درزهای زیادی در ژئوتکستایل باید وجود داشته باشد تا علیرغم بسته شدن تعدادی از انها در اینده، جریان کامل اب برقرار شود.

بنابراین برای طراحی به عنوان فیلتر ژئوتکستایل بایستی سه معیار زیر را ارضا کند:

1. نگهداری ذرات خاک

2. اجازه عبور اب

3. طول عمر زیاد دربرابر گرفتگی و کورشدگی

کریستوفر و هلتز پس از تحقیقات بسیار در امریکای شمالی و اروپا بر روی فیلترهای معمولی و فیلترهای ژئوتکستایل، مراحل طراحی ارائه شده را برای طراحی فیلترهای ژئوتکستایل و کنترل دائمی فرسایش ارائه کردند.

مراحل طراحی به درجه بحران پروژه و شدت شرایط خاک و اب بستگی دارد. (جدول 4-1) به خصوص در پروژه های با درجه بحران زیاد، در نظر گرفتن ریسک و پیامدهای احتمالی خراب شدن فیلتر ژئوتکستایل نیاز به دقت بسیار بالایی دارد. در این پروژه و پروژه های با شرایط شدید هیدرولیکی ، طرح محافظه کارانه پیشنهاد می شود.

انتخاب ژئوتکستایل نباید فقط بر اساس هزینه اقتصادی باشد.

هزینه اقتصادی ژئوتکستایل معمولا نسبت به هزینه سایر مصالح و ساخت سیستم زهکشی با انها کمتر می باشد. با وجود این در هنگام طراحی نباید سعی در کاهش هزینه ها با حذف ازمایش های لازم بررسی عملکرد و کارایی ژئوتکستایل-خاک نمود.

تحقیقات ملی بزرگراه ها در مطالعه کارایی سیستم های زهکشی با ژئوتکستایل نشان داد که معیار های طراحی کریستوفر و هلتز، تخمین بسیار عالی از کارایی فیلتر به خصوص برای خاک های دانه ای ارائه می دهند.

معیار مقاومت و دوام

در پروژه های ساخت فیلتر و سیستم زهکشی برای اطمینان از دوام ژئوتکستایل حین مراحل ساخت، ژئوتکستایل هایی با مشخصات مقاومتی و دوام معین نیاز می باشد. حداقل مشخصات مورد نیاز برای پروژه های با درجه بحران کم و شدت کمتر در جدول زیر آورده شده است.

باید توجه داشت که مقادیر حداقل بر اساس تحقیقات مستند نیست بلکه بر اساس مشخصات ژئوتکستایل های موجود که در کاربردهای زهکشی به خوبی عمل کرده اند می باشد که مناسب برای افراد با تجربه کمتر در این زمینه می باشد و نباید مقادیر طراحی شده و ازمایش شده را با انها جایگزین کرد.

در اغلب کاربردها و محیط ها، ژئوتکستایل ها معمولا موادی غیر واکنشی هستند. با وجود این در کاربردهای خاص ممکن است ژئوتکستایل در معرض محیط های شیمیایی و یا بیولوژیکی قرار بگیرند که ممکن است مشخصات فیلتری آن را تحت تاثیر قرار دهد.

به عنوان مثال در زهکش ها، فیلترهای دانه ای و ژئوتکستایل ها ممکن است به صورت شیمیایی توسط رسوبات شیمیایی آهن یا کربنات ها و یا به صورت بیولوژیکی توسط جلبک ها و خزه ها انسداد پیدا کنند.

به خصوص انسداد بیولوژیکی زهکش ها و فیلترها هنگام سرویس های دوره ای به دلیل قرار گرفتن در معرض هوا مشکل بالقوه ای می باشد.

پتانسیل انسداد بیولوژیکی با ازمایش ASTM D 1987 (ازمایش تعیین گرفتگی بیولوژیکی ژئوتکستایل ها یا فیلترهای ژئوتکستایل-خاک 1991) تعیین می شود.

اگر احتمال انسداد بیولوژیکی باشد از ژئوتکستایلی با تخلخل بالاتر استفاده می شود و یا طراحی را منوط به برنامه بازدید و نگهداری از سیستم زهکشی میکنند.

ملاحضات اجرایی

1. سطحی که ژئوتکستایل روی آن قرار می گرد باید کاملاً بنا بر طراحی خاکبرداری شود تا سطحی کاملا صاف و عاری از هرگونه کثیفی و حفره، حاصل شود.

2. بین مراحل آماده سازی زیر اساس و ساخت سیستم زهکشی، ژئوتکستایل بایستی کاملا از هرگونه عاملی که باعث خرابی آن شود محافظت شود.

3. پس از خاکبرداری، ژئوتکستایل بایست با توجه به عرض مورد نیاز و همچنین در نظر گرفتن همپوشانی بریده شود

4. در حین اجرا باید توجه کافی نمود که ژئو تکستایل آسیب نبیند و در غیر اینصورت باید آن را تعویض کرد.

5. در سیستم های زهکشی، ژئوتکستایل را باید در جهت جریان آب قرار داد و در روسازی باید به موازات مسیر راه باشد. باید توجه داشت که ژئوتکستایل باید بصورت آزاد و بدون چروک باشد. ژئوتکستایل باید در تماس کامل با خاک باشد به گونه ای که هیج فضای خالی بین آنها قرار نگیرد.

6. در سیستم های زهکشی، انتهای رول ها و همچنین کناره های رول های موازی ژئوتکستایل بسته به شرایط هیدرولیکی پروژه بایستی به اندازه ۳۰ تا ۶۰ سانتیمتر همپوشانی داشته باشند و قسمت های همپوشانی بایست دوخته شوند (بطوریکه ورق رویی به اندازه ۳۰ تا ۶۰ سانتیمتر بزرگتر از ورق زیری باشد). در پروژه های با شرایط هیدرولیکی شدید و یا سازه های سنگین مانند ترانشه های عمیق و با سنگهای بزرگ، مقدار همپوشانی باید بیشتر شود. برای زهکشی سایت های بزرگ، نواحی همپوشانی باید با میخ در جای خود محکم شوند تا قبل از ریختن مصالح سنگ دانه ای، ژئوتکستایل ها در جای خود محکم بمانند.

جدول ۴-۲ مشخصات حداقل مورد نیاز ژئوتکستایل برای کاربرد زهکشی و فیلتراسیون 1و2و3و4

1. معیار پذیرش مواد و جنس ژئوتکستایل بایستی بر اساس ASTM D 4759 باشد.

2. پذیرش بایستی بر اساس آزمایش روی نمونه استاندارد به روش A آزمایش ASTM D 4534 و یا بر اساس گواهی سازنده و با نمونه های شاهد باشد

3. برای انتخاب مصالح از مقادیر مقاومنی آن در جهت ضعیفتر استفاده شود.

4. استفاده از ژئوتکستایل های با فیلم های شکافدار مجاز نیست.

5. ژئوتکستایل معمولی. مهندس طراح ممکن است به یکی از دلایل زیر از ژئوتکستایل نوع سه برای زهکشی ترانشه ها استفاده کند :

• الف) عمر و دوام بیشتر بنا به تجریات صحرایی
• ب) عمرو دوام بیشتر بنا به آزمایش های انجام شده در آزمایشگاه و روی نمونه های برداشته شده از محل
• ت) عمق زهکشی کمتر از دو متر باشد، قطر دانه های فیلتر کمتر از ۳۰ میلیمتر باشد و تراکم مورد نیاز کوچکتر یا مساوی ۹۵% آشتو 99-T باشد.

6. بر اساس اندازه گیری به روش ASTM D 4632

زمانیکه درز نیاز باشد. این مقادیر هم در مورد درزهای ایجاد شده حین تولید و هم درزهای ایجاد شده در اجرا می باشد.

حداقل مقدار مقاومت پارگی مورد نیاز برای ژئوتکستایل های بافته شده تک رشته ای ۲۵۰ نیوتن می باشد.

برای محدود کردن خرابی ژئوتکستایل در مقابل نور خورشید، کثیفی و آسیب، نصب زهکش ها و یا اساس بایست سریع انجام شود. پیش از مرحله تراکم، ژئوتکستایل باید حداقل با ۳۰ سانتیمتر مصالح سست پوشانده شود. برای زهکشی ترانشه ها حداقل ۱۰ سانتیمتر مصالح زهکشی به عنوان بستر زیر لوله های سوراخ دار جمع آوری آب قرار داد.

شکل ۴-۷ ساخت فیلتر و جداکننده ژئوتکستایل در زیر بستر نفوذپدیر

الف) ژئوتکستایل به عنوان جداکننده ب ) ژئوتکستایل به عنوان زهکش

1. خاک های با ۲۰ تا ۶۰ درصد ریزدانه

آزمایش های فیلتر بر روی تمامی انواع ژئوتکستایل بایست انجام شود.

2. خاک های با بیشتر از 60% ریزدانه

ژئوتکستایل های سنگین ،پانج شده با سوزن و حرارتی برای جلوگیری از حرکت ریزدانه ها بسیار مناسب هستند و اگر هم انسداد رخ دهد، نفوذپذیری قسمت کور شده برابر نفوذپذیری خاک است.

3. خاک های غیر چسبنده با دانه بندی منفک

برای این نوع از خاک ها از فیلتر یکنواخت ماسه ای همراه با ژئوتکستایل با درصد بازشدگی بسیار زیاد برای عبور ریزدانه ها استفاده شود.

4. خاک های سیلتی همراه با لنزهای ماسه ای

در این موارد از فیلتر ماسه ای یکنواخت همراه با ژئوتکستایل با درصد بازشدگی بسیار زیاد برای سهولت عبور سیلت ها از آن بطوری که جلوی حرکت ماسه های فیلتر را بگیرند استفاده شود. همچنین می توان مستقیماً از ژئوتکستایل نوع سنگین پانج شده با سوزن، روی خاک استفاده کرد بنابراین آب می تواند بصورت جانبی از ژئوتکستایل عبور کند.