استحکام خاک و مواد و بررسی و طبقه بندی آن روی لوله پلی اتیلن

استحکام خاک و دفن لوله پلی اتیلن  برای کاربرد در جریانات گرانشی بوسیله استاندارد ASTM D2321 با عنوان «اقدامات استاندارد برای نصب زیرزمینی لوله کاروگیت و سایر کاربردهای جریان گرانشی» پوشش داده شده است. استاندارد ASTM 2774 با عنوان «اقدامات استاندارد در نصب زیرزمینی لوله‌های گرمانرمی تحت فشار» لوله‌های آب و شاه لوله‌ها را تحت پوشش قرار می‌دهد.

استحکام خاک روی لوله پلی اتیلن

در زمان انتخاب ماده روپوش باید به تأثیر اندازه دانه‌ها، شکل و توزیع آن‌ها بر نگهداری توجه شود. مطالبی که در ادامه می‌آیند، به طراح در انتخاب کمک می‌کنند. بطورکلی، خاک‌هایی با دانه‌های درشت مانند سنگریزه، بیشترین سفتی را دارند و درنتیجه بالاترین توان نگهداری را بوجود می‌آورند.

دانه‌های گِرد برخلاف دانه‌های زاویه دار و نوک تیز که بیشتر تمایل به قفل شدن در یکدیگر دارند و درنتیجه مقاومت برشی بالاتری دارند، متمایل به قل خوردن هستند. خاک‌های با دانه بندی متناسب (GW، SW) که حاوی مقادیری از طیف گسترده‌ای از اندازه دانه‌های مختلف هستند، مقاومت بیشتری نسبت به خاک‌های با اندازه دانه یکنواخت (GP، SP) از خود نشان می‌دهند.

در کنار خواص دانه ای، چگالی بیشترین تأثیر را بر سفتی روپوش و استحکام خاک دارد. به عنوان مثال، در یک خاک چگال، چفت شدگی زیادی در دانه‌ها دیده می‌شود و سطح تماس دانه -به-دانه بزرگ است. در خاک‌های چگال جابجایی در جرم خاک بسیار محدود است چرا که برای جابجایی دانه‌ها، حجمی از خاک که در راستای لغزش قرار دارد، باید از هم باز شود. این عمل نیازمند سطح بالایی از انرژی است. در خاک سست، جابجایی موجب قل خوردن یا لغزش دانه‌ها می‌شود و برای این کار انرژی بسیار کمتری نیاز است. بنابراین، خاک سست مقاومت کمتری در برابر جابجایی دارد. برای مقدار بار مشخص، خاک سست بیش از شرایطی که  استحکام خاک زیاد و چگال است موجب خمش لوله می‌شود.

بیشتر بخوانید: برای آشنایی با فرایند لیچینگ این مقاله را مطالعه فرمائید.

کلاس بندی روپوش‌ها بر اساس استاندارد ASTM D2321

مواد روپوش لوله‌ها توسط استاندارد ASTM D2321 با عنوان «اقدامات استاندارد برای نصب زیرزمینی لوله‌های گرمانرم جمع آوری فاضلاب و سایر کاربردهای جریان گرانشی» و بر اساس تناسب آن‌ها برای استفاده، به ۵ کلاس تقسیم شده‌اند. برای دیدن توضیحات خاک روپوش، طبقه بندی‌ها و نماد گروه‌های خاک که در پاراگراف‌های بعدی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

کلاس I و کلاس II

خاکهای کلاس I و II خاکهای دانه ای[۱] هستند و بیشترین نگهدارندگی روپوش را نشان می‌دهند، این استحکام خاک بیشتر با مقادیر E΄ زیادی که برای آن‌ها موجود است، تأیید می‌شود. برای دیدن رابطه بین نوع خاک و مقدار E΄ به جدول ۷-۲ فصل ۶ مراجعه کنید. مواد کلاس I بیشتر ساخته شده یا فرآوری شده هستند، مثل سنگ آسیاب شده (پودر سنگ). مواد کلاس II بیشتر از ماسه شسته و سنگریزه تشکیل شده‌اند و اکثراً خاکهای طبیعی مثل رسوبات رودخانه‌ای هستند.

می‌توان مواد کلاس I و II را با هم مخلوط کرد تا موادی بدست آید که در برابر مهاجرت[۲] ذرات ریزتر خاک به ناحیه روپوش مقاومت می‌کنند (چنانکه در زیر توضیح داده خواهد شد). به علاوه، مواد کلاس I و II ساده تر از مواد دیگر قابلیت جایگذاری و متراکم شدن با محدوده وسیعی از میزان رطوبت را دارند. تراوایی بالای مواد کلاس I و II به آبگیری از ترانشه کمک می‌کند و باعث می‌شود این مواد برای موقعیت‌هایی مانند تخته سنگ‌ها که ممکن است با مشکلات آبی روبرو شویم، مواد مطلوبی باشند. ترکیب این خاصیت‌های مورد پسند باعث می‌شود طراحان در مواقعی که مواد مختلفی به لحاظ عملیاتی و اقتصادی در دسترس هستند، استفاده از اینگونه مواد را بر سایر موارد ترجیح دهند.

حداکثر اندازه مصالح مورد نیاز روی لوله پلی اتیلن

حداکثر اندازه مصالح در مواد کلاس I و II، هنگامی که این مواد در کنار لوله مورد استفاده قرار می‌گیرند (به عنوان بستر، پشت بند و خاکریز اولیه) نباید بیش از مقادیری باشد که در جدول ۱ داده شده‌اند (از سنگ‌های بزرگ‌تری تا ۵/۱ اینچ هم با موفقیت استفاده شده است اما بیل زدن و متراکم سازی آن‌ها دشوار است). هر چقدر اندازه سنگ کوچک‌تر باشد، جایگذاری آن در پشت بند ساده تر است. در مورد حداکثر اندازه ذرات فنداسیون محدودیتی وجود ندارد، جز اینکه باید اندازه آن‌ها به قدری باشد که مانع از مهاجرت سنگ‌های بستر به درون آن شود.

جدول ۱٫ حداکثر اندازه ذرات در برابر اندازه لوله

اندازه اسمی لوله (اینچ)	حداکثر اندازه ذرات (اینچ)
۵/۰	۲ تا ۴
۷۵/۰	۶ تا ۸
۱	۱۰ تا ۱۵
۵/۱	۱۶ و بیشتر

 

[۱] Granular

[۲] Migration

مهاجرت[۱]

وقتی لوله در نزدیکی سطح آب‌های زیرزمینی قرار می‌گیرد، باید در مورد احتمال از دست رفتن نگهدارندگی بدلیل مهاجرت خاک، ملاحظات لازم در نظر گرفته شود (حمل ذرات ریز تر خاک بوسیله آب زیرزمینی به درون حفره‌های خالی خاک دانه درشت تر). معمولاً مهاجرت در مواقعی به وقوع می‌پیوندد که حفره‌های خالی موجود در روپوش به قدر کافی بزرگ باشند تا خرده‌های ساییده شده از دیواره‌های ترانشه بتوانند به داخل آن نفوذ کنند.

چنانچه خاک محلی قابلیت ساییده شدن داشته باشد، امکان مهاجرت وجود دارد. معمولاً خاک‌های قابل ساییده شدن، خاکه ماسه و سیلت و نوع خاصی از رس بنام رس‌های پراکنده[۲] هستند (بیشتر رس‌ها مقاومت خوبی در برابر پراکندگی دارند). این وضعیت در مواقعی که از خارج ترانشه به داخل ترانشه گرادیان قابل ملاحظه‌ای در آب زیرزمینی وجود دارد، تشدید می‌شود؛ یعنی ترانشه به عنوان زه کش عمل می‌کند. (معمولاً نوسان فصلی سطح آب‌های زیرزمینی موجب ایجاد چنین شرایطی نمی‌شود).

انتخاب

در چنین شرایطی، در صورت استفاده از مواد دانه‌ای (کلاس I و II) بهتر است آن‌ها زاویه دار و دانه بندی شده باشند تا مهاجرت به حداقل برسد.

هنگامی که مقادیر قابل ملاحظه‌ای آب و موادی با «فضای خالی» کافی برای مهاجرت ذرات وجود داشته باشد، ذرات گِرد تمایل به جریان یافتن دارند. مهندسین گرایش خاک[۳]، اندازه ذرات زیر را به منظور کمینه سازی مهاجرت، وضع کرده‌اند:

که در آن D₁₅، D₅₀ و D₈₅ اندازه ذرات با توجه به نمودار توزیع اندازه ذرات به ترتیب در ۱۵%، ۵۰% و ۸۵% هستند، که به ترتیب اندازه ذرات کوچک‌تر هستند، D^E خاک روپوش و D^A خاک همجوار محلی می‌باشد.

رهیافت دیگر برای جلوگیری از مهاجرت، استفاده از لایه ژئوتکستایل جداکننده[۴] است. این مواد به نحوی اندازه بندی شده‌اند که به آب اجازه جریان یافتن می‌دهند اما مواد روپوش را در پیرامون لوله حفظ می‌کنند. شکل نصب متداول این ره یافت را نشان می‌دهد.

 

ماسه‌های پایدارسازی شده توسط سیمان

ماسه‌های پایدار سازی شده توسط سیمان، نمونه‌ای از مواد کلاس II هستند. این محصو پایدارسازی شده با سیمان بعد از به عمل آوری، بیش از مواد متراکم کلاس I، توان نگهدارندگی دارند. ماسه‌های پایدار سازی شده با سیمان از ماسه و ۳ تا ۵ درصد سیمان تشکیل شده‌اند. برای دستیابی به چگالی بیشتر، این مواد را با فشرده سازی در محل قرار می‌دهند و نه با ریختن در بتن.

این مواد باید بصورت مرطوب (در یا نزدیک به محتوای رطوبت بهینه) در محل قرار گیرند و سپس در پشته‌هایی تحت عنوان مواد کلاس II مورد فشرده سازی قرار بگیرند. (محتوای رطوبت بهینه، میزان محتوای رطوبتی است که ماده در آن و در شرایط خاصی از متراکم سازی، می‌تواند به حداکثر چگالی برسد).

در صورت نیاز می‌توان به روپوش ماسه سیمانی یک شب فرصت داد که محکم شود و سپس خاکریز روی آن ریخته شود، با این روش می‌توان خمش لوله را کاهش داد. اگر خاکریزی ترانشه بلافاصله انجام شود، ماسه سیمانی همان میزان نگهدارندگی را تأمین می‌کند که مواد کلاس II دارند با این تفاوت که فاکتور تأخیر کاهش خواهد یافت. از ماسه‌های سیمانی هم در ناحیه خاکریز اولیه اصلی و هم در ناحیه خاکریز اولیه فرعی استفاده می‌شود (شکل ۱ را ببینید).

کلاس III و کلاس IVA

مواد کلاس III و IVA، در چگالی یا تراکم یکسان، سفتی نگهدارندگی کمتری از مواد کلاس I و II ایجاد می‌کنند که بخشی از آن بدلیل افزایش محتوای رس در آن‌هاست. بعلاوه رسیدن به میزان خاصی از چگالی نیازمند متراکم سازی بیشتر است و محتوای رطوبتی آن‌ها باید به دقت در بازه بهینه، کنترل شود. جایگذاری و فشرده سازی مواد کلاس IVA بطور ویژه نسبت به محتوای رطوبتی، حساس است.

اگر مواد کلاس IVA بیش از اندازه نم دار باشند، تجهیزات فشرده سازی در آن‌ها فرو می‌روند؛ اگر خاک بیش از اندازه خشک باشد، اگرچه ممکن است فرآیند فشرده سازی عادی بنظر برسد اما اشباع شدن توسط آب‌های زیرزمینی در مراحل بعدی می‌تواند موجب فروپاشی ساختاری شده و به از بین رفتن نگهدارندگی منجر شود. معمولاً از مواد کلاس IVA فقط در لوله‌های تحت فشار و در زیر پوشش‌های کم عمق استفاده می‌شود.

کلاس IVB و کلاس V

به سختی می‌توان گفت که مواد کلاس IVB و V نوعی نگهدارندگی برای لوله‌های مدفون بوجود می‌آورند. جایگذاری و فشرده سازی اینگونه مواد اغلب دشوار است. استفاده از این مواد بعنوان روپوش لوله توصیه نمی‌شود مگر در مورد لوله‌هایی با مقدار SDR پایین (یا سفتی حلقوی پایین)، بدون بار ترافیکی و با عمق پوشش تنها چند فوتی. در بسیاری از موارد، لوله در چنین خاک‌هایی در اثر اشباع شدن از آب شناور می‌شود.

[۱]Migration

[۲]Dispersive Clays

[۳] Army Corps of Engineers

[۴]Geotextile Separation Fabrics

---