ژئوسنتتیک‌ها

● مقدمه ای بر ژئوسنتتیک‌ها (Geosynthetics)
ژئوسنتتیک‌ها (Geosynthetics) دسته ای از ژئومتریالها هستند که در انواع پروژه های عمرانی کاربرد دارند. در ساخت این محصولات از مواد پلیمری (پلاستیکی) مشتقات نفتی استفاده شده که خاصیت اصلی آنها، فساد ناپذیری در مقابل عوامل درون خاک است. از اهم مشتقات ژئوسنتتیک‌ها می‌‌توان به ژئوتکستایل‌ها (Geotextiles)، ژئوگریدها (Geogrides)، ژئوممبران‌ها (Geomembranes)، ژئودرین‌ها (Geodrains)، ژئوسیل‌ها (Geocells)، و... اشاره نمود که، هر یک براساس ویژگی‌های آن، کاربرد خاصی داشته و در راه و باند، آب و سد، هیدرولیک، خاک، ژئوتکنیک، نفت و گاز و پتروشیمی و ساختمان مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. متداولترین نوع این مواد پلی استریلی، اولفین، کائوچو (پلاستیکی)، فایبرگلاسها و مواد طبیعی می باشند. این محصولات نقش فیلتراسیون، جداکننده، زهکش وتسلیح کننده را دارند، همچنین مانند سدی در برابر مواد سیال و گازها عمل می‌کنند. در ادامه، به معرفی هر یک از محصولات یاد شده و خواص آن پرداخته می‌‌شود.
● ژئوتکستایل‌ها ( Geotextiles )
ژئوتکستایل‌ها غالباً از پلیمرها یا پلی پرپیلن‌ها ساخته شده‌اند. پلی‌پرپیلن‌ها دارای وزن مخصوص کمتر از واحد بوده ( ۰.۹= y) و محکم و بادوام هستند. از الیاف و فیبرهای رشته‌ای پلی‌پرپیلن‌ها در ساخت ژئوتکستایل‌های بافته شده (Woven) و بافته نشده (Nonwoven) استفاده می‌‌شود. همچنین از فیبرهای پلی‌استر با مقاومت بالا نیز در ساخت ژئوتکستایل‌ها استفاده می‌‌شود. پلی‌استرها دارای وزن مخصوص سنگین تر از آب بوده (۱ = y) و از مشخصه های خزشی و مقاومتی عالی برخوردار بوده و با اغلب خاکها سازگار می باشند. به‌طور کلی ساختار ژئوتکستایل‌ها به دو نوع اصلی تقسیم می‌‌شوند و دیگر روشهای تولید نظیر بافت و اتصالات بخیه ای برای تولید محصولات ویژه ای استفاده می شود.
- بافته شده یا منسوج (Woven Geotextiles) : روش ساخت این مواد، رد شدن الیاف از میان یکدیگر و تشکیل فیبر می باشد . این ژئوتکستایلها از الیاف تک رشته ای یا چند رشته ای یا فیلم های بریده ساخته می شوند . فیلم های بریده شده می توانند به صورت صاف یا به شکل الیاف های فیبریله شده (شبکه های عنکبوتی شکل) قرار گیرند. ساخت این نوع ژئوتکستایلها در دو مرحله صورت می گیرد : مرحله اول، تولید فیلامنت ها یا فیلم های برش داده می باشد و مرحله دوم بافتن الیاف به هم و تشکیل ژئوتکستایل می باشد. عملکرد اصلی فیلم های برشی معمولا در سازه های کنترل کننده رسوبات نظیر حصارهای گل و لای و تثبیت جاده ها بوده، اما در زهکشی زیراساس و مهار فرسایش نقشی ندارد . الیاف برشی صاف مقاومت بالایی دارند اما از نفوذپذیری پایینی برخوردارند،در عوض الیاف نواری فیبریله شده نفوذپذیری بالایی داشته و منافذ موجود در آن یکنواخت تر از نوارهای صاف می باشند.
- بافته نشده یا غیرمنسوج (NonWoven Geotextile) : ساخت این نوع ژئوتکستایلها بوسیله فیبرهای نواری شکل (فیبرهای نواری کوتاه اغلب با طول ۱ تا ۴ اینج) یا فیلامنتهای ممتد که به صورت نامنظم در لایه های شبکه ای پخش شده اند صورت می گیرد. سپس این شبکه فیلامنتی با عبور از دستگاههای بافندگی یا ماشینهای اتصال دهنده فیلامنت یا فیبرها به هم متصل می‌شوند. نقش ژئوتکستایلهای غیر منسوج، زهکشی زیر اساس، مهار فرسایش و تسلیح جاده های اجرا شده روی خاکهای نرم و سست می باشد.
● ژئوگریدها (Geogrides)
از انواع محصولات ژئوگریدها، نوع مشبک است که به‌صورت تار و پود، یا فواصل معین، در دو جهت و با مقاومت بالا تولید می‌‌شود. از این شبکه‌ها به اشکال تک لایه و چند لایه، می‌‌توان، برای مسلح و مقاوم نمودن سطوح خاکریزی، با مساحت کم استفاده نمود. ژئوگریدها ضمن بالا بردن پایداری خاک از تغییر مکان‌های افقی آن جلوگیری می‌‌کند. ژئوگریدها مصالح یک یا چند لایه ای بوده که از تزریق پلی پروپیلن و پلی اتیلن با تراکم بالا و یا بافت الیاف پلی استری بسیار سخت تشکیل شده اند.این ژئوگریدها دارای منافذ (روزنه) بزرگ بوده که واکنشهای میان خاک یا سنگهای درشت دانه و لایه ژئوگرید را افزایش میدهد.ژئوگریدها بواسطه داشتن مشخصه هایی نظیر مقاومت کششی و سختی بالا، نقش موثری در تسلیح خاکها و سنگهای درشت دانه دارند. و در انواع ژئوگریدهای پانچ شده و ژئوگرید بافته / قیراندود می باشد.
● ژئونت ها (Geonets)
ساختار ژئونت ها از نوارهای پلیمری متقاطع می‌باشد که از آن به عنوان زهکش استفاده می‌شود.جنس اکثر ژئونت ها از پلی اتیلن می باشد.
● ژئوکامپوزیت (ترکیب ژئوگرید با ژئوتکستایل) (Geocomposite)
ژئوکامپوزیت ها ترکیبی از محصولات ژئوسنتتیک با مشخصه های عالی می باشند . ترکیب آن محصولات در طیف وسیع و مطابق با طراحی های خاص صورت می گیرد. ژئوگریدها با توجه به ساختار و خواص پلیمرها دارای مقاومت نهایی محدود شده‌ای هستند. در یک سیستم مرکب، یک ژئوگرید به همراه ژئوتکستایل برای سهولت، در توسعه سطح خاکریز می‌‌تواند بکار گرفته شود و سپس خاکریز بر روی آن اجرا گردد. ژئوکامپوزیت‌ها همچون کولباندرین (زهکشی عمیق) و یا انکادرین (زهکشی افقی و قائم) در تحکیم اراضی سست، از طریق تسهیل در خروج آب موجود در خاک و جمع‌آوری و هدایت آبهای نشتی و در تماس با سازه‌ها با استفاده از زهکشی‌های قائم و افقی، مورد استفاده قرار گیرد.
● ژئوکامپوزیت های زهکش (ژئودرین) (Drains Geocomposite)
یک نوع از ژئوکامپوزیت‌ها به نام آنکادرین به سه لایه کامپوزیتی عایق رطوبتی، زهکشی و جمع‌کنندگی و هدایت و انتقال آب‌گذری، با کاربری بسیار بالایی عمل زهکشی و عایق رطوبتی را در دیواره‌های در ارتباط با خاک انجام می‌‌دهد. همچنین از نوع دیگری از کامپوزیت‌های آنکادرین با خاصیت زهکشی افقی، جهت ایجاد فضاهای سبز روی پشت بام‌ها و باغ‌های پشت بامی استفاده می‌‌شود. این محصولات با توجه به سبکی وزن، انعطاف‌پذیری، سرعت عمل در نصب و راحتی حمل و نقل، استفاده وسیعی در صنعت ساختمان، در کشورهای اروپایی و آمریکایی، پیدا کرده است. به علاوه نوع دیگری از این محصولات جهت زهکشی و در قالب‌بندی (کفراژ) فونداسیون‌ها و در دیوارهای حائل و یا در زهکشی و تحکیم پارکینگ‌ها و ... مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. کارکرد عمومی محصولات انکادرین به‌طور عمده به‌عنوان زهکش در پشت دیوارهای قائم و حائل لبه جاده، خاکریزها و تونل‌ها و به‌طور افقی به‌عنوان زهکش در زیر محوطه‌های پارکینگ زیر فضای سبز (اماکن ورزشی و استادیوم‌ها) و بام‌ها، سیستم‌های فاضلاب و Landfill است.
متداولترین ژئوکامپوزیتها نوع زهکش آنها است. ساختار ژئوکامپوزیت ها متشکل از یک لایه ژئونت در مرکز می باشد که این لایه می تواند ضخیم یا نازک باشد و از دو طرف بوسیله یک لایه ژئوتکستایل احاطه شده است. ژئوکامپوزیتها از لحاظ کاربردی به زهکش های سفره ای، زهکش های صفحه ای، زهکش های لبه ای و زهکش های فتیله ای (wick drain) تقسیم می شوند.
● زهکش های سفره ای (Blanket Drains)
کاربرد این نوع زهکش ها معمولا در سایتهای دفن زباله و زهکشی شیرابه ها می باشد. اخیراً از این ژئوکامپوزیتها در زهکشی سطوح جاده استفاده می‌شود.
● زهکش های صفحه ای (Panel Drains)
نصب این نوع زهکش ها در مجاورت سازه هایی انجام می‌شود که متحمل فشارهای هیدرولیکی می‌باشند. (مانند سدهای خاکی )
● زهکش ها ی لبه ای (Edge Drains)
این نوع زهکشها اغلب درمجاورت سنگفرشها و به منظور ذخیره و جابجایی (انتقال) زهابهای جانبی در بستر جاده می باشد.
● زهکش های فتیله ای (Wick Drains)
این نوع زهکش ها در عمق زمین فرو می روند و مسیری برای زهکشی فراهم می کنند.نقش اصلی این زهکش ها کاهش نشست خاکریزهای واقع شده بر خاکهای سست و نرم می باشد.
انواع دیگر ژئوکامپوزیت ها - ژئوکاپوزیت ها در انواع متعددی تولید می شوند. به عنوان مثال، الیاف بسیار محکم به لایه ای ژئوتکستایل نبافته، تابیده شده اند تا محصولی بسیار محکم و در عین حال با میزان نفوذپذیری مشخص (توسط ژئوتکستایل نبافته) بدست آید.
● ژئوممبران (Geomembrane)
ژئوممبران‌ها ورقهای پلاستیکی غیرقابل نفوذ می‌باشند و به ‌عنوان یک عایق بسیار مقاوم و کم هزینه و دارای طول عمر زیاد، در بسیاری از صنایع کاربرد دارد که از آن جمله می‌‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
▪ آب و فاضلاب: از ژئوممبران‌ها جهت ساخت لاگون‌ها، کانال‌های آبرسانی، حوضچه‌ها و استخرها و دریاچه‌های مصنوعی استفاده می‌‌شود. با توجه به اینکه ژئوممبران در تماس با خاک هستند، برحسب لزوم امکان ترکیب آنها با ژئوتکستایل و یا ژئوگریدها میسر است.
▪ ایزولاسیون سازه‌های زیرزمینی در برابر نفوذ آبهای سطحی و زیرزمینی: در این خصوص می‌‌توان به ایزوله دیوارهای متروهای شهری و سازه‌های هیدرولیکی و غیره اشاره نمود.
▪ سایت دفن زباله شهری و صنعتی و خطرناک: با استفاده از ژئوممبران می‌‌توان مخازن کاملاً ایزوله از محیط اطراف، جهت دفن زباله‌های شهری و صنعتی ایجاد نمود. ژئوممبران‌ها دارای انواع فراوانی، به لحاظ مقاومت در برابر مواد شیمیایی و مخرب هستند.
▪ ایجاد و توسعه زمین‌های کشاورزی در محیط‌های نامساعد.
ژئوممبرانها به دو نوع کلی تقسیم می شوند: غلتکی و تزریقی.
● ژئوممبرانهای غلتکی (Calendered Geomembrane)
در این روش مواد مذاب viscous از میان غلتک های چرخان عبور می کنند و لایه ژئوممبران را تشکیل میدهد. متداولترین نوع ژئوممبرانها غلتکی شامل پلی ونیل کلرایدPVC)،(CSPE، (CPE) و محصول جدید با نام پلی پروپیلن (PP) می‌باشد . ژئوممبرانهایی که از ترکیبات متفاوت پلیمری از جنس اتیلن ساخته شده اند، کاربرد ویژه ای دارند .در اغلب موارد این ورقها به وسیله لایه ای تکستایل محافظت می شوند تا مقاومت کششی، برشی و سوراخ شدگی آن افزایش یابد.
● ژئوممبرانهای تزریقی (Extruded Geomembrane)
تولید این نوع ژئوممبرانها با عبور مواد رزینی پلیمری مذاب از میان حدیده ها و بوسیله دستگاه تزریق چرخان صورت می گیرد . این ورقها یا بوسیله قالبهای افقی صاف یا تیوب های استوانه ای تولید می شوند،که در روش اول ورقهای عریض صاف بر روی تسمه نقاله هایی پهن می شوند و در روش دوم ورقها به روش (blown film) و عبور هوا ورقها به پایین هدایت می شوند و بوسیله غلتکهای گازانبری شکل که در بالای حدیده قرار گرفته اند کشیده می شوند. در روش (blown film) قبل از خالی شدن محفظه از هوا، ورقها را باید برش داد . متداولترین نوع ژئوممبرانهای تزریقی،ژئوممبرانهای HDPE (با تراکم بالای پلی اتیلن) و ژئوممبرانهای با تراکم پایین پلی اتیلن نظیر VFPE بوده که بسیار انعطاف پذیر میباشند . ژئوممبرانهای پلی پروپیلن جدیدترین نوع ژئوممبرانهای تزریقی (مانند ژئوممبرانهای غلتکی) می باشند.
از انواع دیگر ژئوممبرانها نوع مضرس آن می‌باشد که بواسطه بافت ویژه شان سطح تماس خوبی میان خاک و دیگر محصولات ژئوسنتتیک برقرار می کنند. وجود چند نوع مواد پلیمری در ژئوممبرانهای تزریقی باعث افزایش مقاومت آنها می شود. همچنین این محصول در ضخامت و ابعاد مختلف موجود می باشد.
● غشاهای بنتونیتی (GCLs)
این محصول از یک لایه نازک مواد بنتونیتی تشکیل شده است.مواد بنتونیتی موجود با جذب رطوبت از اطراف هیدراته شده و مانند سدی نفوذ ناپذیر عمل میکند. مواد بنتونیتی بوسیله یک لایه ژئوتکستایل یا ژئوممبران از دو طرف احاطه می شود. اتصال این لایه ها بوسیله دوخت یا چسبهای شیمیایی انجام می‌شود. در ویونگ، داکوتای شمالی و مونتانای امریکا نوع رس سدیم دار این لایه های بنتونیتی متداول می‌باشد، همچنین GCL ها نسبت به لایه های رسی متراکم از کیفیت بهتری برخوردارند.
● ژئوپایپها (Geopipe)
نوع دیگری از محصولات ژئوسنتتیک لوله های پلاستیکی می باشند. جنس این لوله ها اغلب از HDPE (پلی اتیلن متراکم)،PVC (پلی ونیل کلرید)، PB (پلی بورتان)، ABS (اکریلیوتیل بوتادی استرین) و CAB (بیوترات استات سلولز) می باشد. این محصول از لحاظ کاربردی بسیار متنوع بوده و در پروژه های عمرانی نظیر احداث بزرگراهها، راه آهن، زهکشی لب جاده، زهکشهای محل تقاطع جاده و سیستمهای انتقال شیرابه ها استفاده می‌شوند.
● ژئوفوم (Geofoam)
ژئوفوم ها جدیدترین نوع محصولات ژئوسنتتیک بوده و هر نوع فوم که در امور ژئوتکنیک بکار رود با این نام شناخته می شود. ژئوفوم ها در قطعه های بزرگ و سبک ساخته می شوند و در سازه های خاکی یا سنگفرشها به عنوان عایقی در برابر گرما و حرارت عمل می کنند. ژئوفوم ها اغلب از مواد پلی استری ساخته می شوند. کاربرد ژئوفوم ها اغلب در زیر سنگچینهای بنا شده بر روی خاکهای نرم و سست، سطوح زیرین جاده، سنگفرش باند فرودگاه، سیستمهای راه آهن که دائما در معرض انبساط و انقباض قرار می گیرند و همچنین در زیر تانکهای ذخیره مایعات نوشیدنی خنک و سطوح شیبدار استفاده می شوند .
● شبکه ها و پوششهای مهار کننده فرسایش خاک
این محصولات مانع از فرسایش و هدررفتن خاک در بستر های بذرپاشی شده می شود و پوششهای گیاهی محافظ خاک را در محل تثبیت می کند. شبکه های مهار کننده خاک (ECN)، توریهای بافته با منافذ باز (ECM) و پوششهای مهار کننده فرسایش خاک (ECB) متداولترین نوع این محصولات می‌باشند. جنس این مواد از فیبرهای طبیعی و غیرقابل تجزیه می باشند. این فیبرها شامل پوششهای کاهگلی، علوفه ها یا الیاف کنفی حاصل از کشاورزی، پوششهای بدنه نارگیل و یا تراشه های چوب می باشند.
پوشش های تسلیح کننده گیاهان ( قبل و بعد از جوانه زدن )
بافت این پوششها سه بعدی و محکم بوده و متشکل از شبکه های پلیمری با مونوفلامنت های درهم ریخته یا الیاف بافته شده می باشند. نقش این پوششهای سه بعدی انعطاف پذیری، تقویت و رشد عمیق پوششهای گیاهی در درازمدت بوده و نصب آنها در مجاورت خاکهای کود(مرغوب)، بذرها یا چمن ها، مانع از فرسایش پوششهای گیاهی می‌شود.
● سنگچینهای ساختگی
این نوع سنگچینهای ساختگی (FFR) با پمپاژ مواد دوغابی سیمانی به درون پارچه دو لایه که فواصل میانی آنها بوسیله سیم یا بافت متصل شده، ساخته می شوند. این سازه بادوام و سخت بوده و همانند سازه های بتونی آسفالتی یا بتنی درجاریخته عمل می کند. عملکرد این سازه با توجه به نوع طراحی آن می تواند متفاوت باشد،یعنی می تواند به عنوان سد عمل کند یا نفوذپذیری آن بسیار بالا باشد و می تواند سخت یا انعطاف پذیر باشد و به عنوان سیستمهای سنگی محافظ نظیر Rip Rap یا Gabion عمل کند.
ژئوسل‌ها (سیستمهای محصور کننده) (Geocells) یک شبکه سه بعدی همانند لانه زنبوری از نوارهای پلی استر نبافته، متصل به یکدیگر، ساخته شده که با دوخته شدن این شبکه‌ها به یکدیگر، فضاهایی مانند لانه زنبور (۶ ضلعی) ایجاد شده که با پر شدن از خاک، شن، بتن یا مصالح دیگر، استحکام و صلبیت کافی جهت شیب‌ها، ترانشه‌ها، دیوارها در برابر فرسایش و ریزش ایجاد می‌‌کند. امروزه پیشرفت صنعت استفاده از ژئوسنتتیک‌ها آنچنان وسیع و گسترده شده است که تقریباً غیرممکن را امکان‌پذیر نموده است، (حتی اسکی نمودن در فضاهای سربسته برروی یخ با استفاده از لایه‌های صفحه‌ای انکادرین). امروزه نه تنها از مواد ژئوکامپوزیتی جهت سالن‌های اسکیت یخ و برف و استادیوم‌های ورزشی و زمین‌های چمن مصنوعی و درخت‌کاری و فضای سبز بام‌ها استفاده‌های فراوان می‌‌شود، بلکه حتی می‌‌توان با استفاده از تکنولوژی از صنعت ژئوسنتتیک و تلفیق با تکنولوژی‌های دیگر در کشاورزی، همچون آبیاری قطره‌ای، کویرها را نیز آباد نموده مورد بهره‌برداری قرار داد و در نتیجه کمک شایانی به اقتصاد و آبادانی کشورها نمود.
● حصارهای گل و لای (Silt Fence)
این سازه متشکل از یک لایه ژئوتکستایل می‌باشد که بوسیله تیرکهای چوبی در محل ثابت نگه داشته می‌شود و بخش انتهایی این سازه در خاک مدفون می شود.عملکرد این سازه به شرح ذیل می باشد:
▪ مانع از جابجایی ذرات ماسه ای و گل و لای می شود.
▪ خاکها و ذراتی که در مجاورت این حصار جمع می شوند به عنوان لایه فیلتراسیون عمل کرده و شدت جریان آبهای پشت حصار را کاهش میدهد.
▪ به این ترتیب آبها در پشت این حصار جمع شده و مانند یک حوضه رسوبی برای جمع آوری ذرات خاک معلق حاصل از حرکت آب عمل می کند و از جابجایی ذرات معلق خاک جلوگیری می کند.
● پرده های مهار کننده گل و لای
در مکانهایی که عمل لایروبی در آن انجام می شود یا کناره های سواحل که در دست احداث می باشند به منظور جلوگیری از گل آلود شدن آب از این سازه ها استفاده می کنند. لبه بالایی این سازه ها بوسیله کابل یا ریسمانی در آب شناور میماند وبه لبه پایینی آن وزنه هایی متصل می شود تا در آب بصورت عمودی بایستد . همچنین از تیرکها،تیرچه ها یا قلابهایی برای ثابت نگه داشتن این پرده ها در آب استفاده می شود . به طورکلی، این پرده ها در سواحلی استفاده می شوند که جریان آب از ۵ فوت در ثانیه (۵/۱ متر در ثانیه) و عمق آب از ۱۵ تا ۲۵ فوت (۵ تا ۸ متر) تجاوز نکند.

نویسنده زابل عباسی

منبع : سایت علمی و اطلاع‌رسانی عمران ایران