اگر مقداری خاک را روی زمین به هم فشرده کنید و یک سطح تقریبا تخت تشکیل دهید و سپس روی آن بایستید، این سطح تخت خاکی به سادگی از هم خواهد گسست و فرو خواهد ریخت. این در حالی است که سطوح تخت خاکی، زیربنای بسیاری از مسیرهای جادهای، ریل‌های راهآهن و دیوارهای مختلف هستند. دقیقا چه اتفاقی رقم می‌خورد که این سطوح می‌توانند وزن‌های بالاتر از چند تن را هم تحمل کنند اما سطح خاکی که شما ساختید تحمل وزن یک انسان را هم ندارد؟
راز این مسئله به نحوه تقویت خاک برمیگردد. خاک تقویت شده خواص بهتری دارد و میتواند کاربرد بیشتری داشته باشد. در این مقاله، به یکی از تقویت‌کننده‌های خاک یعنی ژئوگرید می‌پردازیم که یکی از مهمترین ابداعات مهندسی عمران برای تقویت زیربنای سازه‌هاست. در ادامه به تاریخچه، نحوه کار، انواع و مزایای این ماده پرطرفدار و پرکاربرد اما کم‌نشان خواهیم پرداخت.
ژئوگرید چیست؟
ژئوگرید که یکی از مهمترین و پرکاربردترین مواد ژئوسنتتیک میباشد، در واقع یک لایه تقریبا نازک است که در بین لایه‌های خاک یا سنگ قرار می‌گیرد و تحمل نیروی نقطه‌ای را برای یک سطح ممکن می‌سازد. استفاده از ژئوگرید باعث میشود خاک در برابر نیرو دچار گسست نشود و فرم خود را حفظ کند. ورق‌های ژئوگرید از متریال‌های مختلفی بر حسب کاربردشان تشکیل میشود که شامل پلیمرهای معروفی نظیر پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن و پلی‌استر میباشد.
تاریخچه استفاده از ژئوگرید
تقویت خاک به وسیله مواد و مصالح جانبی، یک تکنیک بسیار قدیمی است. حدود 2000 سال پیش نیز مردم شرق آسیا به کمک مواد متفاوتی نظیر چوب بامبو، سنگ، قطعه‌های باقیمانده از درختان و… اقدام به تقویت خاک میکردند. استفاده از این تکنیک به صورت امروزی آن نیز به بیش از چهل سال پیش برمیگردد. اولین بار از ژئوگرید برای کندسازی فرایند سایش بهره برده شد و سپس محققان کاربردهای دیگری نیز برای این مصالح پیدا کردند. از سال 1975 به بعد، کاربردهای ژئوگریدها با سرعت بالایی کشف شدند و استفاده از آن به این ترتیب رونق یافت.
اولین کاربردهای مواد ژئوسنتتیک در ایران از سال 1970 یعنی اواخر دهه چهل آغاز شد اما تا اواسط دهه شصت، گستردگی لازم را پیدا نکرد. پس از اتمام جنگ تحمیلی و با آغاز رونق گرفتن ساخت‌و سازها، استفاده از ژئوگرید برای تقویت خاک محبوبیت بالایی پیدا کرد؛ به طوری که یک انجمن تحقیقات برای مواد ژئوسنتتیک تاسیس گردید.
نحوه کار ژئوگرید
حال که میدانیم ژئوگرید چیست و برای رفع چه نیازی به وجود آمده، به بیان نحوه کار آن می‌پردازیم.
ژئوگریدها اغلب ساختاری شبکه‌مانند دارند و از موادی با مقاومت بالا یعنی پلیمرها تولید می‌شوند. شبکه‌های بافته شده از پلیمر مقاوم، استحکام خوبی در برابر تنش‌ها دارد و میتواند وزن اعمال شده به سطح خاک را به صورت یک نیروی پیوسته سطحی به لایه زیرین خود منتقل کند. توزیع نیرو بین قسمت‌های مختلف خاک باعث میشود جلوی فروپاشی آن گرفته شود و پایداری بیشتری پیدا کند. به همین دلیل، ژئوگریدها برای محیط‌هایی که تحت اعمال نیروی زیادی هستند استفاده می‌شوند.
انواع ژئوگرید
ژئوگریدها را از دو منظر تقسیم بندی میکنند. اولین تقسیم بندی بر اساس تعداد محورهای آن است. بر این اساس، سه نوع ژئوگرید تک محوری، دو محوری و سه محوری ژئوگرید به وجود می‌آید که هر کدام کاربردهای خاص خود را دارد. تفاوت این سه نوع در تعداد جهت هایی است که قابلیت تحمل نیرو را دارند. به عنوان مثال، نوع تک محوره تنها در جهت طول مقاومت کششی دارد و نوع دو محوره در دو جهت میتواند خاک را تقویت کند. در صورت تمایل می‌توانید مقاله تفاوت ژئوتسکتایل و ژئوگرید را نیز مطالعه کنید.
تقسیم بندی دیگر، بر اساس متریال سازنده ژئوگرید است. این تقسیم بندی ژئوگرید را به مدلهای زیر تقسیم می‌نماید:
ژئوگرید پلی استری
پلی استر ماده اولیه بسیار پرکاربردی در ساخت ژئوگریدهاست. این پلیمر به دلیل انعطاف و مقاومت کششی بسیار بالا، میتواند تقویت‌کننده بسیار خوبی برای خاک باشد. از این نوع ژئوگرید برای تولید آسفالت نیز استفاده میشود که امروزه مشتریان بسیار زیادی دارد.
ژئوگرید پلی اتیلنی
این مدل هم مقاومت کششی بسیار بالایی دارد اما انعطاف آن نسبت به مدل پلی استری کمتر است. از این نوع ژئوگرید برای ساخت گابیون‌ها که نوعی قفس توری پر شده از سنگ هستند، استفاده میشود.
ژئوگرید پلی پروپیلنی
پلی پروپیلن نسبت به دو ماده دیگری که در بالا گفتیم، متریال ارزانتری برای ساخت ژئوگریدها میباشد اما همچنان خواص مدنظر مهندسان عمران را به خوبی تامین میکند. کاربرد اصلی ژئوگرید پلی‌پروپیلنی در ساخت دیوارهای حائل عنوان میشود؛ اگرچه از آن برای راهسازی هم استفاده می‌گردد.
ژئوگرید فایبرگلس
یکی از انواع نسبتا تازه ژئوگرید است که دارای مقاومت کششی بالا، پوشانندگی خوب، مقاومت عالی در برابر سرما و گرما و پایداری مناسب است و در عین حال، وزن پایینی هم دارد. برخی مناطق برای راهسازی به عنوان ژئوگرید آسفالت از مدل فایبرگلاس بهره می‌برند.
مزایای استفاده از ژئوگرید
حال که میدانیم انواع ژئوگرید چیست و اساسا چه استفاده‌ای دارد، به سراغ مزایای آن می‌رویم تا ببینیم آیا استفاده از ژئوگرید، عملا صرفه‌ای دارد یا خیر:
افزایش مقاومت سطح
طبق آنچه تاکنون گفتیم، مهمترین و کاربردی‌ترین خاصیت ژئوگرید، افزایش مقاومت و قابلیت بارگذاری خاک است. ژئوگرید باعث میشود سطح زیرین توان تحمل نیروی بالاتری داشته باشد و با اعمال نیروهای اندک به سادگی از هم نپاشد و ساختار خود را از دست ندهد.
سهولت اجرا
استفاده از ژئوگرید در یک عملیات راهسازی، فرآیند بسیار پیچیده‌ای ندارد. به سادگی به عنوان یک لایه روی خاک قرار داده شده و مجددا روی آن با خاک یا متریال سازنده رویه کار پر میشود. چنین فرآیند اجرایی در مقابل کاربرد و مزایای این مصالح، ارزش استفاده بالایی برای انواع ژئوگرید برآورد خواهد کرد.
هزینه اجرا
اگرچه ژئوگرید در نگاه اول نوعی هزینه اضافی به نظر می‌آید اما به کمک این بافت شبکه‌ای، میتوان به صورت گسترده جلوی برخی هزینه‌ها را گرفت. مثلا در راهسازی کوهستانی، ژئوگرید این قابلیت را به مهندسین میدهد که به جای تراشیدن دیواره کوه، سمت دره‌ای آن را زیرسازی و سطح‌سازی کنند. مسلما هزینه خاکریزی و ساخت یک سطح از تراشیدن بدنه کوه بسیار کمتر خواهد بود.
آب بندی حدودی سطوح
برخی از انواع ژئوگرید مانند ژئوگرید آسفالتی، سطح را تا حد زیادی آب بندی میکنند در روزهای بارانی، مقدار زیادی آب به زیر جاده نفوذ نکند و منجر به خرابی و آسیب دیدگی عمیق جاده نشود.
افزایش دوام
استفاده از ژئوگرید عمر مفید سطوح ساخته شده را به سبب افزایش تحمل نیروی آن، بسیار افزایش میدهد.
خاصیت ضدزلزله
ژئوگریدها می‌توانند جلوی تنش اعمال شده ناشی از لرزش شدید سازه را نیز بگیرند و به نوعی، یک خاصیت ضدزلزله به آن ببخشند.
در چه مواردی از ژئوگرید استفاده میشود؟
دامنه کاربرد ژئوگرید بسیار وسیع است و در عملیات‌های عمرانی متفاوت از آن استفاده میشود. برخی از مهمترین کاربردهای ژئوگرید عبارت‌اند از:
- زیرسازی برای جاده‌ها، ریل‌های راهآهن، باند فرودگاهها و سایر سطوح آسفالته: ژئوگرید به دلیل خواصی که در قسمت‌های قبل گفتیم، در طراحی و تعریض انواع مسیرها و جادههای آسفالته مفید است و میتواند هزینه اجرای پروژه را به طرز محسوسی کاهش دهد
- ساخت دیوارهای حائل: برای ساخت دیوارهای حائل، ژئوگرید باعث میشود با متریال ارزانی نظیر خاک نیز اجرای پروژه میسر باشد. با استفاده از ژئوگرید قابلیت ساخت دیوارهای حائل سبز که زمینه رشد گیاهان را فراهم میکنند نیز وجود دارد.
- طراحی کوله پل‌ها: کوله پل، بخش ابتدایی و انتهایی آن است که از طرفین بار پل را تحمل میکند. در صورت استفاده از ژئوگرید، طراحی کوله پل بدون تعویض متریال سطح و یا استفاده از مصالح جایگزین وجود دارد که هزینه پروژه را به طرز محسوسی کاهش میدهد.
- ضربه گیری تاسیسات مهم: در بسیاری از پروژههای لوله‌کشی بین شهری، از ژئوگرید به عنوان حفاظی برای لوله‌های پلی‌پروپیلن استفاده میشود.
نحوه نصب ژئوگرید
پیش از هر چیز، باید نوع ژئوگرید مناسب برای پروژه و مشخصات آن شامل قطر، طول و تعداد محورهای آن مشخص شود. در این مرحله با توجه به مشخصات کار، به اندازه مورد نیاز ژئوگرید تهیه می‌گردد. معمولا برای دیوارهای حائل از مدل تک سویه یا تک محوری و برای زیرسازی راه‌ها از مدل دومحوری استفاده میشود.
در مرحله بعد، زیرسازی و حفاری لازم برای پروژه انجام می‌گردد تا سطح آماده شود. سپس روی سطح آماده یک لایه ژئوگرید قرار گرفته و تا ارتفاع 60 سانتیمتر روی آن با مصالح انتخاب شده (خاک، سنگ و…) پر میشود. به صلاحدید مهندس مجری، این قابلیت وجود دارد که چندین لایه ژئوگرید به همین ترتیب اجرا شود تا مقاومت سطح به اندازه کافی افزایش یابد.
نتیجه گیری
ژئوگرید یکی از مصالح تقویت کننده خاک یا سنگ است که میتواند قدرت تحمل نیرو را تا حد زیادی افزایش دهد. کاربردهای وسیعی برای این محصول در نظر گرفته شده که راهسازی، دیوارهای حائل و کوله پل‌ها و رمپ‌ها در این مقاله عنوان شده است. به کمک ژئوگرید میتوان قدرت تحمل، هزینه اجرا و خواص ویژه پروژه را به طور قابل توجهی بهینه نمود.