بررسی کاربرد و نوآوری ژئوتکستایل در مهندسی ژئوتکنیک

بررسی کاربرد و نوآوری ژئوتکستایل در مهندسی ژئوتکنیک

بیشتر ژئوتکستایل ها از پلیمرهایی از خانواده پلی اولفین، پلی استر یا پلی آمید تشکیل شده اند که شامل مشکلات زیست محیطی مرتبط با آلودگی خاک می شود. ژئوتکستایل ها را می توان حداقل برای یکی از عملکردهای زیر استفاده کرد: جداسازی، تقویت، فیلتراسیون، زهکشی، تثبیت، مانع و محافظت در برابر فرسایش. با توجه به ویژگی های استحکام بالا، هزینه کم و استفاده آسان، ژئوتکستایل ها به طور گسترده ای در مهندسی ژئوتکنیک مانند تقویت فونداسیون نرم، حفاظت از شیب و سیستم زهکشی استفاده می شوند. این مقاله به بررسی ترکیب و عملکرد ژئوتکستایل ها در مهندسی ژئوتکنیک می پردازد. علاوه بر این، بر اساس ادبیات از جمله جدیدترین داده‌ها، بحث به توسعه اخیر ژئوتکستایل‌ها، با تأکید بر ژئوتکستایل‌های سبز، ژئوتکستایل‌های هوشمند، و ژئوتکستایل‌های با کارایی بالا تبدیل می‌شود. وضعیت فعلی این ژئوتکستایل های جدید و کاربرد آنها در مهندسی ژئوتکنیک بررسی می شود.

کلمات کلیدی: ژئوتکستایل، مهندسی ژئوتکنیک، ژئوتکستایل طبیعی، کاربرد، نوآوری

رفتن به:

1. معرفی

ژئوسنتتیک ها محصولات ساخته شده از مواد پلیمری مصنوعی یا طبیعی هستند که در تماس با خاک یا سنگ و/یا سایر مواد ژئوتکنیکی استفاده می شوند. ژئوسنتتیک ها عمدتاً شامل ژئوتکستایل، ژئوگرید، ژئوسل، ژئونت، ژئوممبران یا ژئوممبرین، تشک کنترل فرسایش، لاینر خاک رس ژئوسنتتیک و ژئوکامپوزیت [ 1 ] است. ژئوتکستایل ها پرمصرف ترین ژئوسنتتیک ها هستند [ 2 ]. اولین استفاده گزارش شده از ژئوتکستایل ها را می توان کیسه های نایلونی پر از شن و ماسه در کارخانه دلتا هلند در سال 1956 در نظر گرفت [ 3 ]. در 60 سال گذشته، ژئوتکستایل ها به طور گسترده ای در مهندسی ژئوتکنیک مورد استفاده قرار گرفتند. ژئوتکستایل ها را می توان برای حداقل یکی از عملکردهای زیر در مهندسی ژئوتکنیک استفاده کرد: جداسازی، فیلتراسیون، زهکشی، تقویت، تثبیت، مانع و حفاظت در برابر فرسایش [ 4 ].

در حال حاضر سالانه بیش از 1.4 میلیارد متر مربع ژئوتکستایل استفاده می شود و این روند رو به افزایش است. حدود 98 درصد ژئوتکستایل ها از پلیمرهای تجزیه ناپذیر از خانواده پلی اولفین، پلی استر یا پلی آمید تشکیل شده اند. استفاده طولانی مدت از ژئوتکستایل ها به دلیل عوامل محیطی بسیار کمی مانند باد، رطوبت، اصطکاک و اشعه ماوراء بنفش، ممکن است باعث از هم پاشیدگی پلیمر مصنوعی و در نتیجه تجمع میکروپلاستیک ها در محیط اطراف شود [5 ] . . علاوه بر این، کاربرد ژئوتکستایل ها در مهندسی ژئوتکنیک ممکن است با شرایط محیطی پیچیده [ 6 ] مانند شرایط پیچیده اسید-باز مواجه شود و سپس الزامات عملکرد ژئوتکستایل ها بیشتر خواهد شد [ 7 ].

بنابراین، ژئوتکستایل ها باید به سمت عملکرد بالا و چند منظوره توسعه یابند. با محبوبیت مفهوم سبز، تعداد زیادی از محققان امکان جایگزینی ژئوتکستایل های طبیعی را به جای ژئوتکستایل های پلیمری غیرقابل تجزیه زیست تخریب پذیر مطالعه کرده اند [ 5 ، 8 ]. در حال حاضر، ژئوتکستایل های طبیعی می توانند جایگزین ژئوتکستایل های مصنوعی در 50 درصد از همه کاربردها شوند [ 9 ، 10 ]. با ادغام حسگر فیبر نوری در ژئوتکستایل ها، ژئوتکستایل ها نیز به سمت حوزه هوش چند منظوره در حال توسعه هستند [ 11 ، 12 ]. هنگامی که ژئوتکستایل های هوشمند برای تقویت سازه ژئوتکنیکی اعمال می شود، می تواند نظارت بر سلامت سازه ژئوتکنیکی را نیز انجام دهد تا اطمینان حاصل شود که سازه ژئوتکنیکی و مکان های آن با خطر شکست و آسیب بالا را می توان در مراحل اولیه پیدا کرد. مرحله، که برای پیشگیری و نگهداری از قبل مساعد است [ 13 ، 14 ]. با پیشرفت مواد الیافی، تعدادی ژئوتکستایل جدید با کارایی بالا پدید آمده اند، از جمله ژئوتکستایل های فتیله ای [ 15 ، 16 ] و ژئوتکستایل های سوزنی الیاف بازالت [ 17 ].

ژئوتکستایل ها مقرون به صرفه، بادوام و آسان برای استفاده در نظر گرفته می شوند. امروزه ژئوتکستایل ها در مهندسی ژئوتکنیک به طور فزاینده ای ضروری هستند. این مقاله به بررسی ترکیب و عملکرد ژئوتکستایل ها در مهندسی ژئوتکنیک می پردازد. علاوه بر این، بر اساس ادبیات از جمله جدیدترین داده‌ها، بحث به توسعه اخیر ژئوتکستایل‌ها، با تأکید بر ژئوتکستایل‌های سبز، ژئوتکستایل‌های هوشمند، و ژئوتکستایل‌های با کارایی بالا تبدیل می‌شود. توسعه این ژئوتکستایل های جدید و کاربرد آنها در مهندسی ژئوتکنیک بررسی می شود.

رفتن به:

2. ترکیب و عملکرد ژئوتکستایل ها

2.1. مواد پایه ژئوتکستایل های مصنوعی

انتخاب مواد ژئوتکستایل نه تنها با توجه به الزامات عملکردی ژئوتکستایل در سایت، بلکه با در نظر گرفتن هزینه محصول، باید متناسب با وضعیت واقعی پروژه باشد. در حال حاضر، مواد اولیه ژئوتکستایل ها عمدتاً الیاف مصنوعی است. پلی پروپیلن (PP) پرمصرف ترین ماده در ارتباط با ژئوتکستایل است و پس از آن پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی اتیلن (PE) [ 5 ]. شکل 1 رایج ترین پلیمرهای مورد استفاده به عنوان ژئوتکستایل و تصویر SEM را نشان می دهد.

رایج ترین پلیمرهای مورد استفاده به عنوان ژئوتکستایل و تصویر SEM.

پلی پروپیلن یکی از پرکاربردترین الیاف برای ژئوتکستایل ها به دلیل هزینه کم، خواص کششی قابل قبول و بی اثری شیمیایی آن است. این الیاف به دلیل چگالی کم آن دارای یک مزیت اضافی است که منجر به هزینه بسیار پایین در هر حجم می شود. عیب اصلی پلی پروپیلن حساسیت ضعیف آن به UV است. علاوه بر این، در دمای بالا، عملکرد آن به راحتی خراب می شود و ویژگی های خزش ضعیف را نشان می دهد [ 18 ]. جدول 1 خصوصیات رایج ترین پلیمرهای مورد استفاده به عنوان ژئوتکستایل را خلاصه می کند.

یکی دیگر از الیاف مصنوعی اصلی برای ژئوتکستایل ها PET است. دارای خواص کششی عالی و مقاومت در برابر خزش بالا است. ژئوتکستایل های ساخته شده از الیاف پلی استر را می توان در دمای بالا استفاده کرد. عیب اصلی الیاف پلی استر این است که به راحتی در خاک با مقدار pH بیش از 10 هیدرولیز و تجزیه می شود [ 19 ].

اگرچه معمولاً از الیاف پلی اتیلن برای ساخت ژئوممبران یا ژئوممبرین استفاده می شود، اما به دلیل عدم عرضه الیاف پلی اتیلن، به محلولی کم استفاده در زمینه ژئوتکستایل تبدیل شده است. پلی آمید همچنین به دلیل هزینه کم و عملکرد جامع ضعیف به ندرت در ژئوتکستایل ها استفاده می شود [ 20 ].

مواد افزودنی معمولاً برای افزایش عملکرد ژئوتکستایل ها اضافه می شوند، مانند آنتی اکسیدان ها، تثبیت کننده نور آمین مانع، جاذب ها و تثبیت کننده های UV، تثبیت کننده حرارتی طولانی مدت، اصلاح کننده های پردازش، بازدارنده های شعله، روان کننده ها و عوامل ضد باکتری [ 23 ].

2.2. عملکرد ژئوتکستایل ها

2.2.1. ژئوتکستایل های مورد استفاده در جداسازی

عملکرد جداسازی ژئوتکستایل ها به این معنی است که یک ژئوتکستایل می تواند دو نوع ماده با خواص مختلف را جدا کند، از مخلوط شدن با یکدیگر جلوگیری کند و یکپارچگی و یکپارچگی ساختاری مواد مختلف را از دست بدهد. در شکل 2 ، زمانی که سنگدانه های سنگی بر روی خاک ریزدانه قرار می گیرند، هر دو مکانیسم به طور همزمان در طول زمان رخ می دهند. یکی این که خاک ریز در لایه زیرین سعی می کند وارد فضای خالی سنگدانه شود، بنابراین ظرفیت زهکشی آن را از بین می برد. مورد دیگر این است که سنگدانه در لایه بالایی سعی می کند به خاک ریز حمله کند، بنابراین استحکام سنگدانه را از بین می برد [ 24 ]. این معمولا بدون استفاده از ژئوتکستایل اتفاق می افتد.

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g002.jpg است

شکل 2

عملکرد جداسازی ژئوتکستایل ها

شکل 3 مقایسه روسازی با یا بدون ژئوتکستایل را نشان می دهد. عملکرد جداسازی ژئوتکستایل ها می تواند به طور موثر از اثر پمپاژ ایجاد شده توسط دینامیک جلوگیری کند [ 25 ، 26 ]. برخی از حوزه های کاربردی عبارتند از [ 27 ]:

    بین بستر و پایه سنگی در جاده ها و فرودگاه های آسفالت نشده و سنگفرش شده

    بین زیرسازی در راه آهن

    بین محل دفن زباله و دوره های پایه سنگی

    بین ژئوممبران یا ژئوممبرین و لایه های زهکشی شن و ماسه

    زیر تخته های پیاده رو

    زیر مناطق حاشیه نشین

    زیر پارکینگ ها

    زیر زمین های ورزشی و ورزشی

مقایسه روسازی با یا بدون ژئوتکستایل.

2.2.2. ژئوتکستایل های مورد استفاده در فیلتراسیون

در یک خاک ناپایدار داخلی، تراوش ممکن است باعث پدیده رسوب شود. انتقال ذرات ریز توسط جریان تراوش با فروپاشی ساختار خاک همراه است [ 28 ، 29 ، 30 ]. از آنجایی که ژئوتکستایل ها دارای نفوذپذیری مثبت و نفوذپذیری هوا هستند، می توان آنها را در ساختار خاک قرار داد تا مایع موجود در خاک از آن عبور کرده و تخلیه شود و نقش حفاظتی خاک را ایفا کند که می تواند به طور موثر از هدر رفتن ذرات خاک، شن و ماسه ریز جلوگیری کند. و سنگ های کوچک در بالادست، از آسیب خاک جلوگیری می کند و به طور موثر از پدیده رسوب جلوگیری می کند [ 31 ، 32 ، 33 ]. مکانیسم در شکل 4 نشان داده شده است . عملکرد فیلتراسیون ژئوتکستایل ها نیز به طور گسترده در مهندسی ژئوتکنیک استفاده می شود. به عنوان مثال، ژئوتکستایل ها برای جلوگیری از مهاجرت ذرات خاک و نفوذ به سنگدانه های زهکشی یا لوله های زهکشی و در عین حال حفظ عملکرد عادی سیستم های زهکشی استفاده می شوند. قرار دادن ژئوتکستایل ها در زیر یک لایه محافظ ریپاپ و سایر مواد محافظ در سواحل و سواحل رودخانه ها می تواند از فرسایش خاک و ریزش ساحل رودخانه جلوگیری کند.

عملکرد فیلتراسیون ژئوتکستایل ها

2.2.3. ژئوتکستایل های مورد استفاده در زهکشی

ژئوتکستایل ها هدایت آب مطلوبی دارند که به عنوان کانال زهکشی استفاده می شود. آب موجود در ساختار خاک در ژئوتکستایل ها را می توان جمع آوری کرد و به آرامی در امتداد ژئوتکستایل ها تخلیه کرد ( شکل 5 ). در حال حاضر، ژئوتکستایل ها به طور گسترده در زهکشی زیرزمینی، زهکشی زیرزمینی، زهکشی دیوار حائل و سایر کارهای زهکشی استفاده شده است

عملکرد زهکشی ژئوتکستایل ها

طراحی زهکشی زیرسطحی با ژئوتکستایل های فتیله ای [ 35 ].

2.2.4. ژئوتکستایل های مورد استفاده در تقویت

ژئوتکستایل ها به عنوان مواد تقویت کننده در داخل خاک قرار می گیرند که با خاک ترکیب می شوند و خاک مرکب تقویت شده را تشکیل می دهند. در مقایسه با خاک تقویت نشده، استحکام و عملکرد تغییر شکل خاک های مرکب تقویت شده به وضوح بهبود یافته است ( شکل 7 ). ژئوتکستایل ها دارای سه ویژگی مکانیکی بسیار مهم هستند: مدول کششی، استحکام کششی و اصطکاک سطحی. عملکرد تقویتی ژئوتکستایل ها بیشترین کاربرد را در مهندسی ژئوتکنیک دارد. همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، به طور گسترده ای در تقویت جاده ها و راه آهن های آسفالته و بدون آسفالت، تقویت کننده دیوارها، برم ها و شیب ها و تقویت پایه های خاک نرم استفاده شده است [ 6 ، 36 ].

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g007.jpg است

عملکرد تقویتی ژئوتکستایل ها

برخی از کاربردهای تقویت ژئوتکستایل: ( الف ) تقویت شیب ها. ( ب ) تقویت خاکریز. ( ج ) تقویت پی خاک نرم. و ( د ) تقویت سکوهای انتقال بار.

علاوه بر چندین کاربرد اصلی ژئوتکستایل ها، عملکرد ژئوتکستایل ها شامل مانع و محافظت در برابر فرسایش است. عملکرد ضد نشت ژئوتکستایل ها معمولاً در ضد نشت مخزن، ضد نشت تونل و ضد نشت دفن زباله استفاده می شود [ 33 ، 37 ]. اثر محافظتی ژئوتکستایل ها به طور کلی از طریق ژئوتکستایل های تخمگذار است که می تواند از دست دادن خاک ناشی از تاثیر بارندگی و روان آب های سطحی را کاهش دهد [ 9 ، 38 ]. به طور کلی، ژئوتکستایل ها در مهندسی ژئوتکنیک بیش از دو عملکرد را همزمان انجام می دهند.

2.3. تحلیل کاربرد ژئوتکستایل ها

ژئوتکستایل ها نقش مهمی در زمینه مهندسی ژئوتکنیک ایفا کرده اند و رشد ثابتی را در تقاضای بازار جهانی نشان داده اند. اندازه بازار جهانی ژئوتکستایل 4.6 میلیارد دلار آمریکا در سال 2019 تخمین زده می شود و انتظار می رود نرخ رشد سالانه مرکب 11.9٪ باشد. منطقه آسیا و اقیانوسیه که توسط چین، هند و سایر کشورها هدایت می شود، بزرگترین بازار ژئوتکستایل است. با توجه به تقاضای زیاد برای ژئوتکستایل در پروژه های توسعه زیرساخت های مدرن کشور، چین 45.7 درصد از بازار ژئوتکستایل آسیا و اقیانوسیه را در سال 2019 به خود اختصاص داد. همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است ، کاربردهای عمده ژئوتکستایل ها شامل ساخت جاده، جلوگیری از فرسایش و زهکشی است. سیستم های.

با افزایش تقاضا برای ژئوتکستایل ها، ژئوتکستایل ها نیز نوآوری شده اند. با توسعه مفهوم سبز، ژئوتکستایل های طبیعی ساخته شده از الیاف طبیعی ارزش توجه دارند. ژئوتکستایل های هوشمند نیز روند توسعه ژئوتکستایل هستند. در حال حاضر، ادغام حسگرهای فیبر نوری در ژئوتکستایل ها می تواند باعث شود که ژئوتکستایل ها عملکردهای تقویت، نظارت بر ایمنی سازه و هشدار اولیه را داشته باشند [ 12 ، 39 ، 40 ]. آخرین توسعه ژئوتکستایل طبیعی، ژئوتکستایل هوشمند و ژئوتکستایل با کارایی بالا به تفصیل در زیر خلاصه خواهد شد.

رفتن به:

3. ژئوتکستایل سبز

بیشتر ژئوتکستایل ها از PP، PET و PE ساخته می شوند که پلیمرهای تجزیه ناپذیر هستند. در فرآیند استفاده طولانی مدت، به دلیل عوامل محیطی خارجی مانند باد، آب، اصطکاک و تابش UV، ممکن است باعث فروپاشی پلیمرهای مصنوعی و در نتیجه تجمع میکرو پلاستیک در محیط اطراف شود [ 44 ، 45] . ، 46 ]. ثانیاً، تجزیه پلیمر باعث فیلتر شدن مواد افزودنی از ژئوتکستایل می شود که باعث آلودگی محیط می شود [ 23 ]. خواص ژئوتکستایل های ساخته شده از الیاف طبیعی نیازهای اکثر کاربردها را برآورده می کند و هزینه و زیست تخریب پذیری پایینی دارد. بنابراین، ژئوتکستایل های طبیعی پتانسیل جایگزینی ژئوتکستایل های مصنوعی را در تعداد کمی از کاربردهای ژئوتکستایل ها دارند [ 9 ، 47 ].

3.1. مواد پایه ژئوتکستایل های طبیعی

سه نوع الیاف طبیعی وجود دارد: الیاف گیاهی، الیاف حیوانی و الیاف معدنی. در میان این الیاف، الیاف گیاهی به دلیل منابع غنی، استخراج آسان، هزینه کم و عملکرد برتر به اولین انتخاب برای ژئوتکستایل های طبیعی تبدیل شده اند [ 48 ، 49 ].

خواص الیاف طبیعی با ترکیب و محل اجزا تعیین می شود [ 50 ]. اجزای اصلی الیاف طبیعی سلولز، همی سلولز، لیگنین و پکتین است [ 51 ]. محتوای هر جزء در هر فیبر طبیعی متفاوت است. سلولز، همی سلولز و لیگنین اجزای اساسی هستند که خواص فیزیکی الیاف را تعیین می کنند [ 52 ]. سلولز سخت ترین و قوی ترین جزء آلی در فیبر است [ 53 ]. همی سلولز ساختاری باز دارد که حاوی ارتشی از گروه های هیدروکسیل و استیل است. بنابراین همی سلولز تا حدی در آب محلول است و خاصیت رطوبت سنجی دارد. لیگنین عمدتاً پلیمر واحد فنیل پروپان معطر است. عمر مفید ژئوتکستایل طبیعی به محتوای سلولز و لیگنین در فیبر جزء بستگی دارد. هر چه محتوای بالاتر باشد، دوام بالاتری دارد [ 54 ]. شکل 10 ساختار شیمیایی و خواص اجزای اصلی فیبر گیاهی را خلاصه می کند.

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g010.jpg است

شکل 10

ساختار شیمیایی و خواص اجزای اصلی در الیاف گیاهی [ 5 ].

خواص الیاف طبیعی در انواع مختلف متفاوت است. ژئوتکستایل های طبیعی معمولاً الیاف طبیعی با خواص مکانیکی بالا را به عنوان مواد اولیه انتخاب می کنند. جدول 2 ترکیب و خواص الیاف طبیعی را که معمولاً برای ساختن ژئوتکستایل های طبیعی استفاده می شود، نشان می دهد. در میان این الیاف، الیاف جوت و زغال سنگ به دلیل عملکرد برتر به بهترین مواد تحقیقاتی برای ژئوتکستایل های طبیعی تبدیل شده اند و چندین محصول تجاری در دسترس هستند.

جدول 2

ترکیب و خواص الیاف طبیعی که معمولا برای ساخت ژئوتکستایل های طبیعی استفاده می شود [ 55 ].

3.2. عملکرد ژئوتکستایل های طبیعی در مهندسی ژئوتکنیک

در سال های اخیر، ژئوتکستایل های طبیعی بسیار توسعه یافته اند. بسیاری از محققان کاربرد و عملکرد ژئوتکستایل های طبیعی در مهندسی ژئوتکنیک را مورد مطالعه قرار داده اند [ 5 ، 8 ، 48 ، 56 ]. نویسنده کاربرد ژئوتکستایل های طبیعی را در مهندسی ژئوتکنیک در سال های اخیر مرتب کرده و تحلیل می کند. شکل 11 ژئوتکستایل های طبیعی رایج در حال حاضر را نشان می دهد.

ژئوتکستایل های متداول مبتنی بر الیاف طبیعی: ( الف ) ژئوتکستایل های جوت و ( ب ) ژئوتکستایل های زغالی.

فرسایش خاک به فرآیندی اطلاق می شود که خاک توسط باد یا آب های سطحی به دلیل پوشش گیاهی نامناسب یا نامناسب از بین می رود و جابجا می شود [ 56 ، 66 ]. تخریب خاک ناشی از فرسایش اثرات نامطلوب جدی بر پایداری محیط زیست و بهره وری کشاورزی دارد. به منظور جلوگیری از تخریب بیشتر خاک، از ژئوتکستایل ها به عنوان پوشش خاک برای ایجاد حفاظت موقت از خاک استفاده می شود که می تواند به طور موثر فرسایش را کنترل کند تا زمانی که خاک توسط پوشش گیاهی تثبیت شود. ژئوتکستایل های ساخته شده از الیاف طبیعی کارایی بالایی در کنترل فرسایش دارند [ 60 ]. جدول 3 ژئوتکستایل های طبیعی مورد استفاده برای حفاظت و اثر محافظتی آن را خلاصه می کند. در مقایسه با ژئوتکستایل های مصنوعی، ژئوتکستایل های طبیعی در کنترل فرسایش موثرتر بوده و چسبندگی خاک بهتری دارند [ 57 ]. مهمتر از آن، به دلیل زیست تخریب پذیری ژئوتکستایل های طبیعی، می توان از تجمع میکروپلاستیک ها در محیط جلوگیری کرد. علاوه بر این، عمر کوتاه و رطوبت سنجی ژئوتکستایل های طبیعی تأثیر کمی بر کنترل فرسایش دارد. 66 ]. تا زمانی که پوشش گیاهی در محل مستقر شود، ژئوتکستایل ها در کنترل فرسایش اضافی می شوند، بنابراین عمر مفید ژئوتکستایل طبیعی حدود دو تا سه سال است که تأثیر کمی بر کنترل فرسایش دارد. جذب آب و ذخیره آب ژئوتکستایل های طبیعی به عنوان یک جنبه مثبت در نظر گرفته می شود [ 65 ]. اول اینکه جذب آب زیاد باعث کاهش رواناب خاک ناشی از باران شدید می شود. ثانیاً، آب ذخیره شده را می توان در هوای خشک به طور پایدار به زمین رها کرد، که محیطی ایده آل برای رشد گیاه ایجاد می کند. از آنجایی که ژئوتکستایل های مصنوعی به سختی آب را جذب می کنند، در نظر گرفته می شود که ژئوتکستایل های طبیعی برای جلوگیری از فرسایش مناسب تر از ژئوتکستایل های مصنوعی هستند. علاوه بر این، محصولات تجزیه ژئوتکستایل های طبیعی غنی از مواد مغذی خاک هستند که می توانند به عنوان کود برای پوشش گیاهی جدید استفاده شوند [ 62 ].

جدول 3

ژئوتکستایل های طبیعی مورد استفاده برای حفاظت و اثر محافظتی آن.

نوع ژئوتکستایل     کاربرد    اثر         مرجع.

ژئوتکستایل های کف دست     جلوگیری از ریزش خاک شیب            ژئوتکستایل های پالم مات مزایای آشکاری در حفظ خاک و آب دارند    [ 57 ]

ژئوتکستایل های کف دست     جلوگیری از فرسایش خاک    ژئوتکستایل های پالم مات از فرسایش جلوگیری کرده و خندق ها را ترمیم می کنند             [ 8 ]

ژئوتکستایل جوت   پیشگیری از آبشستگی بستر رودخانه     این می تواند به طور موثر فیلتر و جدا شود و از مهاجرت ذرات ریز در آب آزاد جلوگیری کند         [ 58 ]

ژئوتکستایل های زغالی        پیشگیری از آبشستگی بستر رودخانه     تأثیر ژئوتکستایل های زغالی به عنوان یک اقدام حفاظتی بانک بسیار عالی است       [ 59 ]

ژئوتکستایل جوت   پیشگیری از آبشستگی بستر رودخانه     عمر JGT اصلاح شده 600-700 روز است        [ 60 ]

ژئوتکستایل جوت   پیشگیری از آبشستگی بستر رودخانه     دوام ژئوتکستایل های جوت که با افزودنی های سازگار با محیط زیست درمان می شوند تا 4 سال است و استحکام کششی الزامات کاربرد ساحلی را برآورده می کند.      [ 61 ]

علف فیل، ژئوتکستایل یورک گراس      جلوگیری از فرسایش خاک    در مقایسه با شاهد، هدررفت خاک دو ژئوتکستایل به ترتیب 56.6 درصد و 97.3 درصد کاهش یافت که برای کنترل فرسایش و رسوب مؤثر بود. [ 62 ]

سنبل آبی، نی، سیزال، ژئوتکستایل روزل           جلوگیری از فرسایش خاک    سیسال و روزل پتانسیل به عنوان مواد اولیه ژئوتکستایل را دارند، در حالی که پارچه ساخته شده از نی و سنبل آبی برای کنترل فرسایش خاک مناسب است.    [ 63 ]

ژئوتکستایل های کف دست     شن و ماسه تعمیر کویر         ژئوتکستایل های پالم مات دارای حفظ آب عالی و مقاومت در برابر فرسایش هستند             [ 64 ]

زغال سنگ، ژئوتکستایل جوت           کنترل رواناب        عملکرد کنترل رواناب ژئوتکستایل های جوت بهتر از ژئوتکستایل های کویر است             [ 65 ]

ژئوتکستایل های زغالی        جلوگیری از فرسایش خاک    پس از 12 ماه قرار گرفتن در معرض محیط، استحکام کششی الیاف تیمار نشده در 23 درصد استحکام اولیه باقی ماند.           [ 65 ]

ژئوتکستایل جوت   جلوگیری از فرسایش خاک    ژئوتکستایل های جوت می توانند زمان رواناب را به تاخیر بیندازند، رواناب را به ترتیب 62.1% و فرسایش را 99.4% کاهش دهند.        [ 66 ]

در یک پنجره جداگانه باز کنید

ژئوتکستایل های طبیعی استحکام کششی اولیه بالایی دارند. برای ساخت و ساز جاده استفاده می شود، می توان آن را به طور موثر در مرحله اولیه استفاده از جاده تقویت کرد [ 74 ]. مطالعه بر روی ظرفیت باربری ژئوتکستایل های جوت تقویت شده و جاده های تقویت نشده نشان داد که در مقایسه با جاده های تقویت نشده، ظرفیت باربری جاده های تقویت شده و غیرمسلح ژئوتکستایل جوت حدود 1.5-7 برابر افزایش یافته است [75 ] . با توجه به زیست تخریب پذیری الیاف طبیعی، عملکرد ژئوتکستایل های طبیعی با گذشت زمان کاهش می یابد، که منجر به شکست آرماتورهای بعدی در هنگام استفاده در ساخت و ساز جاده می شود [ 69 ]. در سال‌های اخیر، محققان دریافته‌اند که دوام طولانی‌مدت ژئوتکستایل‌های طبیعی برای تقویت پایداری زیربنای بزرگراه‌های روستایی بسیار مهم نیست. در هند، مقدار فزاینده ای از ژئوتکستایل های طبیعی برای تقویت زیربنای جاده های روستایی استفاده می شود [ 76 ]. این به این دلیل است که ژئوتکستایل‌های طبیعی دارای استحکام کششی اولیه بالایی هستند که باعث می‌شود سطح زیرین در طول دوره ساخت و ساز و بهره‌برداری از جاده، تنش کم داشته باشد. سپس با گذشت زمان، یکپارچگی و تراکم خاک زیرزمینی تحت بار ترافیکی رخ می دهد، بنابراین ظرفیت باربری افزایش می یابد. پس از تخریب ژئوتکستایل طبیعی، ظرفیت باربری بستر نیازهای استفاده را برآورده می کند. 77 ]. جدول 4 ژئوتکستایل طبیعی مورد استفاده برای تقویت و اثر آن را خلاصه می کند.

جدول 4

ژئوتکستایل طبیعی مورد استفاده برای تقویت و اثر آن.

نوع ژئوتکستایل     کاربرد    اثر         مرجع.

ژئوتکستایل های زغالی        مطالعه تجربی ظرفیت باربری            ژئوتکستایل های کویر پتانسیل بالایی به عنوان مواد تقویت کننده دارند [ 67 ]

ژئوتکستایل کناف   مطالعه تجربی ظرفیت باربری            هنگامی که ژئوتکستایل کناف در خاک شنی استفاده می شود، ظرفیت باربری خاک شنی 414.9 درصد بیشتر از خاک تصفیه نشده است.   [ 68 ]

ژئوتکستایل جوت   احداث راه های روستایی       در مقایسه با قطعه بدون ژئوتکستایل، ژئوتکستایل های جوت می توانند استحکام جاده را 67 تا 73 درصد افزایش دهند.            [ 69 ]

ژئوتکستایل های زغالی        تقویت زیرسازی     با استفاده از ژئوتکستایل های زغالی، ضریب بهبود CBR می تواند به 1.5 تا 2.2 برسد     [ 70 ]

ژئوتکستایل کناف   تقویت خاکریزی تمام اندازه روی خاک رس نرم    از ژئوتکستایل کناف می توان برای تقویت کوتاه مدت خاک روی خاک رس نرم استفاده کرد      [ 71 ]

ژئوتکستایل جوت   تقویت زیرسازی     دوام طولانی مدت ژئوتکستایل های جوت به ویژه برای پایداری تقویت زیرسازی ضروری نیست.     [ 72 ]

ژئوتکستایل های زغالی        تقویت پی خاک نرم ژئوتکستایل های کویر دارای ارزش کاربردی بالقوه در تقویت پی خاک نرم هستند            [ 73 ]

ژئوتکستایل های زغالی        تقویت زیرسازی     مقدار CBR زیرگرید حدود 50٪ افزایش می یابد   [ 74 ]

در یک پنجره جداگانه باز کنید

ژئوتکستایل های طبیعی همچنین می توانند برای فیلتراسیون یا زهکشی میان مدت و کوتاه مدت استفاده شوند و الیاف طبیعی توانایی حذف فلزات سنگین را دارند [ 78 ، 79 ]. آببار و همکاران [ 80 ] اثر ژئوتکستایل کتانی بر فلزات سنگین محلول را با استفاده از فیلترهای پر شده با ژئوتکستایل ماسه و کتان مطالعه کرد. نتایج نشان داد که ژئوتکستایل کتان توانایی فیلتر را برای حفظ فلزات محلول و اتصال فلزات سنگین بهبود می بخشد ( شکل 12 ). بنابراین، ژئوتکستایل های طبیعی مزایای آشکاری در فیلتر کردن فلزات سنگین محلول دارند. با این حال، رطوبت سنجی الیاف گیاهی شامل مشکلات کلیدی جذب آب و گسترش فیبر است. مشخص شده است که ژئوتکستایل جوت، به عنوان محیط زهکشی، برای مقابله با مشکلات زهکشی که در مهندسی ژئوتکنیک با آن مواجه می شوند، امکان پذیر و مقرون به صرفه است [ 63 ]. به دلیل جذب آب بالا، قطر منافذ فیلتر به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. در بدترین حالت، این منجر به مسدود شدن فیلتر و از بین رفتن کامل نفوذپذیری می شود. رطوبت سنجی و عمر مفید ژئوتکستایل های طبیعی، عملکرد فیلتراسیون یا زهکشی ژئوتکستایل های طبیعی را محدود می کند.

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g012.jpg است

شکل 12

منحنی های پیشرفت فلزات سنگین محلول (BTC): ( الف ) ماسه به تنهایی و ( ب ) ماسه + 3 ژئوتکستایل کتان [ 80 ].

از کاربرد فوق از ژئوتکستایل های طبیعی، می توان دریافت که تخریب اولیه ژئوتکستایل های طبیعی مشکل اصلی است که عملکرد بیشتر ژئوتکستایل های طبیعی را محدود می کند [ 5 ]. بسیاری از تحقیقات در مورد ژئوتکستایل های طبیعی در دو دهه اخیر به بررسی چگونگی بهبود دوام ژئوتکستایل های طبیعی پرداخته اند. جدول 5 روش های بهبود عملکرد ژئوتکستایل های طبیعی را در سال های اخیر نشان می دهد. در حال حاضر، روش های اصلی افزایش خواص ژئوتکستایل طبیعی، افزودن مقدار معینی از الیاف مصنوعی یا اصلاح شیمیایی ژئوتکستایل طبیعی است. افزودن مقدار معینی از الیاف مصنوعی می تواند خواص فیزیکی و مکانیکی ژئوتکستایل طبیعی را بهبود بخشد. این ژئوتکستایل‌های کامپوزیتی فیبر/پلیمر طبیعی، مانند ژئوتکستایل‌های جوت/پت، ژئوتکستایل‌های جوت/PP [ 60 ، 81 ]، و ژئوتکستایل‌های گزنه/پلی‌لاکتیک اسید [ 82 ]، عملکرد امیدوارکننده‌ای را در آزمایش‌های مختلف نشان می‌دهند. اصلاح شیمیایی یا استفاده از تقویت کننده های چسبندگی نیز می تواند مسیرهای جالبی برای بهبود خواص مکانیکی کلی باشد. لامانتیا و همکاران [ 83 ] روش‌های اصلاح شیمیایی فیبر طبیعی را خلاصه کرد: تیمار قلیایی، استیلاسیون، تیمار با اسید استئاریک، بنزیلاسیون، تیمار TDI، تیمار پراکسید، تیمار انیدرید، تیمار پرمنگنات، تیمار سیلان، تیمار ایزوسیانات و تیمار پلاسما. بسیاری از محققان ژئوتکستایل‌های اصلاح‌شده شیمیایی را مورد مطالعه قرار داده‌اند، مانند مقاومت در برابر تخریب شیمیایی ژئوتکستایل‌های جوت که با استری‌سازی تیمار شده‌اند [ 84 ، 85 ]، ویژگی‌های فیزیکی ژئوتکستایل‌های جوت که با لاکاز تیمار شده‌اند بهبود یافته است، و توانایی ضد سوراخ شدن ژئوتکستایل جوت بهبود یافته است. درمان با قلیایی بهتر است [ 86 ].

جدول 5

بررسی بهبود خواص ژئوتکستایل های طبیعی.

روش      نوع ژئوتکستایل     پژوهش   اثر         مرجع.

اصلاح شیمیایی      ژئوتکستایل های جوت          استری کردن ژئوتکستایل های جوت     مقاومت در برابر کشش و تخریب شیمیایی افزایش یافته است       [ 84 ، 85 ]

ژئوتکستایل های زغالی        مطالعات دوام ژئوتکستایل های زغالی اصلاح شده با سطح   ژئوتکستایل های اصلاح شده با سطح بیش از 70 درصد از مقاومت کششی اولیه خود را پس از دفن در لایه بالایی خاک پس از یک سال حفظ کردند.           [ 87 , 88 , 89 ]

ژئوتکستایل های جوت          درمان لاکاز ژئوتکستایل جوت            خواص فیزیکی و آب گریزی سطح بهبود یافته است           [ 90 ]

ژئوتکستایل های جوت          درمان ژئوتکستایل جوت با مشتقات ایزوتیازولینون و فلوروکربن        بهبود عملکرد ضد میکروبی و ضد آب   [ 60 ]

ژئوتکستایل های زغالی        آهک درمانی         درمان با آهک باعث حفظ اولیه سلولز در الیاف طبیعی می شود         [ 11 ]

ژئوتکستایل کناف   قلیایی درمان شده است          در مقایسه با ژئوتکستایل کناف تیمار نشده، استحکام کششی ژئوتکستایل تیمار شده با 6% NaOH 51.0% افزایش یافته است.    [ 81 ]

ترکیب الیاف مصنوعی         ژئوتکستایل های گزنه/PLA   آزمایشات بر روی استحکام کششی، زیست تخریب پذیری و افزایش حاصلخیزی خاک             ژئوتکستایل برای کاربرد تثبیت شیب امیدوار کننده است       [ 82 ]

جوت/پلی پروپیلن ژئوتکستایل             درمان ژئوتکستایل نبافته جوت/PP با قلیایی         خواص کششی و مقاومت در برابر سوراخ شدن بهبود یافته است             [ 54 ، 55 ]

جوت/پلی پروپیلن ژئوتکستایل             خواص مکانیکی و تجزیه و تحلیل آسیب ژئوتکستایل نبافته جوت/پلی پروپیلن     در مقایسه با ژئوتکستایل های PP، ژئوتکستایل های 40/60 جوت/PP دارای استحکام کششی و مدول سکونت بالاتری هستند. [ 91 ]

در یک پنجره جداگانه باز کنید

رفتن به:

4. ژئوتکستایل های هوشمند

سنسور فیبر نوری نوع جدیدی از حسگرها بر اساس فیبر نوری است که در اواسط دهه 1970 توسعه یافت [ 92 ، 93 ]. دارای مزایای عایق الکتریکی برتر، تداخل قوی ضد الکترومغناطیسی، حساسیت بالا و نظارت آسان از راه دور سیگنال اندازه گیری شده است [ 94 ، 95 ، 96 ]. سنسور فیبر نوری با استفاده از تعدادی موقعیت ثابت بین سنسور و پارچه، در ژئوتکستایل ها ادغام می شود. هنگامی که ژئوتکستایل برای پایداری و تقویت سازه‌های ژئوتکنیکی مانند سدها، راه‌آهن‌ها، خاکریزها و شیب‌ها استفاده می‌شود، حسگرهای فیبر نوری می‌توانند عملکردهای دیگری مانند نظارت بر تغییرات تغییر شکل مکانیکی، دما، رطوبت و فشار منفذی را برای ژئوتکستایل‌ها فراهم کنند. نظارت بر سلامت سازه‌های ژئوتکنیکی، به طوری که از تشخیص زودهنگام خطر شکست و شکست سازه‌های ژئوتکنیکی و مکان‌های آن‌ها اطمینان حاصل شود، که از قبل پیشگیری یا تعمیر سودمند است [ 97 ]. بنابراین، ژئوتکستایل های هوشمند چشم انداز برتری دارند.

4.1. توسعه ژئوتکستایل های هوشمند

سنسور فیبر نوری مبتنی بر گریتینگ فیبر براگ (FBG) اولین حسگر اعمال شده بر روی ژئوتکستایل ها است [ 98 ، 99 ، 100 ]. اصل کار و اصل سنجش FBG در شکل 13 نشان داده شده است . با این حال، این فناوری یک فناوری اندازه گیری شبه توزیع شده است که فقط اطلاعات کرنش را در امتداد تعداد محدودی از نقاط یک فیبر نوری ارائه می دهد، در نتیجه سیستم نظارت بر حسگر فیبر نوری مبتنی بر FBG فقط می تواند کرنش شبه توزیع شده با طول محدود را اندازه گیری کند. نمی تواند نیازهای نظارتی صدها متر خاکریز، سد، راه آهن، شیب و سایر سازه های ژئوتکنیکی را برآورده کند. ثانیاً، سنسور FBG از فیبر سیلیکا به عنوان محیط حسگر استفاده می کند و کرنش نهایی فیبر نوری سیلیس معمولی تنها حدود 5٪ است. هزینه سنسور FBG نسبتاً بالا است، حدود 20 دلار آمریکا برای هر سنسور نقطه [ 101 ]. بنابراین، هزینه و آسیب پذیری بالای آن نیز استفاده از این حسگر فیبر نوری را در ژئوتکستایل های هوشمند محدود می کند [ 102 ، 103 ].

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g013.jpg است

شکل 13

اصل کار و اصل سنجش گریتینگ فیبر براگ (FBG) [ 104 ].

به منظور پاسخگویی به نیازهای نظارت بر ساختارهای ژئوتکنیکی بزرگ، سنسورهای فیبر نوری توزیع شده به وجود آمدند. پراکندگی بریلوین نوعی پدیده پراکندگی نور است که در اثر برهمکنش بین موج نوری وارد شده به فیبر و موج صوتی الاستیک در فیبر ایجاد می شود [ 100 ، 105 ، 106 ]. سنسور پراکندگی بریلوین توزیع شده فیبر نوری از سیگنال پس پراکندگی خود برای اندازه گیری مقادیر فیزیکی خارجی استفاده می کند. ژئوتکستایل‌های مبتنی بر این نوع حسگر ( شکل 14 )، نه تنها می‌توانند ساختار ژئوتکنیکی را تقویت کنند، بلکه نیازهای نظارتی ساختار ژئوتکنیکی بزرگ را نیز برآورده می‌کنند.

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g014.jpg است

شکل 14

ژئوتکستایل هوشمند بر اساس سنسور توزیع شده

هنگامی که تغییر شکل مکانیکی (کرنش بیش از 1٪) دو نوع ژئوتکستایل هوشمند بالا رخ می دهد، حسگر فیبر نوری احتمالاً از کار می افتد و شکنندگی فیبر سیلیس باید توسط کابل گران قیمت محافظت شود. ژئوتکستایل یکپارچه با سنسور فیبر نوری پلیمری ( شکل 15 ) راه حلی برای اندازه گیری توزیع شده کرنش بالا ارائه می دهد. فناوری بازتاب سنج دامنه زمان نوری POF بر اساس اصل افزایش سطح نور پراکنده در محلی است که کرنش به POF اعمال می شود [ 107 ، 108 ، 109 ]. لیهر و همکاران [ 110 ] دریافت که با فناوری OTDR، تا 40 درصد از توزیع کرنش را می توان با استفاده از استاندارد پلی متیل متاکریلات POF اندازه گیری کرد. در مقایسه با سنسورهای فوق الذکر، POF با الاستیسیته بالا، کرنش شکست بالا و کرنش اندازه گیری (بیشتر از 40%) مزایای بیشتری به عنوان ادغام سنسورها بر روی ژئوتکستایل، به ویژه برای نظارت بر تغییر شکل مکانیکی بالا (مانند شیب با خطر زمین لغزش) در یک منطقه کوچک. پرفلوروفوف کم تلفات می تواند محدوده اندازه گیری را تا 500 متر افزایش دهد. سنسور POF را می توان به طور مستقیم توسط ماشین آلات نساجی پردازش کرد و می تواند در فرآیند ساخت ساختار پارچه (پارچه چند محوره) تعبیه شود.

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g015.jpg است

شکل 15

ژئوتکستایل هوشمند مبتنی بر حسگر فیبر نوری پلیمری.

علاوه بر ژئوتکستایل یکپارچه حسگر فیبر نوری، سایر مواد پیشرفته نیز توسعه ژئوتکستایل هوشمند مانند پوشش گرافن را ترویج می کنند. گرافن می تواند به ژئوتکستایل ها خواص عالی بدهد، از جمله رسانایی حرارتی عالی (رسانایی حرارتی بزرگ)، رسانایی عالی، استحکام بالا (کاهش وزن)، پایداری، خود ترمیم، آب گریزی، عملکرد ضد باکتریایی (برای جلوگیری از مسدود شدن فیلتر)، و سنجش دما/فشار/رطوبت. عملکرد (دما، تغییر فشار، و تشخیص محل نشتی) [ 111 ]. می‌توان پیش‌بینی کرد که ژئوتکستایل‌های هوشمندتر در آینده نزدیک پدیدار خواهند شد و نقش بیشتری در مهندسی ژئوتکنیک خواهند داشت.

4.2. کاربرد ژئوتکستایل های هوشمند در مهندسی ژئوتکنیک-مطالعه موردی

4.2.1. نظارت بر خاکریز راه آهن در نزدیکی کمنیتس

STFI آلمان و Alpe Adria Textile ایتالیایی [ 112 ] از ژئوتکستایل های یکپارچه مبتنی بر فناوری POF OTDR در خاکریزهای راه آهن در نزدیکی شهر آلمانی Kemnes استفاده کرده اند ( شکل 16 ). ژئوتکستایل های یکپارچه فیبر نوری در طول فرآیند نصب دقیق دست نخورده بودند و به طور مرتب پس از بازسازی خاکریز در سال 2007 مورد بازجویی قرار گرفتند تا وقوع تغییر شکل یا نشست خاکریزی که ممکن است در اثر حمل و نقل ریلی ایجاد شود بررسی شود. آزمایش میدانی امکان استفاده از ژئوتکستایل یکپارچه فیبر نوری برای تقویت و نظارت بر خاکریز راه آهن را به طور همزمان اثبات می کند. علاوه بر این، پارچه سنسور می تواند بدون هیچ آسیبی در برابر نصب ماشین آلات سنگین در محل ساخت و ساز مقاومت کند. به استثنای افزایش اندک و یکنواخت در میرایی در امتداد فیبر، هیچ اثر منفی درازمدت در 14 ماه پس از نصب رخ نداد.

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی Material-13-01774-g016.jpg است

شکل 16

( الف ) ژئوتکستایل های هوشمند نصب شده و ( ب ) محل آزمایش [ 113 ].

4.2.2. تست میدانی برای ارزیابی پایداری شیب در بلچاتو در لهستان

محدوده این آزمایش میدانی، ارزیابی امکان بررسی و مشاهده شیب های خزش و زمین لغزش با استفاده از ژئوتکستایل های یکپارچه فیبر نوری است. فیبر انتخابی یک PMMA POF استاندارد است که در ژئوتکستایل ادغام شده و قادر به اندازه گیری رفتار کرنش توزیع شده در طول 100 متر است. استاندارد PMMA POF می تواند کرنش را تا 40 درصد مشاهده کند. از طریق ارزیابی تغییر طول فیبر نوری حسگر، موقعیت و سرعت خزش ترک زمین لغزش خزشی تعیین شد. نتایج نشان می دهد که سرعت خزش شیب ثابت و سرعت متوسط ​​حدود 2 میلی متر در روز بوده است. نتایج آزمون کاربرد ژئوتکستایل های هوشمند را در پایش سلامت سازه اثبات می کند.

4.2.3. آزمایشات میدانی برای ارزیابی مزایای تقویت ژئوتکنیکی شکست شیب در

انجام شد آزمایشات میدانی در یک سایت معدن قدیمی در [ 113 ]، واقع در حدود 50 کیلومتری جنوب کاسل، آلمان . ژئوتکستایل های هوشمندی که حسگرهای فیبر نوری ابتدا در یک ژئوتکستایل نازک طناب مانند ادغام کردند و سپس بین دو لایه تشک فیلتر نبافته قرار دادند استفاده شد. هدف جمع آوری اطلاعات ارزشمند و همچنین عملکرد ژئوتکستایل های هوشمند در برابر آب و هوا و فشارهای مکانیکی بود. نتایج آزمایش ثابت می کند که ژئوتکستایل یکپارچه POF راه حلی برای اندازه گیری توزیع شده کرنش بالا و بدون تأثیر منفی رطوبت بر