خاک مسلح چیست وکجاها کاربرد دارد؟

خاک مسلح روشی است که معمولاً برای بهبود مقاومت و سختی خاک با استفاده از روش‌های مهندسی ژئو استفاده می‌شود. مسلح کردن اجازه می‌دهد تا خاک در برابر بارهای مختلف از خود مقاومت نشان دهد. در مهندسی ژئوتکنیک، مسلح کردن خاک در زمین‌هایی که فرسایش در آن زیاد است، امری حیاتی و ضروری است. تکنیک‌های مسلح کردن خاک معمولاً در مناطقی با خاک نرم استفاده می‌شود زیرا این نوع خاک پشتیبانی کافی از ساختمان را فراهم نمی‌کند؛ اما مسلح کردن خاک چیست و چگونه انجام می‌شود؟ 

 تاریخچه خاک مسلح :

مفهوم خاک مسلح به بیش از ۵۰۰۰ سال پیش باز می‌گردد. مسلح کردن خاک شامل مخلوط کردن کاه با گل یا نیزارهای بافته شده، استفاده از شاخه‌ها و سایر الیاف گیاهی برای بهبود مقاومت و ظرفیت کلی خاک برای تحمل بارهای بیشتر بود.نمونه‌های بی‌شماری از خاک مسلح وجود دارند که قدمت آن‌ها به ساخت دیوار بزرگ چین (استفاده از شاخه‌های درختان به عنوان عناصر کششی) باز می‌گردد. در دوران مدرن، مفاهیم و اصول تقویت خاک اولین بار توسط «هنری ویدال» توسعه یافت. وی نشان داد که ورود عناصر مسلح در توده خاک، مقاومت برشی آن را افزایش می‌دهد.

خاک مسلح :

به مجموعه ای از خاکریزها گفته می شود که توسط تسمه و میلگرد مسلح شده اند. این خاک خواص مکانیکی خاک را در قسمتی که بیشتر در معرض نیروها قرار گرفته تقویت می کند. مقاومت خاک مسلح در برابر برش و فشار بسیار بالاست اما قدرت آن در مقابل کشش ضعیف می باشد.همانند بتن مسلح به علت وجود اجزای مسلح کننده به منظور کرنش کششی، رفتار خاک بهبود پیدا می کند. 

از این رو دیوارهای این نوع خاک جزء دیوارهای انعطاف پذیر محسوب می شوند. اگر بخواهیم به قسمت های مختلف خاک مسلح اشاره کنیم می توانیم خاکریز (خاک های دانه ای)، عناصر مسلح کننده (تسمه های پهن و باریک) و پوسته را نام ببریم.

اجزای پوسته که قسمت خارجی دیوار را تحت پوشش خود قرار می دهند به انتهای عناصر مسلح کننده وصل می شوند. در دیواره های خاک مسلح اصولاً نسبت عرض به ارتفاع بزرگ است از این رو تمرکز تنش برخلاف دیوارهای معمولی در پنجه دیوار اتفاق نمی افتد. این دیوارها برای بسترهایی که ظرفیت باربری آن ها کم است مناسب می باشند.

در سازه های خاک مسلح، خاکریزی به شکل لایه لایه انجام می شود و تراکم سازی آن مانند خاکریزهای معمولی است. 

در بین این لایه های خاک اجزای مسلح کننده قرار می گیرند و عناصر پوسته نیز به صورت فلزی با مقطع نیم بیضی و بتنی پیش ساخته چلی پایی نصب می شوند.برای ساخت دیوارهای خاک مسلح به وسیله این اجزاء، اول یک ردیف عناصر پوسته قرار می دهند، سپس لایه ای از خاکریز و عناصر مسلح کننده روی آن اجرا می نمایند. 

رفتار خاک مسلح در طولانی مدت بر اساس رفتار اجزای مسلح کننده آن شکل می گیرد.از این رو فولاد یکی از بهترین عناصر مسلح کننده به شمار می آید؛ زیرا از استحکام و مقاومت بالایی برخوردار می باشد اما خوردگی این متریال رفتار خاک مسلح را تحت تاثیر قرار خواهد داد.

در واقع تنها مشکل خاک مسلح پدیده خوردگی عناصر مسلح کننده است. به همین دلیل در اجرای این خاک توجه ویژه به پایداری این عناصر در خاک معطوف می گردد

مسلح کردن خاک چگونه انجام می‌شود؟

خاک‌ها مواد پیچیده‌ای هستند که از مواد کم و بیش فشرده با تخلخل طبیعی ساخته شده‌اند که هوا و آب آزادانه در آن گردش می‌کنند. دانه‌های خاک از تقسیم شدن کم و بیش درشت سنگ به سنگریزه، شن، ماسه یا لجن و همچنین از تجزیه شیمیایی برخی ترکیبات سنگ به ذرات رس میکروسکوپی حاصل می‌شود.

در خاک‌های نفوذ پذیر مانند سنگریزه، شن و ماسه، آب به راحتی گردش می‌کند. این مورد در خاک‌ها با نفوذپذیری کم یا حتی غیر قابل نفوذ مانند گل و لای وجود ندارد. گردش آب در خاک رس یک میلیون برابر کمتر از شن است. علاوه بر این، در نتیجه تنش‌های خارجی مانند ورودی آب، فشار توده وزنی خاک، خشکسالی یا زمین لرزه، ممکن است مشخصات مکانیکی خاک تغییر کند و دیگر با کاربرد مورد نظر سازگار نباشد.

کاربرد خاک مسلح:

 موارد استفاده از خاک مسلح به شرح زیر هستند:

1. ساخت دیوارهای جاده‌های شیب‌دار کوهستانی 
2. ساخت ساختمان بلند مرتبه با گودبرداری عمیق 
3. ساخت دیوارهای نگهدارنده حاشیه بزرگراه‌ها
4. ساخت دیوارهای ساحلی و سدهای خاکی 
5. ساخت سازه‌های خطوط راه آهن 
6. ساخت پایه پل‌هاساخت سازه‌های حفاظتی نظامی 
7. ساخت دیوارهای شیب‌دار

اجزای خاک مسلح :

خاکریز:

خاکریز باید از ویژگی های منحصر بفردی برخوردار باشد تا بتواند کارایی خاک مسلح و مقاومت آن را افزایش دهد. از جمله ویژگی هایی که خاکریز باید از آن بهره مند باشد می توان به مقاومت و پایداری آن در کوتاه مدت و طولانی مدت، خواص مکانیکی و خواص شیمیایی مناسب اشاره نمود.خواص مکانیکی خاک فاکتورهایی نظیر اصطکاک داخلی و چسبندگی و خواص شیمیایی المان هایی نظیر خوردگی عناصر مسلح کننده و دوام و پایداری را در بر می گیرند. بهتر است خاکریزها از خاک هایی که دانه بندی متراکم دارند انتخاب شوند؛ زیرا حجم آن ها هنگامی که در برابر نیروی برشی قرار می گیرند افزایش پیدا می کند.

در خاک هایی که زهکشی آن ها خوب انجام شده، بعد از اجرای هر لایه خاکریز تنش عمودی موثری بین اجزای مسلح کننده و خاکریز منتقل شده و بدون تاخیر فاز، مقاومت برشی با بارگذاری قائم انجام می شود.

 این خاک های دانه ای هنگام اعمال بارهای معمول، رفتاری الاستیسیته پیدا می کنند، از این رو پس از اجرای خاک مسلح تغییر شکل در آن مشاهده نخواهد شد.در مقابل، خاک های ریز دانه که قابلیت زهکشی مناسب را ندارند در معرض انتقال سریع و موثر تنش قرار نمی گیرند، در نتیجه هنگام اجرا ضریب ایمنی افت پیدا می کند. همچنین رفتار الاستوپلاستیک خاک می تواند منجر به تغییر شکل پسماند شود. 

در این خاک ها پدیده خزش نیز به علت تنش بالای عناصر مسلح کننده ممکن است رخ دهد و خوردگی اتفاق بیفتد.

عناصر مسلح کننده :

در بیشتر موارد از تسمه‌های باریک و پهن‌ در فواصل معینی ‌استفاده می‌شود.

پوسته :

قطعات پوسته به یک انتهای عناصر مسلح کننده متصل هستند و وجه خارجی دیوار را پوشش می‌دهند. نسبت عرض به ارتفاع در دیوارهای خاک مسلح معمولاً بزرگ است و در نتیجه بر خلاف دیوارهای حایل معمولی، پدیده تمرکز تنش در پنجه دیوار دیده نمی‌شود.

 به همین دلیل برای بسترهای با ظرفیت باربری کم مناسب هستند.در خاک مسلح با استفاده از عناصر مسلح کننده که در داخل خاک قرار گرفته‌اند و ابتدای آنها به عناصر پوسته متصل شده‌، عناصر پوسته و به تبع آن خاکریز مهار می‌شود.

 در این روش خاکریز از یکسو روی اجزای پوسته فشار جانبی اعمال کرده و از دیگر سو، اندرکنش آن با تسمه‌ها باعث مهار خاک می‌شود.

روش اجرا و کاربری‌های متعارف :

خاکریزی در ساز‌ه‌های خاک مسلح به صورت لایه لایه اجرا شده و مشابه خاکریزهای معمول متراکم می‌شود. 

المان‌های مسلح کننده در فاصله بین این لایه‌ها قرار می‌گیرند. 

المان‌های پوسته به دو صورت، فلزی و با مقطع نیم بیضی و بتنی پیش ساخته چلیپایی شکل استفاده می‌شود. 

اجرای دیوارهای خاک مسلح با استفاده این قطعات‌‌ ابتدا یک ردیف المان‌های پوسته در محل خود قرار داده می‌شود و پس از آن یک لایه خاکریز و المان‌های مسلح کننده اجرا می‌شود.

مقایسه خاک مسلح با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل :

از مقایسه خاک مسلح با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل می‌توان به نتایج زیر رسید.امکان اجرای سریع و ساده خاک مسلح بخصوص با استفاده از امکانات پیش ساختگی وجود دارد.هزینه‌ها در مقایسه با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل کاهش می‌یابد.تطابق پذیری آن بالاست و امکان اجرا در انواع شیب‌ها و با شرایط مختلف خاک وجود دارد.

وجود المان‌های پوسته امکان ایجاد بیشترین هماهنگی بین سازه و محیط اطراف را به طراح می‌دهد.انعطاف پذیری و تغییرشکل پذیری نسبتاً بالای خاک مسلح امکان تحمل نشست‌های زیاد را فراهم می‌آورد.