مقدمه

در سدهای خاکی، برای آببندی هر چه بهتر محل تماس هسته با پی سنگی سد، از

لایهای رسی با نام رس تماسی۱، با شاخص خمیری زیاد استفاده میشود. این لایه، از طرفی

سبب اتصال هرچه بهتر مصالح هسته سد و سنگ بستر شده و از طرف دیگر، علاوه بر تأمین تغییر شکلپذیری مناسب در هنگام نشستهای پی، باعث کنترل جریان نشت آب از مرز

تماس هسته با پی میشود. بر اساس بررسیهای انجام شده فوستر و همکاران [۱] تا سال

۱۹۸۶، %۳۱ تخریب سدهای خاکی و سنگریزه ای بزرگ، بهعلت وقوع پدیده رگاب از درون بدنه سد، %۱۵ بهدلیل رگاب درون پی و %۲ بهدلیل وقوع این پدیده از خاکریز به پی اتفاق افتاده است. بهطورکلی در حالی که پدیده رگاب، دلیل اصلی %۴۸ تخریبها در سدهای خاکی

ثبت شده، فقط %۲ آن بهعلت وقوع زلزله و مابقی آن بهعلت روگذری آب و ناپایداری

شیروانیهای آن گزارش شده است و این موضوع، اهمیت توجه به پدیده را بیشتر نشان میدهد. بر اساس نتایج بررسیهای انجام شده برای دلایل تخریب سدهای خاکی در دو دهه گذشته، یکی از دلایل اصلی تخریب و یا ایجاد مشکلات اساسی در سد دیکو۲ در سال ۱۹۹۷،

سد چانسزا۳ با ارتفاع ۱۵ متر در لهستان در سال ۱۹۹۴و سد واک بننت۴ با ارتفاع ۱۸۳ متر در کانادا در سال ۱۹۹۶، مسئله رگاب است که گزارشهای مفصل دلایل تخریب آنها منتشر شده

است .[۲]

استفاده از رس تماسی مناسب، در کاهش وقوع این پدیده مخرب از محل تماس هسته با پی بسیار مؤثر است. بههمین منظور بر اساس تجربیات بهدست آمده، توصیه شده است که این رس، این ویژگیها را داشته باشد :[۳]

– حد روانی((LL، در محدوده ۲۵ – ۳۰ درصد.

– شاخص خمیری (PI)، ۱۲-۱۵ درصد (حداکثر تا .(%۳۰

– درصد ذرات عبوری از الک نمره ۲۰۰ ، بیشتر یا مساوی با ۵۰ درصد.

از آنجا که در برخی پروژهها، امکان دسترسی به منبع قرضه ای با این خصوصیات مناسب بهمنظور استفاده در لایه رس تماسی وجود ندارد، از راهکارهای مختلفی برای تأمین مصالح این لایه استفاده میشود.
۱٫ Contact Clay 2. Dychow 3. Chancza 4. Wac Bennent

ارزیابی تأثیر افزودن بنتونیت بر خصوصیات رفتاری خاکهای ریزدانه ۲۳۴۷

یکی از این راهکارها، اختلاط خاک منبع قرضه رسی محل، با بنتونیت است که با این روش، شاخص خمیری رس موجود افزایش مییابد. بنتونیت، کانی رسی از خانواده مونت موریلونیت با خصوصیات انبساطی است که در اثر هوازدگی خاکسترهای آتشفشانی بهوجود میآید. واحدهای ساختاری این رس، شامل دو صفحه چهار وجهی سیلیکا است که یک صفحه هشت وجهی آلومینا را در بر گرفتهاند. بنتونیت، بهدلیل داشتن خصوصیات منحصر بهفرد خود میتواند در زمینه افزایش شاخص خمیری خاکهای منبع قرضه در سدهای خاکی مفید واقع شود.

در پژوهشهای انجام شده سیما و هارسولسو، تأثیر استفاده از ۷ گونه مختلف بنتونیت بر خصوصیات نفوذپذیری ۵ نوع خاک با دانهبندیهای متفاوت بررسی شدند. نتایج آزمایشها نشان دادند که با افزایش درصد بنتونیت، ضریب نفوذپذیری خاک کاهش می یابد بهطوریکه، میزان این کاهش به مشخصات خاک پایه و بنتونیت مصرفی بستگی زیادی دارد .[۴] میشار و همکاران، تأثیر خواص فیزیکی و شیمیایی بنتونیت شامل حد روانی، انبساط آزاد و درصد یون سدیم قابل تبادل را بر پارامترهای تحکیم خاک (CV, CC , t50) ارزیابی کردند. آنها به این نتیجه دست یافتند که با افزایش حد روانی، انبساط آزاد و درصد یون قابل تبادل بنتونیت، شاخص تراکم (CC) و زمان ۵۰ درصد تحکیم (t50) افزایش و ضریب تحکیم (CV) کاهش

مییابد .[۵] محققان دیگر تأثیر بنتونیت بر پارامترهای ضریب تحکیم و ضریب نفوذپذیری در ماسههای بادی ریزدانه، بررسی کردند. نتایج این تحقیقات نشان دادهاند که بنتونیت، سبب کاهش مقادیر ضریب تحکیم و ضریب نفوذپذیری مخلوط میشود .[۶]

گودودا و همکاران در تحقیقات دیگری، ارزیابی تأثیر بنتونیت بر مشخصات تراکمی و پارامترهای مقاومت برشی مخلوطهای خاکB بنتونیت بررسی کردند .[۷] نتایج بررسی این محققان نشان داده است که استفاده از بنتونیت، سبب کاهش دانسیته خشک حداکثر و زاویه اصطکاک داخلی مخلوط وافزایش رطوبت بهینه و چسبندگی آن می شود .[۷] نتایج تحقیقات باغبانیان و همکاران بر روی تأثیر افزودن بنتونیت بر خصوصیات خاک ریزدانه، نشان داد که

۸۴۳۲ نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره ۳ پاییز ۱۳۹۳

افزودن بنتونیت باعث افزایش شاخص خمیری و رطوبت بهینه تراکمی مخلوط شده وضریب نفوذپذیری و دانسیته خشک حداکثر را کاهش میدهد .[۸]

در پژوهشهای خوشخو و همکاران، پدیده فرسایش داخلی در سدهای خاکی و تأثیر نوع کانی خاکهای رسی بر این پدیده ارزیابی شد .[۹] این نتایج نشان میدهد که استفاده از بنتونیت، نه تنها تأثیر منفی از نظر فرسایشپذیری و تخریب سدهای خاکی ندارد، بلکه استفاده از این ماده بهمیزان مناسب، میتواند در کنترل فرسایش داخلی سدهای خاکی نیز مفید باشد.

بررسی کلی نتایج اغلب تحقیقاتی که بهمنظور بررسی تأثیرات بنتونیت بر پارامترهای

مهندسی خاکهای مختلف انجام شده، نشان میدهد که افزایش بنتونیت به خاکها، سبب افزایش در خصوصیاتی چون حد روانی، شاخص خمیری، انبساط آزاد، درصد رطوبت بهینه، چسبندگی خاک، شاخص تراکمپذیری، ضریب تورم، زمان %۵۰ تحکیم میشود. از طرف دیگر بنتونیت سبب کاهش دانسیته خشک حداکثر، ضریب تحکیم، زاویه اصطکاک داخلی و هدایت هیدرولیکی مخلوطها میشود. میزان تأثیر در خصوصیات مهندسی مخلوطهای خاک – بنتونیت، تابعی از درصد و نوع بنتونیت استفاده شده، خواص فیزیکی و شیمیایی آن، و نوع خاک پایه است.

هدف این تحقیق، بررسی امکان استفاده از بنتونیت، برای تهیه خاک رس تماسی در پروژه

سد خاکی چشمه زنه شهرکرد است. این سد خاکی با هسته رسی و با ارتفاع ۴۲ متراز پی، در فاصله ۲۰ کیلومتری جنوب غربی شهرکرد در حال احداث است. بررسیهای انجام شده، نشان میدهد که خاک رسی مناسب به منظور استفاده در لایه رس تماسی در محدوده طرح وجود ندارد. ارزیابی همزمان اثرات مثبت و منفی افزودن بنتونیت به خاک رس، بهمنظور تهیه رس تماسی برای استفاده در هسته سد و همچنین تعیین میزان بهینه بنتونیت برای این منظور، در نتایج تحقیقات موجود دیده نمیشود و این موضوع، جنبه اصلی تمایز این تحقیق با سایر تحقیقات موجود در این زمینه است. نتایج این پژوهش نشان میدهد که اگر چه افزودن بنتونیت به خاک ریزدانه، باعث افزایش ویژگیهای خمیری مخلوط خاک میشود، اما باعث ایجاد برخی ویژگیهای منفی در خاک نیز میگردد که تابع مشخصات خاک ریزدانه و بنتونیت

ارزیابی تأثیر افزودن بنتونیت بر خصوصیات رفتاری خاکهای ریزدانه ۲۳۴۹

مصرفی است. بنا بر این، با توجه به نوع مصالح این پروژه و موضوع تهیه رس تماسی مناسب، در این تحقیق تغییرات ویژگیهای مخلوط با افزودن بنتونیت، بررسی شده است و با توجه به تغییرات مثبت و منفی افزودن بنتونیت بر خاک رس، میزان بهینه بنتونیت مورد نیاز برای این کار نیز تعیین شده است. بنا بر این، هدف دیگر این تحقیق، بررسی میزان بهینه بنتونیت مورد نیاز برای تهیه رس تماسی با ویژگیهای خاص، برای استفاده در ناحیه اتصال هسته با پی در پروژه مذکور است.

روش تحقیق

در پژوهش اخیر، ۵ نمونه خاک بررسی شدهاند. نمونه A1 رس تماسی موجود در منبع قرضه، A2 رس بهکار رفته در پتوی رسی آببند است و نمونههای B1، B2 و B3 رسهای معمولی بهکار برده شده در هسته سد چشمه زنه هستند.

نمونههای A1 و A2، بدون افزودن رس بنتونیت و نمونههای B1، B2 و B3 با افزودن درصدهای وزنی مختلف ۰)، ۵، ۱۰، (% ۲۰ . ۱۵ از پودر بنتونیت خشک، بررسی شدهاند. آزمونهای انجام شده در این تحقیق، شامل این آزمونها است که همگی بر اساس استاندارد ASTM انجام شده است :[۱۰]

دانهبندی (ASTM D422)، حدود آتربرگ (ASTM. D4318)، تعیین وزن مخصوص

(ASTM. D854)، تراکم استاندارد (ASTM. D698)، تعیین واگرایی (شامل آزمون کرامب (ASTM. D6572)، پین هول (ASTM. D4647) و هیدرومتری دوگانه ASTM. 4221) (D، آزمونهای تعیین مقاومت خاک (شامل برش مستقیم (ASTM. D3080) و ظرفیت باربری کالیفرنیا (ASTM. D1883)، تحکیم (ASTM. D2435) و نفوذپذیری .(ASTM. D2434)

نتایج و بحث ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی بنتونیت

بهمنظور شناخت خصوصیات پایه بنتونیت استفاده شده، آزمون های دانهبندی، حدود آتربرگ، وزن مخصوص و همچنین برای شناخت ترکیب کانیشناسی، آزمون آنالیز شیمیایی

۰۵۳۲ نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره ۳ پاییز ۱۳۹۳

انکسار اشعه ایکس (XRD)، بر روی دو نمونه تصادفی از این رس صورت گرفت. جدول ۱

خصوصیات فیزیکی این نمونهها را بهطور خلاصه نشان میدهد.

جدول .۱ خصوصیات فیزیکی رس بنتونیت

فعالیت (A) طبقهبندی درصد عبوری از الک PI (%) PL (%) LL (%) Gs
یونیفاید ۲۰۰
۱/۶۴ CH 80/6 132 35/5 167/5 2/11

نتایج آزمونهای فیزیکی و آنالیز شیمیایی انجام شده نشان میدهد، بنتونیت استفاده شده از نوع سدیمدار است که بخش غالب آن را کانی سیلیس (%۵۰-۶۰) (SiO2) و سپس مونت

موریلونیت سدیمدار (%۱۵-۱۷) تشکیل میدهد. با توجه به شاخص خمیری بهدست آمده، این بنتونیت در طبقهبندی یونیفاید، در گروه CH (رس با شاخص خمیری زیاد) و از نظر شاخص اکتیویته (AC) نیز در رده خیلی فعال قرار میگیرد.

آزمونهای طبقه بندی مهندسی خاک

تعیین وزن مخصوص

با نظر به این که اکثر محاسبات وزنی و حجمی و محاسبات آزمون هیدرومتری، نیازمند

دانستن مقادیر وزن مخصوص خاکها است، آزمایش تعیین وزن مخصوص روی تمامی نمونههای اصلی انجام شده است. برای هر نمونه خاک، این آزمون سه بار تکرار شده و مقدار میانگین بهعنوان وزن مخصوص خاک ارائه شده است (جدول .(۲ چنانکه نتایج این آزمون نشان میدهد، هر ۵ نمونه خاک دارای وزن مخصوص جامد در محدوده ۲/۶ الی ۲/۶۵ هستند.

جدول .۲ وزن مخصوص نمونههای بررسی شده

B3× B2 B1 A2 A1 نام نمونه
۲/۶۳ ۲/۶۱ ۲/۶۲ ۲/۶ ۲/۶۴ GS

دانهبندی بهمنظور بررسی مشخصات پایه نمونههای بررسی شده، آزمونهای ردهبندی خاک، شامل

دانهبندی و حدود آتربرگ بر روی آنها صورت گرفت. نمودار دانهبندی این ۵ نمونه خاک، در

ارزیابی تأثیر افزودن بنتونیت بر خصوصیات رفتاری خاکهای ریزدانه ۲۳۵۱

شکل ۱ نشان داده شده است. در همه نمونهها، بیش از ۵۰ درصد نمونه از الک نمره ۲۰۰ عبور کرده، که سهم زیاد ذرات رس در نمونههای بررسی شده را نشان میدهد. چنانکه مشاهده میشود، نمونه A2 نسبت به نمونههای دیگر دانهبندی گستردهتر و درصد ریزدانه بیشتری دارند.

شکل .۱ نمودار دانهبندی نمونههای مختلف

حدود آتربرگ

آزمون حدود آتربرگ، بر روی دو نمونه رس تماسی و نمونههای B با درصدهای مختلف وزنی بنتونیت، صورت گرفته است. بر اساس رطوبت حد روانی و شاخص خمیری، موقعیت این نمونهها درنمودار کاساگراند، در شکل ۲ ارائه شده است. چنانکه مشاهده میشود، همه نمونهها در رده CL (رس با شاخص خمیری کم) قرار میگیرند.

در شکل ۳ که بر اساس نتایج حاصل، ترسیم شده است، بین درصد بنتونیت و شاخص خمیری خاک، رابطهایتقریباً خطی دیده میشود. بهطوری که با افزایش ۵ تا % ۲۰ بنتونیت، شاخص خمیری نمونهها تا حدود دو برابر افزایش یافته است که علت اصلی آن شاخص خمیری و خواص کانیشناسی منحصر به فرد بنتونیت است.

۲۵۳۲ نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره ۳ پاییز ۱۳۹۳

شکل .۲ نمایش محدوده خاکها در نمودار کاساگراند

شکل .۳ رابطه درصد بنتونیت و شاخص خمیری نمونهها

شاخص خمیری نمونههای A در مقایسه با نمونههای B بیشتر است، بهگونهای که بهطور تقریبی معادل شاخص خمیری مخلوط خاکهای B، با ۱۵درصد بنتونیت است. نمودار نقطه چین در شکل ۳، میانگین تغییرات شاخص خمیری برای درصدهای مختلف از بنتونیت را نشان میدهد.

ارزیابی تأثیر افزودن بنتونیت بر خصوصیات رفتاری خاکهای ریزدانه ۲۳۵۳

تراکم استاندارد

بر اساس نتایج حاصل از این آزمون، در نمونه B1، B2 و B3، دانسیته خشک حداکثر با افزایش ۵ تا ۲۰ درصدی بنتونیت به خاک، بهترتیب حدود ۹/۵، ۱۲ و ۱۱ درصد کاهش و رطوبت بهینه در حدود ۲۵، ۴۰ و ۳۹ درصد افزایش نشان می دهد. نمونههای A، بهدلیل شاخص خمیری بیشتر در مقایسه با سه نمونه B، از رطوبت بهینه بیشتر و دانسیته تراکمی کمتری برخوردارند.