بررسی مشخصات برشی سطح مشترک ژئوممبران و ماسه در شرایط انجماد

منبع: Dun Chen, Guoyu Li, Pengfei He, Hang Zhang, Jie Sheng, Miao Wang. «Investigating the Shear Characteristics of Geomembrane–Sand Interfaces Under Freezing Conditions». Designs (MDPI)، ۲۰۲۵. doi.org/10.3390/designs9010009

این متن ترجمه‌ی فارسی کامل این مقاله است که تحت مجوز Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0) منتشر شده است. ترجمه با کمک هوش مصنوعی انجام و ویرایش شده؛ فهرست منابع حذف شده و شکل‌ها و جدول‌های کامل در مقاله‌ی اصلی در دسترس‌اند. در صورت هرگونه اختلاف، متن انگلیسی ملاک است. تصویر شاخص: شکلی از همین مقاله (مجوز CC BY 4.0).

دان چن، گوئویو لی، پنگ‌فی هه، هانگ ژانگ، جی شنگ و میائو وانگ

چکیده: این مطالعه به‌صورت تجربی به بررسی اثرات شرایط انجماد بر مشخصات برشی فصل مشترک ژئوممبران–خاک (geomembrane–soil interface) با به‌کارگیری یک دستگاه برش مستقیم با دمای کنترل‌شده (temperature-controlled direct shear apparatus) می‌پردازد. یافته‌ها نشان‌دهنده تغییرات قابل‌توجهی در الگوهای تنش برشی–جابه‌جایی برشی (shear stress–shear displacement) در فصل مشترک خاک–ژئوممبران تحت شرایط حرارتی (thermal conditions) مختلف است. در دماهای مثبت، فصل مشترک رفتار سخت‌شوندگی کرنشی (strain hardening) را نشان می‌دهد، در حالی که در دماهای منفی، از نرم‌شوندگی ضعیف (weak softening) در تنش نرمال (normal stress) پایین به نرم‌شوندگی کرنشی شدید (strong strain softening) در تنش نرمال بالا تغییر حالت می‌دهد. منحنی‌های جابه‌جایی برشی–جابه‌جایی نرمال در شرایط دمایی و تنش نرمال مختلف، رفتار اتساعی (dilatant behavior) را نشان می‌دهند، به‌طوری که جابه‌جایی نرمال ابتدا افزایش یافته و سپس با افت دما کاهش می‌یابد. شایان ذکر است که زاویه اصطکاک فصل مشترک (interface friction angle) در دماهای منفی در مقایسه با دماهای مثبت به‌طور محسوسی بالاتر است و با کاهش بیشتر دما، یک افزایش اولیه، دوره‌ای از روند پایدار و سپس افزایشی دوباره را تجربه می‌کند. نسبت مقاومت برشی (shear strength ratio) میانگین در فصل مشترک در دمای 20 °C تا 0.58 پایین است، در بازه بین −2 °C تا −6 °C به عدد یک نزدیک می‌شود و در −10 °C افزایش چشمگیری را به نمایش می‌گذارد. این یافته‌ها برای کاربرد ژئوممبران‌ها در مهندسی خاک یخ‌زده (frozen soil engineering) سودمند هستند.

واژگان کلیدی: اندرکنش خاک–ژئوسنتتیک (soil–geosynthetic interaction)، مقاومت برشی (shear strength)، نسبت مقاومت (strength ratio)، خاک یخ‌زده (frozen soil)، زاویه اصطکاک (friction angle)

1. مقدمه

ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics) به دلیل نفوذناپذیری استثنایی، توجیه اقتصادی، انعطاف‌پذیری مطلوب و سهولت در اجرا، جزء جدایی‌ناپذیر حوزه مهندسی عمران بوده‌اند [1]. در بحبوحه چالش‌های ناشی از گرمایش جهانی و اعمال محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌تر در زمینه انتشار کربن در ساخت‌وسازهای مهندسی، بهینه‌سازی عملکرد بلندمدت سازه‌های ژئوتکنیکی و کاهش انتشار کربن از طریق به‌کارگیری ژئوسنتتیک‌ها به عنوان یک مسیر پژوهشی حیاتی مطرح شده است. در میان خانواده متنوع ژئوسنتتیک‌ها، ژئوممبران‌ها به‌ویژه به دلیل نقش خود به عنوان موانعی در برابر جریان سیال یا گاز و جلوگیری مؤثر از انتقال مواد مضر یا آب در خاک شناخته شده‌اند. کارایی آن‌ها در گستره وسیعی از کاربردهای مهندسی از جمله مخازن، سدها، مدفن‌های پسماند (landfills)، شیب‌های خاکی مسلح و کانال‌ها مشهود است [2,3].

ژئوممبران‌ها در نقش خود به عنوان موانع نفوذناپذیر یا مسلح‌کننده در سیستم‌های لندفیل، خاکریزها، پی‌ها، خاکریزهای مسلح و غیره، مکرراً در تماس مستقیم با خاک قرار دارند. با توجه به تفاوت چشمگیر مقاومت و سختی (stiffness) بین این دو ماده، فصل مشترک ژئوممبران–خاک تحت تأثیر نیروی گرانش یا بارهای خارجی مستعد لغزش است. در نتیجه، مقاومت برشی در فصل مشترک ژئوممبران–خاک پارامتری محوری برای تضمین پایداری سازه‌هایی به شمار می‌رود که در بر گیرنده ژئوممبران هستند. ارزیابی دقیق مقاومت برشی در این فصل مشترک در مراحل طراحی و اجرا برای جلوگیری از شکست سازه‌ای ناشی از لغزش در فصل مشترک ضروری است [4,5].

آزمایش‌های برش مستقیم (direct shear tests)، آزمایش‌های بیرون‌کشش (pullout tests) و آزمایش‌های پایداری شیب معمولاً برای بررسی مشخصات برشی در فصل مشترک ژئوممبران–خاک به کار گرفته می‌شوند [6,7]. آزمایش برش مستقیم که به دلیل ساختار دستگاهی ساده و سهولت در کنترل شرایط آزمایشگاهی مورد توجه است، امکان اندازه‌گیری مستقیم رابطه تنش–کرنش برشی و تعیین مقاومت برشی فصل مشترک بین خاک و ژئوممبران را فراهم ساخته و از این رو با استقبال گسترده‌ای در تحقیقات مواجه شده است [8]. شواهد تجربی نشان می‌دهند که مشخصات سطحی ژئوممبران از جمله زبری (roughness) و بافت (texture)، و همچنین خصوصیات و شرایط خاک مانند اندازه، شکل و چگالی ذرات، تأثیر چشمگیری بر مقاومت برشی در فصل مشترک دارند [9,10].

فلمینگ و همکاران [11] به بررسی مقاومت برشی فصل مشترک ژئوممبران–خاک در شرایط غیراشباع (unsaturated conditions) پرداختند و دریافتند که رابطه تنش مؤثر–مقاومت برشی در فصل مشترک را می‌توان با به‌کارگیری اصول مکانیک خاک غیراشباع، به‌ویژه در سطوح پایین تنش نرمال، پیش‌بینی کرد [11]. مارکو و اوانژلو [12] آزمایش‌های برش مستقیم را برای بررسی دقیق مشخصات مقاومت برشی فصل مشترک خاک–ژئوممبران انجام دادند و وابستگی شدید پارامترهای مقاومت برشی به شکل ذرات خاک و ویژگی‌های سطحی ژئوممبران را کشف کردند [12]. آرائوخو و همکاران [13] تأثیر پارامترهای زبری سطح ژئوممبران را بر مقاومت برشی فصول مشترک مختلف از طریق مجموعه‌ای جامع از آزمایش‌های صفحه شیب‌دار (inclined plane tests) همراه با تحلیل‌های میکروسکوپی زبری سطح مورد ارزیابی دقیق قرار دادند. یافته‌های آن‌ها همبستگی قوی بین میانگین ارتفاع المان پروفیل (mean height profile element) و پارامترهای حجم ماده هسته (core material volume) با مقاومت برشی فصل مشترک را نشان داد. در نتیجه، آن‌ها ضریب زبری فصل مشترک (interfacial roughness factor) را به عنوان معیاری مبتنی بر خواص مصالح جهت برآورد اصطکاک فصل مشترک بین ژئوممبران‌ها و ژئوتکستایل‌ها (geotextiles) معرفی کردند [13]. خان و لاتا [14,15] شکل و اندازه ذرات و زبری سطح ژئوممبران را به‌صورت کمی مشخص کردند و تأثیر قابل‌توجه شکل ذرات بر مقاومت فصل مشترک و فرآیند شکل‌گیری آن را نشان دادند. چائو و همکاران [16] با بهره‌گیری از داده‌های حاصل از 623 آزمایش برش مستقیم آزمایشگاهی در فصل مشترک، یک مدل یادگیری ماشین (machine learning) را برای پیش‌بینی مقاومت برشی اوج (peak shear strength) فصل مشترک رس–ژئوممبران توسعه دادند و خاطرنشان کردند که فشار اتمسفر مؤثرترین عامل بر مقاومت برشی اوج است و تنها زبری ژئوممبران تأثیری فراتر از آن دارد. سرجیو لوئیز دا کوستا جونیور [17] آزمایش‌های برش مستقیم را روی ژئوممبران‌های بافت‌دار (textured geomembranes) با ارتفاع برآمدگی‌های مختلف در برابر دو نوع خاک متمایز انجام داد و مشاهده کرد که ارتفاع برآمدگی تأثیر معناداری بر پارامترهای فصل مشترک ندارد؛ امری که ضرورت ارزیابی سایر ویژگی‌های بافتی را نشان می‌دهد. فنگ و وانگ [18] مجموعه‌ای از آزمایش‌های برش مستقیم فصل مشترک را برای سه ژئوممبران متمایز در برابر خاک به انجام رساندند و با به‌کارگیری یک مدل نوین یادگیری ماشین، زاویه اصطکاک اوج (peak friction angle) فصل مشترک را به‌طور مؤثری پیش‌بینی کردند.

علاوه بر این، رفتار فصل مشترک بین ژئوممبران‌ها و توده‌های خاک به‌طور چشمگیری تحت تأثیر شرایط متغیر هیدروترمال (hydrothermal) و مکانیکی، و همچنین محیط آزمایش در آزمایش‌های برش مستقیم قرار دارد [19,20]. بیش از 25% از مساحت خشکی‌های جهان در رده مناطق دارای خاک منجمد دائمی (پرمافراست) (permafrost) طبقه‌بندی می‌شوند. در طول نوسانات دما میان مقادیر مثبت و منفی، انجماد آب و تبدیل آن به یخ در داخل خاک، خواص فیزیکی و مکانیکی خاک را به‌طور اساسی تحت تأثیر قرار می‌دهد [21]. به‌طور کلی، مقاومت خاک با کاهش دمای انجماد تمایل به افزایش دارد [22]. با این حال، در طول اندرکنش میان خاک یخ‌زده و سازه‌ها، تغییر شکل ناشی از بالازدگی یخ‌بندان (frost heave) خاک و تغییر شکل سازه اغلب ناهم‌زمان است که این امر منجر به ایجاد پتانسیل لغزش در فصل مشترک می‌شود. خواص برشی فصل مشترک میان خاک یخ‌زده و مصالح ساختمانی سنتی، نظیر بتن،

...فلز و چوب، به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. مطالعات نشان می‌دهند که مقاومت برشی سطح مشترک (interfacial shear strength) با کاهش دما به دلیل تغییرات در مقدار یخ سیمانی‌شده (cemented ice) و دما در درون خاک و در سطح مشترک افزایش می‌یابد و خواص مصالح تأثیر چشمگیری بر این فرایند دارد [23,24]. ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics)، به‌عنوان یک مصالح ساختمانی نوین با چشم‌انداز کاربردی گسترده، به‌طور فزاینده‌ای در مناطق خاک منجمد دائمی (permafrost regions) مورد استفاده قرار می‌گیرند. خواص برشی سطح مشترک بین ژئوسنتتیک‌ها و خاک منجمد (frozen soil) تحت شرایط انجماد گوناگون و همچنین تأثیر چرخه‌های انجماد-ذوب (freeze-thaw cycles) توجه پژوهشی قابل‌توجهی را به خود جلب کرده است [25]. به‌عنوان یک مصالح ساختمانی انعطاف‌پذیر (flexible construction material)، خواص برشی و مشخصات حرکتی ذرات خاک (نظیر لغزش (sliding)، چسبندگی (adhesion)، اصطکاک (friction) و قفل‌وبست‌شدگی (interlocking)) در سطح مشترک ژئوسنتتیک با خاک منجمد به‌طور چشمگیری با مصالح سنتی ساختمانی تفاوت دارد [20].

اگرچه پژوهش‌های پیشین بینش‌های ارزشمندی را درباره مشخصات برشی سطح مشترک ژئوممبران-خاک (geomembrane–soil interface) ارائه داده‌اند، اما همچنان چالش‌ها و محدودیت‌هایی در درک رفتار مکانیکی این سطح مشترک در شرایط گوناگون انجماد وجود دارد. با وجود اینکه ژئوسنتتیک‌ها از مواد اولیه مشابهی نظیر پلی‌اتیلن سنگین (high-density polyethylene - HDPE) و پلی‌وینیل کلراید (polyvinyl chloride - PVC) ساخته می‌شوند، روش‌های بافت و فرایند تولید به‌کاررفته در آن‌ها می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی متفاوت باشد. در نتیجه، رفتار برشی سطح مشترک ژئوممبران-خاک تحت شرایط دمایی و انجمادی مختلف هنوز به‌خوبی شناخته نشده است.

از این رو، نیاز مبرمی به بررسی‌های بیشتر پیرامون پاسخ رفتار برشی سطح مشترک ژئوممبران-خاک به تغییرات دمای انجماد احساس می‌شود. این مقاله به ارائه طراحی یک سامانه آزمایش سطح مشترک ژئوممبران-خاک با قابلیت کنترل دمای انجماد، بر پایه روش آزمایش برش مستقیم (direct shear test method) می‌پردازد. این مطالعه تکامل روابط تنش برشی-تغییرمکان برشی (shear stress–shear displacement)، تغییرات مقاومت برشی سطح مشترک و تغییرات نسبت مقاومت (strength ratio) را تحت دماهای انجماد مختلف و فشارهای قائم (normal pressures) گوناگون مورد تحلیل قرار می‌دهد. یافته‌های این پژوهش با هدف ارائه درکی عمیق‌تر از مشخصات برشی سطح مشترک فراهم شده‌اند تا مهندسان بتوانند در طول طراحی سازه‌های مرتبط با ژئوممبران، مقاومت برشی سطح مشترک را با دقت بالاتری ارزیابی و پیش‌بینی کنند. این امر به نوبه خود به افزایش ایمنی و کارایی اقتصادی طراحی چنین سازه‌هایی کمک خواهد کرد.

2. مواد و روش‌ها

2.1. خاک

خاک مورد آزمایش از شهر لانژو (Lanzhou) در چین تهیه شد؛ منطقه‌ای که دارای انجماد فصلی (seasonal freezing) با میانگین حداکثر عمق انجماد 1 متر است. با به‌کارگیری سامانه طبقه‌بندی متحد خاک (Unified Soil Classification System - USCS) مطابق استاندارد ASTM D2487 [26]، خاک به‌صورت ماسه‌ای بد دانه‌بندی‌شده (SP) با ضریب انحنا (coefficient of curvature - C_c) برابر با 1.36 و ضریب یکنواختی (coefficient of uniformity - C_u) برابر با 5.45 طبقه‌بندی شد. در طول فرایند آماده‌سازی خاک، ذرات بزرگ‌تر از 2 میلی‌متر با دقت جدا شدند. دانه‌بندی ذرات در جدول 1 نشان داده شده است. رطوبت بهینه خاک 9% و حداکثر چگالی خشک آن 1.8 g/cm³ تعیین شد. خواص مکانیکی پایه ماسه از طریق آزمایش برش مستقیم تعیین گردید که منحنی‌های تنش-تغییرمکان و قوانین تغییرات مقاومت مربوط به آن در شکل 1 به تصویر کشیده شده است. شکل 1a نشان می‌دهد که منحنی‌های تنش برشی-تغییرمکان برشی ماسه تحت شرایط مختلف تنش قائم، رفتار کرنش-نرم‌شوندگی (strain-softening) از خود نشان می‌دهند. شکل 1b نشان می‌دهد که هم مقاومت برشی اوج (peak shear strength) و هم تغییرمکان برشی اوج متناظر با آن با افزایش تنش قائم افزایش می‌یابند و زاویه اصطکاک داخلی (internal friction angle) ماسه برابر با 43.4° تعیین شد.

جدول 1. دانه‌بندی ذرات خاک مورد آزمایش.

اندازه ذرات (mm)	<0.075	0.075~0.1	0.1~0.25	0.25~0.5	0.5~1	1~2
درصد (%)	4.0	4.0	13.4	31.0	27.9	19.7

شکل 1. نتایج آزمایش برش مستقیم ماسه. (a) منحنی‌های تنش برشی-تغییرمکان برشی تحت تنش قائم متغیر. (b) تنش برشی اوج و تغییرمکان برشی اوج با تنش قائم متغیر.

2.2. ژئوممبران

ژئوممبران‌های مورد استفاده در این پژوهش از نوع پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) با سطحی صاف و یکنواخت هستند که در شکل 2 نشان داده شده است. این ژئوممبران‌ها دارای ضخامت 5 میلی‌متر و چگالی تقریبی 0.95 g/cm³ می‌باشند. با پیروی از روش‌های آزمون استاندارد ارائه‌شده در استاندارد ASTM D4885 [27]، خواص مکانیکی ژئوممبران‌ها در جدول 2 به‌تفصیل آورده شده است.

شکل 2. تصویر ژئوممبران‌ها.

جدول 2. خواص مکانیکی ژئوسنتتیک‌ها.

مشخصه مکانیکی	مقدار	واحد
حداکثر مقاومت کششی عرضی (Maximum lateral tensile strength)	15.975	kN/m
حداکثر مقاومت کششی طولی (Maximum portrait tensile strength)	15.987	kN/m
حداکثر ازدیاد طول عرضی (Maximum lateral elongation)	50.24	%
حداکثر ازدیاد طول طولی (Maximum portrait elongation)	42.43	%
مقاومت ترکیدگی CBR (CBR bursting strength)	2.788	kN
مقاومت پارگی عرضی (Lateral tear strength)	0.450	kN
مقاومت پارگی طولی (Portrait tear strength)	0.454	kN

2.3. فرآیند آزمایش

دستگاه آزمایش برش مستقیم، ابزاری فراگیر در بررسی خواص مکانیکی خاک و سطح مشترک است [20,23,24,28]. شکل 3 دیاگرام شماتیک دستگاه برش مستقیم به‌کارگرفته‌شده در این مطالعه را نشان می‌دهد. این دستگاه از دو جعبه برش تشکیل شده که هر یک دارای ارتفاع 25 میلی‌متر، طول 100 میلی‌متر و عرض 100 میلی‌متر هستند. فشار قائم از طریق یک سیستم اهرمی به جعبه فوقانی اعمال می‌شود، در حالی که جعبه پایینی توسط یک موتور به حرکت افقی درمی‌آید. تغییرمکان افقی جعبه پایینی، بار افقی وارد بر جعبه فوقانی و تغییرمکان قائم جعبه فوقانی همگی به‌طور خودکار توسط یک سامانه رایانه‌ای ثبت می‌گردند. برای تضمین دقت کنترل دما در حین آزمایش، دستگاه برش مستقیم در داخل یک محفظه با دمای کنترل‌شده (temperature-controlled chamber) قرار دارد که ترموستات آن دقت کنترلی معادل ±0.2 °C را حفظ می‌نماید.

در فرایند ساخت نمونه‌های خاک-ژئوممبران، ژئوممبران با استفاده از چسب با گرانروی بالا (high-viscosity adhesive) به یک صفحه اکریلیک (acrylic plate) متصل می‌گردد. مجموع ارتفاع صفحه اکریلیک و ژئوممبران تقریباً 25 میلی‌متر است که امکان هم‌ترازی با سطح مشترک جعبه‌های بالایی و پایینی دستگاه برش مستقیم را فراهم می‌سازد. متعاقباً، صفحه اکریلیک چسبانده‌شده و ژئوممبران درون قالب نمونه قرار داده می‌شوند و خاک به‌صورت لایه‌به‌لایه‌ بر روی ژئوممبران متراکم می‌گردد. در نهایت، نمونه‌های برش سطح مشترک خاک-ژئوممبرانِ آماده‌شده درون فیلم پلاستیکی مهروموم شده و به مدت 24 ساعت در دمایی ثابت نگهداری می‌شوند تا از توزیع یکنواخت دما در نمونه اطمینان حاصل گردد.

نرخ برش مورد استفاده در این آزمایش‌ها برابر با 0.8 mm/min تنظیم شد و فشارهای قائم معادل 25 کیلوپاسکال، 50 کیلوپاسکال، 75 کیلوپاسکال و 100 کیلوپاسکال اعمال گردید. دماهای آزمایش نیز به ترتیب در مقادیر 20 °C، -2 °C، -4 °C، -6 °C و -10 °C کنترل شدند. فرایند آزمایش مطابق با دستورالعمل‌های روش آزمون استاندارد مندرج در ASTM D3080 [28] انجام پذیرفت.

شکل 3. تصویر و دیاگرام شماتیک دستگاه آزمایش برش مستقیم سطح مشترک.

در فرآیند ساخت نمونه‌های خاک–ژئوممبران (soil–geomembrane)، ژئوممبران (geomembrane) با استفاده از چسب با گرانروی بالا (high-viscosity adhesive) به یک صفحه اکریلیک (acrylic plate) متصل می‌گردد. مجموع ضخامت صفحه اکریلیک و ژئوممبران تقریباً [چند] میلی‌متر (mm) است که امکان هم‌راستایی آن با فصل مشترک جعبه‌های بالایی و پایینی دستگاه برش مستقیم (direct shear instrument) را فراهم می‌سازد. متعاقباً، صفحه اکریلیک و ژئوممبران متصل‌شده درون قالب نمونه (sample mold) قرار می‌گیرند و خاک به‌صورت لایه‌به‌لایه بر روی ژئوممبران متراکم می‌گردد. در نهایت، نمونه‌های آماده‌شده‌ی برش فصل مشترک خاک–ژئوممبران در فیلم پلاستیکی مهروموم شده و به مدت 24 ساعت در دمای ثابت نگهداری (انکوبه) می‌شوند تا از توزیع یکنواخت دما در آن‌ها اطمینان حاصل گردد.

نرخ برش (shear rate) به‌کاررفته در آزمایش‌ها برابر با 0.8 mm/min تنظیم شد و فشارهای قائم (normal pressures) آزمون شامل 25 kPa، 50 kPa، 75 kPa و 100 kPa [در متن اصلی: kPa، kPa، kPa و kPa] بودند. دماهای آزمایش نیز به‌ترتیب در −2 ◦C، −4 ◦C، −6 ◦C و −10 ◦C کنترل گردیدند. فرآیند آزمون مطابق با راهنماهای روش آزمون استاندارد ارائه‌شده در ASTM D3080 [28] انجام گرفت.

2.4. پارامترهای برشی فصل مشترک (Interfacial Shear Parameters)

معیار شکست مور–کولمب (Mohr–Coulomb failure criterion) با توجه به مفهوم فیزیکی روشن خود، به‌طور گسترده برای توصیف مقاومت برشی (shear strength) خاک‌ها و سطوح مشترک خاک–سازه (soil–structure interfaces) به‌کار گرفته می‌شود [29–33].

τ = c + σ_n tanφ      (1)

که در آن τ مقاومت برشی، c چسبندگی (cohesion)، σ_n تنش قائم (normal stress) و φ زاویه اصطکاک داخلی (internal friction angle) است.

چنانچه این معیار را برای برازش مقاومت برشی فصل مشترک میان توده خاک و یک سازه، مانند ژئوممبران، بسط دهیم، این معادله می‌تواند به‌گونه‌ای تعدیل گردد که پارامترهای ویژه فصل مشترک را لحاظ نماید. چسبندگی فصل مشترک با c_i (interface adhesion) و زاویه اصطکاک فصل مشترک با φ_i (interface friction angle) نشان داده می‌شود. بدین ترتیب، معادله تعدیل‌شده مور–کولمب برای مقاومت برشی فصل مشترک (τ_i) به‌صورت زیر خواهد بود:

τ_i = c_i + σ_n tanφ_i      (2)

این معادله امکان محاسبه پارامترهای مقاومت برشی ویژه فصل مشترک را فراهم می‌کند؛ پارامترهایی که برای درک و پیش‌بینی رفتار سطوح مشترک خاک–سازه تحت شرایط بارگذاری گوناگون نقشی حیاتی دارند. محققان با برازش داده‌های آزمایشگاهی بر این معادله می‌توانند مقادیر c_i و φ_i را که به بهترین نحو مقاومت برشی را در فصل مشترک خاک–سازه توصیف می‌کنند، استخراج نمایند.

در واقع، مقاومت برشی فصل مشترک بین خاک و مواد ژئوسنتتیک (geosynthetic materials) نظیر ژئوممبران‌ها و ژئوتکستایل‌ها (geotextiles)، اغلب کمتر از مقاومت برشی خود خاک است که این امر می‌تواند منجر به افزایش پتانسیل لغزش در فصل مشترک شود. این نسبت، که بیانگر مقاومت برشی نسبی و در نتیجه پایداری فصل مشترک است، یک پارامتر حیاتی در مهندسی ژئوتکنیک (geotechnical engineering) محسوب می‌شود و می‌توان آن را با فرمول زیر کمّی‌سازی کرد:

Interface Strength Ratio = τ_interface / τ_soil      (3)

که در آن τ_interface مقاومت برشی در فصل مشترک خاک–ژئوسنتتیک و τ_soil مقاومت برشی توده خود خاک است.

این نسبت مشخص می‌کند که مقاومت برشی فصل مشترک در مقایسه با مقاومت برشی خاک در چه وضعیتی قرار دارد و دیدگاهی دقیق در رابطه با پتانسیل گسیختگی در فصل مشترک فراهم می‌آورد. یک نسبت کمتر نشان‌دهنده ریسک بالاتر لغزش و یک بخش بالقوه نگران‌کننده در ژئوتکنیک است. مهندسان می‌توانند از این نسبت برای ارزیابی پایداری سیستم‌های خاک–ژئوسنتتیک و طراحی تدابیر مناسب به‌منظور افزایش چسبندگی فصل مشترک بهره گیرند و بدین ترتیب پایداری کلی سازه‌های ژئوتکنیکی را ارتقا بخشند.

3. نتایج و تحلیل (Results and Analysis)

شکل 4 پاسخ فصل مشترک خاک–ژئوممبران را تحت فشارهای مختلف قائم در دمای 20 ◦C نشان می‌دهد. شکل 4a منحنی‌های تنش برشی–جابه‌جایی برشی را به تصویر می‌کشد که روندی از کرنش‌سختی (strain hardening) را در سراسر فشارهای قائم مختلف نشان می‌دهند. در ابتدا، تنش برشی با افزایش جابه‌جایی برشی (shear displacement) به‌سرعت افزایش می‌یابد و به دنبال آن کاهش تدریجی در نرخ افزایش مشاهده می‌شود تا زمانی که وضعیت به حالت پایدار برسد. در این حالت پایدار، مشاهده می‌گردد که مقاومت برشی با فشار قائم افزایش می‌یابد. این رفتار به ماهیت دانه‌ای خاک نسبت داده می‌شود، جایی که اصطکاک ذرات نقشی غالب در اندرکنش فصل مشترک خاک–ژئوممبران ایفا می‌کند [2,31,33]. با افزایش فشار قائم، تماس بین ذرات خاک و سطح ژئوممبران نزدیک‌تر و فشرده‌تر شده و برای ایجاد جابه‌جایی نسبی بین این دو در حین برش، نیاز به صرف انرژی بیشتری خواهد بود. شکل 4b رابطه میان جابه‌جایی‌های قائم و افقی را ارائه می‌دهد که نشان‌دهنده رفتار اتساعی (dilatant behavior) در فصل مشترک تحت فشارهای مختلف نرمال است. پیش از رسیدن به جابه‌جایی برشی اوج، جابه‌جایی نرمال همراه با جابه‌جایی برشی افزایش می‌یابد؛ پس از نقطه اوج، این جابه‌جایی تثبیت می‌گردد. نکته قابل توجه این است که جابه‌جایی قائم با افزایش تنش قائم کاهش می‌یابد، به‌طوری که بیشینه جابه‌جایی قائم از 0.32 mm در 25 kPa تا 0.15 mm در 100 kPa متغیر است.

شکل 4c الگوی تغییرات مقاومت برشی اوج فصل مشترک و نسبت مقاومت را تحت فشارهای قائم مختلف تشریح می‌کند. مشاهده می‌شود که زاویه اصطکاک فصل مشترک برابر با 28.5◦ است که تنها 65.7% از زاویه اصطکاک ذاتی خاک را تشکیل می‌دهد. نسبت مقاومت تحت فشارهای مختلف نرمال تغییرات ناچیزی را نشان می‌دهد و بین 0.54 تا 0.62 نوسان دارد. این کاهش چشمگیر در مقاومت فصل مشترک، به‌عنوان یک عامل تعیین‌کننده و تأثیرگذار بر ساختار مرکب مواد ژئوسنتتیک شناسایی شده است [32].

شکل 5 پاسخ فصل مشترک خاک–ژئوممبران را تحت فشارهای نرمال مختلف در دمای −2 ◦C نشان می‌دهد. پس از یخ‌زدگی، مقدار آب یخ‌نزده (unfrozen water content) درون خاک با کاهش دما افت می‌کند و معمولاً پیش از رسیدن به یک مقدار تعادلی و پایدار، یک فاز افت سریع را تجربه می‌نماید. در طول فرآیند انجماد، تشکیل بلورهای یخ افزایش می‌یابد که به توسعه سیمان‌شدگی یخ (ice cementation) در داخل خاک منجر می‌گردد. مقاومت این سیمان‌شدگی یخی و در نتیجه مقاومت خاک یخ‌زده، با کاهش دما افزایش می‌یابد [20]. شکل 5a نشان می‌دهد که منحنی تنش برشی–جابه‌جایی برشی در فصل مشترک در دمای −2 ◦C، از رفتار کرنش‌سختی در دمای 20 ◦C به رفتار کرنش‌نرمی (strain softening) گذار می‌کند، به‌طوری که اثر نرم‌شدگی تحت فشارهای قائم بالاتر بارزتر است. این پدیده به ماهیت ترد و شکننده یخ سیمان‌شده در خاک یخ‌زده نسبت داده می‌شود که ویژگی شکننده‌ای (brittle) به آن می‌بخشد...

شکل ۴. پاسخ برشی رابط در دمای ۲۰ درجه سلسیوس. (الف) منحنی‌های تنش برشی–جابه‌جایی برشی تحت تنش نرمال متغیر. (ب) منحنی‌های جابه‌جایی نرمال–جابه‌جایی برشی تحت تنش نرمال متغیر. (ج) تنش برشی اوج و نسبت مقاومت با تنش نرمال متغیر.

شکل ۵ پاسخ رابط خاک–ژئوممبران (soil–geomembrane interface) را تحت فشارهای نرمال مختلف در دمای ۲- درجه سلسیوس نشان می‌دهد. پس از انجماد، مقدار آب یخ‌نزده درون خاک با کاهش دما کاهش می‌یابد و معمولاً پیش از تثبیت در یک مقدار تعادلی، مرحله افت سریعی را تجربه می‌کند. در طول انجماد، تشکیل بلورهای یخ افزایش می‌یابد که به ایجاد سیمان‌شدگی یخ (ice cementation) درون خاک منجر می‌شود. مقاومت این یخ به پاسخ مکانیکی رابط کمک می‌کند [21,22]. در ابتدا، رابط دچار تغییر شکل الاستیک (elastic deformation) می‌شود. با افزایش جابه‌جایی برشی، پیوندهای میان خاک رابط، یخ سیمان‌شده (cemented ice) و ژئوممبران به تدریج شکسته می‌شوند که منجر به پیدایش شکست‌های ترد (brittle fractures) در یخ سیمان‌شده می‌گردد. علاوه بر این، از آنجا که یخ ماده‌ای بدون اصطکاک است، پس از شکست یخ سیمان‌شده، نقش بسیار ناچیزی در مقاومت رابط ایفا می‌کند. این عوامل در مجموع سبب کاهش سریع تنش برشی رابط پس از مقاومت اوج می‌شوند که خود را به صورت رفتار نرم‌شوندگی کرنش (strain softening) نشان می‌دهد. شکل ۵ب رابطه بین جابه‌جایی‌های نرمال و برشی را در دمای ۲- درجه سلسیوس به تصویر می‌کشد که نشان‌دهنده تغییر شکل اتساعی (dilatant deformation) در رابط تحت فشارهای نرمال مختلف است. با مقایسه جابه‌جایی نرمال در دمای ۲۰ درجه سلسیوسِ نشان‌داده‌شده در شکل ۴ب، مشاهده می‌شود که جابه‌جایی نرمال در دمای ۲- درجه سلسیوس افزایش می‌یابد. این افزایش به تشکیل سنگدانه‌های (aggregates) بزرگ‌تر خاک–یخ پس از انجماد نسبت داده می‌شود که در حین برش می‌غلتند و باعث ایجاد تغییرات بزرگ‌تری در جابه‌جایی نرمال می‌شوند [34–37]. شکل ۵ج تغییرات مقاومت برشی اوج و نسبت مقاومت را در رابط تحت فشارهای نرمال مختلف نشان می‌دهد. زاویه اصطکاک رابط برابر با ۴۴.۹ درجه به دست آمده که ۱۰۳٪ زاویه اصطکاک ذاتی خاک است. این افزایش چشمگیر در زاویه اصطکاک رابط نسبت به دمای ۲۰ درجه سلسیوس، به دلیل تشکیل دانه‌های تجمعی بزرگ‌تر خاک و ذرات یخ پس از انجماد است که با حرکت بر روی سطح ژئوممبران، زاویه اصطکاک رابط را افزایش می‌دهند. نسبت مقاومت رابط بین ۰.۹۱ تا ۱.۲۵ متغیر است که بیانگر افزایش مقاومت برشی رابط تحت تأثیر یخ سیمان‌شده است و در نتیجه مقاومت را در مقایسه با شرایط دماهای بالاتر ارتقا می‌دهد.

شکل ۵. پاسخ برشی رابط در دمای ۲- درجه سلسیوس. (الف) منحنی‌های تنش برشی–جابه‌جایی برشی تحت تنش نرمال متغیر. (ب) منحنی‌های جابه‌جایی نرمال–جابه‌جایی برشی تحت تنش نرمال متغیر. (ج) تنش برشی اوج و نسبت مقاومت با تنش نرمال متغیر.

شکل ۶ پاسخ رابط خاک–ژئوممبران را در دمای ۴- درجه سلسیوس تحت فشارهای نرمال مختلف ارائه می‌دهد. همان‌طور که در شکل ۶الف نشان داده شده است، منحنی تنش برشی–جابه‌جایی برشی در ۲۵ کیلوپاسکال رفتار سخت‌شوندگی کرنش (strain hardening) را نشان می‌دهد، در حالی که در ۵۰ تا ۱۰۰ کیلوپاسکال، این منحنی نرم‌شوندگی کرنش را به نمایش می‌گذارد و پدیده نرم‌شوندگی با افزایش فشار نرمال تشدید می‌شود. شکل ۶ب رابطه بین جابه‌جایی نرمال و جابه‌جایی برشی را به تصویر می‌کشد که نشان‌دهنده تغییر شکل اتساعی در رابط تحت فشارهای نرمال مختلف است. با افزایش فشار نرمال، جابه‌جایی نرمال در رابط به تدریج کاهش می‌یابد که به اثر بازدارنده فشار نرمال بالاتر بر غلتش و چرخش ذرات نسبت داده می‌شود. در مقایسه با شکل ۵ب، مشاهده می‌شود که مقدار پایداری جابه‌جایی نرمال در رابط در دمای ۴- درجه سلسیوس تا حد زیادی نسبت به دمای ۲- درجه سلسیوس بدون تغییر باقی می‌ماند، که نشان می‌دهد یخ سیمان‌شده بین ۲- و ۴- درجه سلسیوس تأثیر بسیار ناچیزی بر حجم یا فرایند حرکت سنگدانه ذرات خاک–ذرات یخ در رابط دارد. شکل ۶ج تغییرات مقاومت برشی اوج و نسبت مقاومت را در رابط تحت فشارهای نرمال مختلف نمایش می‌دهد. زاویه اصطکاک رابط برابر با ۴۳.۸ درجه به دست آمده که ۱۰۱٪ زاویه اصطکاک خاک است و شباهت زیادی به شرایط در دمای ۲- درجه سلسیوس دارد. نسبت مقاومت رابط بین ۰.۸۲ و ۱.۰۹ نوسان می‌کند، که نشان می‌دهد هرچند مقاومت برشی رابط تحت تأثیر یخ سیمان‌شده افزایش می‌یابد و منجر به مقاومت بالاتری در مقایسه با حالت نسبتاً ذوب‌شده می‌شود، اما تغییر آن در مقایسه با شرایط در دمای ۲- درجه سلسیوس ناچیز است.

شکل ۷ پاسخ رابط خاک–ژئوممبران را تحت فشارهای نرمال مختلف در دمای ۶- درجه سلسیوس نشان می‌دهد. همان‌گونه که در شکل ۷الف مشاهده می‌شود، منحنی تنش برشی–جابه‌جایی برشی نرم‌شوندگی ضعیفی را در ۲۵ و ۵۰ کیلوپاسکال و نرم‌شوندگی شدیدی را در ۷۵ و ۱۰۰ کیلوپاسکال نشان می‌دهد. به ویژه در ۷۵ و ۱۰۰ کیلوپاسکال، تنش برشی پس از رسیدن به شدت اوج به سرعت افت می‌کند و سپس افزایش تدریجی را تا مرحله پسماند (residual stage) تجربه می‌نماید. این پدیده به کاهش بیشتر دما نسبت داده می‌شود که منجر به افزایش میزان یخ سیمان‌شده در رابط می‌گردد. افزایش یخ سیمان‌شده مقاومت برشی رابط را تقویت کرده و با رسیدن تنش به مقاومت اوج، شکست ترد بارزتر می‌شود [5,24]. شکل ۷ب رابطه بین جابه‌جایی نرمال و جابه‌جایی برشی را نشان می‌دهد که گویای تغییر شکل اتساعی در رابط تحت فشارهای نرمال مختلف با کاهش تدریجی جابه‌جایی نرمال همگام با افزایش فشار نرمال است.

با این حال، در مقایسه با جابه‌جایی نرمال در دمای ۲ درجه سلسیوس (شکل ۵ب) تا ۴- درجه سلسیوس (شکل ۶ب)، مشهود است که جابه‌جایی نرمال در دمای ۶- درجه سلسیوس کاهش چشمگیری می‌یابد. با کاهش دما، مقدار یخ سیمان‌شده در خاک افزایش یافته و مقاومت و یکپارچگی خاک را بهبود می‌بخشد. شمار زیادی از سنگدانه‌های ذرات خاک–ذرات یخ در مهندسی ژئوتکنیک (geoengineering) حرکتی از خود نشان نمی‌دهند؛ در عوض، چرخش و غلتش سنگدانه‌ها یا ذرات خاکِ نسبتاً کوچک‌تر و لغزش کل توده خاک مشاهده می‌شود [38]. شکل ۷ج قانون تغییرات مقاومت برشی اوج رابط و نسبت مقاومت را تحت فشارهای نرمال مختلف ارائه می‌دهد. زاویه اصطکاک رابط برابر با ۴۴.۹ درجه به دست آمده که ۱۰۳٪ زاویه اصطکاک خاک و مشابه با مقادیر در دماهای ۲- و ۴- درجه سلسیوس است. نسبت مقاومت رابط بین ۰.۹۱ و ۱.۱۸ قرار دارد که نشان می‌دهد اگرچه مقاومت برشی رابط تحت تأثیر یخ سیمان‌شده افزایش یافته و در مقایسه با حالت نسبتاً ذوب‌شده مقاومت بالاتری حاصل می‌شود، اما تغییرات آن در مقایسه با شرایط در دماهای ۲- و ۴- درجه سلسیوس اندک است.

شکل 5. پاسخ برشی فصل‌مشترک در دمای −2 °C. (الف) منحنی‌های تنش برشی–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ب) منحنی‌های تغییرمکان نرمال–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ج) تنش برشی اوج و نسبت مقاومت تحت تنش‌های نرمال متغیر.

شکل 6 پاسخ فصل‌مشترک خاک–ژئوممبران (soil–geomembrane interface) را در دمای −4 °C تحت فشارهای نرمال (normal pressures) مختلف نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل 6 (الف) مشخص است، منحنی تنش برشی–تغییرمکان برشی (shear stress–shear displacement curve) در فشار 25 kPa رفتار کرنش‌سختی (strain hardening) را نشان می‌دهد، در حالی که در فشارهای 50 kPa تا 100 kPa، منحنی بیانگر کرنش‌نرمی (strain softening) است و این پدیده نرم‌شدگی با افزایش فشار نرمال تشدید می‌شود. شکل 6 (ب) رابطه بین تغییرمکان نرمال (normal displacement) و تغییرمکان برشی (shear displacement) را به تصویر می‌کشد که نشان‌دهنده تغییرشکل اتساعی (dilatant deformation) در فصل‌مشترک تحت فشارهای نرمال مختلف است. با افزایش فشار نرمال، تغییرمکان نرمال در فصل‌مشترک به تدریج کاهش می‌یابد که به اثر بازدارنده فشار نرمال بالاتر بر غلتش و چرخش ذرات (particle rolling and tumbling) نسبت داده می‌شود. در مقایسه با شکل 5 (ب)، مشاهده می‌شود که مقدار پایداری تغییرمکان نرمال در فصل‌مشترک در دمای −4 °C نسبت به دمای −2 °C تا حد زیادی بدون تغییر باقی می‌ماند؛ این امر نشان می‌دهد که یخ سیمانی‌شده (cemented ice) بین دمای −2 °C و −4 °C کمترین تأثیر را بر حجم یا فرایند حرکت توده ذرات خاک–ذرات یخ (soil particle–ice particle aggregate) در فصل‌مشترک بر جای می‌گذارد. شکل 6 (ج) تغییرات مقاومت برشی اوج (peak shear strength) و نسبت مقاومت (strength ratio) را در فصل‌مشترک تحت فشارهای نرمال مختلف نشان می‌دهد. زاویه اصطکاک فصل‌مشترک (interface friction angle) برابر با 43.8° تعیین شده است که 101% زاویه اصطکاک خاک بوده و مشابه شرایط در دمای −2 °C است. نسبت مقاومت فصل‌مشترک بین 0.82 و 1.09 نوسان می‌کند، که بیانگر آن است اگرچه مقاومت برشی فصل‌مشترک تحت تأثیر یخ سیمانی‌شده افزایش یافته و در مقایسه با حالت نسبتاً ذوب‌شده مقاومت بالاتری حاصل می‌شود، اما این تغییر در مقایسه با شرایط در دمای −2 °C ناچیز است.

شکل 6. پاسخ برشی فصل‌مشترک در دمای −4 °C. (الف) منحنی‌های تنش برشی–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ب) منحنی‌های تغییرمکان نرمال–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ج) تنش برشی اوج و نسبت مقاومت تحت تنش‌های نرمال متغیر.

شکل 7. پاسخ برشی فصل‌مشترک در دمای −6 °C. (الف) منحنی‌های تنش برشی–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ب) منحنی‌های تغییرمکان نرمال–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ج) تنش برشی اوج و نسبت مقاومت تحت تنش‌های نرمال متغیر.

شکل 8 پاسخ فصل‌مشترک خاک–ژئوممبران را در دمای −10 °C تحت فشارهای نرمال مختلف به تصویر می‌کشد. همان‌طور که از شکل 8 (الف) مشخص است، مقاومت برشی اوج در فصل‌مشترک افزایش چشمگیری را تجربه می‌کند، به‌گونه‌ای که مقاومت برشی اوج در فشار 100 kPa به میزان 49% بیشتر از مقدار مشاهده‌شده در دمای −6 °C است. این بهبود به افزایش قابل‌توجه مقدار یخ در داخل خاک و افزایش متناظر سهم یخ سیمانی‌شده در مقاومت برشی فصل‌مشترک نسبت داده می‌شود. شایان ذکر است که در فشارهای 75 kPa و 100 kPa، یک رفتار شکست ترد (brittle fracture behavior) آشکار دیده می‌شود. شکل 8 (ب) رابطه بین تغییرمکان نرمال و تغییرمکان برشی را نشان می‌دهد که بیانگر تغییرشکل اتساعی در فصل‌مشترک تحت فشارهای نرمال مختلف است، به‌طوری که با افزایش فشار نرمال، تغییرمکان نرمال به تدریج کاهش می‌یابد. با مقایسه تغییرمکان نرمال در دمای −6 °C (شکل 7 (ب))، مشاهده می‌شود که تغییرمکان نرمال در دمای −10 °C باز هم کاهش یافته است. از آنجا که در دمای −10 °C بخش عمده آب موجود در خاک به یخ منجمد شده است، یکپارچگی توده خاک بیش از پیش تقویت می‌گردد. برهم‌کنش بین توده خاک و ژئوممبران در طول برش فصل‌مشترک عمدتاً به صورت لغزش کل توده خاک است که منجر به حداقل تغییرمکان نرمال در طول فرایند برش می‌شود [37]. شکل 8 (ج) الگوی تغییرات مقاومت برشی اوج فصل‌مشترک و نسبت مقاومت را تحت فشارهای نرمال مختلف ارائه می‌دهد. زاویه اصطکاک فصل‌مشترک برابر با 55.0° به دست آمده که 127% زاویه اصطکاک خاک است و افزایش بیشتری را نسبت به دمای −6 °C نشان می‌دهد. نسبت مقاومت فصل‌مشترک در محدوده بین 1.29 و 1.76 قرار دارد که حاکی از افزایش بیشتر مقاومت برشی فصل‌مشترک تحت تأثیر یخ سیمانی‌شده است.

شکل 8. پاسخ برشی فصل‌مشترک در دمای −10 °C. (الف) منحنی‌های تنش برشی–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ب) منحنی‌های تغییرمکان نرمال–تغییرمکان برشی تحت تنش‌های نرمال متغیر. (ج) تنش برشی اوج و نسبت مقاومت تحت تنش‌های نرمال متغیر.

شکل 9 تغییرات وابسته به دما (temperature-dependent variation) زاویه اصطکاک فصل‌مشترک و نسبت مقاومت میانگین (average strength ratio) را ترسیم می‌کند. شکل 9 (الف) نشان می‌دهد که در دمای 20 °C، زاویه اصطکاک فصل‌مشترک به‌طور قابل‌توجهی کمتر از زاویه اصطکاک خود خاک است، که بر نقش تعیین‌کننده فصل‌مشترک خاک–ژئوممبران در ملاحظات طراحی سازه‌ای تأکید دارد. با کاهش دما، زاویه اصطکاک فصل‌مشترک افزایش چشمگیری نشان می‌دهد که ناشی از تقویت...

... سهم یخ سیمانی‌شده (cemented ice) در هر دوی مقاومت خاک و مقاومت پیوند خاک–ژئوممبران (soil–geomembrane bond) است [19,20]. در طول انجماد، با کاهش دما، مقدار یخ موجود در خاک به‌تدریج افزایش می‌یابد. مقاومت چسبندگی (adhesion strength) بین خاک و سازه نیز با افزایش مقدار یخ در فصل مشترک (interface) افزایش خواهد یافت [38]. در محدوده دمایی بین −2 °C تا −6 °C، زاویه اصطکاک میان‌سطحی (interface friction angle) از زاویه اصطکاک ذاتی خاک فراتر می‌رود و در دمای −10 °C، این زاویه به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. شکل 9b نشان می‌دهد که میانگین نسبت مقاومت (strength ratio) در دمای 20 °C در سطح نگران‌کننده و پایین 0.58 قرار دارد که ریسک قابل توجهی را برای سازه‌های دربردارنده ژئوممبران (geomembrane) به همراه دارد. حتی با در نظر گرفتن ضریب اطمینان طراحی (design safety factor) برابر با ۲، این نسبت به‌طور هشداردهنده‌ای به آستانه مقاومت نهایی (ultimate strength) نزدیک است. با کاهش دما، نسبت مقاومت به‌تدریج افزایش یافته و در بازه بین −2 °C و −6 °C به ۱ نزدیک می‌شود که بیانگر آن است که مقاومت میان‌سطحی در این دماها تقریباً معادل با مقاومت خاک است. با این حال، این امر به معنای افزایش ایمنی سازه نیست؛ زیرا پتانسیل تورم ناشی از یخبندان (frost heave) در خاک تحت دماهای منفی، همچنان خطری برای ناپایداری میان‌سطحی به شمار می‌رود [39–41]. در دمای −10 °C، میانگین نسبت مقاومت به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد و بدین ترتیب، پایداری سازه‌ای را در مقایسه با دماهای بالاتر تقویت می‌کند.

شکل 9. تغییرات پارامترهای مقاومت برشی میان‌سطحی در دماهای مختلف. (a) زاویه اصطکاک میان‌سطحی بر حسب دما. (b) نسبت مقاومت بر حسب دما.

4. نتیجه‌گیری

این پژوهش به بررسی رفتار برشی (shear behavior) فصل مشترک خاک–ژئوممبران تحت شرایط دمایی متغیر و فشارهای قائم گوناگون با استفاده از دستگاه برش مستقیم کنترل‌شونده با دما (temperature-controlled direct shear instrument) می‌پردازد. تحلیل منحنی‌های تنش برشی–جابه‌جایی برشی، منحنی‌های جابه‌جایی برشی–جابه‌جایی قائم، زوایای اصطکاک میان‌سطحی و نسبت‌های مقاومت تحت شرایط مختلف آزمایشگاهی به نتایج زیر منتهی می‌شود:

1. منحنی تنش برشی–جابه‌جایی برشی فصل مشترک خاک–ژئوممبران در دماهای مثبت، ویژگی‌های سخت‌شوندگی کرنشی (strain hardening) را نشان می‌دهد. در مقابل، در دماهای منفی، این منحنی نمایانگر نرم‌شوندگی (softening) ضعیف در فشارهای قائم پایین و نرم‌شوندگی شدید در تنش‌های قائم بالا است.
2. تحت شرایط دمایی و تنش‌های قائم گوناگون، منحنی‌های جابه‌جایی برشی–جابه‌جایی قائم فصل مشترک، رفتار اتساعی (dilatant behavior) را آشکار می‌سازند. در دماهای مثبت، جابه‌جایی قائم به دلیل غلتش و لغزش ذرات نسبتاً کوچک خاک بر روی سطح ژئوممبران ناچیز است. با این حال، با کاهش دما، سیمان‌بستگی یخ منجر به افزایش حجم تجمعی ذرات خاک و ذرات یخ سیمانی‌شده گشته و در نتیجه جابه‌جایی قائم افزایش می‌یابد. با کاهش بیشتر دما، پس از انجماد بخش عمده‌ای از آب، مقاومت کلی خاک به‌طور چشمگیری تقویت می‌شود و ذرات بی‌شمار خاک سیمانی‌شده با یخ به‌صورت یک کلِ یکپارچه منجمد می‌گردند و توانایی غلتیدن بر روی سطح ژئوممبران را از دست می‌دهند؛ از این‌رو جابه‌جایی قائم متناظر کاهش می‌یابد.
3. زاویه اصطکاک میان‌سطحی در دماهای منفی به‌طور محسوسی بیشتر از دماهای مثبت است. این زاویه در ابتدا افزایش می‌یابد، سپس تثبیت می‌شود و متعاقباً با کاهش بیشتر دما دوباره افزایش پیدا می‌کند. میانگین نسبت مقاومت فصل مشترک در دمای 20 °C در سطح نگران‌کننده و پایین 0.58 قرار دارد که ریسک قابل توجهی را برای سازه‌های مرکب مرتبط با ژئوممبران ایجاد می‌کند. حتی با در نظر گرفتن ضریب ایمنی سازه‌ای ۲، این نسبت به‌طور هشداردهنده‌ای به آستانه مقاومت نهایی نزدیک است. این نسبت در بازه بین −2 °C تا −6 °C به ۱ نزدیک می‌شود و در دمای −10 °C افزایش قابل توجهی می‌یابد. با توجه به درجات مختلف پدیده تورم ناشی از یخبندان در خاک پس از افت دما به مقادیر منفی، فصل مشترک همچنان مستعد لغزش باقی می‌ماند.

در این مقاله، مشخصات برشی فصل مشترک بین ماسه و ژئوممبران تحت شرایط دمایی گوناگون صرفاً از طریق آزمایش برش مستقیم بررسی شده است. در پروژه‌های مهندسی نظیر کانال‌ها و لندفیل‌ها (landfills)، هنگامی که سیستم وارد حالت یخ‌زده می‌شود، مقاومت برشی میان‌سطحی افزایش می‌یابد و سیستم به‌طور همزمان با پدیده تورم ناشی از یخبندان مواجه خواهد شد، اما آزمایش برش مستقیم قادر به سنجش فرآیند تورم ناشی از یخبندان نیست که این امر نیازمند بررسی در پژوهش‌های آتی از طریق آزمایش مدل فیزیکی (physical model experiment) خواهد بود.