بررسی آزمایشگاهی اثرات میزان رطوبت بر رفتار برشی فصل مشترک زهکش ژئوکامپوزیت و ژئوممبران

منبع: Juan Hou, Ying Zhang, Xuelei Xie. «Experimental Investigation of the Effects of Moisture Levels on Geocomposite Drainage–Geomembrane Interface Shear Behavior». Sustainability (MDPI)، ۲۰۲۵. doi.org/10.3390/su17177850

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).

چکیده

پوشش‌های مهندسی مدفن پسماند (engineered landfill covers) برای پایداری زیست‌محیطی نقشی حیاتی دارند. این پژوهش به بررسی رفتار برشی فصل مشترک بین ژئوکامپوزیت زهکش (geocomposite drainage: GCD) و ژئوممبران (geomembrane: GM)—شامل انواع صاف (smooth: GMS)، مضرس پاششی (impinged texture: GMTI) و مضرس قالبی (embossed texture: GMTE)—تحت تنش‌های نرمال (normal stress) ۱۰، ۳۰ و ۵۰ کیلوپاسکال و سطوح رطوبت (moisture levels) ۰٪، ۵۰٪ و ۱۰۰٪ با استفاده از آزمایش‌های برش مستقیم در مقیاس بزرگ (large-scale direct shear tests) می‌پردازد. تمامی فصل مشترک‌ها رفتار کرنش‌نرم‌شوندگی (strain-softening behavior) از خود نشان دادند. در تنش ۵۰ کیلوپاسکال و رطوبت ۰٪، فصل مشترک GCD–GMTI بیشترین مقاومت اوج (peak strength) را به میزان ۲۸ کیلوپاسکال داشت، در حالی که فصل مشترک GCD–GMS کمترین مقدار (۱۰ کیلوپاسکال) را در رطوبت ۱۰۰٪ به ثبت رساند. رطوبت و تنش نرمال اثر جفت‌شدگی (coupling effect) نشان دادند که موجب کاهش مقاومت و زاویه اصطکاک (friction angle) شد. در سطح رطوبت ۰٪، مقاومت فصل مشترک‌های GCD–GMS و GCD–GMTI تحت تنش نرمال ۵۰ کیلوپاسکال به‌ترتیب ۵۰۰٪ و ۲۵۰٪ مقاومت آن‌ها در تنش ۱۰ کیلوپاسکال بود؛ در حالی که در سطح رطوبت ۱۰۰٪، این نسبت‌ها به‌ترتیب به ۳۱۰٪ و ۲۳۰٪ کاهش یافت. برای GCD–GMTE، این نسبت اندکی از ۳٫۰ به ۳٫۲ افزایش یافت که نشان‌دهنده عملکرد بهتر در شرایط مرطوب است. بافت سطحی تأثیر چشمگیری بر مقاومت گذاشت: با افزایش رطوبت از ۰٪ به ۱۰۰٪، مقاومت اوج در تنش ۵۰ کیلوپاسکال به میزان ۴۱٪ (برای GCD–GMS)، ۱۶٪ (برای GCD–GMTI) و ۲۶٪ (برای GCD–GMTE) کاهش یافت. نسبت مقاومت تغییر مکان بزرگ (large displacement: LD) به مقاومت اوج به‌ترتیب ۰٫۸ تا ۰٫۹ (برای GCD–GMS)، ۰٫۷ تا ۰٫۸ (برای GCD–GMTI) و تا ۱٫۰ (برای GCD–GMTE) بود. زوایای اصطکاک به‌ترتیب از ۱۸ درجه به ۹ درجه برای GCD–GMS، از ۲۳ درجه به ۱۸ درجه برای GCD–GMTI و از ۱۸ درجه به ۱۴ درجه برای GCD–GMTE کاهش یافتند. تغییر شکل عمودی (vertical deformation) کمتر از ۰٫۶ میلی‌متر بود. سازوکارهای برشی (shear mechanisms) به بافت سطحی و رطوبت وابسته بودند. بررسی‌های میکروسکوپی و اسکن‌های سه‌بعدی (3D scans) نشان دادند که رطوبت موجب هموار شدن GMTI شده و در نتیجه درگیرشدگی مکانیکی (interlocking) و مقاومت را کاهش می‌دهد.

واژگان کلیدی: سامانه‌های پوشش لندفیل (landfill cover systems)؛ ژئوممبران؛ ژئوکامپوزیت زهکش؛ مقاومت برشی فصل مشترک (interfacial shear strength)؛ سازوکار برشی.

1. مقدمه

مدیریت پایدار پسماندهای جامد چالشی حیاتی در سطح جهان به شمار می‌رود و سامانه‌های پوشش مهندسی مدفن پسماند نقش اساسی در ارتقای پایداری زیست‌محیطی ایفا می‌کنند. این سامانه‌ها به منظور به حداقل رساندن نفوذ آب، کنترل انتشار گازهای لندفیل و بهبود پایداری ساختاری بلندمدت مهار پسماند طراحی شده‌اند [1–5]. پوشش‌های لندفیل با جلوگیری از رهایش شیرابه‌ها (leachates) و گازها به محیط پیرامون، مستقیماً در حفاظت از آب‌های زیرزمینی، کیفیت هوا و سلامت بوم‌سازگان نقش دارند [6,7].

پوشش‌های نوین لندفیل معمولاً دارای ساختاری چندلایه متشکل از مواد ژئوسنتتیک (geosynthetics) هستند که به‌صورت هم‌افزا برای تحقق عملکردهای زیست‌محیطی و مهندسی عمل می‌کنند. در این میان، ژئوکامپوزیت‌های زهکش (GCDs) مسیر زهکشی حیاتی را برای تخلیه فشار آب منفذی (pore water pressure) و جلوگیری از تجمع سیال فراهم می‌سازند [8–11]. ژئوممبران‌های (GMs) پلی‌اتیلن سنگین (high-density polyethylene: HDPE) به عنوان مانع هیدرولیکی (hydraulic barrier) اصلی عمل کرده و پسماند را به‌طور موثری از محیط اطراف جدا می‌کنند [12]. برهم‌کنش میان GCDها و GMها نقشی تعیین‌کننده در عملکرد مکانیکی و قابلیت اطمینان بلندمدت سامانه پوشش لندفیل ایفا می‌کند [13]. بنابراین، تضمین یکپارچگی مکانیکی و پایداری فصل مشترک GCD–GM برای دستیابی به بهره‌برداری بادوام و پایدار از لندفیل ضروری است [13–16].

یک GCD معمولاً از یک هسته زهکش (drainage core) تشکیل شده است که بین دو لایه ژئوتکستایل (geotextile) قرار دارد. اگرچه تحقیقات گسترده‌ای بر رفتار فصل مشترک ژئوممبران–ژئوتکستایل (GM-GT) متمرکز بوده‌اند [17–21]، اما مطالعات کمتری به فصل مشترک پیچیده‌تر GCD–GM پرداخته‌اند؛ جایی که هسته صلب زهکش می‌تواند برهم‌کنش‌های مکانیکی مضاعفی ایجاد کند. پژوهش‌های اولیه نشان دادند که ژئونت‌ها (geonets) می‌توانند در ژئوممبران‌های مضرس فروروند و تأثیر بسزایی بر پاسخ فصل مشترک بگذارند [22]. تحت تنش نرمال بالا، سایش مکانیکی هسته زهکش بر سطح ژئوممبران مضرس منجر به افت چشمگیر مقاومت شد و زاویه اصطکاک اوج را از 17.4° به 8.6° کاهش داد [23]. فصل مشترک خشک GCD–GMT رفتار کرنش‌نرم‌شوندگی معمول را نشان می‌دهد که در آن تغییر مکان برشی باعث ورقه‌ورقه‌شدن بافت (texture delamination) و آسیب سطحی ناشی از غلتش شده و در نتیجه مقاومت برشی را به سمت یک مقاومت پسماند در تغییر مکان بزرگ کاهش می‌دهد [24].

یکی از عوامل کلیدی تأثیرگذار بر رفتار فصل مشترک و به‌تبع آن پایداری بلندمدت، سطح رطوبت GCD است. رطوبت می‌تواند باعث نرم‌شدن ژئوتکستایل‌ها، کاهش مقاومت اصطکاکی و روان‌کاری فصل مشترک شود و در نهایت پایداری سامانه پوشش را به خطر اندازد [25–28]. مقاومت برشی اوج در فصل مشترک GCD–GMS در شرایط مرطوب 26% کاهش یافت که حساسیت عملکرد فصل مشترک به سطح رطوبت را نمایان می‌سازد [29]. در کاربردهای واقعی، پوشش‌های لندفیل در معرض نوسانات رطوبتی ناشی از بارندگی، میعان یا حرکت شیرابه قرار دارند؛ این امر بر اهمیت طراحی سامانه‌هایی که بتوانند یکپارچگی خود را در شرایط متغیر محیطی حفظ کنند تأکید دارد. با این حال، علی‌رغم اهمیت این موضوع برای دوام و پایداری سامانه، پژوهش‌های محدودی به‌طور نظام‌مند به بررسی اثرات سطح رطوبت GCD و روش ایجاد بافت ژئوممبران بر رفتار برشی فصل مشترک‌های GCD–GM پرداخته‌اند.

این پژوهش به بررسی رفتار برشی فصل مشترک‌های GCD–GM در سطوح رطوبتی کنترل‌شده و معمول با استفاده از آزمایش برش مستقیم در مقیاس بزرگ می‌پردازد. نمونه‌های GCD برای نمایش سطوح رطوبتی خشک (0%)، متوسط (50%) و بالا (100%) آماده‌سازی شدند. سه نوع ژئوممبران پلی‌اتیلن سنگین—شامل صاف (GMS)، مضرس پاششی (GMTI) و مضرس قالبی (GMTE)—برای ارزیابی تأثیر بافت سطحی انتخاب شدند. سه تنش نرمال (σ_n = 10, 30, and 50 kPa) بر اساس مقادیر متداول گزارش‌شده در مقالات برای بازتاب شرایط تنش معمول در فصل مشترک‌های ژئوسنتتیک درون سامانه‌های لاینر پوششی لندفیل انتخاب گردیدند [16,19,30]. نتایج حاصل، دیدگاه‌هایی در مورد چگونگی تأثیر سطح رطوبت GCD و بافت سطحی GM بر مقاومت برشی فصل مشترک، تغییر مکان عمودی و سازوکارهای شکست فراهم می‌کند که پیامدهایی کاربردی برای طراحی سامانه‌های پوشش لندفیل مقاوم‌تر، بادوام‌تر و پایدارتر در بر دارد.

2. مواد و روش‌ها

2.1. مواد

ژئوکامپوزیت زهکش (GCD) از یک هسته زهکش داخلی سه‌بعدی تشکیل شده است که بین لایه‌های بالایی و پایینی ژئوتکستایل‌های بافته‌نشده (nonwoven geotextiles) از جنس پلی‌استر، همراه با ویژگی‌های خاصی نظیر اتصال پیوندی، قرار گرفته است. هر لایه ژئوتکستایل دارای جرم بر واحد سطح 200 g/m² است (همان‌گونه که در شکل 1a نشان داده شده است). این GCD بر اساس استاندارد ASTM D5199 [31] دارای ضخامت خشک 8 mm، مطابق با ASTM D6496 [32] دارای مقاومت جدایش (peel strength) معادل 170 N/m، و طبق استاندارد ASTM D4595 [33] دارای مقاومت کششی طولی 16 kN/m است. سه نوع ژئوممبران پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) به کار گرفته شدند: ژئوممبران صاف (GMS، شکل 1b)، ژئوممبران بافت‌دار پاششی (GMTI، شکل 1c)، و ژئوممبران بافت‌دار قالبی (GMTE، شکل 1d). ژئوممبران GMTI (شکل 1c) از طریق پاشش پلیمر مذاب بر روی یک سطح صاف تولید می‌شود و بافتی بسیار نامنظم با ناهمواری‌های (asperities) متغیر ایجاد می‌کند که ممکن است مستعد ورقه‌ورقه‌شدن باشند. در مقابل، GMTE (شکل 1d) با پرس کردن یک قالب طرح‌دار بر روی سطح تشکیل می‌شود که منجر به ایجاد ناهمواری‌های یکنواخت با فواصل منظم می‌گردد [34]. ضخامت‌های اسمی GMS، GMTI و GMTE به‌ترتیب 2 mm، 2 mm و 1.5 mm است، در حالی که ارتفاع بافت این ژئوممبران‌ها به‌ترتیب 0 mm، 0.25 mm و 0.5 mm می‌باشد. مقاومت کششی در نقطه تسلیم (tensile strength at yield بر حسب N/mm) تنشی است که در آن ماده شروع به تغییر شکل مومسان (پلاستیک) می‌کند. این مشخصه به‌صورت نیرو بر واحد عرض اندازه‌گیری شده و بر اساس استاندارد ASTM D6693 [35] تعیین می‌شود. ازدیاد طول کششی در تسلیم یا شکست (tensile elongation at yield or break بر حسب ٪) بیانگر شکل‌پذیری ماده است و طبق استاندارد ASTM D6693 [35] به‌صورت درصد افزایش طول در نقطه تسلیم یا شکست محاسبه می‌شود. ارتفاع ناهمواری (asperity height بر حسب mm) به میانگین زبری سطح اشاره دارد که با استفاده از پروفیل‌سنجی (profilometry) یا میکروسکوپی و بر اساس استاندارد ASTM D5994 [36] اندازه‌گیری شده است. این خواص فیزیکی ژئوممبران‌ها در جدول 1 خلاصه شده‌اند.

جدول 1 در مقالهی اصلی آمده است.

شکل ۱. تصاویر سطح ژئوکامپوزیت‌های زهکش (geocomposite drainages - GCDs) و ژئوممبران‌های (geomembranes - GMs) مورداستفاده در آزمون‌های برش بزرگ‌مقیاس (large-scale shear tests): (a) ژئوکامپوزیت زهکش (GCD)، (b) ژئوممبران صاف (smooth geomembrane - GMS)، (c) ژئوممبران بافت‌دار پاششی (impinged textured geomembrane - GMTI) و (d) ژئوممبران بافت‌دار برجسته (embossed textured geomembrane - GMTE).

جدول ۱ در مقالهی اصلی آمده است.

2.2. تجهیزات آزمون

آزمون‌های برش سطح مشترک (interface shear tests) با استفاده از یک دستگاه برش مستقیم بزرگ‌مقیاس (large-scale direct shear apparatus) مدل HM-5780 انجام شدند، همان‌طور که در شکل 2a نشان داده شده است. ابعاد جعبه برش (shear box) بالایی ۳۰۵ میلی‌متر × ۳۰۵ میلی‌متر × ۱۰۲ میلی‌متر بود، در حالی که ابعاد جعبه برش پایینی ۴۰۵ میلی‌متر × ۳۰۵ میلی‌متر × ۱۰۰ میلی‌متر بود. نیروی نرمال (normal force) با استفاده از یک سر بارگذاری (loading head) نصب‌شده بر روی یک صفحه فولادی به ضخامت ۳۰ میلی‌متر و ابعاد ۳۰۵ میلی‌متر × ۳۰۵ میلی‌متر اعمال گردید. نمونه‌ها با استفاده از صفحات فولادی دندانه‌دار تیز که به‌صورت مکانیکی با سطوح GCD و GM درگیر می‌شوند (قفل‌وبست مکانیکی - mechanical interlock) مهار شدند که نیاز به استفاده از چسب را از بین برده و مانع از لغزش می‌شد. همان‌طور که در شکل 2b نشان داده شده است، GCD به گیره بالایی و GM به گیره پایینی متصل شدند. در طول آزمون برش مستقیم، نیروی برشی و نیروی نرمال با استفاده از لودسل‌های (load cells) کالیبره‌شده اندازه‌گیری شدند، در حالی که تغییر مکان‌های نرمال و قائم در سطح مشترک GCD–GM با استفاده از ترانسدیوسرهای تغییر مکان متغیر خطی (linear variable displacement transducers - LVDTs) پایش گردیدند. تمامی داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط لودسل‌ها و LVDTها به‌صورت بلادرنگ به‌وسیله یک رایانه شخصی مجهز به کارت داده‌برداری (data acquisition card) ثبت شدند.

شکل ۲. دستگاه برش مستقیم بزرگ‌مقیاس مورداستفاده در برنامه آزمون: (a) تصویر و (b) نمودار شماتیک سطح مشترک GCD–GM.

2.3. روش آزمون

آزمون‌های برش سطح مشترک بر اساس استاندارد ASTM D5321-02 [37] انجام شدند. برش با نرخ جابجایی ثابت ۲ میلی‌متر بر دقیقه [23,38] اعمال شد، به‌گونه‌ای که محرک‌های افقی جعبه برش پایینی را به حرکت درمی‌آوردند، در حالی که جعبه بالایی ثابت نگه داشته شده بود. نمونه‌های GCD با ابعاد ۳۰۵ میلی‌متر × ۳۰۵ میلی‌متر و نمونه‌های GM با ابعاد ۳۰۵ میلی‌متر × ۴۰۵ میلی‌متر از طریق برش متریال‌ها از رول‌ها با استفاده از یک تیغ تیز آماده‌سازی شدند. ابعاد نمونه‌های GM به‌عمد بزرگ‌تر از نمونه‌های GCD در نظر گرفته شد تا سطح تماس برشی ثابتی در سراسر مدت آزمون حفظ شود. در مرحله آماده‌سازی آزمون، همان‌طور که در شکل 2b نشان داده شده است، نمونه‌های GCD به صفحه مهارکننده بالایی محکم شدند، در حالی که نمونه‌های GM به صفحه مهارکننده پایینی متصل گردیدند.

در مجموع ۲۷ آزمون برش مستقیم انجام شد که شامل سطوح رطوبتی خشک (۰٪)، متوسط (۵۰٪) و بالای (۱۰۰٪) ژئوکامپوزیت و سه تنش نرمال (σ_n = 10, 30, and 50 kPa) بود، همان‌طور که در جدول ۲ خلاصه شده است. برای کنترل سطوح رطوبت، سطح رطوبت ۱۰۰٪ از طریق غوطه‌ور کردن کامل GCD و GM در آب دیونیزه (deionized water) در داخل جعبه برش به دست آمد تا از اشباع (saturation) کامل و بدون ایجاد حباب‌های هوا اطمینان حاصل شود. برای سطح رطوبت متوسط (۵۰٪)، آب دیونیزه با دقت توسط یک افشانه کوچک بر روی GCD خشک اسپری شد تا جرم آب به نصف جرم خشک آن برسد. ژئوکامپوزیت ۵۰٪ اشباع‌شده با یک فاصله روی ژئوممبران قرار داده شد تا از اشباع بیش از حد ممانعت به عمل آید. هر آزمون تا زمانی ادامه یافت که جابجایی افقی به ۶۰ میلی‌متر رسید [39–41]. پس از هر آزمون، مستندسازی تصویری از سطح مشترک انجام گرفت تا سازوکار شکست (failure mechanism) با دقت بیشتری ارزیابی شود.

جدول ۲ در مقالهی اصلی آمده است.

3. نتایج

3.1. روابط تنش برشی–تغییر مکان

شکل ۳ پاسخ‌های تنش برشی–تغییر مکان سطوح مشترک GCD–GM را در سطوح مختلف رطوبت شامل خشک (۰٪)، متوسط (۵۰٪) و بالا (۱۰۰٪) و تنش‌های نرمال ۱۰، ۳۰ و ۵۰ کیلوپاسکال نشان می‌دهد. تمامی سطوح مشترک GCD–GM یک رفتار نرم‌شوندگی کرنشی (strain-softening) آشکار را از خود نشان دادند که با یک نقطه اوج متمایز در تنش برشی و به دنبال آن افت تدریجی با ادامه تغییر مکان مشخص می‌شود (شکل 3a–c). این رفتار نشان‌دهنده افت مقاومت پس از اوج به دلیل دگرگونی در شرایط تماس بین‌سطحی در طول برش است. در میان سطوح مشترک مورد ارزیابی، سطح مشترک GCD–GMS (شکل 3a) به‌طور پیوسته کمترین مقاومت برشی اوج (peak shear strength)، کمترین جابجایی در نقطه اوج (معمولاً کمتر از ۲ میلی‌متر) و تدریجی‌ترین کاهش پس از اوج را ثبت کرد. در مقابل، سطح مشترک GCD–GMTI (شکل 3b) بیشترین مقاومت برشی اوج، بالاترین جابجایی برشی در نقطه مقاومت اوج (تا ۱۱ میلی‌متر) و شدیدترین افت مقاومت برشی را پس از نقطه اوج نشان داد. سطح مشترک GCD–GMTE رفتاری بینابینی چه از نظر مقدار مقاومت و چه از حیث پاسخ جابجایی به نمایش گذاشت (شکل 3c). تحلیل مقایسه‌ای در سطح رطوبت بالا (۱۰۰٪) و تنش نرمال ۵۰ کیلوپاسکال، مزیت‌های GMTI را آشکار ساخت. مقاومت‌های اوج و تغییر مکان‌های بزرگ (large displacement (LD) strengths) در سطح مشترک GCD–GMTI به ترتیب برابر با ۲۴ و ۱۸ کیلوپاسکال است که ۶۰٪ و ۶۴٪ بیشتر از مقادیر متناظر در سطح مشترک GCD–GMTE (۱۵ و ۱۱ کیلوپاسکال) و ۱۴۰٪ و ۱۰۰٪ بالاتر از مقادیر سطح مشترک GCD–GMS (۱۰ و ۹ کیلوپاسکال) می‌باشد. این تفاوت‌ها حاکی از درگیری و قفل‌وبست مکانیکی تقویت‌شده حاصل از بافت‌های پاششی است که حتی در شرایط رطوبت بالا (۱۰۰٪) نیز کارآمد باقی می‌مانند. سطوح رطوبت همچنین اثر تضعیف‌کننده مشهودی بر رفتار برشی سطح مشترک بر جای گذاشتند. با افزایش سطح رطوبت از حالت خشک (۰٪) به رطوبت بالا (۱۰۰٪)، هر دو مقاومت برشی اوج و LD در تمامی انواع سطوح مشترک GCD–GM کاهش یافتند. برای مثال، در تنش نرمال ۵۰ کیلوپاسکال، مقاومت برشی اوج و LD در سطح مشترک GCD–GMS از ۱۶ و ۱۵ کیلوپاسکال (حالت خشک) به ۱۲ و ۱۱ کیلوپاسکال (سطح رطوبت ۵۰٪) و در نهایت به ۱۰ و ۹ کیلوپاسکال (سطح رطوبت ۱۰۰٪) تقلیل یافت. با افزایش سطح رطوبت از خشک (۰٪) به متوسط (۵۰٪)، میزان کاهش مقاومت برشی اوج و LD به ترتیب ۲۵٪ و ۲۷٪، و با افزایش رطوبت از متوسط (۵۰٪) به بالا (۱۰۰٪) به ترتیب ۱۷٪ و ۱۸٪ بود (شکل 3a).

شکل ۳. منحنی‌های تنش برشی–تغییر مکان سطوح مشترک GCD–GMS تحت مقادیر مختلف رطوبت: (a) سطح مشترک GCD–GMS، (b) سطح مشترک GCD–GMTI و (c) سطح مشترک GCD–GMTE.

ژئوممبران‌های بافت‌دار (textured geomembranes) در مقایسه با ژئوممبران‌های صاف، مقاومت بسیار برتری در برابر افت مقاومت ناشی از رطوبت از خود نشان دادند. در تنش نرمال ۵۰ کیلوپاسکال، سطح مشترک GCD–GMTI با افزایش سطح رطوبت، کاهش تدریجی مقاومت برشی اوج و LD را تجربه کرد. به‌طور ویژه، مقاومت‌های برشی اوج و LD از ۲۸ و ۲۰ کیلوپاسکال در سطح رطوبت خشک (۰٪) به ۲۷ و ۱۹ کیلوپاسکال در سطح رطوبت متوسط (۵۰٪)، و سپس به ۲۴ و ۱۸ کیلوپاسکال در سطح رطوبت بالا (۱۰۰٪) افت پیدا کرد. این ارقام به ترتیب نشان‌دهنده کاهش ۴٪ و ۵٪ از سطح رطوبت خشک (۰٪) به متوسط (۵۰٪) و ۱۱٪ و ۵٪ از سطح رطوبت متوسط (۵۰٪) به بالا (۱۰۰٪) می‌باشند (شکل 3b). برای سطح مشترک GCD–GMTE تحت همان تنش نرمال، مقاومت‌های اوج و LD از ۲۰ و ۱۳ کیلوپاسکال (خشک) به ۱۵ و ۱۲ کیلوپاسکال در سطح رطوبت متوسط (۵۰٪) و به ۱۵ و ۱۱ کیلوپاسکال در سطح رطوبت بالا (۱۰۰٪) کاهش یافت (شکل 3c). این نتایج متناظر با افت مقاومت ۲۵٪ و ۸٪ از سطح رطوبت خشک (۰٪) به متوسط (۵۰٪) و ۰٪ و ۸٪ از سطح رطوبت متوسط (۵۰٪) به بالا (۱۰۰٪) است. این یافته‌ها بیانگر آن است که GMTI در مقایسه با GMTE، قفل‌وبست مکانیکی مؤثرتری جهت مقاومت در برابر تضعیف ناشی از رطوبت فراهم می‌سازد. تحلیل مقایسه‌ای این تمایز را بیش از پیش نمایان می‌سازد. در تنش نرمال ۵۰ کیلوپاسکال، میزان کاهش مقاومت برشی اوج و مقاومت برشی LD برای سطح مشترک GCD–GMTI در زمان گذر از سطح رطوبت خشک (۰٪) به متوسط (۵۰٪)، به ترتیب ۴٪ و ۵٪ بود. این مقادیر در مقایسه با سطح مشترک GCD–GMTE (۲۵٪ و ۸٪) تنها معادل ۱۶٪ و ۶۳٪ از افت مقاومت متناظر و در مقایسه با سطح مشترک GCD–GMS (۲۵٪ و ۲۷٪) به ترتیب معادل ۱۶٪ و ۱۹٪ بودند. در گذر از سطح رطوبت متوسط (۵۰٪) به رطوبت بالا (۱۰۰٪)، سطح مشترک GCD–GMTI به ترتیب کاهش ۱۰٪ و ۹٪ را در مقاومت برشی اوج و مقاومت برشی LD نشان داد. این میزان کاهش‌ها به ترتیب معادل ۵۰۰٪ و ۸۲٪ از کاهش‌های متناظر مشاهده‌شده برای سطح مشترک GCD–GMTE (۲٪ و ۱۱٪) و ۸۲٪ و ۳۹٪ از مقادیر ثبت‌شده برای سطح مشترک GCD–GMS (۲۰٪ و ۲۳٪) بود. داده‌های مقایسه‌ای پیرامون افت مقاومت و درصد کاهش سطح مشترک GMTI در جدول ۳ خلاصه شده است. این نتایج عملکرد ممتاز سطح مشترک GCD–GMTI را در مقابله با تخریب و زوال ناشی از رطوبت به اثبات می‌رساند.

جدول ۳ در مقالهی اصلی آمده است.

جدول 2 در مقالهی اصلی آمده است.

افزایش تنش نرمال (normal stress) به‌طور پیوسته مقاومت برشی (shear strength) را در تمامی فصل‌مشترک‌های (interfaces) ژئوکامپوزیت زهکش–ژئوممبران (GCD–GM) بهبود بخشید که با یافته‌های پیشین [22–24,42] همخوانی دارد. با این حال، این افزایش مقاومت با افزایش سطوح رطوبت به‌تدریج تضعیف شد. برای فصل‌مشترک GCD–GMS (ژئوممبران صاف)، مقاومت‌های برشی اوج و جابجایی بزرگ (large displacement - LD) در 50 kPa تحت سطح رطوبت خشک (0%) به‌ترتیب 16 kPa و 15 kPa بود که افزایشی چشمگیر در حدود 2 برابر را در مقایسه با 8 kPa و 7 kPa در 30 kPa، و افزایشی محسوس در حدود 5 برابر را در تمام موارد نسبت به 3 kPa برای هر یک در 10 kPa نشان داد (شکل 3a). تحت سطح رطوبت بالا (100%)، همین فصل‌مشترک افزایش به‌مراتب کمتری را نشان داد. مقاومت‌های برشی اوج و LD در 50 kPa به‌ترتیب 10 kPa و 9 kPa بودند که متناظر با افزایشی متوسط تنها به میزان 140% و 150% نسبت به مقادیر در 30 kPa (یعنی 7 kPa و 6 kPa) و رشدی ملایم‌تر (310%) نسبت به 10 kPa (هر کدام 3 kPa) است. فصل‌مشترک GCD–GMTI (ژئوممبران با بافت ضربه‌ای) روندی مشابه اما ملایم‌تر را دنبال کرد. تحت سطح رطوبت خشک (0%)، مقاومت‌های برشی اوج و LD در 50 kPa به‌ترتیب به 28 kPa و 20 kPa رسید که بیانگر افزایشی متوسط به میزان 140% و 130% در مقایسه با مقادیر در 30 kPa (یعنی 20 kPa و 15 kPa) و افزایشی چشمگیرتر به میزان 230% و 210% نسبت به مقادیر در 10 kPa (یعنی 12 kPa و 10 kPa) است (شکل 3b). در سطح رطوبت بالا (100%)، این مقادیر در 50 kPa به‌ترتیب به 24 kPa و 18 kPa کاهش یافت که با افزایشی متوسط به میزان 130% و 140% در مقایسه با مقادیر در 30 kPa (یعنی 19 kPa و 12 kPa) و افزایش متوسط مشابهی به میزان 230% و 220% نسبت به مقادیر در 10 kPa (یعنی 10 kPa و 8 kPa) مطابقت دارد. برای فصل‌مشترک GCD–GMTE (ژئوممبران با بافت برجسته)، تحت شرایط رطوبت خشک (0%)، مقاومت‌های برشی اوج و LD در 50 kPa به‌ترتیب به 20 kPa و 13 kPa رسید که با افزایشی قابل‌توجه به میزان 170% در مقایسه با مقادیر در 30 kPa (یعنی 12 kPa و 7 kPa) و رشدی چشمگیر به میزان 300% و 280% نسبت به مقادیر در 10 kPa (یعنی 7 kPa و 5 kPa) متناظر بود (شکل 3c). در سطح رطوبت بالا (100%)، مقاومت‌های برشی اوج و LD فصل‌مشترک GCD–GMTE به‌ترتیب به 15 kPa و 11 kPa کاهش یافت. با این حال، نسبت‌های تقویت مقاومت قابل‌مقایسه باقی ماند و با افزایشی قابل‌توجه به میزان 170% و 200% در مقایسه با مقادیر اندازه‌گیری‌شده در 30 kPa (یعنی 9 kPa و 6 kPa) و رشدی چشمگیر به میزان 320% و 380% نسبت به مقادیر ثبت‌شده در 10 kPa (یعنی 5 kPa و 3 kPa) متناظر بود.

این نتایج نشان می‌دهد که اگرچه افزایش تنش نرمال مقاومت فصل‌مشترک را افزایش می‌دهد، اما این اثر تا حدی توسط سطوح بالاتر رطوبت خنثی می‌شود. به‌ویژه، افزایش مقاومت تحت تنش بالا، در سطح رطوبت زیاد (100%) وضوح کمتری دارد که نشان می‌دهد فشار روباره (overburden pressure) به‌تنهایی نمی‌تواند تخریب ناشی از رطوبت را به‌طور کامل جبران کند. بنابراین، در کاربردهای پوشش نهایی لندفیل (landfill cover)—به‌ویژه مواردی که در معرض محیط‌های با رطوبت بالا قرار دارند—حتی تحت تنش محصورکننده (confining stress) قابل‌توجه، خطر چشمگیری از لغزش در فصل‌مشترک وجود دارد. این امر بر اهمیت انتخاب GMTIهایی تأکید می‌کند که بیش از 90% مقاومت برشی حالت خشک خود را در سطح رطوبت 50% حفظ کرده و بیش از 140% مقاومت بالاتری نسبت به GMS در سطح رطوبت 50% از خود نشان می‌دهند، و از این طریق خطر لغزش را در شرایط برجا (field conditions) به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهند.

3.2. رفتار پس از اوج (Post-Peak Behavior)

شکل 4 نسبت‌های مقاومت برشی جابجایی بزرگ (LD) به مقاومت برشی اوج (نسبت‌های LD به اوج) را برای تمام فصل‌مشترک‌های GCD–GM تحت تنش‌های نرمال و سطوح رطوبت متغیر نشان می‌دهد. مقاومت برشی LD به‌عنوان تنش برشی اندازه‌گیری‌شده در جابجایی افقی 60 mm تعریف شد [39–41,43]. این نسبت‌ها بینش بسیار مهمی را در مورد رفتار برشی پس از اوج فراهم کرده و نشان می‌دهند که هر فصل‌مشترک پس از رسیدن به مقاومت برشی اوج، تا چه میزان مقاومت برشی خود را حفظ می‌کند. در میان سه نوع فصل‌مشترک، فصل‌مشترک GCD–GMS یکنواخت‌ترین نسبت‌های مقاومت برشی LD به اوج را نشان داد که در محدوده 0.8 تا 0.9 متغیر بود. این پایداری در تمام شرایط آزمایش نشان می‌دهد که فصل‌مشترک ژئوممبران صاف پس از اوج دچار حداقل افت در مقاومت برشی می‌شود و عملکرد پس از اوج نسبتاً یکنواختی را حفظ می‌کند. در مقابل، فصل‌مشترک GCD–GMTI کمترین نسبت‌های مقاومت LD به اوج را در محدوده 0.7 تا 0.8 نشان داد که بیانگر افت قابل‌توجه مقاومت پس از اوج است. این پدیده به‌ویژه تحت تنش نرمال بالا و سطح رطوبت خشک (0%) مشهود است، جایی که افت شدید مقاومت بلافاصله پس از اوج اولیه رخ می‌دهد. این نتایج بر رفتار کرنش‌نرم‌شوندگی (strain-softening) بارز ناشی از بافت ضربه‌ای خشن تأکید دارد؛ بافتی که در عین افزایش مقاومت اوج، منجر به افت بیشتر مقاومت فراتر از جابجایی اوج نیز می‌شود. فصل‌مشترک GCD–GMTE رفتار متغیرتری از خود نشان داد. به‌ویژه، حداکثر نسبت LD به اوج برابر با 1.0 تحت تنش نرمال 10 kPa و سطح رطوبت متوسط (50%) مشاهده شد که نشان‌دهنده عدم افت مقاومت برشی پس از اوج است. این عملکرد به قفل‌وبست (interlocking) متوسط ارائه‌شده توسط بافت برجسته با ارتفاع کم نسبت داده می‌شود که به نظر می‌رسد در شرایط رطوبت متوسط (50%) و فشار محصورکننده پایین بیشترین اثربخشی را دارد. با این حال، نسبت LD به اوج برای فصل‌مشترک GMTE در سطوح رطوبت بالاتر به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافت و از 1.0 در سطح رطوبت متوسط (50%) به 0.8 در سطح رطوبت بالا (100%) تحت تنش 50 kPa رسید. این روند حاکی از آن است که GMTEها علیرغم سطح بافت‌دار خود، در برابر تضعیف ناشی از رطوبت آسیب‌پذیرتر هستند.

شکل 4. نسبت مقاومت جابجایی بزرگ (LD) به اوج برای درصدهای مختلف رطوبت فصل‌مشترک‌های GCD–GM تحت هر سطح از تنش نرمال.

تأثیر تنش نرمال بر نسبت‌های مقاومت LD به اوج، روندهای متفاوتی را در میان فصل‌مشترک‌ها آشکار کرد. برای فصل‌مشترک GCD–GMS، این نسبت در تمام شرایط تا حد زیادی پایدار باقی ماند و با افزایش تنش نرمال در حدود 0.9 ثابت بود، که بر عدم وابستگی آن به سازوکارهای مبتنی بر بافت تأکید می‌کند. برای فصل‌مشترک GCD–GMTI تحت سطح رطوبت خشک (0%)، این نسبت از 0.8 در 10 kPa به 0.7 در 50 kPa کاهش یافت که نشان می‌دهد افزایش تنش نرمال افت مقاومت پس از اوج را تشدید می‌کند؛ امری که احتمالاً ناشی از نفوذ عمیق‌تر و آسیب متعاقب به هسته زهکش (drainage core) است. در سطح رطوبت بالا (100%)، این نسبت تقریباً روی 0.7 ثابت بود. فصل‌مشترک GCD–GMTE با افزایش تنش نرمال، نسبت‌های LD به اوج افزایشی را نشان داد. تحت سطح رطوبت خشک (0%)، این نسبت از 0.5 در 10 kPa به 0.6 در 50 kPa افزایش یافت. در سطح رطوبت بالا (100%)، این مقدار از 0.6 به 0.7 رسید. این نتایج نشان می‌دهد که GMTE از تنش‌های نرمال بالاتر بهره می‌برد، که ممکن است درگیری بافت با ژئوتکستایل (geotextile) یا هسته زهکش را افزایش داده و در نتیجه حفظ مقاومت پس از اوج را بهبود بخشد. علاوه بر این، سطوح رطوبت اثر پیچیده‌ای بر نسبت‌های LD به اوج داشتند. اگرچه فصل‌مشترک GCD–GMS بدون در نظر گرفتن آبگیری (hydration)، نسبت‌های تقریباً ثابتی (به‌عنوان مثال، 0.9 در 50 kPa) را نشان داد، فصل‌مشترک‌های دارای بافت تغییرات بارزتری را به نمایش گذاشتند. در 50 kPa، نسبت فصل‌مشترک GMTI از سطح رطوبت خشک (0%) تا بالا (100%) تقریباً روی عدد ثابت 0.7 باقی ماند که نشان می‌دهد توپوگرافی سطحی خشن‌تر آن در برابر تخریب ناشی از رطوبت مقاوم است. با این حال، فصل‌مشترک GMTE بهبود 22% در نسبت LD به اوج را در همان دامنه رطوبتی (از 0.6 به 0.7) نشان داد که بیانگر برهم‌کنش مثبت بین رطوبت و بافت برجسته در شرایط محصورشدگی است. این یافته‌ها ثابت می‌کنند که حضور و ماهیت بافت سطح، نقش‌های تعیین‌کننده‌ای در عملکرد فصل‌مشترک پس از اوج ایفا می‌کنند. ژئوممبران‌های بافت‌دار (textured geomembranes)، به‌ویژه آن‌هایی که دارای زبری (roughness) و ارتفاع ناهمواری‌های (asperities height) بیشتری هستند، مقاومت برشی بهتری را در جابجایی‌های بزرگ ارائه داده و عملکرد مناسب‌تری را در شرایط مرطوب حفظ می‌کنند. فرآیندهای میکرومکانیکی بنیادین مسئول این رفتارها در بخش 4 همراه با تحلیل دقیق مورفولوژی سطح (surface morphology) بیشتر مورد بررسی قرار می‌گیرند.

3.3. پوش‌های مقاومت برشی (Shear Strength Envelopes)

پوش‌های مقاومت فصل‌مشترک در شرایط اوج و جابجایی بزرگ برای هر فصل‌مشترک در شکل‌های 5 و 6 نشان داده شده‌اند. یک پوش مور–کولمب (Mohr–Coulomb envelope) با استفاده از رگرسیون حداقل مربعات خطی (linear least squares regression) بر داده‌های هر فصل‌مشترک برازش داده شد:

τ_p = a_p + σ_n tanδ_p (1)

τ_LD = a_LD + σ_n tanδ_LD (2)

که در آن، τ_p و τ_LD به‌ترتیب مقاومت‌های برشی بین‌سطحی (interfacial shear strengths) در حالت اوج (peak) و تغییرمکان بزرگ (large displacement) هستند؛ σ_n تنش نرمال (normal stress) است؛ a_p و a_LD به‌ترتیب مقادیر چسبندگی بین‌سطحی (interfacial adhesion) در حالت اوج و تغییرمکان بزرگ می‌باشند؛ و δ_p و δ_LD به‌ترتیب زوایای اصطکاک بین‌سطحی (interfacial friction angles) در حالت اوج و تغییرمکان بزرگ هستند. جدول 4 پارامترهای مقاومت برشی بین‌سطحی حاصل از آزمایش برش مستقیم (direct shear testing) را خلاصه می‌کند. برای هر سطح مشترک ژئوکامپوزیت زهکش–ژئوممبران (GCD–GM interface)، پوش‌های مقاومت (strength envelopes) اوج و تغییرمکان بزرگ (LD) رابطه‌ای تقریباً خطی با تنش نرمال نشان می‌دهند. همان‌طور که در جدول 4 نشان داده شده است، کیفیت برازش (goodness of fit) برای پارامترهای مقاومت برشی اوج و تغییرمکان بزرگ تمامی سطوح مشترک GCD–GM تحت شرایط رطوبتی مختلف به‌طور کلی بالا است. بیشتر مقادیر R² از 0.98 فراتر می‌روند، از جمله در سطح مشترک GCD–GMS در سطوح رطوبت 50% و 100%، که بیانگر درجه انطباق بالایی میان مدل‌ها و داده‌های تجربی است. تعداد اندکی از مقادیر R² در محدوده 0.90 تا 0.98 قرار دارند، مانند سطح مشترک GCD–GMS در سطح رطوبت 0%، که همچنان همبستگی‌های خطی قوی از خود نشان داده و قابلیت اطمینان مدل‌های پارامتر مقاومت برشی را تأیید می‌کنند. به‌طور خلاصه، تمامی مقادیر R² برابر یا بیشتر از 0.90 (≥0.90) بوده و از کیفیت برازش بالایی برخوردارند که کاربرد این پارامترها را برای تحلیل‌های مهندسی سطوح مشترک GCD–GM پشتیبانی می‌کند. افزایش سطح رطوبت منجر به کاهش کلی در هر دو زاویه اصطکاک اوج و تغییرمکان بزرگ برای تمامی سطوح مشترک GCD–GM می‌شود، هرچند شدت این اثر بسته به نوع سطح مشترک متفاوت است. جدول 5 درصد تغییرات (.var) پارامترهای مقاومت برشی را برای سطوح مشترک GCD–GM ارائه می‌دهد. همان‌طور که در شکل‌های 5الف و 6الف مشاهده می‌شود، سطح مشترک GCD–GMS با افزایش سطوح رطوبت، بیشترین کاهش را در هر دو زاویه اصطکاک اوج و تغییرمکان بزرگ نشان داد. زاویه اصطکاک اوج از 18° (سطح رطوبت 0%) به 13° (سطح رطوبت 50%) و سپس به 9° (سطح رطوبت 100%) کاهش یافت. هم‌زمان، زاویه اصطکاک تغییرمکان بزرگ نیز تحت همان شیب رطوبتی، ابتدا از 16° به 12° و سپس به 8° تنزل پیدا کرد. این نتایج نشان می‌دهند که مقاومت بین‌سطحی سطوح ژئوممبران صاف (smooth geomembrane - GMS) به‌شدت در معرض زوال ناشی از رطوبت قرار دارد، به‌ویژه در شرایط تغییرمکان بزرگ.

شکل‌های 5ب و 6ب نشان می‌دهند که سطح مشترک GCD–GMTI در شرایط رطوبتی خشک (0%) دارای زاویه اصطکاک اوج 23° بوده که در سطح رطوبت متوسط (50%) به 22° و در سطح رطوبت بالا (100%) به 18° کاهش یافته است. این رفتار به بافت سطحی (surface texture) برجسته آن نسبت داده می‌شود که قفل‌شدگی مکانیکی (mechanical interlocking) را بهبود می‌بخشد. کاهش به 18° در سطح رطوبت بالا (100%) نشان‌دهنده افت اثربخشی بین‌سطحی به دلیل افزایش رطوبت است. زاویه اصطکاک تغییرمکان بزرگ در این سطح مشترک روندی غیریکنواخت (non-monotonic) نشان داد: افزایش از 14° (سطح رطوبت 0%) به 16° (سطح رطوبت 50%)، و سپس بازگشت به 14° در سطح رطوبت بالا (100%)، که بالاترین چسبندگی تغییرمکان بزرگ (7.5 kPa) در سطح رطوبت خشک (0%) مشاهده شد. این نوسان بیانگر آن است که مقاومت پس از اوج (post-peak strength) در GCD–GMTI نسبت به سطح رطوبت متوسط (50%) حساسیت بیشتری نسبت به سطح رطوبت بالا (100%) دارد. برای سطح مشترک GCD–GMTE (شکل‌های 5ج و 6ج)، زاویه اصطکاک اوج از 18° (سطح رطوبت 0%) به 17° (سطح رطوبت 50%) و 14° (سطح رطوبت 100%) کاهش یافت. زاویه اصطکاک تغییرمکان بزرگ نیز از الگوی غیریکنواخت مشابه با GMTI پیروی کرد، به‌طوری که از 11° (سطح رطوبت 0%) به 12° (سطح رطوبت 50%) افزایش یافت و سپس در سطح رطوبت بالا (100%) مجدداً به 11° بازگشت، که حاکی از عملکرد نسبتاً پایدار در تغییرمکان بزرگ با کمترین اثرپذیری از رطوبت است. در همین حال، این سطح مشترک چسبندگی تغییرمکان بزرگ بالاتری (2.4 kPa) را نشان داد که ثابت می‌کند بافت برجسته (embossed texture) آن حتی در سطوح رطوبتی بالا به پیوند بین‌سطحی کمک می‌کند. بنابراین، در مقابل، سطح مشترک GCD–GMS بیشترین حساسیت چشمگیر را نسبت به رطوبت، به‌ویژه از نظر عملکرد پس از اوج، از خود نشان داد. سطح مشترک GCD–GMTI به دلیل بافت سطحی تقویت‌شده، بالاترین مقاومت برشی اوج را در سطح رطوبت خشک (0%) از خود نشان داد؛ با این حال، با افزایش سطح رطوبت، این مزیت کاهش یافت. سطح مشترک GCD–GMTE عملکرد تغییرمکان بزرگ یکنواخت‌تر و چسبندگی بالاتری را نشان داد که به پایداری بیشتر در محیط‌های مرطوب منجر می‌شود. این روندها اهمیت بافت‌دار کردن سطح (surface texturing) را در حفظ مقاومت برشی تحت شرایط محیطی متنوع برجسته می‌سازد.

شکل 5. پوش‌های مقاومت برشی اوج برای هر یک از سطوح مشترک GCD–GM تحت مقادیر مختلف رطوبت: (الف) سطح مشترک GCD–GMS، (ب) سطح مشترک GCD–GMTI، و (ج) سطح مشترک GCD–GMTE.

شکل 6. پوش‌های مقاومت تغییرمکان بزرگ برای هر یک از سطوح مشترک GCD–GM تحت مقادیر مختلف رطوبت: (الف) سطح مشترک GCD–GMS، (ب) سطح مشترک GCD–GMTI، و (ج) سطح مشترک GCD–GMTE.

جدول 4 در مقالهی اصلی آمده است.

جدول 5 در مقالهی اصلی آمده است.

3.4. تغییر شکل عمودی سطوح مشترک GCD–GM

شکل 7 رابطه بین تغییر شکل عمودی (vertical deformation) و تغییرمکان برشی (shear displacement) را برای هر سطح مشترک GCD–GM تحت سطوح مختلف رطوبت نشان می‌دهد که مقادیر مثبت بیانگر تراکم (compression) هستند. در تمام شرایط، تغییر شکل عمودی کمتر از 0.6 mm باقی ماند که نشان‌دهنده پاسخ حجمی (volumetric response) نسبتاً محدود طی برش سطح مشترک است. برای سطح مشترک GCD–GMS (شکل 7الف)، بخش عمده تراکم عمودی در 3 mm نخست تغییرمکان رخ داد و به دنبال آن یک ناحیه فلات یا تراکم افزایشی جزئی به وجود آمد. سطح رطوبت تأثیر چشمگیری بر میزان تراکم عمودی داشت. در شرایط خشک (سطح رطوبت 0%)، بیشینه تغییرمکان عمودی به 0.5 mm رسید. هنگامی که سطح رطوبت به 100% افزایش یافت، حداکثر جابه‌جایی به‌طور قابل‌توجهی به 0.2 mm کاهش پیدا کرد. برای سطح مشترک GCD–GMTI (شکل 7ب)، بیشتر تراکم عمودی در 4 mm ابتدایی تغییرمکان رخ داد و به دنبال آن یک فلات یا تراکم افزایشی جزئی مشاهده شد. سطح رطوبت اثر بارزی بر میزان تراکم عمودی بر جای گذاشت. در سطح رطوبت خشک (0%)، بیشینه جابه‌جایی عمودی 0.28 mm بود. با افزایش سطح رطوبت به 100%، این جابه‌جایی به 0.26 mm کاهش یافت که معادل کاهشی در حدود 7% است. علیرغم این تغییر کمّی، روند کلی تغییر شکل عمودی در سطوح مختلف رطوبت نسبتاً یکنواخت باقی ماند، به‌ویژه تحت تنش‌های نرمال پایین‌تر، که نشان می‌دهد رفتار بین‌سطحی در این پیکربندی نسبت به رطوبت بسیار حساس نبوده است. برای سطح مشترک GCD–GMTE (شکل 7ج)، بیشتر تراکم عمودی در محدوده 4 mm نخست تغییرمکان روی داد و به دنبال آن یک فلات یا تراکم افزایشی اندک مشاهده شد. سطح رطوبت تأثیر مشخصی بر میزان تراکم عمودی داشت. در شرایط خشک (سطح رطوبت 0%)، حداکثر تغییرمکان عمودی به 0.5 mm رسید. هنگامی که سطح رطوبت تا سطح بالای (100%) افزایش یافت، حداکثر تغییرمکان به‌میزان قابل‌توجهی به 0.3 mm کاهش یافت که نشان‌دهنده...

...که نشان‌دهنده کاهشی در حدود ۳۳٪ است. با وجود این تغییر کمی، روند کلی تغییرشکل عمودی (vertical deformation) در سطوح مختلف رطوبت، به‌ویژه در تنش‌های نرمال پایین‌تر، نسبتاً پایدار باقی ماند که نشان می‌دهد رفتار میان‌سطحی (interfacial behavior) در این پیکربندی حساسیت شدیدی به رطوبت نداشته است. میان‌سطح GCD–GMS بیشترین تأثیر را از سطح رطوبت می‌پذیرد؛ به‌عنوان مثال، تحت تنش نرمال (normal stress) ۵۰ کیلوپاسکال، هنگامی که رطوبت از حالت خشک (۰٪) به سطوح رطوبت بالا (۱۰۰٪) افزایش می‌یابد، حداکثر جابه‌جایی عمودی آن به‌طور چشمگیری با افزایش سطح رطوبت کاهش یافته و افتی در حدود ۶۸٪ را نشان می‌دهد. میان‌سطح GCD–GMTI کمترین اثرپذیری را از سطح رطوبت دارد و حداکثر جابه‌جایی عمودی آن در سطوح مختلف رطوبت دچار تغییرات بسیار ناچیزی می‌شود که کاهشی تقریباً برابر با ۷.۱٪ است. میان‌سطح GCD–GMTE در سطح رطوبت متوسط (۵۰٪) به حداکثر تغییرشکل عمودی می‌رسد و با ادامه افزایش رطوبت، تغییرشکل عمودی آن ۳۳.۳٪ کاهش می‌یابد. شایان ذکر است که میان‌سطح‌های GCD–GMTE و GCD–GMTI (شکل ۷ب و ج) نشان دادند که تغییرشکل عمودی نهایی آن‌ها در سطح رطوبت متوسط (۵۰٪) به اوج خود می‌رسد که بیانگر حساسیت بالا به رطوبت است. این پاسخ غیریکنواخت نشان می‌دهد که رطوبت متوسط (۵۰٪) ممکن است ماتریس ژئوکامپوزیت زهکش (GCD matrix) را نرم کرده و سبب تقویت فرورفتگی و درگیرشوندگی مکانیکی (interlocking) در میان‌سطح شود. در این سطح، کاهش مقاومتی در حدود ۳۳.۳٪ ثبت شده که جابه‌جایی عمودی بزرگ‌تری را به همراه دارد. جهت تقویت منطق این فرضیه، به ادبیات فنی مرتبط در خصوص تغییرشکل ناشی از آب در مواد پلیمری و ژئوسنتتیک (polymeric and geosynthetic materials) [44] و همچنین یافته‌های گزارش‌شده توسط چای و همکاران (Chai et al., 2016 [38]) استناد شده است. هنگامی که سطح رطوبت تا مقدار زیاد (۱۰۰٪) افزایش می‌یابد، تغییرشکل عمودی کاهش پیدا می‌کند که احتمالاً ناشی از سخت‌شدگی ماتریس بر اثر اشباع یا ناپدید شدن اثر انقباض ناشی از مکش (suction shrinkage effect) است. نتایج فوق تأیید می‌کند که میزان رطوبت می‌تواند مشخصه‌های تغییرشکل عمودی میان‌سطح GCD–GM را به‌ویژه برای میان‌سطح ژئوممبران مضرس (textured geomembrane) به‌طور محسوس تحت تأثیر قرار دهد.

به منظور برقراری رابطه کمی میان تغییرشکل عمودی در پایان برش، تنش نرمال و سطح رطوبت، مشخصات توزیع فضایی این سه مؤلفه با استفاده از دستگاه مختصات سه‌بعدی ترسیم شده و یک مدل رگرسیون چندمتغیره چندجمله‌ای (multivariate polynomial regression model) برای برازش داده‌ها به کار رفته است. روابط مربوط به GCD–GMS، GCD–GMTI و GCD–GMTE به صورت زیر نشان داده شده‌اند:

Z = −0.0027X + −0.0078Y + 0.0000X² + 0.0001XY + 0.0001Y² + −0.0629 (R² = 0.97) (3)

Z = −0.0021X + −0.0126Y + −0.0000X² + 0.0001XY + 0.0001Y² + 0.0411 (R² = 0.96) (4)

Z = −0.0027X + −0.0086Y + −0.0000X² + 0.0001XY + 0.0001Y² + −0.0630 (R² = 0.98) (5)

در اینجا، X نشان‌دهنده تنش نرمال در محدوده ۱۰ تا ۵۰ کیلوپاسکال، Y نشان‌دهنده سطح رطوبت در دامنه ۰ تا ۱۰۰ درصد، و Z بیانگر تغییرشکل عمودی است.

شکل ۸الف نمودار رویه پیش‌بینی‌شده (predicted surface plot) تغییرشکل عمودی میان‌سطح GMS را نشان می‌دهد. تنش نرمال (۱۰ تا ۵۰ کیلوپاسکال) و سطح رطوبت (۲۰ تا ۱۰۰ درصد) جابه‌جایی را به‌طور چشمگیری تنظیم و کنترل می‌کنند. تنش یا سطح رطوبت بالاتر، جابه‌جایی منفی را تشدید می‌کند و حساسیت بیشتری در سطوح رطوبت بالا (۶۰ تا ۱۰۰ درصد) مشاهده می‌شود. سطح رطوبت تحت تنش‌های پایین (۱۰ تا ۲۰ کیلوپاسکال) تأثیری ملایم دارد، در حالی که با تغییر هم‌زمان تنش بالا (۳۰ تا ۵۰ کیلوپاسکال) و سطح رطوبت، تغییرشکل به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد که با معادله برازش‌یافته (R² = 0.97) کاملاً منطبق است. رنگ رویه نشان‌دهنده تغییرشکل ناچیز در ناحیه تنش پایین و رطوبت کم (آبی روشن–سبز) و تغییرشکل شدید در ناحیه تنش بالا و رطوبت زیاد (زرد–نارنجی) است.

شکل ۸ب نمودار رویه پیش‌بینی‌شده تغییرشکل عمودی میان‌سطح GMTI را نشان می‌دهد. این الگو مشابه رفتار مشاهده‌شده برای GMS است. تنش یا رطوبت بالاتر، جابه‌جایی منفی را تشدید کرده و حساسیت به سطوح بالای رطوبت به چشم می‌خورد. سطح رطوبت در تنش‌های پایین تأثیر اندکی دارد، در حالی که در صورت تغییر هم‌زمان تنش بالا و رطوبت، تغییرشکل به‌شدت افزایش می‌یابد و معادله برازش ضریب R² = 0.96 را ارائه می‌دهد. توزیع رنگ نیز همانند میان‌سطح GMS است.

شکل ۷. منحنی‌های تغییرشکل عمودی در برابر جابه‌جایی برشی برای رطوبت‌های مختلف میان‌سطح‌های GCD–GM تحت تنش نرمال: (الف) میان‌سطح GCD–GMS، (ب) میان‌سطح GCD–GMTI، و (ج) میان‌سطح GCD–GMTE.

شکل ۸. نمودار رویه پیش‌بینی‌شده تغییرشکل عمودی میان‌سطح GCD–GM.

شکل ۸ج نمودار رویه پیش‌بینی‌شده تغییرشکل عمودی میان‌سطح GMTE را نشان می‌دهد. تنش یا سطح رطوبت بالاتر، جابه‌جایی منفی را با حساسیت به رطوبت بالا تشدید می‌کند. تغییرشکل در شرایط تنش پایین (۱۰ تا ۲۰ کیلوپاسکال) و رطوبت کم (۲۰ تا ۶۰ درصد) به آرامی رخ می‌دهد، در حالی که در صورت تغییر هم‌زمان تنش بالا و رطوبت، افزایش قابل‌توجهی می‌یابد. عبارت «0.0001XY» در معادله برازش، اثر هم‌افزایی (synergistic effect) را تأیید می‌کند (R² = 0.98). رویه در ناحیه تنش کم و رطوبت پایین به رنگ سبز روشن–آبی و در ناحیه تنش بالا و رطوبت زیاد به رنگ نارنجی–قرمز تیره نمایان می‌شود.

به‌طور خلاصه، تمامی میان‌سطح‌های GCD–GM توسط تنش و سطح رطوبت کنترل می‌شوند. معادلات برازش و گرادیان‌های رنگی ابزارهایی کارآمد را برای پیش‌بینی تغییرشکل فراهم آورده و کاربردهای مهندسی را تسهیل می‌کنند.

۴. آسیب سطحی و سازوکارهای شکست میان‌سطحی

تصاویر میان‌سطح GCD–GMS در سطوح رطوبت خشک (۰٪)، متوسط (۵۰٪) و بالا (۱۰۰٪) تحت تنش نرمال ۵۰ کیلوپاسکال در شکل ۹ نشان داده شده است. سطح ژئوممبران صاف (GMS) خراش‌های خطی هم‌راستا با جهت برش را نشان داد (شکل ۹د–و را ببینید). این خراش‌ها در تمامی شرایط رطوبتی مشاهده شدند، اما در سطح رطوبت خشک (۰٪) از نظر تراکم و عمق بسیار برجسته‌تر بودند (فلش‌های زرد در شکل ۹د را ببینید)؛ این موضوع نشان می‌دهد که دنده‌های هسته زهکش (drainage core) (کادر خط‌چین قرمز در شکل ۹الف را ببینید) سطح GMS را تحت تنش برشی دچار سایش می‌کنند. در مقابل، ژئوتکستایل بافته‌نشده (nonwoven geotextile) ژئوکامپوزیت زهکش (GCD) کمترین آشفتگی را نشان داد (شکل ۹الف–ج را ببینید) و هیچ‌گونه شانه‌شدگی (combing) در آن مشاهده نشد که این امر احتمالاً به دلیل فقدان بافت سطحی در GMS است. این مشاهدات حاکی از آن است که سازوکارهای اصطکاک سطحی بین GMS و GCD عمدتاً کنترل‌کننده مقاومت برشی در میان‌سطح GCD–GMS هستند. با افزایش سطح رطوبت، اثرات روان‌کاری میان‌سطحی (interfacial lubrication) پررنگ‌تر شده و مقاومت برشی را بیش از پیش کاهش داد. این تضعیف وابسته به رطوبت در کنار فقدان قفل‌وبست مکانیکی (mechanical interlock)، سبب شد میان‌سطح GCD–GMS کمترین مقاومت میان‌سطحی را در میان تمام ترکیبات آزمایش‌شده به همراه حداقل افت مقاومت پس از اوج (post-peak strength loss) از خود نشان دهد که با روندهای ارائه‌شده در شکل ۴ کاملاً همخوانی دارد.

شکل ۹. تصاویر سطح میان‌سطحی GCD و GMS پس از برش تحت تنش ۵۰ کیلوپاسکال: (الف) سطح GCD در سطح رطوبت خشک (۰٪)، (ب) سطح GCD در سطح رطوبت متوسط (۵۰٪)، (ج) سطح GCD در سطح رطوبت بالا (۱۰۰٪)، (د) سطح GMS در سطح رطوبت خشک (۰٪)، (هـ) سطح GMS در سطح رطوبت متوسط (۵۰٪)، و (و) سطح GMS در سطح رطوبت بالا (۱۰۰٪).

شکل ۱۰ تصاویر سطوح برش‌خورده GCD و GMTI را تحت سطوح رطوبتی مختلف نشان می‌دهد. در تمامی شرایط، لایه‌لایه شدن و جدایش لایه‌ای (delamination) بافت مضرس...

...مشاهده شد (به کادرهای خط‌چین قرمز در شکل‌های 10a–c مراجعه شود) که نشان می‌دهد بارگذاری برشی (shear loading) برای جدا کردن بخش‌هایی از سطح مضرس (texturing surface) از بستر ژئوممبران (geomembrane) و قرار دادن آن‌ها در لایه ژئوتکستایل (geotextile) مربوط به GCD کافی بوده است. به‌ویژه در شرایط خشک (سطح رطوبت 0%)، قطعات بزرگی از بافت مضرس لایه‌لایه‌شده (delaminated texturing) به‌صورت مشهود با ماتریس ژئوتکستایل یکپارچه شده بودند (شکل 10a). نواحی گسترده‌ای از بافت صیقلی‌شده (texture-polished zones) بر روی سطح GMTI پس از برش مشهود بود (به ناحیه صاف و صیقلی در کادر خط‌چین قرمز و الیاف کنده‌شده GCD در شکل 10d مراجعه شود). این رفتار، وجود سازوکار اندرکنش «قلاب و حلقه» (hook-and-loop interaction mechanism) را در سطح مشترک تایید می‌کند [45,46]. پدیده لایه‌لایه شدن (delamination) با شانه‌شدن متوسط الیاف (fiber combing) همراه بود که نشان می‌دهد افت مقاومت پس از اوج (post-peak strength loss) عمدتاً تحت کنترل جداشدگی بافت مضرس بوده است تا تغییر در جهت‌گیری الیاف (fiber alignment) (شکل 10a,b را ببینید). در سطح رطوبت متوسط (50%)، فرورفتگی مشابه بافت مضرس به همراه آشفتگی‌ها و گسیختگی‌های موضعی داخلی در داخل GCD مشاهده شد (شکل 10b,e) که بیانگر آغاز تضعیف ساختار داخلی است. در سطح رطوبت بالا (100%)، میزان لایه‌لایه شدن کاهش یافت؛ با این حال، آسیب‌های داخلی گسترده‌تری در داخل لایه GCD مشاهده شد، از جمله نواحی شکافته‌شده تا عرض 5 میلی‌متر (به کادرهای خط‌چین قرمز در شکل 10c,f مراجعه شود). این یافته‌ها نشان می‌دهند که با افزایش سطوح رطوبت، یک گذار در سازوکار غالب شکست رخ می‌دهد؛ به طوری که از لایه‌لایه شدن سطحی در سطوح رطوبت پایین به زوال و تخریب داخلی GCD در سطوح رطوبت بالاتر تغییر می‌یابد.

شکل 10. تصاویر سطوح مشترک GCDها و GMTIها پس از برش تحت تنش 50 kPa: (a) سطح GCD در سطح رطوبت خشک (0%) با تصویر کوچک نشان‌دهنده تغییرشکل داخلی GCD، (b) سطح GCD در سطح رطوبت متوسط (50%) با تصویر کوچک نشان‌دهنده تغییرشکل داخلی GCD، (c) سطح GCD در سطح رطوبت بالا (100%) با تصویر کوچک نشان‌دهنده تغییرشکل داخلی GCD، (d) سطح GMTI در سطح رطوبت خشک (0%)، (e) سطح GMTI در سطح رطوبت متوسط (50%)، و (f) سطح GMTI در سطح رطوبت بالا (100%).

به منظور مشخصه‌یابی بیشتر شرایط سطحی در فصل مشترک GMTI پس از تنش برشی، همان‌طور که در شکل 11 نشان داده شده است، اسکن کانتور سه‌بعدی (three-dimensional contour scanning) انجام شد. این اسکن‌ها در محدوده‌ای به ابعاد 2.83 mm × 2.83 mm با وضوح 1.38 µm/pixel (2048 × 2048 پیکسل) و در بزرگ‌نمایی 5 برابر ثبت گردیدند. در تصاویر توپوگرافی حاصل، سایه‌های تیره‌تر نمایانگر نواحی صاف‌تر و عاری از بافت مضرس هستند، در حالی که نواحی روشن‌تر و سیاه با بافت مضرس دست‌نخورده و سالم تطابق دارند. با افزایش سطح رطوبت، سطوح اسکن‌شده نواحی صافِ تدریجاً بزرگ‌تری را نشان دادند که شواهد بصری ناشی از کنده شدن بافت و سایش سطح مشترک (interfacial wear) را تایید می‌کند. این نتایج ریخت‌شناسی سطح (surface morphology)، پیشرفت حالت‌های شکست (failure modes) را به عنوان تابعی از رطوبت بیش از پیش اعتبارسنجی می‌کند و اثرات توأم لایه‌لایه شدن بافت مضرس و تخریب GCD را در کنترل رفتار سطح مشترک برجسته می‌سازد.

شکل 11. تصویر اسکن کانتور سه‌بعدی از نمونه‌های سطح GMTI پس از برش ناشی از آزمایش‌های برش تحت مقادیر رطوبت مختلف در تنش 50 kPa: (a) سطح رطوبت خشک (0%)، (b) سطح رطوبت متوسط (50%)، و (c) سطح رطوبت بالا (100%).

زبری سطح (surface roughness) مربوط به GMTI با استفاده از پارامتر زبری به‌صورت زیر تعیین کمیت می‌شود [47]:

R_s = A_s / A_o   (6)

که در آن، A_s مساحت واقعی سطح پروفیل و A_o مساحت تصویرشده پروفیل است. مقادیر A_s و A_o مستقیماً با استفاده از نرم‌افزار SensoView محاسبه شدند.

بر اساس رابطه (6)، حداقل نظری ضریب زبری سطح R_s برابر با 1 است که با یک سطح ژئوممبران کاملاً صاف، جایی که مساحت واقعی سطح برابر با مساحت تصویرشده است، تطابق دارد. مقدار اولیه R_s برای سطح GMTI پیش از برش برابر با 1.425 بود که نشان‌دهنده بافت مضرس برجسته آن است. مقادیر R_s پس از برش برای سطوح GMTI تحت سطوح مختلف رطوبت و در تنش نرمال (normal stress) معادل 50 kPa محاسبه شد. مقاومت برشی GCD–GMTI تحت این تنش 50 kPa به بیشترین مقاومت برشی اوج خود رسید و هم‌زمان با آن، شدیدترین آسیب سطحی به GMTI وارد شد. همان‌طور که در شکل 11 نشان داده شده است، ضریب زبری R_s پس از برش به میزان قابل‌توجهی کاهش یافت و مقادیر آن برای سطوح رطوبت خشک (0%)، متوسط (50%) و بالا (100%) به ترتیب برابر با 1.046، 1.105 و 1.390 به دست آمد. این مقادیر به ترتیب با 73%، 78% و 94% از مقدار اولیه زبری پیش از برش (1.425) مطابقت دارند که بیانگر سایش تدریجی سطح و زوال بافت مضرس است. بارزترین کاهش در سطح رطوبت خشک (0%) رخ داد، جایی که مقدار R_s به 1.046 تقلیل یافت (شکل 11a)؛ این امر نشان‌دهنده از بین رفتن قابل‌توجه بافت سطحی به دلیل لایه‌لایه شدن و فرورفتن در لایه GCD است. در سطح رطوبت متوسط (50%)، مقدار R_s اندکی بالاتر و برابر با 1.105 بود (شکل 11b) که نشان‌دهنده حفظ نسبی مشخصه‌های سطحی است. در سطح رطوبت بالا (100%)، سطح پس از برش بخش بیشتری از زبری خود را حفظ کرد و مقدار R_s آن 1.390 بود (شکل 10c) که تنها 6% کاهش را نسبت به شرایط پیش از برش نشان می‌دهد. داده‌های مربوط به R_s سطح GMTI پس از برش تحت سطوح رطوبت مختلف در تنش نرمال 50 kPa در جدول 6 خلاصه شده است. این مشاهدات با روندهای مقاومت برشی ارائه‌شده در شکل 6b مطابقت دارند، جایی که افت مقاومت بیشتری در سطح رطوبت خشک (0%) ثبت شده بود. علاوه بر این، این مقادیر با سازوکارهای آسیب سطحی تصویرشده در شکل 10c,f همخوانی دارند و نشان‌دهنده تغییر در حالت شکست با افزایش رطوبت هستند؛ بدین صورت که از لایه‌لایه شدن سطح مشترک در رطوبت‌های پایین به تغییرشکل و شکست داخلی در درون GCD در رطوبت‌های بالا تغییر می‌یابد. این روند تکامل، ماهیت وابسته به رطوبتِ زوال سطح مشترک و نقش بافت مضرس ژئوممبران را در پاسخ مکانیکی پس از اوج برجسته می‌سازد.

جدول 6. مقادیر R_s سطوح GMTI پس از برش تحت سطوح رطوبت مختلف در تنش نرمال 50 kPa (علامت ↓ نشان‌دهنده میانگین کاهش است).

سطح رطوبت	مقدار Rs پیش از برش	مقدار Rs پس از برش	میزان تغییر (پیش → پس)	درصد نسبت به مقدار Rs اولیه پیش از برش
0%	1.425	1.046	0.379↓	73%
50%	1.425	1.105	0.320↓	78%
100%	1.425	1.390	0.035↓	94%

ژئوممبران با بافت برجسته (embossed textured geomembrane - GMTE) در مقایسه با ژئوممبران با بافت پاششی (impinged textured geomembrane - GMTI) ارزیابی‌شده در آزمایش‌های پیشین، مورفولوژی سطحی (surface morphology) متمایزی را نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل 12 نشان داده شده است، تصویر میان‌سطح GCD–GMTE تماس مستقیم بین نوک‌های برآمدگی‌های بافت کوژ (محدب) و سطح ژئوتکستایل (geotextile) را نمایان می‌سازد. در سطوح رطوبتی خشک (0%) و متوسط (50%)، نوک‌های برجسته نفوذ چشمگیری در ژئوتکستایل نشان می‌دهند که موجب تقویت قفل‌وبست مکانیکی (mechanical interlocking) با هسته زهکشی (drainage core) ژئوکامپوزیت زهکش (geocomposite drain - GCD) می‌شود. نوک‌های برجسته به‌طور مؤثری درون الیاف ژئوتکستایل گیر کرده و از طریق ترکیبی از فرورفتگی نوک‌ها (tip embedment) و درگیرشدگی الیاف (fiber entanglement)، مقاومت برشی میان‌سطحی (interfacial shear resistance) را افزایش می‌دهند (کادرهای خط‌چین قرمز در شکل 12a، b و e را ببینید). با این حال، در سطح رطوبتی بالا (100%)، میزان نفوذ کاهش یافته و نشانه‌هایی از آسیب داخلی موضعی (localized internal damage) در داخل GCD مشهود می‌شود (کادرهای خط‌چین قرمز در شکل 12c و f را ببینید). این مشاهده، تغییر ناشی از رطوبت را در سازوکار شکست (failure mechanism) حاکم تأیید می‌کند. به‌طور مشخص، در سطوح رطوبتی 0% و 50%، شکست تحت تسلط شکست میان‌سطحی (interfacial failure) است که با بیرون‌کشیدگی چشمگیر الیاف (fiber pull-out) و سایش سطحی (surface abrasion) مشخص می‌شود؛ پدیده‌هایی که نمود مستقیم قفل‌وبست بافت–الیاف هستند. در مقابل، در سطوح رطوبتی بالاتر (100%)، سازوکار شکست به یک حالت ترکیبی تغییر می‌یابد که هم شامل زوال میان‌سطح (که با ورقه‌ورقه‌شدگی هسته (core delamination) و کاهش اصطکاک میان‌سطحی در اثر نرم‌شدگی ماتریس (matrix softening) مشهود است) و هم تغییرشکل داخلی GCD می‌شود. این توصیف دقیق با الگوهای آسیب نوعی مشاهده‌شده در سطح میان‌سطح همخوانی دارد و فرضیه تغییر سازوکارهای شکست ناشی از رطوبت را بیشتر تقویت می‌کند. برای کمی‌سازی میزان نفوذ، ارتفاع نوک‌های برجسته قبل و بعد از برش با استفاده از کولیس‌های دقیق (precision calipers) اندازه‌گیری شد. کاهش ارتفاع نوک برجسته به عنوان شاخصی غیرمستقیم برای عمق نفوذ درون ماتریس GCD به کار رفت. در شرایط خشک (سطح رطوبت 0%)، عمق نفوذ نوک‌های برجسته تقریباً 0.18 mm بود که مهار عمیق‌تر و محکم‌تری را در GCD ایجاد کرد (شکل 13a را ببینید). در حین تغییرشکل برشی، نوک‌های برجسته هنگام حرکت بر روی سطح GCD دچار گردشدگی و صاف‌شدگی قابل‌توجهی شدند، به‌گونه‌ای که ارتفاع نوک تا 36% کاهش یافت (شکل 13a). در سطح رطوبتی متوسط (50%)، عمق نفوذ تخمینی تقریباً 0.15 mm و کاهش ارتفاع نوک تا 30% بود (شکل 13b). در مقابل، عمق نفوذ تخمینی در شرایط اشباع تقریباً 0.08 mm با کاهش ارتفاع نوک تا 16% بود (شکل 13c). تغییرات در داده‌های نوک برجسته GMTE پس از برش تحت سطوح رطوبتی مختلف در تنش نرمال (normal stress) 50 kPa در جدول 7 خلاصه شده است. این تغییرشکل پیش‌رونده، به افت نسبتاً کم مقاومت پس از اوج (post-peak strength loss) و نسبت بالای مقاومت تغییرمکان بزرگ به مقاومت اوج (LD-to-peak strength ratio) برای میان‌سطح GCD–GMTE کمک کرد، چنان‌که پیش‌تر در بخش 3.2 گزارش شد. علاوه بر این، با افزایش تغییرمکان برشی (shear displacement)، نوک‌های برجسته نسبت به صفحه ژئوتکستایل جابه‌جایی جانبی پیدا کردند و در نتیجه سطح تماس مؤثر بین GMTE و ژئوتکستایل منسوج‌نیافته (nonwoven geotextile) زیرین را افزایش دادند. شیارهای برشی تقویت‌شده، تغییرمکان پیش از اوج را در مقایسه GMTE با GMS بین 13 تا 104 درصد افزایش دادند که نشان‌دهنده تغییرشکل بیشتر پیش از لغزش است؛ موضوعی که برای هشدار زودهنگام (early warning) حائز اهمیت است. مقاومت پایدار با نسبت‌های مقاومت پس از اوج بین 0.6 تا 0.8 برای GMTI و بین 0.5 تا 1.0 برای GMTE بیانگر آزادسازی تدریجی‌تر تنش و کاهش خطر گسیختگی ناگهانی است. در مجموع، این یافته‌ها نقش هندسه بافت و تغییرشکل را در کنترل پاسخ برشی منحصربه‌فرد میان‌سطح GCD–GMTE در سطوح مختلف رطوبت برجسته می‌سازد.

شکل 12. تصاویر سطوح میان‌سطحی GCD و GMTE پس از برش در تنش نرمال 50 kPa: (a) سطح GCD در سطح رطوبتی خشک (0%)، (b) سطح GCD در سطح رطوبتی متوسط (50%)، (c) سطح GCD در سطح رطوبتی بالا (100%) همراه با تصویر بزرگ‌نمایی‌شده که تغییرشکل داخلی GCD را نشان می‌دهد، (d) سطح GMTE در سطح رطوبتی خشک (0%)، (e) سطح GMTE در سطح رطوبتی متوسط (50%)، و (f) سطح GMTE در سطح رطوبتی بالا (100%).

شکل 13. تصاویر سطح میان‌سطحی GMTE پس از برش: (a) سطح GMTE در سطح رطوبتی خشک (0%)، (b) سطح GMTE در سطح رطوبتی متوسط (50%)، و (c) سطح GMTE در سطح رطوبتی بالا (100%).

جدول 7. تغییرات نوک‌های برجسته GMTE پس از برش تحت سطوح مختلف رطوبت در تنش نرمال 50 kPa.

سطح رطوبت	عمق نفوذ نوک‌های برجسته (mm)	کاهش ارتفاع نوک
0%	~0.18	تا 36%
50%	~0.15	تا 30%
100%	~0.08	تا 16%

5. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

این پژوهش به ارزیابی رفتار برشی میان‌سطح‌های GCD–GM شامل بافت‌های سطحی مختلف ژئوممبران تحت سطوح رطوبتی و تنش‌های نرمال گوناگون پرداخت. برخی از یافته‌های کلیدی به شرح زیر است:

1. تمامی میان‌سطح‌های GCD–GM رفتار نرم‌شوندگی کرنش (strain-softening) را همراه با کاهش مقاومت پس از تغییرمکان اوج نشان دادند. ژئوممبران‌های بافت‌دار—به‌ویژه نوع پاششی—مقاومت‌های اوج و تغییرمکان بزرگ را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشیدند و در برابر تضعیف ناشی از رطوبت مقاومت بهتری نشان دادند. اگرچه تنش نرمال بالاتر موجب افزایش مقاومت شد، اما اثر آن در سطوح رطوبتی بالا تضعیف گردید؛ امری که نشان می‌دهد بافت سطحی نقشی حیاتی در پایداری میان‌سطح در پوشش‌های مرطوب لندفیل ایفا می‌کند.
2. میزان حفظ مقاومت پس از اوج، بسته به نوع میان‌سطح، بافت، رطوبت و تنش متغیر بود. میان‌سطح صاف نسبت‌های پایدار مقاومت تغییرمکان بزرگ به اوج (0.8–0.9) داشت و حداقل افت مقاومت پس از اوج را نشان داد. میان‌سطح پاششی کاهش چشمگیری در مقاومت (0.7–0.8) را به‌ویژه در شرایط خشک (سطح رطوبت 0%) و تنش بالا، به دلیل آسیب شدید بافت تجربه کرد. میان‌سطح برجسته نسبت‌های متغیری را نشان داد که در سطح رطوبتی متوسط (50%) و تنش کم به اوج رسید، اما با افزایش سطح رطوبت کاهش یافت. این موضوع اهمیت روش ایجاد بافت ژئوممبران و شرایط محیطی را بر مقاومت در تغییرمکان بزرگ برجسته می‌کند.
3. مقاومت برشی از روندهای خطی مور–کولمب (Mohr–Coulomb) تبعیت کرد (R² > 0.90). رطوبت موجب کاهش زوایای اصطکاک و چسبندگی شد، به‌طوری که ژئوممبران صاف بیشترین حساسیت را از خود نشان داد. میان‌سطح GCD–GMTI بالاترین زاویه اصطکاک اوج را در شرایط خشک (سطح رطوبت 0%) داراست. با این حال، هنگامی که سطح رطوبت به مقدار بالا (رطوبت 100%) می‌رسد، زاویه اصطکاک اوج آن به 18° کاهش می‌یاید؛ هرچند همچنان بیشترین زاویه اصطکاک اوج را در میان این سه میان‌سطح حفظ می‌کند. در همین حال، میان‌سطح GCD–GMTE عملکرد تغییرمکان بزرگ (LD) نسبتاً پایدار و چسبندگی بالاتری را در محیط‌های مرطوب نشان می‌دهد. بافت سطحی بهینه‌شده، پایداری میان‌سطح را به‌ویژه در شرایط مرطوب ارتقا می‌بخشد.
4. تغییرشکل عمودی در طول برش به 0.6 mm محدود بود. تراکم برای GMS با افزایش رطوبت کاهش یافت، اما GMTI و GMTE حداکثر تغییرشکل را در سطح رطوبتی متوسط (50%) نشان دادند که احتمالاً به دلیل نرم‌شدگی ماتریس و بهبود قفل‌وبست است. تغییرشکل در سطح رطوبتی بالا (100%) مجدداً کاهش یافت که احتمالاً ناشی از اثرات سخت‌شدگی است.
5. مشاهدات میکروسکوپی نشان داد که رطوبت بر حالت‌های شکست تأثیرگذار بوده است. GMS بر اصطکاک همراه با سایش خطی و از دست رفتن یکپارچگی الیاف متکی بود که این موارد در شرایط مرطوب مشاهده شدند. GMTI قفل‌وبست مکانیکی قوی همراه با لایه‌لایه‌شدگی بافت و فرورفتگی را نشان داد، در حالی که سطح رطوبت بالا (100%) شکست را به سمت تغییرشکل داخلی سوق داد. GMTE رفتاری حد واسط نشان داد؛ به‌طوری که شرایط خشک (سطح رطوبت 0%) موجب تقویت نفوذ نوک‌ها شد و شرایط مرطوب تماس جانبی را بهبود بخشید که به مقاومت پس از اوج پایدارتری انجامید. بافت سطحی و سطح رطوبت تأثیری حیاتی بر رفتار برشی بلندمدت دارند. این نتایج اگرچه برای پایداری لندفیل نویدبخش هستند، اما نیازمند اعتبارسنجی‌های میدانی بیشتر می‌باشند.

مشارکت نویسندگان

J.H.: نگارش—بازبینی و ویرایش، نگارش—پیش‌نویس اصلی، بصری‌سازی (visualization)، اعتبارسنجی (validation)، نظارت (supervision)، تأمین منابع (resources)، مدیریت پروژه (project administration)، روش‌شناسی (methodology)، تحقیق و بررسی (investigation)، جذب بودجه (funding acquisition)، مدیریت داده‌ها (data curation) و مفهوم‌سازی (conceptualization). Y.Z. و X.X.: نگارش—پیش‌نویس اصلی، بصری‌سازی، نرم‌افزار (software)، تحقیق و بررسی، و مدیریت داده‌ها. تمامی نویسندگان نسخه منتشرشده مقاله را خوانده و با آن موافقت کرده‌اند.

تأمین مالی

این پژوهش توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (National Natural Science Foundation of China) با شماره‌های گرنت [52478349, 51978390, 51778353]، پروژه همکاری‌های بین‌المللی اداره علم و فناوری استان چینگ‌های (Qinghai Provincial Department of Science and Technology International Cooperation Project) با شماره گرنت [2025-HE-806]، برنامه تحقیقات پایه سال 2023 استان چینگ‌های تحت شماره [2023-ZJ-756]، و شورای بورسیه چین (CSC 202506890127) تأمین مالی شده است. همچنین هزینه پردازش مقاله (APC) از محل گرنت [51978390] تأمین گردید.

بیانیه هیئت بررسی سازمانی

قابل اعمال نیست.

بیانیه رضایت آگاهانه

قابل اعمال نیست.

بیانیه دسترسی به داده‌ها

داده‌های ارائه‌شده در این پژوهش در صورت درخواست از نویسنده مسئول (corresponding author) در دسترس خواهد بود.

قدردانی

این مطالعه مورد حمایت بنیاد ملی علوم طبیعی چین (52478349, 51978390, 51778353)، پروژه همکاری‌های بین‌المللی اداره علم و فناوری استان چینگ‌های (2025-HE-806)، برنامه تحقیقات پایه سال 2023 استان چینگ‌های (2023-ZJ-756) و شورای بورسیه تحصیلی چین (CSC 202506890127) قرار گرفته است.

تعارض منافع

نویسندگان اعلام می‌کنند که هیچ‌گونه تعارض منافعی (conflicts of interest) وجود ندارد.