ژئوممبران ها اغلب در کارهای مرتبط با مهندسی عمران مورد استفاده قرار می گیرند تا یک مانع هیدرولیکی را بوجود بیاورند. با وجود تمامی سیستم های لایه ای حفاظتی، تغییر شکل هایی در ژئوممبران ها بوجود می آید که با توجه به فرورفتگی ها باید به صورت کمی مورد بررسی و ارزیابی قرار بگیرند.
عملکرد اصلی ژئوممبران تاثیرناپذیر ماندن در تمامی مدت طراحی پروژه است.با این حال تنش های مکانیکی بوجود آمده توسط مواد محدودشده باعث ایجاد تغییر شکل در ممبران می شود و در موقعیت بحرانی نهایتا منجر به سوراخ شدن ان می شود (نمودار 1).
یک ژئوسینتتیک محافظ باید با توجه به ژئوممبران تایید شده وبا توجه به ضخامت ان و همچنین با در نظر گرفتن مواد موجود در خاک ( به ویژه مواد معدنی لایه ی زهکشی) و همچنین با توجه به این طراحی منحصربهفرد مشخص شود.
هدف کلی و اصلی لایه محافظ شامل موارد زیر است:
کاهش خطر آسیب ژئوممبران یا سوراخ شدگی آن در طول ساخت و در طول عملکردهای بعدی (نمودار 2).کاهش تغییر شکل در ژئوممبران و همچنین کاهش خطر ایجاد سوراخ شدگی در آینده که به طور مثال در نتیجه ی فشار های محیطی سریع رخ می دهد. انتخاب نامناسب ژئوتکستایل های می تواند در تخریب لایه ها ی سطحی تاثیر بگذارد (نمودار 1).
تست سیلندر بر اساس EN 13719
با توجه به برنامه های کاربردی گوناگون اروپایی که در رابطه با استاندارد ها است، مزایای محافظتی یک ژئوسینتتیک نسبت به یک ژئوممبران باید بر اساس EN 13719 تست شود.
سیستم آب بندی دفن لندفیل باید برای طول عمر مشخص شده کار کند که این طول عمر در آلمان بیش از صد سال در نظر گرفته می شود. به همین دلیل این سیستم آب بندی باید در این محیط قابل اتکا باشد. همان طور که یکی از سیستم های آب بندی به طور ویژه یک ژئوممبران می باشد یکی از الزامات این خواهد بود که ژئوممبران ها باید سالم و بدون آسیب دیدگی نصب شوند. دومین مورد سالم ماندن ژئوممبران تحت شرایط محیطی ویژه است که شامل فشارهای مکانیکی است که ناشی از فشار دفن بیش از حد زباله است.
استاندارد اروپایی EN 13719 تشخیص مزایای حفاظت طولانی مدت ژئوسینتتیک را با موانع ژئوسینتتیک توضیح می دهد که برای تشخیص کارایی حفاظتی در سیستم های سطحی در کارهای مرتبط با دفن زباله می باشد اما محدود به فعالیت های مرتبط با دفن زباله نیست. این تست تنها برای هدف اندازه گیری و تشخیص مقادیر و مقایسه ی تست ها بین محصولات گوناگون معتبر است. بنابراین بیشتر به عنوان یک تست شاخص در نظر گرفته می شود. با این حال پیوست B این تست را برای نتایج موقعیت محور توضیح می دهد که شامل مواد در دسترس برای ارزیابی کارایی یک محافظ می باشد.
تست شاخص EN 13719 (نمودار 4) همیشه نیاز دارد که این تست را در 3 ظرفیت انجام دهد که شامل موارد زیر است: 300 کیلو نیوتن بر متر مربع، 600 کیلونیوتن بر مترمربع و 1200 کیلو نیوتن بر متر مربع. این ظرفیت در بالاترین سطح یک استاندارد یعنی مصالح دانه ای ( توپ های فلزی با قطر 20 میلی متری) به کار می روند که در بالاترین قسمت نمونه ی ژئوسینتتیک قرار می گیرند (نمودار 3، سمت چپ)، که توسط یک زیر بنای استاندارد مشابه حمایت می شود (ورقه ی سربی و لایه ی لاستیکی متراکم) برای صد یا هزار ساعت (جدول 1).
این تغییر شکل محلی در پایین ترین سطح ژئوممبران در سطح ورقه ی سربی اندازه گیری می شود و برای تشخیص کارایی این ورق محافظ مورد استفاده قرار می گیرد.
- ظرفیت استفاده شده
- سیلندر
- جداسازی ژئوتکستایل
- بیست میلی متر توپ فلزی (تست شاخص) یا لایه ی معدنی زهکشی ( پیوست B )
- 5. ژئوتکستایل محافظ
- سطوح فلزی صاف
- حفره های بارگیری
- پایین ترین و بالا ترین سطح
- پوشش الومستر
- ماسه
پیوست B در EN 13719 ( نمودار 3، سمت چپ) روش تست برای شرایط مکانی ویژه ای را با مواد زهکشی در موقعیت ویژه ای و فشار های محدود و قابل استفاده را نشان می دهد. این تست الزامی است زیرا مصالح دانه ای با لبه های تیز در مقایسه با مصالح کروی شکل می توانند موجب آسیب های شدیدی بشوند.
سپس این بارگیری فعال بر روی لبه های تیز تمرکز می کند و احتمالا فشار های محلی بیشتری را ایجاد کند. در یک مورد ایده ال یک ژئوسینتتیک محافظ باید این تنش های فشرده و قابل نفوذ را به گونه ای ایجاد کنند که بارگیری این تنش های متراکم در ژئوممبران به طور یکنواختی در کل سطح انجام شود. در واقع، تاثیر حفاظتی یک لایه ی محافظ در صورتی قابل ملاحظه خواهد بود که این توزیع بار در این لایه ی محافظ در چنین وسعتی پراکنده شود که فقط یک فرورفتگی کوچکی در ژئوممبران ایجاد کند.
تغییرشکل بحرانی محدود در ژئوممبران ها به منزله ی آسیب در ساختار این ماده ی شفاف جزئی است که وقتی که این تغییر شکل ها از حد مجاز بیشتر شوند گسترش می یابند که ممکن است به صورت تنش های سریع میکروسکوپی افزایش یابند. به طور معکوس، شکل گیری سریع این فشار در صورتی که تغییر شکل در سطحی پایین تر از محدوده ی این تغییر شکل باشد، صرف نظر از فشار وارد شده غیر ممکن خواهد بود.
این تغییر شکل محدود بحرانی در مواد HDPE در دامنه ای 3 درصدی اتفاق می افتد ( نمودار 5، تخریب شکل جزئی). چنین مقادیر محدودی برای تخریب شکل مجاز همچنین می تواند از روش های دیگری ایجاد شود. کچ و همکارانش ( 1988) پیشنهاد کردند که فشار های کششی به گونه ای در نظر گرفته شده اند که از رویدادهای تغییر شکل گوناگونی به وجود آمده اند که در حالت سکون قرار گرفتن این فشارها نیز مورد توجه قرار گرفته اند.
این فشارها سپس با سطح فشاری مقایسه می شوند که مواد HDPE می توانند آنها را در طول یک دوره ی طولانی مدت و بدون ایجاد سریع فشار تحمل کنند (تست فشار طولانی مدت). نارجو (1995) سطوح حفاظت را در مقابل سوراخ شدگی در ژئوممبران ها را تحت شرایط بارگیری ویژه ای تعریف کرد:
سطح I که به صورت ویژه ای در سیستم های خطی برای مواد سمی خطرناک مورد استفاده قرار می گیرند. این سطوح نیاز دارند که سیستم سطحی به گونه ای طراحی شوند که کمتر از 0.25 از هر درصد از تغییرات نسبی را مشخص کنند که بر اثر فشار ناشی از بارگیری در ژئوممبران رخ می دهد.
سطح II ( سطح محافظتی میانی) که برای مواد بی خطر مورد استفاده قرار می گیرند. این سطح حفاظتی میانی در بین سطح حفاظتی I و تحت فشار یک ژئوممبران HDPE قرار دارد. این فشار ژئوممبران HDPE در حالت فرورفتگی به عنوان یک نقص در سطح II محافظتی در نظر گرفته می شود.به عبارت دیگر سیستم خط کشی تغییر شکل ژئوممبران مجاز است که دارای ژئوممبران هایی با تغییر شکل بیش از 0.25 در هر درصد باشند اما به گونه ای که تاثیری در فشار وارد شده بر ژئوممبران HDPE نگذارد.
ویلسون فاهمی و همکارانش در سال 1996، و نارنجوو همکارانش 1996، و کوئرنر و همکارانش در سال 1996 و بعد از آن کوئرنر در سال 2010 یک پایه ای را برای طراحی لایه ی حفاظتی سازگار با این سیستم را بوجود آوردند.
یک حداکثر از 25 درصد از تغییر محلی EL به عنوان مقدار محدود برای تغییر شکل محلی در المان و بسیاری از کشور های اروپایی تنظیم شده است. این مقدار توسط گروه المانی Quo Vadis پیشنهاد شده است که توسط چندین نفر با نام های سیگر و غیره توضیح داده شده است.
تغییر شکل بحرانی محدود HDPE در محدوده ای بین 3 تا 5 درصد قرار دارد. اگر این تغییر شکل ها باعث ایجاد آسیب در این ساختار شود می تواند موجب افزایش فشار سریع شود. این مقدار از 3 تا 5 درصد باید با تغییر شکل لبه ی EB در یک تغییر نسبی مقایسه شود. بخش بیرونی ژئوممبران خمیده کشیده شده است و بخش داخلی در اثر خمیدگی و تا خوردگی تحت فشار است.
نمودار 6 یک مثال از یک محاسبه ی FEM را با یک تغییر شکل نسبی محلی در 0.25 درصد نشان می دهد. نمودار بعضی از بخش های لبه یا قسمت های تاخورده و تغییر شکل یافته را در 4 درصد، 1 درصد و 3.6 درصد نشان می دهد.
بالاترین میزان برای تغییر شکل محلی 0.25 درصد در نظر گرفته شده است که همان طور که نشان داده شده است این مقدار شبیه به یک تاخوردگی و خمیدگی به میزان 3 درصد است که یک تغییر شکل بحرانی برای HDPE است. علاوه بر این، ژئوممبران می تواند در پی حملات شیمیایی و دوره ای تحت فشار بیشتری قرار بگیرد.
بنابراین این تغیر شکل می تواند به عنوان یک پدیده برای طراحی لایه های محافظتی مورد استفاده قرار بگیرد: لایه های محافظتی باید به گونه ای طراحی شوند که تغییر شکل محلی که ناشی از فرورفتگی توسط اشیایی با لبه ها و دارای نوک است از تغییر شکل مجاز تجاوز نکند. بنابراین یک تغییر شکل محلی 0.25 درصد به عنوان مقدار محدودی برای تغییر محلی در المان و بسیاری از کشور های اروپایی در نظر گرفته شده است.
تجهیزات تست و روش ها
سیلندر تست دارای سطح داخلی صاف است و قطر داخلی ان باید بین 300 میلی متر تا 500 میلی متر باشد. این الوستومر که بر اساس تنظیمات ازمایش دارای ضخامت 25 میلی متر به علاوه و منهای 1 میلی متر است و دارای سختی به میزان 50 به علاوه و منهای Shore A و دارای قطری شبیه به قطر لوازم تست می باشد. در بالا ترین بخش الومستر یک صفحه ی فلزی صاف برای اندازه گیری تغییر شکل قرار گرفته است که همانند ژئوممبران و لایه های حفاظتی است که باید مورد بررسی قرار بگیرند.
برای بررسی کارایی این محافظ ها یک ژئوممبران HDPE با ضخامت 2.5 میلی متر استفاده شده است. برای شبیه سازی شرایط مکانی مورد انتظار این تست به مدت 1000 ساعت و در یک دمای 40 درجه ی سانتی گراد و با 1.5 دفعه ایجاد فشار مورد انتظار در این موقعیت است.
برای کاهش زمان تست در دمای آزمایشی 20 درجه ی سانتی گراد به جای محیط واقعی دفن زباله یعنی 40 درجه ی سانتی گراد، این روش تست امکان کاهش دما را از 40 درجه به 20 درجه ی سانتی گراد فراهم آورد و با میزان زمان کمتر یعنی 100 ساعت به جای 1000 ساعت، و این در صورتی است که میزان این فشار بوسیله ی سایر فاکتورها از 2.25 تا 2.5 افزایش پیدا کند. این فاکتور ها نه تنها در پیوستB EN 13719 قرار گرفته اند بلکه همچنین در توضیحات BAM المان نیز آمده اند.
بر اساس نیازمندی های تست دو روش متفاوت قابل ازمایش خواهند بود که در طول بررسی مورد استفاده قرار گرفته اند.
تست شاخص: توپ های آهنی با قطر 20 میلی متر و کمترین ضخامت لایه به میزان 150 میلی متر که در بالاترین قسمت لایه ی محافظ قرار دارد.
پیوست B دارای کاربرد مرتبط با تست می باشد ساختار متراکم گرانولی در دسترس که با ضخامتی بیش از 300 میلی متر نصب شده است.
ارزیابی تغییر شکل بوسیله ی EN 13719
برای ارزیابی تغییر شکل ژئوممبران، سطح صاف فلزی مورد ازمایش قرار می گیرد. در صورت وجود سوراخ و هر گونه آسیب دیدگی واضح تعداد آنها ثبت می شود.
در بخش بعدی 5 مورد تخریب به همراه بیشترین تغییر شکل در ورقه ی فلزی انتخاب شده اند. با این حال، تنها تغییر شکل هایی که با فاصله ی بیش از 25 میلی متر از لبه قرار دارند مورد بررسی قرار می گیرند. برای هر کدام از تخریب ها دو محور مستطیلی بر روی صفحه و در عمق ترین نقطه کشیده شده است.
با کمک ابزار اندازه گیری تغییر شکل، میزان این تغییر شکل برای هرکدام در طول این محور 3 میلی متر به علاوه و منهای 0.20 در نظر گرفته شده است. میزان تغییر شکل عمودی حدود 0.01 میلی متر در هر فاصله ی افقی از یک طرف تغییر شکل به طرف دیگر در نظر گرفته شده است. لبه ی این تغییر شکل به عنوان یک نقطه تعریف می شود که دو تفسیر پی در پی یک طول عمودی متفاوت که کمتر یا برابر 0.06 است. سپس این روش در طول سایر محورها تکرار شده است. اندازه گیری تغییر شکل باید در طول دوره ی 24 ساعتی و بعد از حذف فشار استفاده شده انجام شود