توصيفگر ها :
گراديان حرارتي , ماده آبگريز , سيليكا آيروژل , ژئوتكستايل , كاهش يخبندان , لنزهاي يخي
چكيده فارسي :
با گسترش شهرنشيني و توسعه صنعت در دهه‌هاي اخير، نياز به ساخت و سازهاي مهندسي و بهسازي لايه‌هاي زيرين خاك به منظور افزايش مقاومت خاك و كنترل عوامل اقليمي و محيطي خطرساز افزايش يافته است. بالازدگي خاك در اثر يخبندان يكي از چالش‌هاي رايج مهندسي ژئوتكنيك در مناطق سردسير محسوب مي‌شود. وجود خاك ريزدانه مستعد يخ‌زدگي، نفوذ دماي انجماد و آب در خاك از علل مؤثر بر بالازدگي يخبندان محسوب مي‌شود. روش‌هايي مانند جايگزيني خاك‌هاي درشت‌دانه به جاي ريزدانه، استفاده از مواد با هدايت حرارتي پايين و كاهش نفوذپذيري خاك با مصالحي چون سيمان، آهك و خاكستر بادي از جمله روش‌هايي هستند كه براي كنترل يخ‌زدگي خاك به كار گرفته مي‌شوند. با توجه با مشكلات مواد شيميايي براي محيط زيست و حجم عمليات خاكي زياد در برخي از روش‌هاي رايج، در اين تحقيق با استفاده از سيليكا آيروژل، به عنوان نانو مواد ابر عايق حرارتي، ژئوتكستايل با هدايت حرارتي پايين و ماده آبگريز براي جلوگيري از نفوذ آب، ساختار تركيبي جديدي براي كنترل يخ‌زدگي خاك طراحي شد. خاك مورد استفاده در اين مطالعه، پس از انجام آزمايش‌هاي شناسايي از نوع ماسه لاي‌دار طبقه‌بندي گرديد. سيليكا آيروژل در سه مقدار 35/0، 7/0 و 4/1 درصد وزني ماده آبگريز و ژئوتكستايل در0، 1 و2 لايه خاك در چيدمان‌هاي مختلف بر روي سطح خاك مورد استفاده قرار گرفتند. نمونه‌هاي خاك در سه ارتفاع 10،5 و15 سانتي متر ساخته شده و سيليكا آيروژل پراكنده شده در ماده‌آبگريز و لايه‌هاي ژئوتكستايل در چيدمان‌هاي متفاوت بر روي سطح نمونه‌ها قرار داده شدند. طراحي آزمايش‌ها به روش تاگوچي(TODE) انجام شد و در نهايت با استفاده از تحليل تاگوچي ساختار بهينه براي پوشش عايق حرارت به‌دست‌آمد. با وارد كردن دماي 5- به سطح بالايي نمونه، تغييرات دماي انتهاي نمونه ثبت و ميزان افت دما محاسبه شد. بر اساس تحليل تاگوچي، حالت بهينه شامل 7/0 درصد سيليكا آيروژل، 2 لايه ژئوتكستايل در نمونه به ارتفاع 5 سانتي‌متري نمونه تعيين گرديد. معلوم شد كه تأثير ژئوتكستايل در كاهش گراديان حرارتي در نمونه‌ها بيشتر از سيليكا آيروژل است. باتوجه به نتايج آزمايش، استفاده از سيليكا آيروژل 7/0 درصد به تنهايي سبب كاهش14 درصدي گراديان حرارتي نسبت به نمونه طبيعي خاك مي‌شود. در حالت بهينه يعني استفاده از دولايه ژئوتكستايل همراه با سيليكا آيروژل 7/0 درصد سبب كاهش 34 درصدي گراديان حرارتي مي‌شود كه تفاوت چنداني با حالت كاربرد دولايه ژئوتكستايل همراه با سيليكا آيروژل 4/1 درصد، در كاهش گراديان حرارتي ندارد. همچنين بر مبناي نتايج حاصل مشخص گرديد كه هرچه ارتفاع نمونه بيشتر شود، تأثير عايق بر روي كاهش گراديان حرارتي كمتر مي‌شود.
چكيده انگليسي :
With the expansion of urbanization and industrial development in recent decades, the need for engineering constructions and subgrade soil improvement to increase soil resistance and control natural hazards has increased. Frost heave is one of the common challenges of geotechnical engineering in cold regions. The presence of frost susceptible fine-grained soil, and penetration of freezing temperature and water into the soil are the main causes of soil frost heave. Methods such as the replacement of fine-grained soils with coarse-grained ones, using materials with low thermal conductivity, and reducing soil permeability through materials such as cement, lime, and fly ash are among several methods used to control frost heave. Regarding the environmentally hazardous impacts of chemicals and large volumes of earthworks in some of the conventional methods, this study employed silica aerogel as a super thermal insulation nanomaterial, geotextile with low thermal conductivity and hydrophobic material to prevent water penetration and freezing temperature into the soil. In this way, a new composite structure was designed to control the soil freezing. The soil used in this study was classified as silty sand through standard identification tests i.e. particle size distribution and Atterberg limits tests. Silica aerogel was used in three amounts of 0.5%, 0.7%, and 1.4% by weight of hydrophobic material, and geotextile was applied in 0, 1, and 2 layers on the soil top surface. Soil samples were prepared at three heights of 5, 10, and 15 cm, and silica aerogel dispersed in hydrophobic material and geotextile were placed at various arrangements on the top of the samples. The experiment was designed by the Taguchi method and finally, the optimum condition was obtained by Taguchi analysis. By exposing the top surface of the prepared sample to a temperature of -5°C, temperature changes at the end of the sample were recorded and the temperature gradient along the sample was determined. Based on Taguchi analysis, the optimum condition was determined as 0.7% silica aerogel, 2 layers of geotextile at 5 cm sample height. The effect of geotextile on reducing thermal gradient in samples is more than silica aerogel. According to the test results, the use of 0.7% silica aerogel alone reduces the thermal gradient by 14% compared to the natural soil sample. For the optimum case i.e. two layers of geotextile with 0.7% silica aerogel, the thermal gradient of sample reduced by 34%, which is nearly the same as obtained for the usage of 1.4% silica aerogel along with two layers of geotextile. Also, based on the obtained results, it was found that as the height of the sample increases, the effect of insulation on reducing the thermal gradient decreases.
