هر آنچه که باید درباره‌ی ابعاد چشمه ژئوگرید بدانیم

ابعاد چشمه (Aperture size) در ژئوگریدها یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی و انتخاب این محصولات برای پروژه‌های عمرانی و ژئوتکنیکی است. این ویژگی هندسی در نگاه اول ممکن است یک عدد ساده به نظر برسد، اما در واقع نقشی کلیدی در انتقال نیرو، قفل و بست مکانیکی با خاک، مقاومت در برابر بیرون‌کشیدگی و عملکرد بلندمدت سازه دارد. مطالعات متعدد نشان داده‌اند که نسبت بهینه‌ی ابعاد چشمه به اندازه‌ی ذرات خاک می‌تواند کارایی سیستم مسلح‌کننده را به‌طور چشمگیری افزایش دهد و حتی تفاوتی قابل توجه در پایداری پروژه ایجاد کند.

در پروژه‌هایی نظیر دیوارهای خاک مسلح، بستر راه، زیرسازی خطوط ریلی و غیره، انتخاب درست ابعاد چشمه، نه تنها یک تصمیم فنی بلکه یک عامل تعیین‌کننده در موفقیت اجرایی و اقتصادی پروژه است. به همین دلیل، مهندسان طراح و مجریان پروژه باید این پارامتر را با دقت و بر اساس اصول علمی و استانداردهای معتبر تعیین کنند تا حداکثر بهره‌وری و دوام سازه تضمین شود.

تعریف ابعاد چشمه ژئوگرید

ویژگی کلیدی تمام ژئوگریدها ابعاد چشمه آن‌هاست. ابعاد چشمه ژئوگرید یعنی همان فواصل بین نوارهای طولی و عرضی مجاور که به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که امکان برقراری تعامل مؤثر میان ذرات خاک را فراهم کنند. این فضاها به اندازه‌ای هستند که ذرات خاک می‌توانند از یک سمت ژئوگرید به سمت دیگر عبور کرده و درون شبکه درگیر شوند. این ویژگی باعث شکل‌گیری قفل و بست مکانیکی میان خاک و ژئوگرید شده و در نهایت، به افزایش مقاومت برشی و بیرون‌کشیدگی و بهبود عملکرد کلی سیستم مسلح‌کننده منجر می‌شود.

 

شکل ۱ : اجزای اصلی ژئوگرید و تعریف چشمه (Aperture)

 

مفهوم مکانیزم قفل‌وبست

عامل اصلی در عملکرد ژئوگریدها، مکانیزم قفل و بست (Interlocking Mechanism) است؛ فرآیندی که طی آن ذرات خاک درون چشمه‌های ژئوگرید محصور شده و حرکت آزادانه‌ی آن‌ها محدود می‌شود. این درگیری مؤثر میان ذرات خاک و ساختار شبکه‌ای ژئوگرید، موجب انتقال تنش‌ها به لایه‌های مختلف شبکه و در نتیجه افزایش سختی، مقاومت برشی و پایداری سیستم خاک–ژئوگرید می‌گردد. در خاک‌های دانه‌ای، نفوذ ذرات در چشمه‌ها و توزیع گسترده‌تر نیرو باعث بهبود رفتار سازه تحت بارهای ثقلی، ترافیکی و دینامیکی می‌شود. از این‌رو، انتخاب صحیح ابعاد چشمه ژئوگرید تأثیر مستقیم بر کارایی و دوام سازه‌های مسلح‌شده دارد. مزیت اصلی ژئوگریدها در مقاومت مهاری یا بیرون‌کشیدگی (Pullout Resistance) آن‌ها نهفته است؛ به‌ویژه به‌دلیل وجود چشمه‌هایی که امکان درگیری عمیق‌تر ذرات و انتقال مؤثرتر نیرو را فراهم می‌کنند. (شکل ۲، به صورت شماتیک این موضوع را به تصویر می‌کشد.)

 

شکل ۲: مکانیزم قفل‌وبست ژئوگرید و ذرات خاک

 

ایجاد نیروی مقاوم (Passive)

علاوه بر قفل و بست مکانیکی، ژئوگریدها از طریق ایجاد نیروی مقاوم (Passive) نیز با خاک درگیر می‌شوند. زمانی که خاک در برابر حرکت افقی ژئوگرید قرار می‌گیرد، فشار جانبی قابل‌توجهی در مقابل المان‌های عرضی ژئوگرید ایجاد می‌شود که به آن مقاومت پسیو (مقاوم) گفته می‌شود. این مقاومت باعث مهار بهتر جابجایی‌ها و افزایش پایداری مجموعه می‌گردد. به‌ویژه در خاک‌های دانه‌ای، نقش نیروی مقاوم در افزایش ظرفیت برشی و کاهش تغییر شکل‌ها بسیار چشمگیر است. این مکانیزم مکمل قفل‌وبست بوده و باعث بهبود عملکرد کلی سیستم خاک-ژئوگرید می‌شود.

ایجاد اصطکاک و چسبندگی

در کنار قفل و بست مکانیکی و نیروی مقاوم که از درگیری فیزیکی بین ژئوگرید و ذرات خاک ناشی می‌شود، اصطکاک سطحی نیز نقش مهمی در انتقال نیرو بین خاک و ژئوگرید ایفا می‌کند. این اصطکاک باعث می‌شود تا تنش‌ها به‌طور مؤثری به مجموعه ژئوگرید منتقل شوند و پایداری مجموعه افزایش یابد. در خاک‌های ریزدانه مانند رس‌ها، علاوه بر اصطکاک، چسبندگی (Adhesion) بین سطح ژئوگرید و ذرات خاک نیز مؤثر است. این چسبندگی می‌تواند عامل مهمی در بهبود عملکرد مقاومتی سیستم مسلح‌شده باشد. در شکل ۳ به صورت شماتیک هر ۳ نوع مکانیزم ایجاد شده در یک لایه ژئوگرید مشخص شده است.

 

شکل ۳: ۳ نوع مکانیزم ایجاد شده در یک لایه ژئوگرید، شامل قفل‌وبست ذرات و ژئوگرید ، نیروی مقاوم و نیروی اصطکاک و چسبندگی

مفهوم مقاومت بیرون کشیدگی (Pullout) در ژئوگرید

مقاومت بیرون‌کشیدگی (Pullout Resistance) بیانگر توان ژئوگرید در مهارشدگی داخل توده خاک و مقاومت آن در برابر نیروی کششی است که سعی در بیرون‌کشیدن آن دارد. این مقاومت ناشی از سه مکانیزم اصلی است: برش در سطح ریب‌های طولی، برش در سطح ریب‌های عرضی، و مقاومت پسیو (مقاوم) خاک در جلوی ریب‌های عرضی که معمولاً سهم غالب را دارد. نفوذ ذرات خاک درون چشمه‌های ژئوگرید موجب قفل‌وبست مکانیکی و افزایش مؤثر این مقاومت می‌شود؛ بنابراین تناسب میان اندازه چشمه و اندازه متوسط توده خاک (d₅₀) اهمیت زیادی دارد. آزمایش بیرون‌کشیدگی با شبیه‌سازی شرایط واقعی در محل، شاخصی از رفتار ژئوگرید فراهم می‌کند و از نتایج آن ضریب اندرکنش C_i  استخراج می‌شود که برای طراحی ناحیه مهاری در دیوارهای خاک مسلح و سازه‌های مشابه به کار می‌رود.

A= 2 * C_i * L_e * σ_n * tanϕ

که در این رابطه:

A = ظرفیت مهاری (بیرون کشیدگی) به ازای هر واحد عرض (کیلونیوتن بر متر)

C_i = ضریب اندرکنش (بی‌بعد)

L_e = طول مهار ژئوگرید در خاک (متر)

 تنش مؤثر عمودی وارد بر ژئوگرید (کیلوپاسکال) = σ_n′

 زاویه اصطکاک مؤثر خاک (درجه) = φ′

 

شکل ۴: جعبه آزمایش بیرون‌کشیدگی خاک برای ارزیابی رفتار بیرون کشیدگی ژئوگریدها

 

بررسی ابعاد بهینه چشمه‌های ژئوگرید

در آزمایش برش مستقیم با ژئوگرید، عملکرد سطح تماس خاک و ژئوگرید بررسی می‌شود. در این روش، ژئوگرید روی یک لایه خاک ثابت قرار می‌گیرد و تحت تنش نرمال مشخص، به صورت افقی کشیده می‌شود تا مقاومت برشی (حداکثر تنش برشی قبل از لغزش) اندازه‌گیری شود[۱]. این آزمایش برای تعیین دو پارامتر کلیدی انجام می‌شود: زاویه اصطکاک بین خاک و ژئوگرید (δ) و چسبندگی ظاهری (c_a). با مقایسه این مقادیر با پارامترهای خاک بدون ژئوگرید (φوc)، بازده اصطکاک و چسبندگی (EφوEc) محاسبه می‌شود.

E_φ = (tanδ / tanφ)*۱۰۰

E_c = (C_a / C)*100

 

که در این روابط:

E_φ = نسبت زاویه اصطکاک بین خاک و ژئوگرید به زاویه اصطکاک خود خاک، به‌صورت درصد. هرچه بیشتر باشد، درگیری اصطکاکی بهتر است (بازده اصطکاک).

E_c = نسبت چسبندگی خاک-ژئوگرید به چسبندگی خود خاک.

δ = زاویه اصطکاک بین خاک و ژئوگرید.

φ =زاویه اصطکاک بین ذرات خاک.

برای به‌دست‌آوردن نتایج دقیق، باید از جعبه‌های برش بزرگ (حداقل ۳۰×۳۰ سانتی‌متر طبق ASTM D5321 وISO 12957) استفاده شود تا اثر مقیاس کاهش یابد. نتایج نشان می‌دهد که در بسیاری از موارد، اصطکاک بین خاک و ژئوگرید تقریباً برابر یا حتی بیشتر از اصطکاک در خود خاک است، زیرا چشمه‌های بزرگ و ریب‌های ضخیم ژئوگرید باعث می‌شوند سطح گسیختگی درون خاک شکل بگیرد نه در امتداد سطح ژئوگرید.

همچنین نسبت بهینه‌ی عرض چشمه ژئوگرید به اندازه میانگین دانه خاک (d₅₀) حدود ۳٫۵ برابر پیشنهاد می‌شود (B_GG>3.5d₅₀) تا درگیری مؤثر و انتقال تنش حداکثر شود. این رابطه راهنمای مهمی در انتخاب نوع خاک مناسب برای خاکریزی روی ژئوگریدهاست. در این رابطه B_GG بیانگر حداقل عرض چشمه ژئوگرید و d₅₀ بیانگر میانگین اندازه دانه‌های خاکریز است[۲].

 

شکل ۵: آزمایش و روش اندازه‌گیری مقاومت برشی در سطح تماس خاک و ژئوگرید

 

همچنین در یک مطالعه آزمایشگاهی توسط احمدی و نیکبخت‌مقدم[۳]، پنج نمونه ژئوگرید با ابعاد دهانه‌ (چشمه)‌ متفاوت، اما با مقاومت کششی یکسان در واحد طول، طراحی و تولید شد و مورد آزمایش قرار گرفت. در این پژوهش، تعداد ردیف‌های عرضی در واحد طول و تعداد ردیف‌های طولی در واحد عرض برای همه نمونه‌ها برابر بود. این هدف با تغییر تعداد الیاف در ردیف‌های طولی و عرضی حاصل شد. به‌عنوان نمونه، همان‌طور که در شکل ۶ نشان داده شده است، ژئوگریدهای (الف) و (ب) ابعاد دهانه متفاوتی داشتند، اما تعداد ردیف‌های طولی در واحد عرض آن‌ها یکسان بود.

 

شکل ۶ : ساختار ژئوگریدهای (الف) و (ب) با ابعاد چشمه متفاوت، اما با تعداد نخ‌های طولی یکسان در واحد عرض.

 

برای مقایسه عملکرد تاثیر ابعاد چشمه برای خاک ، از ۴ نوع خاک مختلف با دانه بندی متفاومت استفاده شده که در جدول زیر پارامترها آورده شده اند.

 

جدول ۱: مشخصات خاک مورد استفاده در آزمایش

 

شکل ۷ : نمودار دانه‌بندی خاک‌های مورد استفاده در آزمایش

 

 

جدول ۲: ابعاد چشمه‌های ژئوگرید مورد استفاده در آزمایش

 

شکل ۸ مقاومت بیرون کشیدگی متوسط (POR) ژئوگریدها را برای خاک S1 نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌شود، برای خاک S1 که دارای ریزترین ذرات در میان انواع خاک‌ها است، بالاترین POR با ژئوگرید AA به دست آمده است که کوچک‌ترین ابعاد چشمه را دارد.

در واقع، تغییر ابعاد چشمه‌های ژئوگریدها دو اثر متمایز دارد. اولاً، این تغییر اندازه، ناحیه‌ای را که ذرات خاک می‌توانند در آن قرار بگیرند و با ژئوگریدها قفل و بست شوند، تغییر می‌دهد و ثانیاً، تعداد نوارهای عرضی و طولی را تغییر می‌دهد که به‌طور مستقیم بر نیروی اصطکاک بین ژئوگرید و خاک تأثیر می‌گذارد. مقایسه CA، CB  و  CC  که دارای عرض چشمه یکسان اما طول چشمه متفاوتی هستند، نشان می‌دهد که افزایش تعداد نوارهای عرضی در واحد طول منجر به افزایش POR  می‌شود.

 

شکل ۸ : مقاومت بیرون‌کشیدگی نمونه‌های ژئوگرید در خاک نوع S1.

 

نتایج آزمایش بیرون کشیدگی برای نوع خاک S2  در شکل ۹ نشان داده شده است. با در نظر گرفتن BB ،AA و CC به عنوان ژئوگرید های با چشمه مربعی، به وضوح مشخص است که BB بالاترین POR  را دارد، که نشان می‌دهد ذرات S2 بهترین قفل و بست را با چشمه های BB دارند. مقدار AA بالاتر از مقدار CC است که می‌تواند به تعداد بیشتر نوارهای درگیر مربوط باشد.

مقدار CB بالاترین مقدار را در میان تمام نمونه‌ها دارد، هرچند که تفاوت آن با BB از نظر آماری معنادار نیست. نتایج ممکن است نشان دهند که POR نسبت به تراکم نوارهای عرضی حساس‌تر از نوارهای طولی است. کاهش تراکم نوارهای عرضی از نمونه CB به CC منجر به کاهش قابل توجهی در POR می‌شود، در حالی که کاهش تراکم نوارهای طولی از BB به CB یا حتی از AA  به CA تغییر معناداری را نشان نمی‌دهد. بنابراین، با در نظر گرفتن اندازه متوسط ذرات خاک به عنوان d₅₀، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که برای S2، یک ژئوگرید مناسب ممکن است دارای طول چشمه‌ای حدود ۹ برابر مقدار d₅₀ باشد. عرض چشمه ممکن است دارای دامنه وسیع‌تری باشد.

 

شکل ۹: مقاومت بیرون‌کشیدگی نمونه‌های ژئوگرید در خاک نوع  S2.

 

مقاومت بیرون کشیدگی نمونه‌ها برای نوع خاک S3 در شکل ۱۰ نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که CB بالاترین مقدار را دارد و در میان نمونه‌ها با چشمه مربعی، BB بالاترین مقاومت را نشان می‌دهد. از آنجایی که هر دو BB  و CB دارای تراکم نوارهای عرضی یکسانی هستند، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که در میان ابعاد چشمه‌های موجود در این مطالعه، طول چشمه ۲۳ میلی‌متر بهترین نتایج را برای S3 نشان می‌دهد. این مقدار تقریباً برابر با ۳ برابر مقدار d₅₀ خاک است. علاوه بر این، مقدار بالای POR در CB نشان می‌دهد که عرض چشمه ۳۱ میلی‌متر در نمونه‌های آزمایش شده، مناسب‌ترین عرض است. این مقدار معادل حدود ۴ برابر مقدار d₅₀ خاک S3 است.

 

 

شکل ۱۰ : مقاومت بیرون‌کشیدگی نمونه‌های ژئوگرید در خاک نوع  S3.

 

به طور مشابه، S4  که نوع دیگری از خاک‌های بد دانه بندی شده است، باید بهترین تطابق را با چشمه هایی به مراتب بزرگ‌تر از چشمه های نمونه‌های این مطالعه داشته باشد. بنابراین، هدف از آزمایش S4 بررسی رفتار بیرون کشیدگی زمانی است که چشمه‌ها بسیار کوچکتر از مقادیر بهینه باشند. نتایج آزمایشPOR  بر رویS4  در شکل ۱۱ نشان داده شده است. با این حال، باید توجه داشت که انحراف معیار داده‌ها در تمام نمونه‌ها به قدری بالا بود که تفاوت معناداری بین برخی از نمونه‌ها به طور آماری قابل تشخیص نبود. حتی افزایش تعداد آزمایش‌ها برای این خاک نیز منجر به کاهش قابل توجهی در انحراف معیار داده‌ها نشد. این ممکن است به این دلیل باشد که زمانی که چشمه ها کوچک هستند، این موضوع به شانس بستگی دارد که آیا برخی ذرات یا بخشی از آن‌ها می‌توانند با چشمه ها قفل شوند یا خیر؛ بنابراین، پراکندگی بالای داده‌های بیرون کشیدگی قابل مشاهده است. بنابراین، به نظر می‌رسد که قضاوت خوبی در مورد نتایج ممکن نیست.

 

شکل ۱۱ : مقاومت بیرون‌کشیدگی نمونه‌های ژئوگرید در خاک نوع  S4.

 

علاوه بر این، مقایسه شکل‌های ۸ تا ۱۱ نشان می‌دهد که افزایش اندازه ذرات خاک منجر به افزایش POR ژئوگرید می‌شود. این موضوع با انتظارات همخوانی دارد، زیرا ذرات بزرگ‌تر نیروی مهاری بیشتری بر روی ژئوگریدها ایجاد می‌کنند.

آقای شوکلا [۴] نیز در کتاب خود با عنوان مقدمه‌ای بر مهندسی ژئوسنتتیک‌ها، مشخصات فیزیکی ژئوگریدها بخصوص، ابعاد چشمه ژئوگریدها را بر اساس روش تولید آن‌ها طبقه‌بندی و برای هر نوع ژئوگرید، دامنه‌ی معمولی را ارائه کرده است.

جدول ۳: محدوده‌ی متداول برخی ویژگی‌های مشخص ژئوگریدهای موجود در دنیا [۴]

روش ساخت ژئوگرید	مقاومت کششی (kN/m)	ازدیاد طول در بار حداکثر (%)	ابعاد چشمه (mm)	جرم در واحد سطح (g/m2)
اکسترود شده (به روش جوشی)	۱۰-۲۰۰	۲۰-۳۰	۱۵-۱۵۰	۲۰-۱۱۰۰
بافته شده	۲۰-۲۵۰	۳-۲۰	۲۰-۵۰	۱۵۰-۱۱۰۰

همچنین، استاندارد FP-14  با عنوان Standard Specifications for Construction of Roads and Bridges on Federal Highway Projects، یکی از مراجع فنی معتبر منتشرشده توسط Federal Highway Administration (FHWA)  ایالات متحده آمریکا است[۵]. این استاندارد، الزامات فنی و مشخصات مصالح مختلف مورد استفاده در پروژه‌های عمرانی، از جمله ژئوسنتتیک‌ها، را به‌طور جامع بیان کرده است.

در بخش مربوط به ژئوگریدها، استاندارد ۱۴-FP  دامنه‌ی مجاز ابعاد چشمه (Aperture Size) را بر اساس الزامات عملکردی و سازگاری با نوع مصالح دانه‌ای تعیین می‌کند. مقادیر حداقل و حداکثر ابعاد چشمه ژئوگرید مطابق با استاندارد ۱۴-FP در جدول زیر آورده شده است.

جدول ۴ : الزامات ژئوگرید[۵]

ویژگی	روش آزمایش	مقدار (میلی‌متر)
حداقل ابعاد چشمه	اندازه‌گیری مستقیم با کولیس	۱۳
حداکثر ابعاد چشمه	اندازه‌گیری مستقیم با کولیس	۷۵

جمع بندی

ابعاد چشمه‌ی ژئوگرید شاید در نگاه اول فقط یک مشخصه‌ی هندسی ساده به‌نظر برسد، اما در واقع نبض عملکرد کل سیستم مسلح‌کننده در دل همین جزئیات نهفته است. اندازه‌ی چشمه تعیین می‌کند که خاک چگونه درگیر شود، نیروها چطور منتقل شوند و پایداری سازه تا چه حد پایدار بماند. کوچک یا بزرگ بودن بی‌حساب آن، می‌تواند تفاوت میان یک دیوار خاک مسلح پایدار و یک شکست زودرس را رقم بزند.

پژوهش‌ها و استانداردها از کرنر تا شوکلا و FP-14 همگی بر یک اصل کلیدی تأکید دارند که نسبت درست بین اندازه چشمه و اندازه ذرات خاک، شاه‌کلید قفل و بست مؤثر و مقاومت بیرون‌کشیدگی بالا است.

وقتی ابعاد چشمه به‌درستی انتخاب شود، سه مکانیزم حیاتی ( قفل‌وبست مکانیکی، نیروی مقاوم (Passive Resistance) و اصطکاک و چسبندگی سطحی ) در بالاترین سطح خود عمل می‌کنند و ژئوگرید به بخشی از توده‌ی خاک تبدیل می‌شود نه صرفاً یک لایه‌ی مجزا. به بیان دیگر، طراحی بهینه‌ی ابعاد چشمه فقط یک عدد در دیتاشیت نیست؛که بیانی از درک عمیق مهندس از رفتار خاک و ژئوسنتتیک است.

پس هر بار که قرار است ژئوگریدی برای پروژه انتخاب شود، یادتان باشد:

ابعاد چشمه‌ی درست، به‌اندازه‌ی مقاومت کششی مهم است؛ خوشبختانه، این معیار به راحتی می‌تواند با انتخاب‌های گسترده‌ای از انواع خاک برای اهداف خاکریزی سازگار باشد.

 

 

 

منابع

1. Koerner, R.M., Designing with geosynthetics-Vol. 1. Vol. 1. 2012: Xlibris Corporation.
2. Sarsby, R. The influence of aperture size/particle size on the efficiency of grid reinforcement. in Proc., 2nd Canadian Symp. on Geotextiles and Geomembranes. 1985.
3. Saleh Ahmadi, M. and P. Nikbakht Moghadam, Effect of geogrid aperture size and soil particle size on geogrid-soil interaction under pull-out loading. Journal of textiles and polymers, 2017. 5(1): p. 25–۳۰.
4. Shukla, S.K., An introduction to geosynthetic engineering. 2025: CRC Press.
5. HIGHWAY, F., STANDARD SPECIFICATIONS FOR CONSTRUCTION OF ROADS AND BRIDGES ON FEDERAL HIGHWAY PROJECTS (FP-14). 2017: EISENBRAUNS.