روپوش به موادی گفته می‌شود که مستقیماً پیرامون لوله را در بر گرفته‌اند. ممکن است این مواد، از بیرون تهیه شده باشند.

مواد روپوش لوله

روپوش به موادی گفته می‌شود که مستقیماً پیرامون لوله را در بر گرفته‌اند. ممکن است این مواد، از بیرون تهیه شده باشند، مثل سنگ آسیاب شده (پودر سنگ)، و یا حاصل از گودبرداری برای جایگذاری لوله باشند. در این مورد (روپوش حاصل از گودبرداری ترانشه) به آن خاک محلی می‌گویند.
مواد روپوش باید به منظور کمینه سازی خمش لوله در اثر فشارهای زمین، دارای استحکام، سفتی، یکنواختی سطح تماس و پایداری کافی باشند. مقدار فشاری که از طرف زمین به لوله وارد می‌شود، در نقاط مختلف محیط لوله متغیر است. فشار وارد بر تاج لوله و کف لوله معمولاً کمتر از میدان تنش آزاد است. معمولاً بیشترین فشار بر سطح جانبی لوله، بدلیل حرکت عرضی و کمانش آن، بر دو سمت خط فنری لوله وارد می‌شود.
از آنجاییکه فشار زمین در پیرامون لوله اثر می‌کند، بسیار اهمیت دارد که لوله را کاملاً در روپوش محاط کنیم (این مسئله ممکن است بسته به فشار زمین، عمق دفن و SDR کمی متغیر باشد). مهندس طراح به منظور اطمینان از عملکرد درست روپوش در شرایط کاری، مقدار پوشش مجاز و حداقل چگالی (تراکم) قابل قبول برای آن را تعیین می‌کند.
خواص خاک محلی که لوله در آن نصب می‌شود، به اندازه خواص مواد روپوش اهمیت ندارد (مگر اینکه از آن بعنوان مواد روپوش هم استفاده شده باشد). خاک محلی ممکن است فشارها و تغییر شکل‌های اضافی را تجربه کند که ناشی از فشارهای افقی وارد شده توسط لوله است و توسط مواد روپوش به آن منتقل می‌شود. معمولاً این اثری جزئی است، اما در برخی از موارد می‌تواند منجر به خمش های اضافی در لوله شود. این گونه رخدادها بیشتر در مواقعی که خاک محلی مرطوب، سست و نرم است، یا در جاهایی که خاک محلی در هنگام حفاری، به درون ترانشه می‌ریزد و بعد از آن هم از آنجا برداشته نمی‌شود، بوقوع می‌پیوندند. این اثر با افزایش پهنای ترانشه (یا افزایش پهنای مواد روپوش) تضعیف می‌شود. بنابراین باید ملاحظات کافی در مورد خاک محل منظور گردد تا اطمینان حاصل شود که استحکام کافی برای حفظ دائمی سیستم روپوش درون خود را دارد.

طبقه بندی و استحکام نگهداری مواد روپوش لوله

دفن لوله‌های پلی‌اتیلن برای کاربرد در جریانات گرانشی بوسیله استاندارد ASTM D2321 با عنوان «اقدامات استاندارد برای نصب زیرزمینی لوله‌های گرمانرم جمع آوری فاضلاب و سایر کاربردهای جریان گرانشی» پوشش داده شده است. استاندارد ASTM 2774 با عنوان «اقدامات استاندارد در نصب زیرزمینی لوله‌های گرمانرمی تحت فشار» لوله‌های آب و شاه لوله‌ها را تحت پوشش قرار می‌دهد.

استحکام خاک روپوش

در زمان انتخاب ماده روپوش باید به تأثیر اندازه دانه‌ها، شکل و توزیع آن‌ها بر نگهداری توجه شود. مطالبی که در ادامه می‌آیند، به طراح در انتخاب کمک می‌کنند. بطورکلی، خاک‌هایی با دانه‌های درشت مانند سنگریزه، بیشترین سفتی را دارند و درنتیجه بالاترین توان نگهداری را بوجود می‌آورند. دانه‌های گِرد برخلاف دانه‌های زاویه دار و نوک تیز که بیشتر تمایل به قفل شدن در یکدیگر دارند و درنتیجه مقاومت برشی بالاتری دارند، متمایل به قل خوردن هستند. خاک‌های با دانه بندی متناسب  که حاوی مقادیری از طیف گسترده‌ای از اندازه دانه‌های مختلف هستند، مقاومت بیشتری نسبت به خاک‌های با اندازه دانه یکنواخت از خود نشان می‌دهند.
در کنار خواص دانه ای، چگالی بیشترین تأثیر را بر سفتی روپوش دارد. به عنوان مثال، در یک خاک چگال، چفت شدگی زیادی در دانه‌ها دیده می‌شود و سطح تماس دانه -به-دانه بزرگ است. در خاک‌های چگال جابجایی در جرم خاک بسیار محدود است چرا که برای جابجایی دانه‌ها، حجمی از خاک که در راستای لغزش قرار دارد، باید از هم باز شود. این عمل نیازمند سطح بالایی از انرژی است. در خاک سست، جابجایی موجب قل خوردن یا لغزش دانه‌ها می‌شود و برای این کار انرژی بسیار کمتری نیاز است. بنابراین، خاک سست مقاومت کمتری در برابر جابجایی دارد. برای مقدار بار مشخص، خاک سست بیش از یک خاک چگال موجب خمش لوله می‌شود.

کلاس بندی روپوش‌ها بر اساس استاندارد ASTM D2321

مواد روپوش لوله‌ها توسط استاندارد ASTM D2321 با عنوان «اقدامات استاندارد برای نصب زیرزمینی لوله‌های گرمانرم جمع آوری فاضلاب و سایر کاربردهای جریان گرانشی» و بر اساس تناسب آن‌ها برای استفاده، به 5 کلاس تقسیم شده‌اند. برای دیدن توضیحات خاک روپوش، طبقه بندی‌ها و نماد گروه‌های خاک که در پاراگراف‌های بعدی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

کلاس I و کلاس II

خاکهای کلاس I و II خاکهای دانه ای هستند و بیشترین نگهدارندگی روپوش را نشان می‌دهند، این استحکام بیشتر با مقادیر E΄ زیادی که برای آن‌ها موجود است، مواد کلاس I بیشتر ساخته شده یا فرآوری شده هستند، مثل سنگ آسیاب شده (پودر سنگ). مواد کلاس II بیشتر از ماسه شسته و سنگریزه تشکیل شده‌اند و اکثراً خاکهای طبیعی مثل رسوبات رودخانه‌ای هستند. می‌توان مواد کلاس I و II را با هم مخلوط کرد تا موادی بدست آید که در برابر مهاجرت ذرات ریزتر خاک به ناحیه روپوش مقاومت می‌کنند . به علاوه، مواد کلاس I و II ساده تر از مواد دیگر قابلیت جایگذاری و متراکم شدن با محدوده وسیعی از میزان رطوبت را دارند. تراوایی بالای مواد کلاس I و II به آبگیری از ترانشه کمک می‌کند و باعث می‌شود این مواد برای موقعیت‌هایی مانند تخته سنگ‌ها که ممکن است با مشکلات آبی روبرو شویم، مواد مطلوبی باشند. ترکیب این خاصیت‌های مورد پسند باعث می‌شود طراحان در مواقعی که مواد مختلفی به لحاظ عملیاتی و اقتصادی در دسترس هستند، استفاده از اینگونه مواد را بر سایر موارد ترجیح دهند.
حداکثر اندازه مصالح در مواد کلاس I و II، هنگامی که این مواد در کنار لوله مورد استفاده قرار می‌گیرند (به عنوان بستر، پشت بند و خاکریز اولیه) نباید بیش از مقادیری باشد که در جدول 1 داده شده‌اند (از سنگ‌های بزرگ‌تری تا 5/1 اینچ هم با موفقیت استفاده شده است اما بیل زدن و متراکم سازی آن‌ها دشوار است). هر چقدر اندازه سنگ کوچک‌تر باشد، جایگذاری آن در پشت بند ساده تر است. در مورد حداکثر اندازه ذرات فنداسیون محدودیتی وجود ندارد، جز اینکه باید اندازه آن‌ها به قدری باشد که مانع از مهاجرت سنگ‌های بستر به درون آن شود.

 

 

جدول 1. حداکثر اندازه ذرات در برابر اندازه لوله

اندازه اسمی لوله (اینچ)	حداکثر اندازه ذرات (اینچ)
5/0	2 تا 4
75/0	6 تا 8
1	10 تا 15
5/1	16 و بیشتر

مهاجرت

وقتی لوله در نزدیکی سطح آب‌های زیرزمینی قرار می‌گیرد، باید در مورد احتمال از دست رفتن نگهدارندگی بدلیل مهاجرت خاک، ملاحظات لازم در نظر گرفته شود (حمل ذرات ریز تر خاک بوسیله آب زیرزمینی به درون حفره‌های خالی خاک دانه درشت تر). معمولاً مهاجرت در مواقعی به وقوع می‌پیوندد که حفره‌های خالی موجود در روپوش به قدر کافی بزرگ باشند تا خرده‌های ساییده شده از دیواره‌های ترانشه بتوانند به داخل آن نفوذ کنند.
چنانچه خاک محلی قابلیت ساییده شدن داشته باشد، امکان مهاجرت وجود دارد. معمولاً خاک‌های قابل ساییده شدن، خاکه ماسه و سیلت و نوع خاصی از رس بنام رس‌های پراکنده هستند (بیشتر رس‌ها مقاومت خوبی در برابر پراکندگی دارند). این وضعیت در مواقعی که از خارج ترانشه به داخل ترانشه گرادیان قابل ملاحظه‌ای در آب زیرزمینی وجود دارد، تشدید می‌شود؛ یعنی ترانشه به عنوان زه کش عمل می‌کند. (معمولاً نوسان فصلی سطح آب‌های زیرزمینی موجب ایجاد چنین شرایطی نمی‌شود).
در چنین شرایطی، در صورت استفاده از مواد دانه‌ای (کلاس I و II) بهتر است آن‌ها زاویه دار و دانه بندی شده باشند تا مهاجرت به حداقل برسد.
هنگامی که مقادیر قابل ملاحظه‌ای آب و موادی با «فضای خالی» کافی برای مهاجرت ذرات وجود داشته باشد، ذرات گِرد تمایل به جریان یافتن دارند. 

.

 

شکل 1. نصب لایه جداکننده زمین بافتی

ماسه‌های پایدارسازی شده توسط سیمان

ماسه‌های پایدار سازی شده توسط سیمان، نمونه‌ای از مواد کلاس II هستند. ماسه‌های پایدارسازی شده با سیمان بعد از به عمل آوری، بیش از مواد متراکم کلاس I، توان نگهدارندگی دارند. ماسه‌های پایدار سازی شده با سیمان از ماسه و 3 تا 5 درصد سیمان تشکیل شده‌اند. برای دستیابی به چگالی بیشتر، این مواد را با فشرده سازی در محل قرار می‌دهند و نه با ریختن در بتن. این مواد باید بصورت مرطوب (در یا نزدیک به محتوای رطوبت بهینه) در محل قرار گیرند و سپس در پشته‌هایی تحت عنوان مواد کلاس II مورد فشرده سازی قرار بگیرند. (محتوای رطوبت بهینه، میزان محتوای رطوبتی است که ماده در آن و در شرایط خاصی از متراکم سازی، می‌تواند به حداکثر چگالی برسد). در صورت نیاز می‌توان به روپوش ماسه سیمانی یک شب فرصت داد که محکم شود و سپس خاکریز روی آن ریخته شود، با این روش می‌توان خمش لوله را کاهش داد. اگر خاکریزی ترانشه بلافاصله انجام شود، ماسه سیمانی همان میزان نگهدارندگی را تأمین می‌کند که مواد کلاس II دارند با این تفاوت که فاکتور تأخیر کاهش خواهد یافت. از ماسه‌های سیمانی هم در ناحیه خاکریز اولیه اصلی و هم در ناحیه خاکریز اولیه فرعی استفاده می‌شود .

کلاس III و کلاس IVA

مواد کلاس III و IVA، در چگالی یا تراکم یکسان، سفتی نگهدارندگی کمتری از مواد کلاس I و II ایجاد می‌کنند که بخشی از آن بدلیل افزایش محتوای رس در آن‌هاست. بعلاوه رسیدن به میزان خاصی از چگالی نیازمند متراکم سازی بیشتر است و محتوای رطوبتی آن‌ها باید به دقت در بازه بهینه، کنترل شود. جایگذاری و فشرده سازی مواد کلاس IVA بطور ویژه نسبت به محتوای رطوبتی، حساس است. اگر مواد کلاس IVA بیش از اندازه نم دار باشند، تجهیزات فشرده سازی در آن‌ها فرو می‌روند؛ اگر خاک بیش از اندازه خشک باشد، اگرچه ممکن است فرآیند فشرده سازی عادی بنظر برسد اما اشباع شدن توسط آب‌های زیرزمینی در مراحل بعدی می‌تواند موجب فروپاشی ساختاری شده و به از بین رفتن نگهدارندگی منجر شود. معمولاً از مواد کلاس IVA فقط در لوله‌های تحت فشار و در زیر پوشش‌های کم عمق استفاده می‌شود.

کلاس IVB و کلاس V

به سختی می‌توان گفت که مواد کلاس IVB و V نوعی نگهدارندگی برای لوله‌های مدفون بوجود می‌آورند. جایگذاری و فشرده سازی اینگونه مواد اغلب دشوار است. استفاده از این مواد بعنوان روپوش لوله توصیه نمی‌شود مگر در مورد لوله‌هایی با مقدار SDR پایین (یا سفتی حلقوی پایین)، بدون بار ترافیکی و با عمق پوشش تنها چند فوتی. در بسیاری از موارد، لوله در چنین خاک‌هایی در اثر اشباع شدن از آب شناور می‌شود.

متراکم سازی مواد روپوش

فشرده سازی مواد روپوش جزء الزامات عادی در ساخت و ساز لوله‌های انعطاف‌پذیر هستند. متراکم سازی موجب کاهش فضای خالی بین دانه‌های مجزا شده و چگالی روپوش را افزایش می‌دهد و در عین حال قابلیت حمل بار لوله را به میزان چشم گیری بهبود داده و موجب کاهش خمش و نشست لوله و کاهش مشکلات تراویدگی آب می‌شود. فشرده سازی روپوش اغلب سفتی خاک محل را افزایش می‌دهد و نوعی آمادگی تحمل تنش برای روپوش و خاک محل بوجود می‌آورد. فشرده سازی به دلیل داشتن چنین مزایایی، باید همواره در همه پروژه‌ها مورد نظر قرار بگیرد.

الزامات چگالی

درجه تراکم مورد نیاز برای یک تأسیسات خاص، توسط طراح و با در نظر گرفتن عمق پوشش، سطح بارهای زنده (متحرک)، سطح آب‌های زیرزمینی، و خواص خاک تعیین می‌شود. معمولاً الزامات متراکم سازی «متوسط» کاملآً راضی کننده هستند. درصورت متراکم سازی طبق این میزان «متوسط»، توصیه می‌شود که حداقل مقدار چگالی در اندازه گیری‌های میدانی برابر با 90% استاندارد چگالی در نظر گرفته شود. 

استاندارد چگالی مواد روپوش بطور معمول با استفاده از استاندارد ASTM D698 با عنوان «روش استاندارد آزمون تراکم خاک آزمایشگاهی با استفاده از اقدامات استاندارد (ft-lbf/ft³ 12400 (kN-m/m³ 600))» اندازه گیری می‌شود در حالیکه تراکم اصلاح شده چگالی با بکار بردن استاندارد ASTM D1557 با عنوان «روش استاندارد آزمون تراکم خاک آزمایشگاهی با استفاده از اقدامات اصلاح شده (ft-lbf/ft³ 56000(kN-m/m³ 2700))» اندازه گیری می‌گردد. 

 

تکنیک‌های متراکم سازی

 

متراکم سازی مواد روپوش باید با استفاده از اقتصادی‌ترین روش‌هایی انجام بگیرد که منجر به ایجاد تراکمی یکنواخت و حداقل چگالی مشخص شده در طراحی شوند. تجهیزات متداول فشرده سازی عبارت‌اند از میله‌های کوبش دستی ، کوبنده‌های ضربه‌ای بنزینی («وَکرها»)، صفحات لرزشی، و کوبنده‌های ضربه‌ای بادی («چوب دستی‌های پوگو). در هنگام استفاده از پودر سنگ، می‌توان با استفاده از تکنیکی بنام برش بیلی به میزانی از چگال شدن دست یافت. این تکنیک شامل برش خاک بوسیله یک بیل می‌شود.

 

 

شکل 2. ابزار کوبش

بهترین راه برای متراکم سازی مواد پشت بند استفاده از کوبنده‌های دستی یا فشرده سازهای مناسب ماشینی است، ضمن اینکه در مورد دوم باید دقت لازم جهت عدم انحراف لوله از مسیر و شیب خود، به کار بسته شود. از کوبنده‌های دستی در لوله‌های 36 اینچی و بزرگ‌تر، برای ایجاد زیر پشت بند استفاده می‌شود؛ سپس روی آن‌ها و در مسیر لوله از متراکم سازهای ماشینی استفاده می‌شود.

در هنگام فشرده سازی با استفاده از کوبنده‌های ضربه‌ای در نزدیکی لوله، باید مراقب بود بین تجهیزات کوبنده و لوله تماس مستقیم بوجود نیاید. به منظور پیش گیری از بروز تغییر شکل‌های موضعی، از بکار بردن کوبنده‌های ضربه‌ای مستقیماً در بالای لوله، پیش از جایگذاری مقدار کافی از خاکریز روی لوله (معمولاً 12 اینچ)، اجتناب کنید. اعمال ضربه برای فشرده سازی نباید منجر به جهش لوله شود، ولی در صورت بروز حرکت رو به بالا، تراکم خاک را زیر خط فنری لوله کاهش دهید و یا ابزار متراکم سازی را از لوله دور کرده و به سمت دیواره ترانشه ببرید.

متراکم سازی خاکریز اولیه اصلی باید در شرایط بهینه یا شرایطی نزدیک به شرایط بهینه ماده از نظر محتوای رطوبتی انجام شود. خاکریز را باید بصورت لایه لایه یا پشته‌ای به گونه‌ای که در دو طرف لوله به میزان برابر بالا بیاید، جایگذاری کرد، در غیر این صورت ممکن است لوله از مسیر خارج شود. هر پشته را باید پیش از قرار دادن لایه بعدی، بصورت یکنواخت مورد فشرده سازی قرار داد. حداکثر ارتفاع پشته که موجب شکل‌گیری چگالی یکنواختی می‌شود، بسته به ماده، محتوای رطوبتی آن، و اقدامات فشرده سازی، متغیر است. بطور کلی حداکثر ارتفاع تقریبی پشته‌ها برای کلاس I برابر با 12 اینچ، کلاس II برابر با 8 اینچ و برای سایر مواد برابر با 6 اینچ می‌باشد.

 

متراکم سازی مواد کلاس‌های I و II

در مواد دانه‌ای (کلاس‌های I و II) فشرده سازی با استفاده از لرزش بهترین کارایی را دارد. متراکم کردن سنگ باعث تغییر شکل سنگ نمی‌شود، بلکه آرایش آن را به شکلی چگال تر تبدیل می‌کند. در مواردی مثل نصب زیر پوشش‌های عمیق، که مهندس مربوطه حداقل تراکم استاندارد را برابر با 90% یا بیشتر تعیین کرده است، باید از متراکم سازی مکانیکی برای مواد کلاس I استفاده نمود. کوبنده‌های ضربه‌ای هم عمدتاً به دلیل ایجاد لرزش باعث افزایش چگالی مواد کلاس‌های I و II می‌شوند. همچنین کوبش ضربه‌ای باعث رانده شدن مواد روپوش به داخل خاک محل می‌شود که باعث سفت شدن سطح دیواره‌های ترانشه می‌شود. به همین دلیل در هر کاربردی که در آن لوله زیر سطح آب‌های زیرزمینی قرار می‌گیرد و یا پایداری خاک محل مناسب نیست، باید از متراکم سازی ضربه‌ای مواد کلاس I استفاده شود.

برش با بیل، روشی جایگزین برای دستیابی به تراکم در مواد کلاس I است. موادی که کاملاً با بیل برش خورده‌اند، ضریبی در حدود psi 1000 دارند. بازدهی این روش به فراوانی برش‌ها در طول ترانشه بستگی دارد. این روش باید فقط در مورد خاکهای محلی خشک و یا محکم (یا خاکهای بهتر) مورد استفاده قرار بگیرد. در شرایطی که مواد کلاس I بدون انجام فشرده سازی (یا برش با بیل) فقط در اطراف لوله ریخته شده باشند، مقدار E΄ به میزان قابل ملاحظه‌ای کمتر از مقادیری خواهد بود . این پدیده بویژه در زمین‌های مرطوب و سست بیشتر اتفاق می‌افتد. چند دوره فشرده سازی لرزشی باعث افزایش چگالی و ضریب عکس العمل خاک می‌شود.

متراکم سازی مکانیکی مواد کلاس II با استفاده از اندکی مرطوب سازی، بهبود می‌یابد. در هنگام انجام چنین اقدامی (مرطوب سازی) باید توجه شود که مواد از آب اشباع نشده و یا ترانشه مملو از آب نشود، بویژه وقتی که مواد اصلی ترانشه به راحتی خشک نمی‌شوند. پر از آب شدن ترانشه ممکن است موجب شناور شدن لوله شود.

گاهی از متراکم سازی با اشباع آب که به آن غرق آب یا آب زنی هم گویند، برای فشرده سازی مواد کلاس II استفاده می‌شود. این روش از متراکم سازی به ندرت به درصد استاندارد تراکم چگالی بیش از 75 درصد منجر می‌شود و بنابراین مقدار E΄ بالاتر از psi 750 را به دست نمی‌دهد. آب زنی معمولاً در جاهایی مناسب است که لوله توان نگهدارندگی کافی برای تحمل بار در نظر گرفته شده در طراحی را دارد و برای نگهدارندگی جانبی، به خاک وابسته نیست (در صورت لحاظ کردن چنین روش‌هایی در روپوش‌هایی که قرار است نگهدارندگی جانبی مهیا کنند، باید با یک مهندس زمین شناس مشورت نمود). متراکم سازی با اشباع فقط در مواردی بکار می‌رود که مواد روپوش و خاک محل، هر دو براحتی آب افزوده شده را تخلیه می‌کنند یا از دست می‌دهند. متراکم سازی باید در پشته‌هایی انجام شود که از قطر لوله یا 24 اینچ، هر کدام که کوچک‌تر بود، تجاوز ننمایند. فقط باید از مقدار آب لازم برای اشباع نمودن مواد استفاده شود. دستیابی به میزان تراکم لازم در هر پشته باید با نظارت صحیح مشخص شود. در آب و هوای یخبندان نباید از تراکم به روش اشباع استفاده شود. در لوله‌های پلاستیکی نباید از جت آب یا پاشش آب تحت فشار روی مواد روپوش استفاده کرد.

متراکم سازی مواد کلاس‌های III و IV

معمولاً متراکم سازی بوسیله ضربه بیشترین کارآیی را در مواد کلاس‌های III و IVA دارد. عملی‌ترین و کاراترین اقدام در این زمینه، استفاده از کوبنده‌های ضربه‌ای مکانیکی است. بسته به نوع مواد روپوش، محتوای رطوبتی آن و ارتفاع پشته ممکن است چند دوره فشرده سازی مورد نیاز باشد. در هنگام فشرده سازی با ضربه، باید حداکثر ارتفاع پشته برابر با 6 اینچ باشد. برای اطمینان از رعایت الزامات مشخص شده باید چگالی روپوش را به دقت کنترل کرد.

بررسی‌های چگالی

از روی احتیاط چگالی مواد روپوش بصورت منظم مورد بررسی قرار می‌گیرد. معمولاً در آغاز راه اندازی پروژه، تعدادی بررسی برای اطمینان از اینکه عملیات فشرده سازی منجر به چگالی مورد نظر شده باشند، صورت می‌پذیرند. در مراحل بعدی هم به منظور حصول اطمینان از عدم تغییر مواد یا دستورالعمل‌ها، نسبت به انجام بررسی‌های تصادفی اقدام می‌گردد. باید بررسی‌ها را در ارتفاع‌های مختلفی از مواد روپوش انجام داد تا مطمئن شویم میزان تراکم مورد نظر در کل ناحیه روپوش حاصل شده است.

برای اطلاعات بیشتر به مقاله بعدی مراجعه نمایید.