Study on plasticity and compressibility behaviour of jute and coir reinforced soft soil

تحت أساسات العديد من المباني والطرق والجسور، تكمن طبقة من الأرض تتصرف كأنها إسفنجة سميكة ومبللة أكثر من كونها أرضاً صلبة. هذه هي التربة الناعمة، وهي مادة مشهورة بميلها للتقلص تحت الوزن والانتفاخ عندما تبتل. وعندما تُبنى الهياكل على مثل هذه الأرض، يمكن للتربة أن تنضغط بشكل غير متساوٍ، مما يسبب شقوقاً في الجدران، أو ميلاً في الأبراج، أو حتى انهياراً كاملاً. لطالما سعى المهندسون لإيجاد طرق لجعل هذه الأرض غير المستقرة أقوى وأقل عرضة لتغيير شكلها. يتضمن أحد الأساليب التقليدية خلط مواد كيميائية مثل الجير أو الإسمنت، ولكن هذه المواد غالباً ما تتطلب طاقة كبيرة لإنتاجها ويمكن أن تغير الكيمياء الطبيعية للأرض. وفي السنوات الأخيرة، وجه الباحثون اهتمامهم نحو بديل أكثر استدامة: استخدام الألياف الطبيعية. وهذه الألياف هي خيوط رفيعة تُحصد من النباتات، والتي يمكن خلطها في التربة لتعمل كهيكل عظمي خفي، يمسك الجسيمات المفككة معاً ويقاوم القوى التي تسبب فشل الأرض.

استقصى فريق من الباحثين في الهند مؤخراً كيف يمكن لنوعين محددين من الألياف الطبيعية، وهما الجوت والليف (جوز الهند)، أن يغيرا سلوك التربة الناعمة. يأتي الجوت من ساق نبات مزهر ويشتهر بقوته، بينما الليف هو ألياف خشنة تُستخرج من غلاف جوز الهند. أراد العلماء معرفة ما إذا كان خلط هذه الألياف في التربة سيقلل من ميلها لامتصاص الكثير من الماء، أو الانكماش عند جفافها، أو التقلص تحت الضغط. لقد أخذوا عينات من الطين الناعم من تشيناي، وهي منطقة معروفة بظروف تربتها الصعبة، وخلطوا فيها أطوالاً صغيرة تبلغ سنتيمتراً واحداً من هذه الألياف بكميات متفاوتة، تتراوح من أثر ضئيل إلى 2.5 بالمائة من الوزن الإجمالي للتربة. ومن خلال اختبار هذه الخلطات في مختبر، هدفوا إلى إيجاد التوازن المثالي حيث تصبح التربة قوية بما يكفي لدعم الهياكل الثقيلة دون أن تفقد طابعها الطبيعي الصديق للبيئة.

أظهرت النتائج أن إضافة هذه الألياف غيرت بشكل جذري كيفية سلوك التربة، مما جعلها أكثر استقراراً وأسهل في التعامل معها. وعندما قاس الباحثون "لدونة" التربة — وهي طريقة لوصف مقدار الماء الذي يمكن أن تحتفظ به قبل أن تتحول إلى طين سائل — وجدوا أن الألياف عملت كإسفنجة تمتص الرطوبة الزائدة. فالتربة التي كانت تتطلب في الأصل كمية كبيرة من الماء لتصبح لدنة، احتاجت إلى كمية أقل بكثير من الماء بمجرد إضافة الألياف. وكان هذا واضحاً بشكل خاص مع ألياف الليف، التي قللت من حد السيولة للتربة من 82 بالمائة إلى 74.31 بالمائة. كما ساعدت ألياف الجوت أيضاً، حيث خفضت الحد إلى 76.98 بالمائة. والأهم من ذلك، أن الألياف زادت من "حد الانكماش" للتربة، وهو النقطة التي تتوقف عندها التربة عن الانكماش أثناء جفافها. فقد بدأت التربة غير المعززة بالانكماش عند محتوى رطوبة قدره 11.28 بالمائة فقط، ولكن مع إضافة الليف والجوت، ارتفع هذا الحد إلى 15.18 بالمائة و16.52 بالمائة على التوالي. وهذا يعني أن التربة المعززة يمكن أن تجف أكثر بكثير دون أن تتشقق أو تبتعد عن أساسات المبنى.

وبعيداً عن تغيير كيفية احتفاظ التربة بالماء، جعلت الألياف الأرض أقوى بشكل ملحوظ. اختبر الباحثون قدرة التربة على مقاومة الانضغاط عبر الضغط عليها بحمل ثقيل. كانت التربة الأصلية غير المعززة تستطيع فقط تحمل ضغط قدره 54.47 كيلوباسكال قبل الفشل. ومع ذلك، عندما مُزجت مع 2 بالمائة من ألياف الليف، قفزت قوة التربة إلى 97.34 كيلوباسكال، وهو تحسن بنسبة تقارب 79 بالمائة. كما وفرت ألياف الجوت دفعة أيضاً، حيث وصلت قوتها إلى 81.82 كيلوباسكال عند خلطها بنسبة 2.5 بالمائة. هذا الارتفاع في القوة يعني أن المبنى الموضوع فوق هذه التربة المعززة سيكون أقل عرضة للغوص أو الميل. كما ساعدت الألياف التربة على التراص بشكل أكثر إحكاماً؛ إذ زادت الكثافة القصوى التي يمكن أن تحققها التربة من 13.71 كيلونيوتن لكل متر مكعب إلى 15.62 مع الليف، مما يشير إلى أن الألياف ساعدت جسيمات التربة على الاستقرار في ترتيب أكثر كثافة وتراصاً.

لفهم كيف تقوم هذه الخيوط الصغيرة بعملها بالضبط، فحص العلماء التربة تحت مجاهر قوية وحللوا تركيبها المعدني. واكتشفوا أن الألياف لم تتفاعل كيميائياً مع التربة لإنشاء مواد جديدة، بل عملت من خلال ميكانيكا فيزيائية بسيطة. كشفت الصور المجهرية أن الألياف كانت تنسج عبر التربة، وتجسّر الفجوات بين جسيمات الطين الفردية وتجمعها معاً. وقد خلق هذا شبكة ثلاثية الأبعاد تمنع التربة من الانهيار أو التباعد عند تطبيق الضغط. عملت الألياف أساساً كشبكة تعزيز، تمسك الجسيمات المفككة في مكانها وتقلل من المساحات الفارغة، أو الفراغات، داخل بنية التربة. كان هذا التشابك الفيزيائي هو السبب الرئيسي لتحسن القوة وتقليل الانضغاط.

خلصت الدراسة إلى أنه بينما كان كلا النوعين من الألياف فعالين، إلا أنهما قدما مزايا مختلفة قليلاً. فقد أثبتت ألياف الليف أنها الخيار المتفوق لزيادة القوة الكلية وكثافة التربة، مما يجعلها المرشح الأفضل لدعم الأحمال الثقيلة. أما الجوت، فقد أظهر قدرة قوية بشكل خاص على مقاومة الانكماش، مما يجعله ذا قيمة عالية لمنع الشقوق في الظروف الجافة. ووجد الباحثون أن إضافة الكثير من الألياف، وتحديداً بما يتجاوز 2 بالمائة لليف، لم يؤدِ دائماً إلى مزيد من التحسينات، مما يشير إلى وجود كمية مثالية لأفضل النتائج. وفي النهاية، يوضح هذا البحث أن الألياف الطبيعية يمكن أن تعمل كحل مستدام ومنخفض التكلفة لتثبيت التربة الناعمة والمشكلة. ومن خلال استخدام مواد متجددة وقابلة للتحلل الحيوي، يمكن للمهندسين تحسين سلامة وطول عمر الهياكل دون الاعتماد على المواد الكيميائية كثيفة استهلاك الطاقة، مما يقدم مساراً عملياً نحو البناء في المناطق ذات الأرضيات الصعبة.