Geotechnical Characterisation of Subgrade and Sub-Base Materials for Road Pavement Design in Kasese District, Western Uganda

الطرق هي أكثر من مجرد شرائط من الأسفلت؛ إنها هياكل معقدة مبنية على أساس من الأرض الحية والنابضة. في عالم الهندسة المدنية، تُعرف الأرض الموجودة تحت الطريق باسم "التربة الأساسية" (subgrade)، وتُسمى طبقة المواد الموضوعة مباشرة فوقها بـ "الطبقة تحت الأساس" (sub-base). تعمل هذه الطبقات كحجر الزاوية لنظام الرصف بأكم، حيث توزع الوزن الثقيل للمركبات لضمان عدم تشقق السطح أو هبوطه. ومع ذلك، فإن الأرض ليست متجانسة؛ ففي بعض الأماكن، تكون التربة جافة وقوية، بينما في أماهٍ أخرى، تكون رطبة وناعمة وعرضة للانتفاخ عندما تبتل. إذا قام المهندسون ببناء طريق دون فهم السلوك المحدد للتربة المحلية، فسوف يفشل الطريق قبل أوانه، ليتحول إلى مسار متعرج وخطير يتطلب إصلاحات مستمرة ومكلفة. وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص في المناطق التي تشهد هطول أمطار غزيرة وفيضانات موسمية، حيث يمكن للمياه أن تحول الأرض الصلبة إلى مادة سائلة ضعيفة وغير مستقرة.

في منطقة كاسيسي بغرب أوغندا، شرع فريق من الباحثين في فهم ما يكمن بالضبط تحت الطرق التي تربط هذه المنطقة النابضة بالحياة. تعد كاسيسي مركزاً للنشاط، حيث تجذب السياح إلى جبال رورنزوري القريبة ومتنزه الملكة إليزابيث الوطني، كما أنها تعمل كممر حيوي للتعدين والتجارة عبر الحدود مع جمهورية الكونغو الديمقراطية. ورغم أهميتها، تعاني الطرق هنا غالباً من الفشل المبكر. تتعرض المنطقة لهطول أمطار غزيرة وهي عرضة للفيضانات من أنهار مثل نياموامبا وموبوكو، والتي غالباً ما تغمر أساسات الطرق. ولحل هذه المشكلة، احتاج الباحثون إلى تجاوز التخمينات والافتراضات العامة؛ فقد أجروا تحقيقاً مفصلاً لرسم خريطة لملف التربة وقياس قوتها، بهدف تقديم دليل واضح قائم على العلم لتصميم طرق يمكنها الصمود أمام البيئة المحلية.

بدأ الفريق عملهم بحفر ثلاثين حفرة اختبار عبر المنطقة، وصل عمقها إلى مترين لرؤية المواد التي تقع تحت السطح. جمعوا عينات من التربة على فترات منتظمة ونقلوها إلى المختبر لإجراء سلسلة من الاختبارات. قيست هذه الاختبارات مقدار الماء الذي تحتفظ به التربة، ووزنها، وكيفية سلوكها عند الضغط عليها أو نقعها. كما بحثوا في حجم جزيئات التربة، مفرقين بين الطين الناعم، والغرين، والرمل، والحصى. سمحت هذه العملية ببناء صورة واضحة لتكوين الأرض. ووجدوا أن الطبقة العليا، الممتدة من السطح نزولاً إلى حوالي 0.45 متر، تتكون من طين عضوي بني داكن. وهذه الطبقة غير صالحة لبناء الطرق لأنها لينة للغاية وغير مستقرة. وتحت ذلك، من 0.45 متر إلى 1.2 متر، واجهوا طبقة من الطين الغريني ذي اللدونة المنخفضة إلى المتوسطة. وأخيراً، من 1.2 متر نزولاً إلى 2.0 متر، تغيرت التربة إلى رمل ضعيف التدرج مختلط بالحصى، والذي يصرف المياه جيداً ولكنه يفتقر إلى "التماسك" اللازم لتماسك الطريق.

كشف تحليل هذه المواد عن تفاصيل مثيرة للقلق بشأن التربة الأساسية، وهي الطبقة التي تدعم الطريق مباشرة. التربة في هذه المنطقة هي في الغالب طين غريني، وهي تحتفظ بكمية عالية بشكل مفاجئ من الرطوبة الطبيعية، بمتوسط قدره 28.1 بالمائة. ومن أجل بناء طرق مستقرة، يفضل المهندسون عادة مستويات رطوبة تتراوح بين 5 و15 بالمائة. ولأن التربة رطبة جداً، فهي أضعف من المثالي. صنف الباحثون التربة باستخدام الأنظمة الهندسية القياسية ووجدوا أن 62 بالمائة من العينات تم تقييمها بأنها ضعيفة إلى متوسطة، مما يعني أنها ستعاني لدعم حركة المرور الثقيلة دون مساعدة. فقط 38 بالمائة منها تم تقييمها بأنها جيدة إلى ممتازة. أحد العوامل الرئيسية لهذا الضعف هو وجود الطين الانتفاخي؛ وهي تربة تنتفخ بشكل كبير عندما تمتص الماء وتنكمش عندما تجف، مما يسبب تشقق الأرض وتعرجها. وجدت الدراسة أن قدرة التربة على الانتفاخ كانت عالية جداً، حيث أظهرت بعض العينات إمكانية انتفاخ يمكن أن تؤدي بسهولة إلى تدمير طريق مبني مباشرة فوقها.

لقياس مدى قوة الأرض فعلياً، أجرى الفريق اختباراً يُعرف باسم "نسبة كاليفورنيا للتحمل" (California Bearing Ratio)، والذي يحاكي مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله التربة قبل الفشل. اختبروا التربة في حالتها الطبيعية وبعد نقعها لمدة 48 ساعة لمحاكاة ظروف الفيضانات. أظهرت النتائج أن التربة المنقوعة كانت ضعيفة جداً، حيث تراوحت قيم القوة بين 5 بالمائة و32 بالمائة، بمتوسط قدره 8.6 بالمائة فقط. وهذا أقل بكثير من الحد الأدنى المطلوب عادةً للطرق غير المعبدة، مما يشير إلى أنه بدون تدخل، من المرجح أن يهبط الطريق أو يتخدد تحت وزن المركبات. كما حسب الباحثون صلابة الأرض، ووجدوا أنها لينة نسبياً، مما يؤكد الحاجة إلى تصميم قوي.

ومع ذلك، فإن القصة ليست قصة ضعف فحسب. فقد بحث الفريق أيضاً عن مواد يمكن استخدامها لبناء الطبقة تحت الأساس، وهي الطبقة الموضوعة فوق التربة الأساسية الضعيفة لتوزيع الحمل. فحصوا التربة من محاجر معتمدة في مناطق مثل كليمبي وهيما. تبين أن هذه المواد أفضل بكثير لأغراض الإنشاء؛ إذ تتكون معظمها من الرمل مع بعض الحصى وكمية معتدلة من المواد الناعمة، مما يصنفها بأنها ممتازة إلى جيدة لبناء الطرق. وعند اختبارها، أظهرت هذه المواد قوة منقوعة تتراوح بين 18 و42 بالمائة، وهو ما يلبي الحد الأدنى من المتطلبات للطبقة تحت الأساس. ومع ذلك، حتى هذه المواد الجيدة كان لها نقطة ضعف: فعند نقعها، فقدت ما بين 12 و58 بالمائة من قوتها. وهذا يسلط الضوء على نقطة حاسمة: حتى أفضل المواد المحلية ستفشل إذا سُمح للماء بالبقاء فيها لفترة طويلة.

بناءً على هذه النتائج، اقترح الباحثون تصميماً محدداً للطرق المستقبلية في المنطقة. أوصوا بسمك إجمالي للرصف يتراوح بين 350 و400 مليمتر. وسيتضمن هذا الهيكل طبقة رقيقة من الأسفلت في الأعلى، تليها طبقة سميكة من الحجر المسحوق، ثم طبقة تحت أساس حبيبية مصنوعة من المواد المحلية الأفضل. ومن الأهمية بمكان، نصحوا بإزالة الـ 0.45 متراً العليا من التربة العضوية تماماً واستبدالها بطبقة ردم مختارة لضمان استقرار أساس الطريق. وللتعامل مع هطول الأمطار الغزيرة وخطر الفيضانات، يركز التصميم على التصريف؛ حيث يجب أن تتكون الطبقة تحت الأساس من مواد حبيبية خشنة تسمح للمياه بالتدفق من خلالها بسرعة بدلاً من انحباسها. كما اقترح الباحثون تركيب مصارف جانبية وبالوعات عرضية على فترات منتظمة لإبعاد المياه عن أساس الطريق. وللمناطق الأكثر ضعفاً حيث تكون التربة شديدة النعومة أو الانتفاخ، أوصوا بمعالجة الأرض بالجير أو الإسمنت لتقويتها وتقليل ميلها للانتفاخ.

تخلص الدراسة إلى أن الطرق في منطقة كاسيسي قد فشلت في الماضي ليس بسبب نقص الجهد، بل بسبب نقص المعرفة المحددة بالتربة المحلية. ومن خلال توصيف الأرض بالتفصيل، قدم الباحثون مساراً واضحاً للمضي قدماً. تُظهر البيانات أنه بينما تكون الأرض الطبيعية غالباً ضعيفة ورطبة جداً لدعم طريق بشكل مباشر، إلا أنه يمكن إدارتها من خلال الجمع الصحيح بين السمك، والتصريف، واختيار المواد. إن النهج الموصى به باستخدام رصف أكثر سمكاً مع طبقات حبيبية خشنة وأنظمة تصريف محسنة يقدم حلاً عملياً لتحديات الفيضانات في المنطقة. يضمن هذا العمل بناء طرق مستقبلية على أساس يفهم الأرض التي يقف عليها، مما يؤدي إلى بنية تحتية أكثر أماناً وطولاً في العمر لشعب غرب أوغندا.