خاک‌ها و سنگ‌های مارنی از جمله پیچیده‌ترین مصالح طبیعی در مهندسی ژئوتکنیک محسوب می‌شوند. این سازندها به دلیل قرار گرفتن در مرز میان خاک و سنگ، رفتاری دوگانه از خود نشان می‌دهند؛ به گونه‌ای که ممکن است در زمان حفاری مانند یک سنگ نسبتاً مقاوم عمل کنند، اما پس از قرار گرفتن در معرض هوا و رطوبت، به سرعت دچار افت مقاومت، خردشدگی و تغییر شکل شوند. همین ویژگی باعث شده است که بسیاری از پروژه‌های گودبرداری، پایدارسازی شیب، راهسازی و طراحی فونداسیون در مناطق مارنی با چالش‌های جدی مواجه شوند.

اهمیت این موضوع در ایران بیش از بسیاری از کشورهای دیگر است؛ زیرا بخش قابل توجهی از سازندهای زمین‌شناسی کشور، از جمله در استان‌های تهران، آذربایجان شرقی، فارس، کرمان، قم، سمنان، خراسان رضوی، هرمزگان و بخش‌هایی از البرز، دارای لایه‌های مارنی هستند. شناخت رفتار این مصالح و انتخاب پارامترهای صحیح طراحی می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش ریسک‌های اجرایی و افزایش ایمنی پروژه‌های عمرانی داشته باشد.

مارن چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

مارن (Marl) نوعی نهشته رسوبی است که از ترکیب ذرات رسی و کربنات کلسیم تشکیل شده و معمولاً در محیط‌های دریایی کم‌عمق، دریاچه‌ای یا تالابی رسوب می‌کند. از دیدگاه زمین‌شناسی، هنگامی که درصد رس و کربنات تقریباً در یک محدوده متعادل قرار گیرد، سنگ حاصل به عنوان مارن شناخته می‌شود.

از منظر زمین‌شناسی، بسیاری از مارن‌ها در گروه سنگ‌های رسوبی قرار می‌گیرند؛ اما از دیدگاه مهندسی ژئوتکنیک، رفتار آن‌ها ممکن است کاملاً مشابه یک خاک ریزدانه باشد. به همین دلیل، نحوه طبقه‌بندی و انتخاب پارامترهای طراحی باید بر اساس رفتار مهندسی مصالح و نه صرفاً نام زمین‌شناسی آن انجام شود.

برخلاف بسیاری از خاک‌های معمول، رفتار مهندسی مارن تنها به ترکیب شیمیایی آن وابسته نیست. عواملی مانند نوع کانی‌های رسی (به‌ویژه اسمکتیت و ایلیت)، میزان کربنات کلسیم، درجه هوازدگی، رطوبت طبیعی و تاریخچه تنش وارد شده به لایه‌ها، تأثیر بسیار بیشتری بر عملکرد ژئوتکنیکی این مصالح دارند. به همین دلیل، دو لایه مارنی با ظاهر کاملاً مشابه ممکن است رفتار کاملاً متفاوتی در پروژه‌های عمرانی از خود نشان دهند.

طبقه‌بندی خاک‌های مارنی

مارن‌ها را می‌توان بر اساس درصد رس و کربنات یا رفتار مهندسی آن‌ها طبقه‌بندی کرد. هرچه سهم رس بیشتر باشد، رفتار خاک به مصالح ریزدانه نزدیک‌تر خواهد شد و با افزایش کربنات، خصوصیات سنگی در آن تقویت می‌شود.

از دیدگاه سیستم طبقه‌بندی USCS نیز مارن‌ها بسته به میزان هوازدگی و درصد ریزدانه می‌توانند در گروه‌های CL، CH، ML یا MH قرار گیرند؛ بنابراین تنها اتکا به نام زمین‌شناسی «مارن» برای طراحی ژئوتکنیکی کافی نیست و انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی و برجا ضروری است.

ویژگی‌های ژئوتکنیکی خاک‌های مارنی

رفتار ژئوتکنیکی مارن بیش از هر چیز تحت تأثیر شرایط رطوبتی قرار دارد. در حالت خشک، بسیاری از مارن‌ها مقاومت نسبتاً بالایی از خود نشان می‌دهند، اما با افزایش رطوبت، ساختار داخلی آن‌ها به‌تدریج تخریب شده و مقاومت برشی کاهش می‌یابد.

رفتار مهندسی مارن نتیجه برهم‌کنش هم‌زمان ویژگی‌های زمین‌شناسی، کانی‌شناسی و شرایط محیطی است. از همین رو، پارامترهای ژئوتکنیکی این مصالح معمولاً دامنه تغییرات گسترده‌ای دارند و استفاده از مقادیر تجربی بدون انجام مطالعات اختصاصی توصیه نمی‌شود.

مهم‌ترین ویژگی‌های مهندسی این مصالح عبارت‌اند از:

یکی از مهم‌ترین پدیده‌های مشاهده‌شده در مارن، کاهش مقاومت برشی از مقدار اوج (Peak Strength) به مقاومت باقیمانده (Residual Strength) پس از هوازدگی یا تغییر شکل است. در طراحی شیب‌ها و گودهای عمیق، بی‌توجهی به این کاهش مقاومت می‌تواند منجر به برآورد بیش از حد ظرفیت پایدارسازی شود.

مهم‌ترین چالش‌های ژئوتکنیکی در خاک‌های مارنی

هوازدگی و پدیده Slaking

مهم‌ترین ویژگی مارن، حساسیت زیاد آن به هوازدگی است. بسیاری از مارن‌ها در زمان حفاری کاملاً پایدار به نظر می‌رسند، اما تنها چند روز پس از قرار گرفتن در معرض هوا و رطوبت، ترک‌خورده و به ذرات ریز تبدیل می‌شوند. این فرآیند که با عنوان Slaking شناخته می‌شود، یکی از مهم‌ترین دلایل ناپایداری شیب‌ها و دیواره‌های گود در مناطق مارنی است.

به همین دلیل، باز ماندن طولانی‌مدت جبهه خاکبرداری و یا حفاری در این نوع خاک‌ها می‌تواند ریسک ریزش را به‌طور قابل توجهی افزایش دهد و اجرای سریع شاتکریت یا سایر پوشش‌های محافظ پس از خاکبرداری و حفاری اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.

افت مقاومت برشی در اثر آب

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم مارن، کاهش قابل توجه مقاومت برشی در اثر اشباع شدن است. این کاهش مقاومت ممکن است ناشی از تخریب پیوندهای کربناتی، نرم شدن کانی‌های رسی یا افزایش فشار آب حفره‌ای باشد. در نتیجه، پارامترهایی که از نمونه‌های خشک یا تازه برداشت‌شده به دست می‌آیند، همیشه نماینده رفتار بلندمدت توده مارنی در شرایط واقعی پروژه نیستند. در بسیاری از موارد، کاهش مقاومت ناشی از هوازدگی و اشباع از کاهش مقاومت ناشی از بارگذاری مهم‌تر است و همین موضوع طراحی بر اساس مقاومت بلندمدت را ضروری می‌کند.

چالش‌های طراحی و اجرا در پروژه‌های ژئوتکنیکی

رفتار خاص خاک‌های مارنی باعث می‌شود که تقریباً تمام شاخه‌های مهندسی ژئوتکنیک تحت تأثیر ویژگی‌های این مصالح قرار گیرند. انتخاب پارامترهای طراحی بر اساس نمونه‌های آزمایشگاهی، بدون در نظر گرفتن هوازدگی، تغییرات رطوبتی و شرایط اجرایی، می‌تواند منجر به اختلاف قابل توجه میان پیش‌بینی‌های طراحی و عملکرد واقعی پروژه شود.

تصمیم‌گیری مهندس ژئوتکنیک؛ مارن یک خاک است یا یک سنگ؟

یکی از مهم‌ترین چالش‌های مطالعات ژئوتکنیکی، نحوه برخورد با لایه‌های Marl Stone است. این مصالح در بسیاری از پروژه‌ها هنگام حفاری مغزه‌ای، ظاهری کاملاً سنگی دارند و ممکن است درصد بازیابی مغزه(Core Recovery) و حتی RQD قابل قبولی نیز ثبت شود. اما همین نمونه‌ها پس از خروج از زمین و قرار گرفتن در معرض هوا یا آب، در مدت کوتاهی متلاشی شده و رفتاری مشابه یک خاک ریزدانه از خود نشان می‌دهند.

به همین دلیل در عمل ممکن است دو گزارش ژئوتکنیکی برای یک لایه مشابه، نتایج کاملاً متفاوتی ارائه دهند؛ یک مهندس آن را به عنوان سنگ مارنی با مدول الاستیسیته و مقاومت سنگ گزارش کند، در حالی که مهندس دیگر همان لایه را پس از بررسی دوام و رفتار در برابر آب، به عنوان یک خاک رسی مسئله‌دار طبقه‌بندی نماید.

بنابراین صرف مشاهده ظاهری مغزه برای تعیین مشخصات طراحی کافی نیست و عواملی نظیر دوام در برابر هوازدگی، رفتار در تماس با آب، میزان کربنات، نوع کانی‌های رسی و شرایط بهره‌برداری پروژه باید هم‌زمان مورد ارزیابی قرار گیرند.

در بسیاری از پروژه‌ها، تصمیم صحیح درباره اینکه مارن باید با معیارهای مکانیک سنگ یا مکانیک خاک تحلیل شود، تأثیر مستقیمی بر طراحی گود، شیب، فونداسیون و سازه نگهبان خواهد داشت.

گودبرداری در خاک‌های مارنی

یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در گودبرداری‌های مارنی، کاهش سریع مقاومت دیواره پس از حفاری است. در بسیاری از پروژه‌ها، دیواره در ساعات اولیه کاملاً پایدار به نظر می‌رسد، اما با قرار گرفتن در معرض هوا، بارندگی یا نفوذ آب، ترک‌های سطحی ایجاد شده و مقاومت برشی به‌تدریج کاهش می‌یابد.

به همین دلیل در گودهای اجراشده در سازندهای مارنی معمولاً توصیه می‌شود:

• حفاری به صورت مرحله‌ای و با ارتفاع مناسب انجام شود.
• فاصله زمانی بین حفاری و اجرای شاتکریت یا پوشش موقت حداقل باشد.
• آب‌های سطحی از جبهه حفاری دور نگه داشته شوند.
• پارامترهای طراحی بر اساس شرایط بلندمدت و احتمال افت مقاومت انتخاب شوند.

بسته به شرایط پروژه، از سیستم‌هایی مانند نیلینگ، انکراژ، استرات، دیوار دیافراگمی یا شمع‌های درجا می‌توان برای پایدارسازی استفاده کرد.

برخی مطالعات انجام‌شده در ایران نشان داده‌اند که در شیب‌های مارنی، نیروی قفل‌شدگی انکرها ممکن است در طول زمان کاهش یابد. بنابراین استفاده از انکراژ در این نوع سازندها باید بر پایه نتایج آزمایش‌های کشش، بررسی رفتار بلندمدت و پایش عملکرد سیستم انجام شود و نمی‌توان بدون انجام مطالعات اختصاصی، آن را راهکاری قطعی برای همه پروژه‌های مارنی دانست.

پایداری شیب‌ها

بخش قابل توجهی از لغزش‌های گزارش‌شده در شیب‌های مارنی ناشی از کاهش مقاومت در اثر هوازدگی و نفوذ آب است. در چنین شرایطی، مقاومت برشی از مقدار اوج به مقاومت باقیمانده کاهش یافته و سطح لغزش به‌تدریج توسعه پیدا می‌کند.

عوامل زیر بیشترین تأثیر را بر پایداری شیب‌های مارنی دارند:

• چرخه‌های متوالی خشک و تر شدن
• بارندگی‌های شدید
• افزایش فشار آب حفره‌ای
• وجود درزه‌ها و ترک‌های طبیعی
• ناهمگنی لایه‌های مارنی

در پروژه‌های مهم، علاوه بر تحلیل تعادل حدی، استفاده از تحلیل‌های عددی دوبعدی یا سه‌بعدی می‌تواند تصویر واقع‌بینانه‌تری از رفتار بلندمدت شیب ارائه دهد.

یکی از ویژگی‌های مهم شیب‌های مارنی آن است که رفتار کوتاه‌مدت و بلندمدت آن‌ها می‌تواند کاملاً متفاوت باشد. در بسیاری از موارد، شیبی که در زمان اجرای پروژه پایدار به نظر می‌رسد، پس از چند فصل بارندگی یا چند چرخه تر و خشک شدن دچار افت مقاومت و گسترش تدریجی سطح لغزش می‌شود.

در شیب‌های مجاور مخازن سدها نیز با افزایش تراز آب، بخش‌هایی از توده مارنی اشباع شده و مقاومت برشی آن کاهش می‌یابد. به همین دلیل در تحلیل‌های بلندمدت لازم است از پارامترهای مقاومتی متناظر با شرایط اشباع و هوازده استفاده شود و تنها به مقاومت اولیه نمونه‌ها اکتفا نشود.

فونداسیون و شمع

رفتار مارن تنها به شیب و گود محدود نمی‌شود. در طراحی فونداسیون نیز تغییر خواص مکانیکی در اثر رطوبت می‌تواند ظرفیت باربری و میزان نشست را تحت تأثیر قرار دهد.

در برخی از مارن‌ها، به‌ویژه انواع دارای کانی‌های رسی فعال، پدیده تورم و جمع‌شدگی نیز مشاهده می‌شود که باید در انتخاب نوع فونداسیون مورد توجه قرار گیرد.

در طراحی شمع نیز مواردی مانند ناپایداری جداره حفاری، کاهش مقاومت اصطکاکی و احتمال ایجاد اصطکاک منفی در اثر نشست لایه‌های اطراف از جمله نکات مهم طراحی محسوب می‌شوند.

در پروژه‌هایی که لایه‌های مارنی در نزدیکی تراز پی قرار دارند، بررسی دوام مصالح در برابر تغییرات رطوبتی و احتمال کاهش ظرفیت باربری در طول عمر سازه اهمیت ویژه‌ای دارد. در برخی پروژه‌ها، استفاده از پی عمیق یا بهسازی موضعی خاک می‌تواند گزینه مناسب‌تری نسبت به افزایش ابعاد پی سطحی باشد.

ملاحظات طراحی ژئوتکنیکی

یکی از اشتباهات رایج در پروژه‌های اجراشده در خاک‌های مارنی، استفاده از پارامترهای آزمایشگاهی بدون در نظر گرفتن شرایط واقعی سایت است. از آنجا که خواص مارن با گذشت زمان و تغییر رطوبت دچار تغییر می‌شود، مطالعات ژئوتکنیکی باید با دقت بیشتری انجام شوند.

مهم‌ترین توصیه‌های طراحی عبارت‌اند از:

• انجام نمونه‌برداری دست‌نخورده در صورت امکان
• بررسی درجه هوازدگی در تمام لایه‌ها
• انجام آزمایش دوام (Slake Durability Test) برای ارزیابی مقاومت در برابر چرخه‌های تر و خشک
• استفاده از آزمایش‌های برجا مانند SPT، CPT یا CPTu برای تکمیل اطلاعات آزمایشگاهی
• تعیین پارامترهای کوتاه‌مدت و بلندمدت به صورت مجزا
• توجه به شرایط زهکشی و تغییرات احتمالی سطح آب زیرزمینی
• بررسی کانی‌شناسی خاک، به‌ویژه در پروژه‌های حساس، به منظور شناسایی کانی‌های رسی فعال

این اطلاعات به مهندس طراح کمک می‌کند تا پارامترهای مقاومتی را با اطمینان بیشتری انتخاب کرده و از محافظه‌کاری یا خوش‌بینی بیش از حد در طراحی جلوگیری شود.

روش‌های بهسازی و کاهش ریسک

در بسیاری از پروژه‌ها، اصلاح روش اجرا و کنترل شرایط محیطی تأثیر بیشتری نسبت به افزایش ابعاد سازه نگهبان دارد. انتخاب روش مناسب بهسازی باید بر اساس نوع مارن، درجه هوازدگی، شرایط آب زیرزمینی و الزامات پروژه انجام شود.

هدف از بهسازی همیشه دستیابی به بیشترین مقاومت ممکن نیست، بلکه بسیاری از اوقات تنها کافی است میزان بهسازی به حدی باشد که نگرانی‌های اصلی پروژه شامل تورم، افت مقاومت، هوازدگی یا نشست کنترل شود. از این رو انتخاب درصد سیمان یا آهک باید بر پایه تحلیل فنی و اقتصادی پروژه انجام شود، نه صرفاً دستیابی به بیشترین مقاومت آزمایشگاهی.

رایج‌ترین راهکارهای مهندسی عبارت‌اند از:

• اجرای سیستم زهکشی مناسب و جلوگیری از نفوذ آب به توده مارنی
• پوشش سریع جبهه حفاری با شاتکریت برای محدود کردن هوازدگی
• استفاده از نیلینگ یا انکراژ در شیب‌ها و گودهای عمیق (در صورت انجام مطالعات ژئوتکنیکی مناسب و ارزیابی عملکرد بلندمدت)
• اصلاح هندسه شیب و کاهش زاویه شیروانی در مناطق حساس
• تثبیت خاک با آهک، سیمان یا افزودنی‌های پوزولانی در صورت مناسب بودن شرایط
• استفاده از ژئوسنتتیک‌ها برای کنترل فرسایش و افزایش پایداری سطحی
• پایش مستمر تغییرشکل‌ها و شرایط آب زیرزمینی در طول اجرا
• استفاده از پوشش‌های حفاظتی مانند سنگ‌چین، ژئوسل یا پوشش گیاهی مناسب برای کاهش فرسایش سطحی شیب‌های مارنی.

استفاده از مارن به عنوان مصالح خاکریز

با وجود آنکه در بسیاری از پروژه‌ها از مارن به عنوان مصالح خاکریز استفاده می‌شود، این کار بدون انجام مطالعات ژئوتکنیکی توصیه نمی‌شود. مهم‌ترین نگرانی‌ها عبارت‌اند از:

• کاهش مقاومت پس از مرطوب شدن
• تورم و تغییر حجم
• هوازدگی در اثر چرخه‌های تر و خشک
• رفتار نامناسب در شرایط یخبندان
• نشست خزشی خاکریز در بلندمدت

تجربه پروژه‌های اجرایی و مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که در بسیاری از موارد، افزودن حدود ۳ تا ۵ درصد سیمان می‌تواند رفتار مارن را به‌طور محسوسی بهبود دهد؛ هرچند مقدار بهینه باید برای هر پروژه بر اساس آزمایش‌های ژئوتکنیکی تعیین شود.

پراکندگی خاک‌های مارنی در ایران

سازندهای مارنی در بخش‌های وسیعی از ایران گسترش یافته‌اند و در بسیاری از پروژه‌های عمرانی با آن‌ها مواجه می‌شویم. از مهم‌ترین مناطق می‌توان به دامنه‌های جنوبی البرز، استان تهران، آذربایجان شرقی، فارس، قم، سمنان، خراسان رضوی، کرمان، هرمزگان و بخش‌هایی از زاگرس اشاره کرد.

در برخی شهرها مانند تبریز، بخش قابل توجهی از توسعه شهری بر روی سازندهای مارنی انجام شده است؛ به همین دلیل شناخت رفتار این مصالح در مطالعات ژئوتکنیکی اهمیت ویژه‌ای دارد.

ویژگی‌های مهندسی این سازندها در مناطق مختلف یکسان نیست و عواملی مانند نوع کانی‌های رسی، میزان کربنات، درجه هوازدگی و شرایط اقلیمی می‌توانند رفتار آن‌ها را به‌طور قابل توجهی تغییر دهند. به همین دلیل، استفاده از نتایج مطالعات یک منطقه برای پروژه‌ای در منطقه دیگر، بدون انجام مطالعات ژئوتکنیکی اختصاصی، توصیه نمی‌شود.

جمع‌بندی

خاک‌های مارنی به دلیل قرار گرفتن در مرز میان خاک و سنگ، از پیچیده‌ترین مصالح طبیعی در مهندسی ژئوتکنیک به شمار می‌روند. حساسیت زیاد به آب، هوازدگی سریع، افت مقاومت برشی و ناهمگنی ساختاری باعث می‌شود رفتار این مصالح در بسیاری از پروژه‌های عمرانی با عدم قطعیت همراه باشد.

تجربه پروژه‌های داخلی و مطالعات بین‌المللی نشان می‌دهد که موفقیت در طراحی گودبرداری، پایدارسازی شیب، فونداسیون و شمع در این سازندها، بیش از هر چیز به شناخت صحیح رفتار مارن، انتخاب پارامترهای طراحی متناسب با شرایط واقعی پروژه و اجرای مناسب عملیات زهکشی و حفاظت از توده خاک وابسته است.

در نهایت، اگرچه خاک‌های مارنی همواره به عنوان یکی از چالش‌برانگیزترین سازندهای زمین‌شناسی شناخته می‌شوند، اما با انجام مطالعات ژئوتکنیکی دقیق، انتخاب روش مناسب پایدارسازی و کنترل صحیح شرایط اجرایی، می‌توان ریسک‌های ناشی از این مصالح را به میزان قابل توجهی کاهش داد و عملکرد ایمن و پایدار سازه را در بلندمدت تضمین کرد.

در چنین شرایطی، موفقیت پروژه بیش از آنکه به انتخاب یک روش خاص پایدارسازی وابسته باشد، به شناخت صحیح رفتار مهندسی مارن و انتخاب پارامترهای طراحی متناسب با شرایط واقعی سایت بستگی دارد.