الـواحــة الطلابيــة للجـامعــة الوطنيــة الخـاصــة
Student Oasis of Al-Wataniya Private University

كلية الهندسة المدنية الجامعة الوطنية الخاصة

كلية الهندسة المدنية الجامعة الوطنية الخاصة
الملخص:
تُعد تربة التأسيس أحد العناصر الأكثر حسماً في تصميم وإنشاء مدارج المطارات، إذ تؤثر خواصها الميكانيكية والفيزيائية تأثيراً مباشراً في أداء الرصف وعمره التشغيلي وسلامة الحركة الجوية. يهدف هذا البحث إلى استعراض شامل لطرق تثبيت تربة المطارات ذات الرصف المرن، مع تحليل مقارن للتقنيات المستخدمة عالمياً والمطبقة في الجمهورية العربية السورية، ودراسة حالة مطار القامشلي كنموذج تطبيقي وفق المنهجية الروسية في تصميم الرصف. اعتمد البحث على المراجع العالمية المعتمدة في تصميم الرصف في المطارات، بما في ذلك مراجع ICAO، FAA، AASHTO، بالإضافة إلى المراجع الكلاسيكية في هندسة التربة والرصف. بينت النتائج أن التثبيت الكيميائي بالجير والبوزولانا يمثل حلاً اقتصادياً وفعالاً للترب الطينية المنتشرة في سوريا، وذلك لتوافر مادتي الجير والبوزولانا طبيعياً، وقدرتهما على تكوين مركبات إسمنتية تزيد التماسك وتحسن البنية المجهرية للتربة. كما أظهرت الدراسة أن استخدام الإسفلت المعدل بـ SBS يحسن الأداء الإنشائي بشكل ملحوظ، إذ حقق سمكاً أقل وسهماً نسبياً مقبولاً مقارنة بالإسفلت التقليدي، مع نسبة اقتصادية أفضل. أوصى البحث بضرورة إجراء دراسات جيوتكنيكة شاملة، والالتزام بالمعايير الدولية، وتحسين أنظمة الصرف، ودعم الأبحاث المحلية في هذا المجال.
الكلمات المفتاحية: تثبيت التربة، الرصف المرن، مطار القامشلي، الطريقة الروسية، الجير، البوزولانا، CBR، الإسفلت المعدل، ICAO.
شهد قطاع الطيران المدني منذ بداياته الأولى وحتى يومنا هذا تطوراً هائلاً غير مسبوق، إذ تحول من مجرد محاولات فردية للتحليق في السماء إلى صناعة عالمية عملاقة تربط بين القارات وتنقل الملايين من الركاب والأطنان من البضائع يومياً. يعود تاريخ الطيران إلى محاولات الإنسان القديم محاكاة الطيور، مروراً بمحاولة عباس بن فرناس في القرن التاسع الميلادي، واختراع المنطاد على يد الأخوين مونغوليه عام 1783كما في الشكل (1)، ثم تطورت الطائرات الشراعية في مطلع القرن التاسع عشر، وانتهت بصناعة طائرات نفاثة عملاقة قادرة على قطع المسافات الشاسعة بسرعة وأمان فائقين كما في الشكل (2) . ومع هذا التطور المتسارع، أصبحت المطارات عنصراً حيوياً في البنية التحتية للنقل العالمي[1].
النقوش والرسومات الفرنسية القديمة (1)
لعبت منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) دوراً محورياً في تنظيم هذا القطاع، إذ وضعت المعايير والقوانين التي تضمن سلامة الطائرات والرحلات الجوية، وسهلت حركة النقل الجوي بين الدول. تأسست المنظمة عام 1994 في شيكاغو ضمن 52 دولة، ووقعت عليها سوريا كما تساهم المنظمة في وضع معايير موحدة لتشغيل المطارات ومراقبة الحركة الجوية وتدريب الطيارين والفنيين، وتلعب دوراً مهماً في تعزيز التعاون الدولي لضمان تدفق الركاب والبضائع بكفاءة وتقليل الحوادث الجوية[2].
– تعد تربة التأسيس من أكثر العناصر حسماً في تصميم وإنشاء مدارج المطارات، إذ أن ضعفها أو عدم استقرارها قد يؤدي إلى هبوط غير منتظم، وتشققات، وفشل هيكلي مبكر مع الأحمال المتكررة للطائرات. وقد بينت الدراسات أن الرصف المرن للمطارات يتعرض لأحمال ديناميكية عالية ومتنوعة أثناء هبوط وإقلاع الطائرات، تختلف عن الأحمال على الطرق التقليدية من حيث حجمها، وتكرارها، وموقعها على المقطع العرضي للرصف[3]. ولذلك، يعد تثبيت التربة خطوة أساسية لزيادة قدرة التحمل، وتقليل الهبوط، وتحسين الاستقرار العام، وتقليل تأثير المياه والرطوبة، وإطالة عمر المدرج[4] .
يهدف هذا البحث إلى استعراض شامل لطرق تثبيت تربة المطارات ذات الرصف المرن، مع تحليل مقارن للتقنيات المستخدمة عالمياً والمطبقة في الجمهورية العربية السورية، ودراسة حالة مطار القامشلي كنموذج تطبيقي وفق المنهجية الروسية في تصميم الرصف، والخروج بتوصيات عملية تساهم في تحسين أداء مدارج المطارات السورية وإطالة عمرها التشغيلي.
2.خلفية نظرية وتصنيفات أساسية꞉
1.2.تصنيف المطارات ومعايير التصميم꞉
صنفت منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) المطارات وفق أكواد تعبر عن طول المدرج وقوة تحمل الرصف، حيث تستخدم رموزاً حرفية (A-G) للإشارة إلى طول المدرج، ورموزاً رقمية (1-7) للإشارة إلى قوة تحمل الرصف[2]. وقد وضعت المنظمة الأسس المختلفة لكل نوع من هذه المطارات، حيث يتم تقسيم المطارات إلى أنواع مختلفة حسب عدد الطائرات وحجم المطار والخدمات التي يؤديها للطيران الدولي والمحلي تعرف المنظمة المطار بأنه “سطح محدد على الأرض أو الماء بما في ذلك أي مبان أو منشآت أو تجهيزات مخصصة كلياً أو جزئياً لوصول الطائرات ومغادرتها وتحركها على السطح. وتشمل أنواع المطارات: المطارات الخاصة بمصانع الطائرات، والمطارات المائية، ومطارات الطائرات العمودية (الهليكوبتر) التي تشمل المهابط الأرضية، وفوق المباني، والعائمة[3] .
.2.2 اختيار موقع المطار꞉
يعد اختيار موقع المطار من أهم المراحل في تخطيط مشاريع الطيران، إذ يتطلب إجراء مجموعة من الدراسات والأبحاث الدقيقة لضمان تحقيق السلامة والكفاءة التشغيلية وتقليل التأثيرات البيئية والاقتصادية[4]. تشمل هذه الدراسات: التعرف على نوع وطبيعة التربة، ودراسة المياه الجوفية، ودراسة الأحوال الجوية، وشدة الرياح، ودراسة مصادر المياه والكهرباء، ودراسة المناطق المحيطة خارج المطار، ودراسة المحاجر القريبة، ودراسة طرق المواصلات وقد وجدت الدراسات أنه إذا زاد مستوى ضغط الضوضاء عن 100 ديسبل، تعتبر المنطقة غير صالحة للسكن، وذلك للتأثير على القدرة السمعية والعصبية للسكان. وقد اقترحت إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) حدوداً معينة حول ممر الهبوط والإقلاع لتجنب إقامة أي تجمعات سكنية داخلها. ويجب اختيار الموقع بعيداً عن المناطق السكنية، مع مراعاة تقليل وقت الوصول للمطار المدني[3].
.3.2وردة الرياح واختيار اتجاه الممر꞉
تعد وردة الرياح أداة أساسية في مجال الطيران، حيث تستخدم لتمثيل اتجاهات الرياح وتوزيعها في موقع معين مثل المطارات تساعد هذه الأداة الطيارين ومراقبي الحركة الجوية على فهم سلوك الرياح واتجاهها مما يساهم في اتخاذ قرارات آمنة أثناء الإقلاع والهبوط. في الطيران، يفضل الإقلاع والهبوط عكس اتجاه الرياح (مواجهة الرياح) لأن ذلك يمنح الطائرة قوة رفع أفضل ويقلل من سرعة الإقلاع والهبوط[2]. وبعد رسم وردة الرياح، يتم تحديد الاتجاه الذي يحقق تغطية 95% أو أكثر من نسب هبوب الرياح، وإذا لم يتحقق ذلك يتم اختيار اتجاهين متعامدين أو متقاطعين لتأمين هذه النسبة ولكل طائرة قوة احتمال معينة لمركبة الهواء العمودية، وتختلف باختلاف حجم الطائرة (صغيرة 11 ميل/ساعة، متوسطة 24 ميل/ساعة، كبيرة 35 ميل/ساعة) [3].
4.2. مناطق الأمان للطائرات꞉هي مساحات هندسية تصمم حول المدرج وممرات الطيران بهدف حماية الطائرات والركاب والمعدات في حالات الخروج عن المسار أو الطوارئ أثناء الإقلاع والهبوط، وتعتبر جزءاً أساسياً من تصميم أي مطار وفق معايير السلامة الدولية من هذه المناطق: منطقة الاقتراب (Approach Area) التي تمتد أمام المدرج في اتجاه الهبوط، وسطح الانتقال (Transitional Surface) المائل الذي يمتد جانباً من حواف المدرج، والسطح الأفقي (Horizontal Surface) التخيلي على ارتفاع ثابت فوق المطار (نصف قطره 4 كم)، والسطح المخروطي (Conical Surface) المائل الذي يحيط بالمطار من الخارج بميل 1:20 وارتفاع 100 متر للمطاراتA,B و 50 متر للمطارات C,D,E [3]
5.2. خصائص الطائرة وتأثيرها على تصميم الرصف꞉
تؤثر أبعاد الطائرة، ووزنها، وتوزيع أحمالها، وسرعتها، وقوة دفعها بشكل مباشر في تصميم الرصف يجب على المهندس المدني معرفة الخصائص الرئيسية التالية: وزن الطائرة (الوزن الفارغ، الوزن التشغيلي، الحمولة، وزن الوقود، الوزن الكلي عند الإقلاع)، وتوزيع الأحمال، وطول الإقلاع والهبوط، وسرعة الطائرة، وقوة الدفع والعادم، وأبعاد الطائرة، ومتطلبات السلامة[3] كما أن نظام انتظار الطائرات على الساحة (Apron) يحدد المسافات بين المواقف وفق نصف قطر الدوران، ويعتمد عدد المواقف على سعة المطار وزمن بقاء الطائرة وتستخدم إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) جداول لتحديد السعة العملية للممرات في التصميم للمدى البعيد، وتصنف الطائرات إلى صغيرة ومتوسطة وكبيرة وفق نسب تنوعها في الحركة الجوية[4] .
تعد تقوية تربة المسار خطوة أساسية في تصميم وإنشاء مدارج المطارات، لأن التربة الضعيفة قد تؤدي إلى هبوط غير منتظم أو تشققات أو فشل هيكلي مع الأحمال المتكررة للطائرات يهدف تثبيت التربة إلى زيادة قدرة التحمل، وتقليل الهبوط، وتحسين الاستقرار العام، وتقليل تأثير المياه والرطوبة، وإطالة عمر المدرج[5].
1.3.التثبيت الفيزيائي꞉
هو تحسين خواص التربة دون إضافة مواد كيميائية رئيسية، وذلك عبر تغيير حالتها الفيزيائية مثل الكثافة أو الرطوبة أو الحرارة يشمل التثبيت الفيزيائي: الدمك (الأكثر شيوعاً لزيادة الكثافة وتقليل الفراغات) والتجفيف أو التحكم بالرطوبة، والتثبيت الحراري، والتجميد المؤقت للتربة [6].
2.3.التثبيت الكيميائي꞉
هو تحسين خواص التربة بإضافة مواد كيميائية تساعد على زيادة القوة وتقليل الانتفاخ والرطوبة و قدرة التحمل[5]
1.2.3.التثبيت بالأسمنت꞉
يعد من أهم التقنيات المستخدمة في إنشاء وتطوير مدارج الطيران والطرق الحديثة، حيث يتم إضافة نسبة محددة من الأسمنت والماء إلى التربة أو الركام، ثم خلطها وضغطها جيداً لتكوين طبقة صلبة ذات مقاومة عالية. تكمن أهميته في تحسين السلامة ومقاومة العوامل البيئية وتحمل الأحمال الثقيلة تتراوح نسب الأسمنت المضافة للتربة عادة بين 5-14% حسب نوع التربة[6] .
2.2.3.التثبيت بالجير꞉
يعد الجير الحل الأساسي والأكثر شيوعاً في سوريا، وذلك بسبب وفرة الجير، ويستخدم خصوصاً مع الترب الطينية. يستعمل الجير للتقليل من اللدونة والانتفاخ، وكذلك يحسن مقاومة القص والضغط ويحسن قيمة CBR (قدرة التحمل) تتراوح كمية الجير اللازمة لتعديل التربة الطينية بين 1-3%، بينما النسبة المطلوبة للتماسك بين 2-8% تعالج التربة الطينية بالجير من خلال تفاعلات البوزولانا، حيث يتفاعل الجير مع معادن الطين لتكوين مركبات أسمنتية قوية (سيليكات وكربونات الكالسيوم) تزيد من قوة التربة وتماسكها مع الحد من الانتفاخ والانكماش[5] .
3.2.3.التثبيت بالإسفلت꞉يستخدم الإسفلت لتحسين التماسك والمقاومة للماء، ويمكن إضافته للتربة على شكل مستحلب أو إسفلت مخفف. يجب أن يقتصر التثبيت بالإسفلت في المطارات على التربة ذات الطبيعة الحبيبية، حيث يعمل كعامل ربط يزيد من مقاومة القص ويقلل من نفاذية الماء[6] .
4.2.3.التثبيت بالمواد البوليمرية والأملاح꞉
تمثل البوليمرات تقنية حديثة في تثبيت التربة، حيث تعمل على تحسين خواص التربة الميكانيكية من خلال تكوين أغشية رقيقة حول الحبيبات تزيد من تماسكها ومقاومتها للماء كما تستخدم بعض الأملاح والمواد الكيميائية الخاصة في الترب المنتفخة لتقليل ميلها للانتفاخ. [7]
3.3التثبيت بالألياف꞉
يعد التثبيت بالألياف طريقة لتحسين خواص التربة عن طريق خلطها بألياف صناعية أو طبيعية تعمل على زيادة التماسك ومقاومة التشقق، حيث تعمل الألياف كشبكة تسليح تربط الحبيبات وتوزع الإجهادات تشمل أنواع الألياف: الصناعية (بولي بروبيلين، بولي إيثيلين)، والطبيعية (جوز الهند، السيزال)، والمختلطة[8] .
4.3.التثبيت البيولوجي للتربة꞉
هو تحسين خواص التربة باستخدام كائنات حية أو مواد طبيعية حيوية لزيادة التماسك وتقليل الانجراف والتعرية وتحسين الاستقرار يشمل التثبيت بالنباتات (الجذور)، والتثبيت البكتيري (إنتاج الكالسيت)، والمواد العضوية[7].
5.3.من أهم الطرق التثبيت المستخدمة في سوريا꞉
1.4.الأكواد والمراجع العالمية
تعتمد طرق تصميم الرصف المرن على مجموعة من الأكواد والمراجع العالمية، من أشهرها:
في سوريا، غالباً ما يُرجع إلى المواصفات القياسية السورية للطرق والجسور، ومتطلبات وزارة الأعمار، ومواصفات المشروع الخاصة[3] .
2.4.طريقة معامل المجموعة (Group Index Method)
تتراوح قيم معامل المجموعة بين 0 و 20، وتعتمد على نسبة المواد الناعمة، وحد السيولة، ومعامل مرونة التربة. كلما زاد المعامل، كانت التربة أضعف، وتطلب سمك رصف أكبر يقسم المرور إلى ثلاثة أقسام: خفيف (أقل من 50 مركبة تجارية/يوم)، متوسط (50-300)، وشديد (أكثر من 300). يحسب معامل المجموعة من العلاقة: GI = 0.2a + 0.005ac + 0.01bd، ثم يختار المنحنى الملائم لتحديد السمك الكلي. تعتمد الطريقة على التربة الأصلية ولا تأخذ في الاعتبار نوع مواد الطبقات العليا [10].
3.4.طريقة التحميل النسبي لكاليفورنيا (CBR Method)
تمتاز هذه الطريقة بالبساطة، وتستخدم قيم CBR للتربة وطبقات الرصف، مع منحنيات تربط CBR بسمك الرصف لأنواع مختلفة من حركة المرور طورت إدارة الطرق في كاليفورنيا هذه الطريقة في الأربعينيات لتصميم الرصفات لدعم القاذفات الثقيلة أساس التصميم أن كل طبقة رصف تحتاج إلى طبقة تعلوها سمكها يتوقف على قيمة CBR للطبقة السفلية وقد وجد سلاح المهندسين الأمريكي علاقة بين سمك الرصف والحمل على العجلة وضغط العجلة وقيم CBR،[4] واقترح المعادلة .
T=P(1.75CBR−1πp)T=P(CBR1.75−πp1)
حيث T = سمك الرصف (سم)، P = الحمل على العجلة (كجم)، p = ضغط العجلة (كجم/سم²). وتستخدم هذه المنحنيات في إنجلترا والهند
4.4الطريقة الروسية꞉
تعد الطريقة الروسية من الطرق الهندسية المتقدمة، حيث تعتمد على دراسة تأثير الأحمال والظروف المناخية وخصائص التربة على أداء طبقات الرصف خلال فترة الخدمة التصميمية يرتكز التصميم على اعتبار الرصف نظاماً متعدد الطبقات، ويهدف إلى توزيع الأحمال بحيث لا تتجاوز الإجهادات والانفعالات الحدود المسموحة[11]
خطوات التصميم وفق الطريقة الروسية꞉
الخطوة الأولى: حساب معامل المرونة الوسطي للطبقات (Ec):
Ec=E1h1+E2h2+⋯+EnhnHtotEc=HtotE1h1+E2h2+⋯+Enhn
الخطوة الثانية: تحديد الحمولة المكافئة (Pe) بناءً على العلاقة بين السمك الكلي (Htot) والمسافة بين أقرب دولابين (a):
الخطوة الثالثة: حساب نصف قطر سطح تطبيق الحمولة:
De=2PeπqDe=2πqPe
الخطوة الرابعة: حساب معامل المرونة المكافئ (Eed) من المخططات بدلالة H/D و E₀/Ec.
الخطوة الخامسة: حساب سهم الانعطاف النسبي:
λd=0.9×qEedλd=Eed0.9×q ويجب أن يكونλd< 0.0055.
الخطوة السادسة: التحقق من إجهاد الشد في طبقة الإسفلت:
σ=0.95×K×q×σˉσ=0.95×K×q×σˉ حيث K = 1.15 (ثابت الصرف꞉
وتفرض الطريقة شروطاً على نسب معاملات المرونة بين الطبقات المتجاورة (أقل من 3.5-5 مرات)، وسماكة الإسفلت (9-14 سم) .
.وصف المطار والوضع القائم
يعتبر مطار القامشلي في شمال شرق سوريا مطاراً محلياً للطائرات الخفيفة والمتوسطة، لكن مع استخدام طائرات B747 في نقل الحجاج، أصبح من الضروري تحديثه ليحقق PCN لا يقل عن 70 [3]. تم الكشف على المهبط القديم وتبينت مواصفات طبقاته. [3]:
.مواصفات الطائرة التصميمية
استخدمت طائرة B747 كطائرة تصميمية بالخصائص ꞉
.التحليل وفق الطريقة الروسية للتصميم الحالي꞉
-حساب معامل المرونة الوسطي من القانون السابق ꞉ kg/cm2 -Ec =4381.3
نسبة E₀/Ec = 436/4381.3 = 0.099.و نحسب المسافة بين الدولابين a=78.46cm
بما أن a/2 = 39.46، وHtot = 86.5 سم، فإن a/2 <Htot< 2a، لذاPe = 44000 كجم من المخططات.
نصف قطر الحمولة الكافئ De=2π×15.344000=60.5 cm اذا نسبةHtot/De = 86.5/60.5 = 1.38.
من المخططاتEe/Ec = 0.38 → Ee = 1664.89 kg/cm2 و سهم الانعطاف النسبي꞉
λb=0.9×15.31664.89=0.0082>0.0055λb=1664.890.9×15.3=0.0082>0.0055
(غير محققة، مما يؤكد عدم كفاية التصميم).
التصميم الأول: إسفلت عادي
التحقق [10]
إجهاد الشد:
.التصميم الثاني: إسفلت معدل SBS
التحقق [10]
[1] Grant, R. G. (2002). Flight: 100 Years of Aviation. London: Dorling Kindersley.
[2] ICAO (International Civil Aviation Organization). (2006). Aerodrome Design Manual. Montreal, Canada: ICAO Publications.
[3] بيانات مهبط مطار القامشلي – مديرية الطيران المدني السورية (تم الحصول عليها من الدرسات الهندسية للمطار, غير منشورة)
[4] FAA (Federal Aviation Administration). (2016). Advisory Circular AC 150/5320-6G: Airport Pavement Design and Evaluation. Washington, D.C.: U.S. Department of Transportation.
[5] Little, D. N. (1995). Handbook for Stabilization of Pavement Subgrades and Base Courses with Lime. Arlington, VA: National Lime Association.
[6] Ingles, O. G., & Metcalf, J. B. (1972). Soil Stabilization: Principles and Practice. Sydney: Butterworths.
[7] Mitchell, J. K., & Soga, K. (2005). Fundamentals of Soil Behavior (3rd ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
[8] Hejazi, S. M., Sheikhzadeh, M., Abtahi, S. M., &Zadhoush, A. (2012). “A simple review of soil reinforcement by using natural and synthetic fibers.” Construction and Building Materials, 30, 100-116.
[9] Das, B. M. (2010). Principles of Geotechnical Engineering (7th ed.). Stamford, CT: Cengage Learning.
[10] AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). (1993). AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. Washington, D.C.: AASHTO.
[11] Huang, Y. H. (2004). Pavement Analysis and Design (2nd ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall.