چرا کابل‌های فیبر نوری استاندارد در خاک‌های سیاه دچار مشکل می‌شوند؟

در حالی که مهندسی مخابرات معمولاً ظرفیت شبکه، پهنای باند و افت نوری را در اولویت قرار می‌دهد، بقای نهایی لایه فیزیکی به پایداری ژئوتکنیکی بستگی دارد. برای صاحبان شبکه‌هایی که دارایی‌های زیرساختی چند ده ساله می‌سازند، تهدید اصلی به طرز شگفت‌آوری ظرفیت نیست. در عوض، این تهدید نوسانات مکانیکی “منطقه فعال” است که بخش فوقانی خاک در معرض نوسانات شدید رطوبت فصلی قرار دارد.

هنگام ساخت زیرساخت‌های حیاتی شبکه، مانند مسیرهای بک‌هال که هرگونه قطعی می‌تواند بسیار تأثیرگذار باشد، در نظر گرفتن توانایی کابل‌های فیبر نوری برای مقاومت در برابر شرایط خاک، هوشمندانه است.

در بسیاری از مناطق جهان، خاک به عنوان یک ماشین پویا عمل می‌کند و نیروهای چندبرداری اعمال می‌کند که به راحتی می‌توانند از تلرانس‌های فیزیکی کابل‌های فیبر نوری استاندارد فراتر روند. برای کاهش این خطر، صاحبان شبکه‌های محتاط به سمت سیستم‌های تخصصی با مقاومت بالا، مانند طرح‌های با استحکام بالای ScaleFibre، حرکت می‌کنند تا از دارایی‌های خود محافظت کنند.

ژئوتکنیک خاک‌های “واکنش‌پذیر”

مخالف مکانیکی اصلی برای زیرساخت‌های زیرزمینی، گروهی از خاک‌ها به نام ورتیسول‌ها (Vertosols) هستند که معمولاً “خاک‌های سیاه” نامیده می‌شوند. این خاک‌ها با غلظت‌های بالای کانی‌های رسی منبسط‌شونده تعریف می‌شوند که در طول چرخه‌های تر شدن و خشک شدن، تغییرات حجمی چشمگیری را تجربه می‌کنند.

چه اتفاقی در خاک می‌افتد؟

رفتار یک ورتیسول توسط ترکیب کانی‌شناختی آن، به‌ویژه حضور کانی‌های خاص، تعیین می‌شود. این کانی‌ها دارای ساختار شبکه‌ای 2:1 هستند — اساساً یک “ساندویچ” مولکولی میکروسکوپی از لایه‌های مختلف رس.

پیوندهای بین این ورقه‌ها نسبتاً ضعیف هستند. در طول هیدراتاسیون، مولکول‌های آب به فضای بین‌لایه‌ای (بین لایه‌ها) کشیده می‌شوند و لایه‌ها را از هم جدا می‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، این انبساط مولکولی باعث افزایش حجم خاک می‌شود و فشارهای تورمی عظیمی ایجاد می‌کند. از سوی دیگر، در طول دوره‌های خشک، از دست دادن آب باعث فروپاشی شبکه می‌شود و در نتیجه خاک جمع شده و شکاف‌های عمیق یا “ترک‌های انقباضی” تشکیل می‌شوند که می‌توانند تا چندین متر در خاک زیرین نفوذ کنند.

مناطق جغرافیایی جهانی در معرض خطر

این مناطق از نظر زمین‌شناسی ناپایدار، از اهمیت استراتژیک بالایی برخوردارند و به طور گسترده‌ای توزیع شده‌اند. خاک‌های متحرک و منبسط‌شونده در سراسر جهان چالش‌هایی را ایجاد می‌کنند. بدون شک این پدیده را در ساختمان‌ها دیده‌اید، جایی که دیوارها ترک می‌خورند و پی‌ها به دلیل حرکت خاک زیرین جابجا می‌شوند. خاک‌های مشکل‌ساز در بسیاری از نقاط رخ می‌دهند، اما برخی مناطق خاص به خوبی شناخته شده‌اند.

آمریکای شمالی

تعدادی از مناطق دارای خاک‌های متحرک هستند، از جمله “سیاه هیوستون” (Houston Black) بدنام، که در کریدور تگزاس غالب است. این خاک‌ها به دلیل ضریب بالای انبساط خطی (COLE) شناخته شده‌اند، که اغلب پی‌ها را بلند کرده و کانال‌ها را با نیروی کافی برای شکستن لوله‌های اصلی سنتی برش می‌دهند. هر ساله حجم عظیمی از آسیب‌ها در نتیجه خاک‌های منبسط‌شونده “سیاه هیوستون” رخ می‌دهد.

اروپا

در منطقه اکسترمادورای اسپانیا، در ناحیه‌ای معروف به تیرا د باروس (Tierra de Barros)، ورتیسول‌های پلیییک (Pellic Vertosols) دچار نشست شدید می‌شوند. در بریتانیا، رس‌های گروه لیاس (Lias Group clays) مناطق پرخطری برای برش ناشی از رانش زمین و خرابی زیرساخت‌ها هستند، که اغلب در مسیرهای حمل‌ونقل رایج رخ می‌دهد. در واقع، در بریتانیا، خاک‌های منبسط‌شونده خطرناک‌ترین پدیده طبیعی زمینی هستند و می‌توانند کابل‌ها و سایر زیرساخت‌ها را برش دهند و منجر به قطعی‌های گسترده، نشتی و ترکیدگی شوند.

استرالیا

ورتیسول‌های استرالیا که متنوع‌ترین طیف رس‌های ترک‌خورنده را در جهان در خود جای داده‌اند، شکاف‌های سطحی عمیقی ایجاد می‌کنند که امکان ورود سریع آب به خاک زیرین را فراهم می‌سازند و باعث تورم‌های محلی و شدید می‌شوند که می‌توانند کابل‌های دفن‌شده را در یک فصل به طرز عظیمی جابجا کنند. شرکت‌های مخابراتی در سراسر استرالیا هر ساله با چالش‌های عظیمی از این خاک‌ها در بسیاری از مناطق کشور روبرو هستند. در برخی موارد، خاک‌های سیاه آنقدر جابجا می‌شوند که شکاف‌های بزرگی در زمین ایجاد می‌کنند.

حالت‌های شکست کابل‌های فیبر نوری دفن‌شده

حرکت ژئوتکنیکی از طریق سه تنش مکانیکی متمایز به دارایی دفن‌شده حمله می‌کند. یک کابل استاندارد در نهایت به دلیل یک یا چند مورد از این تنش‌ها به حد کشسانی خود می‌رسد و از کار می‌افتد.

1. کرنش طولی (کشش)

با خشک شدن خاک، زمین در حال انقباض، اصطکاک بالایی را روی روکش کابل اعمال می‌کند و آن را از هر دو انتها می‌کشد. اکثر فیبرهای نوری دارای حداکثر تحمل کرنش تقریباً 0.2٪ هستند قبل از اینکه تلفات میکروخمیدگی سیگنال را تضعیف کند یا ماکروخمیدگی منجر به شکستگی شیشه شود.

2. له شدن شعاعی (فشار تورم)

آب‌گیری مجدد باعث افزایش سریع حجم می‌شود و منجر به بار له شدن شعاعی می‌گردد. این فشار تورم می‌تواند نیروهای عظیمی را روی روکش کابل اعمال کند، مانند یک گیره هیدرولیکی عمل می‌کند. کابل‌های استاندارد با روکش‌های کم، مقاومت کمی ارائه می‌دهند و اجازه می‌دهند لوله‌های بافر تغییر شکل داده و فیبرها را به دیواره لوله فشار دهند و باعث تضعیف بالا شوند.

3. فشرده‌سازی محوری (کمانش)

این مهمترین و نادیده‌گرفته‌شده‌ترین حالت شکست در محیط‌های منبسط‌شونده است. هنگامی که خاک منبسط می‌شود، اغلب به صورت محوری در امتداد کابل به سمت نقاط پایدارتر فشار وارد می‌کند. بسیاری از کابل‌ها دارای اعضای مقاومتی محدودی هستند که عمدتاً برای کشیدن در هنگام نصب طراحی شده‌اند. برخی با الیاف آرامید (مانند کولار) تقویت شده‌اند که مقاومت کششی عالی اما مقاومت فشاری صفر را ارائه می‌دهند. آنها اساساً طناب‌هایی هستند که تحت فشار شل می‌شوند.

تحت بارهای فشاری محوری، کابل‌های استاندارد کمانش کرده و خم می‌شوند. این امر الیاف شیشه را به شعاع خمشی محکم‌تر از 30 میلی‌متر مجبور می‌کند و باعث تلفات نوری فاجعه‌بار یا خرابی فیزیکی کامل می‌شود.

یک راه حل مهندسی شده

استفاده از کابل‌های “عادی” سنتی در خاک‌های سیاه یا منبسط‌شونده اغلب مستعد مشکل است. این کابل‌ها به سادگی برای تحمل نیروهایی که خاک‌های سیاه به آنها وارد می‌کنند، طراحی نشده‌اند و بنابراین حتی پس از تغییرات متوسط در خاک، به سرعت از کار می‌افتند. ScaleFibre مجموعه کابل‌های با مقاومت بالای خود را مهندسی کرده تا استحکام اضافی را فراهم کند که در برابر نیروهای محیطی راحت‌تر از کابل‌های فیبر نوری استاندارد مقاومت می‌کند. دو طرح کلی وجود دارد - کابل فیبر نوری با روکش تکی بدون زره با مقاومت بالا (با مقاومت کششی 6kN) و کابل فیبر نوری زرهی غیرفلزی با مقاومت بالا (با مقاومت 20kN). نوع اول حدود سه برابر مقاومت کششی کابل‌های لوز تیوب سنتی را فراهم می‌کند، در حالی که نوع دوم حدود ده برابر مقاومت کششی را ارائه می‌دهد (و این مزیت را دارد که توانایی کابل در مقاومت در برابر آسیب جوندگان را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد).

رده 1: مقاومت بالا (6kN)

رده 6kN با مقاومت بالا، ارتقاء چشمگیری نسبت به حد کششی استاندارد صنعتی 2kN فراهم می‌کند، که به طور خاص برای مدیریت بارهای نصب و محیطی افزایش‌یافته مهندسی شده است. این طراحی کابل از یک روکش پلی‌اتیلن (PE) تخصصی استفاده می‌کند که با بهبودهای اختصاصی یکپارچه شده است و مقاومت مکانیکی آن را به شدت افزایش می‌دهد بدون نیاز به لایه‌های اضافی. این طراحی، در حالی که یک پروفایل ساده را حفظ می‌کند، بر به حداکثر رساندن ظرفیت کششی و مقاومت در برابر له شدن کابل تمرکز دارد و دوام بالایی را در یک ساختار تک روکشی فراهم می‌کند. این امر آن را به گزینه‌ای کارآمد برای این نوع تاسیسات با بار بالا که کابل‌های استاندارد کافی نیستند، تبدیل می‌کند.

این کابل زره ندارد و بنابراین مقاومت آن در برابر جوندگان مانند کابل‌های سنتی بدون زره است.

Featured Solution

کابل فیبر نوری لوز تیوب بیرونی با استحکام بالا

لوز تیوب با استحکام بالا و مقاوم برای مسیرهای حیاتی شبکه، مهندسی شده برای انعطاف‌پذیری در برابر حرکت زمین یا شرایط سخت که تداوم سرویس را تهدید می‌کنند.

مشاهده جزئیات محصول

رده 2: NMA با مقاومت بالا (20kN)

طراحی با مقاومت بالای زرهی غیرفلزی، حفاظت از کابل را حتی فراتر می‌برد. این نسخه که برای کابل‌های حیاتی در محیط‌های خاکی پرخطر ایده‌آل است، از میله‌های FRP (پلاستیک تقویت‌شده با فیبر) پلت‌روده جامد استفاده می‌کند. این مورد با زره‌های متداول‌تر از نوع نخ شیشه متمایز است و مزیت افزوده‌ای دارد که صلبیت ساختاری قابل توجهی را فراهم می‌کند. این طرح حفاظت بسیار بیشتری در برابر جوندگان و سایر آسیب‌های مشابه ارائه می‌دهد، زیرا میله‌های FRP ضخیم‌تر، قوی‌تر و پوشش بیشتری نسبت به زره‌های از نوع نخ دارند.

این میله‌های جامد، مقاومت فشاری محوری (ACR) را فراهم می‌کنند. آن‌ها به عنوان تیرهایی عمل می‌کنند که یکپارچگی خطی کابل را حفظ می‌کنند و به طور موثر از آسیب ناشی از فشار و کمانش که کابل‌های استاندارد را به خطر می‌اندازند، جلوگیری می‌کنند.

Featured Solution

کابل فیبر نوری زرهی با مقاومت بالا

لوله شل زرهی با استحکام بسیار بالا برای شبکه‌های حیاتی که در آن‌ها حرکت زمین یا شرایط سخت، تداوم سرویس را تهدید می‌کند.

مشاهده جزئیات محصول

مزیت دی‌الکتریک

برخلاف گزینه‌های کابل زره‌پوش فلزی، که معمولاً استحکام کافی برای کاربردهای خاک سیاه را اضافه نمی‌کنند، طراحی تمام دی‌الکتریک (بدون فلز) هر دو کابل با مقاومت بالای ScaleFibre، مزایای عملیاتی اساسی برای شبکه‌های بک‌بون طولانی فراهم می‌کند:

ایمنی الکترومغناطیسی

مسیرهای طولانی اغلب موازی خطوط برق ولتاژ بالا هستند. کابل‌های دی‌الکتریک نارسانا هستند و شبکه را در برابر جریان‌های القایی و صاعقه محافظت می‌کنند که می‌توانند به طور فاجعه‌بار کابل‌های زره‌پوش فلزی را ذوب کنند.

کارایی عملیاتی

برخلاف زره فلزی، کابل‌های دی‌الکتریک نیازی به زمین کردن یا اتصال در نقاط ورودی ندارند، که به طور قابل توجهی کار در محل و لیست مواد (BoM) را کاهش می‌دهد. در بسیاری از حوزه‌های قضایی، آن‌ها همچنین می‌توانند داکت یا کاندوئیت‌های الکتریکی موجود را به اشتراک بگذارند، در حالی که کابل‌های فلزی ممنوع هستند.

پایداری شیمیایی

میله‌های FRP از نظر شیمیایی خنثی و در برابر خوردگی مقاوم هستند. این امر در کابل‌های فلزی در خاک‌های مرطوب و اسیدی رایج است، که بر طول عمر سیستم کابل تأثیر منفی می‌گذارد. خوردگی نه تنها مقاومت زره فلزی را در برابر جوندگان کاهش می‌دهد، بلکه استحکام کابل را نیز کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

ساخت یک ستون فقرات دیجیتال پایدار در خاک واکنش‌پذیر نیازمند یک فلسفه مهندسی است که اثرات ژئوتکنیکی را در نظر بگیرد. تکیه بر کابل‌های استاندارد بدون زره یا زره‌پوش با نخ در این محیط‌ها منجر به چرخه‌ای از نگهداری و در نهایت خرابی می‌شود. معماری میله‌های جامد ScaleFibre تفاوت بین یک مسئولیت با نگهداری بالا و یک دارایی زیرساختی دائمی را نشان می‌دهد.