سازه نگهبان خاک با سپر

سپرها فولادی، عناصری انعطاف پذیر با صلبیت خمشی مورد نیاز هستندکه بیشتر برای احداث اسکله و دیوارهای ساحلی به کار می روند. سپرها ممکن است با میل مهار به خاک پشت دوخته شوند و یا بدون میل مهار یعنی طره ای باشند.

سپرهای طره ای در ارتفاع کم تا متوسط مقرون به صرفه اند. تغییرشکل جانبی سپر طره ای در بالای آن بزرگ است. در سپرهای مهار شده، مهار سپر می تواند با میل مهار در پشت یا به کمک تیرک افقی یا مایل در جلوی سپر انجام شود.

تحلیل سپرها با سه روش تعادل حدی، مدلسازی با فنر غیرخطی و تحلیل عددی به روش اجزای محدود انجام می گیرد.

در روش تعادل حدی، با توجه به شرایط پروژه، روش گیردار در پا (Fixed end support) یا آزاد در پا (Free end support) برای طراحی انتخاب می شود. روش گیردار در پا در ژاپن (OCDI) و آلمان (EAU) رایج بوده و طراحی آن منجر به طول بیشتر می شود. روش آزاد در پا در آمریکا (UCASE) و انگلستان (BS) رایج بوده و مقطع بزرگتر به بار می آورد. سپر گیردار در پا در حول نقطه ای پایین تر از سطح لایروبی دوران می کند. سپر آزاد در پا در حول نقطه اتصال مهار دوران می کند. با نوشتن معادلات تعادل استاتیکی حول نقطه دوران، طول نفوذ سپر تعیین می شود. فشار جانبی خاک در پشت سپر قبل از تحلیل و در حالت محرک فرض می شود. برای تعیین عمق نفوذ سپر در خاک، علاوه بر اعمال نیروی تراوش آب به سپر، توزیع تنش جانبی خاک و سربار روی سپر، با سه روش لنگر ضریب دار (Factored Moment method)، مقاومت ضریب دار (Factored strength method) و فشار مقاوم خالص (Net passive pressure method) به سپر اعمال می شود. برای لحاظ کردن انعطاف پذیری سپر، حداکثر لنگر وارد بر سپر و نیروی مهار با استفاده از روش های تجربی کاهش داده می شود.

در روش مدلسازی سپر و خاک اطراف آن با فنر غیرخطی، حداکثر نیروی فنر متناسب با فشار محرک و مقاوم بوده و نیروی هر فنر با توجه به ابعاد، سختی و تغییرمکان افقی سپر بدست می آید. با این روش، ساخت مرحله ای سپر (Stage construction) مدلسازی شده  و نهایتا طول فرورفت، مقطع و اعضای مهارکننده سپر طراحی می شوند. نرم افزار تجاری WALLAP برای این تحلیل به کار می رود.

در تحلیل های عددی به روش اجزای محدود در تحلیل سپرها، فشار جانبی خاک به سپر از تحلیل به دست می آید. این موضوع اصلی ترین عیب روش تعادل حدی را رفع می کند. مزیت دیگر استفاده از تحلیل اجزای محدود، علاوه بر توجه به انعطاف پذیری سپر که تاثیر زیادی بر تنش های محرک و مقاوم دارد، امکان مدلسازی شرایط ساخت یا Stage construction است که می تواند توزیع تنش های جانبی وارد بر سپر را واقعی نشان دهد. البته نحوه المان بندی و انتخاب مدل رفتاری مناسب خاک و کالیبراسیون مدل نیازمند دقت و تخصص زیادی است. نرم افزار تجاری PLAXIS 2D&3D برای این تحلیل به کار می روند.

عملکرد میل مهار در پشت سپر با عملکرد استرات در جلوی آن متفاوت است. میل مهار نوعی تکیه گاه با نیروی مشخص (Fixed load) است. میل مهار از چند میلگرد (Rod) یا کابل (Tendon) تشکیل شده که در انتها به یک بلوک یا صفحه بتنی با وزن زیاد و یا توده تزریق و یا یک دیواره سپری وصل می شود. صفحات انتهایی باید کشش ناشی از مهار را تحمل کند. تغییرشکل جانبی سپر باعث ایجاد نیرو در میل مهار می شود. مهار باعث کاهش تغییرشکل جانبی سپر و لنگر خمشی آن می شود. عمق نفوذ سپر مهار شده کمتر از طره ای است.

طول میل مهار به گونه ای تعیین می شود که (i) منطقه محرک در پشت سپر و منطقه مقاوم در جلوی صفحه مهار به هم برخورد نکنند و (ii) قسمت بالایی صفحه مهار در پایین خطی که از نقطه تنش صفر می گذرد و با افق زاویه اصطکاک خاک را می سازد. عمق صفحه مهار از سطح زمین و فاصله طولی آن ها،  از تعادل نیروی ضریب دار مهاری و نیروی خالص مقاوم توسط صفحه مهار تعیین می شود.

از دیدگاه نظری، خاکریزی پشت سپر و خاک برداری جلوی آن باید همزمان با اعمال پیش تنیدگی در میل مهار انجام شود تا از مقدار زیاد تغییرشکل افقی رو به جلوی سپر در اثر فشار جانبی خاک جلوگیری شود. بنابراین تراز نصب میل مهار در سپرها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به دلایل اجرایی نصب میل مهار در ترازهای بالایی راحت تر است. از طرفی نصب میل مهار در ترازهای بالا نقش کمتری در کاهش تغییرشکل سپر و کاهش لنگر خمشی وارد بر آن دارد. اغلب خاک ریزی پشت سپر تا تراز میل مهار انجام می شود. سپس میل مهار نصب شده و پس از آن بقیه خاکریزی انجام می شود. برای کنترل تغییرشکل سپر یکی از روش های (i) پایین آوردن تراز نصب میل مهار، (ii) ایجاد تکیه گاه موقت برای سپر تا قبل از نصب میل مهار و (iii) افزایش صلبیت سپر و فرورفت آن را می توان به کار برد.

پایداری سپرهای طره ای فقط به گیرداری ناشی از فشار خاک بستگی دارد. بنابراین ملاحظات خوردگی، آب شستگی و فرسایش خاک در طول عمر سازه کنترل می شود.

جرثقیل سپر را در محل خود قرار می دهد تا نخست سپر تحت وزن خود اندکی در زمین نفوذ کند. سپس کوبش سپرها به صورت مرحله ای انجام می شود. هر قطعه سپر، در دو یا چند مرحله تا رسیدن به عمق نهایی تحت کوبش قرار می گیرد. بر اثر کوبش مرحله اول، قطعات کوبیده شده با زائده های مقطع به هم وصل شده و مقاومت مجموعه آن ها در برابر کمانش بالا می رود. بنابراین کوبش مرحله دوم که با ضربات سنگین تری انجام می شود، هر قطعه از سوی قطعه دیگر حمایت می شود. در زمین های سخت، کوبیدن هر قطعه زمانی شروع می شود که سپر مجاور تا حدود 30٪ طول فرورفت مورد نیاز کوبیده شده باشد. در زمان برخورد به موانع سخت، از سپر پیشرو با ضخامت بیشتر یا از کفشک ضخیم که قدرت تحمل ضربات سنگین را دارد، استفاده می شود.

سپرهای فولادی معمولا به دلیل نوع اتصالات شان به یکدیگر، آب بند نیستند. زیرا رواداری 4 تا 8 سانتیمتر در هر اتصال مجاز است. در صورت نیاز به آب بندی سپر، باید تمهیدات ویژه به کار رود.

در سپرهای مهار شده،‌ حفاظت از میل مهار در برابر خوردگی با عبور آنها از درون یک لوله پلاستیکی و تزریق سیمان یا ماده شیمیایی مناسب در فاصله خالی بین میل مهار و لوله انجام می شود. استفاده از میل مهار با ضخامت اضافی به عنوان ضخامت فداشونده هم در مقابل خوردگی درنظر گرفته می شود.

نوع اتصال میل مهارهای با مقطع بزرگ به سپر باید به صورت مفصلی باشد تا نشست های غیریکنواخت بین سپر و دیوار مهاری باعث بروز لنگر خمشی بزرگ در میل مهار نشود.

سپر در اسکله های شمع و عرشه: در اسکله های شمع و عرشه که موازی ساحل هستند، برای جلوگیری از ریزش خاک جلوی اسکله، از سپر برای نگهداری خاک در پشت اسکله شمع و عرشه استفاده می شود. سپر می تواند از بالا به اسکله وصل شود. در غیر اینصورت سپر احتیاج به میل مهار دارد.

نصب جرثقیل بندری روی سپر و دیوار مهاری: در سپرهایی که به منظور اسکله برای پهلوگیری کشتی احداث می شوند یک جرثقیل بندری برای تخلیه و بارگیری در امتداد طولی اسکله حرکت می کند. اگر یک پایه جرثقیل بندری روی سپر اصلی و پایه دیگر روی دیوار مهاری نصب شود، بسیار مقرون به صرفه است.

ساخت کیسون یا صندوقه با سپر: سپرها به صورت تکی در زمین کوبیده می شوند. اتصال سپرها به گونه است که امکان لغزش در راستای قائم و کوبش آن ها را فراهم می سازد. اگر سپرها در پلان به صورت منحنی بسته (مثلا دایره) به صورت مناسبی به هم متصل شوند که مقاومت کششی قابل توجهی را در راستای طول دیواره فراهم آید، می توان با استفاده از آن صندوقه یا کیسون بوجود آورد. درون کیسون با خاک پر می شود و یک سازه وزنی ساخته می شود.

سکوی تحمل بار Relieving Platform: اگر سربار پشت سپر بزرگ باشد و مقطع سپر برای تحمل فشار جانبی ناشی از سربار کافی نباشد از احداث سکو به همراه اجرای شمع در زیر آن برای انتقال سربار استفاده می شود.