سازه نگهبان با دیوارهای خاک مسلح

دیوار خاک مسلح یکی از روش های بسیار رایج برای احداث ابنیه نگهبان خاک است. این دیوارها انعطاف پذیری خوبی در برابر زلزله دارند و همچنینی نسبت به نشست حساسیت کمتری دارند.

اثر خالص مسلح کننده عبارت از اعمال یک مقاومت جانبی روی توده خاک که موجب می شود دایره مور حرکت کرده و از خط گسیختگی فاصله بگیرد.مسلح کننده دو اثر مثبت (الف) افزایش نیروی مقاوم و (ب) کاهش نیروی محرک به شرح زیر دارد. این سازوکار در محل برخورد خط گسیختگی در هر سازه ای با ژئوسینتتیک دارد.

(الف) مسلح کننده باعث افزایش نیروی مقاوم می شود. زیرا بار قائم وارد بر سطح برشی را زیاد می کند و در نتیجه مقاومت برشی به اندازه حاصل ضرب مولفه عمودی نیروی مسلح کننده در Tan(Phi) زیاد می شود.

(ب) مسلح کننده باعث کاهش نیروهای محرک می شود. زیرا مولفه افقی نیروی مسلح کننده در خلاف جهت نیروی گسیختگی است.

عامل اصلی پایداری دیوار خاک مسلح بوجود آمدن نیروی کششی در ژئوسینتتیک ها است. اصطکاک بین خاک و سطح ژئوسینتتیک ها باعث انتقال نیرو بین خاک و ژئوسینتتیک شده و نیروی بوجود آمده ناشی از لغزش گوه گسیختگی در ژئوسینتتیک ها به پشت خط گسیختگی منتقل می شود. بنابراین ژئوسینتتیک ها افزون بر مقاومت کششی کافی باید از طول کافی برخوردار باشند.

طراحی دیوار خاک مسلح با کنترل های پایداری خارجی و داخلی انجام می شود.

با کنترل پایداری خارجی، حداقل ابعاد بلوک مسلح یا در واقع حداقل طول مسلح کننده ها بدست می آید. ناحیه مسلح شده ابتدا یک بلوک صلب درنظر گرفته می شود که تحت فشار جانبی خاک غیرمسلح پشت آن قرار دارد و سه حالت حدی (الف) لغزش افقی ناحیه مسلح در بارگذاری زهکشی نشده و زهکشی شده، (ب) کنترل خروج از مرکزیت و یا کنترل واژگونی ناحیه مسلح، (ج) کنترل ظرفیت باربری پی برای بلوک مسلح و (د) کنترل پایداری کلی یا عمومی انجام می شود.

با کنترل پایداری داخلی دیوار خاک مسلح، جانمایی و فواصل ژئوسینتتیک ها تعیین می شود. در واقع مقاومت مسلح کننده و مقاومت برشی در سطح تماس ژئوسینتتیک و خاک (Bond) کنترل کننده است.

مقاومت مسلح کننده: حداقل تنش در دسترس مسلح کننده، باید بیش تر از تنش موردنیاز در هر عمق باشد. بنابراین فواصل عمودی مسلح کننده ها تعیین می شود. هر مسلح کننده به لایه ای از خاک کمک می کند که نیمی از آن در بالا و نیم دیگر در پایین مسلح کننده است. حداکثر تنش افقی خاک در هر عمق در نزدیک وجه خارجی دیوار خاک مسلح، از حاصل ضرب ضریب رانش محرک در تنش قائم در عمق z بدست می آید. توزیع تنش قائم در عمق z خطی فرض شده و ناشی از (الف) وزن توده خاک مسلح در بالای تراز z، (ب) سربار و بار قائم خطی و (ج) مولفه قائم نیروی فشار خاک پشت بلوک است. حداقل تنش در دسترس مسلح کننده همان مقاومت مجاز کششی در واحد عرض است که با اعمال ضرایب اطمینان ناشی از صدمه نصب، خزش، افت شیمیایی و بیولوژیکی تعیین می شود.

طول مسلح کننده: طول ژئوسینتتیک در پشت گوه گسیختگی باید به قدری زیاد باشد که نیروی مربوطه از طریق اصطکاک آن و خاک تحمل شود. در غیر اینصورت Pull out رخ داده و به همراه گوه گسیختگی به جلو حرکت می کند. این طول باید بر اساس نیروی حاصل از تحلیل گوه های گسیختگی مختلف بدست آید.

برای ساخت دیوار خاک مسلح از ماشین آلات و تجهیزات متداول کارهای راهسازی شامل بیل مکانیکی، لودر، کامیون و جرثقیل استفاده می شود. خاک به صورت لایه لایه با غلتک کوبیده می شود و به فواصل مناسب از مسلح کننده استفاده می گردد. در هر لایه خاک از قطعات بتنی پیش ساخته به عنوان نما استفاده می شود. این قطعات بتنی مانع از ریزش موضعی خاک در فاصله بین دو ژئوسینتتیک در محل نمای خارجی می شوند.

در پایدارسازی موقت بلند مدت رعایت معیارهای دوام و بارگذاری های متناسب با زمان ضرورت دارد.

اگر پایدارسازی به صورت موقت کوتاه مدت (کمتر از یکسال پس از اتمام یا توقف عملیات گودبرداری) باشد، لحاظ کردن معیارهای دوام مصالح در طرح و اجرا لازم نیست.

مهاربندی هایی که بیشتر از دو سال مورد استفاده قرار گیرند، باید به عنوان مهاربندی های دایمی طراحی شوند. بنابراین الزامات بارگذاری زلزله و تامین دوام مصالح درنظر گرفته می شود.

در پایدارسازی دایمی باید الزامات بارگذاری لرزه ای درنظر گرفته شود. البته درخصوص مهاربندی های سازه نگهبان که بیشتر از دو سال مورد استفاده قرار گیرند، باید به عنوان مهاربندی های دایمی طراحی شوند.

به طور کلی بهترین نوع مصالح برای خاکریزی پشت دیوار، خاک های شنی و ماسه ای با ریزدانه کم و تامین شرایط زهکشی و فیلتر برای آن می باشد. استفاده از خاک های ریزدانه سیلت و رس تثبیت شده با آهک یا سیمان و تامین سیستم زهکشی قابل انجام است.

جواب این سوال، برای خاک های با پایداری نسبی خوب، بله است. در این حالت باید به تغییرشکل گود و تغییرشکل های القایی زیر پی ساختمان های مجاور توجه ویژه داشت. ولی در صورت وجود شرایطی مانند (الف) وجود خاک های بسیار سست یا مشکل آفرین، یا (ب) وجود سازه و تاسیساتی بدون اسکلت یا پی منسجم که تحمل تغییرشکل القایی را ندارد، یا (ج) وجود آب زیر سطحی، باید بخش اساسی از سیستم پایدارسازی شامل شمع های پیرامونی، دیوار دیافراگمی و یا سپر فلزی را قبل از شروع گودبرداری، احداث کرد.

انتخاب روش پایدارسازی و نهایی سازی آن با درنظرگیری ملاحظات 8گانه شامل شرایط ژئوتکنیکی لایه های زیرسطحی خاک، شرایط آب زیرزمینی، شرایط سازه و تاسیسات همجوار، ارتفاع، طول و عرض گودبرداری، کوتاه یا بلند مدت استفاده از گود در زمان بهره برداری، اجازه ورود به حریم همسایه، ملاحظات اقتصادی و سرعت اجرا انجام می شود.

در گودهای با عمق کم (تا 7 متر)، گزینه های اولیه می تواند (i) شمع های ردیفی، (ii) خرپا، (iii) تیرک مایل، (iv) نیلینگ، و (v) انکراژ باشد.

در گودهای با عمق متوسط (تا 15 متر)، گزینه های اولیه می تواند (i) خرپا، (ii) مهار متقابل، (iii) تیرک مایل، (iv) انکراژ، (v) سازه مرکب از شمع وانکراژ و (vi) پایدارسازی به روش خاکبرداری جزیره ای باشد.

در گودهای با عمق زیاد (بیشتر از 15 متر)، می توان از روش های (i) انکراژ باشمع یا بلوک بتنی، (ii) انکراژ با بلوک بتنی (iii) مهار متقابل، (iv) خاکبرداری جزیره ای و (v) روش تاپ دان استفاده نمود. در گودهای عمیق که نسبت طول به عرض زمین آنها زیاد باشد، استفاده از روش مهار متقابل و انکراژ مزیت دارد.

در شرایطی که همجواری ها به تغییرمکان حساس هستند، روش های (i) مهار متقابل، (ii) سازه ترکیبی شمع و انکراژ، (iii) سازه مرکب نیل و انکراژ مناسب هستند.

اگر ابعاد زمین بزرگ باشد استفاده از (i) روش جزیره ای، (ii) نیلینگ و انکراژ مناسب است.

در صورتی که ورود به محدوده زمین زیر همجواری ها مجاز نباشد، باید یکی از روش های پایدارسازی از داخل گود مانند (i) خرپا، (ii) مهار متقابل، (iii)‌ تیرک مایل یا (iv) روش تاپ دان را به کار برد.

تحلیل پایداری کلی با روش تعادل حدی و بر اساس روش تنش مجاز انجام می گیرد. ضریب اطمینان مجاز بر حسب (الف) وجود ساختمان در همسایه گود، (ب) شرایط موقت یا دائمی بودن سازه نگهبان، (ج) وجود خاک با قابلیت خزش، از آیین نامه و مراجع معتبر ژئوتکنیک انتخاب می شود.

تحلیل تغییرشکل دیواره های گود، سازه و تاسیسات اطراف گود با مدل سازی عددی صحت سنجی شده با نرم افزارهای اجزای محدود انجام می شود. مقادیر (الف) نشست یکنواخت، (ب) نسبت نشست (نشست غیریکنواخت)، (ج) جابجایی افقی دیوار گود و ساختمان و (د) نسبت جابجایی افقی (کرنش افقی) باید از مقادیر مجاز تغییرمکان کمتر باشد. مقادیر مجاز تغییرمکان ساختمان مجاور گود با توجه به (i) ترکیب نشست قائم و جابجایی افقی، (ii) شرایط ژئوتکنیکی، (iii) نوع سازه، پیوستگی پی، اهمیت ساختمان مجاور و سن آن تعیین می شود.

کنترل حالت های حدی سازه نگهبان صلب وزنی شامل مقابله با لغزش، واژگونی، ظرفیت باربری و نشست پی و کنترل سازه ای، با اعمال حداقل های ضریب اطمینان انجام می شود. حالت های حدی سازه نگهبان های انعطاف پذیر، علاوه بر موارد بالا شامل کنترل های مهار، عمق فرورفت شمع یا سپر و گسیختگی خمشی دیوار می باشد.