مبحث ۷ — ژئوتکنیک و مهندسی پی
درسنامه — سازه‌های نگهبان
خلاصه‌یِ بندهایِ ۷-۵، مستقیماً از متنِ رسمیِ مبحث.
انواعِ سازه‌هایِ نگهبان و حالاتِ حدیِ پایداری
•سازه‌هایِ نگهبان برایِ نگهداریِ دائم یا موقتِ فشارِ جانبیِ خاک/مصالحِ مشابه/آب به کار می‌روند و به دو دسته تقسیم می‌شوند: صلب (حرکتِ صلبِ جابه‌جایی یا چرخش — مانندِ دیوارهایِ وزنی، طره‌ای، پشت‌بنددار) و انعطاف‌پذیر (تغییرشکل تحتِ فشارِ جانبی — مانندِ سپرها، خاکِ مسلح، میخ‌کوبی، شمع‌هایِ فولادی/بتنی، دیوارِ برلنی).
•حالاتِ حدیِ دیوارهایِ صلبِ وزنی: مقابله با لغزش، مقابله با واژگونی، تأمینِ ظرفیتِ باربریِ پیِ زیرِ دیوار، بررسیِ پایداریِ کلیِ دیوار، کنترلِ سازه‌ایِ دیوار در برابرِ خمش/برش، و کنترلِ نشستِ پیِ زیرِ دیوار.
•حالاتِ حدیِ دیوارهایِ انعطاف‌پذیرِ مهارشده (شکلِ ۷-۵-۱، ۱۰ حالت): گسیختگیِ کششیِ مهارها، گسیختگیِ موادِ تزریق‌شده در انتهایِ مهار، بیرون‌آمدنِ مهار، گسیختگیِ خمشیِ دیوار، کمبودِ عمقِ فرورفت، چرخشِ تاجِ دیوار (پیش از نصبِ مهار)، کمبودِ ظرفیتِ باربریِ محوری، گسیختگیِ واژگونی، گسیختگیِ لغزشی و پایداریِ کلی؛ برایِ دیوارِ مهارنشده باید حالاتِ ۴ تا ۱۰ (بدونِ مهار) کنترل شود؛ در مهارِ متقابل/مایل باید کمانشِ مهار، بالاآمدگیِ کفِ گود و جوششِ ماسه نیز بررسی شود.
•حالاتِ حدیِ دیوارهایِ خاکِ مسلح (شکلِ ۷-۵-۲، ۷ حالت): کمبودِ ظرفیتِ باربریِ کششی، بیرون‌کششِ مسلح‌کننده‌ها، کمبودِ ظرفیتِ باربریِ خاکِ زیرِ دیوار، تغییرشکلِ القاییِ سطحِ خاکِ پشتِ دیوار، واژگونی، لغزش و پایداریِ کلی.
ملاحظاتِ طراحی و ساخت
•در ساخت و طراحیِ سازه‌هایِ نگهبان باید (در صورتِ کاربرد) به این موارد توجه شود: تمهیداتِ ساختِ دیوار (نگهداریِ موقتِ خاکِ برجا، تغییراتِ تنشِ برجا، دست‌خوردگیِ زمین بر اثرِ شمع‌کوبی)، زهکشیِ خاک و دیوار، میزانِ آب‌بندیِ موردنیاز، عملی‌بودنِ ایجادِ مهار، تحملِ بارهایِ قائم، انعطاف‌پذیریِ سازه‌ای برایِ جلوگیری از گسیختگیِ تردِ ناگهانی، امکانِ دسترسی برایِ تعمیر/نگهداری، و پایداریِ گمانه‌ها/ترانشه‌ها در حالتِ روباز.
•وضعیتِ طرح باید این موارد را دربرگیرد: تغییراتِ خواصِ خاک در طولِ زمان، تغییراتِ سطوحِ آب و فشارِ آبِ حفره‌ای، تغییراتِ بارگذاری، حفاری/آب‌شستگی/فرسایش در جلویِ سازه، خاکریزیِ پشتِ سازه، تأثیرِ سازه‌ها/سرباره‌هایِ آتی، و حرکاتِ زمین بر اثرِ نشست/آماس.
•چنانچه ایمنی/بهره‌برداری به عملکردِ موفقِ زهکشی بستگی داشته باشد، باید یا برنامه‌یِ تعمیر و نگهداریِ زهکش‌ها پیش‌بینی شود، یا با تجربیاتِ مشابه نشان داده شود که شبکه‌یِ زهکشی بدونِ تعمیر و نگهداری، عملکردِ کافی خواهد داشت.
فشارِ خاک: کلیات، سکون/محرک/مقاوم و حالتِ دینامیکی
•در تعیینِ فشارِ طراحیِ خاک باید به سربار، شیبِ زمین، زاویه‌یِ دیوار، سفره‌هایِ آب، مقدار/جهتِ حرکتِ دیوار، تعادلِ کلِ سازه، مقاومتِ برشی/وزنِ مخصوصِ خاک و زبریِ دیوار توجه شود.
•فشارِ سکون زمانی رخ می‌دهد که دیوار عملاً هیچ حرکتی نسبت به خاک نداشته باشد؛ فشارِ محرک/مقاوم زمانی رخ می‌دهد که حرکتِ دیوار نسبت به خاک بزرگ‌تر یا مساویِ مقادیرِ جدولِ ۷-۵-۱ باشد (با روابطِ رانکین یا کولمب قابلِ‌محاسبه). جدولِ ۷-۵-۱ (تغییرشکلِ افقیِ Δx/H): در ماسه‌یِ متراکم، فشارِ محرک ۰٫۰۰۱ و مقاوم ۰٫۰۱؛ در ماسه‌یِ سست، محرک ۰٫۰۰۴ و مقاوم ۰٫۰۴؛ در رسِ نرم، محرک ۰٫۰۲ و مقاوم ۰٫۰۶.
•در شرایطِ زلزله، فشارِ جانبیِ خاک را می‌توان با روش‌هایِ شبه‌استاتیکی مانندِ روابطِ مونونابه-اکابه محاسبه کرد؛ نقطه‌یِ اثرِ اضافه‌فشارِ دینامیکی معمولاً بینِ نیمه و بالایِ دیوار در نظر گرفته می‌شود (هرچه صلبیتِ دیوار کمتر، مقدارِ بزرگ‌تری اختیار می‌شود). در شرایطِ زلزله، اضافه‌فشارِ مقاومِ مساعد برایِ پایداری نادیده گرفته می‌شود. جدولِ ۷-۵-۲: در خاکِ متراکم/سختِ پشتِ دیوار، فشارِ دینامیکی با فرضِ حالتِ سکون (روابطی مانندِ وود) و در خاکِ متوسط/سست با فرضِ حالتِ محرک (مونونابه-اکابه) محاسبه می‌شود.
•انتخابِ نوعِ فشار بر اساسِ نوعِ دیوار: در دیوارهایِ طره‌ای/سپریِ بدونِ مهار یا با یک میل‌مهار، فشارِ محرک با توزیعِ مثلثی استفاده می‌شود؛ در دیوارهایِ پشت‌بنددار با چند تیرک، توزیعِ ذوزنقه‌ای/مستطیلی؛ در دیوارهایِ زیرزمینِ متصل به سقف، در حالتِ استاتیکی فشارِ سکون استفاده می‌شود.
فشارِ آب
•در تعیینِ فشارِ طراحیِ آب باید بالاترین ترازِ ممکنِ آبِ آزاد یا زیرزمینی در محاسبات لحاظ شود.
•برایِ سازه‌هایِ نگهبانِ خاک با تراواییِ متوسط یا پایین (سیلت‌ها و رس‌ها)، فشارِ آب باید با فرضِ آنکه سفره‌یِ آب حداقل در سطحِ فوقانیِ لایه‌یِ کم‌تراوا قرار دارد تعیین شود، مگر آنکه شبکه‌یِ زهکشیِ مطمئن نصب یا از نفوذِ آب جلوگیری شده باشد.
•اگر هیچ تمهیدی برایِ زهکشی یا جلوگیری از جریانِ آب پیش‌بینی نشده باشد، فشارِ کلیِ طراحی در خاک‌هایِ چسبندهِ نگهداری‌شده معمولاً نباید از فشارِ هیدرواستاتیکِ آبی که از سطحِ زمین شروع می‌شود کمتر در نظر گرفته شود.
روشِ طراحیِ تنشِ مجاز (ضرایبِ اطمینان)
•جدولِ ۷-۵-۳ (حداقلِ ضرایبِ اطمینانِ دیوارهایِ وزنی، روشِ تنشِ مجاز): در شرایطِ استاتیکی — واژگونی ۱٫۷۵، لغزش ۱٫۵، ظرفیتِ باربریِ پیِ دیوار ۳، پایداریِ کلی ۱٫۵؛ در شرایطِ لرزه‌ای — واژگونی ۱٫۲، لغزش ۱٫۲، ظرفیتِ باربری ۲، پایداریِ کلی ۱٫۳. برآیندِ بارِ قائم در ترازِ پی باید در ثلثِ میانیِ پی باشد.
•دیوارهایِ سپری: واژگونی مشابهِ جدولِ ۷-۵-۳؛ برایِ لغزشِ افقی، ضریبِ اطمینانِ ۲ بر فشارِ جانبیِ مقاومِ جلویِ سپر اعمال می‌شود (برایِ خاک‌هایِ تحکیم‌یافته باید بزرگ‌تر از ۲ باشد).
•مهارها: برایِ محاسبه‌یِ باربریِ مجازِ مهارهایِ تزریقی، ضریبِ اطمینانِ ۴ در سنگ و ۳ در خاک استفاده می‌شود (اگر میل‌مهار به شمع متصل باشد، ضریبِ اطمینانِ شمع به کار می‌رود). بالازدگیِ کفِ گود نیز باید کنترل شود.
•دیوارهایِ خاکِ مسلح: ضرایبِ اطمینانِ پایداریِ خارجی مشابهِ جدولِ ۷-۵-۳ است، به‌جز ظرفیتِ باربریِ پیِ دیوار که برابرِ ۲ است. برایِ مسلح‌کننده‌ها، ضریبِ اطمینانِ مقاومتِ کششیِ مجاز در فلزات با توجه به خورندگیِ محیط و در ژئوسنتتیک‌ها بر اساسِ ترکیبِ ضرایبِ جزئیِ آسیبِ نصب، خزش، خوردگیِ شیمیایی و فسادِ بیولوژیک محاسبه می‌شود.
•کنترلِ تغییرشکل: در شرایطِ استاتیکی، تغییرمکانِ ایجادشده در سازه‌یِ نگهبان و خاکریزِ پشتِ دیوار باید محاسبه و از مقدارِ مجاز کمتر باشد؛ در شرایطِ لرزه‌ای، تغییرشکل‌ها با روش‌هایی مانندِ بلوکِ لغزانِ نیومارک یا مدل‌سازیِ عددی کنترل می‌شود.
روشِ ضرایبِ بار و مقاومت (LRFD)
•در ترکیب‌هایِ بارگذاریِ زلزله، فقط اضافه‌فشارِ خاکِ هنگامِ زلزله به‌عنوانِ بخشی از نیرویِ زلزله (E) لحاظ می‌شود؛ فشارِ خاکِ استاتیکی به‌عنوانِ بارِ مرده (D) محسوب می‌شود.
•جدولِ ۷-۵-۵ (ضرایبِ مقاومتِ دیوارهایِ صلب): پایداریِ کلی — استاتیکی ۱، لرزه‌ای ۱٫۱۵؛ ظرفیتِ باربری — ۰٫۵ و ۰٫۷۵؛ واژگونی — ۰٫۸۵ و ۱٫۲۵؛ لغزش — ۱ و ۱٫۲۵.
•جدولِ ۷-۵-۶ (ضرایبِ کاهشِ مقاومتِ دیوارهایِ انعطاف‌پذیر): پایداریِ کلی ۱/۱٫۱۵؛ واژگونی ۰٫۸۵/۱٫۲۵؛ لغزش ۱/۱٫۲۵؛ دیوارِ مهاری یا المانِ مقاوم ۰٫۷۵/۰٫۸۵؛ مقاومتِ کششی ۰٫۸/۰٫۸؛ مقاومتِ بیرون‌کشش ۰٫۶۵(خاک)-۰٫۵(سنگ) در حالتِ استاتیکی و ۰٫۹(خاک)-۱(سنگ) در حالتِ لرزه‌ای.
•جدولِ ۷-۵-۷ (ضرایبِ کاهشِ مقاومتِ شیروانی): پایداریِ کلی ۱/۱٫۱۵؛ ظرفیتِ باربری ۰٫۵/۰٫۷۵؛ لغزش ۰٫۹/۰٫۹۵.
•جدولِ ۷-۵-۸ (ضرایبِ کاهشِ مقاومتِ پایداریِ داخلیِ دیوارهایِ خاکِ مسلح): مقاومتِ کششیِ تسمه‌یِ فلزی ۰٫۷۵/۰٫۹۵؛ مقاومتِ کششیِ مسلح‌کننده‌یِ ژئوسنتتیک ۰٫۹/۱٫۲؛ مقاومتِ بیرون‌کشیدنِ مسلح‌کننده ۰٫۹/۰٫۹۵؛ لغزشِ بینِ مسلح‌کننده و خاک ۰٫۸/۰٫۹۵ (استاتیکی/لرزه‌ای).
مهاربندی: انواع، طراحی و آزمایش
•مهاربندی‌ها عناصرِ سازه‌ای‌اند که برایِ نگهداریِ سازه‌هایِ نگهبان و انتقالِ نیرویِ کششی به یک تشکیلاتِ باربرِ خاکی/سنگی به کار می‌روند؛ شاملِ سیستم‌هایِ تزریقی (سرِمهاری + طولِ آزاد + طولِ ثابتِ تزریق‌شده)، میخِ مهاری (بدونِ طولِ آزاد)، سیستم با بلوکِ بتنی/صفحه‌یِ فولادی، و سیستمِ مهارِ پیچ با کلاهک. مهاربندیِ با بیش از دو سال کاربرد، باید به‌عنوانِ مهارِ دائمی طراحی شود.
•سازوکارهایِ گسیختگیِ موردِتحلیل در طراحیِ مهار: شکستِ سازه‌ایِ مهار/سرِمهار، اعوجاج/خوردگیِ سرِمهار، گسیختگیِ بینِ خاک و مصالحِ تزریق، گسیختگیِ بینِ میله‌یِ مهار و مصالحِ تزریق، گسیختگیِ بارِمرده (در مهارهایِ بارِمرده)، و ازدست‌دادنِ باربری بر اثرِ تغییرشکل/چرخش/خزش. طولِ آزادِ مهاربندی‌ها نباید کمتر از ۵ متر باشد.
•پس از نصبِ مهارها، آزمایشِ باربری و خزش الزامی است. جدولِ ۷-۵-۹ (آزمایشِ باربری): با تجربه‌یِ نزدیک — بارِ آزمایش ۱۵۰٪ و حداقل ۵٪ مهارها؛ تجربه‌یِ دور — ۱۵۰٪ برایِ ۵٪ به‌علاوه‌یِ ۲ تا ۳ مهار تا ۲۰۰٪؛ بدونِ تجربه — ۱۵۰٪ برایِ ۱۰٪ به‌علاوه‌یِ ۲ تا ۳ مهار تا ۲۵۰٪. اگر مهاری زیرِ ۲۰۰٪ بارِ طراحی گسیخته شود، باید طراحی مجدداً انجام شود؛ برایِ مهارهایِ موقت می‌توان به‌جایِ ۱۵۰٪ از ۱۲۵٪ استفاده کرد.
•جدولِ ۷-۵-۱۰ (آزمایشِ خزش، بارِ ۱۵۰٪ بارِ طراحی): در ماسه، مدتِ نگهداریِ بار ۱ تا ۲ ساعت؛ در رس، ۲۴ ساعت؛ در هر دو، نرخِ قابلِ‌قبولِ خزش کمتر از ۲ میلی‌متر در بازه‌هایِ ۲۰ دقیقه‌ای (در نمودارِ تغییرمکان-لگاریتمِ زمان) است.
خاکریزِ پشتِ دیوار و زهکشی/آب‌بندی
•بهترین نوعِ مصالح برایِ خاکریزیِ پشتِ دیوار، خاک‌هایِ GW، GP، SW و SP هستند. خاک‌هایِ GM، GC، SM و SC تنها در صورتی قابلِ‌استفاده‌اند که بتوان از سیستمِ زهکشیِ مناسب استفاده کرد و خاک را همواره در شرایطِ غیرِاشباع و رطوبتِ کم نگه داشت. سایرِ خاک‌ها برایِ خاکریز مناسب نیستند، مگر با تمهیداتِ ویژه (تثبیت با آهک/سیمان و زهکشی) و نظرِ مشاورِ ذی‌صلاح.
•اگر دیوار برایِ فشارِ هیدرواستاتیکِ آب و یخ طراحی نشده باشد، استفاده از سیستمِ زهکش و فیلترِ مناسب در پشتِ دیوار ضروری است. دیوارهایِ زیرزمین باید به‌صورتِ آب‌بندی‌شده طراحی شوند و فشارِ احتمالیِ آب در طراحی لحاظ گردد.
جدولِ مرورِ سریع
دو نوعِ اصلیِ سازه‌یِ نگهبانصلب (لغزش/چرخشِ صلب) و انعطاف‌پذیر (تغییرشکل تحتِ فشارِ خاک)
جدولِ ۷-۵-۱: فشارِ محرک/مقاوم در ماسه‌یِ متراکمΔx/H محرک=۰٫۰۰۱، مقاوم=۰٫۰۱
جدولِ ۷-۵-۱: فشارِ محرک/مقاوم در رسِ نرمΔx/H محرک=۰٫۰۲، مقاوم=۰٫۰۶
جدولِ ۷-۵-۳: ضرایبِ اطمینانِ دیوارِ وزنی — استاتیکیواژگونی ۱٫۷۵، لغزش ۱٫۵، ظرفیتِ باربری ۳، پایداریِ کلی ۱٫۵
جدولِ ۷-۵-۳: ضرایبِ اطمینانِ دیوارِ وزنی — لرزه‌ایواژگونی ۱٫۲، لغزش ۱٫۲، ظرفیتِ باربری ۲، پایداریِ کلی ۱٫۳
ضریبِ اطمینانِ باربریِ مجازِ مهارِ تزریقی۴ در سنگ، ۳ در خاک
ضریبِ اطمینانِ ظرفیتِ باربریِ پیِ دیوارِ خاکِ مسلح۲ (سایرِ حالت‌ها مشابهِ جدولِ ۷-۵-۳)
حداقلِ طولِ آزادِ مهاربندی۵ متر
آستانه‌یِ طراحیِ مهار به‌عنوانِ دائمیکاربردِ بیش از ۲ سال
جدولِ ۷-۵-۹: بارِ آزمایشِ باربریِ مهار۱۵۰٪ بارِ طراحی (۱۲۵٪ برایِ مهارِ موقت)؛ تعدادِ آزمایش بر اساسِ تجربه‌یِ ساختگاه ۵٪ تا ۱۰٪
معیارِ گسیختگیِ مهار در آزمایشزیرِ ۲۰۰٪ بارِ طراحی گسیخته شود ⇒ طراحیِ مجدد لازم است
جدولِ ۷-۵-۱۰: مدتِ آزمایشِ خزشِ مهارماسه ۱ تا ۲ ساعت؛ رس ۲۴ ساعت؛ خزشِ مجاز کمتر از ۲mm در هر ۲۰ دقیقه
بهترین خاکِ خاکریزِ پشتِ دیوارGW، GP، SW، SP
برو به آزمونِ همین فصل