روش‌های بدست آوردن پارامترهای مورد نیاز جهت طراحی گود پایدارسازی شده به روش میخکوبی یا نیلینگ(nailing)

هدف این مقاله ارائه خلاصه­ای از روش­های مورد استفاده برای بدست آوردن پارامترهای خاک و تامین رهنمودهای انتخاب این پارامترها در طراحی دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) می­باشد.

  • طبقه­بندی خاک و خصوصیات شاخص

برای اغلب پروژه­های میخکوبی (یا نیلینگ) دیوار، خصوصیات اصلی خاک بایستی از بررسی­های محلی و آزمایش­های آزمایشگاهی، به قرار زیر تعیین شود:

  1. طبقه­ بندی خاک (همه خاک­ها)
  2. آنالیز الک­ها (خاک­های غیر چسبنده)
  3. میزان ریز دانه (خاک­های مرکب از مواد درشت دانه و ریزدانه)
  4. رطوبت طبیعی (اغلب خاک­های ریزدانه)
  5. حدود اتربرگ (خاک­های ریزدانه)
  6. میزان مواد آلی (خاک­های ریزدانه)

طبقه­ بندی صحیح خاک مهم می­باشد، چرا که عکس ­العمل مورد انتظار خاک عموماً به نوع خاک مرتبط است. اگرچه سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) را می­توان در گستره وسیعی از خاک­ها اجرا نمود، ولی دیوارهای پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) در نوع خاصی از خاک­ها اقتصادی­ تر می­باشند. خاک­ها بایستی طبق سیستم طبقه­ بندی متحد خاک (USCS) طبقه­ بندی شوند، که مستلزم تعیین حدود اتربرگ و دانه­ بندی می­باشد. آنالیز الک­ها در خاک­های دانه­ای، در کنار تعیین میزان ریزدانه­ ها (مثلاً، خاک­های خوب دانه ­بندی شده غیر چسبنده با کمی ریزدانه)، می­تواند به تعیین شرایط خاک مطلوب یا غیر مطلوب، کمک کند.

میزان رطوبت طبیعی درجا که اغلب در خاک­های ریزدانه تعیین می­شود می­تواند در بررسی شرایط نامطلوب خاص موثر باشد. برای مثال، میزان رطوبت درجای غیرعادی در خاک­های ریزدانه (بزرگ­تر از 50، یا میزان رطوبت حد روانی LL) می­تواند بیانگر شرایط خاکی نامطلوب برای اجرای میخکوبی (یا نیلینگ) همچون، مقاومت برشی پایین، تراکم­ پذیری بالا، پتانسیل خزش بالا، و پتانسیل خوردگی بالا باشد. میزان رطوبت کمتر از حدود 2% در خاک­های ریزدانه (با ریزدانه کم و یا بدون ریزدانه) می­تواند نشانگر عدم ایستایی خاکبرداری قائم بدون نگهداری و مهار باشد.

حدود اتربرگ خاک­های ریزدانه برای طبقه­بندی خاک­های ریزدانه استفاده می­شود که به نوبه خود در ارزیابی پتانسیل تغییر شکل خزشی خاک پشت دیوار کمک می­کند. نتایج این آزمایش شاخص را می­توان برای ارزیابی مقاومت برشی خاک­های ریزدانه بکار برد.

اگر طبق بازنگری اطلاعات موجود یا بر اساس بررسی­های محلی (مثلاً، بو، رنگ و یا بافت نمونه­های خاکی) حضور مصالح ارگانیک مطرح باشد، بایستی آزمایش­های تعیین میزان مواد ارگانیک (مثلاً، کاهش جرم مواد آلی در اثر سوختن) در آزمایشگاه اجرا شود. بطور کلی، خاک­های ارگانیک با رطوبت طبیعی بالا پتانسیل خوردگی بالاتری نسبت به خاک­های غیر ارگانیک دارند.

 

  • وزن مخصوص خاک

یکی از پارامترهای مهم خاک که در آنالیز سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) دیوار استفاده می­شود، وزن مخصوص می­باشد. چرا که نیروهای ناپایدارکننده عامل در پشت دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ)، مستقیماً متاثر از وزن مخصوص می­باشند. وزن مخصوص خاک­های دانه­ای و برخی خاک­های ریزدانه را می­توان از روی دانسیته نسبی خاک، Dr، (شکل 1)، یا سایر روابط موجود (مثلاً، Kulhawy and Main,1990) ارزیابی کرد.

شکل 1. کورولیشن زاویه اصطکاک موثر با، طبقه­بندی خاک، دانسیته نسبی، و وزن مخصوص

(Modified after U.S. Navy, 1982; Kulhawy and Mayne, 1990)

در شکل 1، “γdw” نسبت وزن مخصوص خشک خاک به وزن مخصوص آب می­باشد. برای خاک­های اشباع، میزان رطوبت درجای خاک، “Wn“، بایستی در این رابطه γsat = γd(1+wn)، صدق کند. وزن مخصوص خاک­های غیرچسینده را می­توان از کورولیشن با مقادیر SPT تخمین زد. آزمایش­های آزمایشگاهی مربوط به وزن مخصوص درجای خاک­های دانه­ای عملی نمی­باشد، چونکه دانسیته درجای خاک را نمی­توان در آزمایشگاه براحتی (به خاطر دست­خوردگی نمونه) تهیه نمود. وزن مخصوص خاک­های ریزدانه را می­توان در آزمایشگاه از روی نمونه­های دست نخورده تعیین نمود (مثلاً، نمونه­های حاصل از شلبی جدار نازک).

  • مقاومت برشی
  • خاک­های غیر چسبنده

مقاومت برشی خاک­های غیر چسبنده بوسیله زاویه اصطکاک داخلی موثر زهکشی شده، “φ΄”، بیان می­شود. مقدار زاویه اصطکاک معمولاً از کورولیشن نتایج حاصل از آزمایش­های SPT و CPT تخمین زده می­شود. مقادیر زاویه اصطکاک بعنوان تابعی از مقادیر SPT و CPT در جدول 1 آورده شده ­اند.

جدول 1. کورولیشن بین نتایج SPT و CPT و زاویه اصطکاک خاک­های غیر چسبنده
نتایج آزمایش برجا دانسیته نسبی φ΄
a 3 b 4
مقادیر SPT

(blows/300 mm or blows/ft)

0 تا 4 خیلی سست کمتر از 28 کمتر از 30
4 تا 10 سست 28 تا 30 30 تا 35
10 تا 30 متوسط 30 تا 36 35 تا 40
30 تا 50 متراکم 36 تا 41 40 تا 45
بیشتر از 50 خیلی متراکم بیشتر از 41 بیشتر از 45
مقاومت نرمالیزه شده مخروط CPT

(qc/Pa2 , 4

کمتر از 20 خیلی سست کمتر از 30
20 تا 40 سست 30 تا 35
40 تا 120 متوسط 35 تا 40
120 تا 200 متراکم 40 تا 45
بیشتر از 200 خیلی متراکم بیشتر از 45
نکات :

1.   مقادیر SPT، مقادیر محلی و اصلاح نشده می­باشند.

2.   Pa، فشار اتمسفر نرمال می­باشد، Pa = 1 atm ~ 100kN/m2 ~ 1 tsf.

3.   حدود اعداد ستون “a”، از Peck, Hanson, and Thornburnld (1974) می­باشد.

4.   حدود اعداد ستون  “b”و CPT، از Meyerhof (1956)  می­باشد.

  • خاک­های ریزدانه

در خاک­های ریزدانه، مقاومت بسیج شده تابعی از نرخ بارگذاری مرتبط با قابلیت زهکشی اضافه فشار حفره­ای خاک و طبیعت خاک می­باشد. خاک­های ریزدانه ممکن است هم مقاومت زهکشی شده و هم زهکشی نشده، از خود نشان دهند. مقاومت زهکشی شده زمانی ایجاد می­شود که هیچ اضافه فشار حفره­ای در طی بارگذاری ایجاد نشود (اجازه داده می­شود تا فشار آب حفره­ای بطور کامل در حین بارگذاری زائل گردد) و تغییر حجم رخ دهد. مقاومت زهکشی نشده یک خاک اشباع ریزدانه، زمانی ایجاد می­شود که در حین بارگذاری اضافه فشار حفره­ای پدید آمده (زهکشی آب در حین بارگذاری خاک صورت نمی­گیرد) و خاک هیچ تغییر حجمی را متحمل نشود. برای خاک­های ریزدانه اشباع عادی تحکیم یافته، افزایش فشار آب حفره­ای در طی بارگذاری، تنش موثر خاک را کاهش داده و بنابراین مقاومت زهکشی نشده خاک کاهش می­یابد، در حالیکه کاهش فشار آب حفره­ای در حین بارگذاری، تنش موثر خاک را افزایش داده و متعاقباً مقاومت زهکشی نشده خاک را افزایش می­دهد.

برای دیوارهای پایدارسازی شده اجرا شده در خاک­های ریزدانه، مقاومت زهکشی نشده فقط زمانی لحاظ می­شود که پایداری بلند مدت دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) تحت یک بارگذاری استاتیکی ثابت مورد آنالیز با­شد. در چنین موردی، زمانیکه بارها با یک نرخ آهسته اعمال شوند، مقاومت زهکشی شده بسیج ­شده و اضافه فشار حفره­ای ایجاد نمی­شود. اما این شرایط معمولاً در خاک­های ریزدانه عادی تحکیم یافته تعیین کننده نمی­باشد. مقاومت برشی زهکشی شده خاک­های ریزدانه با زاویه اصطکاک موثر “φ΄” آنها نشان داده می­شود. رابطه نشان داده شده در شکل2 بین حداکثر زاویه اصطکاک موثر و شاخص خمیری “PI”، می­تواند برای ارزیابی مقاومت برشی زهکشی شده خاک­های ریزدانه استفاده شود. به خاطر پراکندگی نشان داده شده در شکل 2، توصیه شده است که برای تعیین زاویه اصطکاک موثر خاک­های ریزدانه، آزمایش­های آزمایشگاهی انجام شود. آزمایش­های محوری زهکشی نشده تحکیم یافته، همراه با اندازه­گیری فشار آب حفره­ای معمول­ترین آزمایش آزمایشگاهی برای ارزیابی این پارامترها می­باشند.

مقاومت برشی زهکشی نشده بایستی برای پایداری کوتاه مدت شیروانی­ها و هر سازه خاکی ساخته شده در نزدیکی خاک­های ریزدانه اشباع نرم تا نیمه سفت، لحاظ گردد. قبلاً بحث شد که ساخت دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) در این نوع خاک­ها معمولاً بهینه نمی­باشد. اما، در صورت اجرای سیستم میخکوبی (یا نیلینگ)، بایستی پایداری کوتاه مدت دیوار با استفاده از مقاومت برشی زهکشی نشده، “Su“، ارزیابی شود. اغلب، در این خاک­ها مقاومت کوتاه مدت (بدون زمان کافی برای تحکیم) بسیار بحرانی­تر از مقاومت تحکیم بلند مدت می­باشد. اگر بارها چنان اعمال شوند که توزیع اضافه فشار آب حفره­ای (که بوسیله ضریب هدایت هیدرولیکی “k” پایین این خاک­ها کنترل می­شود، معمولاً k<10-5 cm/s) بقدر کافی سریع رخ ندهد، مقاومت زهکشی نشده بسیج می­شود. چنین موقعیتی ممکن است در حین ساخت رخ دهد. همچنین مقاومت برشی زهکشی نشده بایستی در مواقعی که نرخ بارگذاری نسبتاً بالاست، مثلاً بارگذاری لرزه­ای، لحاظ شود.

شکل2. کورولیشن بین زاویه اصطکاک زهکشی شده خاک­های ریزدانه و شاخص خمیری

(منبع: Mitchell,1993; Kulhawy and Mayne, 1990)

مقاومت برشی زهکشی نشده خاک­های ریزدانه را می­توان با استفاده از آزمایش­های درجا یا آزمایشگاهی ارزیابی نمود.

در مرحله امکان­سنجی یک دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ)، مقاومت برشی زهکشی نشده خاک­های ریزدانه را می­توان مستقیماً بوسیله آزمایش VST برجا اندازه­ گیری نمود. همچنین، استفاده از مقادیر SPT برجا (نه چندان قابل اطمینان) یا نتایج CPT نیز برای تخمین مقاومت زهکشی نشده خاک­های ریزدانه، رایج می­باشد. جدول 2 برخی روابط مفید و رایج را بین مقاومت زهکشی نشده و نتایج CPT و SPT ارائه می­کند. کورولیشن مقاومت برشی زهکشی نشده با مقادیر SPT دارای محدودیت است و بایستی فقط برای تخمین و ارزیابی بسیار ابتدایی استفاده شود. کورولیشن مقاومت برشی زهکشی نشده با نتایج CPT با استفاده از Nk=15، معمولاً به ارزیابی­های قابل اطمینان و معقول منتج می­شود. یکی از مزایای مهم استفاده از نتایج CPT این است که می­توان، پروفیل پیوسته مقادیر ارزیابی شده مقاومت برشی زهکشی نشده را تهیه نمود.

 

جدول2. کورولیشن بین نتایج SPT , CPT و مقاومت زهکشی نشده خاک­های ریزدانه
معادله تحکیم خاک آزمایش­های مربوطه
Su = 0.29 Pa .N0.72 عادی تحکیم یافته تا کمی بیش تحکیم یافته SPT
Su = (qc – σνo) / Nk متغیر CPT
نمادها:

Pa: فشار اتمسفر          N: تعداد ضربات اصلاح نشده SPT        qc: مقاومت نوک مخروط

σνo: تنش سربار کلی (با همان واحد qc)            Nk: ضریب مخروط، معمولاً برابر 15 است

در آزمایش­های آزمایشگاهی، مقاوت برشی زهکشی نشده خاک­های ریزدانه معمولاً با استفاده از آزمایش­های مقاومت فشاری محدود نشده (UC) یا سایر آزمایش­های محوری تخمین زده می­شود. در حالیکه آزمایش­های UC اساساً به دلیل ساده و ارزان قیمت بودن اجرا می­شوند، توصیه شده است که پارامترهای مقاومت طراحی بر اساس آزمایش­های UC اتخاذ نشوند زیرا این نتایج نسبت به نتایج سایر آزمایش­های آزمایشگاهی از اعتبار کمتری برخوردارند. بطور کل، مقادیر مقاومت برش زهکشی نشده مبتنی بر “UC”، محافظه کارانه می­باشند. آزمایش­های سه محوری فشاری گران­تر از آزمایش­های UC می­باشند، اما نتایج قابل اطمینان­تری از مقاومت برشی خاک را تامین می­کنند. دو آزمایش سه محوری بسیار رایج، آزمایش­های “سه محوری همسان تحکیم یافته زهکشی نشده فشاری (ICU) توام با اندازه­گیری فشار حفره­ای” و “آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده فشاری سه محوری (UU)” می­باشند. در بین این دو آزمایش، آزمایش “ICU” تخمین­های مطمئن­تری از پارامترهای مقاومت موثر و کل خاک­های ریزدانه تامین می­کند.

تفسیر نهایی مقاومت برشی خاک­های ریزدانه بیش تحکیم یافته اعتبار بیشتری دارد و اجرای دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) در این نوع خاک­های ریزدانه امکان­پذیر می­باشد. خاک­های ریزدانه بیش تحکیم یافته، در حین بارگذاری زهکشی نشده تمایل به انبساط دارند. در حالیکه مقاومت برشی خاک بسیج می­شود، فشار آب حفره­ای اضافی منفی ایجاد شده و موجب افزایش تنش­های موثر در خاک گردیده و در نتیجه موجب شرایطی پایدارتر و استوارتر می­گردد. اضافه فشار حفره­ای بعد از مدتی توزیع گردیده و زائل می­شود و مقاومت بلند مدت کاهش می­یابد. چنین موقعیتی ممکن است در حفاری خاک­های ریزدانه بیش تحکیم یافته رخ دهد. طراحی خاک­های بیش تحکیم یافته، بایستی بر اساس زاویه اصطکاک موثر بازسازی شده،”φrem“، انجام شود. از آنجا که گسیختگی پیش رونده شیروانی در این نوع خاک­ها همواره مسئله ساز می­باشد، استفاده از زاویه اصطکاک موثر (حداکثر) غیر محافظه کارانه می­باشد. زاویه اصطکاک بازسازی شده را می­توان با آزمایش برش حلقه تحکیم یافته با جابجایی بزرگ یا از روی کورولیشن شاخص خمیری (Kulhawy and Mayne, 1990) تعیین نمود.

پتانسیل خزش خاک

خاک­های ریزدانه تحت بارگذاری بلند مدت ممکن است دچار تغییرشکل خزشی شوند. خزش تحت تنش­های ثابت در خاک رخ می­دهد و ممکن است موجب تغییر شکل­هایی شود که تاثیر سوء بر انحراف جانبی (deflection) دیوار خاکی میخکوبی (یا نیلینگ) شده دارند.

معیارهای خاصی برای تعیین پتانسیل خزش خاک وجود ندارد. اما، بر اساس تجربیات عملی می­توان خاک­های با پتانسیل خزش را شامل موارد زیر دانست:

  1. خاک­های ریزدانه با حد روانی LL ≥ 50
  2. خاک­های ریزدانه با شاخص پلاستیک PI ≥ 20
  3. خاک­های ریزدانه با مقاومت برشی زهکشی نشده کمتر از 50 کیلو پاسکال (1000 psf)
  4. اگر شاخص روانی LI ≥ 0.2 باشد
  5. خاک­های ارگانیک

پتانسیل خزش را می­توان در طی آزمایش­های محلی یا آزمایش­های بارگذاری میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ )­ها، مستقیماً ارزیابی نمود. در این آزمایش­ها، بار با نرخ رشدهای مختلف به میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) اعمال می­شود، و آزمایش خزش تحت نرخ رشد بار انتخابی اجرا می­گردد. آزمایش خزش شامل نگهداری بار اعمالی بر روی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) در طی زمانی بیشتر از یک ساعت و اندازه­گیری تغییر مکان سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) در زمان­های معین، می­باشد. نرخ­های خزش فراتر از 2 میلیمتر در دوره زمانی بین 6 تا 60 دقیقه در مقیاس لوگاریتمی نشانگر پتانسیل خزش بالا می­باشند. اگر پتانسیل خزش بالا باشد، لازم است که طرح را با کاهش دادن فواصل میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها یا افزایش دادن طول میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) اصلاح کنیم.