ساعات کاری:   ‌17:00-8:00    نشانی: تهران،  سعادت آباد، بلوار پاکنژاد شمالی،  بالاتر از چهار راه سرو،  پلاک27،  واحد3      تلفن:22128795-021 

چه مکانیزم‌های گسیختگی ای در پایدارسازی گود به روش مهارکوبی یا انکراژ حاکم است؟

مکانیزم‌های گسیختگی حاکم در پایدارسازی گود به روش مهارکوبی یا انکراژ

هدف از اجرای سیستم مهارکوبی ( یا انکراژ در سیستم نیلینگ)  دیواره خاکی، ایجاد یک توده خاکی پایدار داخلی است که بتواند در برابر مدهای گسیختگی خارجی با ضریب اطمینان کافی مقاومت کند. در طراحی سیستم مهارکوبی ( یا انکراژ در سیستم نیلینگ) ، هدف دستیابی به دیواری است که در برابر انواع شرایط گسیختگی محتمل که در شکل 1 نمایش داده شده­اند، ایمن باشد. در طراحی دیوار پایدارسازی شده علاوه بر محدود نمودن جابجایی خاک و دیوار پایدارسازی شده، بایستی شرایط اقتصادی و اجرایی نیز در نظر گرفته شود. برای تحمل بارهای اعمال شده بر دیوار پایدارسازی شده به روش مهارکوبی ( یا انکراژ در سیستم نیلینگ) ، هم بایستی بر مقاومت خود مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها و هم مقاومت المان دیوار اتکاء نمود.

مقدار مقاومت مورد نیاز مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) برای نگهداری دیوار پایدارسازی شده  در حالت تعادل، وابسته به نیروهای ایجاد شده از وزن خاک، آب، و بارهای خارجی می­باشد. مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)ها می­توانند نیروهای پایداری لازم را تامین کنند که این نیرو به نوبه خود در فاصله­‌ای مناسب در پشت ناحیه اکتیو خاک- که وزن خود را بر روی دیوار پایدارسازی شده  می­‌اندازد- به زمین انتقال خواهد یافت. این مسئله در شکل 2-الف نشان داده شده است. نیاز به انتقال نیروی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها به خاک واقع در پشت ناحیه فعال توده خاک، حداقل فاصله­‌ای را در پشت دیوار پایدارسازی شده  تعریف می­کند که طول پیوندی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) در آن تشکیل می­شود.

طول پیوندی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) بایستی به قدری در دل خاک ادامه یابد تا سطح محتمل گسیختگی را که ممکن است از پشت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)ها و زیر پاشنه دیوار پایدارسازی شده  عبور کند، قطع نماید. (شکل 2-ب). عمق لازم مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها در خاک بایستی بر اساس موقعیت عمیق­ترین و محتمل‌­ترین گوه گسیختگی که بدون (نیروی) مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ، ضریب اطمینان کافی را ندارد، تعیین شود.

  • الزامات پایدارسازی گود به روش مهارکوبی یا انکراژ:

بطور خلاصه، جهت تامین پایداری گود مهارکوبی شده (یا تسلیح شده به شیوه انکراژ) (قائم یا شیبدار)، موارد زیر لازم است:

  • دیوار پایدارسازی شده به روش مهارکوبی ( یا انکراژ در سیستم نیلینگ) بایستی خاک مجاور گود را در تعادل نگه دارد. این تعادل معمولاً منتج به مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) هایی با حداکثر مقاومت، حداکثر ابعاد لازم، حداکثر ممان خمشی مقاوم در مقطع دیوار پایدارسازی شده می­شود.
  • مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها بایستی تا عمق کافی در داخل خاک ادامه یابند تا تاثیر مفید بر شکل­‌گیری گوه‌­های گسیختگی محتمل عمیق و سطحی داشته باشند. مقاومت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها و نیروی ایجاد شده در آنها به نحوی بر روی سطوح لغزش محتمل عمل می­کند که ضرایب اطمینان قابل‌قبول برای این گوه‌­ها حاصل گردد.

گسیختگی کششی تاندون   گسیختگی اصطکاکی (پول­اوت) دوغاب- خاک    گسیختگی اصطکاکی (پول­اوت) تاندون- دوغاب

گسیختگی المان دیوار (یا روکش) در خمش               گسیختگی دیوار ناشی از کمبود نیروهای مقاوم (پسیو) جلوی دیوار

گسیختگی دورانی و جابجایی رو  به جلو دیوار قبل از اجرای مهار گسیختگی پانچ قائم المان دیوار در خاک زیرین گسیختگی در اثر دوران کلی دیوار و جابجایی رو به جلوی راس دیوار

گسیختگی لغزشی                 گسیختگی کلی توده خاک و دوران رو به جلو پاشنه دیوار

شکل 1. مدهای گسیختگی محتمل که بایستی در طراحی دیوارهای مهارکوبی لحاظ شود

 

شکل2. مشارکت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)ها در پایداری دیوار پایدارسازی شده

 

 

  • مکانیزم­‌های گسیختگی در سیستم مهارکوبی یا انکراژ :

چندین مکانیزم گسیختگی محتمل در سیستم مهارکوبی ( یا انکراژ در سیستم نیلینگ)  وجود دارد، که معمولاً در اثر اعمال بارهای استاتیکی بیش از حد بر مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  ایجاد می­شوند. منشا این بارها به قرار زیر است:

  • کشش اعمال شده بر مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) طی آزمایش بارگذاری یا در lock-off
  • مراحل خاکبرداری
  • سربار ناشی از دپوی مصالح اجرایی یا ماشین­‌آلات و تجهیزات
  • ساخت سازه‌­های مجاور گود
  • ترکیبی از این موارد

مکانیزم­‌های گسیختگی سیستم مهارکوبی (یا انکراژ در سیستم نیلینگ) می­تواند شامل گسیختگی تاندون فلزی (المان مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)، توده خاک، گسیختگی اصطکاکی (پول­اوت) بین دوغاب تزریقی و خاک، یا گسیختگی اصطکاکی (پول­اوت) بین دوغاب و المان مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  باشد که در ادامه شرح داده می­شود.

1-2) گسیختگی المان مهار یا مسلح‌کننده انکراژ (تاندون)

زمانیکه که مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) تحت بار قرار ­گیرد، اجزا تاندون فلزی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  تحت تنش کششی قرار می­گیرند. اگر بار اعمالی بیشتر از ظرفیت سازه‌­ای تاندون باشد، گسیختگی اجتناب­‌ناپذیر است. بنابراین، ضریب اطمینان طرح بایستی با توجه به گسیختگی کششی المان مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) (میلگرد یا کابل) لحاظ شود. توصیه می­شود که بار طراحی در نظر گرفته شده (شرایط نهایی) برای تاندون بیشتر از 60% حداقل مقاومت مشخصه کششی (SMTS) نباشد و همین­طور بار اعمالی بر تاندون­ها طی آزمایش بارگذاری (شرایط موقت) از 80% حداقل مقاومت مشخصه کششی فراتر نرود.

2-2) گسیختگی توده خاک(گسیختگی کلی)

گسیختگی کلی توده خاک که در اینجا به آن اشاره داریم، صرفاً ناشی از نیروهای داخلی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها می­باشد و نه بارهای خارجی مثل زمین لغزه‌­ها که خود عامل بارهای استاتیکی مضاعف در مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها می­باشند. برای مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)های سطحی و کم عمق، گسیختگی کلی توده خاک به صورت آپلیفت توده­‌ای خاک واقع در قسمت جلوی ناحیه پیوند مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  نمود پیدا می­کند که خود ناشی از گسیختگی پول‌­اوت ناحیه پیوند می­باشد. شکل­‌گیری سطح برشی در توده خاک پشت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها، توام با افزایش تنش­ها منجر به بسیج کامل مقاومت در طول ناحیه پیوندی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  می­شود. این سطح گسیختگی شبیه­ به گسیختگی زمین در حالت فشار پسیو می­باشد. در عمل، زمانیکه طول مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  کمتر از 4/5 متر باشد، تجربه نشان داده که گوه گسیختگی پشت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ ها ایجاد می­شود و مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)ها گوه را قطع نمی­کنند. در این حالت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها نیز داخل توده خاک گسیخته شده به حرکت در می­‌آیند و عملاً هیچ تاثیری در پایداری گوه شکل گرفته ندارند.

حال اگر مسئله مهارکوبی ( یا انکراژ در سیستم نیلینگ) در سنگ مطرح باشد، سطح گسیختگی محتمل برای مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) های کوتاه در سنگ بستری سالم به شکل مخروط با زاویه 45 درجه نسبت به مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) شکل می­گیرد. در سنگ‌­های ترک­دار و سنگ­هایی با رگه‌­های قوس­‌دار، شکل مخروط و اندازه آن بسته به سطح و جهت ترک­‌ها و قوس سنگ و دوغاب پر شده در درزها تغییر می­یابد. در سنگ­‌های ترک­دار حتی اگر طول مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها کمتر از 4/5 متر باشد، گسیختگی توده سنگ به ندرت رخ می­دهد، چرا که مقاومت پیوند بین سنگ و دوغاب یا دوغاب و تاندون بسیار کمتر از مقاومت خود سنگ است. پس در این موارد عمدتاً گسیختگی از نوع پول­‌اوت سنگ- دوغاب و یا پول­‌اوت دوغاب- تاندون می­باشد.

3-2) گسیختگی اصطکاکی(پول اوت) بین خاک و دوغاب

با اجرای مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)، اصطکاک جداره بین طول پیوندی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) و خاک اطراف آن بسیج می­شود. بطور کل، میزان مقاومت ناحیه پیوندی در مقابل گسیختگی پول­‌ا‌وت، به تنش نرمال اعمالی بر دوغاب ناحیه پیوند و چسبندگی و اصطکاک بسیج شده بین خاک- دوغاب بستگی دارد. در مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)هایی که گمانه آنها در اثر تزریق مضاعف گشاد­تر (underreamed) شده باشد، ممکن است مقاومت پول­‌اوت بین دوغاب-خاک به دلیل افزایش مساحت جانبی ناحیه پیوندی، افزایش یابد.

بطور کل، در خاک­های یکنواخت و همگن یا سنگ­ها، زمانیکه تنش در امتداد طول پیوندی انتقال می­یابد، ناحیه پیوند دوغاب-خاک بطور پیشرونده بسیج می­شود. در ابتدا، زمانیکه مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) تحت تنش قرار می­گیرد، بخشی از طول پیوندی که به بار نزدیک­تر است کشیده ­شده و بار و نیرو را به خاک و زمین انتقال می­دهد. آنگاه که مقاومت بخش طول پیوندی بسیج شد، تنش به نواحی دورتر نیز انتقال می­یابد. در طی این پروسه، مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) همچنان تحت کشش است و طول بیشتری از ناحیه پیوندی بسیج می­شود. زمانیکه بار به انتهای طول پیوندی برسد و از حداکثر مقاومت پیوندی خاک- دوغاب فراتر رود، مقاومت اصطکاکی بین دوغاب- خاک دیگر پاسخگو نبوده و مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) دچار گسیختگی اصطکاکی (پول­اوت) بین دوغاب- خاک می­شود. اگر تزریق دوغاب مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) بطور صحیح صورت نگیرد، زمانیکه بار افزایش یابد، دوغاب موجود بین پلیت باربر یا دیوار پایدارسازی شده و قسمت بالای طول پیوندی، هیچ باری را به طول پیوندی انتقال نمی­دهد. عوامل موثر در انتقال تنش در مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) های با قطر کوچک که طول پیوندی آنها در خاک همگن و یکدست اجرا شده بطور خلاصه­ در جدول 1 ذکر شده­‌اند.

تجربه ثابت کرده افزایش طول پیوندی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) (در خاک)، فراتر از 9 الی 12 متر نتیجه قابل ذکری در افزایش مقاومت ندارد. این موضوع را می­توان به این نحو توجیه کرد، که پس از انتقال بار در طول پیوندی پایین، جابجایی کافی در سطح مشترک دوغاب- خاک در طول پیوندی فوقانی رخ می­دهد و مقدار مقاومت سطح مشترک طول پیوند فوقانی تا مقدار مقاومت باقیمانده کاهش می‌­یابد. البته با بکارگیری روش‌­های خاص می­توان مقاومت پیوند بین خاک- دوغاب را برای مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) هایی با طول پیوند بیشتر از 12 متر  به نحوی بسیج نمود که طول اضافی پیوندی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) بی­‌تاثیر نباشد.

جدول 1. عوامل موثر در انتقال تنش در طول پیوندی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) های با قطر کوچک
عوامل موثر نوع خاک
غیرچسبنده چسبنده
خصوصیات خاک زاویه اصطکاک و پراکندگی و توزیع اندازه دانه­ها چسبندگی و شاخص پلاستیک
روش حفاری حفاری غلاف­دار تنش نرمال و اصطکاک را افزایش می­دهد حفاری بدون غلاف یا حفاری با مایعات ظرفیت را کاهش می­دهد
طول پیوندی افزایش ظرفیت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  ( یا انکر در سیستم نیلینگ)  تا 6 متر و افزایش متوسط ظرفیت مهار تا 12 متر افزایش ظرفیت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  ( یا انکر در سیستم نیلینگ)  در خاک­هایی با مقاومت زهکشی نشده کمتر از 96 کیلوپاسکال
قطر گمانه افزایش جزئی در ظرفیت مهار تا قطر 100 م.م. افزایش ظرفیت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  ( یا انکر در سیستم نیلینگ)  تا قطر 300 م.م.
فشار تزریق دوغاب با افزایش فشار، ظرفیت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  ( یا انکر در سیستم نیلینگ)  افزایش می­یابد ظرفیت مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ)  ( یا انکر در سیستم نیلینگ)  فقط با تزریق مرحله به مرحله افزایش می­یابد. بایستی از فشار اولیه بالا اجتناب شود.

 

 نکته: برای اطمینان از حصول پیوند بین دوغاب- خاک، گمانه بایستی تمیز شود و تزریق بایستی با کمترین فاصله زمانی ممکن بعد از حفاری گمانه صورت پذیرد.

گسیختگی اصطکاکی در سطح مشترک دوغاب- خاک ممکن است در اثر تغییر شکل­های اضافی تحت بارگذاری ممتد و پایدار (مثل خزش) رخ دهد.

4-2) گسیختگی اصطکاکی پول اوت بین دوغاب-تاندون

مکانیزم گسیختگی اصطکاکی تاندون- دوغاب شامل 3 مولفه می­شود:

  • چسبندگی
  • اصطکاک
  • قفل و بست مکانیکی

چسبندگی نوعی اتصال فیزیکی بین میلگرد یا کابل زبر و آجدار و دوغاب اطراف آن می­باشد. مادامیکه جابجایی رخ نداده باشد تنها عامل مقاومت پول­‌اوت بین تاندون- دوغاب، چسبندگی می­باشد. به محض اینکه جابجایی رخ دهد، عامل اصطکاک جایگزین عامل چسبندگی می­شود. اصطکاک به زبری سطح میلگرد یا کابل، تنش نرمال، و مقدار لغزش (جابجایی) بستگی دارد. قفل و بست مکانیکی شامل بسیج مقاومت برشی دوغاب ناشی از آج­‌ها و تاب خوردگی کابل و سایر برجستگی­‌ها در طول تاندون می­شود. در میلگردهای آجدار، قفل و بست مکانیکی، عامل اصلی و غالب مقاومت پیوند می­باشد و منجر به شکل­‌گیری مقاومت نهایی میلگرد در طول پیوند می­شود. در میلگردهای صاف و بدون آج پیوند دوغاب- تاندون به تدریج بسیج می­شود، شبیه به پیوند دوغاب- خاک. لغزش فقط زمانی رخ می­هد که ماکزیمم مقدار مقاومت پیوند دوغاب- تاندون تقریباً در تمام طول پیوند بسیج شده باشد. بعد از این لغزش و جابجایی (حتی با افزایش جابجایی و کشیدگی)، المان تاندون فقط مقاومت اصطکاکی از خود بروز خواهد داد (چیزی حدود نصف مقاومت نهایی).

 

 

5-2) گسیختگی تیرهای نگهبان

تیرهای نگهبان از جانب توده خاک پشت دیوار پایدارسازی شده و نیروهای اضافه ناشی از پیش­تنیدگی مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها، تحت بارهای قائم و افقی قرار می­گیرند. بیشترین مقدار نیروی جانبی وارد بر تیرهای نگهبان در طی بارگذاری و پیش­تنیدگی اولین ردیف مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها، و همینطور پس از خاکبرداری آخرین لیفت خاک و رسیدن به تراز نهایی گود که کل بار دیوار پایدارسازی شده بر روی تیرهای نگهبان اعمال می­شود، شکل می­گیرد.

در حالت اول، که اولین ردیف مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) ها تحت بار آزمایش قرار گرفته و پیش‌­تنیده می­شوند، مقاومت پسیو موجود پشت تیرهای نگهبان بسیار کم است. با اعمال ضریب اطمینان 1/5 برای مقاومت پسیو خاک پشت دیوار پایدارسازی شده در طرح و نیز با اجرای روکشی با ضخامت کافی در مقابل وزن خاک در ترازهای فوقانی جهت اطمینان از عدم جابجایی رو به جلو خاک پشت تیرهای نگهبان، می­توان اطمینان حاصل کرد که تغییر شکل تیرهای نگهبان به حداقل مقدار ممکن برسد.

برای حالت دوم و زمانیکه به انتهای خاکبرداری و تراز نهایی گود رسیده­‌ایم، مقاومت پسیو خاک جلوی دیوار پایدارسازی شده بایستی برای مهار (یا مسلح‌کننده انکراژ) پاشنه (پایین) تیر نگهبان تحت بارگذاری بلند مدت کافی باشد و مانع از هرگونه گسیختگی شود که منجر به لغزش خاک واقع در قسمت جلوی دیوار پایدارسازی شده می­شود.

مکانیزم انتقال بارهای قائم به تیرهای نگهبان پیچیده ­تر از مکانیزم انتقال بار در فونداسیون­‌های عمیق ­است. توام با پیشروی حفاری و عمیق‌­تر شدن گود، بارهای قائم از توده فوقانی خاک پشت به تیرهای نگهبان انتقال می­یابند، اما محاسبه و برآورد مقدار و بزرگی بار انتقال یافته مشکل است. به طور تئوریک، اگر جابجایی­ رو به پایین تیر نگهبان  نسبت به خاک به حد کافی رخ دهد، بار به جسم خاک پشت دیوار انتقال خواهد یافت. اما این انتقال بار همچنین منجر به شکل­‌گیری اصطکاک منفی در بلوک اکتیو خاک پشت دیوار پایدارسازی شده می­شود که خود منجر به اعمال فشار از خاک پشت، به دیوار می­شود. در این مقاله فرض شده که در قسمت بالای گود هیچ انتقال باری (زاویه اصطکاک سطح مشترک بین دیوار پایدارسازی شده و خاک برابر صفر است) رخ نمی­دهد. برای اثبات این فرض، می­توان چنین استناد نمود:

  • جابجایی نسبی بین تیر نگهبان و خاک بسیار کوچک می­باشد. (حتماً باید تدابیری اندیشید تا مقدار جابجایی محدود شود)
  • حذف خاک از گود می­تواند پیوند و اصطکاک بین تیرهای نگهبان و خاک را کاهش دهد.
  • مقدار واقعی بار انتقال یافته معمولاً کم است.

اگر اسناد کافی مبنی بر جابجایی نسبی لازم جهت شکل­‌گیری و ایجاد انتقال بار در قسمت بالای حفاری وجود داشته باشد، می­توان از سایر روش‌­ها و پروسه­‌های طراحی که انتقال بار در بالای حفاری را در نظر می­گیرند، استفاده نمود.

ظرفیت باربری قائم در زیر بستر گود تقریباً مشابه فونداسیون­‌های عمیق (شمع‌­های کوبشی یا چاه­‌های درجا حفر شده)  محاسبه می­شود. اما دو نکته منحصر به فرد در تعیین ظرفیت محوری دیوارهای تیر نگهبان وجود دارد. این موارد به قرار زیر می­باشند.

  • حذف تنش جلوی دیوار پایدارسازی شده ناشی از خاکبرداری، تنش‌­های موثر اعمالی بر بخش فرورفته تیر نگهبان در دل خاک را کاهش خواهد داد. این کاهش تنش ممکن است بسته به عرض گود، در عمق تغییر یابد. در عمل فرض می­شود که تنش موثر برابر است با متوسط تنش موثر اضافه ناشی از وزن خاک پشت تیر نگهبان و تنش خاک باقیمانده در گود در قسمت جلوی تیر نگهبان.
  • بخش­‌های سازه‌­ای معمولاً در چاه­‌های حفر شده که با بتن پر می­شوند، قرار می­گیرد. در قسمتی که با بتن سازه­‌ای پر شده، فرض می­شود که بار محوری و جانبی بطور مشترک توسط فولاد (تیر نگهبان) و بتن تحمل می­شود و ظرفیت جانبی را می­توان بر اساس قطر چاه محاسبه نمود. اما در قسمت بتن غیر سازه‌­ای (بتن کم عیار) ظرفیت برشی بین بخش سازه‌­ای و بتن کم عیار ممکن است برای تحمل بار بین فولاد و بتن کافی نباشد. بنابراین در تعیین ظرفیت باربری محوری و جانبی تیرهای نگهبان بایستی ظرفیت برشی کنترل شود.

6-2) گسیختگی در روکش دیوار پایدارسازی شده به روش مهارکوبی یا انکراژ

اغلب از روکش الوار چوبی برای نگهداری موقت بارهای اعمالی خاک در طی گودبرداری استفاده می­شود، اما برای دیوارهای دائم و نگهداری طولانی مدت، از روکش الواری اصلاح شد استفاده می­شود. در طراحی­ سازه دیوار پایدارسازی شده از مقاومت روکش موقت صرفنظر می­شود. روکش‌­های الواری موقت با روش‌­های سنتی طرح نمی­شوند، بلکه ابعاد و ضخامت این روکش‌­ها با استفاده از نمودارهای آماده بر اساس تجربیات پروژه‌­های قبلی و متناسب با فاصله افقی بین تیرهای نگهبان، انتخاب می­شود (FHWA-RD-75-130 , 1976).