• مدهای گسیختگی اتصال روکش در دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی یا نیلینگ(nailing)

 رایج­ترین مدهای گسیختگی در اتصال روکش- سر میخ در شکل 1 با جزئیات نشان داده شده ­اند:

  • گسیختگی خمشی: این مد گسیختگی ناشی از تجاوز خمش، از ظرفیت خمشی روکش می­باشد. این مد گسیختگی بایستی در هر دو نوع روکش موقت و دائمی در نظر گرفته شود.
  • گسیختگی برش پانچ: این مد گسیختگی روکش، در اطراف میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها رخ می­دهد و بایستی برای هر دو نوع روکش موقت و دائمی ارزیابی شود.
  • گسیختگی کششی گل میخ­ها: گسیختگی کششی در گل میخ­ها صرفاً در روکش­های دائمی مطرح است.

برای غلبه بر این مدهای گسیختگی، ظرفیت سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  و روکش بایستی فراتر از حداکثر نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) در رویه دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی یانیلینگ،”T0“، باشد. جهت حصول ظرفیت­های طراحی با ضرایب اطمینان کافی برای همه مدهای محتمل گسیختگی بایستی ابعاد مناسب، مقاومت مناسب، و تسلیح روکش و سخت کننده­های مناسب برای سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  (مثلاً، پلیت­های باربر تکیه­گاهی و گل میخ­ها) استفاده شود. در ادامه چگونگی محاسبه حداکثر نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، انواع مدهای گسیختگی فوق الذکر، و همچنین معادلات مورد استفاده در محاسبه ظرفیت این مدهای گسیختگی تشریح می­شوند.

  • نیروهای کششی در روکش دیوار پایدارسازی شده

نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در رویه دیوار پایدارسازی شده، T0، یا کم­تر و یا برابر حداکثر نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  می­باشد (Byrne et al, 1998). شکل 2 مقادیر  بی بعد نیروهای کششی بهره ­برداری میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  را که در روکش یک دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی یا نیلینگ اندازه­ گیری شده­اند، نشان می­دهد. این مقادیر به نیروهای بلند مدت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  مرتبط بوده و شامل نیروهای یخ­زدگی یا سایر نیروها نمی­باشند. همچنین نیروهای بی بعد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) در روکش به لحاظ توزیع، با حداکثر نیروهای کششی بی بعد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) قابل مقایسه می­باشند. نسبت نیروی بی بعد سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  به حداکثر نیروی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، بین 6/0 تا 0/1 تغییر می­کند. در نیمه فوقانی دیوار پایدارسازی شده، متوسط نیروی بی بعد سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  بین 4/0 تا 5/0 تغییر می­کند و در نیمه پایینی دیوار پایدارسازی شده، نیروهای بی بعد بتدریج کاهش یافته و در کف دیوار پایدارسازی شده به صفر می­رسد. با در نظر گرفتن بی بعد سازی و ناحیه تاثیر فوق، ثابت می­شود که نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  معمولاً بین،T0=0.60 KA.γ.H  تا T0=0.70 KA.γ.H تغییر می­کند. این نتایج با نتایج عملی بدست آمده از دیوار پایدارسازی شده آزمایشی در آلمان و در فرانسه، سازگار می­باشند. در آلمان اندازه­گیری واقعی فشار زمین، از طریق سلول­های تنش کل نصب شده در سطح مشترک خاک- شاتکریت نشان داد که تحت اغلب شرایط، فشار معادل زمین بر روی روکش بین 60 تا 70 درصد فشار اکتیو کولومب زمین می­باشد (Gässler and Gudehus, 1981).

شکل 1. مدهای گسیختگی اتصال روکش

در آزمایش­های فرانسوی، نسبت نیروی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  به نیروی ماکزیمم میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، در بخش فوقانی دیوارهای پایدارسازی شده معمولاً بین 4/0 تا 5/0 متغیر بود (FHWA, 1993a). همچنین، نتایج این آزمایش­ها نشان داد که به خاطر تاثیر قوس شدگی خاک بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، کم شدن فواصل میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها موجب کاهش نیروی­ها در روکش دیوار پایدارسازی شده در مقایسه با مقادیر مورد انتظار شد.

بر اساس این نتایج، مقادیر بهره­ برداری نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  برای طراحی Clouteree (1991)، به قرار زیر توصیه می­شوند:

  • 60% حداکثر بار سرویس میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، برای فواصل قائم 1 متری یا کمتر
  • 100% حداکثر بار سرویس میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، برای فواصل قائم 3 متری یا بیشتر
  • درون یابی خطی برای فواصل واقع در دو بازه فوق الذکر

شکل 2. نیروهای کششی روکش، اندازه­ گیری واقعی در دیوارها (منبع: Byrne et al., 1998)

 

شکل فرمولی توصیه ­های فوق در دستگاه SI و انگلیسی به قرار زیر بیان می­گردد:

رابطه 1
رابطه 2

جاییکه:

T0: نیروی کششی طراحی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

Tmax-s: حداکثر نیروی کششی طراحی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، (نتایج حاصل از آنالیز پایداری کلی با استفاده از یک برنامه کامپیوتری مثل، SNAIL)

Smax : حداکثر فاصله میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها. در معادله 1 و 2، از حداکثر فواصل افقی “SH” و قائم “SV” میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  استفاده کنید.

تحت فاصله معمول 5/1 متری، نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  با بار سرویس روکش توصیه شده برابر خواهد بود. بار سرویس روکش توصیه شده، در حدود 7/0 برابر حداکثر بار سرویس میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  می­باشد.

  • گسیختگی خمشی

روکش دیوار پایدارسازی شده را می­توان یک دال بتنی مسلح پیوسته در نظر گرفت، جاییکه بار اعمالی همان فشار جانبی زمین می­باشد که بر روی روکش وارد می­شود و تکیه­گاه­ها، نیروهای کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها می­باشند (شکل 3- الف و ب).

شکل 3. گسیختگی پیش­رونده خمشی در روکش دیوار پایدارسازی شده

الف) الگوی ایده­آل خط گسیختگی ،  ب) تغییرشکل نهائی ،  ج) نمودار ایده­آل بار- جابجائی جانبی

بارهای ناشی از فشار جانبی زمین و عکس­ العمل­های بوجود آمده در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، موجب ایجاد لنگر خمشی در روکش می­شوند. ممان مثبت (کشش در بیرون مقطع) در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها؛ و ممان منفی (کشش در داخل مقطع) در اطراف میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها تولید می­شود (شکل3-ب). اگر این ممان­ها زیاد باشند، ممکن است که گسیختگی خمشی در شاتکریت رخ دهد. بر اساس شباهت بین مکانیزم بارگذاری روکش دیوار پایدارسازی شده و دال بتنی پیوسته متکی بر ستون­ها، پیشنهاد می­شود که آنالیزها و روش­های طراحی مرسوم برای دال بتنی را برای طراحی روکش دیوار پایدارسازی شده بکار برد.

  • ظرفیت گسیختگی خمشی

همانند سایر سازه­های بتنی یا شاتکریتی مسلح، گسیختگی خمشی بطور پیشرونده رخ می­دهد. بعد از اولین گسیختگی مقطع روکش (شکل 3-ج)، توام با افزایش فشار جانبی زمین، ترک خوردگی پیشرونده در هر دو طرف روکش ادامه می­یابد. در حین افزایش فشار جانبی زمین، ترک­ها و درزها توسعه یافته و تغییر شکل خمشی (deflection, δ) و نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  افزایش می­یابد. ترک­ها و گسیختگی­های پراکنده، معرف موقعیت­هایی هستند که به حد ظرفیت خمشی رسیده است. نهایتاً تمام ترک­ها به هم متصل شده و مانند یک مفصل عمل می­کنند، و مکانیزمی را تشکیل می­دهند که به الگوی بحرانی خط گسیختگمعروف است. الگوی­های خط گسیختگی به عوامل مختلفی از جمله فشار جانبی خاک، فواصل افقی و قائم میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، اندازه پلیت باربر تکیه­گاهی، ضخامت روکش، آرایش تسلیح کننده، و مقاومت بتن (Seible, 1996) و حداکثر فشار خاک بستگی دارند.

در تئوری می­توان، فشار خاکی که موجب گسیختگی روکش می­شود (مثلاً، الگوی بحرانی خط گسیختگی) را در ناحیه تاثیر اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  اعمال کرد، تا نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  (عکس­العمل) بدست آید. این نیرو بعنوان ظرفیت خمشی روکش، RFF، تعریف می­شود و با ظرفیت خمشی واحد طول روکش متناسب است. ظرفیت خمشی واحد طول روکش، برابر است با حداکثر ممان مقاوم واحد طول که در مقطع روکش فعال می­شود. بر اساس مفاهیم تئوریک “خط گسیختگی”، RFF را می­توان بعنوان حداقل مقادیر زیر تخمین زد:

رابطه 3-الف
رابطه 3-ب

 

رابطه 4-الف
رابطه 4-ب

جاییکه:

CF : ضریبی است که فشار غیر یکنواخت خاک در پشت روکش را لحاظ می­کند (Byrne et al, 1998)

h : ضخامت روکش (شکل 4)  d : نصف ضخامت روکش   avn : سطح مقطع عرضی تسلیح قائم بر واحد عرض، در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

avm: سطح مقطع عرضی تسلیح قائم بر واحد عرض، در وسط دهانه ahn   : سطح مقطع عرضی تسلیح افقی بر واحد عرض، در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)   ahm: سطح مقطع عرضی تسلیح افقی بر واحد عرض، در وسط دهانه

SH : فاصله افقی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها    SV : فاصله قائم میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها    fy : مقاومت گسیختگی کششی تسلیح         f΄c : مقاومت فشاری بتن

شکل 4. هندسه استفاده شده در مد گسیختگی خمشی

در ضریب “CF” فشار غیر یکنواخت خاک پشت روکش را لحاظ ­شده (Byrne et al, 1998) و بطور اسمی نسبت فشار خاک پشت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  به فشار خاک در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها را بیان می­کند. توزیع فشار خاک پشت روکش معمولاً غیر یکنواخت است. فشار خاک تحت تاثیر شرایط خاک و ضخامت روکش می­باشد، که به نوبه خود بر جابجایی دیوار پایدارسازی شده تاثیر می­گذارد. در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، جابجایی روکش رو به بیرون بوده و فشار جانبی زمین نسبتاً کم است. در اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، فشار خاک بیشتر از فشار خاک در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها می­باشد. شکل 5 توزیع شماتیک فشار خاک را در مجاورت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  نشان می­دهد.

توزیع فشار در روکش نیز به ضخامت روکش بستگی دارد. زمانیکه ضخامت روکش نسبتاً کم باشد (معمولاً روکش­های موقت)، موجب تغییر شکل روکش در مقطع دهانه وسط می­شود و در نتیجه فشار خاک در مقطع دهانه وسط نسبتاً کم می­شود. زمانیکه روکش نسبتاً ضخیم باشد، تغییر شکل­ها کوچک­تر از تغییر شکل­ دیوار پایدارسازی شده نازک می­شود. نتیجه افزایش ضخامت دیوار پایدارسازی شده، توزیع فشار خاک یکنواخت­تر در سرتاسر دیوار پایدارسازی شده است. جدول 1 ضرایب “CF” را برای ضخامت­های معمول روکش نشان می­دهد. برای همه روکش­های دائم و روکش­های موقت ضخیم (ضخیم­تر از 200 میلیمتر یا 8 اینچ)، فشار خاک نسبتاً یکنواخت فرض می­شود.

در معادلات 1-الف و ب، فرض شده که حداکثر ممان­های روکش در اطراف محور افقی می­باشند و طراحی تسلیح­های قائم نسبت به تسلیح­های افقی بحرانی­تر است. در عمل، سطح مقطع عرضی تسلیح در جهت افقی و قائم یکسان می­باشد (مثلاً،ahm=avm  و ahn=avn)؛ بنابراین بحرانی­ترین مورد آن است که به حداقل مقادیر “SH/SV” و “SV/SH” منتهی شود.

زمانیکه فواصل میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها یکسان باشند و در جهات افقی و قائم تسلیح صورت گرفته و فولادهای 420 مگاپاسکالی (درجه 60) بکار برده شود، معادلات1 و2  به قرار زیر ساده می­شوند:

رابطه 3
رابطه 4
جدول 1.  ضرائب “CF
نوع سازه ضخامت اسمی روکش به م.م. (اینچ) ضریب “CF
موقت 100 (4) 0/2
150 (6) 5/1
200 (8) 0/1
دائمی همه 0/1

 

شکل 5- توزیع فشار خاک پشت روکش (Modified after Byrne et al., 1998)

این معادلات را می­توان برای روکش­های موقت و دائمی بکار برد. زمانیکه ظرفیت خمشی روکش دائمی را ارزیابی می­کنیم معمولاً ضخامت روکش موقت بتنی در جانب احتیاط نادیده گرفته می­شود، (مطابق شکل 4). مثلاً یک روکش دائمی با ضخامت h= 200 mm شامل مش میلگردی با fy= 420 MPa (60 ksi) را در نظر بگیرید. مش در هر طرف شامل میلگردهای No. 16@ 300 mm، و سطح مقطع عرضی آن در واحد طول برابر با avn = avm = 199 mm2/m می­باشد

برای ضریب CF=1.0 در یک روکش دائمی (به جدول-1 رجوع کنید) و فاصله افقی و قائم یکسان میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، داریم:

اگر در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها از میلگردهای waler (عمودی) استفاده شود، کل سطح تسلیح در واحد طول در جهت قائم را می­توان چنین محاسبه نمود:

رابطه 5

جاییکه، “AVW” کل سطح مقطع عرضی میلگردهای waler در جهت قائم می­باشد. روابط مشابهی را می­توان در جهت افقی بکار برد. اگر در روکش­های دائمی بجای مش سیمی از مش میلگرد استفاده شود، کل سطح تسلیح در واحد طول بایستی به قرار زیر تغییر یابد:

رابطه 6

جاییکه “AVW” کل سطح مقطع عرضی میلگردهای تسلیح در جهت قائم می­باشد (شکل 4 را ببینید)

پس از تعیین نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  “T0“، و ظرفیت خمشی روکش، می­توان ضریب اطمینان در مقابل گسیختگی خمشی روکش را چنین تعریف نمود:

رابطه 7

بطور کلی حداقل ضریب اطمینان برای بارهای استاتیکی، در دیوارهای پایدارسازی شده موقت برابر 35/1 و در دیوارهای پایدارسازی شده دائمی برابر 5/1 انتخاب می­شود.

  • محدوده تسلیح در روکش­ها

به مانند سایر سازه­های بتن مسلح، مقدار تسلیح روکش دیوار پایدارسازی شده عموما ًدر یک محدوده مشخص می­باشد. مقدار تسلیح را می­توان بعنوان نسبت تسلیح (ρ or ρij) در جهت “i” ( قائم یا افقی) و در موقعیت “j” (سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  یا دهانه وسط) بیان نمود:

رابطه 8

جاییکه “aij” سطح مقطع عرضی تسلیح در واحد عرض در جهت “i” و موقعیت “j” می­باشد. حداقل نسبت تسلیح، در واحدهای SI و انگلیسی، معمولاً در دهانه وسط بوده و به قرار زیر تعریف می­شود:

رابطه 9
رابطه 10

حداکثر نسبت تسلیح نیز چنین توصیه می­شود:

رابطه 11
رابطه 12

بنابراین، میزان تسلیح بایستی در بازه “ρmin ≤ ρ ≤ ρmax” قرار گیرد.

همچنین، نسبت تسلیح در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  و دهانه وسط بایستی کم­تر از 5/2 باشد تا متضمن نسبت ظرفیت خمشی مشابه در این نواحی باشد.

  • ظرفیت برش پانچ

 

گسیختگی برش پانچ روکش ممکن است در اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  رخ دهد و بایستی در این محل­ها ارزیابی شود:

  1. اتصال پلیت- تکیه­گاه (مورد استفاده در روکش موقت)
  2. اتصال گل میخ­ها (معمولاً مورد استفاده در روکش دائمی)

از آنجا که نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  تا مقدار بحرانی افزایش می­یابد، درز و ترک­ها می­توانند یک مکانیزم گسیختگی موضعی در اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  شکل دهند. این پروسه منتج به یک سطح گسیختگی بحرانی می­شود، که در شکل 5-21 نشان داده شده است. این سطح گسیختگی تا پشت پلیت باربر تکیه­گاهی یا گل میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها ادامه یافته و مطابق شکل شماتیک 5-21، تحت زاویه حدوداً 45 درجه در میان روکش سوراخی ایجاد می­کند. اندازه مخروط به ضخامت روکش و نوع اتصال میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) -روکش (مثلاً، پلیت یا گل میخ) بستگی دارد.

شکل 6. مدهای گسیختگی برش پانچ، الف) پلیت باربر در دیوار پایدارسازی شده موقت ، ب) اتصال گل میخی در دیوار پایدارسازی شده دائمی

  • ظرفیت برش پانچ روکش

مطابق دال­های بتنی متحمل بارهای متمرکز، ظرفیت سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  (شکل 5-21) را نیز بایستی با در نظر گرفتن ظرفیت برش پانچ، RFP ارزیابی نمود.

رابطه 13

جاییکه “VF” نیروی برش پانچ است که در میان مقطع روکش عمل می­کند و “CP” (ضریب اصلاحی) نشانگر مشارکت ظرفیت باربری خاک می­باشد.

نیروی برش پانچ را می­توان در واحدهای SI و انگلیسی با استفاده از معادلات استاندارد برش پانچ محاسبه نمود. این معادلات اندازه سطح گسیختگی مخروطی (با قطر D΄c در مرکز روکش و ارتفاع hc، مطابق شکل 5-21) در تراز دال بتن را در نظر می­گیرند:

رابطه 14
رابطه 15

جاییکه :

c : قطر موثر سطح گسیختگی مخروطی در مرکز مقطع (مثلاً، یک سطح گسیختگی استوانه­ای متوسط در نظر گرفته می­شود)

hc : عمق موثر سطح مخروطی

ضریب تصحیح “CP” تاثیر فشار خاک پشت روکش را (که در جهت پایداری مخروط عمل می­کند)، به حساب می­آورد. اگر هیچ عکس­العملی (subgrade reaction) در نظر گرفته نشود، CP=1.0 خواهد بود. زمانیکه عکس­العمل خاک در نظر گرفته شود، CP می­تواند به 15/1 نیز برسد. ولی در عمل معمولاً اصلاحی صورت نگرفته و همان مقدار CP=1.0 لحاظ می­گردد.

این معادلات را می­توان برای روکش موقت و دائمی استفاده کرد. اما اندازه سطح مخروط (مقادیر D΄c , hc) بایستی برای لحاظ نمودن نوع روکش تنظیم شود. برای روکش­های موقت، بایستی ابعاد پلیت باربر و ضخامت روکش در نظر گرفته شوند. برای روکش دائمی، بایستی ابعاد گل میخ­ها (یا بلت­ مهاری) لحاظ گردند. شکل 5-22 جزئیات گل میخ را نشان می­دهد. جدول الف-6 در ضمیمه “الف” محتوی مشخصات اتصالات گل میخی معمول می­باشد.

شکل7. هندسه گل میخ

اندازه موثر سطوح مخروط بایستی به قرار زیر تعیین گردد:

  • روکش موقت (شکل6- الف)
رابطه 16-الف c = LBP + h
رابطه 16-ب hc = h

جاییکهLBP ، طول پلیت باربر تکیه­گاهی و h ضخامت روکش موقت می­باشد.

با تعیین نیروی کششی در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، T0، (شکل 6) و ظرفیت برش پانچ روکش، RFP، می­توان ضریب اطمینان برش پانچ روکش “FSFP“، را چنین تعریف نمود:

رابطه 17

بطور کلی، حداقل ضریب اطمینان تحت بارهای استاتیکی، در دیوار پایدارسازی شده موقت برابر با 35/1 و در دیوار پایدارسازی شده دائم برابر با 5/1 می­باشد.