مقدمه دیوارهای خاک مسلح )اصول و مبانی طراحی( استفاده از خاک مسلح در طراحی شالوده ها و سازه های حایل خاک روشی است که در سالهای اخیر متداول شده است. خاک مسلح عبارتست از مسلح کردن خاک به وسیله عناصر کششی نظیر میلگرد تسمه فوالدی ژئوتکستایل و ژئوگرید. ایده اولیه خاک مسلح مساله جدیدی نیست و قدمت آن به عهد باستان میرسد. لیکن مفهوم فعلی این ایده و روش تحلیل و طراحی آن توسط یک مهندس فرانسوی به نام ویدال بنا نهاده شد. استانداردهای مختلفی توسط انجمن مواد و آزمون آمریکا برای اندازهگیری مشخصات فنی ژئوگرید تدوین شده است: آزمایش مقاومت کشش ( D4632 ) ASTM جهت مشخص شدن مقاومت کششی نهایی آزمایش مقاومت کششی واحد عرض ( ASTM ) D4595 جهت مشخص کردن مقاومت کششی واحد عرض و نیز مدول االستیک و آزمایش خزش ( D5262 ) ASTM جهت مشخص کردن مقاومت کشش در خزش صفر. مقاومت ژئوتکستایلها ممکن است در اثر تابش مستقیم نور آفتاب کاهش پیدا کند بنابر این پیشنهاد شده است تا از تابش مستقیم نور خورشید برای مدت بیش از 14 روز به این مواد جلوگیری گردد. نمونه کاربرد ویوار خاک مسلح با نمای گلدانی در تهران 1
اثرات سودمند خاک مسلح ناشی از دو پدیده زیر است: الف( افزایش مقاومت کششی خاک ب( مقاومت برشی به وجود آمده به علت اصطکاک موجود در سطح تماس خاک و مصالح مسلح کننده. از این نقطه نظر خاک مسلح بسیار شبیه به بتن مسلح است. در حال حاضر اکثر طرحهای خاک مسلح فقط با مصالح دانهای با زهکشی آزاد soil( )Free-draining granular انجام میشوند. در نتیجه از اثر به وجود آمدن فشار آب حفرهای در خاکهای چسبنده که باعث کاهش مقاومت برشی خاک میشود اجتناب میگردد. کاربرد ژئوگریدها در ساخت انواع سازه های خاک مسلح مانند دیوارهای حائل کوله های پل اساس و زیراساس جاده ها پایداری شیبها و موارد مشابه می باشد. اجزا سازههای خاک مسلح سیستمهای خاک مسلح شده با عناصر مکانیکی Wall( )Mechanical Stabilized Earth (MSE) دارای سه مولفه طراحی است: 1- خاکریز تسلیح شده fill( )Reinforced -2-3 عناصر تسلیح کننده elements( )Reinforcing )مانند ژئوگرید( عناصر پوسته system( )Facing ویژگیهای الزم برای هرکدام از این اجزا عبارتند از: خاکریز تسلیح شده fill( )Reinforced برای افزایش کارایی خاک مسلح باید توجه خاصی به ویژگیهای خاکریز داشت. ویژگیهای مهم در این مورد عبارتند از: الف( پایداری خاکریز در درازمدت و کوتاه مدت ب( خواص مکانیکی خاک )چسبندگی و اصطکاک داخلی( ج( خواص شیمیایی )مسائل دوام و پایداری خوردگی عناصر مسلح کننده( د( ضابطه کیفیت مکانیکی معموال خاکریز مسلح فاقد چسبندگی بوده و برای سازههای خاک مسلح شده با عناصر مکانیکی یا دیگر مواد زائد باشد. عناصر تسلیح کننده elements( )Reinforcing )MSE( باید عاری از مواد آلی این عناصر عوامل کلیدی خاک مسلح برای انتقال نیرو از ناحیه محرک به ناحیه مقاوم هستند.این عناصر باید پیوستگی و اصطکاک مناسبی با مصالح خاکریز داشته دوام و پایایی آنها مناسب و دارای شکل پذیری زیاد در هنگام گسیختگی باشند. میزان وادادگی آنها تحت تنشهای کششی باید کم باشد. 2
عناصر پوسته system( )Facing این عناصر در واقع پوششی برای خاک مسلح هستند و عملکرد اصلی آنها جلوگیری از ریزش خاک بین المانهای مسلح کننده است. این اجزا برای جلوگیری از فرسایش سطحی و ایجاد یک نمای مناسب استفاده میشوند. رفتار خاک مسلح خاک مسلح را میتوان نتیجه مشارکت دو ماده با مدول االستسیته متفاوت دانست که اساس آن بر اصطکاک و اندرکنش خاک و المانهای مسلح کننده پایه گذاری شده است. آزمایشهای انجام شده نشانگر تغییر نیروی کششی در طول المانهای مسلح کننده و رسیدن آن به یک مقدار حداکثر در این طول است. مکان هندسی محل تنش حداکثر در المانهای مسلح کننده برای الیه متفاوت خط نیروی کششی حداکثر را تعریف میکند. این خط دو ناحیه محرک و مقاوم را از هم جدا میکند )شکل )2( (. طراحی سازه های خاک مسلح شامل کنترل پایداری خارجی یا کلی و پایداری داخلی میباشد. های مراحل طراحی خط کشش حداکثر و نواحی محرک و مقاوم در طراحی دیوارهای خاک مسلح باید عالوه بر در نظر گرفتن پایداری خارجی و کلی پایداری داخلی اعضا مسلح کننده و خاک را نیز کنترل کرد. پایداری خارجی طول ناحیه مسلح شده باید به گونهای در نظر گرفته شود که ضریب اطمینان کافی در برابر لغزش این دیوارها تامین گردد. این ضریب اطمینان با توجه به شرایط استفاده اهمیت دیوار خاک مسلح و... بین 1/5 تا 3/0 در نظر گرفته میشود. به طور خالصه مراحل طراحی و کنترل پایداری خارجی به شرح زیر است: 3
محاسبه حداکثر نیروی محرک نیروی محرک را میتوان از طریق رابطه کولمب در خصوص فشار جانبی خاک محاسبه کرد: در این رابطه P a نیروی محرک حدی )کرنشهای بزرگ( P a = 1 2 K aγh 2 cosδ + K a γq s cosδ K a = tan 2 (45 cs 2 ) γ وزن واحد حجم خاک H ضریب فشار محرک cs زاویه اصطکاک داخلی خاک در حالت ارتفاع دیوار خاک مسلح δ 2 3 cs تا q s و ) cs مقدار سربار میباشد. محاسبه طول دیوار خاک مسلح زاویه اصطکاک دیوار خاک مسلح )بین حداقل طول دیوار خاک مسلح جهت تامین ضریب اطمینان مناسب در برابر لغزش مطابق رابطه زیر محاسبه میگردد: در این رابطه b زاویه اصطکاک بین ژئوگرید و خاک میباشد. پایداری داخلی مقاومت نهایی )کوتاه مدت( و مقاومت مجاز )دراز مدت( ژئوگرید L b = P a(fs) = ( 1 2 K aγh 2 cosδ + K a γq s cosδ)(fs) γh tan b γh tan b مهمترین عامل در طراحی سازه های خاک مسلح و انتخاب ژئوگرید در نظر گرفتن مقاومت درازمدت )LTDS( ژئوگرید میباشد که در اینجا آن را مقاومت مجاز ( all T( مینامیم. الزم به ذکر است که مقاومتی که بر روی نام ژئوگرید ذکر گردیده مقاومت کوتاه مدت یا اسمی آن )STS( میباشد که آن را مقاومت نهایی ( ult T( مینامیم. معادله زیر رابطه بین مقاومت درازمدت و کوتاه مدت ژئوگرید را نشان می دهد: در این رابطه 1 T all = T ult FS ID FS CR FS CD FS BD )STS( T all مقامت مجاز یا دراز مدت T ult )LTDS( مقاومت نهایی یا اسمی یا کوتاه مدت FS ID ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات احتمالی در هنگام حمل نصب و اجرا FS CR ضریب کاهش مقاومت به علت خزش FS CD ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات شیمیایی و FS BD ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات بیولوژیکی است. سازه های خاک مسلح باید بتوانند برای مدت طوالنی پایدار بمانند به همین منظور در طراحی سازه های خاک مسلح از مقاومت مجاز ( all T( یا درازمدت ژئوگرید )LTDS( استفاده میگردد. پس از طراحی و تعیین مقاومت مجاز مقاومت مجاز ( all T( یا درازمدت ژئوگرید را در ضرایب کاهشی ضرب نموده تا مقاومت نهایی ( ult T( یا اسمی یا کوتاه مدت ژئوگرید بدست آید. این همان عددی است که بر روی ژئوگریدها به عنوان مقاومت آنها درج شده است. مقادیر دقیق ضرایب کاهشی برای هر ژئوگرید متفاوت است. برای تعیین نوع ژئوگرید مورد نیاز باید ضرایب فوق به طور دقیق تعیین گردند. این ضرایب باید در جداول داده های فنی ژئوگریدهای تولیدی هر شرکت موجود بوده و به متقاضیان ارائه گردند. همچنین برای اطمینان از مقادیر ضرایب ارائه شده توسط تولیدکنندگان مختلف می توان به مراجع معتبر رجوع کرد. 4
ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات احتمالی در هنگام حمل نصب و اجرا ( ID )FS یکی از عواملی که بر روی مقاومت دراز مدت ژئوگرید تاثیرگذار است ضریب صدمات ناشی از حمل و اجراست. در هنگام نصب ژئوگرید ممکن است خساراتی به ژئوگرید وارد شود. نوع خاک و قرار گیری ماشین آالت در مقدار این ضریب موثر میباشد. بنابر این مقدار این ضریب به عوامل اجرایی و کیفیت روند اجرا و نظارت بستگی قابل توجهی دارد ولی به عنوان یک معیار به طور معمول بین 2/0 تا 1/1 میباشد. ضریب کاهش مقاومت به علت خزش ( CR )FS رفتار دراز مدت ژئوگریدها در مقابل نیروهای کششی که از محیط و یا مصالح اطراف به آنها وارد میشود و در بسیاری شرایط دارای مقداری ثابت و یکنواخت است یکی از مهمترین مشخصه های دوام ژئوگریدها به شمار میآید. همانگونه که میدانیم تغییر شکل دراز مدت اجسام در اثر اعمال نیرویی ثابت که در طول زمان رفته رفته شکل میگیرد خزش نامیده میشود. ژئوگریدها به دلیل ساختار ذاتی خود اغلب در مکانهایی نصب میشوند که در معرض نیروها و یا تغییر شکلهای کششی هستند. مقدار و جهت این نیروها در طول زمان چندان دچار تغییر نمیگردد اما مصنوعات پلیمری نظیر ژئوگریدها دچار تغییر شکلهای دراز مدت میگردند. این ضریب به کیفیت مصالح تولیدی وابستگی زیادی دارد. برخی از تولید کنندگان مقدار این ضریب را به نحو قابل مالحظهای کاهش دادهاند لیکن پیشنهاد میگردد در صورت امکان این ضریب مشخصا توسط آزمایش تعیین گردد. به عنوان یک معیار دامنه تغییرات این ضریب را میتوان در محدوده 2/0 تا 4/0 در نظر گرفت. اثرات محیطی: ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات شیمیایی ( CD )FS و ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات بیولوژیکی ( BD )FS پایداری و مقاومت ژئوگرید در مقابل عوامل طبیعی و محیطی یکی از عوامل مهم بر پایداری و دوام سازه های خاکی مسلح شده با ژئوگرید میباشد. عوامل محیطی شامل اثرات دمای محیط اثرات ناشی از اکسیداسیون اثرات ناشی از محلولهای شیمیایی اثرات ناشی از امواج رادیواکتیو اثرات ناشی از نور خورشید و اثرات ناشی از ترک خوردگی در اثر اعمال تنش میباشند. قالبا ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات شیمیایی در محدوده 1/5 تا 0/ و 1 ضریب کاهش مقاومت به علت صدمات بیولوژیکی در محدوده 1/3 تا 1/0 در نظر گرفته میشود. با ایجاد پوشش مناسب و جلوگیری از تابش مستقیم نور آفتاب کنترل PH محیط و کنترل سایر مواد خورنده میتواند تا حدود زیادی این ضرایب را کاهش داد. معتبرترین مرجع موجود در جهت تعیین مقاومت بلند مدت ژئوگرید مؤسسه BBA انگلستان Agrament( )British Board of میباشد. ضرایب کاهندهی مربوط به محصوالت مختلف و انواع ژئوگریدهای مختلف ازطریق وب سایت رسمی این موسسه به آدرس ww.bbacerts.co.uk قابل مشاهده میباشد. تعیین فاصله قائم هر الیه ژئوتکستایل با توجه به نیروی وارد به آن نیروی وارد بر هر الیه ژئوتکستایل را میتوان با استفاده از نرمافزارهایی که برای این منظور ساخته شدهاند استفاده کرد. همینطور از مبانی روش کولمب نیز میتوان به عنوان یک روش ساده خصوصا در دیوارهای ساده با ارتفاع کم استفاده کرد. اگرچه معموال این فاصله ثابت نگه داشته میشود و در مقابل در صورت لزوم از ژئوتکستایلهای با مقاومت مختلف در طول ارتفاع دیوار استفاده میگردد. T all s z = K ar (σ z + q s ) FS sp 5
در این رابطه عموما ضریب اطمینان بین 1/3 تا 1/5 در نظر گرفته میشود. با محاسبه فشار قائم در هر عمق با توجه به سربار ( s q( و فشار قائم موثر خاک H( )σ z = γ حداقل فاصله میتوان هر الیه بین ژئوتکستایل با توجه به حداکثر فشار که در عمق حداکثر ایجاد میشود ژئوتکستایل )σ z = γ H 0 ( را محاسبه کرد. مقاومترین الیه معموال تعیین میشود و در ادامه و در عمقهای کمتر از ژئوتکستایل با مقاومت کمتر استفاده میشود. غالبا فاصله قائم بین الیههای ژئوتکستایل با توجه به پوشش گلدانی مورد استفاده انتخاب میگردد. در بسیار موارد با توجه به ارتفاع هر گلدانی برابر 20 سانتیمتر این فاصله برابر 60 سانتیمتر انتخاب میشود. رفتار لرزهای خاک مسلح بر اساس آزمایشهای میز لرزان مشاهده نمونههای واقعی پس از زلزله و تحلیل های عددی اجزای محدود مشخص شده است که سازه های خاک مسلح عموما به دلیل انعطاف پذیری خوب زلزلههای شدید را بدون خرابی تحمل میکنند. توزیع عناصر مسلح کننده درجرم سازه باعث توزیع و استهالک انرژی لرزه ای میشود در نتیجه احتمال نیروی متمرکز و به دنبال آن خرابی کاهش مییابد. تاثیر زلزله روی پایداری کلی سازه خاک مسلح را میتوان بر اساس فرضیات حاکم بر سایر سیستمهای حایل وزنی انعطاف پذیر تخمین زد. در مورد پایداری داخلی زلزله منجر به افزایش نیروهای دینامیکی در عناصر مسلح کننده می شود توزیع نیروها در حالت دینامیکی متفاوت از توزیع آن در حالت استاتیکی است. تاثیر زلزله های با شدت کم بر روی موقعیت خط کشش حداکثر ناچیز است اما در زلزله های شدید این خط از وجه خارجی دیوار دور میشود به طوری که در باالی دیوار فاصله آن از وجه خارجی دیوار )D( به مقدار زیر میرسد )شکل )3( (. D = (0.3 + 0.5 a g ) H تاثیر زلزله بر روی نیروهای کششی در المانهای مسلح کننده برای مطالعه بیشتر در مورد اصول و مبانی خاک مسلح و ویژگیهای سیستم طراحی آنها به منابع زیر مراجعه نمایید. 1- Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes - Volume I -2009 - Publication No.FHWA-NHI-10-024. 2- Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes - Volume II -2009 - Publication No.FHWA-NHI-10-025. 3- Designing with Geosynthetics, Robert M. Koerner, 5 th Edition, 2005. 4- Foundation and Earth Retaining Stracture, Muni Budhu, John Wley and Sons, 2007. 5- Foundation Analysis and Design, Joseph E. Bowles, McGraw-Hill, 5 th Edition, 1982. -6 راهنمای طراحی دیوارهای حائل- نشریه شماره 308 سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور 6