بخشی از مقاله
چکیده:
دیوار هاي حایل سازه هایی مقاوم در برابر بارهاي عمود بر میان صفحه خود هستند که در بسیاري از پروژه هاي راهسازي و ساختمانی و در قسمت هاي مختلف هر پروژه مورد استفاده قرار می گیرند. حتی در مواردي موضوع اصلی پروژه تنها احداث دیوار حایل می باشد. مصالح و موادي که این فشار ها را به دیوار اعمال می کنند دامنه کسترده اي را شامل مشوند.یکی از این مصالح که در این مقاله به بررسی تاثیرش بر عملکرد سازه اي دیوار حایل دارد پرداخته می شود، خاك است که چه در پروژه هاي راهسازي و چه ساختمانی کابرد فراوان دارد. کلیه تحلیل هاي انجام گرفته بروي سازه دیوار حایل در این مقاله دستی می باشد و از هیچ نرم افزار کامپیوتري بهره نبرده ایم.
کلمات کلیدي: دیوار حائل، فشار جانبی خاك، زیر فشار (uplift) ، میزگرد حرارتی، پاشنه، بدنه، پنجه
1
مقدمه:
دیوار هاي حایل را می توان به عنوان یکی از پرکاربردترین سازه هاي موجود در طرح ها و پروژه هاي راه و ساختمان نام برد. این سازه مهندسی در بسیاري از پروژه هاي عمرانی چه به صورت دائم و چه موقت اجرا و مورد بهره برداري قرار می گیرد که از جمله می توان به احداث دیوار هاي حایل براي خاکریز ها، دیوار زیرزمین، دیوار ساحلی، سازه هاي نگهبان و... اشاره نمود. دیوار هاي حایل نیز مانند سایر سازهاي مهندسی ممکن است از مصالح گوناگون ساخته شده باشد که این مصالح با توجه به کاربرد دیوار، شرایط محیطی، مقتضیات مالی، طول عمر مفید طرح و .... تعیین می گردد.
یکی از مصالح مورد استفاده در این دیوارها بتن می باشد که چه به صورت مسلح و یا غیر مسلح کابرد دارد. دیوار هاي حایل بتنی غیر مسلح داراي ابعادي به مراتب بزرگتر از نوع مسلح آن می باشد که بسته به محدودیت هاي معماري و فضایی مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به مطالب ذکر شده که بیانگر محدوده وسیع کاربرد دیوارهاي حایل بتنی در پروژه هاي عمرانی می باشد، در این مقاله سعی بر این داشتیم تا با معرفی این دیوار به عنوان سازه اي پرکاربرد در مهندسی عمران و معرفی انواع رایج و مرسوم آن، نکاتی در مورد طراحی آن را مورد بحث قرار دهیم و در انتها با حل یک مثال سعی در تفهیم بیشتر مطلب نموده ایم.
-1 تعریف دیوار حایل:
دیوار هاي سازه اي به دو دسته کلی بار بر و غیر باربر تقسیم می شوند. طبق تعریف دیوار هاي غیر باربر دیوارهایی هستند که علاوه بر وزن دیوار نیروي قابل ملاحظه دیگري را در میان صفحه خود تحمل نمی کنند.
دیوارهاي حائل ابنیه اي هستند که براي جلو گیري از ریزش جانبی خاك و یا دیگر مصالح دانه اي بنا می شوند . این نوع ابنیه در اکثر پرو ژه هاي ساختمانی از قبیل راهسازي ، پل سازي ، محوطه سازي ، و به طور کلی هر جا نیاز به تکیه گاه جانبی براي جدار قائم خاکبرداري باشد ، مورد استفاده قرار می گیرند. این دیوار ها با توجه به تعریف فوق در رده دیوارهاي غیر باربر قرار می گیرند.
-2 انواع دیوار حایل:
دیوارهاي حایل در دو طبقه بندي کلی به شرح ذیل تقسیم می شوند: -1-2طبقه بندي به لحاظ شکل پذیري:
-1-1-2 دیوار حائل صلب
-2-1-2 دیوار حائل انعطاف پذیر تفاوت این دونوع دیوار در نحوه هماهنگی دیوار با محیط اطراف می باشد . که دیوارهاي انعطاف پذیر خود را با
نشست هاي محیط میزبان هماهنگ می کنند .
2
-2-2طبقه بندي به لحاظ سیستم باربري:
-1-2-2 دیوار حائل وزنی : ا ین دیوار ا ز بتن معمولی یا ا ز مصالح بنایی ساخته می شود و پایداري آن در برابرواژگونی و لغزش توسط وزن آ ن تامین می گردد . این نوع دیوار معمولا تا ارتفاع 4 ــ 5 متر اقتصادي می باشد
.(شکل-(1
شکل-1
این دیوارها معمولاً از مصالح سنگی، آجرییا بتون غیر مسلح است و حفظ نیروي ناشی از وزن دیوار، در مقابل وازگونی و لغزش مقاومت می کند. که تا ارتفاع 12-10 متر هم ساخته می شود.
از معایب این دیوار در ارتفاع بلند عبارت از:
-1 غیر اقتصادي
-2 فضاي زیادي را اشغال می کند
-3 به دلیل حجم زیاد، سرعت اجرا را کاهش می دهد
-4 شیب ؟ / ؟ دیوار تقریبا و ضخامت بالاي دیوار و ضخامت پاشنهِ:D در حد تا
و طول پایه در حدود 7,0,5,0 H است.
-2-2-2 دیوار حایل نیمه وزنی : این دیوار تقریبا وضعیتی ما بین دیوار وزنی و طره اي دارد و به منظور کاهش ابعاد
و مصالح دیوار مقدار اندکی فولاد در آن بکار برده می شود.
3
شکل-2
-3-2-2 دیوار حائل طره اي (بتن مسلح یا کانیتیلور): این دیوار از نوع دیوار بتن مسلح می باشد که پایداري آن توسط عملکرد طره اي تامین می گردد . بخشی از پایداري این دیوار نیز از وزن خاك موجود بر روي پاشنه دیوار تامین می گردد . این دیوارها تا ارتفاع 7 متر اقتصادي می باشند. (شکل-(3
شکل-3
-4-2-2 دیوار حائل پشت بند دار : این دیوار شبیه دیوار طره اي است با این تفاوت که در فواصل منظم داراي پشت بند ها یی عمود بر تیغه دیوار می باشد . این پشت بند ها پایه و بدنه دیوار را به هم متصل می نمایند و در مواردي که دیوار طویل و یا ارتفاع آن زیاد است مورد استفاده قرار می گیرند . پشت بند ها باعث کاهش لنگر خمشی و برش در دیوار می گردد . در صورتی که تیغه هاي تقویتی در جلو دیوار اجرا شوند به آن دیوار پایه دار گویند. (شکل-(4
4
شکل-4
پشت بند در دوار حایل می تواند:
-1 در سمت خاکریز (داخل خاکریز) اجرا شود.
-2 در سمت آزاد دیوار اجرا شود.
در حالت 1 پشت بند یا سخت کننده به صورت کششی عمل می کند.
در حالت 2 پشت بند یا سخت کننده بصورت فشاري عمل می کند
-5-2-2 دیوار حائل صندوقه اي : این دیوار از قطعات بتن پیش ساخته ، فلز یا چوب ساخته می شوند و توسط مهارهائی که در خاك کوبیده می شوند تقویت می گرد ند
-6-2-2 دیوار پایه پل ها : این دیوار ها اغلب دیوارهاي حائلی هستند که همرا با دیوار هاي جناحی خاکریز دسترسی را نگهداري نموده و حفاظت لازم در برابر فرسایش و تخریب پایه پل را فراهم می آورند. این دیوارها از دو جنبه ا ساسی از دیگر دیوار هاي حائل متمایز می گردند:
الف ) عکس العملهاي انتهائی دهانه پل را حمل می نما یند ب ) چون در بالا مهار می شوند لذا بعید است که فشار محرك در خاك پشت آنها بسط یابد
-3اجزاي دیوار حایل:
مطابق شکل-5اجزاي دیوار حایل به شرح ذیل می باشند:
الف)بدنه اصلی: قسمت اصلی دیوار که در تماس مستقیم با خاکریز قرار گرفته است.
ب)پنجه:تکیه گاه دیوار در قمست ازاد دیوار(که لنگر واژگونی حول نقطه A واقع در این قسمت دیوار محاسبه می
گردد)
5
ج)پاشنه: تکیه گاه دیوار در قمست داخلی(سمت خاکریز)
شکل-5
-4 زهکشی:
-1-4 اهمیت زهکشی در دیوارهاي حایل :
به دلیل بارشهاي جوي و یا جریان آبهاي سطحی و یا نوسان سطح آب رودخانه در سیلاب مصالح خاکریز پشت دیوار ممکن است اشباع شود ك باعث افزایش فشار محرك وارد بر دیوار می شود که براي کاهش فشار وارد بر دیوار از لوله هاي زهکش ( سوراخ زهکش) به صورت عمود بر ساقه در جهت ارتفاعی و یا در طول دیوار اجرا می شود.
(شکل-(6
6
براي جلوگیزي از فرسایش خاك پشت خاکریز و مسدود نمودن سوراخ زهکش لازم است در اطراف لوله ( سوراخ
) از مصالح فیلتر استفاده می شود.
-5 بارهاي وارده بر دیوارهاي حائل :
الف) بار مرده: ناشی از وزن دیوار ب)وزن خاك: ناشی از ستون خاك قرار گرفته روي پاشنه و پنجه
ج)فشار جانبی خاك:به دلیل خاکریز پشت دیوار
د) فشار برخاست :( UPLIFT) بر اثر فار آب حفره اي در خاك
ه) فشار جانبی ناشی از سربار: که به دلیل وجود سربار خارجی در شمت خاکریز حادث خواهد شد.
-6 نیروهاي اعمالی به دیوار حایل:
با توجه به مطالب ارائه شده در بند 5 نیروهایی به شرح ذیل بر دیوار حائل وارد می گردد. -1-6 فشار جانبی خاك در سمت خاکریز(:(Fs
هر دو روش رانکین و کولمب بطور وسیعی در محاسبه فشار جانبی وارد بر دیوا رهاي حائل مورد استفاده قرار می گیرند . غالبا روش رانکین بکار برده می شود زیرا معادلات رانکین ساده بوده و قد ري محتاطانه ترازمعادلات کولمب می باشند یعنی فشار جانبی بزرگتري بدست می دهند. معمولا براي طراحی دیوار هاي با ارتفاع کمتر از 7 متر از فشار محرك رانکین استفاده می شود .براي دیوارهاي با ارتفاع بیش از 7 متر اقتصادي تر است که از روش کولمب استفاده شود .با توجه بو توزیع مثلثی تنش در ارتفاع دیوار نقطه اثر نیروي معادل آن در محل مرکز سطح مثلث می
باشد.
-2-6فشار جانبی در سمت ازاد دیوار(:(Ft
این فشار در صورت وجود خاکریز در سمت دیگر دیوار مانند روش بند 2-6 محاسبه می گردد و در محل مرکز مثلث
فشار اعمال می گردد. -3-6نیروي اصطکاك(:(Ff
که بر اثر وجود اصطکاك بین سطح زیرین پی دیوار و خاك به وجود می آید(با توجه به ضریب اصطکاك بین این دو
سطح)
-4-6زیر فشار(:(Uplift
که بر اثر وجود فشار آب حفره اي در زیر پی دیوار حادث خواهد شد. این فشار بالابرنده بر اثر وجود جریان نشت آب، زلزله(که در خاکهاي ریز دانه سبب افزایش ناگهانی فشار آب حفره اي می گردد)و... حادث می گردد. براي محاسبه فشار آب در هر نقطه از زیر پی می بایست تراز پیزومتري آب را در آن نقطه محاسبه نمود.چنانچه جریان نشت آب در زیر پی وجود داشته باشد براي محاسبه ارتفاع پیزومتري و در نتیجه فشار آب حفره اي هر نقطه، می توان با تقریبی مناسب از شبکه جریان بهره برد. براي روشن شدن این مطلب با توجه به شکل-7 میتوان به طریق زیر عمل نمود.
7
Aنقطه
Bنقطه
∆H= 24 m
(21‐(3*1))+6= 24 m = 7 تعداد کانال افت پتانسیل
(21‐(3*6))+6= 19 m
=3mمیزان افت هر کانال
(19+24)/2=21.5 m
میانگین دو نقطه
21.5*9.81=210.915 kn/m2
کلیه نیروهاي فوق الذکر در شکل-8 نمایش داده شده اند. 210.915*42=8858.5 kn
-5-6 نیروي فشار روي پاشنه و پنجه:
این فشار ها بر اثر ستونهاي خاك موجود بر روي پاشنه(در سمت حاکریز) و پنجه (در سمت آزاد دیوار) و با توجه به وزن مخصوص خاك موجود در ستون هاي مذکور قابل محاسبه می باشد.
-7کنترل پایداري دیوار:
دیوار هاي حایل با توجه به اینکه تحت اثر بارهاي مختلف در موقعیت هاي گوناگون قرار دارند می بایست براي موارد زیر کنترل پایداري آن ها بررسی و تائید گردد:
-1-7کنترل پایداري در برابر واژگونی حول پنجه دیوار:
بر اثر فشار جانبی خاك در سمت خاکریز دیوار(نیروي Fs در شکل-(8 لنگري حول نقطه )Aدر شکل-(5 به وجود می آید(.(M نیروي وزن دیوار که بر مرکز ثقلش اثر می کند لنگري در جهت خلاف لنگر M به وجود می آورد که
8
می بایست با توجه به ابعاد دیوارو نیروي وزن دیوار((Wبا ضریب اطمینانی مناسب لنگر M را خنثی نماید. علاوه بر نیروي وزن فشار جانبی خاك در سمت آزاد دیوار(مراجعه شود به شکل-(8 نیز لنگر مقاوم دیگري را براي مقابله باM
به وجود می آورد.
-2-7کنترل پایداري در لغزش در امتداد پایه:
نیروي Fs علاوه بر لنگر واژگونی سبب لغزش دیوار نیز می گردد. از طرفی نیروي وزن W و ضریب اصطکاك µ نیز نیروي مقاوم Ft را در برابر این این لغزش به و جود می آورند.
رابطه-1 Ft= µ×W
-3-7کنترل ظرفیت باربري پایه:
در محل تلاقی دیوار و پی می بایست خورد شدگی بتن پی طبق اصول طراحی پی ها مورد بررسی قرار گیرد. -4-7کنترل نشستها:
بر اساس جنس خاك ریز پی دیوار، ایعاد پی، فشار هاي وارده بر خاك و... و طبق اصول مکانیک خاك میزان نشست انی و تحکیم مورد بررسی قرار گیرد.
-5-7کنترل پایداري عمومی دیوار ( گسیختگی برشی ) -8 طراحی دیوار حایل:
-1-8 مراحل طراحی:
که به شرح ذیل می باشند: -1-1-8انتخاب نوع و ابعاد دیوار :
اینکار بر اساس ارتفاع و طول خاکریز ، مصالح در دسترس ، و ملا حظات اقتصادي صورت می گیرد .
-1-1-1-8ابعاد پیش فرض براي انواع دیوار هاي حائل:
براي طراحی دیوار حائل می بایست ابعاد اولیه اي در نظر گرفته شود. با انجام کنترل هاي پایداري ، این ابعاد آنقدر تغییرمی یابند تا ضرا ئب ایمنی لازم فراهم گردد .عمق شالوده دیوار حد اقل 0,6 متر و ابعاد پایه می بایست به اندازه اي باشد که برآیند نیرو هاي قائم در محدوده میانی شالوده قرار گیرد . براي دیوار هاي پشت بند دار نیز ابعاد عمومی دیوار و پایه ، به استثناي ضخامتها ، مشابه دیوار حائل طره اي است . حد اقل ضخامت تیغه پشت بند 0,2
متر و فواصل تیغه ها بین H 0 .3تا H 0 .6برمی گزینیم.
-2-1-8تعیین بارهاي وارد بر دیوار :
اینکار بر اساس روش ها و نظریه ها ي ارائه شده در بخشهاي قبل صورت می گیرد .
-3-1-8کنترل پایداري کلی سازه دیوار حائل :
9
این مرحله شامل کنترل پایداري در برابر وا ژ گونی ، کنترل پایداري در برابر لغزش ، وارسی ظرفیت باربري نشستهاي شالوده دیوار می باشد . گاهی بر حسب شرایط خاك لایه هاي زیرین لازمست وقوع لغزشهاي عمیق بر ا ساس اصول پایداري شیب ها مورد بر رسی قرار گیرد .
-4-1-8طراحی سازه اي اجزا مختلف دیوار در برابر بارهاي وا رده :
تعیین ضخامت اجزا و مقدار میله گرد ها ، تعیین موقعیت زهکش ها ، درزهاي اجرا ئی و ا نبساطی.
-9میلگرد هاي حرارتی در دیوار حایل:
علاوه بر میله گردهاي محاسباتی لازم است میله گردهایی ب منظور کنترل آثار ناشی از حرارت و افت ( جمع
شدگی ) بتن تعبیه شود.
-1-9 میلگرد هاي حرارتی افقی: براساس ACI میلگردهاي افقی می بایست 0/25 درصد سطح مقطع دیوار در
نظر گرفته شود.
Z ضخامت پایین+ ضخامت بالاي دیوار : ضخامت دیوار متوسط
رابطه-2
طول ضخامت
رابطه-3
در سمت جلو و سمت جلو ساقه دیوار ر معرض بیشتر تغییرات دما قرار دارد لذا توصیه می شود در سمت
خاکریز اجرا شود.
-2-9میلگردهاي حرارتی قائم در ساقه دیوار :
به طول کلی با توجه ب انتهاي آزاد دیوارشدت تنش هاي قائم از افقی کمتر است. لذا ACI مقدار میلگرد
حرارتی را 0/15 درصد سطح مقطع بتن در نظر می گیرد . ضخامت موثر براي محاسبه میلگردهاي هر طرف
10
مساوري نصف ضخامت دیوار و در صورت که ضخامت متوسط دیوار بزرگتري از 50 سانتی متر اشد ضخامت موثر براي میلگردهاي ر طرف 25 سانتی متر است.
دیوار ضخامت متوسط حداقل میلگرد در طرف
( معمولاً در سمت آزاد کار گذاشته می شود در سمت مجار خاك میلگردهاي محاسباتی حاکم می شود.
مساوي نصف ضخامت و در صورتیکه ضخامت پی بزرگتري از 50 سانتی متر باشد. حداکثر 25 سانتی متر مدنظر گرفته می شود و درسمت پایین پنجهو پاشنه که در مجاورت خاك می باشد . ضخامت موثر حداکثر 10
سانتی متر است.
طول واحد × ضخامت موثر حداکثر موثر × 25 = سطح مقطع میلگردهاي حرارتی فوقانی در هر متر طول
رابطه-4
طول واحد × ضخامت موثر حداکثر موثر × 10 = سطح مقطع میلگردهاي حرارتی تحتانی در هر متر طول
رابطه-5
شکل-8
11
نمونه مثال حل شده:
هدف طراحی دیوار حایلی جهت مقابله با نیروي نیروي جانبی خاکریزي با مشخصات زیر می باشد. مطلوب است طراحی دیوار مفروض.
خاك از نوع شن و ماسه اي با زاویه اصطکاك داخلی 30 درجه و وزن مخصوص 1920 کیلو گرم بر متر مکعب می باشد.با زهکشی مناسب تمامی آب پشت دیوار تخلیه شده است. بروي پاشنه دیوار نیز مطابق شکل-A به ارتفاع cm
30 خاکی از همان نوع قرار گرفته است.
