بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه یکی از مهمترین مسائل در ساخت و سازهای شهری، توجه به محافظت و ایمنی دیوارهی گودها و ساختمانهای موجود در مجاورت گودبرداریها میباشد. اگر تمهیدات لازم جهت حفاظت جانبی گودها در ساختمانهای در حال احداث در نظر گرفته نشود، منجر به خطرات جبران ناپذیری نظیر کاهش ظرفیت باربری، نشستهای زیاد و تغییر مکانهای جانبی خواهد شد.
جهت جلوگیری از این مشکلات لازم است که قبل از شروع حفاری با استفاده از سیستم نگهدارنده جانبی، محیطی امن و پایدار جهت حفاظت از دیواره گود ایجاد نمود. روشهای بسیاری برای پایدارسازی گودها وجود دارد که از آن جمله میتوان به روش میخکوبی اشاره کرد. این روش دارای مزیتهای نسبی قابل توجهی از جمله سرعت اجرا، هزینه قابل قبول، انطباق سریع و آسان با شرایط سایتهای مختلف و عدم نیاز به ماشین آلات سنگین میباشد.
در این تحقیق پس از شرح روش میخکوبی به بیان پارامترهای تأثیرگذار بر این سیستم در حالت استاتیکی و شبه استاتیکی تحت تأثیر سربار مجاور گود پرداخته، سپس در نرمافزار Plaxis2Dمدلسازی شده و میزان تأثیر سربار بر روی سیستم میخکوبی در حالات قرارگیری متفاوت سربار و همچنین وزن مختلف سربار بیان شده است.
1. مقدمه
رشد روز افزون جمعیت و کمبود فضاهای شهری مناسب جهت احداث سازهها و همچنین تمایل به احداث ساختمانهای بلند مرتبه و تأمین فضاهایی نظیر پارکینگ، انباری و غیره تمایل به انجام گودبرداریها را به دنبال داشته است. از طرفی عدم رعایت اصول حاکم بر گودبرداریها با بروز ناپایداریهایی در توده خاک، ریزش دیوارههای گودبرداری، تحمیل خسارتهایی به سازههای مجاور گود و افراد داخل و خارج گود همراه بوده است.
از مهمترین اصول لازم در گودبرداریها، طراحی سیستم سازه نگهبان مناسب و کنترل مقادیر جابجاییهای دیواره گودبرداری میباشد. امروزه روشهای متفاوتی در اجرای گودبرداریهای عمیق و نیمه عمیق مرسوم میباشد، یکی از مناسبترین این روشها سیستم میخ کوبی - نیلینگ - است. طراحی ایمن و دیوارهای میخکوبی شده، تحت بارهای جانبی - رانش خاک و زلزله - به ویژه در مناطق شهری از اهمیت ویژهای برخوردار است.
با افزایش عمق گودبرداری، خطرات ناپایداری و گسیختگی جدارههای گودبرداری، هزینههای پایدارسازی گود، تأمین ایمنی و مدت اجرا به شدت افزایش پیدا میکند، در این صورت بعضی از روشهای پایدارسازی کارآیی خود را از دست میدهند. با توجه به قانون مدنی و مقررات ملی ساختمان، گودبرداری عمیق در صورتی مجاز میباشد که ایمنی مجاورین را به خطر نیندازد.
روش مناسب گودبرداری و پایدارسازی، با توجه به شرایط و جنس خاک، سطح آب زیرزمینی، عمق و ابعاد گودبرداری، موقعیت و شرایط مجاورین، جابهجایی مجاز دیواره گود، دائمی یا موقت بودن سیستم پایدارسازی، لرزه خیزی منطقه، هزینههای پایدارسازی، موقعیت و نحوه قرارگیری محل گود، الزامات قانونی ساختگاه، اصل تأمین ایمنی کامل مجاورین و بخصوص انسانها، و مشکلات و محدودیتهای اجرایی انتخاب میگردد. از جمله روشهای دیگر پایدارسازی دیواره گود - ترانشه - ، میتوان به روشهای دیافراگمی، مهار متقابل، شمع، سپری و خرپا اشاره کرد. مفاهیم طراحی یک سازه نگهبان میخکوبی شده بر اساس انتقال نیروی کششی تولید شده در مسلح کننده میباشد.
مکانیزم انتقال بار بین میخها و خاک، به پارامترهای بسیاری نظیر روش نصب، روش تزریق و حفاری، فشار تزریق، اندازه و شکل مسلح کننده و مشخصات هندسی خاک محل بستگی دارد. در بسیاری از پروژههای عمرانی در مناطق شهری لازم است که خاکبرداری گود بصورتی اجرا شود که دیوارهها، قائم یا نزدیک به قائم باشند. فشار جانبی وارد بر این دیوارها ناشی از رانش خاک بر اثر وزن توده و نیز بارهای احتمالی موجود در کنار ترانشه یا گود میباشد. این بارها میتوانند شامل خاک بالاتر از تراز افقی در لبه گود، ساختمانهای مجاور، بارهای ناشی از عملیات اجرایی و بهرهبرداری از معابر مجاور و غیره باشند.
به منظور جلوگیری از ریزش دیوار و تبعات منفی احتمالی ناشی از خاکبرداری، سازههای موقت و یا دائمی را برای مهار و پایدارسازی ترانشه یا گود اجرا میکنند که به آن سازههای نگهبان میگویند. از جمله اهداف اصلی ایمنسازی دیوارهای ترانشه یا گود با استفاده از سازههای نگهبان، میتوان به جلوگیری از نشست، تغییرمکانهای جانبی مخرب، حفظ جان انسانهای خارج و داخل گود، حفظ اموال خارج و داخل ترانشه یا گود و نیز فراهم آوردن شرایط امن و مطمئن برای اجرای کار، اشاره نمود.
علاوه بر موارد مذکور به لحاظ اهمیت و مشکلات اجرایی و هزینه پایدارسازی دیواره گود، روشهایی برای پایدارسازی بهکار گرفته میشوند که ضمن برآورده شدن تمام مباحث فنی، اجرا و ایمنی، از نظر اقتصادی مقرون بهصرفهتر باشند. با توجه به موارد مذکور، اهمیت بالای سیستمهای سازه نگهبان و لزوم بررسی و انجام مطالعات پیرامون آنها بیش از پیش مشخص میگردد.
یکی از اولین کاربردهای میخکوبی خاک در سال 1972 در فرانسه برای پروژه تعریض راهآهن بود که ترانشهای با ارتفاع 18 متر در ماسه بهوسیله میخکوبی پایدار گردید. بهخاطر سرعت این روش و اقتصادی بودن آن نسبت به سایر روشهای رایج نگهداری خاک، استفاده از این روش در فرانسه و سایر نقاط اروپا افزایش یافت. در آلمان اولین استفاده از دیوار میخکوبی شده در سال 1975 اتفاق افتاد و اولین برنامه تحقیقاتی مهم روی دیوارهای میخکوبی شده در آلمان در خلال سالهای 1975 تا 1981 توسط دانشگاه کارسلوهه و شرکت ساختمانی بایور صورت گرفت که شامل آزمایشات بزرگ مقیاس از دیوارهای آزمایشی و توسعه روشهای تحلیلی برای استفاده در طراحی بود.
در فرانسه نیز برنامه تحقیقاتی کلوتر در سال 1986 صورت گرفت که شامل آزمایشات بزرگ مقیاس و بازبینی دیوار در دوره بهرهبرداری و مدلسازی عددی بود [1] در آمریکای شمالی - واشینگتن، مکزیکوسیتی و ونکوور - در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه 1970 از میخکوبی خاک برای نگهداری موقت گودبرداریها استفاده شد.
یکی از اولین کاربردهای میخکوبی خاک در ایالات-متحده در سال 1976 و برای گودبرداری عمیق 13/7 - متری - ، به منظور توسعه یک بیمارستان بود که از آن به بعد استفاده از این روش به خاطر محاسن فنی و همچنین بهینه بودن از نظر اقتصادی، رو به افزایش گذاشت. بسیاری از دیوارهای ساختهشده در ایالاتمتحده هنوز بهعنوان سازههای حائل موقت استفاده می-شوند ولی استفاده از دیوارهای میخکوبی شده بهعنوان سازههای دائمی، در پنج سال اخیر افزایش یافته است. الیاس در سال 2000 اطلاعاتی در مورد فرمولها و پارامترهای مختلف در خاک مدل سخت شونده انجام دادند بیان کردند که مقاومت میخها در برابر برش و خمش حدود % 20 و در برابر کشش % 80 میباشد
سیواکومار در سال 2002 در شبیهسازی عددی از روش موهر- کلمب که از اولین روشهای مدل خاک بود استفاده کردند، همچنین مدل اصلاح شده موهر کلمب که رفتار کرنش نرم در آن بیان شده است را اعلام کرد.[3] لیو و کو در سال 2006 به ساختار خود خاک توجه زیادی کردند و روشهای عددی شبیهسازی را مورد استفاده قرار دادند.
همچنین مدل خاک سخت شونده را برای مدلسازی عددی در دیوارهای میخ کوبی شده ارائه دادند.[4] عاملسخی و کاوه آهنگری در سال [5] 2014 مدلسازی عددی دیوارهای میخکوبی شده را تحت زلزلههای حوزه دور و نزدیک توسط نرمافزار Plaxis مورد مطالعه قرار دادند. در این مطالعه به بررسی زاویه بهینه قرارگیری میخها تحت شرایط مختلف هندسی و ژئوتکنیکی پرداختند ونهایتاً زوایای 10 و 15 درجه به عنوان زوایای بهینه مشخص شدند.
2. نحوه مدلسازی
در این تحقیق مدلسازی با استفاده از نرمافزار Plaxis2D که یکی از نرمافزارهای المان محدود پیشرفته برای تحلیل تغییرشکل و پایداری در پروژههای مهندسی ژئوتکنیک میباشد در طی چند مرحله به صورت استاتیکی و شبهاستاتیکی انجام شده است. در این مدلها از یک نمونه خاک با مشخصات مقدار چسبندگی 50 - C - کیلو پاسکال و مقدار زاویه اصطکاک داخلی 28 - - درجه و گودی با عمق 8 متر در نظر گرفته و همچنین در بخش تحلیلهای شبهاستاتیکی مقادیر ضریب شبهاستاتیکی افقی 0/15، 0/25 و 0/35 به نمونهها اعمال گردیده است.
مدلها توسط نرمافزار Plaxis به ابعاد 60×100 مترمربع در نظر گرفته شده میشود. زوایای میخها در خاک نسبت به افق 10 درجه میباشد. سربارها 40، 80، 120 کیلو نیوتن بر متر مربع میباشد که معادل ساختمانهای 4و 8و 12 طبقه میباشند. در این تحقیق برای مدلسازی گود مورد نظر از مدل رفتاری موهر- کلمب استفاده شده است، این مدل یک تقریب مرتبه اول از رفتار سنگ یا خاک را نشان میدهد. برای شبیهسازی مدل خاکی از مدل موهر کلمب استفاده گردیده است. در این تحقیق المانهای سازهای با مدل رفتاری الاستوپلاستیک برای مدل نمودن میلگردهای داخل خاک استفاده شدهاند.
میخها از نوع آرماتور AIII با تنش تسلیم 400 مگا پاسکال میباشند ، قطر سوراخ حفاری نیز 10 سانتیمتر بوده و مقاومت فشاری شکل :1 ابعاد گود میخکوبی شده 60*100 متر با عمق گود 8 متر دوغاب آن برابر 210 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع میباشد و همچنین شاتکریت با مقاومت فشاری 210 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع و دارای ضخامت 10 سانتیمتر میباشد.
پارامترهای مختلفی بر روی ضریب اطمینان در روش میخکوبی تحت سربار موثر میباشند که میتوان از تأثیر فاصله سربار از لب گود - که این سربار یک بار در لب گود قرار گرفته و در حالت دوم در فاصله 5 متری از لب گود واقع شده - ، تأثیر عمق گود در حالاتی که سربار در عمق مشخصی از توده خاک قرار گرفته باشد - حالاتی که طبقات زیرزمین وجود داشته باشد - که در این بخش تمام نتایج تحلیلهای عددی صورت گرفته در حالت استاتیکی و شبهاستاتیکی به صورت شکل آورده شده است. لازم به ذکر است تمامی گودبرداریها در حالت قائم مورد بررسی قرار گرفتهاند و مدل رفتاری خاک موهر - کلمب در نظر گرفته شده است.
.3 تحلیل استاتیکی و شبه استاتیکی
در روشهای تحلیل استاتیکی شیروانیهای خاکی در شرایطی که تنشهای برشی ایجاد شده بر روی بعضی صفحات بزرگتر و یا مساوی با مقاومت برشی بالقوه بر روی آن صفحات شوند، شیروانیها دچار ناپایداری خواهند شد. متداولترین روشهای مورد استفاده در حال حاضر جهت پایداری استاتیکی شیروانیها، تحلیل حدی و تحلیل تنش- تغییر شکل میباشد.
در تحلیل تعادل حدی، تعادل نیروها با گشتاور تودهای از خاک روی یک سطح گسیختگی بالقوه مورد بررسی قرار میگیرد و در نتیجه ضریب اطمینان بر روی تمام نقاط سطح شکست ثابت خواهد بود. در این قسمت، به بررسی پارامترهای موثر از جمله، تأثیر وزن سربار، فاصله سربار از لب گود و تأثیر عمق قرارگیری سربار پرداخته و سپس نتایج آنها در قالب شکلهایی ارائه شده است. تحلیلهای شبهاستاتیکی در معمولترین شکل خود اثرات ارتعاشات زلزله را به وسیله شتابهای شبهاستاتیکی که نیروی اینرسی - Fh - موثر بر روی مرکز توده لغزش ایجاد مینماید منظور میکنند، مقدار نیروی شبهاستاتیکی به قرار زیر است:
که در این رابطه:
= ah شتاب شبهاستاتیکی افقی، = W وزن بالای سطح لغزش، = g شتاب زمین و = Kh مقدار ضریب زلزله شبهاستاتیکی در جهت افقی
از روش تحلیل شبهاستاتیکی میتوان جهت بررسی ضریب اطمینان برای سطوح لغزش خطی، دایرهای و غیر دایرهای استفاده کرد. در واقع تشابه آن با تحلیلهای تعادل حدی استاتیکی که بهطور معمول توسط مهندسین ژئوتکنیک مورد استفاده قرار میگیرد، موجب میگردد که درک و انجام محاسبات آن ساده باشد. به هر حال همواره این موضوع را باید مد نظر قرار داد که دقت روش شبهاستاتیکی تحتالشعاع دقتی خواهد بود که با آن نیروهای اینرسی شبهاستاتیکی معرفی و جایگزین نیروهای اینرسی پیچیده و واقعی موجود در یک زلزله تعیین میگردند. در نتیجه برای داشتن نتایج نزدیک به واقعیت نحوه انتخاب ضریب زلزله شبهاستاتیکی با توجه به این که مهمترین پارامتر در این روش است از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.
در حالت کلی افزایش طول میخ میتواند بر روی ضریب اطمینان تأثیرگذار باشد اما برای طول بهکار برده شده در گود قوانینی در - FHWA - وجود دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
· اجتناب از بهرهگیری میخهای کوتاه در قسمت بالایی دیوار
· میخهای قرار گرفته در قسمت پایین دیوار نباید کوچکتر از 0/5 H باشند.
· اگر دیوار بسیار بلند باشد - بیش از 10 متر - بهتر است، طول میخها بیشتر از 0/ 7H باشد.
· از الگوهای غیر یکپارچه طول میخها ممکن است زمانی استفاده شود که لایههای خاکی با شرایط بسیار غیر مشابه وجود داشته باشند.
.1.3 تأثیر طول میخ و تعداد طبقات زیرزمین در ضریب اطمینان برای حالت استاتیکی
در ساختمانهای 8 طبقه در لب گود که بر روی تراز صفر زمین، دو طبقه و چهار طبقه زیرزمین قرار گرفتهاند تحلیل گوهی گسیختگی انجام شد و حداقل طول برای میلگرد چه از لحاظ اجرایی و چه از لحاظ محاسباتی در حدود 8 متر بوده که جهت بررسیهای بیشتر، از میلگردهایی با طول 10 و 12 متر استفاده شده است. در شکل 2 مشاهده میشود با افزایش طول میخ از 8 متر به 10 و 12 متر ضریب اطمینان افزایش یافته و با افزایش عمق گود از تراز صفر زمین تا 4 طبقه زیرزمین ضریب اطمینان کاهش پیدا میکند و همچنین برای سربار با 4 طبقه زیرزمین به دلیل کاهش تأثیر طول میخ در مهار گوه گسیختگی مقادیر ضرایب اطمینان به یکدیگر نزدیک شدهاند.
شکل : 1 تأثیر عمق قرارگیری سربار در ضریب اطمینان برای ساختمان 8 طبقه
