بخشی از مقاله
خلاصه :
اندرکنش خاک و میخ در پشت روکش شاتکریت دیوارها از پیچیدگی خاص برخوردار است بطوریکه بسیج تنشهای برشی و جهت آن در طول میخ یکسان نمی باشد . این تنشها از سطح تقاطع منحنی گوه شکست یا لغزش خاک بسمت روکش دیواره بصورت فعال و مثبت و از تقاطع منحنی گوه شکست بسمت انتهای میخ در خلاف جهت یا منفی میباشدکه طول درگیری مفید میخ در خاک را ایجاد کرده و عملا حداکثر نیروی کشش در میخ ها را در محل سطح منحنی گوه گسیختگی ایجاد می گردد .
در این مقاله علیرغم تحقیقات Plumelle et al., - 1990 - و همچنین پیشنهادات Briaud and Lim, - 1997 - و مطالعات Byrne et al., - 1998 - و نمودارهای ارائه شده اولیه و طراحی مقدماتی نرمالیزه شده وتخمین اولیه طول میخ و حداکثر نیروی کشش طرح با استفاده از نرم افزار SNAIL ، بصورتی دقیقتر با استفاده از تعادل حدی خاک به بررسی و تحلیل فشار و رانش حدی فعال خاک و ظرفیت بیرون کشیدگی میخها در خاکهای مختلف با در نظر گرفتن موقعیت میخ در اعماق متفاوت و با احتساب زاویه شیب اجرای حفاری و تزریق ثقلی دوغاب سیمانی پرداخته شده و نتایج تحلیلها ارائه شده است ضمن آنکه با نتایج تحلیلهای عددی و خروجیهای نرم افزار عددی اجزای محدود PLAXIS نیز مقایسه و صحت سنجی گردیده است .
1. مقدمه
میخ گذاری یا نیلینگ از روشهای کاربردی و متداول و گاهی منحصر بفرد در اجرای سازه نگهبان در گودبرداریهای عمیق می باشد . بکارگیری روشهای میخ گذاری و همچنین مهارسازی یا انکراژ علیرغم مشکلات استفاده از محدوده ی خارج از حریم مالکیت ، در بسیاری از موارد از جمله شیوه های اجرایی مناسب سازه نگهبان در گودبرداریهای عمیق است که امکان استفاده حداکثر از فضای داخل گود را در شرایط اجرایی داخل گود و امکان مانور ماشین آلات را فراهم می آورد .
در میخ گذاریها ابتدا حفاری با قطر اغلب بین 100 الی 150 میلیمتر و در طولهای مناسب و محاسباتی تابع عمق کارگذاری میخ از سطح خاک ، عمق نهایی گود ، نوع و جنس خاک اعم از ریزدانه و یا دانه ای بودن بافت خاک و پارامترهای مکانیکی خاک شامل پارامترهای مقاومت برشی و وزن مخصوص و پارامترهای رفتاری از جمله مدول ارتجاعی و ضریب پواسن و یا سایر پارامترهای رفتاری غیر ارتجاعی ، زاویه شیب حفاری نسبت به افق ، نوع دوغاب تزریقی در چالهای مورب حفاری شده شامل تزریق ثقلی و یا تحت فشار - که اغلب در میخ گذاریها از نوع ثقلی است - ، میزان سربار وارد بر سطح خاک و فواصل افقی و قائم آنها از یکدیگر انجام شده و پس از کارگذاری میخ یا مفتول فولادی مناسب ، تزریق دوغاب سیمانی در اطراف میخ صورت میگیرد .
میخهای فولادی غالبا از نوع فولاد آجدار و مقاوم با حد تسلیم حداقل 400 مگاپاسکال می باشد . بر خلاف مهار یا انکر که بصورت پیش تنیده اجرا شده و پس از تزریق تحت فشار توده انتهایی طول انکر و سخت شدن نسبی آن اقدام به پیش تنیده کردن کابلهای مهار توسط جک میگردد و توده خاک از ابتدا پیش فشرده میگردد ، در میخ یا نیل عملکرد بصورت غیر فعال است و تا تغییر شکل ناحیه گوه لغزش خاک دیواره فعال نگردد عملا وارد عمل نمی گدد و بسیج تنشهای برشی بین توده تزریق و خاک اطراف آن رخ نمی دهد .
در این مقاله عمدتا با توجه به مطالعات و تحقیقات انجام شده تا کنون و مطالعات نویسندگان و روابط مکانیک خاک و تعادل حدی و تحلیلهای عددی بکمک نرم افزار PLAXIS 2D و تحلیل حدی بکمک نرم افزار SNAIL به ظرفیت بیرون کشیدگی - - pull out میخ یا نیل از درون خاک پرداخته شده است . همچنین با ضوابط و معیارهای کد یا استاندارد FHWA ، مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان ایران و سایر پیشنهادات مقایسه گردیده است و روابط پیشنهادی نویسندگان ضمن مقایسه با موارد فوق ارائه گردیده است و روابط حدی کاربردی جهت محاسبه ظرفیت بیرون کشیدگی نتیجه گیری شده است . ظرفیت بیرون کشیدگی میخ از خاک به عوامل متعددی بستگی دارد که به اختصار می توان بشرح ذیل از آنها نام برد :
-1 جنس خاک که بر حسب دانه ای یا درشت دانه بودن خاک و ریز دانه بودن مشخصات و پارامترهای مکانیکی مقاومت برشی خاک شامل خاک و زاویه اتساع خاک در خاکهای ماسه ای و درشت دانه بر حسب ابعاد دانه ها و اغلب در شرایط >30 دارای تاثیر قابل توجه است . در دانه های درشت تر بهنگام بیرون کشیدگی ، دانه ها چرخش یافته و تغییر آرایش آنها به اتساع خاک تبدیل می گردد .
-2 تراکم خاک که علاوه بر تاثیر در زاویه اتساع خاک در خاکهای ماسه ای و درشت دانه ، در وزن مخصوص و پارامترهای مقاومت برشی بخصوص خاکهای دانه ای شامل تاثیر بسزایی دارد .
-3 عمق یا تراز استقرار میخ در خاک جداره بخصوص مقدار عمق در ناحیه ی عملکرد مقاومت پیوستگی و باند بین دوغاب اطراف میخ و خاک اطراف آن .
-4 زاویه شیب حفاری سوراخها توسط مته حفاری و شرایط حفاری و تزریق دوغاب سیمانی در اطراف میخ یا نیل که آیا بصورت تزریق تحت فشار صورت گرفته یا بصورت ثقلی اجرا گردیده است . اغلب در میخها بر خلاف انکر یا مهاری ، اجرای دوغاب در حفاری با زاویه شیب i بصورت ثقلی اجرا می گردد .
-5 قطر گمانه و سوراخ حفاری که اغلب در روشهای متعارف بین 100 الی 150 میلیمتر می باشد . حداقل ضخامت پوشش اطراف میلگرد یا میخ فولادی 25 میلیمتر می باشد .
-6 زبری سطح تماس دوغاب یا گروت سیمانی اطراف میخها در تماس با خاک . شدت تاثیر این مسئله در خاکهای ماسه ای و دانه ای بخاطر عمق نفوذ دوغاب در اطراف سوراخ حفاری بیشتر است .
-7 درجه اشباع خاک بخصوص در ریزدانه ها که تاثیر زیادی در کاهش ظرفیت بیرون کشیدگی میخ و گروت از خاک دارد .
-8 در خاکهای نرم و خمیری با پلاستیسته ی قابل توجه و PI بالا و خاکهای غیر متراکم و پوک و سست و همچنین در خاکهای اشباع و بخصوص ریزدانه ، ظرفیت بیرون کشیدگی میخ از خاک کاهش زیادی دارد و اغلب ظرفیت مربوطه ناچیز است . شکلهای مودهای شکست کلی برشی خاک جداره در گودبرداریها و جداره های خاکی میخ کوبی شده اغلب بصورتهای زیر است :
الف - بصورت صفحه ای و مسطحه - - Sheahan and Oral , 2002
ب - سطح شکست دو خطی یا دو سطحی با دو گوه لغزش - - German , stocker et al. , 1991
پ - سطح شکست سهموی شکل - - Shen et al. , 1981
ت - سطح شکست مارپیچی لگاریتمی - - Juran et al. , 1990
ث - سطح شکست دایره ای - - Golder , 1993
بررسیهای - - Long et al. , 1990 نشان داد که تفاوتهای چشمگیری در نتایج تحلیلهای حدی تعیین ضریب ایمنی بر اساس انتخاب شکلهای مختلف سطوح شکست وجود ندارد . دستور العمل و کد FHWA مقادیر ظرفیت پیوستگی نهایی بین سطح گروت سیمانی اطراف میخ و خاک را بصورت تابع از جنس و نوع خاک دانه ای و خاک چسبنده یا ریزدانه و سنگ و همچنین نوع تزریق ثقلی یا تحت فشار پیشنهاد می نماید که دارای دامنه وسیع تغییرات است.
بطور مثال در ریزدانه های رس نرم از 20 تا 60 کیلو پاسکال ، در رسهای سیلتی از 40 تا 80 کیلو پاسکال ، در ماسه ها ی لای دار از 100 تا 150 کیلو پاسکال ، در شن ماسه دار حدود 150 تا 200 کیلو پاسکال ، در سنگهای مارل هوا زده در حدود 300 تا 500 کیلو پاسکال و در ماسه سنگهای هوا زده در حدود 1000 تا 1600 کیلو پاسکال توصیه می نماید . موسسه استاندارد سازه های پیش تنیده - - PTI,1996 نیز در مورد تنشهای پیوستگی بر حسب شرایط تزریق توصیه های مشابه فوق دارد .
در بررسی تحقیقی انجام شده توسط نویسندگان ، با استفاده از ظرفیت حدی برشی و پیوستگی بین توده خاک اطراف گروت سیمانی یا توده تزریق با در نظر گرفتن اثر میدان تنشهای وارده و در شرایط حدی برای سه تیپ مختلف از خاک با مشخصات ذیل ، تحلیلهای حدی بصورت دستی و با استفاده از Excel ، با استفاده از نمودارهای طراحی اولیه پیشنهادی FHWA ، با استفاده از تحلیل عددی بکمک نرم افزار عددی PLAXIS 2D و با استفاده از تحلیلهای حدی بکمک نرم افزار تحلیل حدی SNAILS صورت گرفته است که با توجه به نتایج تحلیلهای بدست آمده از روشهای حدی و عددی و با در نظر گرفتن ضریب اطمینان 2 برای حداکثر ظرفیت مجاز نیروی بیرون کشیدگی - pullout capacity - و در نظر گرفتن ضرایب اطمینان بدست آمده در تحلیلهای روشهای مختلف ، با تقریب مناسب نتایج محاسبات ظرفیت بیرون کشیدگی میخ و گروت سیمانی از هر سه تیپ مختلف خاک محاسبه و در جدول انتهایی خروجی Excel ارائه گردیده است .
محاسبات برای میخها یا نیلهای مختلف بترتیب در اعماق 2 ، 3/5 ، 5 ، 6/5 و 8 متر در یک دیواره نیلینگ شده با عمق کلی گود برابر 10 متر انجام گردیده است . سه تیپ خاک مختلف در همه ی تحلیلها مورد استفاده و مقایسه قرار گرفته است . در ناحیه ی طول باند خاک در شرایطی بین حالت مقاوم و سکون عمل می نماید و شرایط ضرایب رانش محرک حاکم نمی باشد . همچنین زاویه امتداد حفاری نسبت به افق 15 درجه ، ضریب پواسن خاک در حدود 0/35 و سربار خاک در لبه گود برای همگی یکسان و برابر صفر فرض گردیده است .
ماسه
: نیروی کشش میخ یا نیل بدست آمده از تحلیل فایل
: نیروی کشش در سر میخ یا نیل - مطابق شکل - 1
: نیروی کشش بیشینه در میخ یا نیل - مطابق شکل - 1
: عمق از سطح خاک در وسط ناحیه طول بان د
: فاصله افقی میخها از یکدیگر
: فاصله قائم میخها از یکدیگر
: ضریب رانش محرک خاک
: ضریب رانش خاک در حالت سکون
: عمق در وسط ناحیه طول باند
: ضریب اطمینان در مقابل پایداری
