بخشی از مقاله
پایدارسازي گود به روش میخ کوبی و بررسی عددي پارامترهاي موثر در آن با استفاده از مدل سازي دوبعدي
خلاصه
یکی از مسائل مهم مهندسی عمران در مناطق شهري، پایدارسازي جداره هاي قائم و شیبدار خاکی می باشد. به منظورجلوگیري از ریزش ترانشه و تبعات منفی احتمالی ناشی از خاك برداري ها، سازه موقتی را براي مهار ترانشه اجرا می کنند که به اصطلاح سازه نگهبان نامیده می شود. متاسفانه بسیاري هنوز فکر می کنند که بکارگیري تمهیدات ایمنی لازم در گودبرداري هزینه و زمان بیهوده اي را به کار تحمیل می کند، در حالیکه گودبرداري اصولاً از کارهاي پیچیده و خطرناك مهندسی محسوب می شود. روش مناسب گودبرداري با توجه به شرایط و جنس خاك، عمق و ابعاد گودبرداري، موقعیت و نحوه قرارگیري محل گود، سطح آب زیرزمینی، تامین ایمنی همسایه هاي مجاور پروژه، هزینه هاي پایدارسازي و مشکلات و محدودیت هاي اجرایی انتخاب می گردد. یکی از روش هاي پایدارسازي که امروزه در محیط هاي شهري بسیار مورد استفاده قرار می گیرد روش میخ کوبی یا همان نیلینگ است که متاسفانه گاهی شاهد خرابی هاي جزئی و یا کلی در گود هستیم. . بنابراین طراحی ایمن و اقتصادي دیوار هاي میخ کوبی شده تحت بار هاي جانبی بخصوص در مناطق شهري از اهمیت ویژه اي برخوردار است و در نتیجه تحلیل مهندسی دقیق تغییر شکل هاي جانبی در ترکیب ظرفیت خمشی و برشی میخ ها و اندرکنش خاك- سازه، مرحله اي پیچیده در طراحی این سامانه بشمار می رود. در این تکنیک، جدارهاي خاکی ناپایدار ناشی از گودبرداري با استفاده از شبکه اي از میلگردهاي فولادي که تا عمق مشخصی در خاك فرورفته و اطراف آن را پوششی از دوغاب سیمان فراگرفته، پایدار می شود. در این تحقیق ابتدا گود مورد نظر توسط سیسستم میخ کوبی در عمق هاي 8، 10 و 12 متري در نرم افزار plaxis دو بعدي پایدار شده و سپس تاثیر طول میخ هایی به طول 8، 10 و 12 متري در هرسه عمق گود براي دو پارامتر
ضریب اطمینان و جابجایی افقی که از مهمترین پارامترهاي پایداري گود هستند بیان می شود.
کلمات کلیدي: گودبرداري، روش میخ کوبی، ضریب اطمینان، جابجایی افقی
1. مقدمه
استفاده از روش میخ کوبی به صورت اصولی و کاربردي نسبتا روش جدیدي(حدود 20 سال) می باشد که براي پایدارسازي شیب ها به کار میرود. در روش میخ کوبی ابتدا میخ ها در قسمت هاي خاکریزي شده قرار می گیرد سپس دیواره محکم شده و میخها بـا دیـواره ارتبـاط و چـسبندگی ایجـاد میکند، اما در گودبرداري ها پس از حفر زمین میخ ها در درون دیواره گود قرار گرفته، دیواره پایدار شده و به عنوان دیوار حائل عمل می کند. پس از قرار دادن میخ ها درون دیواره، دیواره را با استفاده از سیمان روکش می کنند تا در انتها سطح صافی به وجود آید. میخ هـا معمـولا بـا زاویـه 15 درجـه نسبت به افق درون دیواره قرار می گیرند، اما در قسمت هاي پایین دیواره این شیب بیشتر شده وحدود 20 تا 25 درجه می شود. دلیل بیشتر شـدن شـیب میخ ها نسبت به افق جلو گیري از برخورد میخ ها به تاسیسات خانگی اطراف شیب می باشد. قسمت ابتدایی میخ ها معمولا پیچ دار است تا هنگامی کـه در خاك فرو می رود باعث پیوستگی بیشتر با خاك شود. فاصله میخ ها در این روش به شرایط مختلفی بستگی دارد، اما معمولا بین 1 تا 4 متـر در نظـر گرفته می شود. فاصله بین میخ ها به فاکتورهایی از جمله نوع خاك، ارتفاع دیوار، مقدار نفوذ میخ ها در خـاك، قطـر مـیخ هـا و محتـاط بـودن طـراح بستگی دارد.
١
2. روش میخ کوبی
یک شیب میخ کوبی شده متشکل از سه بخش توده خاك، تسلیح کننده ها و رخپوش شیب می باشد. تسلیح کننده ها باعث افزایش مقاومـت و سـختی توده خاك می گردند و در برابر تنش هاي جانبی ناشی از سربار و یـا وزن تـوده خـاك متفـاوت مـی نماینـد و بـه ایـن وسـیله موجـب پایـداري شـیب میگردند.[1] میخکوبی شامل تسلیح و مقاوم نمودن خاك در محل با نصب میلگردهاي فولادي نزدیک به هم در داخل یـک شـیب یـا گـودبرداري ، همزمان با ساخت از بالا به پایین می باشد.[2] این روش منجر به استفاده مفید از خاك محل براي ایجاد نگهدارنده سازه اي جانبی و قـائم مـی شـود.[3] مفهوم پایهاي میخکوبی شامل تسلیح خاك توسط اعضاء کششی (میخها) ، فاصله گذاري دقیق براي ایجاد در جاي یک سازه ثقلی یکپارچه و در نتیجه افزایش مقاومت برشی خاك محل و محدود ساختن تغییر مکان می باشد.
مفاهیم طراحی یک سازه نگهبان میخکوبی شده بر اساس انتقال نیروي کشی تولید شده در مسلح کننده می باشد. مکانیزم انتقال بار بین میخ ها و خاك تا حد ظرفیت از جادرآمدگی نهایی1، به پارامترهاي بسیار نظیر تکنیک نصب، روشن تزریق و حفاري، فشار تزریق، اندازه و شکل مسلح کننده، مشخصات هندسی خاك محلخصوصاً( دانسیته نسبی خاك یا نسبت پیش تحکیمی)، نفوذپذیري خاك و مشخصه هاي مقاومت برشی خاك بستگی دارد. در این نوع سازه ها، تغییر مکان جانبی مشخص براي بسیج اندرکنش خاك ـ میخ و تولید نیروهاي کششی در میخ ها لازم می باشد. بنابراین در مناطق شهري، بایستی فاصله مورد نیاز بین توده میخ کوبی شده و سازه مجاور آن حفظ شود تا از ایجاد بارهاي اضافی بر سازه مجاور جلوگیري شود. تحلیل هاي عددي انجام گرفته نشان می دهد که رفتار شیب میخ کوبی شده بیش از اینکه وابسته به ش رایط انتهایی تسلیح کننده ها باشد به مشخصات سطح تماس تسلیح کننده و خاك اطراف دارد.[4]
3. تاریخچه
تکنیک میخکوبی خاك برگرفته از روش تونلسازي جدید اتریشی (2NATM) که ترکیبی از شاتکریت مسلح و پیچ مهار3 براي ایجاد یـک محـافظ انعطاف پذیر در ساخت حفاري هاي زیرزمینی است می باشد. در آمریکاي شمالی براي اولین بار این روش در اواخر دهـه 1960، در ونکـوور4 کانـادا براي حفاظت گودبرداري هاي موقتی ساختمانهاي صنعتی و مسکونی بکار رفت.[3]
نخستین پروژه تحقیقاتی بر روي میخکوبی خاك در آلمان، با همکاري دانشگاه کارلسروهه5 وشرکت پیمانکاري بائر6 طی سالهاي -1981 1975 انجام گرفت. این پروژه شامل آزمایش بر روي سازه هاي میخکوبی شده تمام مقایس با میخهاي تزریق شده بود که با افزایش سربار در بالاي دیوار تا حد گسیختگی بارگذاري شدند6]،[5
4. میخ یا نیل
براي نیلها معمولاً از آرماتورهاي فولادي عاجدار و یا نیل هاي توخالی فولادي استفاده میشود. همچنین نیل ها از مواد دیگـري همچـون فـایبرگلاس نیز ساخته میشوندمعمولاً. در پروژههاي شهري نیل به روش حفاري و تزریق و یا روش خود حفار نصب میشـود. در روش حفـاري و تزریـق، نیـل در چال حفاري شده به وسیله رادهاي حفاري، قرار میگیرد و سپس به وسیله شلنگ هاي تزریق چال با دوغـاب مناسـب پـر مـیشـود. روشهـاي دیگـري همچون روش کوبیدن، نیلهاي پرتابی و روش تزریقی جتی7 وجود دارند. در روش کوبیدن نیل با ضـربات متـوالی در درون خـاك قـرار مـیگیـرد و نیلهاي پرتابی نیز به وسیله فشار هوا به داخل خاك شلیک میشوند. در دو روش اخیر ماهیت ضـربه اي روش نـصب نیـل باعـث متـراکم شـدن خـاك اطراف آن میگردد. روش تزریق جتی مشابه روش کوبشی می باشد با این تفاوت که از نیلهاي توخالی استفاده میشود و پس از نصب، تزریق پرفشار از درون آن صورت میپذیرد.
5. فواید روش میخ کوبی
• امکان تقویت خاك را با کمترین عملیات دارا میباشد و در اجرا بسیار مناسب و سازگار با محیط میباشد.
• فضاي کار مناسبی را در جلوي دیوار فراهم میآورد.
• با حفاري تقریباً قائم، فضاي از دست رفته به حداقل میرسد.
• از عملیات موقتی غیرضروري اجتناب می شود و فقط به تجهیزات و ماشین آلات سبک نیازمند میباشد.
• در شرایط مختلف کارگاه و همچنین با شکل حفاري انعطاف پذیر است.
• براي تقویت شیبهاي طبیعی و گودبرداي ها و ... میتواند استفاده شود.
• رویه مورد نیاز آن سبک میباشد.
• همچنین می توان به سرعت و سهولت اجرا،کاهش تداخل هاي ترافیکی، کاهش اثرات زیست محیطی و هزینه اجراي آن نیز اشاره نمود.[8]
6. معایب روش میخ کوبی
• نفوذ نیل فضاي زیرزمینی غیرقابل استفاده اي ایجاد میکند.
• عموماً داراي کرنش جانبی خاك و ترك در سطح زمین میباشد.
• ریزشهاي موضعی چال هنگام حفاري در مورد خاك هاي دانه اي معمول است.
• براي خاك هاي دانهاي و رسی با تراکم کم به علت زمان پایداري بدون حفاظ کم و خزش، استفاده از روش حفاري و تزریق ممکن نمیباشد و باید از روش دیگري همچون نیل خود حفار استفاده نمود.
• در حفاريهاي زیر سطح آب زیرزمینی با مشکلاتی همراه است و لازم است سطح آب پایین آورده شود.
• میخکوبی در شن و ماسه تمیز مناسب به علت کمبود چسبندگی کافی با کاهش عمق گودبرداري و افزایش هزینه و پیچیدگی همراه میباشد. [9]
• به علت تغییر مکان زیاد محدودیت استفاده از این روش در نقاط شهري وجود خواهد داشت .[10]
7. انواع میخ و روش نصب
میخ ها عموماً میله گردهاي فولادي یا دیگر عناصر فلزي می باشند که می توانند کشش ، برش و خمش تحمل نمایندمیخ. ها معمولاً میلگردهاي فولادي به قطر 20-35mm با مقاومت 420-500MPa بوده و در داخل حفراتی به قطر 100-300mm و به فواصل افقی و قائم 1-2m نصب می شوند. زاویه میخ ها نسبت به افق حدود 10-20 درجه می باشد. بطوریکه عمل تزریق به آسانی صورت بگیرد. میخ هاي مسلح کننده فولادي مورد استفاده در میخکوبی خاك به گروههاي زیر طبقه بندي میشوند :
1-7 میخ هاي کوبشی
این روش عموماً در فرانسه و آلمان مورد استفاده قرار گرفته و شامل میلگرد یا مقاطعی فلزي به قطر کوچک 15-46mm ساخته شده و از فولاد نرم با مقاومت تسلیم 350MPa می باشند. این میخ ها به تعداد 2 تا 4 میلگرد در هر متر مربع قرار داده می شود و توسط چکش هاي هیدرولیکی یا کوبشی لرزشی ، بدون حفاري اولیه درون خاك کوبیده می شوند . این شیوه نصب سریع و آسان می باشد ولی در صورت نیاز به میخ با طول بلند و ناهمگنی زمین (وجود قلوه سنگ) داراي محدودیت هایی است.[3]
٣
2-7 میخ هاي تزریقی
عموماً میلگردهاي فولادي به قطر 15-46mm با مقاومت تسلیم 420MPa می باشند. این میخ ها در حفراتی به قطر 10 تا 20 سانتیمتر به فواصل افقی و قائم 1 تا 3 متر قرار می گیرند. حفرات با ملات سیمان تحت تزریق ثقلی و یا فشار کم قرار می گیرند.[2]
3-7 میخ ها با تزریق فورانی
عناصري ترکیبی متشکل از خاك تحت تزریق با یک میله فولادي مرکزي می باشند که مجموعه حدود 30 تا 40 سانتیمتر قطر دارد. میخ ها با استفاده از چکش هاي کوبشی با فرکانس زیاد نصب می شوند و تزریق سیمان در طی نصب صورت می گیرد.
تکنیک نصب با تزریق باعث تراکم و بهبود خاك اطراف می شود و مقاومت از جا درآمدگی میخ هاي ترکیبی بطور محسوسی افزایش می یابد. افزایش فشار تزریق باعث نفوذ بیشتر ملات به داخل خاك و در نتیجه متراکم تر شدن خاك می شود.[3]
8. پارامتر هاي ژئوتکنیکی محل
در این مقاله گودي با عمق 8، 10 و 12 متر به روش میخ کوبی مدل شده، طول میخ هاي به کاررفته 8 ، 10 و 12 متر بوده که زاویه آن ها نسبت به افق 3 درجه می باشد.
جدول:(1) مشخصات خاك
در نرم افزار همان طور که براي خاك مشخصاتی در نظر گرفته می شود براي میخ ها و دیواره (شاتکریت) نیز مشخصاتی در نظر گرفته می شود که درجدول شماره 2 و 3 ذکر شده است.
جدول:(2) مشخصات میخ
9. نحوه مدل سازي میخ کوبی
مدل سازي به صورت کرنش مسطه و از المان هاي مثلثی 15 گره اي استفاده می شود. میخ ها با استفاده از المان plate مدل می شود. صفحات یکی از اجزاء سازه اي هستند که براي مدل کردن سازه هاي لاغر در زمین با صلبیت خمشی کافی(مقاومت خمشی) و مقاومت عمودي بکار گرفته می شوند.
٤
