طراحی میخکوبی (نیلینگ) خاک
در اکثر کشورهای دنیا و به خصوص در کشورمان ایران، نیروی برشی خاک، به عنوان معیار اصلی در طراحیها قرار میگیرد. با این حال، در شیب محل ساخت و ساز، حفاریهای چند وجهی (گود برداری) بیشتر از حفاریهای تمام وجهی (تونل) اجرا میشود و گسیختگی سطحی، به علت کاهش فشار محدود بر جداره خاکبرداری میتواند در هر گام از خاکبرداری رخ دهد. بنابراین، گسیختگی سطحی را نیز میتوان بهعنوان یک معیار اصلی در طراحی شیبها قرار داد.
میخکوبی خاک، یک روش تقویتی در برابر نیروی برشی و خزش خاک است که در یک دیدگاه کلی شامل فرو کردن میخهای مخصوص با استفاده از مواد اولیه مستحکم (شامل میلگردهای توپر یا تو خالی و غیره) و یکسان سازی آنها توسط تزریقات و صفحه گذاری و بتن پاشی است. این یک روش نقصان دار است زیرا زمانی به کار میآید که زمین دچار جا به جایی بشود. از سوی دیگر در روش لنگر، جابهجایی اولیه زمین به وسیله تحکیم محدود میشود. در هر دو روش، اصطحکاک بین زمین و دوغاب ریخته شده و بار کششی که به میخها وارد میشود به عنوان مقاومت اصلی در طراحی در نظر گرفته میشود.
مکانیزمهای واکنش دیوار و انتقال بار طی ساخت و سازهای رایج میخکوبی خاک به شرح زیر است.
- به منظور رسیدن به استاندارد پایداری جهانی، میخ های خاک باید فراتر از پتانسیل گسیختگی سطح گسترش یابد.
- با افزایش عمق گودبرداری، تغییر شکل جانبی نیز افزایش مییابد. به علاوه تنش برشی در طول میخ/خاک با نیروهای محوری میخهای نصب شده در گام قبل جمع میشوند.
- اگر عمق گودبرداری افزایش یابد، میزان وزن خاک نیز افزایش مییابد.
وقتی عمق گودبرداری افزایش پیدا کند، نیروی کششی در میخهای میانه و پایینی نیز افزایش مییابد. نیروی کشش در میخهای بالایی به دلیل توزیع نیرو کاهش پیدا میکند. محاسبات میخکوبی خاک باید در حین و بعد از گودبرداری برای حالتی از بار که بحرانیترین شرایط را برای میخ به وجود میآورد نیز صورت بگیرد. بحرانیترین حالت ممکن است زمانی به وجود بیاید که دیوار نگهدارنده تکمیل شود و طراحی بار بر اساس زمان بلند مدت صورت گیرد مانند بار مرده و زنده وترافیک و نیروهای فول العاده قوی مانند زلزله.
در شرایط دیگر ممکن است که بحرانیترین حالت، در طول ساخت و ساز رخ دهد زمانی که سطح کمی از گودبرداری، موقتاً بدون پشتیبان باشد و هنوز میخکوبی و بتن پاشی صورت نگرفته باشد، این شرایط بحرانی که در حالت بارگذاری کوتاه مدت رخ میدهد میتواند موقتاً شرایط نشست موقت را تشدید نماید. طبقه بندی شکستهای زمین در داخل شیب شامل شکست بیرون زدگی، شکست برشی و شکست سطحی است و آزمایشهای میدانی در محل بر روی این شکستهای سه گانه انجام میشود.
شکست بیرون زدگی به دلیل کم شدن اصطحکاک بین زمین و دوغاب به وجود میآید و شکست برشی به دلیل کاهش بار تسلیم کششی مصالح مقاومتی بهوجود میآید. در گودبرداریها شکست سطحی در هر گام خاکبرداری به علت کاهش فشار محدود بر سطح گود در هنگامی که گودبرداری در حین پایین رفتن است رخ میدهد. در شکست سطحی، زمین از بخش گودبرداری شده شروع به ریزش میکند. در این مورد روشهایی مانند وارد کردن نیرو مورد نیاز است مانند وارد کردن فشار بر روی سطح گودبرداری شده. بنابراین شکست سطحی یکی از فاکتورهای مهم در طراحی شیب (اجرای نیلینگ) است. متغییرهای در نظر گرفته شده برای حالتهای شکست شامل طول مطمئن میخ، تعداد میخها، و نیروی وارده است.
شرایط محدود برای سه حالت شکست
هدف از این مطالعه، طراحی روش بهینه سازی شدهای است که هر سه حالت شکست در شیهای عمودی را شامل شود. برای شکست بیرون زدگی و برشی، مقاومت شامل اصطحکاک سطحی و استحکام کششی مواد از نگاه نظری (تئوری) برای تخمین اینکه چه مقاومتی میتواند زمین را در برابر تمام پتانسیلهای شکست سطح حفظ کند بررسی شده است. در مورد برش سطحی در حفاری چند وجهی، چنانچه پتانسیل شکست سطح در هر مرحله از خاکبرداری تغییر کند، نظریه تئوری در زمینه شکست سطح در هر مرحله خاکبرداری برای تخمین محدوده فشار (مانند نیروی وارده) در سطح خاکبرداری کاربرد دارد.
شرایط محدود برای شکست بیرون زدگی
در میخکوبی خاک، دوغاب، بعد از سوراخ کردن زمین برای مقاومت در برابر شکست بیرون زدگی تزریق میشود. این امر به دلیل ایجاد اصطحکاک سطحی بین زمین و دوغاب ریخته شده است. مقاومت در برابر شکست بیرون زدگی به دو اصل تقسیم میشود، اصل اول مقاومت خود زمین در برابر نیروی برشی (مقاومت وزنی به وسیله نیرو برشی) وقتی وزن مقاومتی نیروی برشی از کل وزن خاک کم شود، باقی مانده وزن خاک به دست میآید.
شرایط محدود برای شکست برشی
برای میخکوبی خاک مواد گوناگونی استفاده میشود که دارای مقاومت کششی هستند نظیر نوارهای فولادی، رشتههای پی سی، و لولههای فولادی. وقتی شکست برشی بر روی سطح گسیخته شده رخ میدهد، مقاومت کششی میخ فعال میشود. به این معنا که فشار زمین به وسیله وزن خاک به میخ وارد میشود که باعث جابجایی زمین در سطح گسیخته شده میشود. اگر موقعیت زمین مانند سنگ سفت باشد، رفتار ترد و شکنندهای از خود نشان میدهد و ممکن است منجر به برش میخها توسط تنش برشی شود. به هرحال، میخکوبی خاک عموماً برای زمینهای انعطاف پذیر رفتار منعطفی از خود نشان می دهد، جریان رو به پایین وزن خاک باعث رفتار کششی میخ توسط پایین کشیدن ساختار میخ (دوغاب و میخ) میشود. برای همین در استانداردها رفتار مواد در مقابل شکست برشی به عنوان یک رفتار برشی در نظر گرفته نشده اما به عنوان رفتار کششی در نظر گرفته شده است.
شرایط محدود برای شکست سطحی
در شروع خاکبرداری، تنش افقی بر روی سطح گودبرداری صفر است در نتیجه شکست ظاهری میتواند رخ دهد. اگر اصطحکاک سطحی کوچکتر از باقیمانده وزن خاک باشد، اضافه کردن فشار محدود نظیر نیروی وارده مورد نیاز است. در اینجا، نیروی وارده بدین معنا است که مواد مقاومتی در روند تحکیم، به صورت تنش فعال شونده عمل میکنند.
در دومین گام خاکبرداری، اگر باقی مانده فشار حتی بعد از بعد از کم شدن مقاومت زمین، اصطحکاک سطحی میخهای خاک در اولین و دومین گام از مرحله خاکبرداری و نیروی مورد نیاز در اولین گام خاکبرداری از وزن خاک تامین میشود، نیروهای وابسته باید بر سطح خاکبرداری اعمال شود.
نیروی اعمالی باید کوچکتر از مقاومت کششی میخها باشد. بیش از اندازه بودن این نیرو میتواند به جابجایی زمین کمک کند. با این حال، همان اندازه که نیرو اعمال میکنیم مقاومت کششی مواد هم کاهش مییابد و باعث تضعیف پایداری شیب میشود. بنابراین استفاده از وارد کردن نیرو از روشهای هدفدار نمیتواند به تنهایی از شکست سطحی جلوگیری کند اما درمدت زمان طولانی، میتوان پایداری شیب را با استفاده از کمترین مقاومت کششی مصالح تضمین نمود.
شرایط محدود بر اساس شرایط ساخت و ساز
علاوه بر شرایط محدود برای شکست بیرون زدگی، شکست برشی، و شکست سطحی در سطح گسیخته شده، میتوانیم شرایط محدودی را براساس شرایط ساخت و ساز تعریف کنیم. اولاً میخها باید حداقل تا خارج از سطح گسیختگی تزریق شده باشد. دوماً، در میخکوبی خاک، مرز مواد (بدنه میخکوبی شده) در هر سوراخ با توجه به روش دوغاب شده متفاوت است. در اینجا فرض میشود که شرایط همه سوراخها یکسان است. هنگامی که تزریق دوغاب تحت فشار اعمال میشود، شعاع بدنه میخکوبی شده افزایش مییابد و در نتیجه فاصله بین میخها نسبت به روش تزریق گرانشی بیشتر افزایش پیدا میکند.
