‌انواع دیوارها

دیوار حایل، دیواری است که فشار ناشی از وضعیت موجود در اختلاف تراز به وجود آمده به علت خاکریزی، خاکبرداریی یا عوامل طبیعی را به صورت پایدار حفظ نماید. دیوار سیل بند دیواری است که علاوه بر آن، وظیفه محافظت منطق‌های را از ورود سیلاب به آن عهده‌دار است. به علاوه دیوارهای ساحلی نیز وجود دارند که وظیفی آنها محافظت منطقی ساحلی از خسارات ناشی از ضربه امواج و بالا آمدن آب دریا در حین طوفان است. سطح دیوارهای ساحلی دارای هندسه و انحنای خاصی برای استهلاک انرژی امواج برخوردکننده است. اختلاف عمده دیوارهای حایل معمولی با دیوارهای سیل بند و یا ساحلی وجود آب در دو مورد اخیر به عنوان عامل فرسایش دهنده و ایجادکننده اضافه فشار خارجی است.

انواع دیوارها‌ حایل

دیوارها‌ حایل را می توان از نظر مصالح، روش اجرا، کاربری و عملکرد رده بندی کرد. از لحاظ عملکرد ساز‌ه‌ای انواع متعارف دیوارهای حایل به شرح زیر است.

‌دیوارهای حایل صلب

‌دیوارهایی را گویند که خود را با نشست های محیط میزبان هماهنگ نمی‌نمایند. انواع متداول آنها عبارتند از :

• دیوارهای حایل وزنی (بنایی و بتنی)
• دیوارهای حایل غیروزنی (طره‌ای و پشت بنددار و …)
• دیوارهای حایل عمیق‌ (سپرهای بتنی)

دیوارهای حایل انعطاف پذیر

دیوارهایی را گویند که خود را با نشست‌های محیط میزبان هماهنگ می‌نمایند. انواع متداول آنها عبارتند از:

• دیوارهای خاک مسلح با تسمه‌های فولادی
• دیوارهای خاک مسلح با شبکه‌های پلیمری
• دیوارهای حایل توری سنگی
• دیوارهای قفسه‌ای
• سپرهای فولادی

دیوارهای حایل وزنی

دیوارهای حایل وزنی شامل دیوارهای بنایی (به طور معمول سنگی)، و دیوارهای حایل بتن غیرمسلح هستند. هندسه این دیوارها طوری انتخاب می‌شود که برآیند نیروهای وارد بر آن (شامل وزن و نیروهای جانبی) در هسته ‌قاعده و یا مقاطع افقی آن قرار گیرد. در مواقعی تنش کششی ناچیزی در مقاطع افقی دیوار یا منطقه بدون فشار در قاعده دیوار مجاز است.

دیوارهای حایل غیروزنی

دیوار حایل طر‌ه‌ای از دیوار و شالوده بتن مسلح تشکیل می‌یابد که طرح هندسی مقطع آن شبیه به وارونه است. دیوار و شالوده برای مقابله با نیروی برشی و لنگر خمشی ناشی از بارها و فشارهای خارجی، با استفاده از آرماتور، مسلح می‌شود. عرض پایه طوری انتخاب می‌شود که از واژگونی و لغزش دیوار جلوگیری به عمل آمده و تنش تماسی خاک در زیر آن از مقدار مجاز کمتر باشد. تراز زیر شالوده باید پایین‌تر از عمق یخبندان باشد. در مقایسه با سایر دیوارهای غیروزنی، دیوار حایل طره‌ای از همه ساده‌تر و معمول‌تر است. دیوارهای بتن آرمه پشت بنددار هر چند که ممکن است در مصرف بتن و آرماتور صرفه جویی به عمل آورند، اما به علت مشکلات قالب بندی و اجرایی چندان مورد استقبال قرار نمی‌گیرد.

دیوارهای حایل انعطا‌ف پذیر

دیوارهای حایل ساخته شده با این رو‌ش‌ها، علاوه بر تازگی، خصوصیت‌ بارزی دارند که آنها را از دیوارهای قبلی متمایز می‌کند. این خصوصیت انعطاف پذیری آنها و قابلیت تطبیق با نشست‌های طبیعت است که روش‌های سنتی فاقد آن هستند. به همین دلیل در مقابل روش‌های سنتی که دیوارهای صلب نامیده می‌شوند، روش‌های نوین به دیوارهای انعطاف پذیر معروف هستند. هر چند که هزینه اولیه این دیوارها نسبت به دیوارهای صلب کمتر
است، ولی باید به عمر کمتر آنها در مقام مقایسه با دیوارهای صلب توجه خاص نمود و در مقایسه گزینه‌ها آن را مد نظر گرفت.

مبانی طراحی دیوارهای حایل

دیوار حایل دیواری است که برای حفظ پایداری توده خاک در فصل مشترک یک اختلاف ارتفاع مورد استفاده قرار می‌گیرد. دیوار سیل‌بند علاوه بر وظیفه فوق، باید از فرسایش جداره‌ها و سر ریزشدن سیلاب به منطقه مورد محافظت جلوگیری نماید. دیوار سیل‌بند علاوه بر فشار خاک، تحت تأثیر فشار ناشی از سیلاب، آب زیرزمینی و برکنش (نیروی ارشمیدس) نیز است. یک دیوار در یک ترکیب بارگذاری می‌تواند در رده دیوار حایل و در ترکیب بارگذاری دیگر، به عنوان دیوار سیل‌بند تلقی شود.

زهکشی

طراحی دیوارهای حایل و دیوارهای سیل‌بند در مقابل افزایش فشار حفر‌ه‌ای آب به هر دلیل (چه به علت افزایش تراز آب زیرزمینی و چه به علت زلزله) حساس هستند. لذا باید سهولت زهکشی در آنها فراهم شود. این سهولت به کمک تدابیر زیر حاصل می‌شود.

• استفاده از مصالح دانه درشت و تمیز به عنوان مصالح پرکننده در پشت دیوار
• تعبیه لوله‌های زهکش در بدنه دیوار به منظور تسهیل خروج آب‌های جمع شده در پشت دیوار

نیروهای موثر بر طراحی دیوارهای حایل

دیوارهای حایل یا سیل بند باید تحت اثر بارهای زیر و یا ترکیبات نامساعدی از آنها مورد طراحی یا محاسبه قرار گیرند.

• بار مرده
• وزن خاک
• فشار جانبی خاک
• فشار آب زیرزمینی
• فشار برخاست (برکنش)
• فشار جانبی ناشی از سربار
• فشار برخورد امواج
• نیروهای زلزله
• فشار یخ

ترکیبات بارگذاری طراحی دیوارهای حایل

حالت R1 – بارهای عادی

در این حالت خاک پشت دیوار تا تراز نهایی در نظر گرفته می‌شود. اگر سربار وجود داشته باشد، پایداری باید هم با اعمال سربار و هم بدون آن کنترل شود. در صورت وجود هر نوع فشار جانبی یا برخاست (برکنش) به علت فشار آب، خاک پشت دیوار به دو صورت خشک و مستغرق با تراز آب در حالت بهر‌ه‌برداری در نظر گرفته می‌شود.

حالت R2 – بارهای غیر عادی

این حالت بارگذاری شبیه حالت R1 است. با این تفاوت که تراز آب در پشت دیوار در بالاترین سطح محتمل منظور می‌شود. همچنین در این حالت بارهای آنی نظیر باد شدید، سربار تجهیزات در حین اجرا و هر نوع سربار موقت در ترکیب بار در نظر گرفته می‌شوند.

حالت R3 – بارگذاری زلزله

این حالت شبیه حالت R1 به علاوه آثار مؤلفه‌های افقی و قائم شتاب زلزله در خاک، آب و دیوار است. فشار برخاست مشابه حالت R1 است.

ضوابط پایداری طراحی دیوارهای حایل

ضوابط پایه‌ برای پایداری‌ دیوارهای حایل، سیل بند و ساحلی برای تمام شرایط بارگذاری به شرح زیر است.

• ‌دیوار باید در مقابل لغزش پایه (شالوده) در داخل هر یک از لایه‌های خاک یا سنگ زیر بستر ایمن باشد.
• دیوار باید در مقابل واژگونی نسبت به پایه خود ایمن باشد. و همچنین در دیوارهای وزنی این ایمنی باید نسبت به هر تراز افقی داخل دیوار تأمین شود.
• دیوار باید در مقابل گسیختگی زمین بستر و نشست‌های نامتقارن بیش از حد شالوده ایمن باشد.

دیوار با زبانه برشگیر

برای انجام محاسبات پایداری واژگونی در دیوارهای دارای زبانه برشگیر، لازم است نیروهای مقاوم اعمالی بر زبانه و پایه مشخص شوند. از آنجایی که این نیروها نامعین هستند و نمی‌توان آنها را با رو‌‌ش‌های تعادل به‌ دست آورد، فرضیات زیر برای انجام محاسبات پایداری واژگونی انجام می‌شود.

• در دیواری با پایه افقی و زبانه برشگیر، مقاومت برشی پایه مساوی صفر در نظر گرفته می‌شود و نیروهای افقی بر زبانه برشی وارد می‌شوند که به وسیله معادلات تعادل محاسبه می‌شوند.
• در همه حالت‌ها، نیروی مقاوم را می‌توان با در نظر گرفتن فشار سکون خاک محاسبه کرد. به شرطی که مصالح سمت مقاوم، مشخصات مقاومتی خود را با هر نوع تغییر احتمالی در میزان آب یا شرایط محیطی از دست نداده و در طول عمر دیوار در معرض فرسایش‌ یا حفاری قرار نگیرند. قبل از انجام محاسبات پایداری واژگونی، ارتفاع زبانه برشی و عرض پایه باید از تحلیل پایداری لغزش مشخص شده باشند.

تحلیل پایداری لغزشی در طراحی دیوارهای حایل

هدف از انجام تحلیل پایداری لغزشی، تعیین ایمنی سازه در مقابل پتانسیل گسیختگی ناشی از تغییر مکان‌های افقی بیش از حد است. ضریب ایمنی در مقابل لغزش را می‌توان با تعیین نسبت نیروهای برشی وارده، به نیروهای برشی مقاوم در امتداد یک سطح گسیختگی فرضی، بررسی نمود. گسیختگی لغزشی وقتی که نسبت نیروهای برشی وارده به نیروهای برشی مقاوم کوچکتر از ۱ باشد، منتفی خواهد بود.

مدل تحلیل صفحه گسیختگی در طراحی دیوارهای حایل

در تعیین مدل تحلیلی صفحه گسیختگی عوامل زیر باید مورد توجه قرار گیرد.

• ‌شکل سطح گسیختگی بسته به یکنواختی و یکسانی مصالح خاکریز و زیر شالوده متغیر است. سطح گسیختگی را می‌توان به صورت هر نوع ترکیبی از سطوح خمیده و صفحه‌ا‌ی در نظر گرفت، لیکن برای ساد‌ه‌سازی و سهولت، همه سطوح گسیختگی به صورت صفحه‌ای در نظر گرفته می‌شوند.
• به جز در حالت‌های بسیار ساده، بیشتر مسائل عملی پایداری لغزش که مهندسین با آن مواجه هستند، از لحاظ استاتیکی نامعین است. برای تبدیل مسئله نامعین فوق به یک مسئله معین استاتیکی، با تقسیم کل سیستم به تعدادی گوه صلب که تعادل لنگر نیروهای موجود بین گوه‌ها در هر امتداد دلخواه برقرار باشد و از نیروهای اصطکاک بین گو‌ه‌ها صرفنظر شود مسئله ساده می‌شود.
• در تحلیل لغزش، دیوار (حایل یا سیل‌بند) و خاک در تماس با آن (احاطه کننده) به صورت مجموعه‌ای از گو‌ه‌ها در نظر گرفته می‌شود. سیستم خاک سازه به یک یا چند گوه (یک گوه سازه‌ای و یک یا چند گوه مقاوم) تقسیم ‌می‌شود.

صفحه گسیختگی بحرانی در طراحی دیوارهای حایل

با استفاده از سعی و خطا می‌توان صفحه گسیختگی بحرانی را تعیین نمود. برای ضریب ایمنی مشخص، شیب پایه هر گوه برای حصول حداکثر نیروی محرک در گوه محرک یا حداقل نیروی مقاوم در گوه مقاوم تغییر داده می‌شود. مقدار ضریب ایمنی در نظر گرفته شده، در شیب بحرانی پایه گوه فرضی مؤثر است. ضریب ایمنی آنقدر تغییر می‌یابد تا سطح لغزشی ایجاد شود که تعادل را برقرار می‌نماید. صفحه گسیختگی که با این روش به دست می‌آید، صفحه گسیختگی با حداقل ضریب ایمنی است که به آن صفحه گسیختگی بحرانی گویند.

ضریب ایمنی لغزش در طراحی دیوارهای حایل

برای تخمین و تعیین پایداری در مقابل لغزش، تحلیل تعادل حدی به کار گرفته می‌شود. در این تحلیل ضریب ایمنی بر پارامترهای مقاومتی مصالح که بر پایداری لغزشی مؤثر هستند اعمال می‌شود. ضریب ایمنی به نحوی اعمال میشود که تعادل نیروهای وارد بر گوه‌های خاک و سازه برقرار باشد. از آنجایی که پارامترهای مقاومتی بر جای سنگ و خاک کاملاً دقیق نیستند، نقش ضریب ایمنی بهبود عدم قطعیت‌های موجود در مقادیر مشخص شده است. به عبارت دیگر ضریب ایمنی نشان دهنده اختلاف بین مقاومت برشی واقعی و مقاومت برشی در نظر گرفته شده برای تحلیل است.

فرضیات و ساده سازی‌ها

‌سطح لغزش

سطح لغزش می‌تواند ترکیبی از سطوح منحنی یا صفحه‌ای باشد، لیکن برای سهولت همه سطوح به‌صورت صفحه‌ای در نظر گرفته می‌شوند. این صفحات مجموعه سطوح پایین گو‌ه‌ها هستند. برای آنکه تحلیل واقعی باشد باید صفحات لغزش از لحاظ هندسی امکان حرکت را داشته باشند. در بسترهای سنگی، درزها و شکاف‌ها، سطوح مستعد لغزش هستند.

‌تحلیل دوبعدی

تحلیل حدی ارائه شده یک روش تحلیل دوبعدی است. اگر مشخصات هندسی و بارهای بحرانی مؤثر بر پایداری لغزشی یک سازه خاص به صورت سه بعدی باشند، روش تحلیل فوق باید برای یک تحلیل سه بعدی تعمیم داده شود.

تعادل نیروها

در این بررسی فقط تعادل نیروها لازم است و تعادل لنگرها لازم نیست. از نیروهای برشی موازی فصل مشترک دو گوه صرف نظر می‌شود. بنابراین قاعده هر گوه تحت تأثیر نیروهایی قرار می‌گیرد که در بالا و پایین آن قرار دارند. همچنین هیچ گونه واکنش قائمی بین دو سطح در تماس گو‌ه‌ها در نظر گرفته نمی‌شود. فرض می‌شود که برآیند نیروهای مؤثر بر هر گوه افقی هستند.

‌رابطه بین نیروهای برشی و عمودی

فرض می‌شود بین نیروی برشی مقاوم و نیروی عمودی وارد بر قاعده سطح لغزش یک رابطه خطی وجود دارد. این رابطه با معیار گسیختگی مور کولمب بیان می‌شود.

گوه ساز‌ه‌ای

در رابطه سازی عمومی‌، فرض می‌شود که در گوه ساز‌ه‌ای، نیروهای برشی در مرزهای قائم گوه وجود ندارد. بنابراین از آنجایی که سازه‌های بتنی ظرفیت انتقال نیروی برشی زیادی را در امتداد صفحات قائم داخلی خود دارند لذا فقط یک گوه سازه‌ای می‌تواند وجود داشته باشد. ناپیوستگی در مسیر لغزش زیر گوه سازه‌ای باید با در نظر گرفتن یک صفحه لغزش میانگین در امتداد پایه گوهه ساز‌ه‌ای مدل شود.

نکات طراحی دیوارهای حایل

آثار ترک د‌ر پی

در تحلیل پایداری لغزشی باید آثار تر‌ک‌های ناشی از اختلاف نشست، افتی یا درزه‌های بین سنگ‌ها در سمت محرک گوه سازه‌ای را در نظر گرفت.

‌نیروی مقاوم

در صورتی که از نیروی مقاوم استفاده می‌شود، نکات خاصی را باید در نظر گرفت. بستر سنگی یا خاکی که تحت اثر جریان آب با سرعت زیاد است، نباید مورد استفاده قرار داد مگر در مقابل این جریان محافظت شوند. همچنین مقاومت فشاری لایه‌های سنگی باید به حدی باشد که گوه مقاوم تشکیل شود. در برخی حالات گوه مقاوم نباید بدون مسائل خاص در نظر گرفته شود، نظیر مهاری‌های سنگ.

توضیحات بیشتر در زمینه طراحی دیوارهای حایل در نشریه شماره ۳۰۸ است.