سيستم‌های نوين ديوارهای حايل
چهار نوع اصلی ديوارهای حايل شامل ديوارهای وزنی، ديوارهای طره‌ای، ديوارهای مهار شده و سيستم‌های خاک مسلح است. پايداری ديوارهای وزنی در مقابل واژگونی به واسطه وزنشان است. پايداری ديوارهای طره‌ای بتن آرمه در مقابل واژگونی به واسطه وزن خاكريز بر دال پاشنه ديوار و مقاومت داخلی آنها به واسطه وجود آرماتورها و بتن تأمين می‌شود. مقاومت ديوارهای مهار شده در مقابل نيروهای جانبی به واسطه ميل مهاریهايی است كه يک يا چند نقطه سازه ديوار را به خاک پشت آن مهار می‌كنند.
سيستم‌های جايگزين ديوار حايل
ديوارهای حايل از نوع وزنی و طره‌ای بيشترين كاربرد را در موارد عمومی دارند و اغلب به شيوه بتن‌ريزی درجا اجرا می‌شوند. ليكن امروزه تعدادی از سيستم‌های تقويت خاک يا حايل‌های انعطاف پذير بتنی (خاک مسلح) به دليل عملكرد مناسب و هزينه پايين به جايگزين مناسبی برای ديوارهای حايل وزنی و طره‌ای بدل گشته‌اند. به طور كلی انواع مختلفی از سيستم‌های حايل و جايگزين حايل‌های سنتی وجود دارد كه هدف فراهم نمودن كليه راهكارهای طرح و اجرای آنها نیست، بلكه روند طرح و اجرا عموماً از جانب كارخانجات سازنده ارائه می‌شود. و انتخاب هر سيستم نيز بر پايه ملاحظات فنی و اقتصادی صورت می‌گيرد.
سيستم‌های خاک مسلح
خاک مسلح عبارت از مهار و يكپارچه نمودن اجزای ديوار به خاک پشت آن به وسيله تسمه‌های فولادی يا شبكه‌های پليمر شامل ژئوگريد و ژئوتكستايل است. در اين حالت ديوار تبديل به غشای نازكی می‌شود و شبكه‌های فولادی و پليمر مسلح كننده، خاک را تبديل به يك توده خود ايستا می‌نمايند.
خاک مسلح در واقع يك نوع مصالح مركب متشكل از خاک و مصالح مسلح كننده است كه كيفيت خاک موجود را بهبود می‌بخشند. اين مواد معمولاً به شكل نوار، شبكه، ميله، الياف يا ورقه‌هايی هستند كه نقش اصلی آنها تأمين مقاومت كششی لازم برای خاک به مقداری بيش از مقاومت كششی خاک تنها است.
مزايا و معايب خاک مسلح
مزايا و معايب سيستم خاک مسلح به شرح زير هستند.
مزایا
- سيستم خاک مسلح در مقايسه با ديوارهای حايل معمولی اقتصادی‌تر است.
- سرعت و سهولت اجرای خاک مسلح نسبت به ديوارهای حايل بيشتر است و نيازی به نيروی كارگر زياد و تجهيزات تخصصی ندارد. بسياری از اجزای اجرايی آن پيش ساخته بوده و منجر به يك اجرای دقيق و سريع خواهند شد.
- بدون توجه به ارتفاع و طول ديوار، سازه خاك مسلح در حين اجرا كاملاً پايدار است.
- سيستم‌های خاک مسلح در مقايسه با حايل‌های طره‌ای از انعطاف‌پذيری بيشتری برخور دارند (و به همين دليل به حايل‌های انعطاف‌پذير نيز مشهورند) و قادر به تحمل تغييرشكل‌ها و نشست‌های بزرگتری هستند. زمانی كه چنين تغييرمكان‌های بزرگی پيش بينی شود، تعبيه درزهای قائم لغزشی امكان حركت و تغيير مكان ديوار را تسهيل می‌كند. در صورت استفاده از حايل‌های خاک مسلح امكان كاهش ضرايب ايمنی ظرفيت باربری خاك نسبت به حايل‌های صلب معمولی وجود خواهد داشت.
- با توجه به انعطاف پذيری و خاصيت جذب انرژی توده خاک يكپارچه پشت ديوار، عملكرد لرزه‌ای ديوارهای خاک مسلح نسبت به ديوارهای حايل صلب بهتر است. در طراحی لرزه‌ای ديوارهای خاک مسلح به منظور حصول سازه شكل پذير، بايد لغزش عناصر مسلح كننده درون خاك بيشتر مورد توجه قرار گيرد تا مقاومت كششی آنها.
- پايداری سيستم خاک مسلح به لحاظ انعطاف‌پذيری و جرم بيشتر، در مقابل بارگذاری‌های ديناميكی نظير بار چرخ وسايل نقليه، آثار موج و ضربه قايق‌های كوچک بيشتر است.
معايب
- در صورت زياد بودن قليايی خاک امكان خوردگی تسمه‌های فلزی وجود خواهد داشت، لذا قبل از اجرای خاک مسلح بايد پتانسيل قليايی خاک و نرخ خوردگی تسمه‌های مزبور تعيين شود. اجرای پوشش‌های ويژه نظير گالوانيزه و چسب‌های اپوكسی با ضخامت مشخص بر روی تسمه‌های فلزی جهت كاهش خوردگی و كاهش ضخامت آنها در طول دوره بهره‌برداری مد نظر است.
- پليمرهای مختلف ويژگی‌های خزشی متفاوت دارند. بار مجاز وارد بر شبكه يا نوارهای مسلح كننده از جنس پليمر متناسب با تغيير شكل مجاز آنها است. و با در نظر گرفتن مقدار تغيير شكل خزشی تعيين می‌شود. در اين راستا تحقيقات زيادی روی رفتار تابع زمان ژئوگريدهای پليمری انجام شده است.
- اجرای سيستم خاک مسلح به لحاظ برداشتن كل خاكريز و ريختن و تراكم مجدد آن دارای عمليات خاكی بيشتری نسبت به حايل‌های معمولی خواهد بود.
- امكان خاكبرداری از خاكريزهای مسلح شده وجود ندارد، چرا كه پايداری و توان باربری سيستم به واسطه وزن خاک متكی بر تسمه‌ها يا شبكه‌های مسلح كننده تأمين می‌شود.
مقاومت اصطكاكی
بار منتقله به واسطه اصطكاک در واحد سطح مصالح مسلح كننده به ويژگی‌های فصل مشترك خاک و تسمه وابسته است. عمدتاً تابعی از ويژگی‌های هندسی و ظاهری تسمه يا ادوات مسلح كننده و همچنين رفتار تنش تغيير شكل خاک هستند. همچنين به ميزان تنش قائم ناشی از وزن خاک وارد بر تسمه كه فقط تابعی از خصوصيات وزنی خاک است، بستگی دارد. به همين دليل امكان تخمين و تعيين ضريب اصطكاک بين خاک و تسمه به صورت تحليلی وجود دارد و معمولاً تعيين اين ضريب در قالب مطالعات آزمايشگاهی نظير آزمايش بيرون كشيدن تسمه، آزمايش برش مستقيم بين خاک و ادوات مسلح كننده و ابزاربندی مدل‌های تمام مقياس و انجام آزمايش بر روی آنها صورت می‌گيرد.
با اعمال كرنش‌های برشی در خاك‌های دانه‌ای، متراكم، تمايل به اتساع در جسم خاك به وجود ميآيد. در صورتی كه با اعمال شرايط مرزی خاص از اتساع نمونه جلوگيری به عمل آيد، با افزايش تنش‌های محدود كننده (همه جانبه) موضعی، تمايل به اتساع نمونه كاهش مييابد. به همين جهت مادامی كه تمايل به اتساع خاك با افزايش عمق كاهش می‌يابد، ضريب اصطكاك بين خاك و تسمه، نيز كاهش می‌يابد.
فشار مقاوم خاک
فشار مقاوم خاک در زمان بیرون كشیدن تسمه یا سایر ادوات مسلح كننده در خلاف نیروی كششی تسمه در سطحی عمود بر محور تسمه به وجود می‌آید. در مورد سیستم‌های مسلح كننده شبكه‌ای كه در آنها فواصل بین میلگردهای عرضی (عمود بر امتداد كشش) بیش از ۱۵ سانتیمتر باشد، سهم بزرگی از مقاومت خاک به واسطه نیروی مقاوم خاک یا ظرفیت باربری خاک در وجه جلویی آرماتورهای مسلح كننده است كه در صفحه نیروی كششی در جهت عمود بر آن قرار گرفته‌اند. به گونه‌ای كه در خاکهای شن و ماسه‌ای با شبكه‌های مسلح كننده، سهم فشار مقاوم خاک در انتقال تنش بین خاک و مفتول‌های فلزی در حدود ۹۰ درصد است.
خاكریز
كاربرد سیستم‌های خاک مسلح اغلب برای پایدارسازی خاكریزهای دانه‌ای (غیرچسبنده) است. لیكن از آنجا كه سهم بیشتری از مقاومت مفتول‌ها و شبكه‌های جوش شده به واسطه فعال شدن فشار مقاوم خاک است، به همین جهت پایدارسازی خاكریزهای چسبنده نظیر رس و لای با استفاده از این قبیل وسایل به جای تسمه‌ها و نوارهای فلزی (یا غیرفلزی) كه عملكرد آنها بیشتر مبتنی بر مقاومت اصطكاكی است، امكانپذیر است. مزایای عمده خاكریزهای دانه‌ای، عدم وجود تغییر شكل‌های خزشی (تابع زمان)، زهكشی آ‌ب‌های سطحی، عدم یخبندان، و عدم خوردگی وسایل تسلیح است. در كنار این مزایا، بزرگترین عیب این مصالح هزینه زیاد است كه از این لحاظ در نقطه مقابل بزرگترین مزیت مصالح چسبنده، یعنی قابلیت دسترسی فراوان به آنها و هزینه كم خاكریزی قرار می‌گیرد.
پایداری خارجی
پایداری خارجی سیستم‌های خاک مسلح شامل كنترل لغزش بین خاك و دیوار، چرخش و واژگونی حول پنجه دیوار و كنترل ظرفیت باربری در سطح پایه، كنترل پایداری شیروانی فوقانی و كنترل نشست‌های نامساوی در طول دیوار است. در كنترل‌های فوق الذكر فرض می‌شود كه كل سیستم خاک مسلح شامل خاكریز، وسایل تسلیح، و اجزای نما به صورت واحد یكپارچه عمل می‌كنند.
واژگونی حول پنجه دیوار
سیستم خاک مسلح باید در مقابل واژگونی حول پنجه دیوار پایدار باشد. معمولاً در صورتی كه سازه به اندازه كافی انعطاف پذیر باشد، امكان چرخش آن حول پنجه كم است. در این مورد تمام سطح كف دیوار باید در تمامی تركیبات بارگذاری در تماس باسطح زمین باشد. كنترل واژگونی در مواردی كه حداقل طول تسمه‌های تقویتی حدود ۷۰ درصد ارتفاع دیوار باشد، بعضاً تعیین كننده است.
سیستم‌های پیش ساخته بتنی مدولار
سیستم‌های مدولار بتن پیش‌ساخته در واقع متشكل از بلوكهای بتنی توخالی است كه با خاک پر شده و با قفل و بست و درگیری در یكدیگر، به صورت حایل وزنی عمل می‌كنند. سرعت زیاد اجرای این سیستم معمولاً باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها نسبت به سیستم‌های متداول خاک مسلح هستند. در شرایط خاصی كه مثلاً نشست‌های نامتقارن که كنترل آنها توسط سازه دیوار لازم باشد، سازه‌ها و سیستم‌های خاصی نظیر دیوارهای حایل انبار‌های فولادی با قطعات بتن پیش ساخته، بسیار پرهزینه تر خواهند بود. اما در مجموع از دیوارهای حایل معمولی و متداول بتنی و سنگی ارزانتر هستند.
مزایا
- سیستم‌های بلوک پیش ساخته بتنی از لحاظ عملیات حفاری و محل قرارگیری نسبت به دیوارهای حایل معمولی بسیار اقتصادی هستند، بخصوص در حالاتی كه سطح دیوار بیش از ۵۰ متر مربع و ارتفاع كل دیوار بیش از ۲/۵ متر باشد.
- سرهم بندی بلو‌کهای پیش ساخته نیازی به قفل و بست و گیره و یا سایر ادوات مكانیكی ندارد و حتی استفاده مجدد از آنها نیز امكانپذیر است.
- در مورد این سیستم از هیچ گونه المان تقویتی (فلزی یا غیرفلزی) در داخل خاک استفاده نمی‌شود، به همین جهت هیچ دچار مشكل خوردگی نخواهند شد.
- انجام حفاری در خاكریز پشت دیوار، ضریب ایمنی پایداری مجموعه حایل را بر خلاف دیوارهای خاک مسلح كه نسبت به این مسئله حساس هستند، به خطر نمی‌اندازد.
معایب
حایل‌های اجراشده از بلوكهای بتنی پیش ساخته، ترکهای نسبتاً كوچكی را در محل اتصالات داخلی به یكدیگر كه عموماً ناشی از تغییر مكا‌ن‌های نامتقارن طولی است، متحمل می‌شوند. این ترکها در نشست نامتقارنی به میزان ۱ سانتیمتر در ۲ متر به وجود می‌آیند.
ملاحظات طراحی
در این مورد نیز مشابه دیوارهای حایل خاک مسلح، شركت‌های مختلف، ضوابط فنی و نقشه‌های اجرایی مربوط به محصولات خود را دارا هستند. كنترل پایداری این مجموعه مشابه دیوارهای حایل معمولی صورت می‌گیرد. و در این مورد نیز فرض بر رفتار یكپارچه سیستم مدولار بلوک بتنی پیش ساخته و خاک درون آن است. كنترل پایداری خارجی شامل كنترل لغزش در امتداد شالوده یا خاک طبیعی كف، كنترل واژگونی حول پنجه دیوار، كنترل ظرفیت باربری دیوار و كنترل نشست‌های نامتقارن و كنترل كلی پایداری شیروانی خاكریز پشت دیوار است.
ظرفیت باربری و نشست
ظرفیت باربری خاک زیر دیوار باید در حد مجاز باشد و تأمین ضریب ایمنی حداقل معادل ۳، در این مورد لازم است. در صورتی كه ضریب ایمنی مذكور تأمین نشود، آنگاه باید تمهیدات خاصی را در تسلیح خاكریز یا بهبود خواص خاک زیر پی نظیر استفاده از ستون‌های سنگی، تراكم ارتعاشی، یا تراكم دینامیكی به كار بست.
زهكشی
اجرای تمهیدات خاص جهت زهكشی خاكریز پشت دیوار و جلوگیری از اشباع شدن خاک پشت دیوار امری ضروری است. در ضمن در مورد سیستم‌هایی كه وجه آن رو به فضای باز و در نما و معرض دید است، استفاده از ور‌ق‌های ژئوتكستایل در وجه پشت دیوار در قسمت درزها به لحاظ جلوگیری از جابه‌جایی ذرات ریزدانه خاک از پشت دیوار و از لابه‌لای درزها به بیرون لازم است.
مرمت
با توجه به نو بودن این سیستم اجرایی، تجربه‌های خیلی زیادی در مورد اصول كلی ترمیم و نگهداری آنها وجود ندارد. امروزه یكی از راهحلهای متداول جهت جلوگیری از صدمات احتمالی ناشی از نشست‌های نامتقارن قائم، جایگزینی مقطع دیوار با مقطعی است كه حساسیت كمتری نسبت به این نشست‌های نامتقارن داشته باشد. نظیر سیستم خاک مسلح با درزهای قائم یا یك دیوار انباره فولادی و چیدن یک ستون سنگی در جلوی دیوار كه راهحلهای موجود هستند.
