انواع ديوارها
ديوار حايل، ديواری است كه فشار ناشی از وضعيت موجود در اختلاف تراز به وجود آمده به علت خاكريزی، خاكبرداریی يا عوامل طبيعی را به صورت پايدار حفظ نمايد. ديوار سيل بند ديواری است كه علاوه بر آن، وظيفه محافظت منطقهای را از ورود سيلاب به آن عهدهدار است. به علاوه ديوارهای ساحلی نيز وجود دارند كه وظيفی آنها محافظت منطقی ساحلی از خسارات ناشی از ضربه امواج و بالا آمدن آب دريا در حين طوفان است. سطح ديوارهای ساحلی دارای هندسه و انحنای خاصی برای استهلاك انرژی امواج برخوردكننده است. اختلاف عمده ديوارهای حايل معمولی با ديوارهای سيل بند و يا ساحلی وجود آب در دو مورد اخير به عنوان عامل فرسايش دهنده و ايجادكننده اضافه فشار خارجی است.
انواع ديوارها حايل
ديوارها حايل را می توان از نظر مصالح، روش اجرا، كاربری و عملكرد رده بندی كرد. از لحاظ عملكرد سازهای انواع متعارف ديوارهای حايل به شرح زير است.
ديوارهای حايل صلب
ديوارهایی را گويند كه خود را با نشست های محيط ميزبان هماهنگ نمینمايند. انواع متداول آنها عبارتند از :
- ديوارهای حايل وزنی (بنایی و بتنی)
- ديوارهای حايل غيروزنی (طرهای و پشت بنددار و …)
- ديوارهای حايل عميق (سپرهای بتنی)
ديوارهای حايل انعطاف پذير
ديوارهایی را گويند كه خود را با نشستهای محيط ميزبان هماهنگ مینمايند. انواع متداول آنها عبارتند از:
- ديوارهای خاك مسلح با تسمههای فولادی
- ديوارهای خاك مسلح با شبكههای پليمری
- ديوارهای حايل توری سنگی
- ديوارهای قفسهای
- سپرهای فولادی
ديوارهای حايل وزنی
ديوارهای حايل وزنی شامل ديوارهای بنايی (به طور معمول سنگی)، و ديوارهای حايل بتن غيرمسلح هستند. هندسه اين ديوارها طوری انتخاب میشود كه برآيند نيروهای وارد بر آن (شامل وزن و نيروهای جانبی) در هسته قاعده و يا مقاطع افقی آن قرار گيرد. در مواقعی تنش كششی ناچيزی در مقاطع افقی ديوار يا منطقه بدون فشار در قاعده ديوار مجاز است.
ديوارهای حايل غيروزنی
ديوار حايل طرهای از ديوار و شالوده بتن مسلح تشكيل میيابد كه طرح هندسی مقطع آن شبيه به وارونه است. ديوار و شالوده برای مقابله با نيروی برشی و لنگر خمشی ناشی از بارها و فشارهای خارجی، با استفاده از آرماتور، مسلح میشود. عرض پايه طوری انتخاب میشود كه از واژگونی و لغزش ديوار جلوگيری به عمل آمده و تنش تماسی خاك در زير آن از مقدار مجاز كمتر باشد. تراز زير شالوده بايد پايينتر از عمق يخبندان باشد. در مقايسه با ساير ديوارهای غيروزنی، ديوار حايل طرهای از همه سادهتر و معمولتر است. ديوارهای بتن آرمه پشت بنددار هر چند كه ممكن است در مصرف بتن و آرماتور صرفه جویی به عمل آورند، اما به علت مشكلات قالب بندی و اجرایی چندان مورد استقبال قرار نمیگيرد.
ديوارهای حايل انعطاف پذير
ديوارهای حايل ساخته شده با اين روشها، علاوه بر تازگی، خصوصيت بارزی دارند كه آنها را از ديوارهای قبلی متمايز میكند. اين خصوصيت انعطاف پذيری آنها و قابليت تطبيق با نشستهای طبيعت است كه روشهای سنتی فاقد آن هستند. به همين دليل در مقابل روشهای سنتی كه ديوارهای صلب ناميده میشوند، روشهای نوين به ديوارهای انعطاف پذير معروف هستند. هر چند كه هزينه اوليه اين ديوارها نسبت به ديوارهای صلب كمتر
است، ولی بايد به عمر كمتر آنها در مقام مقايسه با ديوارهای صلب توجه خاص نمود و در مقايسه گزينهها آن را مد نظر گرفت.
مبانی طراحی دیوارهای حایل
ديوار حايل ديواری است كه برای حفظ پايداری توده خاك در فصل مشترك يك اختلاف ارتفاع مورد استفاده قرار میگيرد. ديوار سيلبند علاوه بر وظيفه فوق، بايد از فرسايش جدارهها و سر ريزشدن سيلاب به منطقه مورد محافظت جلوگيری نمايد. ديوار سيلبند علاوه بر فشار خاك، تحت تأثير فشار ناشی از سيلاب، آب زيرزمينی و بركنش (نيروی ارشميدس) نيز است. يك ديوار در يك تركيب بارگذاری میتواند در رده ديوار حايل و در تركيب بارگذاری ديگر، به عنوان ديوار سيلبند تلقی شود.
زهکشی
طراحی دیوارهای حایل و ديوارهای سيلبند در مقابل افزايش فشار حفرهای آب به هر دليل (چه به علت افزايش تراز آب زيرزمينی و چه به علت زلزله) حساس هستند. لذا بايد سهولت زهكشی در آنها فراهم شود. اين سهولت به كمك تدابير زير حاصل میشود.
- استفاده از مصالح دانه درشت و تميز به عنوان مصالح پركننده در پشت ديوار
- تعبيه لولههای زهكش در بدنه ديوار به منظور تسهيل خروج آبهای جمع شده در پشت ديوار
نیروهای موثر بر طراحی دیوارهای حایل
ديوارهای حايل يا سيل بند بايد تحت اثر بارهای زير و يا تركيبات نامساعدی از آنها مورد طراحی یا محاسبه قرار گيرند.
- بار مرده
- وزن خاك
- فشار جانبی خاك
- فشار آب زيرزمينی
- فشار برخاست (بركنش)
- فشار جانبی ناشی از سربار
- فشار برخورد امواج
- نيروهای زلزله
- فشار يخ
تركيبات بارگذاری طراحی دیوارهای حایل
حالت R1 – بارهای عادی
در اين حالت خاك پشت ديوار تا تراز نهايی در نظر گرفته میشود. اگر سربار وجود داشته باشد، پايداری بايد هم با اعمال سربار و هم بدون آن كنترل شود. در صورت وجود هر نوع فشار جانبی يا برخاست (بركنش) به علت فشار آب، خاك پشت ديوار به دو صورت خشك 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 اين تفاوت كه تراز آب در پشت ديوار در بالاترين سطح محتمل منظور میشود. همچنين در اين حالت بارهای آنی نظير باد شديد، سربار تجهيزات در حين اجرا و هر نوع سربار موقت در تركيب بار در نظر گرفته میشوند.
حالت R3 – بارگذاری زلزله
این حالت شبیه حالت R1 به علاوه آثار مؤلفههای افقی و قائم شتاب زلزله در خاك، آب و ديوار است. فشار برخاست مشابه حالت R1 است.
ضوابط پايداری طراحی دیوارهای حایل
ضوابط پايه برای پايداری دیوارهای حایل، سيل بند و ساحلی برای تمام شرايط بارگذاری به شرح زير است.
- ديوار بايد در مقابل لغزش پايه (شالوده) در داخل هر يك از لايههای خاك يا سنگ زير بستر ايمن باشد.
- ديوار بايد در مقابل واژگونی نسبت به پايه خود ايمن باشد. و همچنين در ديوارهای وزنی اين ايمنی بايد نسبت به هر تراز افقی داخل ديوار تأمين شود.
- ديوار بايد در مقابل گسيختگی زمين بستر و نشستهای نامتقارن بيش از حد شالوده ايمن باشد.
ديوار با زبانه برشگير
برای انجام محاسبات پايداری واژگونی در ديوارهای دارای زبانه برشگير، لازم است نيروهای مقاوم اعمالی بر زبانه و پايه مشخص شوند. از آنجايی كه اين نيروها نامعين هستند و نمیتوان آنها را با روشهای تعادل به دست آورد، فرضيات زير براي انجام محاسبات پايداری واژگونی انجام میشود.
- در ديواری با پايه افقی و زبانه برشگير، مقاومت برشی پايه مساوی صفر در نظر گرفته میشود و نيروهای افقی بر زبانه برشی وارد میشوند كه به وسيله معادلات تعادل محاسبه میشوند.
- در همه حالتها، نيروی مقاوم را میتوان با در نظر گرفتن فشار سكون خاك محاسبه كرد. به شرطی كه مصالح سمت مقاوم، مشخصات مقاومتی خود را با هر نوع تغيير احتمالی در ميزان آب يا شرايط محيطی از دست نداده و در طول عمر ديوار در معرض فرسايش يا حفاری قرار نگيرند. قبل از انجام محاسبات پايداری واژگونی، ارتفاع زبانه برشی و عرض پايه بايد از تحليل پايداری لغزش مشخص شده باشند.
تحليل پايداری لغزشی در طراحی دیوارهای حایل
هدف از انجام تحليل پايداری لغزشی، تعيين ايمنی سازه در مقابل پتانسيل گسيختگی ناشی از تغيير مكانهای افقی بيش از حد است. ضريب ايمنی در مقابل لغزش را میتوان با تعيين نسبت نيروهای برشی وارده، به نيروهای برشی مقاوم در امتداد يك سطح گسيختگی فرضی، بررسی نمود. گسيختگی لغزشی وقتی كه نسبت نيروهای برشی وارده به نيروهای برشی مقاوم كوچكتر از ۱ باشد، منتفی خواهد بود.
مدل تحليل صفحه گسيختگی در طراحی دیوارهای حایل
در تعيين مدل تحليلی صفحه گسيختگی عوامل زير بايد مورد توجه قرار گيرد.
- شكل سطح گسيختگی بسته به يكنواختی و يكسانی مصالح خاكريز و زير شالوده متغير است. سطح گسيختگی را میتوان به صورت هر نوع تركيبی از سطوح خميده و صفحهای در نظر گرفت، ليكن برای سادهسازی و سهولت، همه سطوح گسيختگی به صورت صفحهای در نظر گرفته میشوند.
- به جز در حالتهای بسيار ساده، بيشتر مسائل عملی پايداری لغزش كه مهندسين با آن مواجه هستند، از لحاظ استاتيكی نامعين است. برای تبديل مسئله نامعين فوق به يك مسئله معين استاتيكی، با تقسيم كل سيستم به تعدادی گوه صلب كه تعادل لنگر نيروهای موجود بين گوهها در هر امتداد دلخواه برقرار باشد و از نيروهای اصطكاك بين گوهها صرفنظر شود مسئله ساده میشود.
- در تحليل لغزش، ديوار (حايل يا سيلبند) و خاك در تماس با آن (احاطه كننده) به صورت مجموعهای از گوهها در نظر گرفته میشود. سيستم خاك سازه به يك يا چند گوه (يك گوه سازهای و يك يا چند گوه مقاوم) تقسيم میشود.
صفحه گسيختگی بحرانی در طراحی دیوارهای حایل
با استفاده از سعی و خطا میتوان صفحه گسيختگی بحرانی را تعيين نمود. برای ضريب ايمنی مشخص، شيب پايه هر گوه برای حصول حداكثر نيروی محرك در گوه محرك يا حداقل نيروی مقاوم در گوه مقاوم تغيير داده میشود. مقدار ضريب ايمنی در نظر گرفته شده، در شيب بحرانی پايه گوه فرضي مؤثر است. ضريب ايمنی آنقدر تغيير میيابد تا سطح لغزشی ايجاد شود كه تعادل را برقرار مینمايد. صفحه گسيختگی كه با اين روش به دست ميآيد، صفحه گسيختگی با حداقل ضريب ايمنی است كه به آن صفحه گسيختگی بحرانی گويند.
ضريب ايمنی لغزش در طراحی دیوارهای حایل
براي تخمين و تعيين پايداری در مقابل لغزش، تحليل تعادل حدی به كار گرفته میشود. در اين تحليل ضريب ايمنی بر پارامترهای مقاومتی مصالح كه بر پايداری لغزشی مؤثر هستند اعمال میشود. ضريب ايمنی به نحوی اعمال میشود كه تعادل نيروهای وارد بر گوههای خاك و سازه برقرار باشد. از آنجايی كه پارامترهای مقاومتی بر جای سنگ و خاك كاملاً دقيق نیستند، نقش ضريب ايمنی بهبود عدم قطعيتهای موجود در مقادير مشخص شده است. به عبارت ديگر ضريب ايمنی نشان دهنده اختلاف بين مقاومت برشی واقعی و مقاومت برشی در نظر گرفته شده برای تحليل است.
فرضيات و ساده سازیها
سطح لغزش
سطح لغزش میتواند تركيبی از سطوح منحنی يا صفحهای باشد، ليكن برای سهولت همه سطوح بهصورت صفحهای در نظر گرفته میشوند. اين صفحات مجموعه سطوح پايين گوهها هستند. برای آنكه تحليل واقعی باشد بايد صفحات لغزش از لحاظ هندسی امكان حركت را داشته باشند. در بسترهای سنگی، درزها و شكافها، سطوح مستعد لغزش هستند.
تحليل دوبعدی
تحليل حدی ارائه شده يك روش تحليل دوبعدی است. اگر مشخصات هندسی و بارهای بحرانی مؤثر بر پايداری لغزشی يك سازه خاص به صورت سه بعدی باشند، روش تحليل فوق بايد برای يك تحليل سه بعدی تعميم داده شود.
تعادل نيروها
در اين بررسی فقط تعادل نيروها لازم است و تعادل لنگرها لازم نيست. از نيروهای برشی موازی فصل مشترك دو گوه صرف نظر میشود. بنابراين قاعده هر گوه تحت تأثير نيروهايی قرار میگيرد كه در بالا و پايين آن قرار دارند. همچنين هيچ گونه واكنش قائمی بين دو سطح در تماس گوهها در نظر گرفته نمیشود. فرض میشود كه برآيند نيروهای مؤثر بر هر گوه افقی هستند.
رابطه بين نيروهای برشی و عمودی
فرض میشود بين نيروی برشی مقاوم و نيروی عمودی وارد بر قاعده سطح لغزش يك رابطه خطی وجود دارد. اين رابطه با معيار گسيختگی مور كولمب بيان میشود.
گوه سازهای
در رابطه سازی عمومی، فرض میشود كه در گوه سازهای، نيروهای برشی در مرزهای قائم گوه وجود ندارد. بنابراين از آنجايي كه سازههای بتنی ظرفيت انتقال نيروی برشی زيادی را در امتداد صفحات قائم داخلی خود دارند لذا فقط يك گوه سازهای میتواند وجود داشته باشد. ناپيوستگي در مسير لغزش زير گوه سازهای بايد با در نظر گرفتن يك صفحه لغزش ميانگين در امتداد پايه گوةه سازهای مدل شود.
نكات طراحی دیوارهای حایل
آثار ترک در پی
در تحليل پايداری لغزشی بايد آثار تركهای ناشی از اختلاف نشست، افتی يا درزههای بين سنگها در سمت محرك گوه سازهای را در نظر گرفت.
نيروی مقاوم
در صورتی كه از نيروی مقاوم استفاده میشود، نكات خاصی را بايد در نظر گرفت. بستر سنگی يا خاكی كه تحت اثر جريان آب با سرعت زياد است، نبايد مورد استفاده قرار داد مگر در مقابل اين جريان محافظت شوند. همچنين مقاومت فشاری لايههای سنگی بايد به حدی باشد كه گوه مقاوم تشكيل شود. در برخی حالات گوه مقاوم نبايد بدون مسائل خاص در نظر گرفته شود، نظير مهاریهای سنگ.
توضیحات بیشتر در زمینه طراحی دیوارهای حایل در نشریه شماره ۳۰۸ است.
