مراحل طراحی و اجرای مهار متقابل (استرات)
حساس ترین موضوع در طراحی سیستم پایدارسازی به روش سازه نگهبان مهار متقابل (Braced excavation) بارگذاری استرات هاست (struts) که به صورت معمول با توجه به تفاوت بار جانبی، عمق استرات ها، زمان بین گودبرداری هر تراز و نصب استرات ها میتواند متفاوت باشد. شکست یک استرات (strut) میتواند فاجعه بار باشد زیرا می تواند منجر به تخریب کل سیستم پایدارسازی گود شود. آنالیز نیرو و تغییر شکل در سازه های نگهبان مهار متقابل (استرات) در گودبرداری می بایست با توجه به مراحل اجرا و روش های عددی مشابه اجزا محدود انجام گردد.
روش های نیمه تجربی معمولا در مورد گودهای با عمق کم و یا به منظور طرح اولیه در گودبرداری های با عمق بالا (deep excavations) استفاده می شوند. در این مطلب، اطلاعات و توصیه هایی جهت ارزیابی نحوه توزیع فشار خاک مورد استفاده در طراحی دیوارهای با اجزا انعطاف پذیر در پایدارسازی دائم یا موقت گود به روش مهار متقابل (استرات) ارائه خواهد شد.
روش های ارزیابی فشار خاک برای این نوع از دیواره های مهار شده با استرات شامل استفاده از فشار خاک اعمال شده، انواع گوه های لغزش و محاسبات تعادل حدی است.
نمودارهای فشار خاک ارئه شده، نمودارهای نیمه تجربی هستند که به صورت کلی توسط آقایان ترزاقی و پک (1967) و پک (1969) به منظور طراحی محافظه کارانه استرات ها در گودبرداری های به روش مهار متقابل ارائه شده اند. این نمودارها برای خاک های همگن با شرایط زیر توسعه داده شده اند:
- بارگذاری زهکشی شده در خاک های ماسه ای
- بارگذاری زهکشی نشده در خاک های رسی سخت
- بارگذاری زهکشی نشده در خاک های رسی نرم تا معمولی
از سال 1969 میلادی اصلاحاتی در نمودارهای اصلی فشار ظاهری خاک بر استرات ها پیشنهاد گردید. دو سری از این اصلاحات مربوط به هنکل (1971) و FHWA-RP-97-130 (1998) می باشد.
دیاگرام های فشار خاک ارائه شده در این مطلب بر اساس دیاگرام های ترزاقی و پک (1967) جهت گودبرداری های پایدار شده با روش مهار متقابل (استرات) و نتایج تحقیقات بدست آمده از مقیاس واقعی و مدلسازی میباشد.
پوش نمودارهای فشار ظاهری خاک ترزاقی و پک به صورت مستطیلی و یا ذوزنقه ای است که در شکل های زیر آورده شده است. این نمودار ها بر اساس فاکتورهای زیر توسعه یافته است:
- عمق گودبرداری به روش مهارمتقابل بزرگتر از 6 متر و نسبتا عریض در نظر گرفته شده است و جابجایی دیوار به اندازه کافی بزرگ لحاظ شده است که مقاوت برشی خاک بسیج شده باشد.
- در خاک های ماسه ای تراز آب زیرزمینی پایین تر از تراز گودبرداری و در خاک های رسی عمق آب زیرزمینی دارای اهمیت نمی باشد. به طور خاص بارگذاری آب زیرزمینی در این آنالیز لحاظ نمی شود.
- توده خاک به صورت همگن و رفتار خاک در برش برای ماسه به صورت زهکشی شده و برای رس ها به صورت زهکشی نشده لحاظ شده است.
- نمودارهای بارگذاری صرفا جهت بخش نمایان دیواره گودبرداری کاربرد دارند و مربوط به بخش مدفون دیوار زیر تراز گودبرداری نمی شوند.
نمودار پوش فشار ظاهری خاک ترزاقی و پک جهت نیروی استرات ها در سیستم پایدارسازی مهارمتقابل
- دیاگرام فشار ظاهری خاک توصیه شده برای خاک های ماسه ای
Ka=tan²(45-ø'/2)
´Ø: زاویه اصطکاک موثر خاک
و فشار جانبی ماکزیمم خاک عبارت است از:
p=0.65 KaYH
دیاگرام پوش فشار ظاهری خاک ماسه ای برای دیوارهای با یک ردیف استرات و دو ردیف یا بیشتر استرات به صورت ذوزنقه ای و مشابه تصویر زیر می باشد.
نمودار ذوزنقه ای فشار خاک با توجه به شرایط زیر نسبت به نمودار مستطیلی مناسب تر است:
- به دلیل پدیده قوس شدگی یا آرچینگ، فشار خاک در محل انکر و یا استرات ها متمرکز می شود.
- فشار خاک صفر در سطح زمین در خاک ماسه ای در حالتی که سربار در نظر گرفته نشود منطقی است.
- فشار خاک از سطح زمین تا اولین تراز استرات افزایش می یابد.
- برای خاک ماسه ای با تراکم متوسط به بالا، فشار خاک از تراز پایین ترین ردیف استرات کاهش می یابد که مربوط به فشار مقاوم خاک در تراز زیر سطح گود می باشد.
برای دسته بندی خاک های رسی جهت محاسبه فشار ظاهری خاک در مهارمتقابل (استرات) از یک پارامتر ثابت SN استفاده میشود که توضیحات آن در تصاویر زیر آورده شده است.
واحدهای استاندارد SI عبارتند از: (γ (kN / m3) ، Cu (kPa و (H (m
- مثال محاسبه بار در استرات:
به منظور طراحی سازه مهار متقابل (استرات) پس از محاسبه نیروها و فشار خاک، می توان از نرم افزارهای اجزا محدود مشابه etabs و sap2000 استفاده کرد. همچنین جهت کنترل تغییرمکان و نیروهای وارد بر سازه می توان نرم افزارهای اجزا محدود مشابه plaxis یا آباکوس را به کار برد.
- تعیین عمق نفوذ عضو قائم سازه مهارمتقابل در خاک زیر تراز گودبرداری
شکل زیر به صورت کلی رابطه بین عمق نفوذ دیواره پیرامونی، توزیع فشار جانبی خاک و تغییر شکل دیواره مهارمتقابل را نشان می‌دهد.
قسمت گیردار H-Pile و یا دیوار مهارمتقابل، تحت فشار مقاوم خاک می‌بایست قادر به تحمل فشار جانبی اعمال‌شده در تراز نهایی گودبرداری به همراه ضریب اطمینان کافی باشد. مقاومت شمع‌ها و دیوارهای تحت بار جانبی با اجزای مجزا (نظیرH-Pile) در زیر سطح خاکبرداری با استفاده از رابطه Broms (1965) محاسبه می‌گردد.
مقاومت فشار مقاوم برای دیوارهای با شرایط مختلف
مقاومت فشار جانبی مقاوم در شمع، سولجرها و دیوارهای میانی مهار متقابل تحت بار جانبی همچنین می تواند با روابط مقاومت فشار جانبی مقاوم Wang & Reese (1986) برای دیوارهای حفاری شده طره ای محاسبه گردد. روابط Wang & Reese چندین حالت پتانسیل گسیختگی برای شمع های تحت بار جانبی در خاک های ماسه ای و رسی را در نظر گرفته است. همچنین تاثیر فاصله بین شمع ها و خاک مابین آن ها در نظر گرفته شده است. برای شمع های کوبشی عرض بال و برای شمع های بتنی درجا ریز قطر شمع بتنی به منظور محاسبات مقاومت جانبی لحاظ می شود. در روابط بالا برای مقاومت فشاری مقاوم خاک در تراز زیر عمق گودبرداری نسبت به فشار ظاهری خاک بر روی دیوار، ضریب اطمینان 1.5 منظور می گردد. حداقل طول مدفون شمع زیر تراز گودبرداری در پایدارسازی به روش مهار متقابل (استرات) یا انکراژ معمولا 20 درصد عمق گود در نظر گرفته می شود.
مراحل اجرای سازه نگهبان مهار متقابل (استرات)
1- نصب اعضای قائم با درنظر گرفتن ریشه گیرداری (میزان تقریبی20 تا 30 درصد عمق گود) پایین تر از تراز کف گودبرداری.
2- قراردادن پروفیل مستصیلی، I یا H شکل درون چاه یا کوبیدن سپر و یا اجرای شمع بتنی درجا
3- شروع گودبرداری تا تراز پایین‌تر از تراز قرارگیری اولین ردیف استرات ها و نصب آن ها.
4- ادامه گودبرداری و به همین ترتیب نصب اعضای کمرکش (wale) و استرات ها.
5- استفاده از الوارهای چوبی یا اعضای مناسب دیگر مانند مش و شاتکریت مابین اعضا قائم در هر تراز گودبرداری.
مزایای روش سازه نگهبان مهار متقابل (استرات)
1- سرعت اجرای زیاد در گودبرداری‌های کم عرض
2- هزینه کم نسبت به روش های متناظر مانند سازه نگهبان خرپایی در شرایط مناسب
3- مناسب در تونل‌ها، محل‌های لوله گذاری و کانال‌های کم عمق با عرض کم
4- گودبرداری و پایدارسازی همزمان
5- اشغال فضای کم در گودبرداری‌های با عرض کم
پایدارسازی گود به روش مهارمتقابل
منبع: FHWA-IF-99-015
تاریخ انتشار: ۱۳۹۹/۰۹/۲۸