مهار اصطکاکی یا انکراژ و عملکرد آن

مهار اصطکاکی یا انکراژ و عملکرد آن

 

پیشینه

سیستم مهاری اولین بار در کشور آمریکا و به‌منظور پایدارسازی گودبرداری­ها در حالت موقت صورت گرفت. استفاده از این روش نسبت به روش­های مشابه به لحاظ فنی، زمانی و اقتصادی دارای مزایای بسیاری است برای مثال مزایای استفاده از این روش در گودبرداری­ها همراه با دیوار نگهبان به شرح است:

بین سال­های ۱۹۸۸ تا ۱۹۹۹ دو جلد کتاب راهنما توسط سازمان فدرال بزرگراه­های آمریکا[۱] (Federal Highway Administration, FHWA) در این زمینه به چاپ رسیده است.

 

سیستم مهاری یا انکراژ چیست؟

 

اجزاء تشکیل‌دهنده

 

مهار یک عنصر سازه­ای برای انتقال نیروی کششی به زمین می­باشد که در یک گمانه پرشده از دوغاب قرار می­گیرد. اعضای اصلی سیستم مهاری در شکل زیر ارائه شده است.

 

اجزاء تشکیل‌دهنده سیستم مهاری
اجزاء تشکیل‌دهنده سیستم مهاری

 

سیستم سر مهار از صفحه زیر سری، مهره سر و شیپوریکه نیروی پیش تنیدگی را از قسمت فولادی (که می­تواند کابل یا آرماتور باشد) به سطح زمین یا سازه نگهبان انتقال می­دهد، تشکیل شده است. در شکل­های زیر اجزاء تشکیل‌دهنده سیستم سر مهار با استفاده از کابل و آرماتور نشان داده شده است.

 

اجزاء تشکیل‌دهنده سر مهار در هنگام استفاده از آرماتور
اجزاء تشکیل‌دهنده سر مهار در هنگام استفاده از آرماتور

 

اجزاء تشکیل‌دهنده سر مهار در هنگام استفاده از کابل
اجزاء تشکیل‌دهنده سر مهار در هنگام استفاده از کابل

 

طول آزاد قسمتی است که به‌طور آزادانه کشیده می­شود و نیروی مقاوم را از طریق طول گیردار به سطح زمین و یا پایه نگهبان انتقال می­دهد. طول گیردار قسمتی است که با تزریق دوغاب در اطراف قسمت مسلح کننده (کابل یا آرماتور) به‌واسطه اصطکاک دوغاب با جداره نیروی پیش تنیدگی موجود در قسمت مسلح کننده را تحمل و به زمین انتقال می­دهد. لازم به ذکر است محل قرارگیری قسمت گیردار همواره باید در قسمت مقاوم خاک و بعد از گوه محرک باشد. به قسمت مسلح کننده مهار، تاندونمی­گویند که از: عنصر سازه­ای پیش‌تنیده (آرماتور یا کابل)، روکش، محافظ در برابر خوردگی، مرکزی­ساز و جداکننده تشکیل شده است.

 

روکش یا غلاف، لوله یا جداره لغزنده­ای است که قسمت آزاد تاندون را در برابر خوردگی محافظت می­کند. مرکزی­ساز هم حداقل پوشش لازم دوغاب در اطراف تاندون را فراهم می­کند. جداکننده­ها تأثیر انتقال نیرو از دوغاب به تاندون­ها را (در اکثر موارد از چند رشته تاندون استفاده می­شود) افزایش داده و جدا کردن کابل­ها یا آرماتورها را بر عهده دارند. دوغاب از سیمان پرتلند تشکیل شده که باعث می­شود نیروها از تاندون به زمین منتقل شوند و همچنین از خوردگی تاندون جلوگیری می­کند.

انواع مهارها

به‌طورکلی مهارها به چهار نوع زیر تقسیم می­شوند:

شکل زیر روش­های فوق را به‌صورت شماتیک نشان می­دهد. در ادامه توضیح مختصری در مورد هریک از روش­های فوق ارائه خواهد شد.

 

انواع مهارها
انواع مهارها

 

مهار با تزریق ثقلی دوغاب

این روش معمولاً در سنگ­ها و یا در خاک­های چسبنده خیلی سفت تا سخت به‌کاربرده می­شود. روش حفاری معمولاً به‌صورت دورانی و یا چرخشی اوگر است. با توجه به اینکه تزریق به‌صورت ثقلی انجام می­گیرد معمولاً با استفاده از لوله‌ترمی، عملیات تزریق از انتهای گمانه به سمت بالا انجام می­شود. درصورتی‌که جنس مصالح محل ریزشی باشد می­توان از لوله جدار نیز بهره برد.

 

مهار با تزریق با فشار دوغاب

این روش معمولاً در خاک­های دانه­ای و یا سنگ­های خردشده و به‌شدت هوازده کاربرد دارد. در این روش دوغاب با فشاری بیشتر از ۳۵/۰ مگا پاسکال در طول گیردار تزریق می­شود. روش حفاری معمولاً به‌صورت چرخشی اوگر و یا دورانی همراه با لوله جدار می­باشد. در این روش مهار نسبت به تزریق ثقلی با توجه به افزایش تنش نرمال (تنش همه‌جانبه) به دلیل تراکم بیشتر خاک اطراف گمانه و نفوذ دوغاب به اطراف و درنتیجه افزایش قطر قسمت گیردار، دارای مقاومت بیرون کشیدگی و یا گسیختگی بیشتری می­باشد.

 

مهار با تزریق دوغاب در چند مرحله

در این روش به‌منظور افزایش قطر و مقاومت مهار، پس از تزریق ثقلی اولیه، عملیات تزریق مجدداً و در چند مرحله و با فشار انجام می­شود. مراحل تزریق با فواصل زمانی یک تا دو روز از یکدیگر انجام می­گیرند. در این روش شلنگ تزریق به‌صورت دائم در کنار کابل­ها به داخل گمانه هدایت می­شود که مجهز به تعدادی شیرهای کنترلی در قسمت گیردار می­باشد. این شیرها اجازه تزریق با فشار بالا را داده و باعث می­شود دوغاب قبلی شکسته و به‌صورت گوشه­دار در خاک اطراف فرورفته و ضمن افزایش سطح تماس با توجه به شکل ناهمگون آن ظرفیت کششی را نیز افزایش دهد.

 

مهار در گمانه برقو زده‌شده

در این روش که تنها در کشورهای اروپایی استفاده شده است، تزریق به‌صورت ثقلی بوده و حفاری به‌صورت دستی انجام می­شود که در قسمت گیردار، قطر گمانه در فواصل مشخص افزایش یابد. مزیت این روش بهره­گیری از مقاومت نوک علاوه بر مقاومت اصطکاکی می­باشد. این روش معمولاً در خاک­های چسبنده سخت کاربرد دارد.

 

جنس اجزاء تشکیل‌دهنده تاندون

 

۱- مصالح دوغاب

دوغاب مصرفی معمولاً از ترکیب سیمان با آب و بدون مصالح دانه­ای به دست می‌آید. در مهارهای با قطر زیاد علاوه بر سیمان و آب از ماسه نیز استفاده می­شود. استفاده از همزن­های با سرعت بالا به‌منظور اطمینان از اختلاط همگن رایج می­باشد. نسبت وزنی آب به سیمان بین ۴/۰ تا ۵۵/۰ می­باشد که حداقل مقاومت فشاری ۲۱ مگا پاسکال را در زمان کشش تأمین نماید. سیمان مصرفی معمولاً از نوع سیمان پرتلند تیپ I می­باشد و از افزودنی­ها مگر در شرایط آب­وهوایی خاص استفاده نمی­شود.

 

۲- دیوار نگهبان

دیوار نگهبان از اجزاء مهم سیستم مهاری است که وظیفه انتقال نیروی پیش تنیدگی از مهار به رویه خاک را بر عهده دارد، که درنهایت به ساخت دیواری با طول گیرداری کم با حداقل تغییر شکل و ضریب اطمینان پایداری منجر می­شود. به‌طورکلی این دیواره می­تواند به‌صورت قسمت­های مجزا یا همان پایه نگهبان و یا به‌صورت ممتد مانند سپرها اجرا شود. پایه­های نگهبان معمولاً به‌صورت شمع­های درجای بتنی، شمع­های کوبشی و شمع­های فولادی می­باشد. درحالی‌که دیوارهای ممتد معمولاً به‌صورت شمع­های درجا با همپوشانی، دیوار بتنی، سپرکوبی، ستون­های اختلاط عمیق خاکو ستون­های تزریق با فشار بالااجرا می­گردد.

سیستم­های مهاری برای دو حالت کلی کوتاه­مدت و بلندمدت طراحی می­شوند. در حالت بلندمدت علاوه بر در نظر گرفتن نیروی زلزله در طراحی­ها، نیاز به یک دیوار دائم بر روی دیوار نگهبان به‌منظور محافظت در برابر خوردگی الزامی است که می­تواند به‌صورت دیوارهای بتنی باشد. در شکلی که در ادامه امده است مراحل اجرای یک سیستم کامل مهاری به‌صورت شماتیک نشان داده شده است. در سیستم پایه نگهبان معمولاً فواصل بین پایه­های نگهبان ۵/۱ تا ۳ متر در نظر گرفته می­شود. به‌منظور جلوگیری از ریزش­های سطحی و فرسایش خاک از اجزای افقی استفاده می­گردد که در پله­های خاک‌برداری ۲/۱ تا ۵/۱ متری نصب می­شود. جنس این اجزاء معمولاً از نوع الوارهای چوبی است. این اجزاء هم در بین پایه­های نگهبان نصب می­شوند. فاصله کم بین آن‌ها به‌منظور انجام عملیات زهکشی در نظر گرفته می­شود تا از تجمع آب در پشت آن‌ها جلوگیری به‌عمل‌آمده و فشار آب منفذی اضافی تولید نشود.

 

مهار اصطکاکی یا انکراژ و عملکرد آن

 

۳- مبانی طراحی سیستم مهاری

هدف اصلی از اجرای سیستم مهاری ایجاد یک توده پایدار خاک است که در مقابل انواع مکانیسم­های گسیختگی مقاوم باشد و با سطح قابل قبولی، قابلیت بهره­برداری را داشته باشد. در شکل زیر حالات مختلف گسیختگی به‌صورت شماتیک نشان داده شده است که در مراحل بعدی توضیح مختصری درباره آن‌ها ارائه خواهد گردید.

 

مکانیسم¬های گسیختگی سیستم مهاری
مکانیسم های گسیختگی سیستم مهاری

 

طرح باید جابجایی خاک و دیوار را به مقدار مجازی، محدود نماید و درعین‌حال اقتصادی هم باشد. در طراحی رعایت میزان بسیج شدن مقاومت خاک و مهار در مقابل بارهای وارده الزامی است. مقدار نیروی مهارها از تأمین تعادل دیوار در مقابل نیروهای خاک، آب و بارهای خارجی به دست می­آید. مهارها می­توانند نیروی لازم جهت پایداری را به فاصله­ای مناسب خارج از ناحیه محرک خاک انتقال دهند که درنتیجه باید طول قسمت گیردار آن‌ها به‌اندازه‌ای باشد که خارج از ناحیه محرک خاک قرار گیرد. طول گیردار باید از تمامی سطح­های احتمالی لغزش عبور کرده و مقدار عمق نفوذ مهار با توجه به عمیق­ترین لغزش احتمالی تعیین می­شود. در شکل زیر حداقل فاصله لازم تا گوه محرک و در نظر گرفتن عمیق­ترین گوه لغزش مشاهده می­شود.

 

محل قرارگیری قسمت گیردار مهار

محل قرارگیری قسمت گیردار مهار

درنتیجه برای ایجاد یک سطح جدید و تأمین پایداری گودبرداری با سیستم مهاری باید مراحل زیر انجام شود:

 

۴- مکانیسم­ های گسیختگی

گسیختگی بین تاندون و دوغاب

پیوستگی بین دوغاب و تاندون به سه عامل زیر بستگی دارد:

گسیختگی هنگامی رخ می­دهد که حداکثر مقاومت پیوستگی بین دوغاب و تاندون تقریباً در تمام طول گیردار بسیج شده باشد پس‌ازاین لغزش فقط مقاومت اصطکاک باقی می­ماند (که برآورد می­شود حدود نصف مقاومت پیوستگی باشد. تجربه نشان می­دهد که مقاومت پیوستگی بین دوغاب و تاندون به‌طور خطی با افزایش مقاومت فشاری دوغاب افزایش نمی­یابد مثلاً برای دوغاب با مقاومت فشاری ۶/۲۷ مگا پاسکال، مقاومت پیوستگی ۲/۱۷ مگا پاسکال به دست می­آید درحالی‌که با ۲۵% افزایش مقاومت فشاری دوغاب، مقاومت پیوستگی ۱۰% اضافه می­شود.

لازم به ذکر است درصورتی‌که آرماتورهای استفاده‌شده زنگ‌زده باشند، احتمال گسیختگی به دلیل کاهش مقاومت اصطکاکی افزایش خواهد یافت. البته درصورتی‌که آرماتور به‌صورت نقطه­ای و محدود زنگ‌زده باشد این مسئله کم­اهمیت و قابل صرف­نظر کردن است.

گسیختگی بین دوغاب و خاک

مهار باعث بسیج شدن نیروی اصطکاکی بین محیط دوغاب و خاک اطراف می­شود. در حالت کلی پیوستگی بین دوغاب و خاک به میزان تنش عمودی روی دوغاب و چسبندگی آن و مقدار اصطکاک بسیج شده بین دوغاب و زمین بستگی دارد. درواقع در خاک یا سنگ همگن این چسبندگی با انتقال تنش در طول گیردار به زمین منتقل می­گردد.

نحوه انتقال نیروی پیش تنیدگی به‌صورت پیش‌رونده و از تاندون (همراه با افزایش طول) به ابتدای قسمت گیردار و سپس به انتهای قسمت گیردار منتقل می­شود. این نیرو توسط چسبندگی و اصطکاک جداره دوغاب و خاک تحمل می­شود و هنگامی‌که نیروی کششی از نیروی اصطکاکی بیشتر شود گسیختگی رخ خواهد داد.

تجربه نشان داده است افزایش طول قسمت گیردار بین ۹ تا ۱۲ متر تأثیر چندانی در افزایش نیروی مقاوم اصطکاکی ندارد و دلیل آن‌هم تغییر شکل بین دوغاب و خاک به دلیل طول زیاد قسمت گیردار است که پس از تحمل نیرو توسط ۹ متر اول، تغییر شکل­های دوغاب و خاک باعث استهلاک نیرو در قسمت­های انتهایی گیردار می­شود. این نوع گسیختگی ممکن است در اثر بارهای دائمی هم رخ دهد (خزش). خاک­هایی که پتانسیل تغییر شکل ناشی از خزش در آن‌ها بیشتر است عبارت‌اند از:

گسیختگی تاندون

پس از اعمال نیروی پیش تنیدگی، نیروی کششی زیادی در تاندون ایجاد می­شود و درصورتی‌که مقاومت کششی تاندون کمتر از نیروی پیش تنیدگی باشد، تاندون دچار گسیختگی خواهد شد. به همین دلیل توصیه می­شود حداکثر تنش مجاز کششی تاندون برابر با ۶/۰ تنش تسلیم در حالت دائم و ۸/۰ تنش تسلیم در حالت موقت در نظر گرفته شود.

گسیختگی پایه نگهبان

نیروهای افقی و عمودی ناشی از وزن توده خاک و نیروی پیش تنیدگی مهار به پایه­های نگهبان اعمال می­شود. برای مقاومت در برابر نیروهای افقی، بحرانی­ترین حالات در مرحله ۱) کشش اولیه ردیف مهارها و ۲) پایان گودبرداری رخ می­دهد. در حالت اول با توجه به اینکه عمق گودبرداری­ها کم است نیروی محرک پشت دیواره کم بوده و به همین دلیل با اعمال ضریب اطمینان ۵/۱ به نیروی مقاوم قسمت ریشه پایه نگهبان می­توان از تغییر شکل­های زیاد جلوگیری به عمل آورد. در حالت دوم پس از پایان حفاری، نیروهای مقاوم جلوی دیوار (کفایت طول گیرداری) باید به‌اندازه‌ای باشند که پایداری پایه نگهبان را برای بارهای دائمی و حفاری­های احتمالی بعدی تأمین کنند.

۵- طراحی سیستم­های مهاری

به‌منظور طراحی سیستم مهاری می­توان به‌طور خلاصه مراحل زیر را دنبال نمود:

قدم اول): تعیین هندسه و بارهای وارده در حالات موقت، دائم و زلزله.

قدم دوم): تعیین مشخصات لایه­های خاک یا سنگ.

قدم سوم): تخمین ضرایب اطمینان لازم و شرایط خورندگی خاک.

قدم چهارم): تعیین نحوه توزیع فشار جانبی خاک بر دیوار با مدنظر قرار دادن سطح آب، نیروی زلزله و سربار.

قدم پنجم): محاسبه نیروهای افقی مهارها و لنگر خمشی پایه نگهبان. تعیین محل مهارها به‌صورت که لنگر خمشی پایه نگهبان کمینه گردد.

قدم ششم): تعیین زاویه حفاری مهارها با در نظر گرفتن مرزهای زمین و عوارض زیرسطحی.

قدم هفتم): تجزیه نیروی افقی به نیروی قائم و نیرو در راستای مهار.

قدم هشتم): تعیین فاصله افقی مهارها و نیروی دقیق هر مهار

قدم نهم): تعیین نوع مهار

قدم دهم): تعیین میزان باربری قائم و جانبی دیوار حائل در قسمت گیردار دیوار و بازنگری مقطع در صورت نیاز

قدم یازدهم): تعیین پایداری داخلی و خارجی سیستم مهاری و بازنگری طرح در صورت نیاز

قدم دوازدهم): تخمین میزان جابه­جایی افقی دیوار و نشست خاک و بازنگری طرح در صورت نیاز

قدم سیزدهم): انتخاب نوع پشت­بندها، سیستم زهکشی و اتصالات

  توصیه می­شود برای جزییات طراحی سیستم­های مهار اصطکاکی و ادبیات فنی این مهم به کتاب راهنما سازمان فدرال بزرگراه­های آمریکا رجوع شود.

برچسب خورده

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *