توزیع نیروی کششی در میخ یا مسلح کننده های نیلینگ چگونه است؟

اندرکنش خاک- میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  و توزیع نیروی کششی در گود پایدارسازی شده به روش میخکوبی یا نیلینگ(nailing)

مدل فرضی (conceptual madel)

اندرکنش خاک- میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) در پشت روکش دیوار پایدارسازی شده پیچیده می­باشد. بارهای اعمال شده به میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)، عکس ­العمل حرکت رو به بیرون دیوار در حین حفاری خاک جلوی دیوار می­باشند. بخشی از میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) واقع در پشت سطح گسیختگی (مثلاً، ناحیه مهاری) از شیروانی خاکی بیرون کشیده می­شود. نیروهای کششی در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)،T، از ناحیه مهاری تا روکش تغییر می­کنند. در انتهای میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) از “صفر” شروع می­شوند، در میانه طول میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) به حداکثر مقدار ،T_max، رسیده و در روکش به مقدار T₀ کاهش می­یابند (شکل 1).

شکل 1. مکانیزم انتقال تنش در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

ماکزیمم نیروی کششی در میلگرد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)، الزاماً در نقطه­ای که میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) سطح گسیختگی را قطع می­کند رخ نمی­دهد. تنش برشی فعال در امتداد سطح مشترک خاک-دوغاب ،q، یکنواخت نمی­باشد و در حقیقت مطابق شکل 1-الف و ب، از “مثبت” به “منفی” تغییر می­کند. توزیع شماتیک نیروی کششی “T” در امتداد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در شکل 1-ج نشان داده شده است.

• توزیع ساده شده نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

برای طراحی می­توان، توزیع نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) (شکل 1) را، مطابق شکل 2 ساده­ سازی نمود. نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  با نرخ ثابت “Q_u” افزایش یافته (برابر با ظرفیت پول­اوت در هر متر طول)، و به یک مقدار حداکثر، T_max می­رسد، و سپس با نرخ Q_u، تا مقدار “T₀” در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  کاهش می­یابد. مقدار “T_max” به سه شرط حدی زیر محدود شده است:

–  ظرفیت پول­اوت، R_P       –  ظرفیت کششی، R_T         –  ظرفیت روکش، R_F

اگر R_P < R_T , R_F باشد، گسیختگی پول­اوت مقدار “T_max” را محدود می­کند. اگر R_T < R_P , R_F آنگاه گسیختگی کششی مقدار “T_max” را محدود می­کند. نهایتاً اگر R_F < R_P , R_T باشد آنگاه گسیختگی روکش می­تواند مقدار T_max را بسته به نسبت “T₀/T_max” محدود کند.

برای دستیابی به یک طراحی متعادل، بایستی همه اجزاء مقاوم سیستم حاشیه اطمینان مشابه ی داشته باشند؛ هیچ جزئی نبایستی تفاوت فاحشی نسبت به سایر اجزاء داشته باشد. در مورد نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، یک طراحی خوب بایستی ظرفیت همه المان­های مقاوم را در حد تعادل نگه دارد؛ بنابراین مقادیر R_F , R_T , R_P بایستی شباهت معقولی داشته باشند.

شکل 2. توزیع ساده شده نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

جائیکه:

R_T : ظرفیت کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)    R_F : ظرفیت روکش دیوار پایدارسازی شده    R_P  : ظرفیت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در مقابل پول­اوت

Q_u ، q_u : نرخ انتقال بار نهائی و مقاومت پیوند

T₀ ~ 0.6 – 1.0 T_max

اگر R_P < R_T < R_F باشد، آنگاه گسیختگی پول­اوت حاکم است و بایستی کنترل گردد.

اگر R_T < R_P < R_F باشد، آنگاه گسیختگی کششی حاکم است و بایستی کنترل گردد.

اگر R_F < R_P or R_T باشد، آنگاه ممکن است گسیختگی روکش حاکم باشد که به نسبت T₀/T_max بستگی دارد.

• توزیع حداکثر نیروهای کششی

نیروی کششی در یک میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  ویژه تابع موقعیت تقاطع میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  با سطح گسیختگی می­باشد. مطابق شکل 3، توزیع نیروی کششی در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها در سرتاسر مقطع دیوار پایدارسازی شده تغییر می­کند. به خاطر پیچیدگی­های انتقال بار در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­های منفرد، موقعیت حداکثر نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  (عموماً) نزدیک به موقعیت سطح گسیختگی بحرانی حاصل از آنالیزهای پایداری کلی می­باشد. موقعیت سطح گسیختگی با معیارهای تعادل حدی کلی کنترل می­شود. اندازه ­گیری کرنش در دیوارهای ابزارسنجی شده نشانگر آن است که در بخش فوقانی دیوار پایدارسازی، حداکثر نیروی کششی تقریباً بین 0.3 h تا 0.4 h پشت روکش دیوار رخ می­دهد (Plumelle et al., 1990; Byrne et al., 1998). در بخش­های پایینی دیوار، حداکثر نیروی کششی تقریباً بین 0.15H تا 0.2H پشت روکش دیوار رخ می­دهد.

همچنین شکل 3 نشان می­دهد که مشارکت نیروهای کششی در پایداری کلی از میخی به میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  دیگر متغیر است. بطور کلی، مشارکت هر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در پایداری به موقعیت تقاطع سطح گسیختگی و میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، بستگی دارد. موقعیت سطح گسیختگی، طول میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  پشت سطح گسیختگی “L_P” را تعیین می­کند. برای مثال در شکل 3 مشارکت پایداری میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  فوقانی ،T₁، پس از اتمام دیوار قابل توجه نیست، چونکه طول میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  پشت سطح گسیختگی برای ایجاد حداکثر پتانسیل ظرفیت پول­اوت در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  ناکافی می­باشد. مشارکت نیرو در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­های پایینی T₂,T₃، نسبتاً بیشتر است، چونکه طول پول­اوت آنها طولانی­تر از میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­های فوقانی می­باشد. در این مثال، برای فعال شدن کل ظرفیت پول­اوت در پایین­ترین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، L_P کافی می­باشد. اما باز هم جای بررسی باقی می­ماند که آیا ظرفیت کامل پول­اوت کمتر از ظرفیت کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  می­باشد؟

نیروهای کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  بطور تدریجی با گذشت زمان در حین پیشروی خاکبرداری جلوی دیوار از بالا به پایین، توسعه می­یابند. عموماً، حداکثر نیروهای کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در یک ردیف معین زمانی توسعه می­یابند که دو مرحله بعدی خاکبرداری انجام شده­اند. نیروهای کششی ممکن است در دوره زمانی بین انتهای ساخت و شرایط ثابت بلند مدت (Plumelle et al., 1990) بطور ملایم افزایش یابند (مثلاً، 15%). این افزایش­ها، به خاطر خزش خاک پس از ساخت و وارفتگی تنشی ادامه دارند. اگر چه این بار اضافی محاسبه نمی­شود، ولی در طراحی دیوارهای میخکوبی (یا نیلینگ)  بواسطه ضرایب اطمینان لحاظ می­گردد.

شکل 3. موقعیت شماتیک حداکثر نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

• توزیع حداکثر نیروی کششی اندازه­گیری شده

حداکثر نیروهای کششی واقعی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  که در دیوارهای میخکوبی (یا نیلینگ)  اندازه­گیری شده­ اند در شکل 4 نشان داده شده است (Byrne et al, 1998). نیروهای میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  نسبت به وزن واحد حجم خاک؛ فواصل افقی و قائم میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، “S_H , S_V” ؛ ارتفاع دیوار “H”؛ و ضریب فشار اکتیو محاسبه شده زمین “K_A“، نرمالیزه شده­اند، و بعنوان تابعی از عمق میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  نشان داده شده­اند. این مقادیر بعنوان نیروی­های بلند مدت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  پذیرفته شده ­اند و شامل هیچ­گونه بارهای اضافی محتمل از یخ زدگی (یا سایر موارد) در روکش، نمی­باشند. توجه کنید که نیروهای اندازه­گیری شده متناظر با شرایط بهره­ برداری می­باشند، نه شرایط گسیختگی.

مطابق شکل 4، بازه بارهای نرمالیزه شده میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در دو سوم فوقانی دیوار از “4/0” تا “1/1” تغییر می­کند، و بطور میانگین “75/0” می­باشد. حداکثر نیروهای نرمالیزه میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  معمولاً در عمق تغییر می­کنند؛ یعنی از 5/0- 6/0 در بالای دیوار تقریباً به 75/0- 85/0 در یک سوم میانی افزایش یافته، سپس تا حدود 4/0- 5/0 در یک سوم پایینی کاهش می­یابند و در کف دیوار به “صفر” می­رسند. این نتایج با موارد مشاهده شده در دیوارهای آزمایشی پروژه clouterre (Plumelle et al., 1990) سازگار است. حداکثر نیروی کششی بهره­ برداری را می­توان از بارهای نرمالیزه میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در شکل 5-15، بعنوان محصولی از فشار معادل “T/K_a.H.γ” و ناحیه تاثیر “S_V*S_H” در اطراف میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­های انفرادی محاسبه نمود.

در عمل، بایستی نیروی کششی نرمالیزه شده میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در دو سوم فوقانی دیوار را یکنواخت و برابر 75/0 لحاظ نمود. بنابراین، متوسط حداکثر نیروی کششی سرویس در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها در این موقعیت برابر “T_max = 0.75K_A.γ.H.S_V.S_H” می­باشد. نیروی کششی در بخش پایینی تقریباً تا 50% مقدار بخش فوقانی کاهش می­یابد.  BriaudوLim  (1997) پیشنهاد کرده­اند که متوسط حداکثر نیروی کششی بهره­برداری در ردیف بالایی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها را می­توان طبق رابطه “T_max = 0.65K_A.γ.H.S_V.S_H” محاسبه کرد. همچنین آنها پیشنهاد کردند که حداکثر نیروی کششی بهره­ برداری در ردیف­های بعدی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، فقط نصف این مقدار در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­های فوقانی باشد.

شکل 4. حداکثر نیروهای کششی اندازه­گیری شده میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در دیوار

اطلاعات فوق نشان می­دهند که توزیع نیروی کششی بهره­ برداری در دیوارهای میخکوبی (یا نیلینگ)  پیچیده بوده و متوسط نیروی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  کوچک­تر از مقداری است که بواسطه توزیع کامل فشار اکتیو جانبی زمین محاسبه می­شود. این نکته برای محاسبه نیروی کششی در روکش دیوار مهم می­باشد.

• طراحی گسیختگی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

برای دستیابی به یک طراحی متعادل در مد گسیختگی داخلی، بایستی مقاومت خاک و مقاومت کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، همزمان و بطور کامل فعال شوند. به عبارت دیگر، زمانیکه FS_G=1.0 می­باشد (فعال شدن کامل مقاومت خاک)، ضریب اطمینان مقاومت کششی، FS_T =1.0 باشد (کشش نهایی در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ). در این شرایط نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، حداکثر نیروی طراحی در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، “T_max-s” می­باشد. اگر FS_G > 1.0 باشد، بدیهی است که با ثابت نگه داشتن بارها، نیروی T_max-s طراحی افزایش خواهد یافت.

این بدان دلیل است که در F_SG >1.0، مقاومت خاک کاملاً فعال نشده است و برای دستیابی به تعادل، نیروی کششی بایستی این نقیصه را جبران کند. بنابراین، T_max-s محاسبه شده از آنالیز پایداری کلی، منتج به FS_G >1.0 می­شود که محافظه کارانه­ است.

برنامه SNAIL بطور خوردکار متوسط نیروهای کششی را گزارش می­کند، اما حداکثر نیروی کششی متناظر با FS_G=1.0 را ارائه نمی­کند. بنابراین برای ارزیابی و تخمین حداکثر نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  تحت FS_G=1.0 بدون انجام آنالیز پایداری، می­توان از روش ساده شده زیر استفاده نمود. این پروسه مبتنی بر این است که تحت FS_G > 1.0، نسبت حداکثر بار محاسبه شده در برنامه SNAIL، یعنی “T_max“، به متوسط بار میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، یعنی “T_avg“، شبیه به نسبت حداکثر بار میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  درFS_G=1.0 ، یعنی “T_max-s“، به متوسط بار میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، “T_avg-s“، در FS_G=1.0 می­باشد.

بنابراین با روابط زیر می­توان تقریب مناسبی از حداکثر بار طراحی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، “T_max-s“، بدست آورد:

“T_avg-s” بار متوسط طراحی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  می­باشد و در خروجی­های SNAIL با نام “Maximum Average Reinforcement Working Force” گزارش می­شود. نیروی طراحی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  “T_max-s“، برای بررسی گسیختگی کششی استفاده می­شود.

گسیختگی کششی در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  زمانی رخ می­هد که نیرو در امتداد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  “T_max-s“، بزرگ­تر از ظرفیت کششی میلگرد “R_T” شود. “R_T” به قرار زیر تعریف می­گردد:

جاییکه “A_t” سطح مقطع عرضی میلگرد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  و “f_y” مقاومت گسیختگی میلگرد می­باشد. به خاطر تفاوت در سختی (مدول الاستیسیته) بین دوغاب و میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، ظرفیت کششی دوغاب نادیده گرفته می­شود. برای به حساب آوردن عدم قطعیت­های مربوط به مقاومت مصالح و بارهای اعمالی در طراحی، مقادیر مجاز ظرفیت کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  به قرار زیر استفاده می­شوند:

جاییکه “FS_T” ضرب اطمینان در مقابل گسیختگی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  می­باشد. بطور کلی، برای بارهای استاتیکی حداقل ضریب اطمینان برابر با “8/1” پذیرفته می­شود