مدهای گسیختگی اتصال روکش در دیوار پایدار سازی شده به روش میخکوبی یا نیلینگ(nailing)

 رایج­ ترین مدهای گسیختگی در اتصال روکش- سر میخ در شکل 1 با جزئیات نشان داده شده ­اند:

• گسیختگی خمشی: این مد گسیختگی ناشی از تجاوز خمش، از ظرفیت خمشی روکش می­ باشد. این مد گسیختگی بایستی در هر دو نوع روکش موقت و دائمی در نظر گرفته شود.
• گسیختگی برش پانچ: این مد گسیختگی روکش، در اطراف میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها رخ می­دهد و بایستی برای هر دو نوع روکش موقت و دائمی ارزیابی شود.
• گسیختگی کششی گل میخ­ ها: گسیختگی کششی در گل میخ­ها صرفاً در روکش­های دائمی مطرح است.

برای غلبه بر این مدهای گسیختگی، ظرفیت سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  و روکش بایستی فراتر از حداکثر نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) در رویه دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی یانیلینگ،”T₀“، باشد. جهت حصول ظرفیت ­های طراحی با ضرایب اطمینان کافی برای همه مدهای محتمل گسیختگی بایستی ابعاد مناسب، مقاومت مناسب، و تسلیح روکش و سخت کننده ­های مناسب برای سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  (مثلاً، پلیت­ های باربر تکیه­ گاهی و گل میخ ­ها) استفاده شود. در ادامه چگونگی محاسبه حداکثر نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، انواع مدهای گسیختگی فوق الذکر و همچنین معادلات مورد استفاده در محاسبه ظرفیت این مدهای گسیختگی تشریح می­شوند.

• نیروهای کششی در روکش دیوار پایدار سازی شده

نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  در رویه دیوار پایدارسازی شده، T₀، یا کم­تر و یا برابر حداکثر نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  می­باشد (Byrne et al, 1998). شکل 2 مقادیر بعد نیروهای کششی بهره ­برداری میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  را که در روکش یک دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی یا نیلینگ اندازه­ گیری شده ­اند، نشان می ­دهد. این مقادیر به نیروهای بلند مدت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  مرتبط بوده و شامل نیروهای یخ­ زدگی یا سایر نیروها نمی­ باشند.

همچنین نیروهای بی بعد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) در روکش به لحاظ توزیع، با حداکثر نیروهای کششی بی بعد میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) قابل مقایسه می ­باشند. نسبت نیروی بی بعد سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  به حداکثر نیروی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، بین 6/0 تا 0/1 تغییر می ­کند. در نیمه فوقانی دیوار پایدار سازی شده، متوسط نیروی بی بعد سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  بین 4/0 تا 5/0 تغییر می ­کند و در نیمه پایینی دیوار پایدار سازی شده، نیروهای بی بعد به تدریج کاهش یافته و در کف دیوار پایدارسازی شده به صفر می­ رسد.

با در نظر گرفتن بی بعد سازی و ناحیه تاثیر فوق، ثابت می ­شود که نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  معمولاً بین، T₀=0.60 K_A.γ.H  تا T₀=0.70 K_A.γ.H تغییر می ­کند. این نتایج با نتایج عملی به دست آمده از دیوار پایدار سازی شده آزمایشی در آلمان و در فرانسه، سازگار می ­باشند. در آلمان اندازه­ گیری واقعی فشار زمین، از طریق سلول­ های تنش کل نصب شده در سطح مشترک خاک- شاتکریت نشان داد که تحت اغلب شرایط، فشار معادل زمین بر روی روکش بین 60 تا 70 درصد فشار اکتیو کولومب زمین می ­باشد (Gässler and Gudehus, 1981).

شکل 1. مدهای گسیختگی اتصال روکش

در آزمایش­ های فرانسوی، نسبت نیروی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  به نیروی ماکزیمم میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، در بخش فوقانی دیوارهای پایدارسازی شده معمولاً بین 4/0 تا 5/0 متغیر بود (FHWA, 1993a). همچنین، نتایج این آزمایش ­ها نشان داد که به خاطر تاثیر قوس شدگی خاک بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، کم شدن فواصل میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها موجب کاهش نیروهای در روکش دیوار پایدار سازی شده در مقایسه با مقادیر مورد انتظار شد.

بر اساس این نتایج، مقادیر بهره­ برداری نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  برای طراحی Clouteree (1991)، به قرار زیر توصیه می­ شوند:

• 60% حداکثر بار سرویس میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، برای فواصل قائم 1 متری یا کمتر
• 100% حداکثر بار سرویس میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، برای فواصل قائم 3 متری یا بیشتر
• درون یابی خطی برای فواصل واقع در دو بازه فوق الذکر

شکل 2. نیروهای کششی روکش، اندازه­ گیری واقعی در دیوارها (منبع: Byrne et al., 1998)

شکل فرمولی توصیه ­های فوق در دستگاه SI و انگلیسی به قرار زیر بیان می گردد:

جایی که:

T₀: نیروی کششی طراحی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

T_max-s: حداکثر نیروی کششی طراحی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، (نتایج حاصل از آنالیز پایداری کلی با استفاده از یک برنامه کامپیوتری مثل، SNAIL)

S_max : حداکثر فاصله میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها. در معادله 1 و 2، از حداکثر فواصل افقی “S_H” و قائم “S_V” میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) استفاده کنید.

تحت فاصله معمول 5/1 متری، نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) با بار سرویس روکش توصیه شده برابر خواهد بود. بار سرویس روکش توصیه شده، در حدود 7/0 برابر حداکثر بار سرویس میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) می­ باشد.

• گسیختگی خمشی

روکش دیوار پایدار سازی شده را می ­توان یک دال بتنی مسلح پیوسته در نظر گرفت، جایی که بار اعمالی همان فشار جانبی زمین می­ باشد که بر روی روکش وارد می­ شود و تکیه ­گاه ­ها، نیروهای کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها می­ باشند.

شکل 3. گسیختگی پیش­رونده خمشی در روکش دیوار پایدارسازی شده

الف) الگوی ایده ­آل خط گسیختگی ،  ب) تغییر شکل نهائی ،  ج) نمودار ایده ­آل بار- جابجائی جانبی

بارهای ناشی از فشار جانبی زمین و عکس­ العمل­ های به وجود آمده در میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، موجب ایجاد لنگر خمشی در روکش می­ شوند. ممان مثبت (کشش در بیرون مقطع) در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها؛ و ممان منفی (کشش در داخل مقطع) در اطراف میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها تولید می­ شود. اگر این ممان­ ها زیاد باشند، ممکن است که گسیختگی خمشی در شاتکریت رخ دهد. بر اساس شباهت بین مکانیزم بارگذاری روکش دیوار پایدارسازی شده و دال بتنی پیوسته متکی بر ستون­ ها، پیشنهاد می­ شود که آنالیزها و روش­ های طراحی مرسوم برای دال بتنی را برای طراحی روکش دیوار پایدارسازی شده به کار برد.

• ظرفیت گسیختگی خمشی

همانند سایر سازه­ های بتنی یا شاتکریتی مسلح، گسیختگی خمشی به طور پیش رونده رخ می ­دهد. بعد از اولین گسیختگی مقطع روکش (شکل 3-ج)، توام با افزایش فشار جانبی زمین، ترک خوردگی پیش رونده در هر دو طرف روکش ادامه می ­یابد. در حین افزایش فشار جانبی زمین، ترک­ ها و درزها توسعه یافته و تغییر شکل خمشی (deflection, δ) و نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  افزایش می­ یابد. ترک­ ها و گسیختگی­ های پراکنده، معرف موقعیت­ هایی هستند که به حد ظرفیت خمشی رسیده است.

نهایتاً تمام ترک­ ها به هم متصل شده و مانند یک مفصل عمل می­ کنند، و مکانیزمی را تشکیل می ­دهند که به الگوی بحرانی خط گسیختگی معروف است. الگوی های خط گسیختگی به عوامل مختلفی از جمله فشار جانبی خاک، فواصل افقی و قائم میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، اندازه پلیت باربر تکیه­ گاهی، ضخامت روکش، آرایش تسلیح کننده، و مقاومت بتن (Seible, 1996) و حداکثر فشار خاک بستگی دارند.

در تئوری می­ توان، فشار خاکی که موجب گسیختگی روکش می­ شود (مثلاً، الگوی بحرانی خط گسیختگی) را در ناحیه تاثیر اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  اعمال کرد، تا نیروی کششی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  (عکس ­العمل) به دست آید. این نیرو به عنوان ظرفیت خمشی روکش، R_FF، تعریف می­ شود و با ظرفیت خمشی واحد طول روکش متناسب است. ظرفیت خمشی واحد طول روکش، برابر است با حداکثر ممان مقاوم واحد طول که در مقطع روکش فعال می­ شود. بر اساس مفاهیم تئوریک “خط گسیختگی”، R_FF را می­ توان به عنوان حداقل مقادیر زیر تخمین زد:

جایی که:

C_F : ضریبی است که فشار غیر یکنواخت خاک در پشت روکش را لحاظ می­کند (Byrne et al, 1998)

h : ضخامت روکش (شکل 4)  d : نصف ضخامت روکش   a_vn : سطح مقطع عرضی تسلیح قائم بر واحد عرض، در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)

a_vm: سطح مقطع عرضی تسلیح قائم بر واحد عرض، در وسط دهانه a_hn   : سطح مقطع عرضی تسلیح افقی بر واحد عرض، در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)   a_hm: سطح مقطع عرضی تسلیح افقی بر واحد عرض، در وسط دهانه

S_H : فاصله افقی میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها  S_V : فاصله قائم میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها  f_y : مقاومت گسیختگی کششی تسلیح f΄_c : مقاومت فشاری بتن

در ضریب “C_F” فشار غیر یک نواخت خاک پشت روکش را لحاظ ­شده (Byrne et al, 1998) و بطور اسمی نسبت فشار خاک پشت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  به فشار خاک در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها را بیان می­کند. توزیع فشار خاک پشت روکش معمولاً غیر یکنواخت است. فشار خاک تحت تاثیر شرایط خاک و ضخامت روکش می ­باشد، که به نوبه خود بر جابجایی دیوار پایدار سازی شده تاثیر می­ گذارد.

در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، جابجایی روکش رو به بیرون بوده و فشار جانبی زمین نسبتاً کم است. در اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، فشار خاک بیشتر از فشار خاک در دهانه وسط بین میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها می­باشد. شکل 5 توزیع شماتیک فشار خاک را در مجاورت میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  نشان می ­دهد.

توزیع فشار در روکش نیز به ضخامت روکش بستگی دارد. زمانی که ضخامت روکش نسبتاً کم باشد (معمولاً روکش ­های موقت)، موجب تغییر شکل روکش در مقطع دهانه وسط می­ شود و در نتیجه فشار خاک در مقطع دهانه وسط نسبتاً کم می­ شود. زمانی که روکش نسبتاً ضخیم باشد، تغییر شکل­ ها کوچک ­تر از تغییر شکل­ دیوار پایدار سازی شده نازک می­ شود. نتیجه افزایش ضخامت دیوار پایدارسازی شده، توزیع فشار خاک یکنواخت ­تر در سرتاسر دیوار پایدارسازی شده است. جدول 1 ضرایب “C_F” را برای ضخامت­ های معمول روکش نشان می­ دهد.

انواع روکش ها:

برای همه روکش ­های دائم و روکش ­های موقت ضخیم (ضخیم ­تر از 200 میلی متر یا 8 اینچ)، فشار خاک نسبتاً یک نواخت فرض می­ شود. در معادلات 1-الف و ب، فرض شده که حداکثر ممان­ های روکش در اطراف محور افقی می­ باشند و طراحی تسلیح­ های قائم نسبت به تسلیح ­های افقی بحرانی­ تر است. در عمل، سطح مقطع عرضی تسلیح در جهت افقی و قائم یکسان می­ باشد (مثلاً،a_hm=a_vm  و a_hn=a_vn)؛ بنابراین بحرانی­ ترین مورد آن است که به حداقل مقادیر “S_H/S_V” و “S_V/S_H” منتهی شود. زمانی که فواصل میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها یکسان باشند و در جهات افقی و قائم تسلیح صورت گرفته و فولادهای 420 مگاپاسکالی (درجه 60) به کار برده شود، معادلات1 و2  به قرار زیر ساده می­ شوند:

شکل 5- توزیع فشار خاک پشت روکش (Modified after Byrne et al., 1998)

این معادلات را می­ توان برای روکش­ های موقت و دائمی به کار برد. زمانی که ظرفیت خمشی روکش دائمی را ارزیابی می ­کنیم معمولاً ضخامت روکش موقت بتنی در جانب احتیاط نادیده گرفته می­ شود، (مطابق شکل 4). مثلاً یک روکش دائمی با ضخامت h= 200 mm شامل مش میلگردی با f_y= 420 MPa (60 ksi) را در نظر بگیرید. مش در هر طرف شامل میلگردهای No. 16@ 300 mm، و سطح مقطع عرضی آن در واحد طول برابر با a_vn = a_vm = 199 mm²/m می­ باشد

برای ضریب C_F=1.0 در یک روکش دائمی (به جدول-1 رجوع کنید) و فاصله افقی و قائم یکسان میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها، داریم:

اگر در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها از میلگردهای waler (عمودی) استفاده شود، کل سطح تسلیح در واحد طول در جهت قائم را می­ توان چنین محاسبه نمود:

جایی که، “A_VW” کل سطح مقطع عرضی میلگردهای waler در جهت قائم می­ باشد. روابط مشابهی را می­ توان در جهت افقی به کار برد. اگر در روکش­ های دائمی بجای مش سیمی از مش میلگرد استفاده شود، کل سطح تسلیح در واحد طول بایستی به قرار زیر تغییر یابد:

جایی که “A_VW” کل سطح مقطع عرضی میلگردهای تسلیح در جهت قائم می­ باشد (شکل 4 را ببینید)

پس از تعیین نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  “T₀“، و ظرفیت خمشی روکش، می ­توان ضریب اطمینان در مقابل گسیختگی خمشی روکش را چنین تعریف نمود:

• محدوده تسلیح در روکش ­ها

به مانند سایر سازه ­های بتن مسلح، مقدار تسلیح روکش دیوار پایدار سازی شده عموما ًدر یک محدوده مشخص می ­باشد. مقدار تسلیح را می­ توان بعنوان نسبت تسلیح (ρ or ρ_ij) در جهت “i” ( قائم یا افقی) و در موقعیت “j” (سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  یا دهانه وسط) بیان نمود:

جایی که “a_ij” سطح مقطع عرضی تسلیح در واحد عرض در جهت “i” و موقعیت “j” می ­باشد. حداقل نسبت تسلیح، در واحدهای SI و انگلیسی، معمولاً در دهانه وسط بوده و به قرار زیر تعریف می­ شود:

حداکثر نسبت تسلیح نیز چنین توصیه می­ شود:

بنابراین، میزان تسلیح بایستی در بازه “ρ_min ≤ ρ ≤ ρ_max” قرار گیرد.

همچنین، نسبت تسلیح در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  و دهانه وسط بایستی کم­تر از 5/2 باشد تا متضمن نسبت ظرفیت خمشی مشابه در این نواحی باشد.

• ظرفیت برش پانچ

گسیختگی برش پانچ روکش ممکن است در اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  رخ دهد و بایستی در این محل ­ها ارزیابی شود:

1. اتصال پلیت- تکیه­ گاه (مورد استفاده در روکش موقت)
2. اتصال گل میخ­ ها (معمولاً مورد استفاده در روکش دائمی)

از آن جا که نیروی کششی سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  تا مقدار بحرانی افزایش می ­یابد، درز و ترک­ ها می­ توانند یک مکانیزم گسیختگی موضعی در اطراف سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  شکل دهند. این پروسه منتج به یک سطح گسیختگی بحرانی می­ شود، که در شکل 5-21 نشان داده شده است. این سطح گسیختگی تا پشت پلیت باربر تکیه­ گاهی یا گل میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ­ها ادامه یافته و مطابق شکل شماتیک 5-21، تحت زاویه حدوداً 45 درجه در میان روکش سوراخی ایجاد می ­کند. اندازه مخروط به ضخامت روکش و نوع اتصال میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) -روکش (مثلاً، پلیت یا گل میخ) بستگی دارد.

شکل 6. مدهای گسیختگی برش پانچ، الف) پلیت باربر در دیوار پایدارسازی شده موقت ، ب) اتصال گل میخی در دیوار پایدارسازی شده دائمی

• ظرفیت برش پانچ روکش

مطابق دال ­های بتنی متحمل بارهای متمرکز، ظرفیت سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ)  (شکل 5-21) را نیز بایستی با در نظر گرفتن ظرفیت برش پانچ، R_FP ارزیابی نمود.

جایی که “V_F” نیروی برش پانچ است که در میان مقطع روکش عمل می­کند و “C_P” (ضریب اصلاحی) نشانگر مشارکت ظرفیت باربری خاک می­ باشد.

نیروی برش پانچ را می­توان در واحدهای SI و انگلیسی با استفاده از معادلات استاندارد برش پانچ محاسبه نمود. این معادلات اندازه سطح گسیختگی مخروطی (با قطر D΄_c در مرکز روکش و ارتفاع h_c، مطابق شکل 5-21) در تراز دال بتن را در نظر می­ گیرند:

جایی که :

D΄_c : قطر موثر سطح گسیختگی مخروطی در مرکز مقطع (مثلاً، یک سطح گسیختگی استوانه ­ای متوسط در نظر گرفته می­ شود)

h_c : عمق موثر سطح مخروطی

ضریب تصحیح “C_P” تاثیر فشار خاک پشت روکش را (که در جهت پایداری مخروط عمل می­کند)، به حساب می ­آورد. زمانی که عکس ­العمل خاک نیز در نظر گرفته شود، C_P خاک ممکن است به 15/1 برسد. ولی در عمل معمولاً اصلاحی صورت نگرفته و همان مقدار C_P=1.0 لحاظ می­ گردد.

این معادلات را می ­توان برای روکش موقت و دائمی استفاده کرد. اما اندازه سطح مخروط (مقادیر D΄_c , h_c) بایستی برای لحاظ نمودن نوع روکش تنظیم شود. برای روکش­ های موقت، بایستی از ابعاد پلیت باربر و روکش مناسب استفاده کرد. برای روکش دائمی، بایستی ابعاد گل میخ ­ها (یا بلت­ مهاری) لحاظ گردند. شکل 5-22 جزئیات گل میخ را نشان می­ دهد. جدول الف-6 در ضمیمه “الف” محتوی مشخصات اتصالات گل میخی معمول می­باشد.

شکل7. هندسه گل میخ

اندازه موثر سطوح مخروط بایستی به قرار زیر تعیین گردد:

• روکش موقت (شکل6- الف)

جایی کهL_BP ، طول پلیت باربر تکیه­ گاهی و h ضخامت روکش موقت می ­باشد.

با تعیین نیروی کششی در سر میخ (یا مسلح‌کننده نیلینگ) ، T₀، (شکل 6) و ظرفیت برش پانچ روکش، R_FP، می­توان ضریب اطمینان برش پانچ روکش “FS_FP“، را چنین تعریف نمود: