خاک مسلح مجموعه‌ای از خاكريز (معمولاً دانه‌ای) است که عناصر مسلح‌كننده در خاک به صورت تسمه، ميلگرد هستند. خاک مسلح عموماً در مقابل فشار و برش مقاوم بوده، اما در مقابل كشش ضعيف است. در خاک مسلح وجود عناصر مسلح كننده در جهت كرنش كششی باعث بهبود رفتار خاک می‌شود (مشابه بتن مسلح). ديوارهای خاک مسلح در گروه ديوارهای انعطاف پذير قرار دارند.
بخش‌های اصلی خاک مسلح
خاكريز
عموماً از خاک‌های دانه‌ای استفاده می‌شود.
عناصر مسلح كننده
در بيشتر موارد از تسمه‌های باريک و پهن در فواصل معينی استفاده می‌شود.
پوسته
قطعات پوسته به يك انتهای عناصر مسلح كننده متصل هستند و وجه خارجی ديوار را پوشش می‌دهند. نسبت عرض به ارتفاع در ديوارهای خاک مسلح معمولاً بزرگ است و در نتيجه بر خلاف ديوارهای حايل معمولی، پديده تمركز تنش در پنجه ديوار ديده نمی‌شود. به همين دليل برای بسترهای با ظرفيت باربری كم مناسب هستند.
در خاک مسلح با استفاده از عناصر مسلح كننده كه در داخل خاك قرار گرفته‌اند و ابتدای آنها به عناصر پوسته متصل شده، عناصر پوسته و به تبع آن خاكريز مهار می‌شود. در اين روش خاكريز از يكسو روی اجزای پوسته فشار جانبی اعمال كرده و از ديگر سو، اندركنش آن با تسمه‌ها باعث مهار خاک می‌شود.
روش اجرا و كاربری‌های متعارف
خاكريزی در سازههای خاك مسلح به صورت لايه لايه اجرا شده و مشابه خاكريزهای معمول متراكم می‌شود. المانهای مسلح كننده در فاصله بين اين لايه‌ها قرار می‌گيرند. المانهای پوسته به دو صورت، فلزی و با مقطع نيم بيضی و بتنی پیش ساخته چليپايی شكل استفاده می‌شود. اجرای ديوارهای خاک مسلح با استفاده اين قطعات ابتدا يك رديف المانهای پوسته در محل خود قرار داده می‌شود و پس از آن يك لايه خاكريز و المانهای مسلح كننده اجرا می‌شود.
مقايسه خاک مسلح با ساير سيستم‌های معمول ديوار حايل
از مقايسه خاک مسلح با ساير سيستم‌های معمول ديوار حايل می‌توان به نتايج زير رسيد:
- امكان اجرای سريع و ساده خاك مسلح بخصوص با استفاده از امكانات پيش‌ساختگی وجود دارد.
- هزينه‌ها در مقايسه با ساير سيستم‌های معمول ديوار حايل كاهش می‌يابد.
- تطابق‌پذيری آن بالاست و امكان اجرا در انواع شيب‌ها و با شرايط مختلف خاک وجود دارد.
- وجود المانهای پوسته امكان ايجاد بيشترين هماهنگی بين سازه و محيط اطراف را به طراح می‌دهد.
- انعطاف‌پذيری و تغييرشكل‌پذيری نسبتاً بالای خاک مسلح امكان تحمل نشست‌های زياد را فراهم می‌آورد.
کاربرد خاک مسلح
مشكل اصلی خاک مسلح پديده خوردگی المانهای مسلح‌كننده در خاک است. بنابراين در طراحی و اجرای خاک مسلح بايد توجه خاصی به دوام و پايايی مصالح المانهای مسلح كننده در خاك داشت. در مجموع تجربه‌های حاصل از اجرای نمونه‌های مختلف خاک مسلح بيانگر كارايی مناسب آن برای موارد زير است.
- ديوارهای خاک مسلح در جاده‌های كوهستانی كه بر روی بسترهای ضعيف يا شيب‌های ناپايدار اجرا شده‌اند.
- ديوارهای خاک مسلح برای آزادراه‌ها كه در آنها اجرای سريع و هزينه پايين اهميت بسياری دارد.
- ديوارهای خاک مسلح در اطراف خطوط راه آهن كه برای آنها مقاومت بالا در مقابل ارتعاش مدنظر است.
- ديوارهای خاک مسلح به عنوان ديوارهای ساحلی به دليل مقاومت خوب آنها در مقابل ضربات امواج و فرسايش ناشی از آن.
مشخصات اجزای تشكيل دهنده خاک مسلح
- خاكريز
- المانهای مسلح كننده
- المانهای پوسته
خاكريز
برای افزايش كارايی خاک مسلح بايد توجه خاصی به ويژگی‌های خاكريز داشت. ويژگی‌های مهم در اين مورد به شرح زیر است.
- پايداری خاكريز در درازمدت و كوتاه مدت
- خواص مكانيكی خاك (چسبندگی و اصطكاك داخلی)
- خواص شيميايی (مسائل دوام و پايداری، خوردگی عناصر مسلح كننده)
در مورد خاک‌های دانه‌ای و خاک‌های چسبنده بايد به موارد زير به هنگام انتخاب خاكريز برای خاک مسلح توجه داشت. انتخاب خاک‌های دانه‌ای متراكم شده كه به هنگام اعمال نيروی برشی دچار افزايش حجم می‌شوند، مناسب‌تر هستند. در خاک‌های دانه‌ای خوب زهكشی شده، تنش مؤثر عمودی پس از اجرای هر لايه خاكريز سريعاً بين خاكريز و المانهای مسلح كننده منتقل می‌شود و كاهش مقاومت برشی با بارگذاری قائم بدون تأخير فاز صورت می‌گيرد. در محدوده بارهای معمول خاک مسلح اين خاك‌ها رفتاری الاستيک از خود نشان می‌دهند، در نتيجه پديده تغيير شكل پسماند (پس از اجرا) در آن رخ نمی‌دهد.
از سوی ديگر در خاک‌های ريزدانه كه معمولاً خوب زهكشی نمی‌شوند، تنش مؤثر سريعاً منتقل نمی‌شود و در نتيجه ضريب ايمنی زمان اجرا بسيار كاهش می‌يابد. علاوه بر آن به دليل وجود رفتار الاستو پلاستيك يا پلاستيك در اين خاکها احتمال رخداد تغييرشكل پسماند (پس از اجرا) وجود دارد. از سويی در اين خاکها المانهای مسلح كننده با تنش بالا، مستعد پديده خزش هستند و خوردگی در آنها بيشتر ديده می‌شود. بر اساس اين مجموعه موارد استفاده از خاک‌های ريزدانه برای خاكريز خاک مسلح مناسب نيست.
عناصر مسلح كننده
اين عناصر از عوامل كليدی خاک مسلح برای انتقال نيرو از ناحيه محرک به ناحيه مقاوم هستند. اين عناصر بايد پيوستگی و اصطكاک مناسبی با مصالح خاكريز داشته، دوام و پايايی آنها مناسب، و دارای شكل پذيری زياد در هنگام گسيختگی باشند. ميزان وادادگی آنها تحت تنش‌های كششی بايد كم باشد. بر اين اساس موادی كه با موفقيت در مسلح‌سازی انواع سازههای مهندسی به كار رفته‌اند عبارتند از فولاد گالوانيزه، آلياژ آلومينيوم منيزيم، فولاد ضد زنگ، و مواد پليمری.
عناصر مسلح كننده غيرفلزی معمولاً از پليمرها ساخته می‌شوند، البته استفاده از ژئوسينتتيك‌ها (نظير ژئوتكستايل، ژئوگريد و ژئوكامپوزيت) هم معمول است. اين المان‌ها معمولاً ضعيفتر از المانهای مشابه فلزی هستند و دچار خوردگی نمی‌شوند. اما توسط عوامل ديگر مورد حمله قرار می‌گيرند و پديده خزش معمولاً در مورد اين مواد از اهميت بسياری برخوردار است.
عناصر پوسته
اين عناصر در واقع پوششی برای خاک مسلح هستند و عملكرد اصلی آنها جلوگيری از ريزش خاک بين المانهای مسلح كننده است. اين اجزا برای جلوگيری از فرسايش سطحی و ايجاد يک نمای مناسب استفاده می‌شوند. خاک مسلح به دليل انعطاف پذيری بالای آن در بسياری موارد بر روی خاک‌های نرم كه نشست بسياری در آنها رخ می‌دهد اجرا می‌شوند. بر اين اساس المان پوسته هم بايد انعطاف‌پذيری لازم را داشته باشد. بيشترين نوع المانهای پوسته كه معمولاً مورد استفاده قرار می‌گيرند، شامل موارد زیر است.
قطعات فلزی يا فولادی
شكل اين المان‌ها به صورت مقطعی از نيم بيضی است كه بسيار انعطاف پذير و مقاوم هستند، برای نصب اين المان‌ها آنها را به يكديگر پيچ كرده و المانهای مسلح كننده را در فاصله بين آنها قرار می‌دهند. استفاده از اين نوع المان پوسته برای مناطقی كه مشكل حمل و نقل و دسترسی وجود داشته باشد به دليل سبكي بالايشان بسيار مناسب است.
قطعات بتنی
شكل اين المان‌ها معمولاً به صورت چليپايی است و با استفاده از بتن به صورت پيش‌ساخته تهيه می‌شوند. اتصالات آنها به گونه‌ای تعبيه شده كه امكان تحمل تغيير شكل قابل ملاحظه‌ای را بدون تر‌ك خوردگی در بتن داشته باشند و خاک از آن محل خارج نشود.
قطعات بتنی امكان اجرای انواع پوشش‌های نما را فراهم می‌آورند.
دوام و پايايی
رفتار و عملكرد خاک مسلح در درازمدت تابعی از رفتار المانهای مسلح كننده آن در طول زمان است. بر اساس ويژگی‌های مكانيكی مورد نياز برای المانهای مسلح كننده، فولاد يكی از بهترين انتخاب‌ها است، اما پديده خوردگی در فولاد باعث تقليل رفتار خاک مسلح می‌شود. بدین دليل بررسی بر روی ساير مصالح برای انتخاب آنها به جای المانهای مسلح كننده همزمان باكاربرد خاک مسلح شروع شده است.
رفتار خاک مسلح
خاک مسلح را می‌توان نتيجه مشاركت دو ماده با مدول الاستيسيته متفاوت دانست كه اساس آن بر اصطكاک و اندركنش خاك و المانهای مسلح كننده پايه گذاری شده است. برای درک رفتار سازههای خاک مسلح ابتدا رفتار نمونه‌های آزمايشگاهی مصالح خاک مسلح و سپس اصطكاک بين خاک و المانهای مسلح كننده و در نهايت رفتار سازههای خاک مسلح بررسی می‌شود.
رفتار نمونه‌های مصالح خاک مسلح
يك نمونه آزمايشگاهی از خاک مسلح را به عنوان يک نوع مصالح مورد آزمايش قرار می‌دهيم. نتايج حاصله از يك سری آزمايش‌های سه محوری بر روی نمونه‌های ماسه مسلح شده با ديسک‌های افقی آلومينيومی نمايانگر تأثير چگالی ماسه، فواصل و مقاومت كششی عناصر مسلح كننده بر روی رفتار نمونه است. در اين آزمايش‌ها دو مد خرابی قابل مشاهده است.
- خرابی در اثر پارگی المانهای مسلح كننده
- خرابی در اثر لغزش بين خاک و المانهای مسلح كننده
رفتار و مكانيزم سازه خاک مسلح
آزمايش‌های انجام شده نشانگر تغيير نيروی كششی در طول المانهای مسلح كننده و رسيدن آن به يك مقدار حداكثر در اين طول است. مكان هندسی محل تنش حداكثر در المانهای مسلح كننده برای لايه‌های متفاوت خط نيروی كششی حداكثر را تعريف می‌كند. اين خط دو ناحيه محرک و مقاوم را از هم جدا می‌كند.
ناحيه محرک
در اين ناحيه خاک تمايل به جدا شدن از سازه دارد و عامل اصطكاک در طول المان مسلح كننده آن را مهار می‌كند.
ناحيه مقاوم
در اين ناحيه تنش برشی مانع از لغزش المانهای مسلح كننده می‌شود. خط مرزی بين اين دو ناحيه (خط كشش حداكثر) سطح محتمل گسيختگی در سازه است. موقعيت اين خط تابع چند پارامتر از جمله هندسه سازه، نيروهای وارده و تأثيرات ديناميكی است. علاوه بر آن ميزان صلبيت المانهای مسلح كننده هم بر روی شكل آن اثرگذار است.
اين سطح گسيختگی متفاوت از گوه گسيختگی كولمب است، اين خط در ناحيه فوقانی ديوار عمودی است و اين به دليل وجود المانهای مسلح كننده نسبتاً صلب در خاک است كه باعث تغيير توزيع تنش، كرنش در خاک می‌شود.
روش طراحی خاک مسلح
طراحی سازههای خاک مسلح شامل كنترل پايداری خارجی يا كلی و پايداری داخلی است.
پايداری خارجی يا كلی سازه
مدهای معمول خرابی در اين مورد به شرح زیر است.
- لغزش
- واژگونی
- عدم كفايت باربری بستر (كج شدگی)
- لغزش عميق
برای اين منظور می‌توان خاک مسلح را مشابه يك سازه وزنی فرض نمود و كل نيروهای وارد بر سازه خاک مسلح را با فرض توزيع رانكين برای فشار جانبی خاک و توزيع ذوزنقه‌ای برای تنش خاک در زير سازه در نظر گرفت.
رفتار لرزه‌ای خاک مسلح
بر اساس آزمايش‌هايی ميز لرزان، مشاهده نمونه‌های واقعی پس از زلزله و تحليل‌های عددی اجزای محدود، مشخص شده كه سازههای خاک مسلح عموماً به دليل انعطاف پذيری خوب، زلزله‌های شديد را بدون خرابی تحمل می‌كنند. توزيع عناصر مسلح كننده در جرم سازه باعث توزيع و استهلاک انرژی لرزه‌ای می‌شود، در نتيجه احتمال ايجاد نيروی متمركز و به دنبال آن خرابی كاهش می‌يابد.
تأثير زلزله روی پايداری كلی سازه خاک مسلح را می‌توان بر اساس فرضيات حاكم بر ساير سيستم‌های حايل وزنی انعطاف‌پذير تخمين زد. در مورد پايداری داخلی، زلزله منجر به افزايش نيروهای ديناميكی در عناصر مسلح كننده می‌شود، توزيع نيروها در حالت ديناميكی متفاوت از توزيع آن در حالت استاتيكی است.
