سیستمهای دوخت به پشت به انواع متنوعی شامل سیستمهای نیلینگ، انکراژ، دیوار برلنی تقسیمبندی میشوند که در ادامه به طور جامع توضیح داده شدهاند:
- تعریف نیلینگ یا میخکوبی
سیستم نیلینگ (یا میخکوبی) خاک شامل تقویت (نه به روش پسکشیدگی) زمین بوسیله نصب و اجرای میلگردهای فولادی نزدیک به هم (میخ یا مسلحکننده نیلی) میباشد، که متعاقباً درون دوغاب مهار میشوند. برای تامین پیوستگی دیوار پایدارسازی شده در حین پیشروی ساخت آن از بالا به پایین، دیواره گود شاتکریت میگردد. این سیستم معمولاً برای پایدارسازی شیروانی های طبیعی یا گودبرداریها استفاده میشود. تحت شرایط خاص، سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) دیواره خاکی در قیاس با سیستم مهارکوبی زمین (ground anchor) که یکی دیگر از سیستمهای حائل (بالا به پایین) مرسوم می باشد، یک راه کار مناسب از دیدگاه امکانپذیری فنی، هزینههای ساخت و مدت زمان اجرا میباشد. این تکنیک برای گودبرداری در مصالح شبیه به خاک نیز (مثلاً، سنگ نرم یا سنگ هوازده) کاربرد دارد.
کاربرد دیگر سیستم تقویتکننده پسیو، در پایدارسازی زمین لغزهها میباشد. در این مورد سیستم تقویتکننده (میخ، مسلحکننده نیلینگ یا نیلهای پسیو) در یک الگوی نزدیک به هم و تقریباً عمود بر بستر لغزش اجرا شده و در معرض نیروهای برشی حاصل از حرکت توده لغزشی قرار میگیرد.
یک سازه را میتوان بر اساس عمر سرویسدهی آن یا زمان مد نظر استفاده از آن، به سازه دائم یا موقت تقسیمبندی نمود. یک سازه با عمر بهرهبرداری 18 ماه یا کمتر بعنوان سازه موقت و سازهای با عمر بهرهبرداری طولانیتر بعنوان سازه دائم شناخته میشود. اگر یک سازه در ابتدا بعنوان یک سازه موقت در نظر گرفته شده باشد (مثلاً، سیستم نگهداری موقت یک گودبرداری) اما ساخت آن به تاخیر بیافتد به نحوی که گودبرداری بیش از 18 ماه بدون سیستم تسلیح و نگهداری باقی بماند، سازه بایستی بعنوان یک سازه دائم تلقی گردد.
- پیشینه
منشاء سیستم میخکوبی یا نیلینگ دیوار
منشاء سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) دیوار را میتوان به سیستم نگهبان حفاریهای زیرزمینی در سنگ که به نام روش تونلسازی جدید اتریشی (Rabcewicz, 1964a, 1964b, 1965) معروف است، ارتباط داد. این روش شامل اجرای سیستم تسلیح فولادی پسیو (غیر فعال) در سنگ (rock bolt) میباشد که بدنبال آن یک رویه شاتکریت تقویتی اجرا میشود. سیستم ترکیبی فولادهای مسلح کننده پسیو و شاتکریت همچنین از اوایل دهه 1960 (Lang, 1961) در پایدارسازی شیبهای سنگی به کار گرفته شده است. این تکنیک متکی بر مقاومت کششی فولادهای مسلح کننده تحت تغییرشکلهای نسبتاً کوچک در زمین و خاک اطراف میباشد. این سیستم بواسطه پیوستگی شاتکریت ارتقاء مییابد. اگر ترکیب فولادهای مسلحکننده پسیو و شاتکریت بجای سنگ در خاک به کار برده شود، میخکوبی (یا نیلینگ) خاک نامیده میشود.
یکی از اولین کاربردهای سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) خاک در سال 1972 برای پروژه تعریض خط راه آهن در نزدیکی Versailles در فرانسه بود، جاییکه یک شیروانی ماسهای به ارتفاع 18 متر با استفاده از سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) (Rabejac and Toudic, 1974) پایدارسازی شد. از آنجا که این روش به لحاظ هزینه بهینه بود و زمان ساخت و اجرا نسبت به سایر سیستمهای مرسوم کمتر بود، استفاده از سسیستم میخکوبی (یا نیلینگ) خاک در فرانسه و سایر مناطق اروپا رواج یافت. اولین استفاده از سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) خاک در آلمان به سال 1975 برمیگردد (Stocker et al., 1979).
اولین برنامه تحقیقاتی مهم در خصوص میخکوبی (یا نیلینگ) دیوار در آلمان از سال 1975 تا 1981 در دانشگاه کالسروهه و شرکت ساختمانی بوئر صورت گرفت. این برنامه تحقیقاتی، شامل آزمایشهای تمام مقیاس دیوارهای آزمایشگاهی با آرایش های مختلف و توسعه روشهای آنالیز و طراحی بود.
(Gässler and Gudehus, 1981; Schlosser and Unterreiner, 1991) .
در فرانسه، برنامه تحقیقاتی Clouterre با مشارکت بخش دولتی و خصوصی، در سال 1986 آغاز شد. هدف از این تحقیق اجرای آزمایشهای تمام مقیاس، بررسی و نظارت سازههای در حال بهرهبرداری و شبیهسازیهای عددی بود (Schlosser , 1983 ; Clouterre , 1991).
تاریخچه کاربرد و توسعه در ایالات متحده
اولین موارد کاربرد سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) دیواره خاک در آمریکای شمالی برای نگهداری موقت گود خاکبرداری شده در ونکوور، واشینگتن و مکزیکوسیتی در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه 1970 میباشد. یکی از اولین کاربردها در ایالات متحده سیستم نگهداری حفاری پی عمیق 7/13 متری در ماسههای متراکم سیلتی دریاچهای برای توسعه بیمارستان good Samaritan در پورتلند-اورگان به سال 1976 بود (Byrne et al, 1998).
طبق گزارشات، ساخت این سیستم محافظ در حدود نصف زمان و 85% هزینه سیستمهای نگهداری حفاری مرسوم آن زمان تمام شد. در سال 1984، یک دیوار پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) شده آزمایشی به ارتفاع 12 متر در نزدیکی Cumberland Gap, Kentucky توسط اداره بزرگراههای ایالات متحده (FHWA) اجرا شد (Nicholson,1986). در سال 1989، اداره راه و ترابری اورگان بعنوان اولین کاربرد سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) خاک، یک دیوار 8 متری در تکیهگاه پل (end-slope removal) اجرا کرد. در سال 1988، یک دیوار 2/12 متری دولایه در امتداد بزرگراه بین ایالتی شماره 78، در نزدیکی آلنتون، پنسیلوانیا ساخته شد. هر ردیف دیوار به ارتفاع 1/6 متر با یک جابجایی افقی 3 متری، در سنگهای واریزهای و بسیار هوازده ساخته شد. موارد دیگری همچون دیوارهای پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) شده در امتداد بزرگراه بین ایالتی شماره 10 برنادینو، شماره 90 در نزدیکی سیاتل، واشینگتن، و بزرگراه شماره 495 در امتداد George Washington Parkway در ویرجینیا نیز قابل ذکر میباشند (Byrne et al, 1998).
استفاده از دیوارهای پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) در ایالات متحده طی دهه اخیر اساساً به دلایل زیر افزایش یافته است؛
- این سیستم به لحاظ فنی قابلیت اجرا دارد.
- در اغلب موارد، نسبت به دیوارهای حائل مرسوم که از بالا به پایین در گودبرداریهای دائم و موقت اجرا میشوند، اقتصادی میباشد.
مهندسین طراح در حال آشنایی بیشتر با تکنولوژی میخکوبی (یا نیلینگ) خاک میباشند. بیشتر دیوارهای پایدارسازی شده به روش میخکوبی (یا نیلینگ) ساخته شده در ایالات متحده هنوز بعنوان سازههای حائل موقت استفاده میشوند، اما استفاده از سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) بعنوان یک سازه دائمی اساساً در ده سال اخیر افزایش یافته است.
گسترش دانش و کاربرد سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) خاک عمدتاً مرهون تلاشهای بخش توسعه و تحقیقات اداره بزرگراه های ایالات متحده میباشد. اولین اسناد در مورد میخکوبی (یا نیلینگ) خاک از طریق اداره توسعه و تحقیق اداره بزرگراههای ایالات متحده منتشر گردید (Elias and Juran, 1991). هدف این سند انتشار و ارسال اطلاعات به مهندسین مشاور ساخت بزرگراههای ایالات متحده و کاربرانی بود که از این تکنیک بعنوان یک سیستم حائل در پروژههای راهسازی (ترانزیتی) استفاده میکردند.
این تلاشها زمینه را برای تحقیقات بعدی و توسعه فعالیتها در ایالات متحده فراهم آورد. در سال 1993، اداره بزرگراههای ایالات متحده هزینه ترجمه متن فرانسوی “اجرای سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) خاک” به زبان انگلیسی را تقبل نمود. در سال 1994، کتاب راهنمای “نظارت بر سیستم میخکوبی (یا نیلینگ) دیواره خاکی” منتشر شد (Porterfield et al, 1994). از سال 1996 تا 1998، اداره کل بزرگراههای ایالات متحده و مهندسین مشاور ایالتی به منظور تامین راهنمای اجرایی سیستم میخکوبی (یا نیلینگ)، تمامی کارگاههای سرتاسر کشور را حمایت کردند. اسناد جمع آوری شده از آزمایش 103 بعنوان یک رهنمود طراحی مقدماتی ارائه شد و متعاقباً بعنوان یک راهنمای طراحی توسعه یافت (Byrne et al., 1998).
همچنین، اداره کل بزرگراههای ایالات متحده پروژه های تحقیقاتی مختلفی را در انجمنهای دانشگاهی بنا نهاد.
- کلیات سیستم مهار کوبی یا انکراژ (Anchorage)
مهار (یا مسلحکننده انکراژ) تزریق شده پیشتنیده در واقع یک المان سازهای اجرا شده در خاک یا سنگ میباشد، که نقش آن انتقال بار کششی اعمالی به توده خاک میباشد. ابتدا گمانهها در سینه دیوار حفر شده و پس از قرارگیری مهار (یا مسلحکننده انکراژ)، عملیات تزریق دوغاب صورت گرفته و گمانهها پر میشوند. مهار (یا مسلحکننده انکراژ)های تزریقی با نام tieback (دوخت به پشت) نیز عنوان میگردند.
نکته: جا دارد بار دیگر مفهوم پیشتنیدگی را مرور کنیم. پیشتنیدگی که معادل انگلیسی آن pre-stressing میباشد، به معنی اعمال تنش به المان باربر پیش از بهرهبرداری است. یعنی پیش از اینکه سازه و المان باربر بهرهبرداری شود و بارهای مرده نهایی سازه و بارهای زنده بهرهبرداری و سایر بارها بر سازه و المان مذکور تحمیل شوند، با کشیدن عضو (میلگرد یا کابل) در آن تنش ایجاد میکنیم. پس توجه نمایید که به دلیل ایجاد تنش در عضو پیش از بهرهبرداری، از آن با عنوان “پیشتنیدگی” یاد میشود.
پیشتنیدگی به دو روش “پیشکشیدگی” و “پسکشیدگی” صورت میگیرد. اگر پیش از بتنریزی یا تزریق دوغاب، پروسه کشش صورت گیرد و پس از آن بتنریزی یا تزریق دوغاب شود، آنگاه میگوییم، “پیشتنیدگی از نوع پیشکشیدگی”. ولی اگر بعد از بتنریزی و یا تزرق دوغاب، کشش صورت گیرد، آنگاه گوییم “پیشتنیدگی از نوع پسکشیدگی”.
- اجزاء اصلی سیستم مهارکوبی یا انکراژ تزریقی
اجزاء اصلی سیستم مهارکوبی ( یا انکراژ در سیستم نیلینگ) تزریقی شامل سه بخش؛ 1) “مجموعه مهار (یا مسلحکننده انکراژ) ” 2) طول غیر پیوندی یا طول بدون تنش و 3) طول پیوندی میباشد. “مجموعه مهار (یا مسلحکننده انکراژ) ” شامل “سر مهار (یا مسلحکننده انکراژ) “، پلیت باربر و شیپوری میباشد. نقش “مجموعه مهار (یا مسلحکننده انکراژ) ” انتقال نیروهای پیشتنیدگی از فولاد پیشتنیده (میلگرد یا رشتههای فولادی) به رویه دیواره (سطح زمین) یا سازههای پشتیبان میباشد.
جنس المان مهار (یا مسلحکننده انکراژ) را میتوان از میلگردهای نورد شده یا رشتههای فولادی بافته شده انتخاب نمود. در واقع در این کتاب المان مهار (یا مسلحکننده انکراژ) بر حسب نوع مصالح به دو گروه اصلی تقسیم میشود. اگر جنس مهار (یا مسلحکننده انکراژ) از میلگرد باشد، زین پس آن را “تاندون میلگردی” خطاب میکنیم و اگر جنس المان مهار (یا مسلحکننده انکراژ) از رشتههای فولادی (strand) باشد به آن “تاندون کابلی” خواهیم گفت.
در “مجموعه مهار (یا مسلحکننده انکراژ) ” برای تاندون میلگردی و تاندون کابلی طول غیر پیوندی بخشی از فولاد پیشتنیده است که دچار افزایش طول الاستیک نشده و نیروی مقاوم را از طول پیوندی به سازه انتقال میدهد. پیوندشکن یک غلاف پلاستیکی نرم و صاف میباشد که میلگرد یا رشتههای فولادی را در طول غیر پیوندی در بر میگیرد تا مانع از احاطه دوغاب بر فولاد پیشتنیده در این بخش گردد. وجود این غلاف پلاستیکی باعث میگردد فولاد پیشتنیده واقع در طول غیر پیوندی در طی آزمایش و تحمل نیرو، بدون اصطکاک با محیط اطراف به راحتی افزایش طول دهد و بدین ترتیب فولاد پیشتنیده بعد از اعمال بار lock-off، کماکان غیرپیوندی تلقی میگردد. طول پیوندی تاندون، طولی از فولاد پیشتنیده است که توسط دوغاب احاطه شده و قادر به انتقال بارهای کششی اعمالی به زمین اطراف میباشد. طول پیوندی مهار (یا مسلحکننده انکراژ) بایستی پشت سطح گسیختگی بحرانی واقع شود.
همانطور که گفته شد، “تاندون”، بخشی از مجموعه سیستم مهارکوبی (یا انکراژ در سیستم نیلینگ) در خاک است. تاندون (یا همان المان مهار) متشکل از المان فولادی پیشتنیده (میلگرد یا رشتههای فولادی)، محافظ خوردگی، غلاف، متمرکزکننده و فاصله دهندهها میباشد. دقت کنید که دوغاب جزء مجموعه تاندون (المان) محسوب نمیباشد. غلاف یک لوله یا تیوب صاف یا موجدار میباشد که فولاد پیشتنیده واقع در طول غیرپیوندی را از خوردگی محافظت میکند. متمرکزکنندهها تاندون را در مرکز گمانه نگه میدارند تا حداقل پوشش دوغاب دور تاندون تامین گردد. در تاندونهای چند المانی از فاصله دهندهها استفاده میشود، تا رشتههای فولادی یا میلگردها را جدا از هم نگه دارد، به نحویکه هر المان به طور کافی و مناسب در دوغاب تزریق شده احاطه گردد. دوغاب از جنس سیمان پرتلند است که نقش اصلی آن انتقال بار از تاندون به خاک اطراف بوده و همچنین تاندون را از عوامل خورنده محافظت میکند.
- تعریف مصالح
- مصالح تاندون
- تاندونهای میلگردی و تاندونهای کابلی
امروزه در مهارکوبی (یا انکراژ در سیستم نیلینگ) خاک و سنگ از میلگرد و یا کابل فولادی به عنوان المان مهار (یا مسلحکننده انکراژ) استفاده میشود. دفترچه مشخصات (استاندارد) برای میلگرد ASTM-A722 و برای کابل فولادی ASTM- A416 میباشد. دفترچه مشخصات رشتههای فولادی برجسته نیز، ASTM- A886 میباشد. میلگردهای مورد استفاده عمدتاً در قطرهای 26، 32، 45 و 64 م.م. در شاخههای 12 و 18 متری میباشند که برای مهار (یا مسلحکننده انکراژ)های بلندتر میتوان از جفتکننده استفاده نمود. بطور سرانگشتی میتوان گفت یک تاندون میلگردی 18 متری یکپارچه (بدون جفتکننده) به قطر 64 م.م. قادر به تحمل بار طرح 2077 کیلونیوتنی میباشد. در مقایسه با رشتههای فولادی، میلگردها تنش بیشتری را تحمل میکنند و بار اعمالی بر آنها را میتوان بعد از پروسه lock-off تنظیم نمود.
رشتههای فولادی متشکل از چندین رشته “هفت سیم” میباشند. پرکاربردترین رشتههای فولادی در آمریکا کابلهایی به قطر 15 م.م. میباشند. در کابلهای چند رشتهای هیچ محدودیتی از بابت بارگذاری یا طول مهار (یا مسلحکننده انکراژ) وجود ندارد. رشتههای فولادی دارای ویژگیهای مناسبی میباشند که منجر به ثبات قدرت بارپذیری بلند مدت مهار (یا مسلحکننده انکراژ) میگردد. در صورت استفاده از رشتههای هفت- سیم تکی بلند، اولویت بکارگیری کابلهای بلند ساخته شده در کارخانه میباشد، لیکن میتوان از جفتکننده نیز استفاده نمود. در مواقعی که قطر کوپلینگ خیلی بیشتر از قطر رشتهها باشد، استفاده از جفتکننده توصیه نشده است، اما برای تعمیر و سر هم سازی تاندونهای معیوب میتوان از جفتکننده استفاده نمود. زمانیکه از جفتکننده استفاده میگردد، مسئله حفاظت از خوردگی تاندون در محل وصله بایستی مد نظر قرار گیرد.
1) فاصله دهندهها و متمرکز کنندهها
در طول پیوندی بطور معمول از هر 3 متر یک عدد فاصله دهندهها (متمرکزکنندهها) قرار داده میشود. برای تاندونهای کابلی چند رشتهای، فاصله دهندهها باید حداقل فاصلهای حدود 6 تا 13 م.م بین رشتهها و حداقل پوشش 13 م.م. برای دوغاب اطراف رشتهها تامین کنند. فاصله دهندهها و متمرکزکننده بایستی از مصالح مقاوم در برابر خوردگی ساخته شوند و ممانعتی برای حرکت آزاد دوغاب حین تزریق ایجاد نکنند.
- میلگردها و رشتههای فولادی با پوشش اپوکسی
میلگرد با پوشش اپوکسی (AASHTO M284) و کابل فولادی با پوشش اپوکسی (ASTM A882)، کاربرد زیادی در پروژههای راهسازی ندارند ولی در سدها بطور گسترده استفاده میشوند. پوشش اپوکسی یک لایه مضاعف محافظ خورندگی در طول پیوندی و غیر پیوندی مهار (یا مسلحکننده انکراژ) ایجاد مینماید.
در کابلهای فولادی با پوشش اپوکسی علاوه بر محیط اطراف رشتهها فاصله بین هفت- سیم در هر رشته نیز با اپوکسی پر میشود. استفاده از کابلهایی که فاصله بین سیمها با پوشش اپوکسی پر نشده، توصیه نمیشود زیرا ممکن است آب وارد فواصل رشتهها شده و زمینه خوردگی آنها را فراهم آورد. بر خلاف رشتههای بدون اپوکسی، تغییر شکل خزشی در رشتههای با پوشش اپوکسی در حین آزمایش مهار (یا مسلحکننده انکراژ) نسبتاً قابل توجه میباشد. در ارزیابی معیار خزش مهار (یا مسلحکننده انکراژ) و برای بدست آوردن اندازه واقعی جابجایی در ناحیه پیوندی، خزش رشتههای با پوشش اپوکسی بایستی از جابجایی خزشی کلی کسر شود. نحوه محاسبه دقیق جابجایی خزشی رشتههای با پوشش اپوکسی در نشریه (PTI (1996 ارائه شده است.
2) سایر انواع مهارها(یا مسلحکننده انکراژ) و مصالح تاندون
علاوه بر مهار (یا مسلحکننده انکراژ)های فولادی پیشتنیده تزریقی، انواع دیگری از مهار (یا مسلحکننده انکراژ)ها و مصالح نیز در ایالات متحده مورد استفاده قرار میگیرد. برای مثال میتوان به میلگردهای درجه 60 و 75 با تزریق دوغاب، مهار (یا مسلحکننده انکراژ)های ستارهای ، مهار (یا مسلحکننده انکراژ)های صفحهای و مهار(یا مسلحکننده انکراژ)های مکانیکی سنگ اشاره داشت. روشهای طراحی و روشهای آزمایش مورد بحث در این مقاله مختص مهار (یا مسلحکننده انکراژ)های تزریقی با فولادهای پیشتنیده پر مقاومت میباشد. این روشها برای سایر انواع مهار (یا مسلحکننده انکراژ)های فوق الذکر مناسب نیستند.
در دهههای اخیر، تحقیقاتی در خصوص استفاده از تاندونهای پلاستیکی پیشتنیده مسلح (FRP) انجام شده است (Schmidt et al., 1994). تاندونهای FRP مقاومت کششی بالایی دارند و در برابر خوردگی مقاوم میباشند و سبک وزن هستند. سایر مصالح همچون فایبرگلاس و فولاد ضدزنگ نیز بطور آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گرفتهاند اما هزینه و مشکلات اجرائی، توسعه کاربرد آنها را محدود نموده است.
- دوغاب سیمان
دوغاب مورد استفاده برای مهارکوبی (یا انکراژ در سیستم نیلینگ) در خاک و سنگ معمولاً از نوع دوغاب سیمان پرتلند خالص (دوغابی عاری از هر گونه افزودنی) مطابق استاندارد ASTM C150 میباشد. اگر چه میتوان از دوغاب ماسه- سیمان نیز برای گمانههای با قطر زیاد استفاده نمود. برای تزریق اطراف تاندونهای کپسوله شده، میتوان از دوغاب ماسه- سیمان- شن نخودی نیز استفاده نمود. استفاده از میکسرهای سرعت بالا میتواند ضامن اختلاط یکنواخت آب و دوغاب باشد. نسبت وزنی آب به سیمان (W/C) بین 0/4 تا 0/55 میباشد. در زمان اعمال تنش به مهار (یا مسلحکننده انکراژ) ، سیمان نوع I معمولاً حداقل مقاومت فشاری 21 مگاپاسکال را تامین مینماید. در برخی پروژهها، ممکن است افزودنیهای خاصی برای بهبود کارایی و جریانپذیری دوغاب لازم باشد. اغلب نیاز به افزودنی نیست، ولی در مواردی که دمای محیط بالا است و یا فاصله پمپاژ دوغاب بسیار زیاد است، استفاده از روانکننده میتواند مفید باشد.
مطالب مرتبط
مزایا و معایب دیوار میخکوبی یا نیلینگ شده چیست؟
سیستم میخکوبی یا نیلینگ دیوار چه کاربردهایی دارد؟
در طراحی پایدارسازی گود به روش میخکوبی یا نیلینگ چه ملاحظات بلندمدت یا کوتاه مدتی باید لحاظ گردد؟
در اجرای پایدارسازی گود به روش میخکوبی یا نیلینگ، کنترل آبهای سطحی و زیرزمینی چگونه صورت میگیرد؟
ملاحظات طراحی دیوار پایدارسازی شده به روش نیلینگ
چه بررسیهای زیرسطحی جهت اجرای سیستم میخکوبی یا نیلینگ نیاز است؟
توزیع نیروی کششی در میخ یا مسلح کننده های نیلینگ چگونه است؟
توزیع بار در دیوار میخکوبی به چه صورت است؟
پایش یا مانیتورینگ دیوار پایدار شده به روش میخکوبی یا نیلینگ چگونه است؟