اصول طراحی و اجرای پایدارسازی گود با انکر

انجام عملیات گودبرداری و پایدارسازی گود در مناطق شهری به علت وجود تاسیسات شهری و همجواری با ساختمانها و خیابانهای اطراف گود دارای مسائل و مشکلات پیچیده ای میباشد به طوریکه با افزایش هر چه بیشتر عمق گود و تغییر در رفتار فیزیکی و عملکرد مقاومتی خاک جدار گود ، پارامترهای موثر در ناپایداری گود افزایش یافته و لازم است با نرم افزارهای مناسب و مدلهای رفتاری واقع گرایانه تر رفتار خاک را در گودبرداری و پایدارسازی بررسی نموده و با انجام تحلیل درست و قضاوت مهندسی، نوع سازه نگهبان و میزان و روش و المانهای مقاوم سازی و پایدارسازی خاک جداره گود را تعیین کرد به طوریکه همزمان عملیات تحکیم و پایدارسازی گود دارای حداکثر ضریب اطمینان پایداری و حداقل میزان تغییر شکل های افقی و نشست و همچنین حداقل هزینه و قیمت اجرایی عملیات تحکیم و پایدارسازی گود باشد. در واقع تخصص و توانمندی یک شرکت مهندسی ژئوتکنیک در بهینه سازی هزینه و قیمت تمام شده کار به همراه طرحی با کمترین تغییر شکل و کمترین آسیب به همجواریهای یک پروژه گودبرداری میباشد. به منظور رسیدن به این اهداف ؛ مطالعه دقیق مهندسی در یک پروژه گودبرداری از اهمیت ویژه ای برخوردار میباشدکه شامل مطالعات مهندسی ژئوتکنیک و مکانیک خاک و بررسی همجواریهای پروژه گودبرداری میباشد . در رابطه با مهندسی ژئوتکنیک و مکانیک خاک تعیین لایه های مختلف زیر سطحی خاک به همراه پارامترها و مشخصات مکانیکی و مقاومتی هر لایه و وضعیت تراز آب زیر زمینی برای انجام یک تحلیل پایداری دقیق گود ضروری میباشد به منظور تعیین مقاومت مکانیکی لایه های مختلف خاک انجام آزمایشهای صحرایی زیر که جهت پروژه گودبرداری مناسب میباشند پیشنهاد میگردد که در هر پروژه گودبرداری و پایدارسازی گود انجام گردد چرا که موجب بهینه شدن طرح پایدار سازی و کاهش هزینه و قیمت اجرای عملیات سازه نگهبان گود خواهد شد :
1- آزمایش بارگذاری لبه ترانشه
2- آزمایش برش برجا

هریک از آزمایشهای فوق را می توان در یک پروژه گودبرداری و پایدارسازی خاک انجام داد و لیکن در هر تراز با تغییر وضعیت لایه های زیر سطحی میبایست که آزمایش تکرار گردد تا بتوان نتایج بسیار دقیق تر و نزدیک تر به واقعیت را از پروژه در دست داشت. بعد از مطالعات دقیق ژئوتکنیک در ادامه می بایست وضعیت همجواریها و ساختمانها و تاسیسات اطراف گود به دقت بررسی گردد تا بر اساس سطح انتظار وقوع ترک و نشست در ساختمانهای اطراف و با توجه به فاصله هر ساختمان و یا تاسیسات از لبه گود میزان تغییر شکل مجاز مطابق با آیین نامه FHWA و همین طور بر اساس نمودار Mair 1989 برای هر یک از همجواریها تعریف و تعیین گردد و سپس میزان کلی تغییر شکل افقی و قائم در لبه گود را تعیین نمود و پس از آن با انجام مدلسازی دقیق بر اساس اطلاعات حاصل شده در گام اول و مطالعه همجواریها، نسبت به طراحی و تعیین روش پایدارسازی گود و مقدار مقاوم سازی گود اقدام نمود تا بتوان به حداکثر تغییر شکلی معادل با آنچه که در حد مقاومت و تحمل برای لبه گود و یا ساختمانها و تاسیسات و خیابانهای اطراف میباشد ؛ دست یافت. در این حالت بررسی تعداد طبقات ساختمانهای اطراف ، نوع اسکلت آنها ، تعداد زیر زمین آنها، بررسی وضعیت ترافیکی و تردد خودروها در خیابان های اطراف گودبرداری و میزان سربار آنها، خطوط فشار قوی گاز و آب و فاضلاب و مخابرات ضروری میباشد به طوریکه کنترل تغییر شکل هر یک لازم است که جداگانه انجام پذیرد به طور مثال نشست و تغییر شکل بیشتر از 30 میلیمتر برای خطوط لوله گاز و آب با توجه به خطی بودن مسیر آنها خطرناک میباشد و در اثر تغییر شکل زیاد احتمال آسیب دیدن آنها بسیار بالاست. با توجه به عمق گودبرداری استفاده از عناصر و المانهای مقاوم ساز به مانند انکرهایی از استرند چند رشته ای با ظرفیت کششی 75 و 90 تن ضروری میباشد ضمن اینکه به منظور کنترل تغییر شکلها و افزایش میزان سختی استفاده از شمعهای بتنی درجا ریز ( در صورتیکه اجرای این شمعها موجب کاهش ابعاد و عرض زمین نگردد) و یا سولجر پایلهای فلزی نیز ضروری میباشد.
یکی دیگر از پارامترهای تاثیر گذار در وضعیت پایداری گودهای عمیق چه در مرحله ساخت و چه در دوره بهره برداری از گود تا زمان ساخت دیوارهای بتنی وضعیت آبهای زیرزمینی، میزان دبی نشب آب ، وجود حفرات و قنوات خشک و آبدار و یا حضور لایه های آبدار محبوس تحت فشار( زون های آبگیر رسی ) میباشد که همگی اینها در ناپایداری گود بسیار تاثیر گذار میباشند؛ لذا لازم است تا قبل از انجام گودبرداری و مطابق آنچه که در گام اول اشاره گردید مطالعات دقیق ( به صورت ژئوفیزیک ) برای وضعیت آبهای زیرزمینی و قنوات انجام پذیرد و همچنین راهکار مناسب برای زهکشی موقت ( در دوران گودبرداری ) و زهکشی دائم ( دوره بهره برداری ساختمان ) انتخاب گردد.

سیستم پایدارسازی گود با انکراژ مولتی استرند و یا چند رشته ای، ايمن ترين روش حفاظت از گودبرداری در مقايسه با ساير روشهای پايدار سازی گود و ترانشه های خاکی و سنگی میباشد که اين امر ناشی از خاکبرداری و گودبرداری مرحله به مرحله و تثبيت و تحکیم و پایدارسازی هر مرحله از گود با استفاده از رديف مهاریها و انکرهای مربوط به آن مرحله و سپس انجام عمليات خاکبرداری مرحله بعدی میباشد، لذا در هر رقوم ارتفاعی از گودبرداری تا تراز ما قبل آن عمل پايدار سازی گود به طور کامل انجام شده است.
انکرهای مولتی استرند (Ground anchors) تاندونها و رشته های پیش تنیده تزریق شده با دوغاب سیمان هستند که در خاک و یا سنگ برای مهار و کنترل جابجایی ها و تغییر شکلهای ناشی از گودبرداری و ترانشه برداری استفاده میشوند. مهاریها و رشته های استرند در داخل سوراخهای حفاری شده نصب میشوند و پس از تزریق دوغاب سیمان تا بار طراحی مورد نظر پیش تنیده و کشیده میگردند تا نیروی مقاومت مورد نیاز را بسیج و از خاک به المان سازه ای منتقل کنند. انکرها و مهاری های موقتی برای بازه کمتر از 2 سال استفاده میشوند. انکرهای دائمی در برابر خوردگی محافظت میشوند تا از عملکرد بلند مدت آنها در طول عمر کاربری اطمینان حاصل شود. جزییات انکر و اجزاء اساسی آن عبارتند از:
- طول پیوستگی مهاری و یا طول باند : که تاندون و یا رشته های استرند در حباب تزریق شده اولیه ثابت میشود و نیروی کششی را به خاک اطراف منتقل میکنند. طول باند و یا پیوستگی مهاری طوری طراحی میشود که ظرفیت بیرون کشش مورد نیاز را ایجاد کند.
-طول آنباند و یا بدون پیوستگی: که تاندون و رشته های استرند میتواند آزادانه تغییر شکل الاستیک دهد تا نیروی مقاوم را از طول پیوسته مهاری و یا همان طول باند به المان سازه ای مانند پد بتنی منتقل کند و طوری طراحی میشود که با فاصله مطمئن به پشت گوه گسیختگی محتمل برسد.
- دوغاب سیمان مهاری: عموماً مخلوط با پایه سیمان پرتلند یا رزین پلیمری است و برای انتقال نیروی مهاری به خاک استفاده میشود.
- مهار یا گیره (anchorage): وسیله ای است که به تاندونها و رشته های استرند وصل می شود و شامل صفحه و سر مهاری (anchor head) است و اجازه تنیدگی و قفل کردن (lock-off) رشته های استرند را میدهد.

المانهای سازه ای جدار گودهای مهار شده با انکر

در سیستمهای سازه نگهبان نیلینگ و انکراژ المان سازه ای متصل شونده به جدار خاک نقش سازه ای عمده ای دارد. این المان سازه ای باید در برابر نیروهای کششی منتقل شده توسط مهاریها و انکرها ، فشار جانبی اعمال شده توسط خاک و ممان خمشی مقاومت کند. سازه جدار گود میتواند با انواع گوناگونی از المانهای سازه ای و تکنیکهای مختلف نصب ؛ ساخته شود. انتخاب المان سازه ای برای کاربری خاصی عموماً بستگی به نوع خاک، شرایط آب زیرزمینی، شیوه ساخت محلی، موجود بودن مصالح و تجهیزات و عملکرد مورد نیاز دارد. المانهای سازه ای میتوانند با موارد ذیل ارزیابی شوند: سختی، آسانی حمل و نصب، دوام، آببندی یا پیوستگی، آسانی برداشتن و حذف آن. المانهای مورد استفاده به 4 گروه ذیل تقسیم میشوند:
1- دیوارهای سپری (sheet pile walls): که عموماً سپرهای فلزی قفل و بست شده¬اند که قبل از گودبرداری در زمین کوبیده میشوند.
2- دیوار شمع های بتنی و تخته بندی (soldier piles & lagging): که دیوار برلنی (Berlin-type wall) نیز نامیده میشود، عموماً شامل تیرهای فولادی H که یا در زمین کوبیده میشوند یا در گمانه از پیش حفاری شده قبل از گودبرداری قرار میگیرند، است.
3- دیوارهای استوانه ای (cylinder walls): که شامل آرایشی از صندوقه های باز هستند که معمولاً از بتن مسلح یا مخلوط درجای خاک- سیمان ساخته می شوند و فاصله کمی از هم دارند تا دیوار پیوسته ای را تشکیل دهند.
4- دیوارهای دیافراگمی (slurry walls or concrete diaphragm walls): عموماً در یک ترانشه که توسط گل حفاری ویسکوز نگهداری شده تشکیل می شوند. بتن بصورت ترمی وارد ترانشه می شود و گل حفاری را بالا میراند و مسلح کردن دیوار توسط مقاطع فولادی قائم، عضوهای بتنی مسلح از پیش ساخته شده یا قفسه آرماتور، انجام می شود.

نحوه طراحی و کنترل طرح پایدارسازی گود با نیلینگ و انکراژ

برای طراحی اولیه و کنترل طرح پایدارسازی به روش نیلینگ و انکراژ ، از نشریه وزارت راه ایالات متحده امریکا FHWA استفاده می شود . جهت کنترل پایداری کلی شیروانی از نرم افزار Geo-Studio و کنترل نشست و تغییرشکلهای افقی و عمودی از نرم افزارPLAXIS که بر مبنای المان محدود میباشد استفاده می شود . باتوجه به انتخاب روش پایدارسازی گودبر مبنای نیلینگ و انکراژ از ميان سایر روشهای و سیستم های سازه نگهبان گودبرداری به عنوان گزينه برتر، بررسي موقعيت، زاويه نصب نیل ها و انکر ها و طول نیل ها و انکر ها، بعنوان مهمترين عناصر طرح مطرح مي‌باشند.
در تحلیل تغییر شکل مدل رفتاری که تطابق خوبی با نتایج واقعی بدست میدهد مدل سخت شوندگی (Hardening Soil Model) می باشد. در این مدل پلاستیسیته سخت شونده، سطح تسلیم در فضای تنش های اصلی ثابت نیست و بلکه بعلت کرنش پلاستیک گسترش می یابد. مدل خاک سخت شونده یک مدل پیشرفته برای مدل سازی رفتار انواع خاک ها، هم نرم و هم سفت می باشد (Schanz, 1998). مدل سخت شوندگی مدل پیشرفته هیپربولیک (Duncan & Chang, 1970) می باشد که در آن بجای تئوری الاستیسیته از پلاستیسیته استفاده شده است و اتساع خاک در آن نقش دارد و کلاهک سطح تسلیم را (Yield Cap) دارا می باشد. به پارامترهای مدل hardening در ذیل اشاره شده است:
سختی سکانت سه محوری CD (کرنش پلاستیک بارگذاری انحرافی اولیه) Eref50
سختی مماسی بارگذاری اولیه ادئومتر (کرنش پلاستیک از تراکم اولیه) Erefoed
سختی باربرداری/بارگذاری مجدد Erefur
Eref50 مدول سختی مرجع مطابق با تنش محصورکننده مرجع Pref می باشد و سپس E50 از Eref50 بدست می آید. E50 مدول سختی وابسته به تنش همه جانبه برای بارگذاری اولیه است. به همین منوال Erefoed نیز Eoed را بدست می دهد. برای مسیر تنش باربرداری و بارگذاری مجدد نیز ارتباط Erefur با Eur وجود دارد.

به منظور تعيين بهينه آرايش، طول و امتداد نيل‌ها و انکر ها ، از روش تعادل حدي براي بررسي پايداري گوه خاك نیلینگ شده استفاده مي شود. يكي از نرم‌افزارهاي رايج در اين زمينه، ماژول Slope/w از نرم‌افزار Geo-Studio می‌باشد. اين نرم‌افزار قادر به انجام تحليل پايداري سازه‌هاي خاكي به روش هاي مختلف (Bishop، Janbu، Spencer، Morgenstern-Price و ...) بر مبناي اصول تعادل حدي است. يكي ديگر از مزاياي اين نرم‌افزار، وجود المان ها ی نيل و انکر و شمع مي‌باشد، كه با تعريف پارامترهاي طراحي و ضرايب اطمينان مربوطه، بخشي از موارد طراحي مانند بيرون‌كشيده شدن نيل و ... را مي‌توان كنترل نمود (عملاً در طراحی از مقاومت برشی و خمشی نیلها و انکرها صرفنظر می شود). همچنين اين نرم‌افزار قادر به انجام تحليل شبه استاتيك براي طراحي لرزه‌اي نيز مي‌باشد. به منظور تعيين سطح لغزش بحراني و ضريب اطمينان پايداري مربوط به آن، روش Spencer در نرم‌افزار مورد ملاك عمل قرار میگرد . اين روش داراي فرمولاسيون عمومي بوده و قادر به لحاظ نمودن اجزاي سازه‌اي (نيل و انکر)، نيروهاي افقي (زلزله) و همچنين سطوح لغزش دايره‌اي و غيردايره‌اي به نحو صحيح مي‌باشد. مورد اخير (سطح لغزش غير دايره‌اي) از نظر اينكه امكان جستجوي سطوح لغزش بحراني محدود به شكل هندسي خاصي نمي‌گردد، حائز اهميت فراواني مي‌باشد. نرم افزار به منظور تعيين سطح لغزش غير دايره‌اي، بحراني‌ترین سطح لغزش دايره‌اي شكل را انتخاب نموده و آن را با چند پاره خط تقريب مي‌زند. سپس رئوس اين پاره خط‌ها را با استفاده از روش‌هاي احتمالاتي تغيير مي‌دهد تا كمترين ضريب اطمينان حاصل گردد. پس از طراحی اولیه باید جابجایی های ناشی از گود برداری کنترل گردد. نرم¬افزار اجزاء محدود PLAXIS در تحلیل تغییرشکل مورد استفاده قرار میگیرد. در شرایطی که ساختمان¬های مجاور وجود ندارد و گود به جابجایی های کوچک حساس نمی باشد، جابجایی افقی و نشست بیشتر از یک هزارم ارتفاع گود در حین ساخت و پس از ساخت باعث نگرانی است (H ارتفاع گود ) و باید به یک هزارم عمق گود محدود شود.

بررسی استعداد خاک برای خزش در طراحی سیستم نیلینگ و انکراژ

بار گذاری بلند مدت خاک های ریز دانه در اطراف مهاریهای خاک مانند نیل و انکر ممکن است موجب خزش گردد. خزش تحت تنش موثر ثابت در خاک رخ داده و به دلیل جابجائیهای ایجاد شده و جابجائیهای جانبی دیوار مهاری ؛ اثر منفی در پایداری گود خواهد داشت. ملاک و معیار های ارزیابی اینکه خاک مستعد خزش میباشد یا خیر به شرح زیر میباشد:
- خاکهای ریز دانه با حد روانی بیش از 50 (LL≥50) ؛
- خاکهای ریز دانه با اندیس یا شاخص پلاستیسیته بیش از 20 (PI≥20) ؛
- خاکهای ریز دانه با مقاومت برشی زهکشی نشده کمتر از 50 کیلوپاسکال؛
- اندیس و شاخص روانی بیش از 2/0 (LI≥0.2) ؛ و
- خاکهای دارای منشاء آلی و نباتی.
استعداد خزش را لازم است که مستقیما ضمن انجام تستهای صحرایی مهاری در مراحل اولیه نصب مهارها تعیین شود. میزان خزش بیش از 2 میلیمتر در دوره زمانی بین 6 تا 60 دقیقه در آژمایشات بارگذاری نشان می دهد که خاک دارای استعداد خزش می باشد. در این صورت میبایست طراحیها با کاهش فاصله مهاریها ( نیل ها و انکرها ) و یا افزایش طول آنها اصلاح شود هر چند که نتایج بدست آمده برای دانه بندی، مقاومت برشی خاک و حد روانی نشان دهند که استعداد خزش درخاک وجود ندارد، ولیکن این مساله می بایست ضمن انجام تستهای کششی استاندارد مهاریها ( نیل و انکر) مورد ارزیابی دقیق قرار گیرد و در صورت نیاز حتما طراحی ها ویرایش مجدد گردد.

ظرفيت باربری مهاری ها ( نیل و انکر )

در طراحی سیستم مهاری ها ( نیل و انکر ) ، ظرفيت كششي آنها به دو بخش ظرفيت سازه‌اي و ظرفيت برونكشي آنها (Pullout) تقسيم مي‌شود و سازه طراحی شده بایستی جوابگوی نیروی کششی احتمالی ایجادی در آنها باشد. با توجه به اینکه کلیه مهاری های انکراژ کشیده می‌شوند، مقاومت باند آنها در محل تست می‌شود. لازم به توضیح است که مقاومت باند به دو بخش تفکیک می‌شود بخش اول مقاومت باند بین خمیر سیمان و کابل استرند می‌باشد، که تعیین کننده نیست و بخش دوم مقاومت باند بین خمیر سیمان و خاک مجاور سوراخ و گمانه میباشد که تعیین کننده مقاوت باند انکراژ میباشد . مقاومت برون کششی بر اساس مطالعات قبلی و تحت شرایط تزریق تحت فشار حداقل 2 بار در نظر گرفته و فرض میگردد و لیکن باید توجه شود که مقاومت باند فرض شده، لازم است توسط آزمایش کشش مطابق نشریه FHWA کنترل شود و در صورت ناکافی بودن، نسبت به افزایش طول کلی مهار نیل و انکر و یا طول باند اقدام گردد.