راهنمای طراحی دیوارهای حائل : ضابطه شماره 308 | 3-10- سپرهای طره ای

سپرهای طره ای برای ارتفاع های حدود 6 متر یا کم تر از خط لایروبی، توصیه می شوند. در این حالـت رفتـار دیـوار بـه صورت یک تیر طره ای است.   

شکل (10-6) نشان دهنده رفتار و تغییر شکل جانبی سپر کوبیده شده در لایه ماسه ای است. به کمک ایـن شـکل می توان توزیع فشار جانبی خالص خاک را بر روی سپرهای طره ای شرح داد. دیوار حـول نقطـه O دوران مـی نمایـد. از آنجایی که در تمام ارتفاع سپر، فشارهای هیدرواستاتیک از دو طرف یکدیگر را خنثی می کننـد ، فقـط فشـار مـوثر خـاک مورد توجه قرار خواهد گرفت. در ناحیه A، تنها فشار جانبی موجود، فشار فعال سمت خاکریز اسـت. در ناحیـه B بـه علت تغییرشکل جانبی سپر ،در سمت خاک پشت سپر فشار فعال و در خـاک جلـوی سـپر، فشـار مقـاوم وجـود خواهـد داشت. در ناحیه C که در زیر نقطه دوران قرار دارد، شرایط عکس می شود. توزیع و فشار خالص واقعـی در روی  سـپر مشابه شکل (10-6-ب)، است، اما برای مقاصد طراحی، این توزیع فشار به صورت شکل (10-6-پ)، ساده می شود.   

در بخش های بعدی تحلیل ریاضی برای بیان رفتار سپرهای طره ای ارائه می شود. توجه به این نکته لازم اسـت کـه در بعضی دیوارهای ساحلی، به علت جزر و مد، تراز آب در جلوی سپر دارای نوسان است که در چنین حـالتی معمـولا  زمـان کافی برای زهکشی و به تعادل رسیدن آب زیرزمینی سمت خـاک وجـود نـدارد. در نتیجـه در تعیـین تـراز آب کـه روی نمودار تنش موثر تاثیر می گذارد، باید دقت کافی به عمل آید . 

1-3-10- سپرهای طره ای کوبیده شده در خاک های ماسه ای ( خاک های دانه ای)   

برای به دست آوردن روابطی براي تعیین عمق نفوذ سپر کوبیده شده در خاک های دانه ای، شـکل (10-7-الـف)، در نظر گرفته می شود. خاک نگهداری شده توسط سپر در بالای خط لایروبی نیز ماسه ای است. تراز سفره آب در عمـق L1 از بالای دیوار قرار دارد. زاویه اصطکاک ماسه φ فرض شود. در این حالت داریم :

1-1-3-10- روش گام به گام برای تعیین نمودار فشار

بر پایه تحلیل بیان شده، روش گام  به گام تعیین نمودار فشار برای یک سپر قایم که در خاک دانه ای کوبیـده شـده، به شرح زیر می باشد:   

گام 1. مقادیر Ka و Kp را محاسبه نمایید . 

گام 2. از رابطه 10-1 مقدار σ1، از رابطۀ 10-2 مقدار σ2 را محاسبه نمایید. توجه شود که مقـادیر L1 و L2 معلـوم است.   

گام 3. از   رابطه 10-6 مقدار L3 را محاسبه نمایید . 

گام 4.P را محاسبه نمایید (شکل 10-7).   

گام 5. با لنگرگیری حول نقطه E، مقدار z یعنی مرکز فشار سطح ACDE را محاسبه نمایید . 

گام 6. از رابطه ي 10-5 مقدار σ5 را محاسبه کنید . 

گام 7. از روابط 10-9 تا 10-12، مقادیر A3 ،A2 ،A1 و A4 را محاسبه کنید . 

گام 8. با استفاده از آزمون و خطا، رابطه 10-8 را براي تعیین L4 حل نمایید . 

گام 9. با استفاده از رابطه 10-4، مقدار σ4 را محاسبه نمایید . 

گام 10. با استفاده از رابطه 10-3، مقدار σ3 را محاسبه نمایید . 

گام 11. از رابطه 10-13، L5 را تعیین نمایید . 

گام 12. حال  می توان مطابق شکل (10-7- الف)، نمودار فشار را رسم نمود . 

گام 13. عمق نفوذ نظری برابر حاصل جمعی L3+L4 را محاسبه نمایید. عمق واقعی (ایمن) نفـوذ، حـدود 20 تـا 30 درصد بزرگ تر از عمق نظری منظور می شود.   

توجه: بعضی طراحان ترجیح می دهند به جای افزایش عمق نفوذ، بر ضریب فشار مقاوم خـاک یـک ضـریب اطمینـان اعمال نمایند. در چنین حالتی در گام 1 می توان نوشت: 

این ضریب اطمینان معمولا بین 1/5 تا 2 در نظر گرفته می شود.   

در این حالت گام های 1 تا 12 با (2/Ka = tan²(45- φ و Kp(design) (به جای Kp) دنبال می شود. طول واقعی نفوذ را می توان با جمع کردن L3 از گام 3 و L4 از گام 8 تعیین نمود. 

2-1-3-10- محاسبه لنگر خمشی حداکثر   

نمودار تغییرات لنگر خمشی سپر طره ای در شکل (10-7-ب)، نشان داده شده است. حداکثر لنگر بین نقـاط E و ‘F رخ می دهد. برای تعیین لنگر حداکثر (Mmax) بر واحد طول دیوار، باید نقطه برش صفر به دست آید. با انتخاب محور ’z با مبدا E، برای نقطه برش صفر داریم :

با تعیین نقطه برش صفر (نقطه "F در شکل 10-7-الف)، مقدار لنگر خمشی حداکثر را می تـوان بـه صـورت زیـر تعیین نمود : 

با داشتن لنگر خمشی حداکثر و انتخاب تنش مجاز مناسب، اساس مقطع لازم بـرای سـپر از رابطـه زیـر بـه دسـت  می آید :

S= اساس مقطع لازم برای سپر در واحد طول   

σall= تنش مجاز خمشی سپر

2-3-10- حالات خاصی از سپرهای طره ای کوبیده شده در خاک های ماسه ای

در این بخش دو حالت خاص از رابطه سازی های بخش 10-3 ارائه می شود.

1-2-3-10- حالت 1- سپر طره ای کوبیده شده در خاک ماسه ای در غیاب سفره آب   

در غیاب سفره آب، نمودار فشار خالص وارد بر سپر طـره ای مطـابق شـکل (10-8) خواهـد بـود کـه حالـت اصـلاح شده ای از شکل (10-7) است. با اعمال L2=0 ،L1=L و 'γ=γ ، روابط قبلی برای این حالت به صورت زیر درمی آیند: 

2-2-3-10- حالت 2- سپر طره ای کوبیده شده در خاک ماسه ای با نیروی خطی در بالا   

شکل (10-9) یک سپر طره ای را نشان می دهد که در خاک ماسه ای کوبیده شده و یک بار خطی به شدت P بر واحد طول در بالای آن قرار دارد. برای این حالت داریم: 

3-3-10- سپرهای طره ای کوبیده شده در خاک های رسی   

در عمل، موارد متعددی پیش می آید که در آن سپرها لازم است در یک لایه رسی کـه دارای چسـبندگی زهکشـی نشده c (φ=0) می باشد، کوبیده شود. در این حالت نمودار فشار خالص، با نمودار نشان داده شـده در شـکل (10-7)، متفاوت خواهد بود. شکل (10-10) یک سپر طره ای را نشان می دهد که در یک لایه رسی کوبیده شده و خاکریز پشـت آن در بالای خط لایروبی، دانه ای است. تراز سفره آب نیز در عمق L1 از بالای دیوار قرار دارد. همانند گذشته بـا اسـتفاده از روابط 10-1 و 10-2، می توان فشارهای خالص σ1 و σ2 و در نتیجه نمـودار توزیـع فشـار را در بـالاي خـط لایروبـی تعیین نمود.   

نمودار فشار خالص در پایین خط لایروبی به صورت زیر رسم می شود:   

در عمق دلخواه z که بزرگ تر از L1+L2 بوده و در بالای نقطه دوران O قرار دارد، فشار فعـال σ2a کـه از راسـت بـه چپ عمل می نماید، برابر است با:  

که در آن Ka ضریب فشار فعال رانکین می باشد و با φ=0 مقدار آن مساوی واحد می شود.   

به طور مشابه، فشار مقاوم σp که از چپ به راست عمل می نماید، برابر است با :

که در آن Kp ضریب فشار مقاوم رانکین می باشد که با φ=0 مقدار Kp مساوی واحد می شود.

بنابراین فشار خالص برابر است با :

در پایین سپر، فشار مقاوم از راست به چپ برابر است با :

به طور مشابه، فشار فعال از چپ به راست برابر است با :

P مساحت سطح ACDE و z1 فاصله مرکز فشار سطح ACDE از تراز خط لایروبی می باشد. بـا حـل رابطـه فـوق برای D، عمق نفوذ نظری در لایه رسی برای سپر به دست می آید. 

1-3-3-10- روش گام به گام برای تعیین نمودار فشار: 

گام 1. محاسبه ضریب فشار جانبی (Ka=tan²(45-φ/2 برای خاکریز دانه ای

گام 2. محاسبه فشارهای σ1 و σ2 از روابط 10-1 و 10-2

گام 3. محاسبه P و z1 

گام 4. محاسبه مقدار نظری D از رابطه ي 10-40

گام 5. محاسبه L4 با استفاده از رابطه 10-39   

گام 6. محاسبه مقادیر σ6 و σ7 از روابط 10-35 و 10-38

گام 7. رسم نمودار توزیع فشار خالص مطابق شکل (10-10)

گام 8. تعیین عمق نفوذ ایمن

D (ایمن)=1.6 تا D1.4 (نظری) 

ضریب اطمینان به کار رفته تابعی از درجه اهمیت سازه و یا دایمی یا موقت بودن آن اسـت. بـرای سـازه هـای دایمـی عدد 1/6 و برای سازه های موقت، مقادیر کم تر توصیه می شود.   

- لنگر خمشی حداکثر: 

مطابق شکل (10-10)، نقطه برش صفر نظیر نقطه حداکثر لنگر خمشی، در محدوده زیر قرار دارد :

L1+L2 < z < L1+L2+L3

با استفاده از مختصات جدید z'=0 ) 'z در تراز لایروبی)، شرط صفر بودن برش را می توان به صورت زیر نوشت :

حال می توان مقدار لنگر خمشی حداکثر را تعیین نمود :

با داشتن لنگر خمشی حداکثر، اساس مقطع لازم را می توان از رابطه 10-16 تعیین نمود . 

4-3-10- حالات خاص برای سپرهای طره ای کوبیده شده در خاک های رسی

1-4-3-10- حالت 1- سپر طره ای کوبیده شده در لایه رسی در غیاب سفره آب

با مراجعه به شکل (10-11) داریم:

2-4-3-10- حالت 2- سپر طره ای کوبیده شده در لایه رسی با بار خطی در بالای سپر   

شکل (10-12) یک سپر طره ای را نشان می دهد که در لایه رسی کوبیده شده و در بالای آن بار خطی بـا شـدت P بر واحد طول تاثیر می نماید. برایي این حالت داریم :