راهنمای طراحی دیوارهای حائل : ضابطه شماره 308 | 5-10- مهارها

در بخش های 10-7 تا 10-11، تحلیل سپرهای مهار شده ارائه گردید. در این بخش ها روش محاسبه نیروی مهـاری لازم برای واحد طول دیوار نیز مورد بحث قرار گرفت. در این قسمت، جزییات بـیشتـری در مـورد انـواع مختلـف مهـار و روش محاسبه ظرفیت باربری نهایی آن ها ارائه می شود.

انواع مختلف مهارهایی که در سپرهای مهار شده مورد استفاده قرار می گیرند، به شرح زیر می باشند :

1- تیرها و صفحات مهاری   

2- میله مهارها با انتهاي تزریق شده (میله مهار کورشده)  

3- شمع های مهاری قایم  

4- تیرهای مهاری با شمع های مایل

براي صفحات یا تیرهای مهاری معمولا از قطعات پیش ساخته بتنی استفاده می شود (شـکل 10-20- الـف). مهارهـا توسط میله مهار به سپر وصل می شوند. برای اتصال میله مهارها به سپر، یک پشـت بنـد افقـی در جلـو و یـا پشـت سـپر قرارداده می شود تا تکیه گاه مناسب و صلبی برای سپر تامین گردد. برای محافظت میله مهار در مقابـل خـوردگی، معمـولا  روی آن توسط رنگ یا اپوکسی اندود می شود.

در مهار با انتهای تزریق شده (شکل 10-20- ب)، ابتدا یک سوراخ در زمین حفر شده و در داخـل آن میلـه یـا کابـل مهاری قرار داده شده و انتهای آن تزریق می شود (کابل ها معمولا از نوع فولاد پرمقاومت پیش تنیده ، می باشند).   

در شکل های (10-20-ج) و(10-20-د)، استفاده از شمع های قایم و شمع های مایل برای مهار سپر نشان داده شده است.  

نیروی مقاوم صفحات یا تیرهاي مهاری، ناشی از فشار مقاوم خـاک موجـود در جلـوی آن هـا مـی باشـد . بـرای تعیـین بهترین محل برای یک صفحه مهاری (برای حداکثر کارایی)، شکل (10-20- الف)، که در آن AB سـپر مـوردنظر بـرای مهار می باشد، در نظر گرفته می شود. اگر صفحه مهاری در داخل گوه ABC (ناحیه فعال رانکین) قرار گیرد ،هـیچ گونـه مقاومتی در مقابل خرابی دیوار نخواهد داشت. به جای آن، می توان مهار را در ناحیه CFEH قـرار داد. توجـه شـود کـه خط DFG، خط لغزش برای فشار مقاوم رانکین در مقابل صفحه یا تیر مهاری است. اگر قسمتی از گوه مقاوم در داخـل گوه فعال ABC قرار گیرد، فشار مقاوم کامل در هنگام خرابی دیوار، در جلوي صفحه مهار به وجود نمی آید. حال اگـر تیر یا صفحه مهاری در ناحیه ICH قرار گیرد، ناحیه فشار مقاوم در جلوی صـفحه یـا تیـر مهـاری کـاملا خـارج از ناحیه فشار فعال قرار گرفته و مقاومت مهاری کامل در جلوی صفحه یا تیر مهاری به وجود می آید.   

شکل های (10-20- ب)، (10-20- ج)، و (10-20- د)، نیز نشان دهنده محل قرارگیری صحیح میله مهار بـا انتهـای تزریق شده (کورشده)، شمع مهاری قایم و تیر مهاری با شمع های مایل می باشند. 

2-5-10- محاسبه مقاومت نهایی صفحات و تیرهای مهاری

تنگ (1962)، رابطه ي زیر را برای تعیین مقاومت نهایی مهاری صفحات یا تیرهای مهاری در خاک هـای دانه ای کـه در نزدیکی سطح زمین قرار دارند ( 2 تا 1/5 ≤ H/h در شکل 10-21)، ارائه داد . 

Pu= ظرفیت مقاومت نهایی مهار   

B= طول مهار در امتداد عمود بر مقطع نشان داده شده در شکل (در امتداد طول دیوار)

Pa و Pp= نیروی فعال و مقاوم رانکین برای واحد طول مهار 

توجه شود که مطابق شکل (10-21)، Pp در جلوی صفحه مهار عمل می نماید، همچنین داریم : 

رابطه 10-75 برای شرایط کرنش صفحه اي معتبر است. براي تمام حالات عملی B/h>5  و با تقریب خوب شرایط کرنش صفحه ای برآورده می شود. برای B/h کوچک تر از 5، باید سطح گسیختگی سه بعـدی در نظـر گرفتـه شـود. تنـگ (1962) رابطه زیر را برای تعیین مقاومت نهایی صفحه مهاری ارائه کرد: 

k0 ضریب فشار خاک در حالت سکون است که مقدار تقریبی آن حدود 0/4 می باشد. 

اوسن، و استرمن (1972) روشی برای تعیین مقاومت نهایی مهاری در ماسه ارائه کرده اند که منطقی تر از روش تنـگ است و استفاده از آن توصیه می شود. گام های اساسی در این روش به قرار زیر می باشند:   

گام 1- حالت پایه: طول مدفون H را تعیین نمایید. فرض کنید که صفحه مهاری دارای ارتفاع H بوده و طول B آن در امتداد عمود بر صفحه کاغذ بی نهایت است (شکل 10-22). این وضعیت، حالت پایه نامیده می شود.   

در شکل (10-22) از علایم زیر استفاده شده است: 

Pp= نیروي مقاوم برای واحد طول مهار   

Pa= نیروي فعال برای واحد طول مهار   

φ= زاویه اصطکاک خاک   

δ= زاویه اصطکاک بین صفحه مهاری و خاک

P'u= مقاومت نهایی برای واحد طول مهار   

W= وزن واحد طول صفحه مهاری

مقدار P'u را می توان به صورت زیر تعریف کرد:  

Ka= ضریب فشار فعال با δ=φ (به شکل 10-23-الف، مراجعه شود.)   

Kp= ضریب فشار مقاوم

 براي محاسبه Kpcosδ ابتدا Kpsinδ را از رابطه ي زیر محاسبه نمایید: 

با استفاده از Kpsinδ به دست آمده از رابطه 10-80، مقدار Kpcosδ را می توان از نمـودار ارائـه  شـده در شـکل (10-23- ب)، تعیین کرد.   

گام 2- حالت نواری: طول واقعی h مهار را که لازم اسـت سـاخته شـود، تعیـین نماییـد. اگـر یـک  مهـار پیوسـته (∞=B) به ارتفاع h در عمق H قرارداده شود (شکل 10-24)، مقاومت نهایی آن در واحد طول از رابطه زیـر بـه دسـت می آید: 

P'u از رابطه 10-79 محاسبه می گردد. 

P'us= مقاومت نهایی برای حالت نواری   

Cov= ضریبی مساوی 19 برای ماسه متراکم و 14 برای ماسه شل

گام 3- حالت واقعی: در عمل صفحات مهاری مطابق شکل (10-25- الف)، به صـورت صـفحات جـدا از هـم در یـک ردیف به فواصل 'S قرار داده می شوند. برای این حالت که به حالت واقعی موسوم اسـت، مقاومـت نهـایی هـر مهـار، Pu، از رابطه زیر به دست می آید :

که در آن Be طول معادل می باشد.

طول معادل تابعی از H ،B ،'S و h است. شکل (10-25- ب)، نمودار (H+h)/(Be-B) را در مقابل (H+h)/(S'-B) بـراي حالت ماسه شل و متراکم نشان می دهد. برای مقادیر معلوم H ،B ،'S و h می توان مقدار Be را برای استفاده در رابطـه 10-82 محاسبه نمود . 

مطالعات انجام شده در مورد رابطه بار- تغییرمکان مهارها نسبتا محدود می باشـد . شـکل (10-26) نشـان دهنـده ي تغییر مکان بدون بعد مهارها در بار نهایی برای مقادیر مختلـف B/h و H/h مـی باشـد کـه بـه طـور تجربـی توسـط نیلـی، استوارت، و گراهام در ماسه متراکم و متوسط به دسـت آمـده اسـت. دس (1975)، و دس و سـیلی (1975) بـه کمـک آزمایش روابط مشابهی برای مهارها در ماسه شل به دست آوردند. بر پایه نتایج تجربی، دس و سیلی (1975)، رابطـه بار تغییرمکان زیر را برای مهارها ارائه دادند:

در این رابطه :

رابطه 10-83 برای مقادیر B/h بین 1 تا 5 و H/h بین 1 تا 5 معتبر می باشد. 

1-2-5-10- مقاومت نهایی صفحات و تیرهای مهاری در رس (شرایط φ=0) 

آزمایش های نسبتا کمی بر روی تخمین مقاومت نهایی صفحات و تیرهای مهاری در خاک های رسی (شـرایط φ=0) انجام شده است . 

مکنزی (1955) و چبوتاریف (1973) با استفاده از مدل های آزمایشـگاهی، رابطـه ای بـی بعـد بـرای مقاومـت نهـایی صفحات و تیرهای مهاری برحسب h ،H و c (چسبندگی زهکشی نشده برای شرایط φ=0 ) تهیه کردند. دس، تارکویین ، و مورنو (1985) روش زیر را برای تعیین مقاومت نهایی یک مهار مدفون در رس ارائه نمودند:

وقتی که یک صفحه مهار با ابعاد h×B در عمق H مدفون است، سطح گسیختگی خاک در بار نهـایی مطـابق شـکل (10-27-الف)، تا سطح خاک توسعه می یابد. این وضعیت وقتی رخ می دهد که نسـبت H/h نسـبتا  کوچـک باشـد. لـیکن برای مقادیر بزرگ تر H/h، در بار نهایی، گسیختگی برشی موضعی رخ می دهد (شکل 10-27-ب.) 

مقدار بحرانی H/h که در آن گسیختگی برشی کلی به گسیختگی برشی موضعی تبدیل می شـود ، از رابطه زیـر بـه دست می آید: 

در روابط 10-86 و 10-87 واحد چسبندگی زهکشی نشده بر حسب پوند بر فوت مربع (lb/f²) می باشد .

مقاومت نهایی یک صفحه مهاری در شکل بی بعد به صورت زیر بیان شده است :

Fc= ضریب شکست   

Pu= مقاومت نهایی   

در شکل (10-28) تغییرات Fc در مقابل H/h یک صفحه مهاری که در خاک رس مـدفون اسـت، نشـان داده شـده است. توجه شود که برای H / h ≥ (H / h)cr، مقدار Fc مساوی Fc(max) است که مقدار ثابتی مـی باشـد . بـرای صـفحات مربع (B=h) مقدار Fc(max) مساوی 9 می باشد. بنابراین با H / h ≥ (H / h)cr-S داریم :

برای مهاری مستطیل با H / h ≥ (H / h)cr-R ، مقاومت نهایی می تواند طبق روابط زیر تعریف شود :

برای مهارهای مربع یا مستطیل با H / h ≤ (H / h)cr، مقاومت نهایی را می توان از رابطه تجربی زیر محاسبه کرد:  

ضریب اطمینان برای تیرها و صفحات مهاری 

مقاومت مجاز هر صفحه مهاری ،Pall، را می توان به صورت زیر بیان نمود : 

که در آن FS ضریب اطمینان می باشد. معمولا ضریب اطمینان مساوی 2 توصیه می شود. 

2-2-5-10- فواصل صفحات مهاری   

فواصل مرکز به مرکز صفحات مهاری ،'S، را می توان به صورت زیر تعیین کرد: 

که در آن F نیروی مهار بر واحد طول سپر می باشد.

3-2-5-10- مقاومت نهایی میله مهارها با انتهای تزریق شده (کورشده)   

مطابق شکل (10-29)، مقاومت نهایی یک میله مهار با انتهای تزریق شده را می توان به صورت زیر تعیین کرد: 

Pu= مقاومت نهایی   

φ= زاویه اصطکاک داخلی خاک   

σv= تنش قایم موثر متوسط (مساوی γz در ماسه خشک)   

K= ضریب فشار خاک

اگر عمل تزریق تحت فشار انجام شود ،K را می توان مساوی ضریب فشار خاک در حالت سـکون (Ko) در نظـر گرفـت (لیتل جان2- 1970). حد پایین K، ضریب فشار فعال رانکین می باشد.  

در رس، مقاومت نهایی میله مهار با انتهاي تزریق شده را می توان به صورت زیر تقریب زد: 

که در آن ca ضریب همبستگی می باشد. 

مقدار ca را به طور تقریبی  میتوان مساوی ⅔ c در نظر گرفت که در آن c چسبندگی زهکشی نشده می باشد.   

برای تعیین مقاومت مجاز میله مهار با انتهای تزریق شده،  می توان ضریب اطمینانی مساوی 1/5 تا 2 بر مقاومت نهـایی اعمال کرد .