پایان نامه طراحی سازه نگهبان گود برداری به روش ترکیبی میخکوبی و انکراژ به وسیله روش عددی

برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی عمران- خاک و پی

اسفند ماه 1393

چکیده

برای پایدارسازی گودها از روش­های متفاوتی استفاده می‌شود که از میان آن­ها روش میخ­کوبی و روش انکراژ از روش­های متداول بوده و ازنظر روش اجرا به هم شبیه­اند. در این پژوهش سعی شده تا دو روش مذکور را باهم ترکیب کرده و به یک مدل بهتر،ایمن­تر و اقتصادی­تر برای ایجاد سازه نگهبان گود رسید تا بتوان آن را جایگزین روش‌های قدیمی­تر و غیر ایمن و غیراقتصادی نمود.

هدف این پژوهش تأمین پایداری لازم برای گود از طریق ایجاد یک سازه نگهبان ترکیبی بهینه هست که زاویه و طول و چیدمانی بهینه برای میخ­خاک­ها و انکربولت‌ها  بدهد. به‌نحوی‌که موجب گسیختگی و تغییرشکل مخرب در گود نشود، که به‌وسیله نرم‌افزار پلکسیس مدل‌ سازی انجام می­شود. برای این منظور ابتدا باید روش میخ‌کوبی مدل‌سازی شود، سپس زمانی که نتایج مطلوب بدست آمد، انکرها به سازه میخ‌کوبی شده اضافه می­شود و نتایج روش میخ­کوبی و روش ترکیبی باهم مقایسه می­شود.

در این پژوهش میزان تغییر­شکل­ها و پایداری سازه نگهبان در گودبرداری­های عمیق به روش میخ­کوبی و روش ترکیبی میخ­کوبی و انکر در عمق­های  9و18و27 متری در شرایط خاک هموژن و در حالت اجرای میخ‌خاک‌ها با زاویه 0،5،10،15،20 درجه و با طول متفاوت،7/0 و1 و 2/1 برابر ارتفاع گود  مورد بررسی قرارگرفته است.

مشاهده می­شود که استفاده از انکر در قسمت بالای دیواره سازه نگهبان سبب کاهش تغییرشکل­ها در آن می­شود و استفاده از میخ­خاک در قسمت­های پایین‌دیواره سبب افزایش پایداری سازه می­شود درحالی‌که هزینه­های اجرایی کاهش می­یابد.کاربرد این پژوهش در جهت اجرای سازه نگهبان عمیق ایمن اقتصادی ­ می­باشد.

کلمات کلیدی:

گودبرداری، میخ­کوبی، انکر، روش ترکیبی ،آنالیز عددی

فصل اول

 
مقدمه و کلیات

1-1 مقدمه

امروزه با افزایش رشد شهر­نشینی و ساخت سازه­های بزرگ سبب انجام گودبرداری­های عمیق جهت ایجاد پارکینگ و انباری و کاربرد­های دیگر شده است. از مسائل مهم در گودبرداری­ها طراحی سازه نگهبان مناسب و کنترل مقادیر جابه­جایی­های دیواره گود و خاک پشت گود است.روش­های مختلفی در اجرای گود­های نیمه عمیق و عمیق مورداستفاده قرار می­گیرد گه روش­های میخ­کوبی و انکر از روش­های متداول است.

افزایش عمق گودبرداری به‌ویژه در مناطق شهری در مجاورت ساختمان­ها و معابر اهمیت ویژه‌ای دارد و تأمین پایداری و کنترل جابه­جایی­های دیواره گود و پشت دیواره باید با دقت بررسی شود.در این شرایط بعضی از روش­های پایدار­سازی گود قابلیت اجرایی خود را از دست می‌دهند و بر اساس قوانین آئین­نامه­ای گودبرداری عمیق در شرایطی مجاز است که ایمنی سازه­های مجاور را به خطر نیندازد.

روش مناسب گودبرداری و پایدارسازی با توجه به جنس خاک، شرایط آب زیرزمینی،عمق و طول گودبرداری،موقعیت و شرایط ساختمان­های مجاور،جابه­جایی دیواره گود، دائمی و یا موقت بودن سازه،مسئله زلزله، بار دینامیکی ناشی از حرکت خودرو­ها در مجاورت گود و هزینه­های اجرای پروژه انتخاب می­گردد.

طراحی یک سازه نگهبان میخ­کوبی بر اساس انتقال نیروی محرک توده خاک به میخ­خاک­ها و انتقال این نیروها به توده خاک ایمن است که به پارامترهای متعددی ازجمله روش نصب و روش تزریق و مشخصات خاک و سازه نگهبان بستگی دارد که اساس کار روش میخ­کوبی به این شکل است که میخ­خاک­ها اجراشده و با خاک‌برداری عمق­های بیشتر دیواره گود مقداری جابه­جایی پیدا می­کند که سبب فعال شدن عملکرد میخ­خاک­ها می­شود.

روش اجرایی انکر ها مشابه میخ­خاک است با این تفاوت که نیروهای پیش تنیدگی در انکر ایجاد می­گردد که این نیروها از طریق قسمت غیر مهاری انکر به قسمت مهارشده منتقل می­گردد که سبب ایجاد پایداری و کنترل جابه­جایی می­شود.

با توجه به اهمیت کنترل تغییرشکل جانبی دیواره از یک نرم‌افزار تحلیل عددی باید استفاده شود که برای این منظور از نرم‌افزار8.2 PLAXIS استفاده‌شده است که یک نرم‌افزار بر اساس روش اجزا محدود است. آئین‌نامه معتبر طراحی و بررسی پایداری و تغییرشکل در سازه میخ­کوبی و انکراژ، آئین‌نامه اداره فدرال راه امریکا است.

1-2 روش تحقیق

در این پژوهش به بررسی پارامتر­های مؤثر بر روش میخ­کوبی و روش ترکیبی میخ­کوبی و انکر پرداخته می­شود. بررسی اثر زاویه میخ­ها و نسبت طول آن‌ها به ارتفاع گود، در گودهای با عمق­های مختلف و اثر هر یک از پارامترهای فوق بر روی جابه­جایی و ضریب پایداری سازه نگهبان بررسی می­گردد، همچنین چیدمان­های مختلف انکر گذاری را در حالت جایگذاری انکر به‌جای میخ‌خاک برای شرایط وجود و نیز عدم وجود میخ‌خاک میان انکرها در عمق­ها و چیدمان­های مختلف طولی میخ‌خاک درروش ترکیبی بررسی کرده و تأثیر چیدمان برای گودهای مختلف و چیدمان­های طولی متنوع میخ­خاک بررسی می­­شود، سپس نتایج حاصل برای سازه میخ­کوبی و سازه ترکیبی برای زوایا و طول­های مختلف میخ­خاک و ارتفاع­های مختلف گودبرداری مقایسه می­شود.

1-3 لزوم انجام تحقیق

در سال‌های اخیر با توجه به توسعه و گسترش شهرها و افزایش تراکم جمعیت، تعداد طبقات زیرزمین و عمق گودبرداری افزایش‌یافته است .پایداری خاک به‌عنوان یکی از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک مطرح است .لذا شناسایی و اجرای روش‌هایی که به کمک آن‌ها بتوان این مشکلات را تا حد امکان رفع نمود لازم و ضروری به نظر می‌رسد. در بعضی موارد کار ساخت نیازمند گودبرداری با شیب قائم است. نیاز به سیستم نگهداری موقتی دارد تا دیواره‌های گود عمیق را پایدار نگه دارد. سرعت و کیفیت ساخت پروژه را ارتقاء دهد و اطمینان حاصل دهد که آسیب‌های جانی و مالی محتمل رخ نمی­دهد. طراحی سیستم‌های نگه‌دارنده گودهای عمیق نیازمند تحلیل دقیق، طراحی و مانیتور کردن عملکرد آن است. در سال­های اخیر استفاده از سیستم­های ترکیبی موردتوجه قرارگرفته است که سازه ترکیبی میخ­کوبی و انکر یکی از آن‌هاست و اهمیت این روش ترکیبی در این است که این روش علاوه بر تامین پایداری کافی و کنترل تغییرشکل­های سازه نگهبان، هزینه­های اجرایی  را نیز کاهش می­دهد که در گودبرداری­های عمیق مزایای این روش نسبت به سایر روش­ها بارزتر است. در این پژوهش این سیستم ترکیبی جدید بررسی می­شود.

1-4 فصل بندی مطالب

این پژوهش در 5 فصل ارائه می­گردد که عبارت‌اند از:

فصل اول به بیان اهداف و لزوم انجام پژوهش می­پردازد.

فصل دوم مروری بر مطالعات انجام‌شده درزمینه روش­های مختلف پایدارسازی توسط دو روش میخ‌کوبی و انکراژ صورت گرفته است می­پردازیم و کلیاتی از روش میخ­کوبی و انکراژ، موارد کاربرد، آشنایی با مراحل اجرا و نکات فنی و اجرایی پرداخته می­شود.

در فصل سوم نرم‌افزارPlaxis  را معرفی می­کنیم و نحوه مدل‌سازی در آن را شرح می­دهیم سپس یک صحت­سنجی عددی و یک صحت­سنجی موردی انجام می­دهیم.

 در فصل چهارم بر اساس ضوابط آئین‌نامه‌ای تحلیل و طراحی سازه نگهبان میخ­کوبی شده و سازه ترکیبی میخ­کوبی و انکر بیان می­گردد و نتایج مدل­سازی­ها در شرایط و تحت پارامتر­های مختلف مقایسه و بررسی می­گردد.

در فصل پنجم نتیجه­گیری­های حاصل از این پژوهش را بیان خواهیم کرد و پیشنهاد‌هایی را برای سایر محققین بیان می­کنیم و امیدواریم که این پژوهش نقشی هرچند کوچک در پیشبرد اهداف جامعه مهندسی داشته باشد.

فصل دوم

مطالعات انجام‌شده

2-1 مقدمه

همه‌ساله زمین‌لغزش‌هایی در نقاطی از جهان اتفاق می‌افتد که از آن جمله می‌توان به زمین‌لغزش‌های به وقوع پیوسته اخیر در ایتالیا، پاکستان، مکزیک و ... اشاره نمود که خسارت‌های قابل‌توجهی را به وجود آورد.

باوجود فعالیت‌های کاهش‌دهنده ریسک ناپایداری که قبل از ساخت پروژه‌ها برنامه‌ریزی و طراحی می‌شود، بازهم عدم قطعیت‌ها به‌خصوص مرتبط با شناخت خاک وجود دارد. بنابراین اهمیت آنالیز پایداری شیروانی‌های موجود آشکار می‌شود.

در طی دهه‌های گذشته، تجربه رفتار شیروانی‌ها و اغلب با گسیختگی آن‌ها، منجر به افزایش درک ما درباره شناسایی ضرورت‌ها و محدودیت‌های آزمایش‌های آزمایشگاهی و درجا برای ارزیابی مقاومت‌های خاک ،توسعه انواع مؤثرتر و جدید ابزار گذاری برای مشاهده رفتار شیروانی‌ها، درک اصول مکانیک خاک که رفتار خاک را به پایداری شیروانی مرتبط می‌کنند، پروسه‌های تحلیلی اصلاح‌شده که با بررسی گسترده مکانیک آنالیزهای پایداری شیب تکمیل‌شده است، مقایسه جزئیات با رفتار صحرایی و استفاده از کامپیوترها برای انجام آنالیزهای کلی و دقیق شده است.

عملکرد شیروانی‌های مسلح شده توسط پایداری و تغییرشکل آن‌ها بیان می‌شود. تغییرشکل‌های شیروانی‌های می‌تواند به سازه‌های مجاور، تأسیسات و خیابان‌های اطراف آسیب برساند. شدت و مقدار این آسیب به بزرگی و الگوی توزیع تغییرشکل‌های خاک در محدوده شیروانی‌های وابسته است. پایداری و تغییرشکل‌های شیروانی‌های به برگ خریدهایی، وابسته می‌باشند. تجربه نشان داده است که پیش‌بینی میزان تغییرشکل‌ها بسیار پیچیده و فرایندی وقت‌گیر است. ازاین‌رو همواره محققین مختلف سعی در ارائه روش‌های ساده‌تر و دقیق‌تر در پیش‌بینی میزان تغییرشکل‌های شیروانی‌های داشته‌اند.

میخ­­کوبی­ [1]یکی از انواع عملیات مسلح کردن خاک است که در پایدارسازی شیب‌ها و گودبرداری‌ها از سه دهه اخیر در جهان به‌خصوص فرانسه، آلمان و اخیراً در آمریکا رایج شده است. فرضیه اصلی این نوع مقاوم‌سازی، مسلح کردن زمین به‌منظور افزایش مقاومت برشی خاک و مقید کردن جابه‌جایی آن است. انتقال نیروی کششی تولیدشده از میخ­خاک­ها به زمین با استفاده از اصطکاک ایجادشده میان آن دو، فرض اصلی طراحی است. قابل‌ذکر است که این سیستم، به مهندسان اجازه می‌دهد که از زمین برای ایجاد سازه‌های نگهبان نیز استفاده کنند.روش میخ­کوبی از مزیت‌های زیادی نسبت به روش‌های معمول مقاوم‌سازی مانند دیوارهای حائل برخوردار است به‌علاوه دارای هزینه‌های کمتری نیز است لذا روز­به­روز تقاضای مهندسین برای استفاده از این روش افزایش می­یابد.

2-2 پیشینه میخ‌کوبی خاک

مبدأ اصلی روش میخ­کوبی خاک را می‌تواند سازه نگهبان بکار رفته در حفاری فضاهای زیرزمینی که درروش تونل سازی اتریشی استفاده می­شود دانست و تدبیر به‌کارگیری آرماتورهای فولادی غیر­فعال و شاتکریت [2]در نگهداری شیب‌های سنگی به اوایل دهه 1960 برمی‌گردد. از اولین موارد به‌کارگیری روش میخکوبی خاک، پروژه تعریض راه‌آهن در نزدیکی ورسایلز فرانسه در سال 1972 بود. ازآنجاکه این روش مقرون‌به‌صرفه و سریع‌تر از دیگر روش‌های نگهداری بود، به‌سرعت در فرانسه و دیگر کشورهای اروپایی به کار گرفته شد]1.[

اولین پروژه دیوار خاک میخکوبی شده در آمریکا در سال 1976 مورد بهره‌برداری قرار گرفت. در کشورهای پیشرفته، این روش به دلیل هزینه کمتر و سرعت اجرایی بالاتر به‌سرعت جایگزین روش‌های دیگر نگهداری خاک گردیده است. در اروپا دو مجموعه تحقیقاتی گسترده، درباره خاک میخکوبی شده ثبت‌شده است. اولین مورد آن در اواخر دهه 1970 در دانشگاه کارلس روهه آلمان و دومین مورد در دهه 1980 توسط دولت فرانسه است. در پروژه تحقیقاتی فرانسه، بر روی 6 دیوار میخ‌کوبی شده در مقیاس واقعی، آزمایش‌های لازم صورت گرفت، تا مبنایی برای تنظیم یک استاندارد درزمینه طراحی و اجرای این نوع سازه‌ها در فرانسه گردد. نتایج این مطالعات نشان می‌دهد که:

- عمل کرد دیوار خاک میخکوبی شده مشابه دیوارهای حائل وزنی است.

- عمق نفوذ لازم هر میخ به داخل خاک معمول در محدوده ارتفاع دیوار قرار دارد.

الیاس و یوران در سال 1990 اثر خزش [3]درازمدت خاک را در کرنش دیوارهای میخکوبی شده بررسی کردند.]2[تامسون و میلر در 1990 اثر ترکیبی میله‌های فولادی و دوغاب [4]را در عملکرد دیوارهای میخکوبی شده به کمک ابزارهای کرنش‌سنج در پروژه‌ای در واشنگتن بررسی نمودند]3[.بایرن در سال 1992 اندرکنش خاک- میله را بررسی کرد و مقدار بار حداکثر و محل کرنش ماکزیمم را در پیش‌بینی نمود. در سال 1996 سازمان بزرگراه‌های آمریکا[5] مرجعی در ارتباط با طراحی و ساخت دیوارهای خاک میخکوبی شده منتشر کرد، که خلاصه‌ای از تحقیقات صورت گرفته در آلمان و فرانسه و آمریکا بود. در این مرجع، از روش تعادل حدی برای تحلیل استفاده می‌شود]4[.

بریو و همکاران در سال 1997 مدل خاک مسلح شده در محل تکیه‌گاه‌های پل را شبیه‌سازی کرده و راهکارهایی را ارائه نمودند.ژانگ و همکاران در سال 2002 مدل‌سازی سه‌بعدی دیوارهای خاک میخکوبی شده را به‌منظور پیش‌بینی حرکت خاک در مراحل مختلف اجرای دیوار انجام دادند که نتایج حاصله انطباق مناسبی با مقادیر اندازه‌گیری شده داشت]5[.