فشار جانبی خاک چیست؟ (Lateral earth pressure) – شرکت عمرانی مهندسیایستاسازه

1400-03-09

فشار جانبی خاک - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه

فشار جانبی خاک (Lateral earth pressure)

سازه های حائل خاک نظير ديوارهای حائل، ديوارهاي زير زمين و ديوارهاي ساحلي كه در مهندسي پی براي حفاظت جداره شيرواني هاي خاكي مورد استفاده قرار مي گيرند، تحت تأثير فشارهاي رانشي خاک قرار دارند. طرح صحيح اين ديوارها ايجاب مي كند كه شناخت دقيقي از فشار جانبی ايجاد شده بين خاک و سازه داشته باشيم.

فشار جانبی خاک به طور مستقیم با پایدارسازی دیواره گودها با روش های مختلفی نظیر، میخ کوبی (نیلینگ)، مهارگذاری (انکراژ)، ساخت بالا به پایین (تاپ دان)، سپر کوبی، سازه نگهبان خرپایی، مهار متقابل (استرات)، دیوار برلنی و دیوار دیافراگمی و به طور غیر مستقیم با روش های مختلفی مانند اختلاط عمیق خاک (DSM)، تزریق پر فشار (جت گروتینگ)، شمع، ستون شنی ارتعاشی، تراکم دینامیکی، ریزشمع (میکروپایل)، خاک مسلح (ژئوسنتتیک) و … ارتباط دارد.

به طور معمول در طرح های مهندسی از جمله در بنادر، گودبرداری ها، راه آهن، پل ها، جاده ها، ابنیه و کانال های فاضلاب به منظور جلوگیری از ریزش خاک یا نفوذ آب و همچنین پایدارسازی اجزای طرح، از سازه های نگهبان موسوم به دیوارهای حائل استفاده می شود. با توجه به کاربرد فراوان دیوارهای حائل در پروژه های مهندسی، دقت در طراحی آنها حائز اهمیت می باشد.

از طرفی به علت ارتباط سازه ها با پی و خاک محل اجرا، بررسی شرایط خاک و فشار وارده از طرف خاک در طراحی دیوار حائل دارای اهمیت می باشد. فشار گوه خاک مجاور دیوار، عامل ایجاد نیروهای جانبی وارد بر دیوار می باشد، که بزرگی این نیروها نیز به نوع حرکت دیوار بستگی دارد. دیوارهای حائل در سه وضعیت سکون، محرک و مقاوم، تحت فشارهای جانبی از سوی خاک قرار می گیرند. اگر جابجایی در دیوار رخ دهد، فشار جانبی وارد بر دیوار نیز تغییر می کند.

از این منظر، بررسی حالات مختلف حرکت دیوار بر فشار جانبی اعمال شده بر دیوار دارای اهمیت می باشد. از سویی دیگر، بررسی وضعیت گوه شکست (گوه گسیختگی) خاکریز پشت دیوار حائل به لحاظ نحوه توسعه یافتگی و ابعاد هندسی آن، بین نحوه حرکت دیوار و میزان تخریب کنندگی ناشی از آن می باشد.

انواع فشارهای جانبی خاک - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه — انواع فشارهای جانبی خاک – شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه

اگر یک توده خاک با سطح افقی را بدون خاکبرداری با دیوار نگهبان در نظر گرفته و تنش های قائم (𝜎_𝑉=𝑧𝑐𝜎_𝑉) وارد بر یک جزء خاک را تعیین کنیم. (𝐾) ضریب رانشی خاک در حالت سکون است. حالت سکون به معنی نبود کرنش ناشی از تنش اضافی است. فشار جانبی خاک در حالت های محرک، سکون و مقاوم به صورت ضریبی از فشار قائم و به ترتیب با ضریب های 𝐾_𝑎 و 𝐾₀ و 𝐾_𝑃 نشان داده می شوند، داریم: 𝐾_𝑎<𝐾₀<𝐾_𝑃

در حالت مقاوم و محرک به ترتیب دیوار در جهت نزدیک و دورشدن از خاکریز پشت دیوار حرکت می کند. حالت محرک در خاک دانه ای به ازای تغییر مکان های کوچک تر در مقایسه با تغییر مکان لازم برای بروز حالت محرک در خاک رس به وجود می آید. روش های مختلفی برای اجرای دیوارها وجود دارد. گاهی شمع هایی با مقطع H در زمین کوبیده می شود و سپس تیرک ها همزمان با پیشرفت خاکبرداری اجرا می شوند.

گاهی عناصر قائم دیوار نیز همزمان با اجرای خاکبرداری نصب می شوند. تیرک ها در این روش به عنوان نقاط تکیه گاهی با تغییر مکان مشخص شده در نظر گرفته می شوند. در دیوارها با پوشش های انعطاف پذیر که با تیرک های افقی یا مورب اجرا می شوند، توزیع تنش افقی خاک در پشت دیوار به صورت ذوزنقه ای می باشد.

توزیع فشار جانبی خاک بر دیوارهای انعطاف پذیر با تعداد کافی تیرک های افقی یا مورب با توزیع مثلثی فشار جانبی خاک بر دیوارهای با میل مهار تفاوت دارد زیرا عملکرد تیرک با میل مهار متفاوت است. وقتی تیرک ها نصب و تحت تنش قرار گرفتند، به عنوان نقاط تکیه گاهی با تغییرشکل مشخص عمل می کنند اما میل مهارها به عنوان نقاط تکیه گاهی با نیروی مشخص عمل می کنند.

در برخی از پروژه ها فقط یک تیرک افقی در بالای دیوار نصب می شود و تعداد تیرک ها زیاد نیست ولی اگر صلبیت دیوار خیلی زیاد باشد و تیرک ها در فواصل خیلی کم نصب شوند فشار خاک در این شرایط به حالت سکون خیلی نزدیک است.

روش های تحلیل فشار جانبی خاک وارد بر دیوار حائل

معمولاً برای تحلیل فشار جانبی خاک روی دیوار حائل از تئوری حالات حدی خمیری کولمب و رانکین استفاده می شود. این تئوری ها فقط شرایط تنش در خاک را در حالت تعادل خمیری در شرایط محرک و مقاوم مورد مطالعه قرار می دهند. به عبارت دیگر، این روش ها برای تعیین میزان تنش جانبی خاک متناظر با مقدار مشخص جابجایی دیوار نسبت به خاک قابل استفاده نمی باشند.

تئوری، نظریه یا روش کولمب

کولمب در سال 1776 برای تعیین فشار جانبی خاک روی ساختار دیوار حائل بر اساس نحوه جابجایی دیوار (محرک و مقاوم)، روابطی را پیشنهاد نمود. بر اساس تئوری کولمب، فشار جانبی خاک در پشت دیوار حائل ناشی از اعمال فشار به وسیله گوه لغزش خاک می باشد. در این تئوری، سطح گسیختگی صفحه ای در نظر گرفته می شود و گوه لغزش بین دیوار و سطحی از پایه دیوار که با افق زاویه α می سازد، به صورت یک جسم صلب در نظر گرفته می شود.

بر اساس تئوری کولمب، گوه لغزش از پایه دیوار تشکیل می شود و هر چقدر زاویه α بزرگتر باشد، میزان فشار وارد بر دیوار حائل نیز بزرگتر می باشد. لازم به ذکر است که روابط کولمب بر اساس تعادل نیروها در تمام گوه لغزش بنا نهاده شده است. برای تعیین نیروی جانبی خاک باید تعادل نیروهای وارد بر گوه لغزش بررسی شود. این نیروها عبارتند از:

چسبندگی خاک با دیوار
چسبندگی روی خط گسیختگی یا سطح لغزشی
برآیند کل نیروی مقاومت ناشی از اصطکاک خاک

شایان ذکر است در این روش تعادل گوه های محرک و مقاوم در یک لحظه قبل از گسیختگی مورد بررسی قرار می گیرد.

تئوری، نظریه یا روش رانکین

رانکین در سال 1857 برای تعیین فشار جانبی خاک در دیوار حائل روابطی ارائه نمود که در واقع روابط ساده شده تئوری کولمب می باشد. در این روابط از شیب زمین، زاویه دیوار و اصطکاک بین خاک و دیوار صرف نظر شده است. همان طور که پیشتر اشاره شد، با توجه به اهمیت دیوارهای حائل، برآورد نیروی جانبی خاکریز نقش بسزایی در طرح دیوار دارد. میزان این نیرو تابعی از ابعاد هندسی گوه شکست خاکریز می باشد که آن هم به نوبه خود تحت تأثیر عواملی مانند نوع حرکت دیوار و خصوصیات فیزیکی خاکریز قرار می گیرد.

رانکین فرض کرد که تمام توده خاک پشت دیوار در حالت حدی است و تمام نقاط در شرایط تعادل خمیری هستند یعنی دایره موهر مربوط به تمام نقاط بر خط گسیختگی مماسند. رانکین برای ساده کردن شرایط مرزی فرض کرد که هیچ گونه اصطکاک و چسبندگی بین دیوار و خاک وجود ندارد و در ضمن جدار داخلی دیوار به طور کامل قائم است.

به جز ضرایب رانش محرک و مقاوم بقیه روابط روش کولمب قابل استفاده برای روش رانکین نیز می باشد. اگر خاک پشت دیوار لایه لایه باشد فشار جانبی خاک در هر لایه با توجه به ویژگی های آن محاسبه می شود و هنگام عبور از یک لایه به لایه دیگر می توان وزن لایه های بالایی را به صورت سربار در نظر گرفت.

تحقیقات گذشته نشان می دهد که تاکنون بیشتر بررسی ها با وجود خاکریزهای همگن و خشک انجام شده است. این در حالی است که عموم خاک های طبیعی، لایه ای و ناهمگن بوده و پروفیل عمقی ناهمگن آن ها به ویژه به لحاظ مسائل طراحی و اجرا قابل ملاحظه می باشد.

از سوی دیگر طبیعت گاهی شرایطی را رقم می زند که دیوار حائل مورد نظر با خاکریزهای اشباع مجاور می گردد. بالا بودن سطح آب زیرزمینی و زهکشی اراضی زراعی مشرف به سواحل رودخانه ای از جمله مواردی می باشد که ممکن است خاک را تحت شرایط اشباع قرار دهند.

فشار جانبی خاک وارد بر دیوار حائل پروژه 3B5 شرکت ایستا سازه واقع در فاز یازده شهر جدید پردیس استان تهران

خلاصه ای از تحقیقات انجام شده بر روی فشار جانبی خاک

مطالعات صورت گرفته بر روی فشار جانبی به طور عمده به سه قسمت آزمایشگاهی، عددی و تئوری تقسیم می شوند. سیرنیواسا و همکاران در سال 2012 در یک تحقیق تئوری به بررسی توزیع فشار در دو حالت فیزیکی و تحلیلی تحت انواع حرکت دیوار پرداختند و نتایج مطالعات آنان نشان داد که دوران حول پاشنه دیوار بیشترین فشار محرک را ایجاد می کند. میزان نیروی محرک و مقاوم با توجه به هندسه گوه شکست محاسبه می گردد که وضعیت گوه شکست نیز علاوه بر نوع و میزان حرکت دیوار به مشخصات فیزیکی خاکریز نیز وابسته می باشد.

نتایج مطالعات آزمایشگاهی فنگ و همکاران مبین آن است که جابجایی دیوار حائل شامل حالت های مختلفی از جمله دوران دیوار حول پاشنه، دوران حول بالای دیوار، حرکت انتقالی دیوار و یا دوران همراه با انتقال می باشد.

شوکوآن و همکاران در سال 2012 به بررسی روش های کلی تئوری در محاسبه نیرو و توزیع فشار در حالات مختلف حرکت و دوران دیوار پرداختند که محاسبات نیروی دیوار در هر یک از حالات مورد بررسی، بر اساس تئوری کولمب (1776) انجام شده است، اما نحوه توزیع فشار و محل اثر برآیند نیروی مقاوم، به جابجایی دیوار و زاویه اصطکاک بین خاک و دیوار وابسته می باشد.

چن در سال 2014 با بررسی تحلیلی حرکت دیوار بر فشار محرک خاک، یک روش تحلیلی جدید مبتنی بر تعادل حدی برای محاسبه فشار محرک خاک ارائه نمود و به این نتیجه رسید که توزیع فشار پشت دیوار، غیرخطی بوده و محل اثر نیرو در حالت محرک کمی بالاتر از یک سوم ارتفاع دیوار از پاشنه قرار می گیرد که با نظریه کولمب متفاوت می باشد.

اوریا و ابراهیمی در سال 1393 با بررسی تحلیلی توزیع تنش جانبی خاک روی دیوار حائل در شرایط دوران حول بالای دیوار با استفاده از معادلات دیفرانسیل تعادل و مدل کردن صفحه گسیختگی خاک با معادله منحنی اسپیرال لگاریتمی و در نظر گرفتن روابط تعادل با استفاده از معادلات دیفرانسیل، نتیجه گیری نمودند که با فرض پیچشی بودن گوه گسیختگی خاک پشت دیوار، محل اثر نیرو در شرایط دوران حول بالای دیوار در محل یک سوم ارتفاع قرار نداشته و با افزایش زاویه اصطکاک بین خاک و دیوار کاهش می یابد.

لیو در سال 2014 در یک پژوهش اثر فشار جانبی را بر دیوارهای حائل دایره ای با روش عددی اجزای محدود بررسی نمود و بیان کرد که فشار جانبی به صورت نمایی با افزایش جابجایی دیوار، کاهش می یابد.

رائو و همکاران در سال 2015 به بررسی تحلیلی اثر خاک چسبنده بر فشار محرک وارد بر دیوار حائل صلب پرداختند و نتایج مطالعات آنان نشان داد که کاهش فشار جانبی محرک وارد بر دیوار حائل صلب با افزایش زاویه اصطکاک دیوار و خاک همراه می باشد.

سپهر و اوریا در سال 1390 با تحلیل عددی الاستوپلاستیک فشار جانبی محرک خاک روی دیوارهای حائل با روش اجزای محدود (المان محدود) در نرم افزار Plaxis به این نتیجه رسیدند که محل اثر برآیند نیروهای فعال (اکتیو) تابعی از میزان جابجایی دیوار می باشد که برای جابجایی های بسیار کم (یک هزارم متر) و بسیار زیاد (یک متر) در محل یک سوم ارتفاع دیوار از پاشنه قرار می گیرد، در حالی که برای جابجایی های متوسط (سه هزارم متر)، نقطه اثر نیرو می تواند در ارتفاعی بالاتر از یک سوم ارتفاع دیوار واقع گردد.

مزارعی و همکاران در سال 1395 در تحقیقی با عنوان اثر بافت و تراکم خاک غیراشباع در تحلیل آزمایشگاهی و الاستوپلاستیکی گوه شکست دیوار ساحلی رودخانه ای به این نتیجه رسیدند که با افزایش درصد خاک ریزدانه مقاومت جانبی خاکریز افزایش می یابد. همچنین با افزایش درصد تراکم، گوه شکست کوچکتری در توده خاک ایجاد می شود.

بنمبارک و همکاران در سال 2016 در تحقیقی با عنوان مطالعه عددی فشار محرک خاک بر دیوار حائل صلب برای حالت های مختلف جابجایی با روش تفاضل محدود با نرم افزار FLAC به این نتیجه رسیدند که در شرایط هیدرواستاتیک میزان حرکت پایه دیوار با شرایط واقعی همخوانی دارد. همچنین در تحقیق آنها، توزیع فشار جانبی در حالت چرخش از بالای دیوار با توزیع هیدرواستاتیک اختلاف زیادی دارد که به شدت تحت تأثیر پدیده قوس زدگی می باشد.

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :