بررسی تأثیر مقاطع مهارها بر روی تغییرشکل افقی دیوار در پایدارسازی گود به روش مهارمتقابل (استرات)

افزایش جمعیت و بالا رفتن قیمت زمین در شهرهای بزرگ، باعث افزایش تعداد طبقات زیرزمین شده است. بنابراین نیاز به روشهایی جهت پایدارسازی گود احساس می گردد. مهار متقابل یکی از روش های پایدارسازی موقت دیواره های گودهای عمیق است.

در مقاله ای با عنوان “بررسی تأثیر مقاطع مهارها بر روی تغییرشکل افقی دیوار در پایدارسازی گود به روش مهار متقابل” با استفاده از نرم افزار میداس و با مدل رفتاری خاک سخت شونده به بررسی تأثیر مقاطع مختلف فولادی شامل  BOX و PIPE و IPE بر تغییر مکان دیواره گود پرداخته شده است.

نتایج این تحقیق نشان می دهد که با ممان اینرسی برابر برای این سه مقطع، مقطع PIPE در پایدارسازی گود بهتر عمل می کند و تغییر مکان افقی کمتری برای دیواره گود به وجود می آید.

روش‌های پایدارسازی گود و نقش مهار متقابل (استرات)

در گودبرداری و پروژه‌های عمرانی، یکی از مهم‌ترین مسائل، پایدارسازی گود برای جلوگیری از نشست یا ریزش زمین است. پایدارسازی گود نه‌تنها برای اطمینان از ایمنی کارگران و ساختمان‌های مجاور حیاتی است، بلکه برای تضمین موفقیت پروژه نیز ضروری می‌باشد. روش‌های مختلفی برای پایدارسازی گود استفاده می‌شود که هر کدام متناسب با شرایط مختلف زمین‌شناسی و محیطی انتخاب می‌شوند. در این بخش، به معرفی روش‌های متداول پایدارسازی گود می‌پردازیم:
مهار متقابل (استرات):
مهار متقابل یا استرات (Strut) یکی از روش‌های رایج پایدارسازی گود است که با استفاده از المان‌های افقی که به عنوان مهار عمل می‌کنند، از جابه‌جایی دیوار گود جلوگیری می‌شود. این روش به‌خصوص در گودهای با عمق زیاد و مناطقی که شرایط خاک پیچیده است کاربرد دارد.
نقش مهار متقابل: مهارهای استرات به صورت افقی بین دیوارهای گود قرار می‌گیرند و با ایجاد نیروهای فشاری در مقابل فشارهای جانبی خاک مقاومت می‌کنند. این نیروها به مهار دیوارهای گود کمک می‌کنند و تغییرشکل‌های افقی دیوارها را به حداقل می‌رسانند.

دیوار دیافراگمی (Diaphragm Wall):

در این روش از دیوارهای بتنی ساخته‌شده در محل استفاده می‌شود که به عنوان نگهدارنده فشار جانبی خاک عمل می‌کنند. دیوارهای دیافراگمی عمدتاً در گودهای عمیق و بلند استفاده می‌شوند.

پایلینگ (Piling):

استفاده از شمع‌ها یا پایل‌ها به عنوان نگهدارنده‌های عمودی برای تثبیت گود از دیگر روش‌های مهم پایدارسازی است. شمع‌ها به زمین فشرده شده و فشار جانبی را تحمل می‌کنند.

نیلینگ (Soil Nailing):

نیلینگ خاک شامل قرار دادن میله‌های فولادی در گود و بتن‌پاشی روی سطح خاک است که به عنوان روشی مناسب برای پایداری دیوارها عمل می‌کند.

تثبیت با دوغاب (Grouting):

در این روش از تزریق دوغاب سیمانی برای تقویت خاک و تثبیت گود استفاده می‌شود.

استفاده از سپرکوبی (Sheet Piling):

از صفحات فولادی به عنوان دیوارهای موقتی برای نگهداری خاک گود استفاده می‌شود که معمولاً برای گودهای کم عمق مناسب است.
روش مهار متقابل (استرات) به دلیل کاهش تغییرشکل‌های افقی دیوار و اطمینان از پایداری گود، به‌ویژه در مناطق شهری با تراکم بالا، بسیار محبوب است. این روش امکان استفاده از گودهای عمیق را با کمترین میزان تأثیر بر سازه‌های مجاور فراهم می‌کند.

انواع مقاطع مهار در پایدارسازی گود

در پایدارسازی گود با استفاده از مهار متقابل، نوع مقطع مهار نقش اساسی در کارایی و کاهش تغییرشکل‌های دیوارها دارد. مهارها می‌توانند در انواع مختلف با مشخصات مکانیکی و هندسی گوناگون طراحی و ساخته شوند. برخی از مهم‌ترین مقاطع مهار که در پایدارسازی گود به کار می‌روند عبارتند از:

مقاطع فولادی H و I شکل:

مقاطع H و I به دلیل سختی بالا و ظرفیت باربری مناسب، به‌صورت گسترده در سیستم‌های مهار متقابل استفاده می‌شوند. این مقاطع به دلیل داشتن ممان اینرسی بالا توانایی خوبی در تحمل بارهای خمشی و کاهش تغییرشکل دیوار گود دارند.

لوله‌های فولادی (Steel Tubes):

لوله‌های فولادی یکی از رایج‌ترین مقاطع برای مهار متقابل هستند. لوله‌ها به دلیل خواص مکانیکی مناسب و راحتی نصب، به‌ویژه در پروژه‌هایی که سرعت اجرا مهم است، کاربرد زیادی دارند. این مقاطع می‌توانند به‌خوبی بارهای فشاری و خمشی را تحمل کنند.

تیرهای جعبه‌ای (Box Sections):

مقاطع جعبه‌ای به دلیل ظرفیت باربری بالا و رفتار خمشی مناسب، در گودهای عمیق استفاده می‌شوند. این مقاطع همچنین در پروژه‌هایی که به پایداری بالاتری نیاز دارند، به کار می‌روند.

تیرهای ترکیبی (Composite Beams):

تیرهای ترکیبی که معمولاً از ترکیب فولاد و بتن تشکیل می‌شوند، در برخی پروژه‌ها برای افزایش مقاومت و کاهش تغییرشکل‌های افقی به کار می‌روند. این مقاطع با ترکیب دو ماده مختلف، از هر دو ویژگی مقاومت فولاد و سختی بتن بهره‌مند می‌شوند.
مقاطع پیش‌تنیده (Prestressed Members):
مقاطع پیش‌تنیده نیز می‌توانند در برخی موارد برای افزایش کارایی سیستم مهار مورد استفاده قرار گیرند. این مقاطع به‌خصوص در پروژه‌هایی که به استحکام بالا و حداقل تغییرشکل نیاز است، کاربرد دارند.

تأثیر مقاطع مهار بر تغییرشکل‌های دیوار

انتخاب مقاطع مناسب برای مهار متقابل از اهمیت بالایی برخوردار است. هر یک از این مقاطع ویژگی‌های مکانیکی و هندسی خاص خود را دارند که بر رفتار کلی سیستم تأثیر می‌گذارد. برای کاهش تغییرشکل افقی دیوارها، توجه به فاکتورهایی چون ممان اینرسی، سختی خمشی، و قابلیت باربری ضروری است. مقاطع با ممان اینرسی بیشتر، می‌توانند به طور موثرتری در برابر نیروهای جانبی مقاومت کنند و تغییرشکل‌های افقی را کاهش دهند.
استفاده از تحلیل‌های عددی و آزمایش‌های تجربی به مهندسان کمک می‌کند تا بهترین مقاطع را برای پروژه‌های خود انتخاب کنند و اطمینان حاصل کنند که گود به شکلی پایدار و ایمن طراحی شده است.

عوامل موثر بر انتخاب مقاطع مهار برای پایدارسازی گود

انتخاب مقاطع مناسب برای پایدارسازی گود با استفاده از مهار متقابل (استرات) یکی از مهم‌ترین تصمیمات در فرآیند طراحی و اجرای پایدارسازی به شمار می‌رود. انتخاب صحیح این مقاطع تأثیر مستقیمی بر پایداری دیوار گود، کاهش تغییرشکل‌ها، و هزینه‌های اجرایی پروژه دارد. عوامل متعددی در این انتخاب نقش دارند که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم:

عمق گود و بارهای جانبی خاک

عمق گود یکی از اصلی‌ترین عواملی است که در انتخاب مقاطع مهار باید در نظر گرفته شود. با افزایش عمق گود، فشارهای جانبی خاک نیز افزایش می‌یابد و نیاز به مقاطعی با مقاومت و سختی بالاتر است. برای گودهای عمیق، معمولاً از مقاطع با ممان اینرسی و سختی خمشی بالا استفاده می‌شود تا تغییرشکل‌ها به حداقل برسند.

نوع و خواص خاک محل پروژه

نوع خاک و ویژگی‌های مکانیکی آن مانند زاویه اصطکاک داخلی، چسبندگی، و وزن مخصوص از عوامل کلیدی در تعیین نوع مقاطع مهار هستند. خاک‌های با اصطکاک داخلی پایین و چسبندگی کمتر معمولاً نیاز به مقاطع با سختی بالاتر دارند تا در برابر تغییرشکل‌های بزرگ مقاومت کنند. به‌طور کلی، برای خاک‌های سست و غیرچسبنده، مقاطع قوی‌تر و مستحکم‌تر توصیه می‌شوند.

فاصله بین دیوارها و شرایط اطراف گود

فاصله دیوارهای گود و شرایط محیطی اطراف مانند وجود ساختمان‌های مجاور یا زیرساخت‌های حساس نقش تعیین‌کننده‌ای در انتخاب مقاطع دارند. در محیط‌های شهری و در مواردی که دیوارهای گود نزدیک به سازه‌های موجود هستند، استفاده از مقاطع با توانایی بالا در کاهش تغییرشکل‌های جانبی بسیار مهم است تا از تأثیر منفی بر سازه‌های اطراف جلوگیری شود.

ظرفیت باربری و ممان اینرسی مقاطع

ظرفیت باربری و ممان اینرسی دو عامل مهم در انتخاب مقاطع هستند. مقاطع با ممان اینرسی بالا می‌توانند در مقابل نیروهای جانبی به طور موثرتری مقاومت کنند و تغییرشکل‌های افقی را به حداقل برسانند. در پروژه‌هایی که پایداری بالا و تغییرشکل کم مدنظر است، معمولاً از مقاطع H شکل یا لوله‌ای با قطر بالا استفاده می‌شود.

شرایط اقتصادی و هزینه‌های اجرایی

هزینه یکی از عوامل بسیار مهم در انتخاب مقاطع است. در حالی که برخی مقاطع مانند لوله‌های فولادی ممکن است از نظر مکانیکی مناسب باشند، اما هزینه بالای تولید و حمل و نصب می‌تواند استفاده از آن‌ها را محدود کند. بنابراین، مهندسان معمولاً به دنبال مقاطعی هستند که تعادلی میان مقرون‌به‌صرفه بودن و عملکرد مهندسی ایجاد کنند.

محدودیت‌ های فضا و تجهیزات اجرایی

فضای موجود در محل پروژه و تجهیزات در دسترس نیز در انتخاب مقاطع موثر است. در برخی موارد، فضای محدود و یا عدم دسترسی به تجهیزات مناسب می‌تواند انتخاب مقاطع را محدود کند. برای مثال، در گودهایی که فضای کافی برای نصب مقاطع بزرگ وجود ندارد، از مقاطع سبک‌تر و قابل حمل‌تر استفاده می‌شود.

نوع بارگذاری و شرایط دینامیکی

شرایط بارگذاری نیز باید در انتخاب مقاطع مهار در نظر گرفته شود. در مناطقی که زلزله یا بارگذاری دینامیکی دیگری وجود دارد، لازم است که مقاطع انتخاب‌شده توانایی مقاومت در برابر این نیروها را داشته باشند. در این موارد، مقاطع پیش‌تنیده یا تیرهای ترکیبی که خواص مکانیکی بالاتری دارند، می‌توانند گزینه مناسبی باشند.

مدل‌ سازی عددی و تحلیل‌های سازه‌ای

انجام مدل‌ سازی‌ های عددی و استفاده از نرم‌افزارهای تحلیل سازه‌ای، نقش بسیار مهمی در انتخاب مقاطع ایفا می‌کند. این تحلیل‌ها به مهندسان کمک می‌کند تا رفتار مقاطع مختلف را تحت شرایط مختلف بارگذاری بررسی کنند و مناسب‌ترین گزینه را انتخاب کنند. به این ترتیب، انتخاب مقاطع نه‌تنها به تجارب مهندسی، بلکه به نتایج تحلیل‌های دقیق عددی نیز وابسته است.

قابلیت حمل و نقل و نصب مقاطع

قابلیت حمل و نقل و نصب آسان مقاطع نیز از عواملی است که باید مورد توجه قرار گیرد. برخی مقاطع مانند تیرهای جعبه‌ای یا لوله‌های فولادی بزرگ ممکن است به تجهیزات خاصی برای نصب نیاز داشته باشند. بنابراین، مقاطعی که هم از نظر مکانیکی مناسب باشند و هم قابلیت نصب سریع و آسان داشته باشند، ترجیح داده می‌شوند.

مزایای روش مهارمتقابل

• محدودسازی تغییرشکل ها
• مناسب گودهای عمیق واقع در مناطق شهری
• مناسب برای گودبرداری ها با عرض کم
• قابلیت انطباق با روش های زهکشی
• انعطاف پذیری و امکان تقویت طرح در حین و پس از اجرا
• عدم وابستگی کارآیی روش به جنس خاک
• عدم نیاز به اجازه همسایه ها

معایب روش مهارمتقابل

• غیراقتصادی بودن در زمین های با عرض زیاد
• محدودیت اجرا در پروژه های با هندسه نامنظم
• عدم امکان استفاده برای افزایش عمق گود در زمان اجرا یا پس از اتمام گودبرداری
• نیاز به تجهیزات و ماشین آلات خاص
• نیازمند افراد مجرب و کنترل کیفی دقیق جهت اجرای مهارها به ویژه اتصالات