پیش بینی آماری تغییر شکل دیواره های نیلینگ شده

توصیف آماری رفتار گود منحصراً بر طراحی مبتنی بر قابلیت اطمینان دیواره های نیلینگ شده در برابر حالت های حد نهایی متمرکز شده است. برای پر کردن شکاف، در این مطالعه ابتدا یک پایگاه داده حاوی 461 جابجایی افقی و عمودی دیوار اندازه‌گیری شده از 75 دیوار خاکی گزارش ‌شده است. سپس، از پایگاه داده برای ارزیابی دقت مدل‌های جابجایی دیوار ساده ‌شده استفاده می‌ شود که در حال حاضر در چهار دستورالعمل راهنمای طراحی نیلینگ شده، استفاده شده است. نتایج نشان می­ دهد که به طور متوسط مدل های فعلی تمایل به پیش بینی بیش از حد جابجایی برای دیوارها در خاک های ماسه ­ای دارند، اما جابجایی ها برای دیوارها در خاک های رسی کمتر از مقدار واقعی پیش بینی می ­شوند. پیش‌بینی هایی که از مدل های فعلی استفاده می‌کنند دارای پراکندگی متوسط تا بسیار زیاد هستند. مدل های ساده برای پیش بینی تغییر شکل و جابجایی های دیواره های نیلینگ شده بر اساس پایگاه داده ایجاد شده در این مطالعه، توسعه و کالیبره شده اند. پیش‌بینی هایی که از مدل های توسعه یافته استفاده می کنند نشان داده شده اند که به طور متوسط دقیق هستند و به طور قابل توجهی پراکندگی کمتری دارند. علاوه بر این، یک مدل ساده برای پیش‌بینی جابجایی افقی دیوار در امتداد عمق توسعه و بهینه سازی شده است. کار حاضر عملاً برای طراحی مبتنی بر قابلیت اطمینان دیوار های نیلینگ در برابر حالت های حد سرویس دهی ارزشمند است.

پایگاه داده جابجایی دیواره های نیلینگ شده

این بخش یک پایگاه داده بزرگ را معرفی می کند که توسط این مطالعه برای اندازه گیری جابجایی افقی و عمودی دیواره های نیلینگ شده ایجاد شده است. جابجایی افقی و عمودی در بالای دیواره های نیلینگ به ترتیب با δh و δv نشان داده می شود. جابجایی افقی در اعماق مختلف با δ_h,z نشان داده می شود. تعاریف این مقادیر در شکل 1 نشان داده شده است. پایگاه داده توسعه یافته شامل مجموعا 461 داده جابجایی دیوار است که از 75 دیواره نیلینگ شده در 43 پروژه در سراسر جهان (به عنوان مثال، عمدتا در چین، ایالات متحده و اروپا). هندسه دیوار، نوع و خواص خاک، پیکربندی طراحی نیل، شرایط بارگذاری دیوار، شرایط سینه دیوار برای دیوار های نیلینگ در جدول 1 ارائه شده است. توجه داشته باشید که برای مقاطع دیوار گزارش شده در همان پروژه ها، هندسه دیوار، مشخصات خاک و پیکربندی طراحی در میان بخش ها یکسان گزارش شده است. فقط اندازه گیری تغییر شکل و جابجایی دیواره نیلینگ متفاوت بود.

دیوار های نیلینگ در انواع مختلفی از خاک ها، از جمله ماسه های ریز تا درشت، ماسه های سیلتی، سیلت ها، رس های سیلتی، رس های نرم تا بسیار سفت، خاک های مناطق یخبندان، سنگ ریزه و ماسه سنگ­های هوازده ساخته شده اند. زوایای اصطکاک خاک به طور گسترده ای از کمتر از 5 درجه تا 45 درجه با 50 درصد کمتر از 21 درجه و 90 درصد کمتر از 35 درجه تغییر می کند، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. در همه خاک ها چسبندگی کمتر از 50 کیلو پاسکال می باشد. چسبندگی خاک برای لایه ماسه سنگ هوازده در پروژه شماره 17 تا 240 کیلو پاسکال و برای لایه خاک رسی بسیار سخت تا 84 کیلو پاسکال در پروژه شماره 32 می باشد. از 75 دیوار، 44 مورد از دیواره های نیلینگ شده در خاک های لایه ای (حدود 60٪) ساخته شده اند، در حالی که 31 دیوار باقی مانده (حدود 40٪) در خاک های همگن ساخته شده اند. این را می توان به این واقعیت نسبت داد که دیوار های نیلینگ معمولاً در خاک های درجا ساخته می شوند.

ارتفاع دیوارها (H) از 4.5 متر تا بیش از 22 متر، که حدود 90٪ کمتر از حدود 15 متر است، همانطور که در شکل 3 (a) نشان داده شده است. نسبت طول کل نیل طراحی شده به ارتفاع دیوار، که در آن مجموع (L) تمام نیل­ها در یک دیوار است، محاسبه می شود. درصد تجمعی این نسبت ها، مجموع (L)/H، در شکل 3 (b) نشان داده شده است. به نظر می رسد که این نسبت بین 3 و 9 قرار می گیرد و اکثر آنها کوچکتر از 7.6 هستند. شکل 4 نشان می دهد که با افزایش H، مجموع (L)/H تمایل به کاهش دارد. این از نظر کمی در سطح معنی دار 0.05 تأیید می شود، زیرا ضریب همبستگی پیرسون بین مجموعه داده‌های sum(L)/H و H = 0.32 است و p-value 0.000 (<0.05) است. این مشاهدات با مطالعه مطابقت دارد که نیلینگ خاک معمولاً به عنوان یک روش تثبیت کارآمد برای شیب های زیاد یا حفاری ‌های عمیق در خاک‌ های ضعیف به دلیل خطرات بالقوه ایجاد تغییر شکل های بیش از حد یا مشکلات ظرفیت باربری در نظر گرفته نمی شود. همانطور که گفته شد، دیوار های نیلینگ خاک با مقادیر H بزرگتر به احتمال زیاد در خاک های قوی تر ساخته می شوند که بتوان از نیل­ های نسبتاً کوتاه تر استفاده کرد، که در نتیجه نسبت جمع (L) / H در حالت کلی کمتر می شود.

بیشتر دیوارها با شیب های پشتی افقی و سازه های رو به شیب دار هستند. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، دوازده پروژه وجود داشت که در آنها دیوار های نیلینگ شده تحت بار اضافی خارجی قرار گرفتند و بقیه تحت بار وزن خود بودند. بارهای اضافی خارجی به طور کلی کمتر از 40 کیلو پاسکال بود که تقریباً معادل ارتفاع 2 متر خاک بود. یک دیوار تحت بار اضافی 123.5 کیلو پاسکال قرار گرفت، یعنی پروژه شماره 2 که معادل ارتفاع خاک بیشتر از 6 متر بود. برای برخی از دیوارها، اطلاعات مربوط به پیکربندی نیل به طور کامل در اسناد منبع مشخص نشده است. برای مثال، زوایای شیب نیل برای دیوارها در چندین پروژه گزارش نشده است و فاصله افقی میخ برای دیوارها در پروژه شماره 13 ارائه نشده است. این اطلاعات نامشخص با علامت سوال در جدول 1 پر شده است.

برای اجازه دادن به تحلیل‌ های بیشتر و توسعه مدل‌های پیش‌بینی تغییر شکل و جابجایی دیوار، زوایای نامعلوم نیل­ ها  15 درجه در نظر گرفته می شود که یک مقدار معمول برای طراحی نیل است. مقادیر S_h نامعلوم نیز مانند S_v در نظر گرفته می شود که در عمل طراحی معمول است.

بیشتر دیوار ها با شاتکریت روکش شده و با S در جدول 1 مشخص شده است (برخی از اسناد منبع، نوع روکش را مشخص نکرده اند که بنابراین در همان ستون به عنوان “N/S” مشخص شده اند). از آنجایی که اکثر دیوار ها دارای یک نوع روکش هستند، بنابراین در این مطالعه به تأثیر نوع روکش روی تغییر شکل و جابجایی دیواره های نیلینگ شده پرداخته نشده است.

علاوه بر نوع خاک، هندسه دیوار، پیکربندی طراحی نیل و نوع روکش، عوامل دیگری نیز وجود دارند که می توانند برای تغییر شکل و جابجایی دیواره های نیلینگ مهم باشند:

بررسی دقیق پایگاه داده نشان می دهد که داده های جابجایی اندازه‌گیری شده مربوط به دیوار هایی است که در مراحل مختلف، یعنی در طول ساخت دیوار و یک دوره چند ماهه تا یک ساله پس از اتمام ساخت دیوار، نظارت می شوند. بنابراین، داده‌ های جابجایی گزارش شده در مطالعه حاضر باید به عنوان تغییر شکل های دیواره کوتاه ‌مدت در نظر گرفته شوند. توجه داشته باشید که تغییر شکل‌ های بلند مدت دیواره های نیلینگ شده می تواند تا حد زیادی با موارد کوتاه ‌مدت متفاوت باشد، به ویژه زمانی که خاک‌ های نیل شده رفتارهای خزنده از خود نشان می دهند. رفتارهای خزنده خاک هایی که دیوارها در آنها تعبیه شده است در منبع مشخص نشده است. در نتیجه در آنالیزها رفتارهای خزش خاک در نظر گرفته نمی شود. هنگامی که دیوارهای نیل شده در مناطق سرد ساخته می شوند، ممکن است به دلیل نوسانات دمایی فصلی دچار چرخه های یخ زدگی و ذوب شوند که این می تواند باعث تغییر شکل ­های اضافی در دیواره های نیلیگ شده شود.

از آنجایی که این یک مسئله معمولی برای طراحی دیوار های نیلینگ در مناطقی غیر از مناطق سردسیر نیست، در این مطالعه به آن پرداخته نشده است. در نهایت، دیوار های نیلینگ برای دستیابی به ضرایب ایمنی مورد نظر بسته به اهمیت دیوار طراحی شده اند. حاشیه های ایمنی اتخاذ شده برای طراحی می تواند بر تغییر شکل دیواره های نیلینگ شده تأثیر بگذارد. با این حال، تأثیر در مطالعه حاضر مورد بررسی قرار نگرفته است، زیرا در منابع، اطلاعاتی در مورد حاشیه های ایمنی طراحی شده در دسترس نیست.

داده های جمع آوری شده (n = 461) را می توان بر اساس جهت تغییر شکل و جابجایی در دیواره های نیلینگ به دو نوع طبقه بندی کرد، به عنوان مثال، n = 69 برای جابجایی های عمودی (δv تعریف شده در شکل 1) ثبت شده در بالای دیوارها (z = 0) و n = 392 برای جابجایی های افقی (δh و δ_h,z) که در اعماق مختلف از بالای دیواره های نیلینگ شده اندازه گیری می شود. از 392 داده جابجایی افقی، n = 118 مورد برای جابجایی های افقی (که با δ_h مشخص می شود) گرفته شده در بالای دیوارها است n = 274 باقیمانده (که با δ_h,z مشخص می شود) برای جابجایی های افقی ثبت شده در کف دیوار نیلینگ است. همه داده ها (n = 461) اکنون به سه گروه تقسیم می شوند، به عنوان مثال، گروه 1 (فقط داده های δ_h)، گروه 2 (فقط داده های δ_h) و گروه 3 (δ_h به علاوه داده های δ_h,z). هر گروه بررسی دقیق بیشتری دریافت خواهد کرد و برای تخمین آماری دقت مدل‌های موجود و توسعه مدل‌های پیش‌بینی جابجایی جدید استفاده می شود. جزئیات در بخش های بعدی ارائه شده است.

ارزیابی آماری دقت پیش‌بینی با استفاده از روش‌های موجود در کتابچه راهنمای طراحی

بیشتر دستورالعمل‌ها یا دستورالعمل‌های طراحی دیوار میخ خاک، به عنوان مثال FHWA و غیره، مدل‌های ساده شده ای را برای تخمین جابجایی افقی (δ_h) و عمودی (δ_v) در بالای دیواره های نیلینگ بر اساس نوع خاک و ارتفاع دیوار (H) پیشنهاد می کنند. علاوه بر این، مقدار δ_h و δv معمولاً یکسان در نظر گرفته می شوند. مدل های ساده شده پیشنهادی آنها را می توان به صورت ریاضی به صورت زیر بیان کرد:

که در آن C_soil بسته به نوع خاک و کتابچه راهنمای طراحی، یک ثابت تجربی است، به عنوان مثال برای خاک ماسه 0.003 و برای خاک رسی بین 0.003-0.005 می­ باشد. در عمل، استفاده از این معادله برای تخمین  δ_h و δ_v کاربردی نیست چون در واقعیت دیواره های نیلینگ شده در خاک چند لایه ساخته می شوند و نه خاک­ همگن.

برای غلبه بر این مشکل، این مطالعه یک ساده سازی را برای مقابله با مشکل لایه ای خاک اتخاذ می کند که برای تخمین جابجایی دیواره های نیلینگ اعمال می شود. یعنی استفاده از ضخامت هر لایه خاک به عنوان یک عامل وزنی برای معادل سازی خاک های لایه ای به یک لایه خاک همگن منفرد (متوسط وزنی) که با استفاده از معادله زیر انجام می شود.

که در آن X مقدار میانگین وزنی برای لایه خاک معادل است. X_i مقدار مورد نظر برای لایه خاک i است. n_s تعداد کل لایه های خاک است. و t_i ضخامت لایه خاک i است. علاوه بر این، این مطالعه خاک های با c/H <0.05 را به‌عنوان خاک‌ ماسه ای و خاک های با c/H >0.05 را به‌عنوان خاک های رسی تعریف می کند که با مطالعات قبلی، مطابقت دارد. با این آماده سازی، دقت معادله بالا را می توان به راحتی با استفاده از پایگاه داده توسعه یافته در بخش قبل ارزیابی کرد.

 پایش اولیه پایگاه داده

جابجایی های افقی اندازه گیری شده در بالای دیوار ه های نیلینگ شده، δ_h، در برابر ارتفاع دیوار H در شکل 5a برای هر دو خاک ماسه ای و رسی رسم شده است. به طور کلی δ_h با افزایش H بدون توجه به نوع خاک بزرگتر می شود که با تجربه طراحی دیوار های نیلینگ مطابقت دارد. برای خاک های ماسه ای، اکثر مقادیر δ_h در محدوده 0.001 تا 0.004 برابر H قرار می گیرند. در حالی که برای خاک های رسی، محدوده بسیار گسترده تر است، به عنوان مثال، 0.001 تا 0.008 برابر H. این نشان می دهد که تحت شرایط یکسان، تغییر شکل های بزرگ‌تری برای دیوارها در خاک های رسی نسبت به خاک های ماسه ­ای انتظار می رود. برای خاک رسی، دو مقدار δ_h اندازه گیری شده بیش از 90 میلی متر، یعنی حدود 95 میلی متر و 155 میلی متر وجود دارد. بررسی دقیق پایگاه داده نشان داد که δ_h = 155mm از دیوار در پروژه شماره 1 بود (جدول 1 را ببینید). دیوار در یک وضعیت بحرانی ارزیابی شد. δ_h = 95mm از دیوار در پروژه شماره 10 بود. این احتمالاً به این دلیل است که دیوار از خاک رس نرم ساخته شده است، همانطور که در جدول 1 ذکر شده است. با این وجود، ساختن دیوار نیلینگ در خاک های نرم نادر است زیرا ممکن است مشکلات زیادی ایجاد شود، به عنوان مثال، ناکافی بودن ظرفیت باربری، علاوه بر تغییر شکل های بیش از حد دیوار. در نتیجه، این اندازه گیری نیز در این مطالعه به عنوان یک نقطه پرت در نظر گرفته شده است. داده های شکل 5a برای محاسبه نسبت δ_h/H استفاده شد.

توزیع درصد تجمعی در شکل 5b نشان داده شده است. برای خاک ماسه ای، نسبت  (δ_h/H= 0.002) توصیه شده است که حدود 63٪ و 86٪ در این بازه قرار می گیرد. در حالی که برای خاک رسی، این دو عدد به ترتیب حدود 46% (δ_h/H= 0.003)  و 46% تا 79% (δ_h/H= 0.005 – 0.003) است. همان تحلیل‌ها با استفاده از تغییر شکل و جابجایی‌ های عمودی اندازه‌گیری شده جمع آوری شده در بالای دیواره های نیلینگ انجام شد. نتایج δv در شکل ‌های 6a و 6b نشان داده شده‌ اند. برای خاک ماسه ای، احتمال عدم تجاوز از حدود طراحی برابر 50% برای (δ_h/H= 0.002) و حدود 84% برای (δ_h/H= 0.003)  است. برای خاک رسی، احتمال عدم تجاوز از حدود طراحی مراجع حدود 31% برای (δ_h/H= 0.003) و حدود 31% تا 45% برای (δ_h/H= 0.005 – 0.003) است. کمتر از 50 درصد احتمال عدم تجاوز نشان داده شده در شکل 5b و 6b نشان می دهد که به طور متوسط مقادیر S_h/H و S_v/H توصیه شده فعلی ممکن است تغییر شکل دیوار های نیلینگ را که در خاک های رسی ساخته شده اند را دست کم گرفته و در نتیجه در این مورد اشتباه کند.

منبع:

Yuan, Jie, Peiyuan Lin, Guoxiong Mei, and Yongqiang Hu. “Statistical prediction of deformations of soil nail walls.” Computers and Geotechnics 115 (2019): 103168.