Piling Handbook – 9th edition (2016)

فصل 1: اطلاعات ساخت دیوار های نگه دارنده

سپر های فولادی در بسیاری از کارهای موقت و سازه های دائمی استفاده می شوند. این مقاطع طراحی می شوند که بیشترین مقاومت و پایداری را به همراه کمترین وزن ممکن با اجرای با کیفیت آن ارائه دهد. سپری های فولادی به شکل در هم قفل شونده، در زمین فرو می گردد و منجر به ایجاد یک دیوار نگه دارنده پیوسته با اتصالات نزدیک به هم می شود. محدوده وسیعی از مقاطع به شکل های Z و U با اندازه ها و وزن های گوناگون از فولاد با درجات مختلف در دسترس است. تنوع موجود از سپر های فولادی امکان گرفتن تصمیمات سازگار با طبیعت و ملزومات هر قراردادی را فراهم می کند. در شرایطی که خوردگی مسئله مهمی است، مقاطعی با کمترین ضخامت را می توان ارائه کرد که عمر موثر سازه را به حداکثر می رساند. الزامات معمول برای کمترین ضخامت به اندازه 10 میلی متر، 12 میلی متر یا نیم اینچ را می توان اعمال کرد. سپرهای گوشه یا اتصالی برای فراهم کردن تمامی الزامات در دسترس هستند.

فصل 2: درزگیرها

توانایی دیوار های نگه دارنده برای جلوگیری یا محدودیت عبور آب سطحی در بسیاری از موارد از جمله زیرزمین ها، پارکینگ های زیرزمینی، مخازن زیرزمینی، بندهای موقت و موانع نگه دارنده آب اهمیت زیادی دارد.

یک دیوار سپری محکم، راه حلی مطمئن و اقتصادی را در هر شرایطی که کنترل آب سطحی یک مسئله است ارائه می دهد. به عنوان مثال، برای به حداقل رساندن ریسک نشست عوارض و سازه های کناری و حفظ حفاری خشک. آب بند بودن چفت و بست های سپری ها، تقریبا همیشه با گذر زمان بهبود می یابند ولی استفاده از درزگیرها به سرعت راهی را برای کنترل گذر و جریان آب در دیوار های سپری فراهم می کند.

شرایط خاک در تمامی پروژه ها منحصر به فرد است، الزامات آب بند بودن و روش های نصب برای مکان های مختلف فرق می کند؛ بنابراین سیستم درزگیر استفاده شده باید برای هر پروژه به طور مخصوص طراحی شود.

صحت و درستی سیستم درزگیر مورد استفاده به سودمندی آن با توجه به روش نصب سپر و شرایط خاک وابسته است. درزگیرهایی در دسترس قرار دارند که کوبش را تسهیل می کنند و همچنین برای کوبش سپر در شن و خاک سخت، سیستم هایی وجود دارند که از آنها محافظت می کنند.

فصل 3: اظهارنامه محصولات زیست محیطی

این فصل به قصد درک عملکرد زیست محیطی سازه های سپری فولادی استفاده شده در ساخت اسکله ها، بندرگاه ها، بندها، پایه پل ها، دیوار های نگه دارنده، پی ها و کاربردهایی از این دست ارائه شده است. اطلاعات داده شده، بر اساس مطالعات ارزیابی چرخه حیات “ارزیابی مقایسه ای زیست محیطی سازه های نگه دارنده ساخته شده با سپری فولادی یا بتن مسلح” است. این اطلاعات توسط متخصصان تحت داوری قرار گرفته تا با استانداردهای ISO 14040 & 14044 مطابقت داشته باشد.

فصل 4: فشار خاک و آب

ارزیابی لایه بندی خاک و اختصاص مشخصه های مهندسی مناسب به آن ها، بخش اساسی فرآیند طراحی دیوار نگه دارنده است. خاک نه تنها نیروهایی را به قصد ناپایدار کردن دیوار وارد می کند بلکه راه هایی را برای دست یافتن به پایداری فراهم می کند. بنابراین فهم اهمیت خاک در طراحی دیوارهای نگه دارنده بسیار مهم است. به علاوه، انتخاب مقطع مناسب سپر، روش نصب و تجهیزات تابعی از خصوصیات خاک است.

مشخصات خاک برای استفاده در محاسبات طراحی، تا جایی که امکان دارد، باید به وسیله نمونه گیری و آزمایش مواد حاصل از محل به دست آید. اگرچه، مقادیر متغیرها در بخش 7.4 برای استفاده در محاسبات مقدماتی ارائه شده است.

مقدار و پیچیدگی داده های مورد نیاز برای طراحی دیوار نگه دارنده، تا حدودی به وسیله روش محاسبات، کنترل می شود. به عنوان مثال، اگر تحلیل بر اساس روش تعادل حدی انجام پذیرد، برای رسیدن به پاسخی قابل قبول داده های خاک نسبتا ساده ای باید استفاده شود؛ اما اگر مسئله به روش اجزا محدود بررسی شود، داده های مورد نیاز برای توضیح رفتار خاک، تا حد قابل توجهی پیچیده خواهد شد. داده های اضافی و یا پیچیده تر خاک نیاز به هزینه مطالعات محلی بیشتر دارد در حالی که کارفرما معمولا برای پرداخت هزینه های بیشتر در بخش تحقیق محلی آمادگی ندارد. با این حال، در بسیاری موارد، هزینه اضافی به راحتی با اجتناب از تصمیمات نادرست اقتصادی و انجام تحلیل سطح بالاتر جبران می شود.

تشخیص دقیق شرایط محل، پیش از آغاز هر گونه ساخت و ساز عمرانی کار استانداردی است. در جایی که شمع ها، بندها، دیوارهای نگه دارنده و غیره باید اجرا شوند، لازم است حداکثر اطلاعات ممکن در مورد لایه بندی خاک، آب زیرزمینی، جزر و مد آب، نهشته های خاکی، پی های موجود، سرویس های مدفون در خاک و مواردی از این دست به دست آید تا طراحی سودمندی از جهت نصب، مقاومت، پایداری و صرفه اقتصادی انجام پذیرد.

از تمامی اطلاعات، بدون اهمیت به قدیمی بودن آن، با در نظر گرفتن مطالعات قبلی از محل مورد نظر و اطراف آن، باید به طور کامل استفاده شود. این اطلاعات باید به وسیله داده های به دست آمده از نمونه های گمانه ها و آزمایش بر روی آنها، تعداد گمانه ها بسته به اندازه و طبیعت محل، تکمیل شود.

فصل 5: طراحی سازه های سپری فولادی

محدوده این فصل طراحی دیوارهای نگه دارنده سپری و دیگر انواع سازه ها که ممکن است در آنها از سپری های فولادی استفاده شود را پوشش می دهد. پیشنهادات طراحی بر اساس آیین نامه Eurocode قسمت طراحی سپری فولادی یعنی EC 7 و EC 3 بخش 5 ارائه می شود.

قسمت قابل توجهی از طول دیوار نگه دارنده سپری در داخل خاک مدفون می شود و اندرکنش بسیار پیچیده ای میان سازه و خاک به وجود می آید که در آن خاک نه تنها به قسمت بالایی دیوار بار وارد می کند بلکه برای قسمت مدفون در خاک به شکل تکیه گاه عمل می کند.

روش های طراحی اخیر دیوار های نگه دارنده به دلیل پیچیدگی مسئله، تحلیل های قوی از آن ارائه نمی دهند. روش هایی که توسعه یافته اند تا این مشکل را برطرف کنند، به جز تحلیل به روش اجزا محدود، ضرایبی تجربی را تعریف می کنند که راه حل قابل قبولی را برای مسئله به وجود آمده ارائه می کنند. در نتیجه، هیچ راه حل تحلیلی صحیحی به دست نمی آید و تعداد روش های زیاد و مختلفی برای حل این مشکل ابداع شده اند. اندرکنش خاک و سازه و روش های تعادل حدی شامل روش های مختلفی برای تحلیل می شوند.

طراحی سازه نگهبان در آیین نامه Eurocode شامل محاسبات مختلفی می شود، اول تعیین هندسه سازه برای دست یافتن به تعادل در شرایط تحلیل و دیگر محاسبات برای تعیین الزامات سازه ای دیوار برای مقاومت در برابر لنگر خمشی و نیروی برشی. همچنین این آیین نامه، ارضای ضرایب امنیت و پایداری سازه را تحت شرایط حدی گوناگون الزام آور می داند.

دوام و قابلیت اجرا در خاک با شرایط مختلف از مهم ترین ویژگی های طراحی سپری است. EN 1990 طراحی سازه ها را به گونه ای الزام آور می کند که در برابر تمام نیروهای احتمالی وارد شده و اثرات احتمالی آنها در طول اجرا و استفاده از آنها مقاومت کند و پس از استفاده نیز باقی بماند. سازه ها باید به اندازه کافی دارای موارد زیر باشند:

• مقاومت سازه ای
• قابلیت کارایی
• دوام

این الزامات پایه ای باید به وسیله موارد زیر حاصل شوند:

• انتخاب مصالح سودمند؛
• طراحی مناسب به همراه جزئیات؛
• اختصاص روش های کنترل طراحی، تولید، اجرا و استفاده از سازه

طراحان نباید احتمال گسیختگی کلی ناشی از لغزش عمیق خاک را نادیده بگیرند و باید تضمین کنند که پنجه سپری طراحی شده از صفحات بحرانی عبور می کند. به همین شکل، دیوارهای مهاری باید خارج از صفحات لغزش احتمالی قرار داده شوند.

فصل 6: بارگذاری محوری شمع های فولادی

مقاطع فولادی را می توان به عنوان اعضای باربر شمع در حالاتی که شرایط خاک مانع استفاده از پی سطحی می شود به کار برد. این اعضا، بار قائم را از سازه تا خاکی با مقاومت کافی انتقال می دهند. سپری های فولادی را می توان به عنوان شمع های باربر ساده به کار برد و البته مزیت آنها، قابلیت استفاده به عنوان دیوار های نگه دارنده با توانایی تحمل بار قائم است. مزیت های اصلی شمع های فولادی در برابر سیستم های جایگزین آنها به شرح زیر است:

• شمع های فولادی ظرفیت باربری بسیار بالایی دارند که می توان با توجه به شرایط خاک مناسب و به وسیله استفاده از فولاد با مقاومت تسلیم بالا، آن را بهبود نیز داد. استفاده از پروفیل فولادی با رده بالاتر در شرایط کوبش در زمین سخت و یا در صورت وارد شدن بار زیاد و انتقال آن به لایه سنگی می تواند سودمند باشد. شمع های کوبشی فولادی به خصوص برای بارهای کششی به خوبی قابل استفاده است و می توان آنها را در زاویه های مختلف از قائم تا افقی کوبید تا در مقابل اثرات بارهای افقی مقاومت داشته باشند.

• شمع های فولادی را می توان در انتهای عمر سازه خارج کرد و بنابراین امکان استفاده دوباره و یا بازیافت آن وجود دارد و از نظر زیست محیطی و اقتصادی مناسب است. در این صورت به ارزش مکان حاصل افزوده می شود چرا که پی های قدیمی که ممکن است مانعی برای پیشرفت سازه باشند وجود ندارند.

• شمع های فولادی کوبشی جابه جایی کوچکی به وجود می آورند بنابراین خرابی خاصی ایجاد نمی شود که در صورت نصب آن در زمین آلوده از ان جهت بازدهی خوبی خواهند داشت.

• سپری های فولادی به دلیل سطح اصطکاکی قابل توجه آن، در شرایطی که برای پایه پل و دیوار زیرزمین و همچنین با قفل شدن آنها در یکدیگر با اتصال دهنده های امگا برای ایجاد پایه های بشکه ای، استفاده شوند بارهای قابل توجهی را می توانند تحمل کنند.

• ظرفیت باربری شمع های فولادی را به راحتی می توان در محل در حین اجرای کوبشی آن با استفاده از روش های دینامیکی آزمایش کرد و یا به طور جایگزین در زمان فشردن سپری ها اصطکاک سطح را با استفاده از ابزار گذاری و فشردن و رها کردن آن می توان بررسی کرد.

• برای سازه های دریایی، سیستم های ترکیبی دیوار فلزی بارهای قائم زیادی را می توانند تحمل کنند.

فصل 7: طراحی سیستم های مهاری و تایبک (Tieback)

در جایی که امکان استفاده از دیوار نگه دارنده طره ای وجود ندارد، حمایت برای یک یا چند عمق در پایین شمع لازم است. این کار معمولا با استفاده از سیستم های نگه دارنده یا مهاری انجام می شود.

تکیه گاه برای دیوار سپری به وسیله نگه دارنده های داخلی یا قاب های باربر یا شکل هایی از مهاری در زمین پشت دیوار فراهم می شود.

سیستم مهاری برای ارائه مقاومت کافی در مقابل تغییرمکان تحت شرایط حدی بهره برداری و همچنین باربری در شرایط حدی نهایی باید طراحی شود.

به طور معمول، سیستم مهاری از انکر یا ریسمان نگه دارنده متصل به جسمی با وزن بالا (سیستم سپری های کوتاه تر، شمع های چنگکی، قطعات بتنی و…) و یا سیستم مهاری پیش تنیده به همراه دوغاب تشکیل می شود.

مهاری های فولادی پیش تنیده باید بر اساس EN1537 طراحی شوند. این روش به طور مختصر در بخش 5.7 توضیح داده شده است ولی طراحی جزئیات آن خراج از محدوده این دستورالعمل است.

فصل 8: طراحی سازه ای مقاطع سپری

بر اساس Eurocode 3 بخش 5، مقطع سپری باید در مورد موارد زیر در برابر گسیختگی سازه ای صحت سنجی شود:

• لنگر خمشی و/یا نیروی محوری؛
• لنگر خمشی کل، با توجه به گیرداری به وجود آمده در داخل خاک؛
• کمانش محلی در اثر لنگر خمشی کل؛
• گسیختگی محلی به دلیل لنگر خمشی کل؛
• گسیختگی محلی در محل وارد شدن بار؛
• خستگی.

اثرات ناشی از تغییرات دما در طول زمان باید در نظر گرفته شود، به عنوان مثال، در طراحی مهارمتقابل ها (strut) در تغییرات دمایی بالا. طراحی باید محاسباتی را برای کاهش اثر دما لحاظ کند. مدل های ساده بارگذاری روی دیوارهای نگه دارنده از راه ها و/یا راه آهن باید اعمال شود (به عنوان مثال، با جایگزین کردن بارهای خطی یا نقطه ای با بارهای یکنواخت).

طراحی سپری های شبکه ای مستقیم از محدوده این فصل خارج است. مخاطب باید برای اطلاع از جزئیات طراحی آن به فصل 10 مراجعه کند. طراحی دیوارهای ترکیبی نیز خارج از محدوده این فصل است.

فصل 9: بندها

هدف از اجرای بند، خارج کردن خاک و یا آب از محلی است که لازم است در آن سازه در پایین تر از سطح زمین ساخته شود. خارج کردن همه آب ضروری نیست و حتی در برخی موارد امکان پذیر نیست، ولی اثرات وارد شدن آب باید در هر محاسباتی در نظر گرفته شود.

برای ساخت زیرزمین، طراح باید همواره جا دادن دائمی بند در کار را در نظر بگیرد. با استفاده از سپری های فولادی به عنوان دیوار های سازه ای دائم، صرفه جویی های قابل توجهی به لحاظ اقتصادی و زمان ایجاد می شود. دیوار را می توان برای باربری بارهای قائم طراحی کرد (فصل 6)، همچنین با استفاده از سیستم های درزگیر، آن را در مقابل نفوذ آب نیز مقاوم کرد. جزئیات سیستم های درزگیر را می توان در فصل 2 یافت.

در جایی که مسئله کنترل تغییر شکل خاک است، استفاده از روش ساخت بالا پایین باید در نظر گرفته شود. این کار محدودیت تغییر شکل ایجاد شده در بالای دیوار را با ایجاد تکیه گاهی در سطح زمین پیش از شروع حفاری، تضمین می کند. به علاوه، امکان ایجاد تغییرشکل های ثانویه در زمان انتقال بارگذاری جانبی خاک از تکیه گاه های موقت، با حذف آنها، به سازه های دائمی را از بین می برد.

به طور کلی دو روش برای طراحی بندها وجود دارد. سازه های تک سطحی (یک لایه دیوار) رایج ترین نوع آن است ولی برای حفاری های بزرگ یا عمیق و پروژه های دریایی دیوارهای دو لایه یا سازه های وزنی سلولی ممکن است ترجیح داده شوند.

فصل 10: طراحی و نصب سازه های سلولی دایره ای

بندهای سلولی سازه های وزنی خود نگه دار هستند، که با استفاده از سپری های شبکه ای اشکال گوناگونی را شکل می دهند. سپری ها در هم قفل می شوند تا سلول های بسته را به وجود آورند و پس از آن به وسیله مصالح غیر چسبنده پر می شوند. برای حفظ پیوستگی دیوارها، سلول ها با استفاده از سپری های اتصالی و خم های کوچک به هم متصل می شوند.

بندهای سلولی برای جلوگیری از نفوذ عمق بالای آب به کار می روند. از آنها به طور معمول به عنوان بندهای اسکله، یا ایجاد دیوار بندرگاه ها و موج شکن ها استفاده می شود. مقطع سپری شبکه ای و به خصوص قفل و بست های آن برای مقاومت در برابر تنش های پیرامونی که به دلیل فشار شعاعی مصالح داخل آن افزایش می یابد، طراحی می شوند. در همین زمان، برای شکل دادن سلول هایی با قطر کاربردی، مجوز تغییر شکل زاویه ای کافی را صادر می کند.

فصل 11: نصب

این فصل از کتاب راهنمای شمع توضیحاتی از روش های جدید نصب سپری ها با توجه به تجهیزات در دسترس برای ایجاد شرایط کاری امن و مطمئن و با در نظر گرفتن الزامات زیست محیطی محل، ارائه می کند.

دانستن خصوصیات فولاد و مقطع برای تضمین نتایج خوب پیش از نصب کافی نیست و این فصل مختصرا مطالب کاربردی مورد نیاز برای اطمینان از نصب مناسب را توضیح می دهد. این فصل همچنین چگونگی امکان پیش بینی کوبش سپری در پی ارزیابی دقیق شرایط زمین را نشان می دهد.

این فصل همچنین، در بر دارنده اطلاعاتی از آخرین تجهیزات کوبش شمع فولادی تا زمان نوشتن کتاب، از جمله چکش های کوبش، کوبش ارتعاشی شمع، فشار هیدرولیکی و سیستم های به خصوص است. توضیح روش های کوبش، ابزارهای کمکی و دستورالعمل هایی برای کمک در به خدمت گرفتن روش مناسب نصب سپری هم ارائه شده است.

در نهایت، راهنمایی برای بهینه کردن روش های کوبش برای به حداقل رساندن ارتعاش در طول نصب و استخراج ارائه شده است.