بررسی عملکرد دیوارهای MSE/نیلینگ هیبریدی با استفاده از تحلیل های عددی و روش های تعادل حدی

 دیوارهای حائل وزنی هیبریدی MSE/نیلینگ از یک دیوار نیلینگ شده خاکی در مقطع خاکبرداری و یک دیوار MSE در مقطع خاکریزی استفاده می کند و طراحی اقتصادی تری را در شرایط خاکریزی /خاکبرداری نسبت به دیوارهای سنتی که از MSE با ارتفاع کامل و دیوار های حائل تزریق میله استفاده می کنند ، ارائه می کنند . این مقاله نتایج بررسی و پایش یک دیوار حائل هیبریدی MSE/نیلینگ را نشان می دهد همچنین به بیان فلسفه طراحی دیوار های MSE/نیلینگ و شرایط مطلوب این دیوار ها می پردازد. به منظور ارزیابی ضریب اطمینان ناحیه دیوار خاکی (FOS) با استفاده از روش های طراحی تعادل رایج (LEM)، دو روش به منظور شبیه سازی اثر دیوار های MSE فوقانی پیشنهاد شده اند. نتایج به دست آمده از روش های عددی و تعادل حدی به عنوان روش طراحی در این مقاله ارائه شده اند. طراحی دیوار های MSE/SN هیبریدی پیچیده می باشد به این علت که ترکیبی از دو روش تسلیح متفاوت بوده و نمی توان به تنهایی از روش های تعادل حدی مرسوم برای طراحی چنین دیوار هایی استفاده کرده و بایستی از روش های عددی به منظور برآورد ضریب اطمینان کل و سطح گسیختگی بهره گرفت. می توان از روش های تعادل حدی جهت تخمین پایداری داخلی و اتصال رویه میخ های (نیل ها) خاک و دیوارهای تحت پایداری مکانیکی استفاده کرد. مقدمه در پروژه های احداث بزرگراه اغلب از دیوار های حائل به منظور قرار گرفتن در موقعیتی که قسمت تحتانی دیوار در زیر زمین و قسمت فوقانی در بالای زمین قرار می گیرند ، استفاده می کنند. روش های رایج و سنتی استفاده شده در خاکریز ها (یا شرایط خاکبرداری /خاکریز ها) شامل دیوارهای MSE با ارتفاع کامل و دیوار های حائل دارای شافت های (میله ها) حفاری شده می باشند. زمانی که از دیوار های MSE با ارتفاع کامل استفاده می شود ، می بایست میزان قابل توجهی از مصالح خاکی را از نزدیکی ناحیه تحتانی دیوار به منظور قرار دادن خاکریز مسلح حذف کرد.

شکل 1. تصویر شماتیک از دیوار حائل MSE/نیلینگ هیبریدی

همچنین ممکن است شیب های حفاری شده در حالی که دیوار MSE در حال ساخت می باشد، به وسیله شمع کوبی موقت تقویت شوند. مقدار قابل توجه حجم عملیات خاکی و استفاده از شمع کوبی موقت باعث افزایش چشمگیر هزینه کل احداث این نوع دیوار می شود. طرح جایگزین دیگری که در شرایط خاکریزی مورد استفاده قرار گرفته می شود ، شامل استفاده از شافت های حفاری شده به منظور مقابله با بار های جانبی خاک می باشد.این دیوار ها در برابر فشار خاک جانبی به وسیله اثر طره ای مقاومت می کنند. عمق مدفون مورد نیاز به اندازه یک تا دو برابر ارتفاع دیوار تغییر می کند. بنابراین احداث این نوع دیوار تقریبا پر هزینه می باشد. روش جایگزین خلاقانه تر و اقتصادی تر که اخیرا مورد استفاده قرار گرفته می شود   شامل  استفاده از دیوار نیل شده (میخ کوبی شده ) به خاک در مقطع خاکبرداری و دیوار MSE در مقطع خاکریزی مطابق شکل 1 می باشد.

.طراحی دیوار MSE/نیلینگ هیبریدی

طراحی شامل دو روش طرح تعادل حدی (LEM) و روش های المان محدود می باشد. در این تحقیق ، از برنامه کامپیوتری SNAP به منظور بررسی روش های طراحی تعادل حدی که مولفه های داخلی دیوار نیلینگ شده ، پایداری خارجی و پایداری کل را تامین می کنند ، استفاده شده است. به طور کلی محاسبات بر اساس انتشارات FHWA انجام شده اند که برای طراحی و ساخت دیوار هاینیلینگ شده ، مرجعی معتبر به شمار می آید. از برنامه المان محدود دو بعدی PLAXIS V.8 جهت انجام تحلیل های عددی دیوار های مسلح شده خاکی (نیلینگ و دیوار های MSE) استفاده می شود.

شاخصه ها و خصوصیات اصلی برنامه PLAXIS به وسیله چندین تحقیق دیگر مورد ارزیابی و تایید قرار گرفته است. تحقیقات دیگر نیز به صورت موفقیت آمیز از PLAXIS به منظور مدل سازی نیلینگ خاک و دیوار های MSE استفاده کرده اند.

2.تاریخچه موردی برای دیوار MSE/نیلینگ هیبریدی

2.1 شرح پروژه

پروژه دیوار MSE/نیلینگ هیبریدی ارائه شده در این تحقیق به طول 2200 فوت بوده در نزدیکی تقاطع IH-410 Ingram Road در سن آنتونیو قرار گرفته است. ارتفاع دیوار تحت نیلینگ خاک و دیوارMSE در امتداد طول دیوار تغییر می کنند. برای ارزیابی و  بررسی این دیوار ، دو مقطع مجزا از این دیوار انتخاب شده اند.

شکل 2 . موقعیت دیوار W7 : روگذر 410 سن آنتونیو –تگزاس

شکل 3 . مقاطع انتخاب شده از دیوار هیبریدی به منظور بررسی و کنترل : (a) مقطع دیوار A (b) مقطع دیوار B

شکل 4. مش بندی المان محدود : مدل های المان محدود PLAXIS V8 برای دیوار های حائل هیبریدی MSE/نیلینگ

 2.2هندسه دیوار

مقطع A دیوار 7 ، در ایستگاه 703 +80 واقع شده است. ارتفاع دیوار تحت نیلینگ در این محل 4 متر و ارتفاع دیوار MSE ، 5.4 متر می باشد. مقطع دوم دیوار 7 ، دیوار B ، در ایستگاه 705+40  واقع شده است. این مقطع دارای دیوار تحت نیلینگ 5 متر و دیوار  MSE 4.5 متری با نسبت ارتفاع MSE/نیلینگ 0.88 می باشد . تقویت دیوار MSE شامل ژئوگرید های 6.7 متر در هر پنل برای هر لایه می باشد. میخ ها در فاصله 1.05 متری به صورت قائمو در فاصله 1 متری به صورت افقی نصب شده اند. حفره های تزریق به قطر 150 mm بوده و میلگرد های دارای قطر 25 mm می باشند. در مقطع A دیوار 7 ، طول میخ های خاک برای ردیف اول 8.5 متر و برای دیگر ردیف ها 7.9 متر می باشد و در مقطع B دیوار 7 ، طول نیلینگ معادل 7 متر می باشد. شیب میخ ها به اندازه 15L پایین تر از افق می باشد . نما هایی از مقطع عرضی دو دیوار در شکل 3 نشان داده شده است.

 

2.2 ساختار خاک

خاک موجود در قسمت دیوار MSE متشکل از خاک دانه ای با زهکشی آزاد با زاویه اصطکاک 34L و وزن واحد 19.6 می باشد. خاک دیوار های تحت نیلینگ  متشکل از ماسه لای دار با زاویه اصطکاک 35L و وزن واحد 19.6 می باشد. 

 

  1. 3. مدل المان محدود

3.1 هندسه مدل و خصوصیات مصالح

مدل های FEM متعلق به دیوار MSE/نیلینگ هیبریدی به منظور تحلیل مقطع A دیوار 7 مطابق شکل 4 مورد استفاده قرار گرفته اند.

اجزا المان های تقویتی با استفاده از المان ژئوگرید مانند مدل بابو و سینگ شبیه سازی شده اند. نما سازی برای دو دیوار مسلح خاکی و دیوار MSE با استفاده از المان های صفحه ای با مفصل های پلاستیک مثل مدل پات و دراوکویچ ، المان 3 گره با شبکه ریز به منظور ایجاد شبکه محاسباتی المان محدود صورت میگیرد.

 

شکل 5 . مود گسیختگی در دیوار های مسلح

 

شکل 6 . مقایسه بین تغییر مکان های جداره دیوار داده های اندازه گیری شده و نتایج تحلیل المان محدود

از هر دو مدل های دایره مورد و سخت کنندگی خاک جهت شبیه سازی خاک در مدل های Plaxis استفاده شده است. جداول زیر نشان دهنده پارامتر های استفاده شده می باشد.

3.2 مراحل ساخت

مراحل ساخت دیوار مسلح خاک و دیوار های MSE در این قسمت مورد اشاره قرار گرفته اند. برای هر ردیف میخ گذاری در خاک دو مرحله از ساخت شبیه سازی شده است ، مرحله اول به شبیه سازی گود برداری می پردازد در حالی که مراحل دیگر نصب نیلینگ و شاتکریت در دیوار را نشان می دهند.

در دیوار MSE ، هر لایه ژئوگرید شبیه سازی شده در دو مرحله ساخت شبیه سازی شده اند، مرحله اول به شبیه سازی قرار گیری خاکریز و مدل سازی تراکم و مرحله دوم به شبیه سازی قرار گیری لایه ژئوگرید و قرار گیری لایه خاکریز دوم می پردازد.

3.3 خروجی برنامه

تغییر شکل دیوار ، نیرو های کششی اعمالی بر روی تقویت کننده ها ، ضریب اطمینان کل و سطح گسیختگی به عنوان نتایج المان محدود به دست آمده اند.

  1. روش تعادل حدی

4.1 فرآیند طراحی

پایداری کلی دیوار های مسلح خاک با استفاده از اصول تعادل حدی دو بعدی که برای تحلیل های پایداری شیروانی مورد استفاده قرار می گیرند ، ارزیابی می شوند. در عمل ، شکل های مختلف سطح گسیختگی پشت دیوار مسلح در روش های مختلف به منظور تحلیل پایداری کلی دیوار های مسلح در نظر گرفته شده اند .نمونه ای از این حالات سطوح گسیختگی عبارتند از (1) صفحه ای (2) دو خطی با توده لغزش دو گوه ای (3) سهمی (4) لوگ اسپیرال و (5) دایروی .

 

شکل 7.  نتایج المان محدود و روش های تعادل حدی و مقایسه بین داده های اندازه گیری شده

مقایسه عددی بین روش های مختلف نشان می دهد که تفاوت ها در هندسه سطح گسیختگی منجر به ایجاد تفاوت فاحشی در ضریب اطمینان محاسبه شده نمی شود.

طراحی دیوار مسلح به وسیله روش طراح تنش مجاز در گزارش اداره بزرگراه فدرال به منظور تحلیل ، طراحی و ساخت دیوار های مسلح انجام می گیرد.

طراحی شامل تحلیل مود های خارجی گسیختگی (مانند پایداری کلی و پایداری لغزشی) ، تحلیل مود های گسیختگی داخلی ، طراحی رویه ثابت و بررسی مود های شکست گسیختگی برش پانچ در شکل 5 می باشد.

تغییر مکان در روش های تعادل حدی به صورت جرم خاک مسلح به عنوان جسم صلب در نظر گرفته  نشده اند.

4.2 برنامه طراحی کامپیوتر برای دیوار های مسلح خاک

SNAP به ارزیابی مولفه های داخلی دیوار مسلح ، پایداری خارجی و پایداری کلی می پردازد. محاسبات به طور کلی بر مبنای دو انتشارات FHWA : (1) مرجع برای ساخت و طراحی دیوار های مسلح گزارش No. FHWA-SA-96-069R و (2) Geotechnical Engineering Circular No. 7 – Soil Nail Walls, Report No. FHWA-IF-03-017 می باشد.