، تونل، آرچینگ، قوسی، دریچه، مصالح، تغییرشکل، تسلیم، اسپیرال، گوه، 4-50:، میدهد.

20……………………………………………………………………………….88
شکل 4-45: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچه برای ارتفاع 25………………………………………………………………………………89
شکل 4-46: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچه برای ارتفاع 15………………………………………………………………………………..89
شکل 4-47: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچه برای ارتفاع 20………………………………………………………………………………..90
شکل 4-48: تغییرات نسبت سطح به عرض دریچه برای ارتفاع 25………………………………………………………………………………..90
شکل 4-49: مشبندی صورت گرفته توسط نرمافزار………………………………………………………………………………………………………91
شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 2 سانتیمتری…………………………………………………………………………..92
شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 4 سانتیمتری…………………………………………………………………………..93
شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 6 سانتیمتری…………………………………………………………………………..94
شکل 4-50: میزان جابجایی خاک بعد از باز کردن دریچه 8 سانتیمتری…………………………………………………………………………..94

فهرست علائم اختصاری
علامت اختصاری
مفهوم

زاویه اصطکاک داخلی خاک
c
چسبندگی

زاویه اصطکاک بین خاک و دیوار

وزن مخصوص مصالح

وزن مخصوص خشک طبیعی

وزن مخصوص خشک حداقل

نیروی رانش محرک وارد بر دیوار

نیروی رانش مقاوم وارد بر دیوار

تنش در حالت سکون

تنش در حالت محرک

تنش در حالت مقاوم

تنش قائم

تنش افقی

تنش اصلی حداکثر

تنش اصلی حداقل

تنش برشی
u
فشار آب حفرهای

ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون

ضریب فشار جانبی خاک در حالت محرک

ضریب فشار جانبی خاک در حالت مقاوم

ضریب فشار جانبی خاک
PI
نشان خمیری
OCR
نسبت پیش تحکیم
H
ارتفاع دیوار
h
ارتفاع هر نقطه دلخواه از پای دیوار
z
عمق خاک پشت دیوار
W
وزن گوه گسیختگی
Lep
طول مؤثر خاک‌ریز پشت دیوار
E
ضریب ارتجاعی خاک

جابجایی حدی دیوار در حالت مقاوم

مجموع جابجایی دورانی و انتقالی دیوار

جابجایی دیوار در اثر دوران

جابجایی انتقالی دیوار
x
نسبت جابجایی دیوار به جابجایی حدی

زاویه بین شعاع اولیه با هر شعاع از اسپیرال لگاریتمی

شعاع اولیه اسپیرال لگاریتمی

شعاع اسپیرال لگاریتمی

شعاع میانی یا منصف اسپیرال

مساحت اسپیرال لگاریتمی

مساحت گوه گسیختگی

مؤلفه‌های مرکز سطح اسپیرال لگاریتمی

زاویه بین دیوار و شعاع اسپیرال لگاریتمی

زاویه گوه گسیختگی در پای دیوار

زاویه گوه گسیختگی با افق در ارتفاع دیوار

زاویه بین صفحه اصلی حداقل با افق

طول گوه گسیختگی در تراز فوقانی

بازوی لنگر نیروی وزن

بازوی لنگر نیروی وارد بر دیوار
na
ضریب محل اثر نیرو (به‌دست‌آمده از هندسه دیوار)

ضریب محل اثر نیرو (به‌دست‌آمده از توزیع تنش جانبی)

فشار قائم خاک

فشار افقی خاک

برآیند فشار جانبی وارد بر دیوار

فصل اول:
کلیات پژوهش

1-1- مقدمه
وجود هرگونه سازه در داخل تودهی زمین باعث تغییر در توزیع تنش1 در محل شده و انتظار میرود که این تغییر نیرو بر سازه تأثیر بگذارد. علاوه بر این زمین واقع در مجاورت یک سازه میتواند تا حد زیادی ظرفیت باربری آن را در مقایسه با سازهی مشابه غیرهمدفون افزایش دهد. در طراحی سازههایی از قبیل تونلها، گودالها، مجاری آبهای زیرزمینی و غیره نمیتوانند از آییننامههای موجود برای سازههایی که بر روی زمین احداث می‌شوند، تبعیت کنند. سه عامل اصلی برای تصمیمگیری این‌که چه سطح از تنش تغییر میکند (مک نالتی2، 1965): خواص فیزیکی سازه، رفتار بار-تغییرشکل سازه، خواص زمین اطراف سازه به‌خصوص قابلیت انتقال نیروها میتوان اشاره کرد. این روند که باعث میشود، تنشها بر یا به اطراف سازهی مدفون شده در خاک از میان تنشهای برشی ناشی از جابجاییهای مرتبط انتقال پیدا کنند پدیده قوسی یا همان Arching گویند.

1-1-1-پیشینه تحقیق
پدیده قوسی3 حدود 150 سال پیش شناخته شد. تحقیقات در این زمینه به‌صورت پراکنده و اغلب نسبت به یک ناحیهی خاص که از اهمیت ویژهای در آن نقطه زمانی داشته است، میباشد. پدیده قوسی در بسیاری از مسائل ژئوتکنیک وجود دارد. درحالی‌که پدیده قوسی در ابتدا در زمینهی غیره ژئوتکنیکی شناخته شده و مورد بررسی قرار گرفته است. در حدود سال 1800 مهندسان نیروی نظامی فرانسه اقدام به طراحی مخزن سیلو نمودند (فلد4، 1948). آن‌ها یافتند که قسمت انتهایی سیلو فقط بخشی از وزن کل مصالح بالای آن را حمل میکند و دیوارهای کناری در معرض نیروی بیشتری نسبت به آنچه که انتظار میرفت، قرار دارند. آزمایشات نشان دادند که اگر مقطع کوچکی از قسمت انتهایی جدا شده و به پایین حرکت کند، نتیجه میشود که نیروی وارده به مقطع بسته به ارتفاع مصالح داخل مخزن دارد. آن‌ها نتیجه گرفتند، یک قوس در بالای مقطع جابجا شده، شکل میگیرد. بعد از سال 1800 این دانش از رفتار در مخزن سیلوها در طراحی سیلوها برای مصالح دانهای و سایر مصالح ذرهای به کار برده شد. در محدودهی سال 1910 پروژه مهم زهکشی زمین در میدوست جریان یافت (اسپانگلر و هندی5، 1973). مهندسان یافتند که بسیاری از لولههای زهکش پس از نسب و ریختن خاک، دچار شکست شدهاند. آنسون مارستون، تحقیقات وسیعی در دانشگاه ایالت آیووا در رابطه با نیروهای وارده بر لوله‌های دفن شده در زمین انجام داد و دریافت که به دلیل انعطاف‌پذیر بودن لولهها و همچنین روند نسب، مقدار نیرو تغییر میکند؛ که این تغییر به پدیده قوسی نسبت داده شد. در سال 1920 تا 1930 اهمیت آرچینگ در اطراف تونلها شناخته شد؛ که این از آزمایشات متعددی که حتی امروزه نیز مورد استفاده قرار میگیرد حصول گردید (سزچی6، 1996). در 1936 ترزاقی با انجام آزمایش‌هایی تئوری آرچینگ را مطرح کرد. در سال 1960 زمانی که وزارت دفاع آمریکا حمایت قابل‌توجهی از تحقیقات در زمینه اندرکنش خاک-سازه کرد. تکنیکهایی برای طراحی سختتر استحکامات نظامی نیاز شد و شناخته شد که پدیده قوسی این امکان را میدهد که از زیر، زمین برای محافظت از حملات نظامی هستهای که باعث نابودی کلیه سازههای سطحی میشود، بهره برد؛ که اغلب این تحقیقات را سیمپسون در سال 1964 در زمینه اندرکنش خاک-سازه ارائه داد. امروز با گذشت بیش از 50 سال از ارائه تئوری آرچینگ به دلیل اهمیت این پدیده در طراحی سازهای و مسائل ژئوتکنیکی در سازههای مدفون هنوز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد.
در ایران نیز دکتر مسعود مکارچیان با ساخت دستگاه اندازه‌گیری نیروی قوس زدگی، این پدیده را در مصالح ماسهای مورد بررسی قرار داد. درنهایت شاخص قوس زدگی با توجه به میزان دانسیته نسبی مصالح ماسهای و نیز ارتفاع نمونه خاک در سلول آزمایش ارائه شد. همچنین دکتر جمشید صدر کریمی در سال 1389 در دانشگاه تبریز این پدیده را در حالتی که شکل دریچهها دایره و با قطرهای متفاوت بوده، مورد بررسی قرار داد تا تأثیر شکل دریچه و ابعاد آن بر پدیده قوسی را به دست آورد.

1-1-2- پدیده قوسی (Arching)
عمومیترین تعریف قابل‌قبول برای پدیده قوسی توسط ترزاقی7 (1943) ارائه گردید، به‌طور خلاصه اگر قسمتی از دریچهی صلب تودهی خاک رو به پایین حرکت کند شکل (1-6)، خاک مجاور، با توجه به باقی‌مانده از توده خاک، حرکت می‌کند. این حرکت با استفاده از تنشهای برشی که باعث کاهش فشار در قسمت پایین آمدهی دریچه و افزایش فشار در اطراف قسمت صلب میشود، مقاومت میکند. این تئوری پدیده قوسی میباشد و این اغلب زمانی اتفاق میافتد که یک قسمت از دریچه نسبت به قسمتهای مجاور پایین‌تر باشد. بسته به حرکتهای مرتبط سازه و زمین اطراف میتوان پدیده قوسی را به دو حالت محرک و مقاوم مجزا نمود. شکل (1-1) آرچینگ محرک8 را نشان میدهد (که در بعضی موارد آرچینگ مثبت خوانده میشود). سازهی موجود درون توده خاک اگر تغییرشکل پذیرتر از خاکی که آن را احاطه کرده، باشد، (هنگامی‌که بار بیش از حد و یا اضافی به سیستم اعمال گردد، سازه تغییر شکل بیشتری نسبت به خاک خواهد داد (شکل 2-1)). تنشها بر روی سازه کمتر از تنشهای ژئواستاتیک میباشد، در صورتی که تنش در خاک اطراف سازه بزرگ‌تر است. شکل (3-1) آرچینگ مقاوم9 را نشان میدهد (که اغلب به‌عنوان آرچینگ منفی شناخته میشود). در اینجا خاک نسبت به سازه تراکم پذیرتر میباشد و از این رو باعث افزایش فشار کل بر روی سازه و همچنین کاهش فشار در خاک اطراف آن میشود (شکل (4-1)).
اگر خواص نیرو-تغییرشکل سازه و خاک یکسان باشد، تنش در خاک و بر روی سازه از جنس ژئواستاتیک خواهد بود و هیچگونه آرچینگی اتفاق نمیافتد. وقوع چنین وضعیتی بعید است، به این دلیل که میان رفتار مصالح سازه ازجمله آهن و فولاد با خاک تفاوت وجود دارد. خصوصاً سازههای زیرزمینی که تغییرشکلشان یکنواخت نیستند که سبب میشود توزیع تنش پیچیدهتر شود. بازتوزیع تنش ناشی از جابجاییهای مرتبط رفتاری است که اغلب در هر دو خاک درشتدانه و چسبنده مشاهده میشود. ولی بقاع این بازتوزیع به‌هرحال برای این دو نوع خاک یکسان نیست. در خاکهای ریزدانه پدیده خزش سبب میشود تنشها در طول زمان کاهش‌یافته و اغلب بزرگی آن نزدیک به وزن بیشبارگذاری شود (پک10، 1969). پروسه کاهش تنش مشابهی نیز میتواند در خاکهای درشتدانه زمانی که تحت عوامل خارجی ازجمله ارتعاشات هستند، رخ دهد. به هرحال، دامنه کاهش معمول مشاهده شده ناشی از آرچینگ برای خاکهای درشتدانه از مقادیر ناچیز تا فقط حدود 15 درصد است (اسپانگر و هندی 1973). ازنقطه‌نظر طراحی، کاهش بار مفید طولانی‌مدت به دلیل پدیده قوسی میتواند تنها در خاکهای دانهای پیش‌بینی شود.

شکل 1-1: آرچینگ محرک

شکل 2-1: تراکمپذیر بودن سازه نسبت خاک

شکل 3-1: آرچینگ مقاوم

شکل 4-1: تراکمپذیر بودن خاک نسبت سازه

1-1-3- تونل
پوشش تونل11 هرگز در معرض مقدار باری که توسط تنش اولیهی حاکم بر زمین پیش‌بینی‌شده، قرار نمیگیرد. خوشبختانه مقدار تنش اولیه با تغییرشکل زمین که به هنگام حفاری و اغلب پس از نسب و راهاندازی رخ میدهد کاهش مییابد. این کاهش تنش ناشی از تغییر شکل زمین پدیده قوسی را نشان میدهد. ازآنجاکه تغییرشکل زمین متصل است به تغییرشکل پوشش، بنابراین مقدار بار وارده به پوشش بستگی به تغییرشکل خود آن دارد. به این دلیل است که همیشه اندرکنش خاک و سازه و تشکیل مشکل اصلی برای طراحی به‌عنوان بار وارده، متغیر مستقل نیست؛ بنابراین سؤال این نیست که چه فشاری به پوشش تونل اعمال میشود، بلکه مسئلهی اصلی این است که چه رابطهای بین فشار و تغییرشکل وجود دارد.
ترزاقی از تئوری فوق‌الذکر در طراحی تونل استفاده کرد (ترزاقی 1943). ناحیه تنش در خاک بالای تونل مشابه است با ناحیه تنش خاک در بالای نوار تسلیم. ترزاقی فرض کرد که عملکرد خاک مجاور تونل به هنگام ساختن به سمت جوانب تونل میباشد. این، شرایط فشار محرک با سطوحی از ناحیهی تسلیم با سطح شیبدار در حدود ایجاد میکند. ناحیه تسلیم در اطراف تونل و منشور تسلیم در شکل (1-5-a) نشان داده شده است. در سطح بام تونل، عرض نوار تسلیم () برای تونلهای مستطیلی برابر است با:
(1-1)
اگر بام تونل در عمق D قرار گیرد، تنش قائم در بام برابر است با:
(1-2)
شکل (1-5-b) نشان دهنده تنش قائم در خاک بالای تونل میباشد.
اگر تونل در عمق بزرگی از سطح زمین قرار گیرد، اثرات آرچینگ نمیتواند از ارتفاع خاص در بالای سقف تونل فراتر رود (همانند در شکل (1-6)). شکل (1-7-a) موقعیت تونل در یک عمق بزرگ را نشان میدهد. تنش قائم در سقف برابر است با:
(1-3)
زمانی که بسیار بزرگ باشد، تنش عمودی به مقدار زیر محدود میشود:
(1-4)
اگر تونل در ماسه ساخته شود، مقدار چسبندگی () برابر میباشد؛ بنابراین در جهت اطمینان، در نظر گرفته‌شده و رابطه (1-4) به‌صورت زیر سادهسازی میشود:
(1-5)
شکل (1-7-b) پروفیل تنش قائم در بالای تونل و در عمق زیاد نشان میدهد. اثرات آرچینگ فقط در فاصلهی از بام تونل موجود میباشد (شکل (1-7)). هیچ اثر آرچینگی در خارج از این محدوده اتفاق نمیافتد، یعنی هیچ مقاومت برشی در رخ نمیدهد.

شکل 1-5: (a) جریان خاک به سمت تونل کمعمق زمانی که تسلیم در توده خاک رخ میدهد. قوس سطح لغزش واقعی، خط سطح لغزش فرض شده، (b) پروفایل تنش قائم در خاک موجود در بالای تونل (ترزاقی 1943)

شکل 1-6: تسلیم شدن در خاک به دلیل حرکت رو به پایین در پایه (ab)، منحنی ac و bd: سطح لغزش واقعی، خط ac و bf: سطح لغزش فرض شده (ترزاقی 1943)

شکل