، حائل، شمعهای، سکون، مصالح، دریچه، گسیختگی، رانش، که، زلزله، دیوار،، میباشد.

1-7: (a) ناحیه تسلیم در خاک زمانی که تونل در عمق بزرگی قرار میگیرد، (b) پروفایل تنش قائم در خاک موجود در بالای تونل (ترزاقی 1943)

1-1-4- شمعهای ردیفی
گاهی برای احداث ابنیهی نگهبان خاک، شمعهای متصل به هم در یک ردیف مثل یک دیوار اجرا میشود. به این دیوار متشکل از شمعهای ردیفی گاهی شمعهای مماسی (Tangent Piles) یا شمعهای سرباز (Soldier Piles) میگویند. اصطلاح شمعهای سرباز به دلیل شباهت قرارگیری این شمعها در یک ردیف مثل سربازان به کار میرود. اصطلاحی مثل شمعهای متناوب (Staggered Piles) و یا دیوار متشکل از شمعهای مماس بههم (Secant Pile Wall) هم رایج است. این نوع شمعها میتوانند متصل یا بافاصله از هم باشند. اگر از شمعهای ردیفی به‌عنوان اسکله و جایگزین سپر فولادی استفاده شود، شمعها باید در تماس باهم باشند؛ و اگر به‌عنوان دیوار نگهبان خاک در خاکهای چسبنده استفاده شود، میتوان آن‌ها را بافاصله از هم اجرا کرد.

شکل 1-8: شمعهای ردیفی

شکل 1-9: شمعهای مماس به هم
به‌عنوان بخششی از ساخت‌وساز در قسمت جدید راهآهن بین کلن و فرانکفورد، شرکت راهآهن آلمان مطابق شکل (1-10)، حفاری به عمق 16 متر در طولی حدود 3200 متر را با استفاده از ترکیب دیوار و شمع اجرا نموده است. سوراخ حفر شده برای شمعها بدون حذف خاک صورت گرفته است. در عوض از متهی پیوسته برای مخلوط کردن خاک با آب و سیمان یعنی بتن مخلوط در محل استفاده گردیده است. سپس از شمعها با مقطع یو شکل فولادی دوبل که به درون حفرهها رانده شدهاند، استفاده شده است. این روش ساختن نشان میدهد که یک اتصال قوی بین شمع و خاک اطراف آن وجود دارد که این دستیابی به حداکثر آرچینگ میباشد. برای طراحی کلاسیک فازهای چوبی، اغلب توزیع تنش مثلثی که در شکل (1-11) نشان داده شده است، فرض میشود. با این حال، پیشنهادات دیگری نیز ارائه شده است.

شکل 1-10: نمایی از شمع دیوارها

شکل 1-11: (a) توزیع یکنواخت فشار محرک زمین، که به‌طور پیوسته به دیوار اعمال میشود. (b) توزیع مثلثی میباشد که گاهی اوقات به شمع سرباز دیوارها وارد میشود.

1-1-5- دیوار حائل
دیوار حائل، دیواری است که تکیه‌گاه جانبی برای جدارههای قائم و یا نزدیک به قائم خاک را به وجود میآورد. از دیوار حائل در بسیاری از پروژههای ساختمانی نظیر راه‌سازی، پل‌سازی، محوطه‌سازی، ساختمان‌سازی و به‌طورکلی هر جا که احتیاج به تکیه‌گاه جانبی برای جدار قائم خاک‌برداری باشد، استفاده میشود (براجا ام داس، 2001). برحسب مصالح و هندسه مورد استفاده، دیوار حائل دارای انواع زیر است:
1- دیوار حائل وزنی12: این نوع دیوار از بتن ساده (غیرمسلح) و یا مصالح بنایی بخصوص سنگ با ملات ماسه سیمان ساخته میشوند. پایداری این دیوارها در مقابل فشار جانبی، در درجه اول بستگی به وزن آن‌ها دارد. در کشور ما ایران، به علت وجود بنّاهای سنگ‌کار ماهر و دستمزد مناسب، ساخت دیوارهای حائل با مصالح بنایی سنگی بسیار معمول است. هرچند که استفاده اقتصادی از آن‌ها در محدودهی ارتفاعهای 4 تا 5 متر میباشد، لیکن استفاده از آن‌ها در دیوارهای بلند هم مشاهده میشود.

شکل 1-12: الف) دیوار حائل وزنی، ب) دیوار حائل نیمه وزنی (براجا ام داس، 2003)

2- دیوار حائل نیمه وزنی13: گاهی مواقع با استفاده از مقدار محدودی میلگرد، از عرض دیوار حائل وزنی مقداری کاسته میشود. این میلگردها در خمش با مصالح بنایی مشارکت میکنند.

شکل 1-13: دیوار حائل طرهای (براجا ام داس، 2003)
3- دیوار حائل طرهای14: این دیوارهای حائل از بتن مسلح ساخته میشود و متشکل از دیوار تیغه و دال پایه میباشند. حداکثر ارتفاع اقتصادی این دیوارها 6 تا 8 متر است.
4- دیوار حائل پشت‌بنددار15: این دیوارها مشابه دیوارهای حائل طرهای هستند با این تفاوت که در فواصل منظم دارای پشت‌بندهایی عمود بر دیوار تیغه میباشند. پشت‌بندها، تیغه و پایه را به یکدیگر میدوزند و درنتیجه با ایجاد رفتار دوطرفه از مقدار نیروی برشی و لنگر خمشی در آن‌ها کاسته میشود.

شکل 1-14: دیوار حائل پشت‌بنددار (براجا ام داس، 2003)

معمولاً وقتی ارتفاع دیوار زیاد می‌شود، دیوار حائل بتن مسلح به‌تنهایی پاسخگوی پایداری نمیباشد، بنابراین به دلیل طول زیاد طره، تغییر شکل رأس دیوار ناشی از فشار محرک خاک افزایش مییابد، درنتیجه از دیوار طرهای پشت‌بنددار استفاده می‌شود. در طراحی دیوار حائل، باید پارامترهای پایه خاک یعنی وزن مخصوص خاک، زاویه اصطکاک داخلی خاک و چسبندگی، هم برای خاک‌ریز پشت دیوار و هم برای خاک زیر پایه دیوار برای طراح معلوم باشد. طراح از پارامترهای مربوط به خاک‌ریز پشت دیوار، فشار جانبی و از پارامترهای مربوط به خاک زیر پایه، ظرفیت باربری مجاز خاک را برای تحمل فشار زیر پایه به دست میآورد (براجا ام داس، 2001).
در طراحی دیوار حائل دو مرحله وجود دارد. ابتدا با معلوم بودن فشار جانبی، پایداری کل سازه کنترل میشود. کنترل پایداری شامل کنترل در واژگونی، لغزش و ظرفیت باربری خاک زیر شالوده میباشد. در مرحله دوم طراحی سازهای اجزای مختلف دیوار در مقابل نیروهای وارده انجام میشود.
یکی از عوامل اصلی در طراحی و ساخت ایمن دیوارهای حائل، شناخت کمی و کیفی فشار وارد به دیوار است. در یک طرح ایمن و اقتصادی لازم است علاوه براثر خاک پشت دیوار، تأثیر نیروهای جانبی و قائم نیز لحاظ گردد.

شکل 1-15: اندرکنش خاک و سازه هنگام زلزله (سپهر، 1390)

بر همین اساس فشار جانبی خاک روی دیوارهای حائل از بحثهای کلاسیک و مهم در مهندسی ژئوتکنیک است. در ساختمان نیز، برای سازههایی که دارای طبقات زیرزمین میباشند، فشار وارد بر دیوار زیرزمین از طرف خاک مخصوصاً در هنگام زلزله امری غیرقابل‌انکار میباشد (شکل 1-15). این امر در پلها، راهها، ترانشهها و غیره نیز از اهمیت ویژهای برخوردار است. ازآنجاکه بازتاب یک ساختمان براثر زلزله بستگی به ویژگیهای حرکت زمین دارد، باید سعی شود تا حرکات زمین را که در هنگام زلزله ایجاد میشوند، تعریف کرد. با تعیین حرکات سازه و زمین اطراف آن میتوان اختلاف جابجایی‌ها را تعیین نمود. تغییر شکل سازه و جابجایی‌های خاک اطراف سازه باعث ایجاد تغییر شکلهای جزئی درتوده خاک شده و موجب ایجاد فشار جانبی در خاک میگردد. بنابراین در طراحیها باید اثر اندرکنش خاک و سازه در نظر گرفته شود. این موضوع به‌صورت شماتیک در شکل (1-15) نشان داده شده است.
کاربرد زیاد سازههای حائل موجب شد که نظریه فشار جانبی خاک جزء اولین گروه از نظریههای ارائه شده در مکانیک خاک کلاسیک باشد. تئوریهای فشار جانبی خاک کولمب16 و رانکین17 جهت تعیین فشار جانبی خاک در دو حالت محرک18 و مقاوم19، ضرایبی را به‌عنوان ضرایب رانش محرک و مقاوم خاک پیشنهاد میکنند که درواقع نسبت تنشهای افقی به قائم در پشت دیوار بوده و به توزیع نیروی رانش در ارتفاع منجر میشود (یزدانی و آزاد، 1386). باوجود قدمت و تجربه فراوان در این امر، هنوز کم و بیش شاهد گزارشهایی از خرابی و گسیختگی سازه حائل و خاک به‌ویژه در مواجهه با نیروهایی که منجر به حرکت و جابجایی دیوار و بخصوص با نیروهای زلزله در سراسر جهان هستیم.

2-1- بیان مسئله
ابتدا تئوری پدیده قوسی در علم مکانیک خاک توسط ترزاقی بیان شد و سپس دانشمندان دیگر ازجمله پک و ایوانس به مطالعهی بیشتری در این زمینه پرداختند. در اکثر مطالعات صورت گرفته در این زمینه حرکت دریچه به سمت پایین و بالا بوده است. بررسیها در حالتی که جابجایی دریچه به سمت جلو یا عقب باشد، بسیار کم بوده است، خصوصاً طبق مشاهداتی که از کارهای صورت گرفته به عمل آمده، این بررسیها در محیط آزمایشگاهی به‌ندرت صورت گرفته است. به همین دلیل سؤالات زیر مطرح میباشد:
1- سطح گسیختگی خاک در هنگام جابجایی دریچه به چه شکل میباشد؟
2- آیا مقاومت قوسی در خاک پشت دریچه رخ میدهد؟
3- آیا میزان تنش با عرض دریچه رابطه دارد؟
4- نسبت توزیع تنش در پشت دریچه چگونه است؟

3-1- اهداف تحقیق
3-1-1- اهداف کلی
بررسی آزمایشگاهی و عددی مقاومت قوسی خاک
3-1-2- اهداف جزئی
1- به دست آوردن سطح گسیختگی واقعی به هنگام جابجایی دریچه.
2- اثبات وقوع مقاومت قوسی در خاک تحت جابجایی افقی دریچه
3- بررسی رابطه عرض دریچه و توزیع تنش در پشت دریچه
4- بررسی نسبت تنش در پشت دریچه

فصل دوم:
تئوریهای مربوط به فشار جانبی خاک روی دیوارهای حائل

2-1- مقدمه
طی سالهای متمادی تحلیلهای گوناگونی روی تعادل مصالح دانهای پشت دیوار حائل صورت گرفته است. اولین تحلیلها را کولمب (1776) و رانکین (1857) انجام دادند و سپس کارهای آن‌ها را دانشمندان دیگری ازجمله بوسینسک و کریزل ادامه دادند. بر اساس تئوری کولمب، مکانیزم گسیختگی20 خاک پشت دیوار به‌صورت تشکیل گوهای21 صلب (سطح گسیختگی صفحهای) بوده که با در نظر گرفتن اصطکاک بین دیوار و خاک بر روی یک صفحه لغزش عمومی میلغزد و درنتیجه آن نیروی رانشی به دیوار اعمال میکند. با مطالعه روی تعادل این گوه گسیختگی و محاسبه عکس‌العمل‌های بسیج شده22، حداکثر نیروی رانش اعمال‌شده به دیوار به دست میآید.
آزمایشهای انجام شده در آن زمان با کمک تجهیزات نسبتاً ساده و با حساسیت کم، نشان داد که برای مقاصد عملی تطابق خوبی بین تئوریهای کولمب و واقعیت وجود دارد.
در سال 1856 رانکین نظریه جدیدی را بدون در نظر گرفتن اصطکاک بین دیوار و خاک به‌جای آن ارائه نمود. بر اساس این تئوری در حالت مصالح دانهای با سطح آزاد افقی نیروی رانش محرک اعمال‌شده به دیوار برابر رابطه (2-1) میباشد.
(2-1)
که در آن نیروی رانش محرک وارد بر دیوار، وزن مخصوص مصالح، زاویه اصطکاک داخلی خاک و H ارتفاع خاک میباشد.
بوسینسک و بعد از او کریزل نشان دادند که تئوری رانکین شرایط تعادل مصالح دانهای پشت دیوار را از طریق ریاضی ارضاء نمیکند و برای محاسبه رانش اعمال‌شده به دیوار، پیشنهاد تازهای به‌صورت مقابل ارائه دادند: که در آن نیروی رانش اعمال‌شده به دیوار میباشد که در صفحات بعدی همین فصل آورده شده است. در ادامه خلاصهای از تئوریهای موجود ارائه میشود. فشار جانبی خاک پشت دیوار در سه حالت مورد بررسی قرار میگیرد.
الف: فشار جانبی خاک در حالت سکون
ب: فشار جانبی خاک در حالت محرک
ج: فشار جانبی خاک در حالت مقاوم
در زیر به تشریح هر یک از این حالتها میپردازیم.

2-2- فشار جانبی خاک در حالت سکون
مطابق شکل (2-1) دیواری به ارتفاع H را در نظر بگیرید که حائل توده خاکی با وزن مخصوص باشد. در سطح خاک پشت دیوار نیز بار گستردهای به‌شدت q بر واحد سطح تأثیر میگذارد. مقاومت برشی23 خاک از رابطه (2-2) به دست میآید.
(2-2)
که در آن مقاومت برشی خاک، چسبندگی خاک و مؤلفه تنش مؤثر میباشد. در عمق z از سطح خاک‌ریز پشت دیوار، تنش قائم مؤثر از رابطه (2-3) به دست میآید.
(2-3)
که در آن تنش قائم مؤثر24 و سربار گسترده وارد بر سطح افقی خاک‌ریز میباشد. در صورتی که دیوار حائل هیچگونه حرکتی به سمت جلو یا عقب نداشته باشد (کرنش افقی صفر باشد)، فشار جانبی در عمق z از رابطه (2-4) به دست میآید.
(2-4)
که در آن فشار جانبی وارد بر دیوار در شرایط سکون، u فشار آب حفرهای25 و ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون میباشد.

شکل 2-1: فشار جانبی خاک روی دیوار حائل در شرایط سکون (سپهر، 1390)
برای خاکهای دانهای، ضریب فشار جانبی خاک در حال سکون را میتوان از رابطه (2-5) جکی26 (1944) به دست آورد.
(2-5)
برای خاکهای رسی عادی تحکیم یافته، ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون را میتوان از رابطه (2-6) بروکر27 و ایرلند28 (1965) به دست آورد.
(2-6)
همچنین بر پایه نتایج تجربی بروکر و ایرلند (1965)، مقدار ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون برای خاک رس با تحکیم عادی29 را میتوان به‌طور تقریبی به نشانه خمیری30 PI نسبت داد.
(2-7)
(2-8)
برای رس‌های پیش تحکیم یافته31 داریم:
(2-9)
که در آن ضریب فشار جانبی در حالت سکون در شرایط پیش تحکیمی، ضریب فشار جانبی در حالت سکون در شرایط عادی تحکیم یافته و OCR نسبت پیش تحکیم32 میباشد.
همچنین با استفاده از آزمایشهای متعدد بر روی نمونههای آزمایشگاهی نشان داده شد که رابطه (2-5) نتیجه خوبی برای تخمین فشار جانبی خاک در حال سکون برای خاکهای ماسهای شل33 به دست میدهد (شریف و فانگ، 1984). لیکن برای ماسه متراکم34 مقدار حاصل، قدری دست پایین است. به همین دلیل رابطه اصلاح‌شده (2-10) را برای ضریب فشار جانبی خاک در حال سکون پیشنهاد کردند.
(2-10)
که در آن وزن مخصوص خشک طبیعی و وزن مخصوص خشک حداقل ماسه میباشد.

2-3- نظریه فشار خاک رانکین
در تئوری رانکین فشار خاک بر اساس تعادل پلاستیک تعریف‌شده به‌وسیله دایره گسیختگی موهرکولمب به دست میآید. در این تئوری توده خاک در حالت خمیری کامل مورد بررسی قرار میگیرد. با توجه به شکل (2-2-الف) که خط گسیختگی موهر-کولمب را نشان میدهد، از هر نقطه مانند A میتوان دو دایره رسم کرد، که بر خط مشخصه مماس باشد. دوایر دیگر