طراحی لرزه‌ای دیوارهای حایل

طراحی لرزه‌ای دیوارهای حایل استفاده از سازه‌های حایل نظیر دیوارهای نگهبان، دیوارهای جناحی پل‌ها، دیوارهای ساحلی، اسکله‌ها، دیوارهای مهار شده، و سیستم‌های مختلف خاک مسلح در همه مناطق از جمله مناطق لرزه خیز نیز مورد توجه هستند. سازه‌های مذکور در بنادر و سواحل، جناحین پل‌ها، کنار اتوبان‌ها، و سایر شریان‌های حیاتی نقش مهمی داشته و خسارت وارده به آنها در اثر وقوع زلزله، عواقب اقتصادی و اجتماعی زیادی را در مناطق شهری در پی خواهد داشت.

لذا کنترل پایداری این قبیل سازه‌ها در خلال وقوع زلزله امری ضروری است. در این بخش رفتار لرز‌ه‌ای دیوارهای حایل در مقابل بارهای دینامیکی تشریح شده و رو‌ش‌های متداول در طراحی لرزه‌ای آنها به منظور جلوگیری از خسارت مالی و جانی بررسی می‌شود.

شکست لرزه‌ای انواع حایل‌ها

دیوارهای حایل دارای وزن نسبی و انعطاف پذیری متفاوت بوده و به انواع مختلفی نظیر دیوارهای ثقلی، دیوارهای گابیونی، حایل‌های طره‌ای و سیستم‌های خاک مسلح تقسیم بندی می‌شوند. در تشریح رفتار هر یک ازانواع فوق الذکر، نوع شکست، عوامل مؤثر در پایداری دیوار و نیروهای وارد بر آنها مشخص شدند و به طور کلی تأکید شد که هدف از طراحی کامل یک حایل برقراری تعادل نیروهای مذکور بدون وقوع تنش‌های برشی بیش از حد تحمل خاک پشت و زیر دیوار است. لیکن در خلال زلزله و وقوع نیروهای داخلی ناشی از جنبش زمین و تغییرات مقاومت خاک، تعادل استاتیکی به هم خورده و موجب بروز تغییر مکان‌های دایمی در دیوار می‌شود. که در صورت افزایش این تغییر مکان از حد مجاز، گسیختگی دیوار به صورت لغزش، واژگونی، کج شدن و یا ساز و کارهای دیگر محتمل خواهد بود.

پاسخ دینامیکی دیوارهای حایل

پاسخ دینامیکی دیوارهای حایل حتی در ساده‌ترین نوع پیچیده است و میزان جابه‌جایی دیوار و فشار وارد بر آن به اندرکنش خاکریز پشت و خاک زیر دیوار، جسم دیوار، و طبیعت جنبش زمین بستگی دارد. با توجه به کمبود اطلاعات موجود از رفتار دینامیکی حایل‌ها بر اساس اندازه‌گیری‌ها و مشاهدات محلی، تکیه اکثر مطالعات بر روی مدل‌های آزمایشگاهی و عددی است که نتایج آنها نیز ،حاوی نکات زیر است.

• حرکت دیوارها به صورت جابه‌جایی (تغییرمکان) یا دوران است که مقدار نسبی هر یک به انعطاف پذیری دیوار بستگی دارد. هر یک از حالات مذکور ممکن است به تنهایی یا همزمان اتفاق بیفتد.
• مقدار و نحوه توزیع فشار دینامیکی خاکریز پشت دیوار بر حسب مود حرکت دیوار (نظیر تغییر مکان، دوران حول قاعده یادوران حول بخش فوقانی) متفاوت است. در این راستا نقطه اثر برآیند رانش خاک بر دیوار در خلال اعمال بارهای لرزه‌ای نسبت به حالت استاتیکی به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند.
• رانش دینامیکی متأثر از اندرکنش دینامیکی دیوار و خاکریز پشت بوده و مقدار جابه جایی افقی دیوار در فرکانس‌های نزدیک به فرکانس طبیعی سیستم خاک و دیوار، با توجه به وقوع پدیده تشدید، به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌ یابد. لازم به ذکر است که جابه‌جایی‌های افزایش یافته مذکور ممکن است پس از یک دوره جنبش نیرومند زمین بر حایل مورد نظر باقی بمانند (رانش ماندگار).

فشارهای لرزه‌ای بر حایل‌ها

فشار لرز‌ه‌ای وارد بر دیوارهای حایل بستگی به قابلیت حرکت آنها نسبت به خاکریز پشت دارد. در صورتی که امکان حرکت دیوار نسبت به خاکریز پشت وجود داشته باشد، تعیین فشارهای دینامیکی مؤثر بر دیوار از طریق روش‌های استاتیکی یا شبه استاتیکی انجام می‌گیرد و در صورت عدم امکان حرکت نسبی خاک و دیوار (دیوارهای ثابت)، تحلیل الاستیک صورت می‌گیرد.

حایل‌ها با قابلیت تغییر مکان نسبی

در این نوع حایل با توجه به امکان تغییر شکل یا تغییر مکان نسبی حایل و خاک، تعیین فشارهای دینامیکی با استفاده از روش‌های استاتیکی یا شبه استاتیکی امکانپذیر است. یکی از روش‌های شبه استاتیکی که در واقع بسط مستقیم نظریه رانش جانبی کولمب است، روش مونونو به اوکابه یا M−O است، که در آن شتا‌ب‌های شبه استاتیک بر گوه کولمب در حالت محرک یا مقاوم اعمال شده و مقدار رانش موردنظر از برقراری تعادل بین نیروهای مؤثر بر گوه قابل محاسبه است.

حایل‌های ثابت

برخی از حایل‌ها نظیر دیوارهای حایل سنگین، دیوارهای زیرزمین یا دیوار پیرامونی در طبقات مدفون ساختما‌ن‌ها که در بالا و پایین مهار شده‌اند، فاقد حرکت لازم جهت بسیج مقاومت محرک یا مقاوم خاکریز پشت خود هستند. به طور کلی نتایج تحقیقات اخیر نشان داده شده برای محدوده فرکانس‌های کمتر از فرکانس طبیعی سیستم خاک و سازه، فشارهای وارد بر دیوار از روش الاستیک برای یک شتاب افقی و ثابت، قابل محاسبه است.

اثر آب بر فشار خاک

روش‌های فوق الذکر در تعیین فشار دینامیکی وارد بر دیوارهای حایل در شرایط خشک بودن خاک پشت دیوار قابل استفاده هستند. و با توجه به تعبیه سیستم زهکش در پشت دیوارهای حایل، چنین فرضی در غالب موارد صحیح است، لیکن در بعضی موارد نظیر دیوارهای ساحلی، یا دیوار‌ه‌های کنار آبگیرها، وجود آب در پشت یا جلو دیوار موجب تغییر رانش دینامیکی شده، و منظور نمودن اثر آن در طراحی ضروری است. به طور کی فشار آب بر دیوارها در صورت عدم تأمین سیستم زهکشی مناسب، به دو مؤلفه فشار هیدروستاتیک که با عمق به صورت خطی افزایش می‌یابد و فشار هیدرودینامیکی که از پاسخ دینامیکی آب ناشی می‌شود، قابل تفکیک است.

حضور آب در جلو دیوار

در صورت قرارگیری یک حجم آب در جلوی دیوار حایل، با فرض قرارگیری یک حایل صلب در مقابل یک مخزن نیمه بی‌نهایت، می‌توان فشار هیدرودینامیک آب را که از پاسخ دینامیکی حجم آب حین وقوع زلزله ناشی می‌شود را از روش وسترگاد تعیین نمود. طبق مطالعات وی، در صورت پایین بودن فرکانس حرکت لرزه‌ای نسبت به فرکانس طبیعی مخزن، فشار هیدرودینامیک آب با جذر عمق افزایش می‌یابد.

فشار جانبی کل ناشی از حضور آب در جلو یک دیوار حایل حین وقوع زلزله مجموع فشار هیدروستاتیک و اضافه فشار هیدرودینامیک خواهد بود. در طراحی دیوارهای حایل در مقابل آبگیرها، افت سریع آب در مخزن در کنترل واژگونی دیوار باید مدنظر باشد، همچنین در حین وقوع زلزله نیز بالا آمدن سریع آب در جلو دیوار باعث افزایش پایداری آن، لیکن پایین رفتن همین سطح آب باعث کاهش ضریب ایمنی پایداری خواهد شد که باید در طراحی مد نظر قرار گیرد.

حضور آب در خاک پشت دیوار

در صورتی که خاک پشت دیوار از نوع خاک ریزدانه با ضریب نفوذپذیری خیلی کم باشد، آب منفذی در حین زلزله با خاک اطراف خود حرکت می‌کند، لیکن در صورتی که خاک از نوع ماسه‌ای و با ضریب نفوذپذیری بالا باشد، در حین لرزش، اسکلت خاک حرکت کرده و آب حفر‌ه‌ای ساکن می‌ماند، در این حالت امکان وقوع فشارهای هیدرودینامیک برای این آب حفره‌ای آزاد وجود خواهد داشت.

حضور آب در طرفین دیوار دیوارهای ساحلی

در بعضی موارد نظیر دیوارهای ساحلی، در یک سمت آب حفره‌ای و در طرفین دیگر فشار آب وجود دارد، برای چنین مواردی برخی محققین افزایش فشار حفره‌ای در سمت خشکی را ۷۰ درصد اضافه فشار دینامیکی در سمت آب پیشنهاد کرده‌اند.

دیوارهای خاک مسلح

دیوارهای خاک مسلح، به دو ناحیه تفکیک می‌شوند، یکی ناحیه مسلح شده با تسمه‌های فولادی و دیگر بلوک خاک غیر مسلح در پشت این ناحیه. در اثر وقوع زلزله، ناحیه خاک غیر مسلح تحت اثر رانش دینامیکی و ناحیه مسلح تحت اثر نیروی اینرسی قرار می‌گیرد. طراحی لرزه‌ای دیوارهای خاک مسلح با هدف کنترل لغزش و واژگونی ناحیه مسلح به تسمه‌ها و همچنین کنترل شکست کشش در تسمه‌های فولادی در خلال وقوع زلزله انجام می‌گیرد.