خاک مسلح و کاربرد آن

خاک مسلح و کاربرد آن

خاک مسلح

خاک مسلح مجموعه‌ای از خاکریز‌ (معمولاً دانه‌ای) است که عناصر مسلح کننده‌ در خاک ‌به صورت تسمه، میلگرد هستند. خاک مسلح عموماً در مقابل فشار و برش مقاوم بوده، اما در مقابل کشش ضعیف است. در خاک مسلح وجود عناصر مسلح کننده در جهت کرنش کششی باعث بهبود رفتار خاک می‌شود (مشابه بتن مسلح). دیوارهای خاک مسلح در گروه دیوارهای انعطاف پذیر قرار دارند.

بخش‌های اصلی خاک مسلح

خاکریز

عموماً از خاکهای دانه‌ای استفاده می‌شود.

عناصر مسلح کننده

در بیشتر موارد از تسمه‌های باریک و پهن‌ در فواصل معینی ‌استفاده می‌شود.

پوسته

قطعات پوسته به یک انتهای عناصر مسلح کننده متصل هستند و وجه خارجی دیوار را پوشش می‌دهند. نسبت عرض به ارتفاع در دیوارهای خاک مسلح معمولاً بزرگ است و در نتیجه بر خلاف دیوارهای حایل معمولی، پدیده تمرکز تنش در پنجه دیوار دیده نمی‌شود. به همین دلیل برای بسترهای با ظرفیت باربری کم مناسب هستند.

در خاک مسلح با استفاده از عناصر مسلح کننده که در داخل خاک قرار گرفته‌اند و ابتدای آنها به عناصر پوسته متصل شده‌، عناصر پوسته و به تبع آن خاکریز مهار می‌شود. در این روش خاکریز از یکسو روی اجزای پوسته فشار جانبی اعمال کرده و از دیگر سو، اندرکنش آن با تسمه‌ها باعث مهار خاک می‌شود.

روش اجرا و کاربری‌های متعارف

خاکریزی در ساز‌ه‌های خاک مسلح به صورت لایه لایه اجرا شده و مشابه خاکریزهای معمول متراکم می‌شود. المان‌های مسلح کننده در فاصله بین این لایه‌ها قرار می‌گیرند. المان‌های پوسته به دو صورت، فلزی و با مقطع نیم بیضی و بتنی پیش ساخته چلیپایی شکل استفاده می‌شود. اجرای دیوارهای خاک مسلح با استفاده این قطعات‌‌ ابتدا یک ردیف المان‌های پوسته در محل خود قرار داده می‌شود و پس از آن یک لایه خاکریز و المان‌های مسلح کننده اجرا می‌شود.

مقایسه خاک مسلح با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل

از مقایسه خاک مسلح با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل می‌توان به نتایج زیر رسید.

• امکان اجرای سریع و ساده خاک مسلح بخصوص با استفاده از امکانات پیش ساختگی وجود دارد.
• هزینه‌ها در مقایسه با سایر سیستم‌های معمول دیوار حایل کاهش می‌یابد.
• تطابق پذیری آن بالاست و امکان اجرا در انواع شیب‌ها و با شرایط مختلف خاک وجود دارد.
• وجود المان‌های پوسته امکان ایجاد بیشترین هماهنگی بین سازه و محیط اطراف را به طراح می‌دهد.
• انعطاف پذیری و تغییرشکل پذیری نسبتاً بالای خاک مسلح امکان تحمل نشست‌های زیاد را فراهم می‌آورد.

کاربرد خاک مسلح

‌مشکل اصلی خاک مسلح پدیده خوردگی المان‌های مسلح کننده در خاک است. بنابراین در طراحی و اجرای خاک مسلح باید توجه خاصی به دوام و پایایی مصالح المان‌های مسلح کننده در خاک داشت. در مجموع تجربه‌های حاصل از اجرای نمونه‌های مختلف خاک مسلح بیانگر کارایی مناسب آن برای موارد زیر است.

• دیوارهای خاک مسلح در جاده‌های کوهستانی که بر روی بسترهای ضعیف‌ یا شیب‌های ناپایدار اجرا شده‌اند.
• دیوارهای خاک مسلح برای آزادراه‌ها که در آنها اجرای سریع و هزینه پایین اهمیت بسیاری دارد.
• دیوارهای خاک مسلح در اطراف خطوط راه آهن که برای آنها مقاومت بالا در مقابل ارتعاش مدنظر است.
• دیوارهای خاک مسلح به عنوان دیوارهای ساحلی به دلیل مقاومت خوب آنها در مقابل ضربات امواج و فرسایش ناشی از آن.

مشخصات اجزای تشکیل دهنده خاک مسلح

• خاکریز
• الما‌ن‌های مسلح کننده
• الما‌ن‌های پوسته

خاکریز

برای افزایش کارایی خاک مسلح باید توجه خاصی به ویژگی‌های خاکریز داشت. ویژگی‌های مهم در این مورد به شرح زیر است.

• پایداری خاکریز در درازمدت و کوتاه مدت
• خواص مکانیکی خاک (چسبندگی و اصطکاک داخلی)
• خواص شیمیایی (مسائل دوام و پایداری، خوردگی عناصر مسلح کننده)

در مورد خاک‌های دانه‌ای و خاک‌های چسبنده باید به موارد زیر به هنگام انتخاب خاکریز برای خاک مسلح توجه داشت. انتخاب خاک‌های دانه‌ای متراکم شده که به هنگام اعمال نیروی برشی دچار افزایش حجم می‌شوند، مناسبتر هستند. در خاک‌های دانه‌ای خوب زهکشی شده، تنش مؤثر عمودی پس از اجرای هر لایه خاکریز سریعاً بین خاکریز و المان‌های مسلح کننده منتقل می‌شود و کاهش مقاومت برشی با بارگذاری قائم بدون تأخیر فاز صورت می‌گیرد. در محدوده بارهای معمول خاک مسلح این خاک‌ها رفتاری الاستیک از خود نشان می‌دهند، در نتیجه پدیده تغییر شکل پسماند (پس از اجرا) در آن رخ نمی‌دهد.

از سوی دیگر در خاک‌های ریزدانه که معمولاً خوب زهکشی نمی‌شوند، تنش مؤثر سریعاً منتقل نمی‌شود و در نتیجه ضریب ایمنی زمان اجرا بسیار کاهش می‌یابد. علاوه بر آن به دلیل وجود رفتار الاستو پلاستیک یا پلاستیک در این خا‌ک‌ها احتمال رخداد تغییرشکل پسماند (پس از اجرا) وجود دارد. از سویی در این خاک‌ها المان‌های مسلح کننده با تنش بالا، مستعد پدیده خزش هستند و خوردگی در آنها بیشتر دیده می‌شود. بر اساس این مجموعه موارد استفاده از خاک‌های ریزدانه برای خاکریز خاک مسلح مناسب نیست.

عناصر مسلح کننده

این عناصر عوامل کلیدیی خاک مسلح برای انتقال نیرو از ناحیه محرک به ناحیه مقاوم هستند. این عناصر باید پیوستگی و اصطکاک مناسبی با مصالح خاکریز داشته، دوام و پایایی آنها مناسب، و دارای شکل پذیری زیاد در هنگام گسیختگی باشند. میزان وادادگی آنها تحت تنش‌های کششی باید کم باشد. بر این اساس موادی که با موفقیت در مسلح سازی انواع سازه‌های مهندسی به کار رفته‌اند عبارتند از فولاد گالوانیزه، آلیاژ آلومینیوم منیزیم، فولاد ضد زنگ‌، و مواد پلیمری.

عناصر مسلح کننده غیرفلزی معمولاً از پلیمرها ساخته می‌شوند، البته استفاده از ژئوسینتتیک‌ها (نظیر ژئوتکستایل، ژئوگرید و ژئوکامپوزیت) هم معمول است. این المان‌ها معمولاً ضعیفتر از المان‌های مشابه فلزی هستند و دچار خوردگی نمی‌شوند. اما توسط عوامل دیگر مورد حمله قرار می‌گیرند و پدیده خزش معمولاً در مورد این مواد از اهمیت بسیاری برخوردار است.

عناصر پوسته

این عناصر در واقع پوششی برای خاک مسلح هستند و عملکرد اصلی آنها جلوگیری از ریزش خاک بین الما‌ن‌های مسلح کننده است. این اجزا برای جلوگیری از فرسایش سطحی و ایجاد یک نمای مناسب استفاده می‌شوند. خاک مسلح به دلیل انعطاف پذیری بالای آن در بسیاری موارد بر روی خاکهای نرم که نشست بسیاری در آنها رخ می‌دهد اجرا می‌شوند. بر این اساس المان پوسته هم باید انعطاف پذیری لازم را داشته باشد. بیشترین نوع المان‌های پوسته که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، شامل موارد زیر است.

قطعات فلزی یا فولادی

شکل این المان‌ها به صورت مقطعی از نیم بیضی است که بسیار انعطاف پذیر و مقاوم هستند، برای نصب این المان‌ها آنها را به یکدیگر پیچ کرده و المان‌های مسلح کننده را در فاصله بین آنها قرار می‌دهند. استفاده از این نوع المان پوسته برای مناطقی که مشکل حمل و نقل و دسترسی وجود داشته باشد به دلیل سبکی بالایشان بسیار مناسب است.

قطعات بتنی

شکل این المان‌ها معمولاً به صورت چلیپایی است و با استفاده از بتن به صورت پیش ساخته تهیه می‌شوند. اتصالات آنها به گونه‌ای تعبیه شده که امکان تحمل تغییر شکل قابل ملاحظه‌ای را بدون تر‌ک خوردگی در بتن داشته باشند و ‌خاک از آن محل خارج نشود.
قطعات بتنی امکان اجرای انواع پوشش‌های نما را فراهم می‌آورند.

دوام و پایایی

رفتار و عملکرد خاک مسلح در درازمدت تابعی از رفتار المان‌های مسلح کننده آن در طول زمان است. بر اساس ویژگی‌های مکانیکی مورد نیاز برای المان‌های مسلح کننده، فولاد یکی از بهترین انتخاب‌ها است، اما پدیده خوردگی در فولاد باعث تقلیل رفتار خاک مسلح می‌شود. بدین دلیل بررسی بر روی سایر مصالح برای انتخاب آنها به جای المان‌های مسلح کننده همزمان باکاربرد خاک مسلح شروع شده است.

رفتار خاک مسلح

خاک مسلح را می‌توان نتیجه مشارکت دو ماده با مدول الاستیسیته متفاوت دانست که اساس آن بر اصطکاک و اندرکنش خاک و الما‌ن‌های مسلح کننده پایه گذاری شده است. برای درک رفتار سازه‌های خاک مسلح ابتدا رفتار نمونه‌های آزمایشگاهی مصالح خاک مسلح و سپس اصطکاک بین خاک و المان‌های مسلح کننده و در نهایت رفتار سازه‌های خاک مسلح بررسی می‌شود.

رفتار نمونه‌های مصالح خاک مسلح

یک نمونه آزمایشگاهی از خاک مسلح را به عنوان یک نوع مصالح مورد آزمایش قرار می‌دهیم. نتایج حاصله از یک سری آزمایش‌های سه محوری بر روی نمونه‌های ماسه مسلح شده با دیسک‌های افقی آلومینیومی نمایانگر تأثیر چگالی ماسه، فواصل و مقاومت کششی عناصر مسلح کننده بر روی رفتار نمونه است. در این آزمایش‌ها دو مد خرابی قابل مشاهده است.

• خرابی در اثر پارگی المان‌های مسلح کننده
• خرابی در اثر لغزش بین خاک و المان‌های مسلح کننده

رفتار و مکانیزم سازه خاک مسلح

آزمایش‌های انجام شده نشانگر تغییر نیروی کششی در طول الما‌ن‌های مسلح کننده و رسیدن آن به یک مقدار حداکثر در این طول است. مکان هندسی محل تنش حداکثر در المان‌های مسلح کننده برای لایه‌های متفاوت خط نیروی کششی حداکثر را تعریف می‌کند. این خط دو ناحیه محرک و مقاوم را از هم جدا می‌کند.

ناحیه محرک

در این ناحیه خاک تمایل به جدا شدن از سازه دارد و عامل اصطکاک در طول المان مسلح کننده آن را مهار می‌کند.

ناحیه مقاوم

در این ناحیه تنش برشی مانع از لغزش المان‌های مسلح کننده می‌شود. خط مرزی بین این دو ناحیه (خط کشش حداکثر) سطح محتمل گسیختگی در سازه است. موقعیت این خط تابع چند پارامتر از جمله هندسه سازه، نیروهای وارده و تأثیرات دینامیکی است. علاوه بر آن میزان صلبیت المان‌های مسلح کننده هم بر روی شکل آن اثرگذار است.

این سطح گسیختگی متفاوت از گوه گسیختگی کولمب است، این خط در ناحیه فوقانی دیوار عمودی است و این به دلیل وجود المان‌های مسلح کننده نسبتاً صلب در خاک است که باعث تغییر توزیع تنش، کرنش در خاک می‌شود.

روش طراحی خاک مسلح

طراحی سازه‌های خاک مسلح شامل کنترل پایداری خارجی یا کلی و پایداری داخلی است.

پایداری خارجی یا کلی سازه

مدهای معمول خرابی در این مورد به شرح زیر است.

• لغزش
• واژگونی
• عدم کفایت باربری بستر (کج شدگی)
• لغزش عمیق

برای این منظور می‌توان خاک مسلح را مشابه یک سازه وزنی فرض نمود و کل نیروهای وارد بر سازه خاک مسلح را با فرض توزیع رانکین برای فشار جانبی خاک و توزیع ذوزنقه‌ای برای تنش خاک در زیر سازه در نظر گرفت.

رفتار لرزه‌ای خاک مسلح

بر اساس آزمایش‌هایی میز لرزان، مشاهده نمونه‌های واقعی پس از زلزله و تحلیل‌های عددی اجزای محدود، مشخص شده که سازه‌های خاک مسلح عموماً به دلیل انعطاف پذیری خوب، زلزله‌های شدید را بدون خرابی تحمل می‌کنند. توزیع عناصر مسلح کننده در جرم سازه باعث توزیع و استهلاک انرژی لرزه‌ای می‌شود، در نتیجه احتمال ایجاد نیروی متمرکز و به دنبال آن خرابی کاهش می‌یابد.

تأثیر زلزله روی پایداری کلی سازه خاک مسلح را می‌توان بر اساس فرضیات حاکم بر سایر سیستم‌های حایل وزنی انعطاف پذیر تخمین زد. در مورد پایداری داخلی، زلزله منجر به افزایش نیروهای دینامیکی در عناصر مسلح کننده می‌شود، توزیع نیروها در حالت دینامیکی متفاوت از توزیع آن در حالت استاتیکی است. /همیار ناظر