فشار زمین فعال بر روی دیوارهای حائل

مطالب متخصص بایگانی: متن و فرمول های اسکن شده یک گزارش نظری تاریخی را حفظ می کنند، اما یک مطالعه ژئوتکنیکی، پروژه دیوار حائل، محاسبه پایداری، ارزیابی دیوار موجود، طرح حفاری یا دستورالعمل های اجرایی نیستند. فشار زمین و آب به خاک خاص، طبقه بندی، تراکم، زهکشی، آب های زیرزمینی، هندسه، حرکت دیوار، بارهای اضافی، یخبندان و اثر لرزه ای بستگی دارد. برای هر مورد واقعی، کار تحقیقاتی، داده های آزمایشگاهی، استانداردهای معتبر و تایید مشترک توسط یک مهندس ژئوتکنیک و سازه تایید شده مورد نیاز است.

اطلاعات مرتبط: پنجره های چوبی ساخته شده بر اساس پروژه شما. · پنجره های چوبی آلومینیومی سفارشی. · پنجره های سفارشی برای خانه ها، پروژه ها و صادرات. · دربهای چوبی و چوبی آلومینیومی سفارشی. · یک درخواست قیمت ارسال کنید.

فشار زمین بر روی دیوارهای حائل

توده زمینی که توسط دیوار حائل حمایت می‌شود، بر آن فشار وارد می‌کند و تمایل دارد آن را به صورت انتقالی به جلو هل دهد (شکل 1a) یا آن را هل دهد (شکل 1b). مقدار فشار زمین E به عوامل مختلفی بستگی دارد که از جمله مهمترین آنها خواص فیزیکی خاک، تغییر شکل دیوار، رطوبت خاک و وضعیت آب زیرزمینی، ارتفاع دیوار، بار خارجی و ناهمواری سطح داخلی دیوار است.

تصویر 1 — جابجایی انتقالی و چرخش دیوار حائل.

فشار زمین در حالت سکون

اگر دیوار حائل صلب و غیر متحرک باشد، فشار وارد بر آن را فشار زمین در حالت سکون می نامند و با E نشان می دهند.0_. این دقیقاً فشاری است که در عمق مشاهده شده، تحت تأثیر وزن خود خاک و احتمالاً بارگذاری اولیه لایه های قبلاً فرسایش یافته، در خاک دست نخورده حاکم است. فشار زمین در حالت سکون نادر است و فقط در موارد خاصی رخ می دهد، مانند دیوارهای نگهدارنده که در سنگ های جامد بنا شده اند، سپس با پروفیل های بسته تونل ها و لوله ها، و با اسکله های عظیم که کاملاً غیر متحرک هستند (شکل 10).2).

شکل 2 — فشار زمین در حالت سکون روی اسکله عظیم.

فشار زمین فعال

اگر دیوار نگهدارنده تحت اثر فشار E به سمت جلو حرکت کند یا حول نقطه پا A یا برخی از نقاط پایین تر که موارد منظم در خاک تراکم پذیر هستند بچرخد، به استثنای سازه های بسته و عظیم فوق الذکر، توده خاکی پشت دیوار منبسط می شود. اگر حرکت دیوار به اندازه کافی بزرگ باشد، قسمتی از خاک پشت دیوار، منشور ABCA، شکسته می شود و از سطح کشویی AC به پایین می لغزد (شکل 1).2). فشاری که منشور لغزنده بر دیوار حائل وارد می کند، فشار زمین فعال نامیده می شود و با Ea نشان داده می شود. این فشار به طور قابل توجهی کمتر از فشار در حالت استراحت است، تقریباً0,5به0,7_E0_. در اثر لغزش منشور زمین ABCA، تنش های برشی τ در امتداد سطح لغزشی تشکیل شده AC فعال می شود که با لغزش مخالفت کرده و فشار زمین را کاهش می دهد. در لحظه ای که منشور ABCA شروع به لغزش می کند، تنش های برشی τ به بالاترین مقدار خود می رسد، یعنی در آن لحظه مقدار فشار زمین فعال E کوچکترین است. بنابراین، Ea مقدار حدی پایینی فشار زمین است.

آزمایشات ترزاقی فشار زمین با مواد ماسه روی دیواری به ارتفاع h=1,50 mنشان داد که برای رسیدن به مقدار حدی پایین فشار زمین فعال Ea، میانگین جابجایی افقی دیوار Δl از5/10.000ارتفاع دیوار یا چرخش بالای دیوار Δl از1/5.000_h_ دور ساق A.

فشار زمین غیرفعال

اگر از بیرون به سمت داخل خاک به دیوار فشار وارد کنیم (شکل 3)، دیوار به سمت عقب حرکت کرده و خاک فشرده می شود. هنگامی که حرکت دیوار به مقدار مشخص Δl رسید، منشور خاکی ABCA از زمین جدا می شود که توسط سطح لغزنده AC تحت تاثیر نیروی خارجی بیشتر به سمت بالا رانده می شود. مقاومتی که خاک در برابر عمل نیروی خارجی در لحظه جدا شدن منشور ABCA ایجاد می کند، فشار غیرفعال زمین _ Ep است. این بالاترین مقدار حد بالایی است که فشار زمین می تواند به آن برسد.

فشار زمین در حالت سکون به صورت تجربی تعیین می‌شود، در حالی که فشار زمین فعال و غیرفعال را می‌توان به صورت محاسباتی و با استفاده از روش‌های تحلیلی یا گرافیکی و بر اساس دانش ویژگی‌های فیزیکی خاک که معمولاً با روش‌های آزمایشگاهی تعیین می‌شود، تعیین کرد.

شکل 3 — فشار زمین غیرفعال و منشور لغزنده.

مهم برای کاربرد: حالت فعال، غیرفعال و بیکار فقط با نام ساختار انتخاب نمی شود. حرکت دیواره مجاز، تنش های موثر، شرایط زهکشی یا زهکشی نشده، سطح و تغییر آب زیرزمینی، بارهای اضافی و پتانسیل از دست دادن خاک در جلوی دیوار باید نشان داده شود. انتخاب نادرست حالت فشار می تواند پایداری در برابر لغزش، واژگونی، ظرفیت باربری خاک و استحکام دیوار را به خطر بیندازد.

تعیین ضریب فشار استراحت K0

در مواردی که دیوار حائل در معرض اثر فشار استاتیکی قرار می‌گیرد، برای اندازه‌گیری دیوار حائل باید از فشار استاتیک E0 که بیشتر از فشار زمین فعال است استفاده کرد. اندازه آن بسته به نوع خاک و فشردگی آن بین فشار زمین فعال و غیرفعال است.

در عمق t زیر سطح زمین، فشار عمودی از وزن خود خاک σt = γ·t است. اگر امکان انبساط جانبی خاک وجود نداشته باشد، فشار افقی σh = γ·t·K0، که K0 = σh/σt.

K0 فشار استراحت است. ضریب فشار استراحت را می توان با تست سه محوری به صورت زیر تعیین کرد.

نمونه ای از خاک دست نخورده گرفته شده از عمق اثر فشار در حال استراحت در دستگاه سه محوری قرار داده می شود، جایی که فشار جانبی σ3 هنگام اعمال بار عمودی σ1 به گونه ای تنظیم می شود که تغییر شکل جانبی با تغییر شکل جانبی برابر با i رخ ندهد. مقادیر ولتاژهای مؤثر σ’1 و σ’3 به نمودار σ’1 – σ’3 اعمال می‌شود (شکل 4_، که یک خط مستقیم از دو گرم به دست می‌آید) مقدار K0 = σ’3/σ’1 را تعیین می کند.

شکل 4 — تعیین ضریب K__0 فشار استراحت با آزمایش سه محوری.

طبق گفته پیترمن، مقادیر تقریبی ضریب فشار سکون

برای ماسه فشرده K0 = 0,40 – 0,45

برای ماسه شل K0 = 0,45 – 0,50

برای خاک رس K0 = 0,60 – 0,75

مقادیر آزمایشگاهی: محدوده های تقریبی زیر بخشی از متن اصلی باقی می مانند، اما جایگزینی برای آزمایش نمونه های معرف، مدل های زمین شناسی و مقادیر طراحی نیستند. نماد OCR فرمول‌ها، شاخص‌ها و آپاستروف‌ها باید قبل از هر محاسبه‌ای با یک منبع معتبر بررسی شود.

روش‌های تعیین فشار زمین فعال - نظریه کولن

Coulomb اولین کسی بود که نظریه فشار زمین (1770 سال) را بر اساس تجربه میدانی منتشر کرد. او به دیوار حائل که خاک سست را نگه می دارد نگاه کرد. در یک نقطه او دیوار را برداشت که به موجب آن توده زمین در امتداد یک سطح کشویی AC که به زاویه a با سطح افقی متمایل بود لغزید (شکل 5). وزن W منشور زمین کشویی ABC که توسط سطح زمین BC، سطح لغزنده AC و دیوار حائل AB محدود شده است، به طور همزمان روی دیوار حائل و روی سطح کشویی عمل می کند. مقدار فشار زمین فعال Ea توسط کولن تحت دو فرض زیر تعیین شد:

1. که سطح لغزنده یک سطح واقعی است؛

2. که سه نیروی عامل: وزن منشور لغزشی W، مقاومت دیواره نگهدارنده Ea و مقاومت اصطکاکی Q در امتداد سطح لغزشی AC در یک نقطه قطع می‌شوند، به این معنی که صفحه نیروها بسته است. بر اساس این فرض، در حالت تعادل حدی، وزن W به طور همزمان با مقاومت دیواره نگهدار Ea و مقاومت اصطکاکی Q در امتداد سطح لغزنده خنثی می شود.

شکل 5 — تعیین فشار زمین فعال طبق نظریه کولمب.

فرض های قبلی با واقعیت مطابقت ندارد. سطح کشویی یک سطح مستقیم نیست بلکه یک سطح منحنی است. تقاطع سه نیروی عامل تنها در یک مورد وجود دارد، زمانی که سطح زمین پشت دیوار افقی است، سطح داخلی دیوار عمودی و جهت نیروی Ea افقی است، در حالی که در موارد دیگر وجود ندارد. با این حال، علیرغم این انحرافات، تعیین فشار زمین فعال همچنان بر اساس نظریه کولن است، زیرا در بسیاری از موارد عملاً قابل استفاده است.

برای تعیین فشار زمین فعال Ea Coulomb فرض کرد که به دلیل تاثیر وزن جرم زمین W حرکت دیواره نگهدارنده و تشکیل منشور ABC فشار زمین فعال وجود دارد. با فرض اینکه مقاومت داخلی خاک فقط از اصطکاک تشکیل شده باشد. کولن وزن W را به دو جزء تجزیه می کند، یکی در جهت نیروی فشار زمین فعال Ea، دیگری در جهت مقاومت اصطکاکی حاصل Q در امتداد سطح لغزش (شکل 5b). در انجام این کار، کولمب همچنین فرض می کند که جزء در یک زاویه اصطکاک داخلی با سطح نرمال به سطح لغزنده AC عمل می کند، و جزء Ea در یک زاویه انحراف δ با نرمال به سطح داخلی دیوار AB عمل می کند. نیروی W با جهت، قدر و جهت تعیین می شود.

برای یک سطح لغزنده معین در زاویه α با افقی، نیروی W از سطح منشور زمین ABC برای طول به دست می آید.1,0 mعمود بر پلان و وزن حجمی خاک γ, W=AΔABC x1,00x γ. نیروهای Ea و Q با جهت شناخته می شوند. بر اساس طرح نیروها (شکل.5ب) و قضیه سینوس داریم:

تصویر6- مورد تلاقی نیروهای عامل در یک نقطه.

این الگو فقط در مواردی درست است که زمین افقی باشد (v=0سطح داخلی دیوار عمودی است (θ=0) و جهت نیرو Ea افقی (δ=0) یعنی زمانی که دیوار کاملا صاف است (شکل.6).

برای این مورد خاص به اصطلاح Rankine ما داریم:

وزن W در این مورد W = است0.5·γ·h_2/tg_α، که در آن γ وزن حجمی خاک است.

اگر مقدار جلویی را در معادله Ea وارد کنیم، به دست می آید:

معادله قبلی به یک سطح کشویی دلخواه AC اشاره دارد. با این حال، لازم است نیروی Ea برای سطح لغزش بحرانی، یعنی سطحی که لغزش روی آن بیشتر رخ می دهد، تعیین شود. این سطحی خواهد بود که بیشترین مقدار فشار زمین فعال max Ea را می دهد.

برای ارتفاع معین دیوار H و زاویه ثابت اصطکاک داخلی ϕ، مقدار فشار زمین فعال با زاویه شیب α سطح لغزش به سمت افقی تغییر می کند. مقدار max Ea به دست می آید اگر Ea را با α متمایز کنیم و دیفرانسیل را برابر با صفر قرار دهیم:

فرمول یک ماشین‌حساب نیست: معادلات اسکن شده ممکن است دارای توان‌ها، شاخص‌ها، زاویه‌ها و نشانه‌های ناخوانا باشند. آنها بدون مقایسه با منبع متخصص معتبر، بررسی واحدها، فرضیات مدل و کنترل مستقل نتایج در پروژه کپی نمی شوند. محاسبه باید شامل آب، زهکشی، بارهای امتداد تاج دیوار، اثر لرزه ای و تمام موارد محدود مربوطه باشد.

تعیین زوایای ϕ و δ

زاویه اصطکاک داخلی ϕ در آزمایشگاه تعیین می شود. اندازه آن به نوع خاک، رطوبت و تراکم بستگی دارد. برای انواع خاصی از خاک، مقدار زاویه ϕ معمولا در محدوده های ارائه شده در جدول 1 قرار دارد.

جدول 1 — مقادیر تقریبی زاویه اصطکاک داخلی ϕ برای انواع خاصی از خاک.

زاویه انحراف δ نیروی Ea از نرمال به سطح داخلی دیوار بستگی به تغییر شکل دیوار و خاک پشت آن و ناهمواری سطح داخلی دیوار دارد. اگر نشست زمین بیشتر از نشست دیوار باشد که رایج ترین حالت است، زاویه δ مثبت است، اصطکاک بین دیوار و زمین به سمت بالا عمل می کند. اگر نشست دیوار بیشتر از نشست زمین باشد که یک مورد استثنایی است، زاویه δ منفی است، اصطکاک بین دیوار و زمین به سمت پایین عمل می کند. مقادیر محدود کننده زاویه δ برای یک سطح دیوار کاملاً صاف δ=0، برای یک سطح کاملاً ناهموار δ=ϕ است. به طور کلی، δ=2/3_ϕ_ پذیرفته شده است، با این واقعیت که خاک دیوار به طور دائم از خیس شدن شدید محافظت می شود. اگر خاک پشت دیوار در معرض زلزله های شدید باشد، δ=ϕ/2 و اگر خیلی مرطوب باشد δ=0.

مقادیر زوایای پروژه: مقادیر جدولی و توصیفی φ و δ مستقیماً در یک مکان خاص اعمال نمی شوند. انتخاب پارامترها باید با نوع و وضعیت خاک، روش نصب و تراکم، زهکشی، حرکت مورد انتظار دیوار، ناهمواری تماس و رویکرد طراحی مربوطه مطابقت داشته باشد.

توزیع فشار زمین در پشت دیوار و نقطه حمله نیرو Ea

شکل 7 — توزیع فشار زمین در حین چرخش دیوار حائل در اطراف نقطه پایه A.

توزیع فشار زمین در امتداد سطح داخلی دیوار بستگی به تغییر شکل دیوار نگهدارنده، شکل سطح خاک پشت دیوار و شکل سطح داخلی دیوار دارد.

نقطه حمله فشار زمین فعال Ea به توزیع فشار در امتداد سطح داخلی دیوار و شکل آن بستگی دارد. همیشه در ارتفاع مرکز ثقل سطح نمودار فشار قرار دارد.

Coulomb پذیرفت که فشار زمین در پشت دیوار به صورت خطی با عمق افزایش می‌یابد، همانطور که در مورد آب، به اصطلاح. توزیع هیدرواستاتیک فشار زمین (شکل 7). با این حال، توزیع فشار هیدرواستاتیک تنها در مواردی وجود دارد که دیوار حول پایه A یا نقطه پایینی بچرخد، در حالی که در سایر موارد از آن منحرف می شود.

اگر دیواره نگهدارنده حول نقطه پا A یا نقطه پایین تر بچرخد، خاک به سمت پایین حرکت می کند (شکل 7a)، در حالی که هیچ فشاری به سمت داخل خاک وجود ندارد. در این حالت، لغزش خاک بر روی سطوحی با کمترین مقاومت M1C1، M2C2… به موازات سطح لغزش AC ظاهر می‌شود، که زمانی اتفاق می‌افتد که چرخش دیوار به اندازه‌ای زیاد باشد که یک پریسم را تشکیل دهد. ABCA.

بنابراین، در این حالت، فشار متناسب با عمق افزایش می یابد، یعنی توزیع فشار زمین بر اساس هیدرواستاتیک کولن است. نمودار فشار زمین فعال بر اساس دانش نیروی Ea و ارتفاع دیوار h به دست می آید، زیرا نیروی Ea برابر با مساحت نمودار فشار abc است (شکل 1).7ب):

Ea=x·h/2، از آنجا x=2Ea/h،

یعنی از آنجایی که Ea = ½ γh2Ka، x = γhKa.

تصویر8- توزیع فشار زمین هنگام چرخش دیوار به دور بالای B یا نقطه بالاتر L.

اگر دیوار نگهدارنده به دور بالای دیوار B یا نقطه بالاتر L بچرخد (شکل.8الف) فشاری در قسمت بالایی به سمت داخل خاک وجود دارد که در نتیجه در امتداد سطوح با کمترین مقاومت M به سمت بالا رانده می شود.1سی1، _ م2سی2_…

با چرخش به اندازه کافی بزرگ دیوار، یک سطح کشویی AC تشکیل می شود که در طول آن منشور لغزنده در طول اکستروژن به سمت پایین می لغزد. در اثر هل دادن خاک در قسمت فوقانی، فشار زمین غیرفعال ظاهر می شود که به طور قابل توجهی بیشتر از فشار فعال است و در آن قسمت نمودار فشار bd با فشار غیرفعال Ep مطابقت دارد (شکل 8b). از آنجایی که فشار کل زمین Ea به اندازه منشور زمین ABCA بستگی دارد و برابر با سطح مثلثی نمودار فشار abe است، این نمودار در مسیر بعدی خود کاهش می یابد تا زمانی که سطح آن برابر با سطح مثلثی abe شود. نمودار فشار واقعی در این حالت منحنی bc است که نمی توان آن را به صورت ریاضی تعیین کرد. اما مرکز ثقل S سطح نمودار ac بالاتر از مرکز ثقل سطح نمودار مثلثی است که برای پایداری دیوار حائل چندان مطلوب نیست، زیرا نقطه حمله نیروی Ea بالاتر است. به گفته ترزاقی در نیمی از ارتفاع دیوار حائل قرار دارد.

اگر دیوار نگهدارنده در ترجمه به جلو حرکت داده شود (شکل 9a)، فشاری که قبل از حرکت مطابق با فشار زمین در حالت سکون E0 کاهش می‌یابد، در نتیجه سطوح با مقاومت پایین‌تر ظاهر نمی‌شوند، اما وقتی دیوار به اندازه کافی بزرگ حرکت می‌کند، سطح زمین در امتداد AC لغزشی ایجاد می‌شود. به سمت پایین از آنجایی که فشار کل برابر با سطح مثلثی نمودار فشار abe است (شکل 9b)، نمودار فشار در مسیر بعدی خود کاهش می یابد. نمودار فشار واقعی خط منحنی ac است که نمی توان آن را به صورت ریاضی تعیین کرد. به گفته ترزاقی، مرکز ثقل S در ارتفاع 0,40 – 0,45_h_ است.

شکل 9 - توزیع فشار زمین در حین حرکت انتقالی دیوار حایل به جلو.

با در نظر گرفتن روش تعیین فشار زمین به عنوان یک مقدار افراطی، بزرگترین برای فعال و کمترین برای غیرفعال، نظریه کولن به عنوان یک روش افراطی برای تعیین فشار زمین در نظر گرفته می‌شود.

نکته مهندسی نهایی: توزیع و نقطه حمله فشار به نحوه واقعی تغییر شکل سازه بستگی دارد. علاوه بر فشار زمین، زهکشی و فشار هیدرواستاتیک، پایداری کلی و داخلی، لغزش، جابجایی، باربری و نشست خاک، استحکام دیوار و پی، فرسایش، شستشو، فازهای گودبرداری و پایداری موقت باید بررسی شود. وضعیت دیوار موجود که حرکت، ترک، برآمدگی یا نشت آب کنترل نشده را نشان می‌دهد، نیاز به ارزیابی فوری حرفه‌ای دارد.