مهارهای مکانیکی خاک از طراحی تا اجرا اثر محمودی مهریزی

پیشگفتار

امروزه استفاده از انواع مهارها در پروژه‌های مختلف با شرایط بارگذاری متفاوت بسیار مرسوم شده است. علت اصلی استفاده از این مسلح کننده‌ها انتقال بار سازه به خاک‌های دارای مقاومت بیشتر و یا خاک دورتر از ناحیه بحرانی است. در حالت کلی، برای انتقال نیروهای مختلف از سازه به خاک از مهار کمک گرفته ‌می‌شود که مقاومت خود را از طریق مقاومت برشی و وزن برجای خاک اطراف خود به دست می‌آورند. مهارها در 20 سال‌ گذشته کاربردهای فراوانی در پایدارسازی دیواره‌ها، اجرای دیوارهای حائل، دیوارهای دریایی، سپرکوبی‌ها، پی‌بندی‌ها، پایدارسازی ترانشه‌ها، اجرای لوله‌های انتقال آب و یا نفت، برج‌های انتقال برق، ساخت اسکله‌ها، مهار سازه‌های شناور و ... پیدا کرده‌اند. ازجمله روش‌های پرکاربرد در اجرای بسیاری از این پروژه‌ها استفاده از میخ‌گذاری، دوخت به پشت‌ها و به طور کلی مهارهای دوغابی است که به شکل گسترده‌ای در کشور ما استفاده می‌شوند. این روش‌ها در اجرا با مشکلاتی روبرو هستند که از آن جمله می‌توان به حفاری همراه با لرزش و صدای زیاد، عدم کارایی مناسب در خاک‌های پوک و ریزشی، عدم امکان استفاده در زیر سطح ایستابی، مشکل تزریق دوغاب در خاک‌های دانه‌ریز، نیاز به صرف زمان مورد نیاز گیرش دوغاب برای پس‌کشیدگی مهارها، دشواری جایگذاری کابل‌ها (Strand) و میلگردها (bar) درون گمانه حفاری شده در خاک‌های ریزشی و ... اشاره کرد، تمامی موارد ذکر شده باعث بالا رفتن هزینه‌ها و زمان اجرای پروژه می‌شوند.
مهارهای مکانیکی با توجه به اقتصادی بودن، سرعت عملیات اجرایی و ویژگی‌های منحصربه‌فرد دیگر از جمله روش‌هایی هستند که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند و بسیاری از مشکلات ذکرشده در بالا را ندارند. مهارهای مکانیکی دارای دو نوع مارپیچ و صفحه‌ای هستند که خود باتوجه به نوع کاربرد و روش‌های اجرا به بخش‌های مختلف تقسیم می‌شوند. این مهارها در کشور‌های مختلف پذیرفته‌ شده هستند و با توجه به کاربردهای زیادی که دارند، تحقیقات گسترده‌ای برای شناخت رفتار آن‌ها صورت گرفته است. از آن جایی که مهارهای مکانیکی تاکنون در کشور ما مورد استفاده قرار نگرفته‌اند، در این کتاب به بررسی این نوع مهارها و تقسیم‌بندی آن‌ها پرداخته شده و روش‌های طراحی و اجرای هر یک بیان شده است؛ به این امید که این روش‌ها به کمک مهندسین این مرز و بوم آمده، هزینه‌ها و زمان اجرای پروژه‌ها را کاهش داده و خطرات ناشی از اشکالات مهارهای دوغابی از میان برود.
این کتاب حاصل تلاش سه ساله نویسندگان بوده است که تحقیقات خود را در رابطه با مهارهای مکانیکی در دوره کارشناسی ارشد و دکتری انجام داده‌اند و همینک در پی گسترش آن نیز هستند. در تألیف این کتاب تلاش شده است که از جدیدترین و کامل‌ترین منابع استفاده گردد و همچنین منبع تمامی موارد بیان شده، ذکر گردد تا این امکان برای خوانندگان فراهم شود که در صورت نیاز به مطالعه بیشتر به منابع اصلی رجوع نمایند. کتاب پیش‌رو شامل 7 فصل بوده که در فصل اول به معرفی و تقسیم‌بندی انواع مهارها و کاربردهای آن‌ها پرداخته شده است. فصل دوم کتاب در رابطه با مهار مارپیچ و ویژگی‌های آن بوده و در فصل سوم نیز طراحی این نوع مهار مکانیکی اشاره شده است. در فصل چهارم کتاب به توضیح در رابطه با انواع مهارهای صفحه‌ای و روش‌های اجرای آن پرداخته شده است و فصل پنجم و ششم روش‌های طراحی مهارهای صفحه‌ای افقی و قائم هستند. در آخر نیز به صورت خلاصه به انواع آزمایش‌های انجام شده روی‌ مهارها و روش پس‌کشیدگی مهار تحت عنوان فصل هفتم اشاره گردیده است.
کتاب حاضر با توجه به کاربرد فراوان مهار در علوم مهندسی، برای دانشجویان مقاطع کارشناسی ارشد و دکتری رشته ژئوتکنیک، راه و ترابری، سازه، زلزله، سواحل، بنادر و سازه‌های دریایی، محیط‌زیست و سایر رشته‌های مرتبط قابل استفاده و پرکاربرد بوده؛ همچنین تلاش شده است، نحوه نگارش کتاب به‌گونه‌ای باشد که استفاده آن توسط مهندسین مشاور و پیمانکاران خدمات مهندسی ژئوتکنیک میسر باشد. این کتاب به عنوان تنها مرجع فارسی در زمینه مهارهای مکانیکی در کشور، بی‌شک خالی از نقص نیست. لذا از کلیه استادان، صاحب نظران و مجریان تقاضا می‌گردد تا با ارائه نظرها و پیشنهاد‌های خود ما را به منظور بهبود کتاب در چاپ‌های بعدی یاری دهند.
در خاتمه، لازم می‌دانیم از کلیه اساتید و همکارانی که با طرح نظرات خود ما را یاری نمودند تشکر و قدردانی نماییم. در ضمن استاد گرامی جناب آقای دکتر قنبری، سرکار خانم دکتر زینب الله کرمی، آقای دکتر محمدعلی محمودی مهریزی، سرکار خانم مهندس خجسته جلالی مقدم و آقای مهندس مسعود علی عسگری بخش‌های مختلف کتاب را مورد ارزیابی قرار دادند که با طرح نظرات ارزنده موجبات تشکر خالصانه مؤلفین را فراهم آوردند.
 

با احترام فراوان
محمدعماد محمودی مهریزی
متین جلالی مقدم
خرداد 1395
me.mahmudi@gmail.com
matin.jalali.m@gmail.com
 

فهرست مطالب

فصل اول: استفاده از مهار در مهندسی عمران    1
1-1- مقدمه    2
1-2- تاریخچه استفاده از مهار و نیاز به آن    2
1-3- انواع مهارهای استفاده شده در مهندسی ژئوتکنیک    3
1-3-1- مهارهای ملات ریزی شده (دوغابی)    4
1-3-1-1- بخش‌های مختلف مهارهای دوغابی    6
1-3-1-2- حفاری و تزریق مهارهای دوغابی    9
1-3-1-3- مزایا و معایب مهارهای دوغابی    12
1-3-2- مهارهای مکانیکی    12
1-3-2-1- مهارهای مارپیچ    13
1-3-2-2- مهارهای صفحه‌ای    14
1-3-2-3- مهارهای جایگذاری مستقیم    16
1-3-2-4- مزایا و معایب مهارهای مکانیکی    16

فصل دوم: ویژگی‌های مهارهای مارپیچ    17
2-1- مقدمه    18
2-2- تاریخچه مهار مارپیچ    18
2-3- آیین‌نامه‌های موجود    21
2-4- مهار مارپیچ چیست؟    22
2-4-1- بخش‌های مختلف مهار مارپیچ    22
2-4-2- میله مهار    24
2-4-3- صفحه مهار    28
2-4-4- اتصالات مهار مارپیچ    32
2-4-5- لچکی‌ها (دستکها)    37
2-5- تجهیزات نصب مهارهای مارپیچ    42
2-6- دستورالعمل‌ کلی نصب    44
2-7- مزایای اعضای مارپیچ    47
2-8- معایب اعضای مارپیچ    48
2-9- مهارهای مارپیچ راه حل‌هایی برای پروژه‌های ویژه    51
2-10- اثر نصب مهار مارپیچ بر خواص خاک    51
2-11- کاربردهای اعضای مارپیچ    52
2-11-1- دوخت به پشت‌های مارپیچ    55
2-11-2- میخ‌های مارپیچ خاک    57
2-11-2-1- مقایسه میخ مارپیچ با دیوارهای دوخت به پشت مارپیچ    61
2-11-2-2- کاربردهای میخ مارپیچ خاک    62
2-11-2-3- مزایا و محدودیت‌های دیوارهای میخ مارپیچ خاک    65
2-11-3- ریزشمع‌های مارپیچ    67
2-11-3-1- مزایا و معایب ریزشمع‌های مارپیچ    67
2-11-3-2- نصب ریزشمع‌های دوخت به پایین مارپیچ    68
2-11-3-3- غلاف‌گذاری شمع    72
2-11-3-4- صفحات پیشرو و جابجایی    72
2-12- استفاده از مهارهای مارپیچ در پایدارسازی گودها، دیوارهای حائل و تعمیر آن‌ها    73
2-12-1- دیوارهای حائل    74
2-12-2- پایدارسازی گودبرداری‌ها    76
2-12-3- تعمیر دیوار    80

فصل سوم: طراحی مهارهای مارپیچ    82
3-1- مقدمه    83
3-2- نظریه طراحی مهار مارپیچ    83
3-2-1- روش ظرفیت باربری صفحه‌ منفرد    88
3-2-2- اصطکاک برش استوانه    91
3-2-3- گشتاور نصب    93
3-4- نکات طراحی مهارها و شمع‌های مارپیچ    95
3-4-1- تأثیر زاویه انحراف    96
3-4-2- مهارها در خاک‌های رسی نرم    96
3-4-3- رفتار تنش و کرنش    96
3-4-4- عمق بحرانی    97
3-4-5- شمع‌های مارپیچ    97
3-4-6- ریزشمع مارپیچ    98
3-5- نرم‌افزارهای طراحی اعضای مارپیچ    99
3-6- نمونه طراحی اعضای مارپیچ    100
3-7- مروری بر مهم‌ترین کارهای انجام شده در حوزه مهارهای مارپیچ    112

فصل چهارم: ویژگی‌های مهارهای صفحه‌ای    116
4-1- مقدمه    117
4-2- مهار صفحه‌ای چیست؟    117
4-2-1- کاربردها، نحوه اجرا و بخش‌های مختلف مهار صفحه‌ای    117
4-2-2- مهارهای صفحه‌ای قائم و افقی    118
4-2-2-1- مهار صفحه‌ای افقی و پارامترهای آن    118
4-2-2-2- مهار صفحه‌ای قائم و پارامترهای آن    119
4-3- سایر مهارهای صفحه‌ای    121
4-3-1- مهارهای صفحه‌ای دریایی    125
4-3-2- مهارهای مدفون    128
4-3-3- مهار صفحهای صلیبی(ضربدری)    131
4-3-4- مهار کلید دکل باز شونده    132
4-3-5- سیستم ژئو- قفل مهار دیوار    134
4-3-6- دیوار مهار متعدد (MAW)    135
4-4- مهارهای جایگذاری مستقیم    137
4-4-1- انواع مهارهای جایگذاری مستقیم    137
4-4-2- فرآیند نصب مهارهای جایگذاری مستقیم    138
4-4-3- روش‌های نصب    142
4-4-3-1- نصب با استفاده از ماشین‌آلات    142
4-4-3-2- نصب دستی    143
4-4-4- تجهیزات نصب    144
4-4-4-1- میله فولادی کوبش    144
4-4-4-2- ابزارهای قفل بار مهار    144
4-4-5- اجزای سازنده    145
4-4-6- انواع کاربرد مهارهای دال ماهی و سفره ماهی    145
4-4-7- مسائل مربوط به عملکرد فنی و نصب مهار    148
4-4-8- انتخاب مهار    148
4-5- مهارهای چند صفحه‌ای    150

فصل پنجم: طراحی مهارهای صفحه‌ای افقی    152
5-1- مقدمه    153
5-2- طراحی مهارهای صفحه‌ای افقی در خاک ماسه‌ای    153
5-2-1- ظرفیت بالاآمدگی خالص نهایی    153
5-2-1-1- نظریه Balla    153
5-2-1-2- رابطه تجربی Baker و Kondner    157
5-2-1-3- نظریه Mariupol’skii    157
5-2-1-4- نظریه Meyerhof و Adam    160
5-2-1-5- نظریه Veesaert و Clemence    169
5-2-1-6- نظریه Vesic    172
5-2-1-7- نظریه Saeedy    176
5-2-1-8- بررسی نظریههای مختلف    177
5-2-1-9- نظریه Merifield، Sloan و Lyamin    182
5-2-2- رابطه بار- جابجایی    196
5-2-3- مهارهای تحت بارگذاری تکرار شونده    199
5-2-4- ظرفیت بالاآمدگی گروه مهارهای سطحی    202
5-2-5- پیهای سطحی تحت نیروی بالاآمدگی    206
5-2-6- مقاومت در برابر بار مایل مهارهای صفحهای افقی    208
5-3- طراحی مهارهای صفحه‌ای افقی در خاک رسی (شرایط φ=0)    209
5-3-1- ظرفیت بالاآمدگی نهایی    209
5-3-1-1- نظریه Vesic    211
5-3-1-2- نظریه Meyerhof    213
5-3-1-3- نظریه Das    214
5-4- ضریب اطمینان    219
5-5- ظرفیت بالاآمدگی مهارها در خاک چند لایه    219
5-6- مروری بر مهم‌ترین کارهای انجام شده در حوزه مهارهای صفحه‌ای افقی    222

فصل ششم: طراحی مهارهای صفحه‌ای قائم    225
6-1- مقدمه    226
6-2- طراحی مهار صفحه‌ای قائم در خاک‌های ماسه‌ای    226
6-2-1- ظرفیت باربری نهایی نظریه Rankine    226
6-2-2- تحلیل Ovesen و  Stromann    229
6-2-3- تحلیل Meyerhof    235
6-2-4- تحلیل Biarez، Boucraut و Negre    236
6-2-5- تحلیل Neely، Stuart و Graham    237
6-2-6- تحلیل Merifield و Sloan    245
6-2-7- مهار قائم عمیق    254
6-2-8- رابطه بار- جابجایی    258
6-2-9- ملاحظات طراحی    260
6-2-10- اثر شیب مهار    267
6-3- طراحی مهار صفحه‌ای قائم در خاک‌های رسی (چسبندگی زهکشی نشده؛ φ=0)    268
6-3-1- ظرفیت باربری نهایی    268
6-3-2- دستورالعمل گام به گام برای تخمین بار نهایی    273
6-3-3- محدودیتهای مطالعه حاضر    275
6-3-4- تحلیل Merifield، Sloan و Lyamin    276
6-4- مروری بر مهم‌ترین کارهای انجام شده در حوزه مهارهای صفحه‌ای قائم    286

فصل هفتم: پس‌کشیدگی مهارها    291
7-1- مقدمه    292
7-2- پس‌کشیدگی    292
7-3- آزمایش بار    295
7-3-1- هدف از آزمایش بار    295
7-3-2- فرآیند آزمایش    296
7-3-3- انواع آزمایش بار    297
7-3-3-1- آزمایش تأیید    297
7-3-3-2- آزمایش عملكرد    298
7-3-3-3- آزمایش خزش    299
7-3-3-4- آزمایش بار نهايي    300
منابع    301