(۱-۵)
شکل (۱-۷-b) پروفیل تنش قائم در بالای تونل و در عمق زیاد نشان می­دهد. اثرات آرچینگ فقط در فاصله­ی از بام تونل موجود می­باشد (شکل (۱-۷)). هیچ اثر آرچینگی در خارج از این محدوده اتفاق نمی­افتد، یعنی هیچ مقاومت برشی در رخ نمی­دهد.
شکل ۱-۵: (a) جریان خاک به سمت تونل کم­عمق زمانی که تسلیم در توده خاک رخ می­دهد. قوس سطح لغزش واقعی، خط سطح لغزش فرض شده، (b) پروفایل تنش قائم در خاک موجود در بالای تونل (ترزاقی ۱۹۴۳)
شکل ۱-۶: تسلیم شدن در خاک به دلیل حرکت رو به پایین در پایه (ab)، منحنی ac و bd: سطح لغزش واقعی، خط ac و bf: سطح لغزش فرض شده (ترزاقی ۱۹۴۳)
شکل ۱-۷: (a) ناحیه تسلیم در خاک زمانی که تونل در عمق بزرگی قرار می­گیرد، (b) پروفایل تنش قائم در خاک موجود در بالای تونل (ترزاقی ۱۹۴۳)
۱-۱-۴- شمع­های ردیفی
گاهی برای احداث ابنیه­ی نگهبان خاک، شمع­های متصل به هم در یک ردیف مثل یک دیوار اجرا می­ شود. 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.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۱-۸: شمع­های ردیفی
شکل ۱-۹: شمع­های مماس به هم
به‌عنوان بخششی از ساخت‌وساز در قسمت جدید راه­آهن بین کلن و فرانکفورد، شرکت راه­آهن آلمان مطابق شکل (۱-۱۰)، حفاری به عمق ۱۶ متر در طولی حدود ۳۲۰۰ متر را با بهره گرفتن 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 شده ­اند، 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 (۱-۱۱) نشان داده شده است، فرض می­ شود. با این حال، پیشنهادات دیگری نیز ارائه شده است.
شکل ۱-۱۰: نمایی از شمع دیوارها
شکل ۱-۱۱: (a) توزیع یکنواخت فشار محرک زمین، که به‌طور پیوسته به دیوار اعمال می­ شود. (b) توزیع مثلثی می­باشد که گاهی اوقات به شمع سرباز دیوارها وارد می­ شود.
۱-۱-۵- دیوار حائل
دیوار حائل، دیواری است که تکیه‌گاه جانبی برای جداره­های قائم و یا نزدیک به قائم خاک را به وجود می ­آورد. از دیوار حائل در بسیاری از پروژه­ های ساختمانی نظیر راه‌سازی، پل‌سازی، محوطه‌سازی، ساختمان‌سازی و به‌طورکلی هر جا که احتیاج به تکیه‌گاه جانبی برای جدار قائم خاک‌برداری باشد، استفاده می­ شود (براجا ام داس، ۲۰۰۱). برحسب مصالح و هندسه مورد استفاده، دیوار حائل دارای انواع زیر است:
۱- دیوار حائل وزنی^[۱۲]: 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 محدوده­ ارتفاع­های ۴ تا ۵ متر می­باشد، لیکن استفاده از آن‌ها در دیوار­های بلند هم مشاهده می­ شود.
شکل ۱-۱۲: الف) دیوار حائل وزنی، ب) دیوار حائل نیمه وزنی (براجا ام داس، ۲۰۰۳)
۲- دیوار حائل نیمه وزنی^[۱۳]: گاهی مواقع با بهره گرفتن از مقدار محدودی میلگرد، از عرض دیوار حائل وزنی مقداری کاسته می­ شود. این میلگرد­ها در خمش با مصالح بنایی مشارکت می­ کنند.
شکل ۱-۱۳: دیوار حائل طره­ای (براجا ام داس، ۲۰۰۳)
۳- دیوار حائل طره­ای^[۱۴]: این دیوار­های حائل از بتن مسلح ساخته می­ شود و متشکل از دیوار تیغه و دال پایه می­باشند. حداکثر ارتفاع اقتصادی این دیوار­ها ۶ تا ۸ متر است.
۴- دیوار حائل پشت‌بنددار^[۱۵]: 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 می­ شود.
شکل ۱-۱۴: دیوار حائل پشت‌بنددار (براجا ام داس، ۲۰۰۳)
معمولاً وقتی ارتفاع دیوار زیاد می‌شود، دیوار حائل بتن مسلح به‌تنهایی پاسخگوی پایداری نمی ­باشد، 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 می ­آورد (براجا ام داس، ۲۰۰۱).
در طراحی دیوار حائل دو مرحله وجود دارد. ابتدا با معلوم بودن فشار جانبی، پایداری کل سازه کنترل می­ شود. 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 می­ شود.
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 ۱-۱۵: اندرکنش خاک و سازه هنگام زلزله (سپهر، ۱۳۹۰)
بر همین اساس فشار جانبی خاک روی دیوار­های حائل از بحث­های کلاسیک و مهم در مهندسی ژئوتکنیک است. در ساختمان نیز، برای سازه ­هایی که دارای طبقات زیرزمین می­باشند، فشار وارد بر دیوار زیرزمین از طرف خاک مخصوصاً در هنگام زلزله امری غیرقابل‌انکار می­باشد (شکل ۱-۱۵). این امر در پل­ها، راه ­ها، 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 (۱-۱۵) نشان داده شده است.
کاربرد زیاد سازه­های حائل موجب شد که نظریه فشار جانبی خاک جزء اولین گروه از نظریه­ های ارائه شده در مکانیک خاک کلاسیک باشد. تئوری­های فشار جانبی خاک کولمب^[۱۶] و رانکین^[۱۷] جهت تعیین فشار جانبی خاک در دو حالت محرک^[۱۸] و مقاوم^[۱۹]، ضرایبی را به‌عنوان ضرایب رانش محرک و مقاوم خاک پیشنهاد می­ کنند که درواقع نسبت تنش­های افقی به قائم در پشت دیوار بوده و به توزیع نیروی رانش در ارتفاع منجر می­ شود (یزدانی و آزاد، ۱۳۸۶). 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.
۲-۱- بیان مسئله
ابتدا تئوری پدیده قوسی در علم مکانیک خاک توسط ترزاقی بیان شد و سپس دانشمندان دیگر ازجمله پک و ایوانس به مطالعه­ 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:
۱- سطح گسیختگی خاک در هنگام جابجایی دریچه به چه شکل می­باشد؟
۲- آیا مقاومت قوسی در خاک پشت دریچه رخ می­دهد؟
۳- آیا میزان تنش با عرض دریچه رابطه دارد؟
۴- نسبت توزیع تنش در پشت دریچه چگونه است؟
۳-۱- اهداف تحقیق
۳-۱-۱- اهداف کلی
بررسی آزمایشگاهی و عددی مقاومت قوسی خاک
۳-۱-۲- اهداف جزئی
۱- به دست آوردن سطح گسیختگی واقعی به هنگام جابجایی دریچه.
۲- اثبات وقوع مقاومت قوسی در خاک تحت جابجایی افقی دریچه
۳- بررسی رابطه عرض دریچه و توزیع تنش در پشت دریچه
۴- بررسی نسبت تنش در پشت دریچه
فصل دوم:
تئوری­های مربوط به فشار جانبی خاک روی دیوار­های حائل
۲-۱- مقدمه
طی سال­های متمادی تحلیل­های گوناگونی روی تعادل مصالح دانه­ای پشت دیوار حائل صورت گرفته است. اولین تحلیل­ها را کولمب (۱۷۷۶) و رانکین (۱۸۵۷) انجام دادند و سپس کار­های آن‌ها را دانشمندان دیگری ازجمله بوسینسک و کریزل ادامه دادند. بر اساس تئوری کولمب، مکانیزم گسیختگی^[۲۰] خاک پشت دیوار به‌صورت تشکیل گوه­ای^[۲۱] 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 می­ کند. با مطالعه روی تعادل این گوه گسیختگی و محاسبه عکس‌العمل‌های بسیج شده^[۲۲]، حداکثر نیروی رانش اعمال‌شده به دیوار به دست می ­آید.
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 ۱۸۵۶ 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 (۲-۱) می­باشد.
(۲-۱)