دیوار حائل چیست؟

خاک به عنوان یک محیط دانه‌ای طبیعی حاصل از فرسایش و دگرگونی سنگ‌ها قابلیت تحمل و انتقال نیروی کششی را ندارد و نیروی برشی بیشتر از تاب نهایی برشی خود را تحمل نمی‌کند و در مقابل بار تغییر شکل می‌دهد. لذا در بسیاری از شرایط در اثر اعمال نیروهای مختلف و یا بار ناشی از سازه‌ها دچار گسیختگی شده و یا نشست می‌کند. مثلا پی‌ سطحی ممکن است به روی خاکی بنا شود که تحمل باربری کافی نداشته و یا در اثر فشارهای وارده نشست‌ بیش از حد مجاز از خود نشان دهد.

همچنین به دلیل ماهیت نفوذپذیر خاک و وجود آب در طبیعت، خاک نسبت به تغییرات شرایط اقلیمی حساس است! به هر حال رطوبت همیشه سازه‌ها را با مشکل مواجه می‌کند. روش‌های مختلف بهبود ساختار و خواص مکانیکی و نیز افزایش مقاومت خاک را می‌توان در پنج دسته نامگذاری نمود که عبارتند از: فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی، بیولوژیک و الکتریکی. برای مثال فرآیندهای فیزیکی شامل قرار دادن ژئوسنتیک‌ها، تسمه‌های فلزی و پلیمری.

در فرآیند شیمیایی از تثبیت خاک با موادی چون آهک، سیمان، خاکستر، ذغال سنگ، آنزیم‌ها و پلیمرها در فرآیند مکانیکی از تراکم، تحکیم و زهکشی در فرآیند بیولوژیکی از رویاندن گیاهان و در فرآیند الکتریکی می‌توان عبور جریان الکتریسیته را نام برد. در مقالات قبلی به یکی از انواع تجهیزات تسلیح خاک یعنی شمع در ساختمان اشاره شد. در این مقاله قصد داریم در خصوص دیوار حائل صحبت نماییم.

اجاره جک ساختمانی

مزایای استفاده از خاک مسلح

به دلایل زیر استفاده از خاک مسلح به طور روزافزون افزایش یافته است:

سرعت انجام کار و راحتی حمل و نقل مصالح مورد استفاده در نما و تسلیح
انعطاف پذیر بودن سازه های خاک مسلح
شکل پذیر بودن مصالح مورد استفاده
قابلیت کاربرد تسلیح کننده‌ها در شیب‌های مختلف و شرایط خاک متغیر
صرفه اقتصادی و هزینه کمتر در مقایسه با روش‌های مشابه و سنتی

اجاره جک و قالب بتن

معرفی دیوار حائل

دیوار حائل دیواری است که فشار ناشی از اختلاف تراز به وجود آمده به واسطه خاکریزی، خاکبرداری یا سایر عوامل طبیعی را تحمل کرده و به صورت پایدار حفظ نماید. دیوارهای حائل از جمله ابنیه‌های فنی هستند که به وفور در شبکه‌های حمل و نقل جاده‌ای و ریلی کاربرد دارند.

اجاره قالب بتن

معرفی خاک مسلح

خاک مسلح را می‌توان نتیجه مشارکت دو ماده با مدول‌های الاستیسیته متفاوت دانست که اساس کار آن اصطکاک و اندرکنش خاک با المان‌های مسلح کننده است. ایجاد و توسعه مفهوم خاک مسلح به شیوه امروزی در ابتدا از دهه ۶۰ میلادی مطرح شد و از سال ۱۹۶۸ که اولین پروژه مهم خاک مسلح ساخته شد این روش کاربردهای فراوانی پیدا کرد. موارد زیر دامنه کاربرد خاک مسلح را نشان می‌دهد:

دیوارهای حائل برای راه‌های مخصوص که نیاز به ساخت سریع و ارزان دارند.
انواع دیوارها شامل دیوارهای پلکانی برای پروژه بزرگراه‌ها
دیوارهای نگهبان و سازه نگهبان برای جاده‌های کوهستانی که دارای پی ضعیف یا شیب ناپایدار هستند.
دیوارهای طرفین پل‌ها
استفاده از خاک مسلح در ریل‌های راه آهن که مقاومت خوبی در برابر حرکت دینامیکی دارد.
استفاده از خاک مسلح در زیر دال پی‌ها برای محافظت پی در برابر نشست

انواع دیوار حائل

دیوارهای حائل براساس عملکرد سازه‌ای به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:

الف) دیوارهای حائل صلب: دیوارهایی که از نظر نشست با محیط هماهنگ نیستند که شامل دیوارهای زیر هستند:

دیوارهای حائل وزنی (بنایی و بتنی)
دیوارهای حائل غیر وزنی (طره‌ای و پشت بنددار)
دیوارهای حائل عمیق (سپرهای بتنی)

ب) دیوارهای حائل انعطاف پذیر: این دیوارها از نظر نشست با محیط هماهنگ هستند و شامل دیوارهای زیر هستند:

دیوارهای خاک مسلح با شبکه های پلیمری (ژئوتکستایل و ژئوگرید)
دیوارهای خاک مسلح با تسمه های فولادی
دیوارهای قفسه ای
سپرهای فولادی
دیوارهای حائل توری سنگی

تسلیح خاک

خاک مسلح یک روش ساختمانی در مهندسی مکانیک خاک است که شامل یک توده خاک اصطکاکی است که به صورت حجمی پایدار و با شکلی از پیش تعیین شده ساخته می‌شود. چسبندگی ایجاد شده در توده خاک مسلح ناشی از اثرات اصطکاک بین ذرات خاک و همچنین مابین ذرات خاک و سطح مسلح کننده‌ها است.

تثبیت شیمیایی خاک

منظور از تثبیت شیمیایی، افزودن موادی به خاک برای اصلاح ویژگی‌های مورد نظر است. در اثر فعل و انفعالات شیمیایی مواد افزودنی با خاک، خواص خاک از جمله چسبندگی، جذب آب، تورم و … تحت تاثیر قرار می‌گیرد. از موادی که برای تثبیت خاک استفاده شدند می‌توان به آهک، سیمان و قیر اشاره کرد. در روش‌های نوین استفاده از مواد پلیمری رواج پیدا کرد.

بعضی از مواد پلیمری به علت چسبناکی قابل توجه، مورد استفاده قرار گرفتند. این مواد با چسبندگی زیاد باعث چسبیده شدن ذرات خاک به یکدیگر شده و به این ترتیب مقاومت خاک در برابر نیروهای فرسایشی و گسیختگی افزایش می‌یابد. در ادامه به معرفی روش‌های سنتی تثبیت با استفاده از قیر، آهک و سیمان پرداخته می‌شود.

تثبیت با سیمان

مکانیزم تثبیت خاک با سیمان شبیه مکانیزم تثبیت خاک با آهک است با این تفاوت که در تثبیت خاک با آهک بخشی از مواد پوزولانی برای فعل و انفعالات شیمیایی از طریق خاک تامین می‌شود. در فرآیند تثبیت با سیمان، مواد پوزولانی در سیمان موجود هستند. با افزودن سیمان به خاک، واکنش‌های مختلفی صورت می‌گیرد. در این واکنش‌ها با تجمع ذرات خاک در کنار یکدیگر به نوعی دانه‌بندی آن تغییر می‌کند و مقاومت آن افزایش می‌یابد. افزودن سیمان به خاک سبب افزایش سختی و بهبود خصوصیات مهندسی آن می‌شود. بهبود خصوصیات مهندسی خاک‌های تثبیت شده با سیمان اساسا به علت سخت شدن سیمان در نتیجه هیدراسیون سیمان و تشکیل مواد سیمانی اضافی بین سیمان هیدراته شده و ذرات رس موجود در خاک است.

تثبیت سنتی خاک با قیر

قیر در موارد مختلفی از پروژه‌های عمرانی به کار می‌رود که می‌توان به اندود نمودن و غیر قابل نفوذ کردن کانال‌های آبرو، اندود کردن مصالح سنگی و چسباندن آن‌ها به یکدیگر، پوشش بام‌ها و تثبیت شن‌های روان اشاره کرد. قیر یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی و راهسازی است زیرا هم در برابر آب غیر قابل نفوذ است و هم چسبنده است.

قیر در مقایسه با آهک و سیمان در تثبیت خاک عملکرد متفاوتی دارد زیرا در فرآیند تثبیت خاک با سیمان و آهک، افزایش مقاومت خاک نتیجه واکنش شیمیایی و پوزولانی است. در صورتی که در فرآیند تثبیت با قیر تغییری در خواص خمیری خاک انجام نمی‌شود بلکه به علت داشتن خواص چسبندگی فقط باعث اتصال دانه‌ها و ذرات خاک قیر اندود شده با یکدیگر می‌شود.

به همین علت هرچه تراکم مخلوط خاک و قیر بیشتر باشد مقاومت و پایداری آن هم بیشتر خواهد شد. در مناطقی که در معرض وجود فرآورده‌های نفتی مانند بنزین، نفت، گازوئیل و روغن قرار دارند، استفاده از قیر برای تثبیت خاک توصیه نمی‌شود. در صورتی که در این مناطق تثبیت با قیر همچنان مورد نظر باشد، باید با اجرای یک لایه غیر حساس در برابر فرآورده‌های نفتی از سطح خاک تثبیت شده با قیر محافظت شود.

تثبیت خاک با آهک

میزان خلوص آهک می‌تواند متفاوت باشد؛ افزودن این ماده به خاک، خاصیت خمیری خاک را کمتر می‌کند. بنابراین وقتی مصالح شنی از نظر دانه‌بندی برای لایه‌های اساس و زیر اساس مناسب باشند، ولی به علت حد روانی و دامنه خمیری زیاد نتوان از آنها استفاده کرد از آهک برای کاستن خاصیت خمیری مصالح استفاده می‌شود. متداول‌ترین مواد آهکی مورد استفاده در تثبیت شامل آهک شکفته، آهک شکفته دولومیتی، آهک زنده و آهک زنده دولومیتی است.

از آنجایی که آهک شکفته از مخلوط آب با آهک زنده به دست آمده است، خاصیت جذب رطوبت کمتری نسبت به آهک زنده دارد و به همین دلیل کار کردن با آن ساده‌تر بوده و به راحتی انبار و نگهداری می‌شود. به طور کلی آهک زنده ماده تثبیت کننده موثرتری نسبت به آهک شکفته است و اگر به صورت دوغاب به خاک اضافه شود مقاومت بیشتری را نسبت به هنگامی که به صورت پودر اضافه می‌شود ایجاد می‌کند.

دیوار حائل

استفاده از مواد شیمیایی جدید برای تثبیت خاک

امروزه از مواد شیمیایی جدیدی برای تثبیت و تسلیح خاک استفاده می‌شود. این مواد شیمیایی جدید شامل آنزیم‌ها و انواع پلیمرها هستند. مهمترین دلیلی که از مواد شیمیایی جدید برای تثبیت خاک استفاده می‌شود، جلوگیری از فرسایش خاک است. فرسایش و مشکلات خاک ناشی از وجود ذرات ریز در خاک است. همچنین ساختار خاک می‌تواند عامل موثری بر نفوذپذیری، تخلخل و ظرفیت باربری باشد.

اگر ساختار خاک سست باشد، مشکلاتی را در پروژه‌های ژئوتکنیکی و راهسازی ایجاد می‌کند به همین علت استفاده از پلیمرها در راستای تثبیت خاک، مورد توجه قرار گرفته است. مناسب نبودن کیفیت خاک در محل و هزینه‌های حمل و نقل خاک مناسب به محل مورد نظر، دلیل دیگری برای استفاده از مواد شیمیایی نوین برای بهبود وضعیت خاک است.

برخی از مسائل زیست محیطی استفاده از مواد شیمیایی برای تثبیت خاک را افزایش داده است؛ غبار و ذرات خاک وارد هوا شده و موجب به خطر انداختن سلامت و بهداشت انسان می‌شود. همچنین وجود این ذرات خاک در هوا هنگام وزش باد باعث کاهش دید رانندگان می‌شود. استفاده از این پلیمرها و مواد شیمیایی باعث چسباندن ذرات خاک به یکدیگر شده و بدین ترتیب مقاومت خاک افزایش می‌یابد.

مکانیزم رفتار خاک مسلح

اگر سازه‌ای روی خاک غیر مسلح بنا شده باشد و دیوار قائم داشته باشد، احتمال فروریزی آن زیاد است. در این حالت تنش‌های اضافی در خاک و وجود فشار جانبی خاک موجب ناپایداری شده است. در صورتی که از تسلیح کننده استفاده شود، مقداری از تنش‌های اضافی ایجاد شده در خاک در جهت تسلیح بسیج شده و باعث افزایش مقاومت برشی خاک و پایداری آن می‌گردد.

در صورتی که همبستگی کافی بین تسلیح و خاک اطراف آن وجود داشته باشد این تنش‌های اضافی ارتباط نزدیکی به تنش‌های کششی ایجاد شده در تسلیح دارند. نکات گفته شده بیان کننده این اصل کلی است که ماده مرکب شامل خاک و تسلیح فقط وقتی می‌تواند به عنوان خاک مسلح رفتار نماید که بارگذاری این ماده باعث ایجاد تنش‌های کششی در تسلیح و تنش‌های اضافی در خاک گردد.

انواع دیوارهای حائل

این موضوع کاملا قابل درک است که طراحی و ساخت و ساز دیوارهای حائل تاثیر اساسی در گسترش مهندسی ژئوتکنیک داشته است. دیوارهای حائل (به همراه سدهای خاکی) به عنوان اولین سازه‌های خاکی مهم و بحرانی در نظر گرفته می‌شوند. علاوه بر این انواع دیوارهای حائل، روش‌های طراحی و ساخت و ساز آنها از جمله مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک است.

با گذشت زمان، دیوارهای حائل وزنی جای خود را به انواع دیوارهای بتن مسلح دادند که به عنوان دیوارهای تقویتی به شمار می‌روند. پس از آن دیوارهای حائل از نوع تیر و صندوقه‌ای به کار گرفته شدند. تغییر اساسی در سال ۱۹۶۰ با ظهور توده خاک مسلح رخ داد. تسلیح ابتدا با استفاده از تسمه آهنی بود و بعد از آن به وسیله شبکه‌های سیم جوش جایگزین شده است.

رویه‌های دیوار تنوع بسیاری دارند. در دهه ۱۹۸۰ تکنولوژی خاک تثبیت شده مکانیکی MSE با استفاده از صفحات ژئوگرید، ژئوتکستایل و تسمه‌های پلیمری رواج گسترده‌ای یافتند. با این حال، در حال حاضر ۴ دسته دیوار حائل با زیر شاخه‌های مربوطه وجود دارند. این دیوارها را می‌توان به شرح زیر تقسیم بندی کرد:

الف) دیوارهای مکانیکی وزنی یا صلب

بتنی طره‌ای
بتنی طره‌ای با تقویت کننده
شمع‌های استوانه‌ای

ب) دیوارهای وزنی پیش ساخته

صندوقه‌های فلزی
دارای صندوقه‌های بتنی پیش ساخته
گابیونی

ج) دیوارهای حائل مسلح به تسلیح کننده‌های فلزی

دارای رویه با پانل‌های پیش ساخته بتنی
دارای رویه با قطعات درجاریز
دیوارهای حائل قطعه‌ای با نمای بلوکی

د) دیوارهای حائل مسلح به تسلیح کننده‌های ژئوسنتیکی

دارای رویه با پانل‌های پیش ساخته بتنی
دارای رویه با قطعات درجاریز
دیوارهای حائل قطعه‌ای با نمای بلوکی

دیوارهای خاک مسلح

دیوارهای خاک مسلح از لحاظ فنی و هزینه‌ای مزایایی را نسبت به سازه‌های حائل بتن مسلح در مناطقی با شرایط شالوده ضعیف دارند؛ در چنین شرایطی حذف برخی از هزینه‌ها (برای بهبود شالوده‌ها از قبیل به کارگیری شمع‌ها) حدود ۵۰ درصد از مخارج پروژه را کاهش می‌دهد. مزایای دیوارهای خاک مسلح نسبت به دیوارهای وزنی عبارتند از:

روند ساده و سریع ساخت و ساز و عدم نیاز به تجهیزات بزرگ و پیچیده
عدم نیاز به کارگران ماهر با مهارت‌های خاص در ساخت دیوار
در ساخت این دیوارها به اندازه سیستم‌های قبلی نیاز به آماده‌سازی ناحیه مورد ساخت وجود ندارد
نیاز به فضای کم در مقابل سازه مورد نظر به منظور عملیات ساخت
در این سیستم‌ها نیاز به شالوده صلب و تسلیم ناپذیر نیست، زیرا این سازه‌ها قابلیت تحمل تغییر شکل را دارند.
مقرون به صرفه هستند
از لحاظ فنی ساخت این دیوارها تا ارتفاع بیشتر از ۲۵ متر امکان پذیر نیست
اگر ارتفاع دیوارهای خاک مسلح، بیشتر از ۳ متر باشد و یا اینکه نیازمند شالوده‌های خاص باشد، نسبت به دیوارهای حائل وزنی به صرفه‌تر هستند. یکی از بزرگترین مزایای دیوارهای خاک مسلح، انعطاف‌پذیری این دیوارها و توانایی آنها برای جذب تغییر شکل‌ها به علت شرایط ضعیف خاک شالوده‌ها است. این سازه‌ها در مقابل بارگذاری زلزله نسبت به سازه‌های بتنی صلب‌دار مقاومت بیشتری دارند. اما سازه‌های خاک مسلح معایبی نیز دارند که عبارتند از:

در این سیستم فضای نسبتا بزرگی پشت دیوار برای دستیابی به پایداری داخلی و خارجی مورد نیاز است.
دیوارهای خاک مسلح نیاز به خاکریزهای دانه‌ای دارند (در مناطقی که کمبود خاک‌های دانه ای وجود دارد، هزینه حمل مصالح خاکریز مناسب ممکن است که انجام پروژه را غیر اقتصادی جلوه دهد). البته با توسعه عناصر و تسلیح کننده‌های جدید مانند ژئوگرید و ژئوکامپوزیت این مشکل تا حد زیادی مرتفع گردیده است.
در این سیستم‌ها معیار طراحی مناسب برای منظور نمودن خوردگی مسلح کننده‌های فولادی و تخریب ژئوسنتیک‌ها در معرض اشعه ماوراء بنفش مورد نیاز است.
از آنجایی که روش‌های طراحی و ساخت تمام سازه‌های خاک مسلح هنوز در حال پیشرفت است، تمامی آیین نامه‌های موجود در این زمینه هنوز به طور کامل استاندارد نیستند.

دلایل عملکرد ضعیف دیوارهای ساخته شده

براساس تخمین‌های انجام شده مشخص شده است که بیش از ۲۵۰۰۰ دیوار خاک مسلح در ایالت متحده و بیش از ۳۵۰۰۰ دیوار خاک مسلح در سراسر جهان وجود دارد. از کل این تعداد حداقل نصف این دیوارها با ژئوسنتتیک مسلح شده‌اند. استفاده از این سیستم‌ها تا زمانی رضایت‌بخش خواهد بود که توجه ویژه‌ای بر روی عملکرد این دیوارها صورت پذیرد. در این سیستم دو مشکل عمده در ارتباط با خدمت پذیری دیوار ( تغییر شکل‌های زیاد) و گسیختگی دیوار (فروریختگی) مشاهده شده است. با این که تعداد دیوارهایی که مشکلات فوق را دارند بسیار کم است اما می‌توان با شناسایی عوامل به وجود آورنده این مشکلات از عملکرد ضعیف این دیوارها جلوگیری کرد.