دیوار حائل از طراحی تا اجرا

سازه نگهبان یا دیوار حایل (به انگلیسی Retaining wall) دیواری است که بتواند به صورت یک سازهٔ نگه دارنده و تکیه گاهی برای پایداری سازهٔ دیگر، یا جلوگیری از ریزش، و مهار خاک‌های تپه‌ها یا دیگر عوارض طبیعی مشرف به جاده‌ها یا ساحلی نزدیک به دریاها و دامنه‌های غیرطبیعی و به‌طور کلی هر جا که احتیاج به تکیه گاه جانبی باشد استفاده شود. وجود خاک محدود بین دو ارتفاع مختلف و نیز در جاهایی که چشم‌انداز نیاز شدیدی به شکل‌گیری دارد، یا برای هدف ویژه‌ای مانند کشاورزی در دامنهٔ کوه‌ها و تپه‌ها از دیوار یا دیواره‌های حائل استفاده می‌شود. دیوار حائل می‌تواند بصورت‌های وزنی، طره‌ای، پشت‌بنددار طراحی شود.

ساختار دیوارهای حائل به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مقاومت خاک را در برابر فشار جانبی که در اثر شیب‌های غیرطبیعی پدید می‌آید افزایش دهند. از این دیوارها در شرایطی که ایجاد شیب‌های مورد نظر بیش از زاویه نشست خاک آن منطقه اختلاف سطح ایجاد کند استفاده می‌شود.

مهمترین عامل در طرح و محاسبهٔ این گونه دیوارها شناسایی و برآورد نیروی فشار جانبی خاک بر آن‌ها است. کنترل پایداری در برابر واژگونی و لغزش و ظرفیت باربری مجازخاک زیر پی دیوار به شناخت دقیق این نیرو و محل نقطه اثر آن بستگی دارد پس از آن می‌توان با استفاده از آیین‌نامه‌های معتبر به محاسبات ضخامت و میلگردهای توزیعی و اصلی دیوار اقدام نمود.

 ۱- دیوار حائل وزنی: آن دیوار از بتن معمولی یا ا ز مصالح بنایی ساخته می شود و پایداری آن در برابر واژگونی و لغزش توسط وزن آن تامین می گردد. این نوع دیوار معمولا تا ارتفاع ۴ ــ ۵ متر اقتصادی می باشد.

۲ – دیوار حائل طره ای: این دیوار از نوع دیوار بتن مسلح می باشد که پایداری آن توسط عملکرد طره ای تامین می گردد  بخشی از پایداری این دیوار نیز از وزن خاک موجود بر روی پاشنه دیوار تامین می گردد . این دیوارها تا ارتفاع ۷ متر اقتصادی می باشند .۳ – دیوار حائل پشت بند دار: این دیوار شبیه دیوار طره ای است با این تفاوت که در فواصل منظم دارای پشت بند ها یی عمود بر تیغه دیوار می باشد . این پشت بند ها پایه و بدنه دیوار را به هم متصل می نمایند و در مواردی که دیوار طویل و یا ارتفاع آن زیاد است مورد استفاده قرار می گیرند. پشت بند ها باعث کاهش لنگر خمشی و برش در دیوار می گردد. در صورتی که تیغه های تقویتی در جلو دیوار اجرا شوند به آن دیوار پایه دار گویند .

۴ – دیوار حائل صندوقه ای: این دیوار از قطعات بتن پیش ساخته، فلز یا چوب ساخته می شوند و توسط مهارهائی که در خاک کوبیده می شوند تقویت می گردند.

۵ – دیوار حائل نیمه وزنی: این دیوار تقریبا وضعیتی ما بین دیوار وزنی و طره ای دارد و به منظور کاهش ابعاد و مصالح دیوار مقدار اندکی فولاد در آن بکار برده می شود.

۶ – دیوار پایه پل ها: این دیوار ها اغلب دیوارهای حائلی هستند که همرا با دیوار های جناحی خاکریز دسترسی را نگهداری نموده و حفاظت لازم در برابر فرسایش و تخریب پایه پل را فراهم می آورند. این دیوارها از دو جنبه اساسی از دیگر دیوار های حائل متمایز می گردند:

الف ) عکس العملهای انتهائی دهانه پل را حمل می نمایند.

ب ) چون در بالا مهار می شوند لذا بعید است که فشار محرک در خاک پشت آنها بسط یابد.

همچنین دیواره زیر زمین ساختمانها از جمله ساختمانهای مسکونی دیوا رهای حائلی هستند که وظیفه آنها نگهداری خاک خارج از زیر زمین می باشد.

مراحل طراحی دیوار حائل

حداقل مراحل لازم برای طراحی دیوار حائل عبارت است از:

۱- انتخاب نوع و ابعاد دیوار: اینکار بر اساس ارتفاع و طول خاکریز ، مصالح در دسترس، و ملاحظات اقتصادی صورت می گیرد.

۲- تعیین بارهای وارد بر دیوار: اینکار بر اساس روش ها و نظریه ها ی ارائه شده در بخشهای قبل صورت می گیرد.

۳- کنترل پایداری کلی سازه دیوار حائل: این مرحله شامل کنترل پایداری در برابر واژگونی، کنترل پایداری در برابر لغزش، وارسی ظرفیت باربری نشستهای شالوده دیوار می باشد. گاهی بر حسب شرایط خاک لایه های زیرین لازمست وقوع لغزشهای عمیق بر ا ساس اصول پایداری شیب ها مورد بررسی قرار گیرد.

۴ – طراحی سازه ای اجزا مختلف دیوار در برابر بارهای وارده (تعیین ضخامت اجزا و مقدار میله گرد ها)، تعیین موقعیت زهکش ها، درزهای اجرائی و ا نبساطی.

ابعاد پیش فرض برای انواع دیوار های حائل

برای طراحی دیوار حائل می بایست ابعاد اولیه ای در نظر گرفته شود. با انجام کنترل های پایداری، این ابعاد آنقدر تغییرمی یابند تا ضرائب ایمنی لازم فراهم گردد.

عمق شالوده دیوار حداقل ۰.۶ متر و ابعاد پایه می بایست به اندازه ای باشد که برآیند نیرو های قائم در محدوده میانی شالوده قرار گیرد. برای دیوار های پشت بند دار نیز ابعاد عمومی دیوار و پایه  به استثنای ضخامتها، مشابه دیوار حائل طره ای است. حد اقل ضخامت تیغه پشت بند ۰.۲ متر و فواصل تیغه ها بین H 0.3 تا H 0.6 انتخاب می گردد .

نظریه های فشار خاک در مسائل دیوار حائل

هر دو روش رانکین و کولمب بطور وسیعی در محاسبه فشار جانبی وارد بر دیوارهای حائل مورد استفاده قرار می گیرند. غالبا روش رانکین بکار برده می شود. زیرا معادلات رانکین ساده بوده و قدری محتاطانه ترازمعادلات کولمب می باشند یعنی فشار جانبی بزرگتری بدست می دهند. معمولا برای طراحی دیوار های با ارتفاع کمتر از ۷ متر از فشار محرک رانکین استفاده می شود. 

برای دیوارهای با ارتفاع بیش از ۷ متر اقتصادی تر است که از روش کولمب استفاده شود.

در برخی از کتب طراحی مقادیری در حدود ۵ تا KN/m 8 برای وزن واحد سیال معادل ارائه شده است و هنگامیکه از چنین مقادیری استفاده شود طراحی حاصله با روش سیال معادل موسوم است. این روش بطور کلی توصیه نمی گردد در بکارگیری هر یک از روشهای رانکین یا کولمب هیچ بخشی از دیوار نمی بایست با سطح لغزش تقریبی تلاقی داشته باشد.

فشارهای وارد بر دیوار بواسطه تراکم معمولا نیروی بر آیندی در نقطه میانی ارتفاع دیوار ایجاد می نمایند (بر خلاف نقطه یک سوم ارتفاع در فشار محرک). این مسئله توسط باولز مورد بحث قرار گرفته و پیشنهاد شده است که در این حالت می توان یک ضریب فشار جانبی بین ضریب فشار سکون و ضریب فشار محرک بکار برد ka ≤ k ≤ ko و برآیند را یا در نقطه ۱/۳ ویا آنرا در موقعیت بالاتــــــــــری( H 0.5 ــ ۰.۴ ) در امتداد دبوار قرار داد .

هنگامیکــه سطح پس خاکریــز نا منظــم است می تــوان خـروجــی ناحیه گسیختگــی رانکیــن را برآورد نمود و سطح نامنظم در ناحیه گسیختگی را به یکی از دو صورت شیب بهتـــرین برازش یا سربار یکنواخت در نظر گرفت و از معادلات رانکیــن یا کولمب برای محاسبه فشـــار جانبی استفاده نمــود. همچنیـــن می توان از روش گوه امتحان به عنــــوان گزینه ای دیگر استفاده نمـــود ، بخصوص اگــر تخمیــن بهتری از موقعیت خط گسیختگی مورد نظر باشد و باید دقت کرد که موقعیت گوه گسیختگی برای تعیین فشار جانبی محاسبات خاص خود را دارد و نحوه قرار گیری آن در محاسبات پایداری تاثیر گذار است ومحاسبین باید این نکته را مد نظر داشته باشند چرا که اگر محاسبه بر اساس موقعیت نادرست آن انجام گیرد با توجه به حساس بودن سازه ای دیوار حائل خسارت آن جبران ناپذیر است.

دیوار حائل

کنترل پایداری دیوار

برای طراحی دیوارهای حائل انجام کنترل های زیر ضروری می باشد: 

۱- کنترل پایداری در برابر واژگونی حول پنجه دیوار

۲- کنترل پایداری در لغزش در امتداد پایه

۳- کنترل ظرفیت باربری پایه

۴- کنترل نشستها

عوامل مؤثر در انتخاب نوع دیوارحائل

انتخاب دیوارحائل مناسب، مستلزم تعیین روندی معقول و تدوین خط مشی مشخصاست. بدیهی است تصمیم نهایی در انتخاب نوع معینی از دیوارهای حایل نیاز به بررسی‌های اقتصادی، فنی، امکان اجرا، اجتماعی و … دارد. می‌توان در این زمینه موارد زیر را مد نظر قرار داشت.

  • ارتفاع متوسط دیوار (با توجه به ارتفاع خاکریز، برش یا شیب)
  • مساحت دیوار
  • تغییرات امتداد دیوار در جهات افقی و قائم
  • موقعیت شیب یا برش مورد نظر ‌
  • موقعیت محل احداث دیوار نسبت به سایر سازه‌های مجاور ‌
  • نوع و بزرگی بارهای ناشی از ساختمان‌ها و سازه‌های مجاور محل احداث دیوار
  • شرایط تحت الارضی و نوع پی مورد نیاز (سطحی یا عمیق) با توجه به جنس خاک ‌
  • موقعیت سطح آب زیرزمینی، نوسانات آن، شرایط جزر و مد آب در مجاورت دیوار ‌
  • مقدار تغییر مکان قابل قبول زمین حین ساخت و دوران بهره‌برداری و اثرات جابجایی دیوار ‌بر سازه‌های مجاور
  • جنس خاکریز پشت دیوار ‌
  • چگونگی تامین مصالح مناسب برای خاکریز پشت دیوار ‌
  • موقت یا دایمی بودن دیوار
  • نوع و مقدار بارگذاری خارجی ناشی از سربارها ‌
  • وضعیت لرزه‌خیزی منطقه ‌
  • تجارب محلی بویژه در اجرا ‌
  • آیین نامه یا دستور العمل طراحی و اجرا ‌
  • نوع وسایل و ابزار موجود برای ساخت و ساز ‌
  • مقدار سرمایه گذاری موجود برای تامین هزینه‌ها
  • اهمیت پروژه ‌
  • فضای موجود برای ساخت و ساز ‌
  • مسائل اجتماعی و محیطی محل پروژه ‌
  • اداره کردن ترافیک هنگام ساخت‌
  • ظاهر و نمای دیوار‌
  • عمر مفید و مسائل نگهداری در دوران بهره‌برداری

طراحی سازه های فولادی و بتنی

مراحل اجرا دیوار حائل

۱- آماده سازی بستر شالوده دیوار حائل: خاک بستر باید کاملاً متراکم شده و قبل از بتن ریزی باید سطح آن تمیز شده باشد. بستر سنگی باید کاملاً تمیز باشد و هر گونه اصلاح لازم جهت تضمین چسبندگی بتن به سنگ در آن ایجاد شود. در برخی از بسترهای سنگی (نظیر شیل‌ها) برای جلوگیری از تخریب سنگ در اثر هوازدگی، لازم است بلافاصله بعد از سنگبرداری، یک لایه بتن به منظور محافظت سطحی سنگ روی آن اجرا نمود. این لایه باید دارای عیار سیمان کافی به منظور ایجاد چسبندگی مناسب با سنگ باشد.

۲- مشخصات مصالح بتن شامل سیمان، آب، سنگدانه (شن و ماسه)، و مواد افزودنی و پوزولان، مشخصات آرماتور مصرفی‌، کیفیت و عمل آوری بتن تازه باید منطبق بر مفاد آیین نامه بتن ایران (آبا) باشد. همچنین در طراحی دیوار حائل سیل بند و ساحلی ضوابط عمومی طراحی سازه‌های آبی باید مد نظر قرار گیرد.

۳- ابعاد دیوار حائل باید به گونه‌ای باشد که آرماتورگذاری و بتن ریزی به طور مناسبی انجام شود. آیین نامه بتن ایران (آبا) راهنمایی‌هایی برای بتن ریزی و عمل آوری و جزییات آرماتوربندی و قالب بندی و درزها ارائه کرده است. ضخامت شالوده و ضخامت بالای دیوار در دیوارهای طره‌ای با ارتفاعی بیشتر از ۲/۴ متر برای سهولت در بتن ریزی، نباید کمتر از ۳۰ سانتی متر باشد. ضخامت تیغه در دیوارهای کوتاهتر از ۲/۴ متر و با یک لایه آرماتورگذاری قائم را می‌توان تا ۲۰ سانتی متر در نظر گرفت. مقطع دیوار باید با توجه به سهولت و استفاده مجدد از قالب‌ها طرح شود. هر گونه محدودیت‌های اجرایی ناشی از جانمایی باید در طراحی در نظر گرفته شود.

۴- به منظور جلوگیری از وقوع ترک‌های حرارتی ناخواسته، لازم است دیوار حائل، به کمک درزهایی به قطعات طولی کوچکتر تقسیم شوند. محل تمامی درزهای قائم و افقی باید در نقشه‌ها نشان داده شود.

۵- درزهای انبساطی، برای کنترل آثار زیانبار ناشی از تغییر طول‌های حرارتی فصلی، نشست‌های تکیه گاهی، ارتعاشات طولی ناشی از زلزله، در دیوار حائل تعبیه می‌شوند. معمولاً درزهای انبساطی برای جلوگیری از خرد شدگی و ترک خوردگی و گاهی اوقات برای قطع یکسرگی مورد نیاز هستند. در دیوارهای نسبتاً نازک، درزها در نواحی که انبساط یا نشست‌های نامساوی در آنجا قابل انتظار است، تعبیه می‌شوند. تعبیه درزهای انبساط در نقاط تغییر در امتداد دیوار، تغییرات ناگهانی در مقطع، تغییرات ناگهانی در جنس خاک پی، و در فواصل منظم در طول‌های مستقیم لازم است.

در درز انبساط بین دو لبه دیوار فاصله مناسب منظور شده و آرماتورهای طولی در محل درزها قطع می‌شوند و از آن عبور نمی‌کنند. برای جلوگیری از حرکت‌های خارج از صفحه، می‌توان میلگردهایی به صورت زبانه در محل درز انبساط تعبیه نمود، مشروط بر اینکه با بتن مجاور چسبندگی نداشته باشند. (آرماتورهای برشی).

۶-مواد پرکننده درز، ضخامت مصالح پرکننده برای تحمل تغییر شکل‌های ناشی از انقباض اولیه و انبساط‌های بعدی در اثر حداکثر تغییرات دما انتخاب می‌شود. برای این موضوع باید از مصالح پرکننده آزمایش شده و همچنین درزها و پخ‌های مناسب استفاده نمود.

۷- درزهای انقباضی، در دیوارهای طویل یا سطوح وسیع، مقاطعی به طور عمدی ضعیف طراحی می‌شوند تا ترک خوردن بتن که می‌تواند اجتناب ناپذیر و غیرقابل پیش بینی باشد. در موقعیت‌ها و سطوح مشخص رخ دهد. از درز انقباضی می‌توان برای تقسیم سازه به قطعات قابل اجرا به عنوان جایگزین درزهای اجرایی استفاده نمود. با توجه به اینکه تعبیه آرماتور افقی کافی برای جلوگیری از ایجاد هر گونه ترک، غیرعملی و غیراقتصادی است.

به عنوان روش عملی، استفاده از درزهای انقباضی قائم با آرماتورهای افقی ممتد، برای کنترل موقعیت ترک‌ها مناسب است. قوانین و قواعد کاملی برای موقعیت این درزها وجود ندارد. به طور کلی در هر پروژه موقعیت این درزها با بررسی نیازهای طراحی سازه‌ای، حجم اقتصادی بتن ریزی در یک قطعه اجرایی و استفاده بهینه و اقتصادی از قالب‌ها مشخص می‌شوند. به طور معمول درزهای انقباضی در فواصلی به طول ۶ تا ۱۰ متر تعبیه می‌شوند. معمولاً سطح درز انقباضی به صورت صاف و قالب بندی شده است.

۸- درزهای اجرای افقی، این درزها برای تقسیم ارتفاعی دیوار به چند مرحله اجرایی استفاده می‌شوند، لیکن تعداد آنها باید تا حد امکان در حداقل حفظ شود. تعداد این درزها بستگی به ارتفاع مجاز بتن ریزی در یک مرحله دارد. البته به جای استفاده از چند مرحله بتن ریزی در ارتفاع، استفاده از بتن ریزی یکپارچه با استفاده از پنجره‌های میانی می‌تواند مورد مطالعه قرار گیرد. استفاده از زبانه (کلید) در این درزها توصیه نمی‌شود و استفاده از درز افقی مضرّس، ارجح است، زیرا سطوح با چسبندگی و پیوستگی خوب به یکدیگر، نسبت به انتقال برش عملکرد بهتری دارند.

زهکشی دیوارحائل

دلایل لزوم سیستم زهکشی در دیوار حائل

سیستم‌های زهکشی برای از بین بردن فشارهای هیدرواستاتیک وارد بر سطح گسیختگی و سطح پشت دیوار حائل در اثر نشت آب و نفوذ آب باران لازم هستند. در برخی حالات سیستم زهکش برای ممانعت از افزایش فشار ناشی از یخ زدگی خاکریز یا حداقل کردن فشار ناشی از تورم خاک‌های چسبنده لازم است. نوع سیستم زهکشی به جنس مصالح خاکریز، مقدار بارش، شرایط آب سطحی و زیرزمینی و پتانسیل یخ زدگی بستگی دارد. علاوه بر استفاده از سیستم زهکش، دیوار حائل باید دارای ضریب ایمنی مناسب در ارتباط با سیستم زهکشی باشد.

روش‌های زهکشی

دیوار حائل باید دارای سیستم زهکشی سطحی مناسب برای دفع آب‌های سطحی باشند. همان گونه که در بالا اشاره شد، باید لایه‌ای از خاک نفوذناپذیر در بالای خاکریز برای کاهش نفوذ آب باران قرار داده شود. مؤثرترین روش برای کنترل زهکشی، انجام خاکریزی بر روی یک لایه زهکش شیبدار و دارای زهکش طولی است لایه زهکش شیبدار افزایش فشارهای هیدرواستاتیک بر روی سطح گسیختگی در اثر نشت آب زیرزمینی و نفوذ آب باران را به حداقل می‌رساند. استفاده از زهکش در امتداد دیوار تأثیر کمتری دارد و غالباً باعث اعمال نیروهای بزرگتری به دیوار حایل می‌شود.

سوراخ زهکش

سوراخ زهکش شامل لوله‌ای به قطر حداقل ۷/۵ سانتیمتر است. که به طور عرضی در داخل تیغه دیوار قرار دارند. برای جلوگیری از مسدود شدن لوله‌های زهکش، باید در ورودی لوله‌ها، توده شنی و مصالح فیلتر تعبیه شود. به طور معمول فاصله سوراخ زهکش به صورت قائم و افقی نباید بیش از ۳ متر باشد.

‌ضوابط فیلترها

زهکش‌ها باید با استفاده از لایه‌های فیلتر به طور مناسبی محافظت شوند تا بدون اینکه مصالح خاکریز به داخل زهکش وارد شود، عمل خروج آب به طور آزاد انجام پذیرد.

ضوابط زهکش‌ها

زهکش باید بتواند جریان آب طرح را به طور آزاد و بدون حرکت ذرات خاک از خود عبور دهد. لایه‌های زهکشی را می‌توان از شن و ماسه تمیز یا زهکش مرکب پیش ساخته (برای کاربردهای خاص) ساخت.

زهکش پیش ساخته

هنگامی که عملیات کوبیدن مصالح خاکریز در نزدیکی زهکش پیش ساخته مجاور دیوار حائل  انجام می‌شود باید شرایط خاصی رعایت شود. کوبیدن و تراکم در نزدیکی دیوار حایل می‌تواند فشارهای جانبی را افزایش داده و باعث خرد شدن زهکش پیش ساخته یا کاهش نفوذپذیری داخل صفحه آن شود. توصیه‌های سازندگان این زهکش‌ها برای خاکریزی و کوبیدن خاک نزدیک زهکش‌ها باید رعایت شود. استفاده از قطعه آزمایشی برای تعیین شرایط عملی قابل قبول برای وسایل تراکم لازم است. هنگامی که از سنگ شکسته به عنوان مصالح خاکریز استفاده می‌شود، لایه‌ای از ماسه باید در مقابل زهکش پیش ساخته برای محافظت از آن در برابر آسیب‌های ناشی از تراکم تعبیه شود.

زهکش‌های طولی

زهکش‌های طولی برای تخلیه آب از پشت دیوار حائل به داخل یک آبرو، کانال یا … استفاده می‌شوند. قطر زهکش‌های طولی باید به اندازه کافی بزرگ باشند و همچنین برای تأمین سرعت مناسب جهت شستن رسوبات از داخل زهکش باید دارای شیب طولی مناسب باشند. برای حداقل کردن مسدودشدگی در نیمه تحتانی لوله باید سوراخ‌هایی را تعبیه نمود.

اتصال نامناسب و بد می‌تواند عملکرد کل سیستم زهکش طولی را مختل سازد. در هنگام کوبیدن و متراکم کردن خاک در بالای زهکش باید دقت لازم را برای جلوگیری از شکستن لوله انجام داد. نشست‌های نامساوی می‌تواند باعث باز شدن اتصالات لوله‌ها به سمت بالا و داخل شدن خاک به درون لوله شوند. برای حداقل کردن این موضوع باید دقت نمود تا مصالح زیر لوله به طور یکنواخت و مناسب متراکم شوند.