سازه نگهبان یا دیوار حائل دیواری است که بتواند به صورت یک سازهٔ نگه دارنده و تکیه گاهی برای پایداری سازهٔ دیگر، یا جلوگیری از ریزش یا دیگر عوارض طبیعی مشرف به جاده‌ها یا ساحلی نزدیک به دریاها و دامنه‌های غیرطبیعی و به طور کلی هر جا که احتیاج به تکیه‌گاه جانبی باشد استفاده شود. دیوار حائل می‌تواند به صورت‌های وزنی، طره‌ای، پشت‌بنددار طراحی شود. در این مقاله ما به توضیح موارد زیر می‌پردازیم:
- انواع دیوار حائل
- لزوم استفاده از دیوار حائل
- نیروهای وارده به دیوار حائل
- عوامل موثر در انتخاب دیوار حائل
انواع دیوار حائل
دیوار حائل وزنی (Gravity Retaining Wall)
دیوار حایل وزنی برای تحمل فشار زمین جانبی، فقط به وزن خودش متکی است. به طور کلی، دیوار حایل وزنی، بزرگ است چون برای مقابله با فشار افقی خاک، به بار وزن قابل توجهی نیاز دارد. حین طراحی دیوار حایل وزنی باید لغزش، واژگونی و نیروهای وارده مد نظر قرار گیرند.
دیوار حائل گهواره ای (Crib Retaining Wall)
دیوارهای حائل نگهدارنده گهواره ای از نوع دیوار حائل وزنی می‌باشد. این نوع دیوارها از جعبه های جداگانه ی ساخته شده از چوب یا بتن پیش ساخته یا فلزی، ساخته شده اند، سپس جعبه ها را با سنگ خرد شده یا سایر مواد دانه ای درشت پر می‌کنند تا یک ساختار زهکشی آزاد ایجاد شود.
دیوار حائل گابیون (Gabion Retaining Wall)
گابیون‌ها، قفس‌هایی از سیم فولادی هستند که مملوء از سنگ‌های معدنی یا سنگ‌های رودخانه هستند. دیوار گابیونی با استفاده از سیم‌های فولادی، سنگها را در پشت خود مهار و نگه می‌دارند. این دیوارهای حائل برای حفظ خاک تا ارتفاعات کوچک ۳-۴ متر استفاده میشوند و به عنوان سازه‌هایی با دوام و انعطاف‌پذیر شناخته میشوند.
دیوار حائل طره ای (Cantilever Retaining Wall)
این نوع دیوار نگهدارنده متشکل از اسلب ساقه و پایه بتن مسلح، بتن پیش ساخته، ساخته می‌شود. دیوار حائل طره ای رایج ترین نوع از دیوارهای نگهدارنده مورد استفاده می باشد. این نوع دیوار یا در محل ساخته می‌شود یا در کارگاه ساخته شده و به محل مورد نظر حمل میشوند.
دیوار حائل طره ای جلوبند دار و پشت بنددار (Counterfort Retaining Wall Butterssed)
هنگامی که ارتفاع دیواره نگهدارنده طره‌ای بیش از حدود ۷ متر باشد، تهیه یک سیستم مهاربند عمودی، معروف به طره‌ای پشت بنددار، در کنار خاکریز و در بالای پاشنه اسلب مقرون به صرفه است. طره‌های پشت بنددار، تیرهای مثلثی با عمق متغیر و عرض یکنواخت هستند که در یک فاصله منظم، تیغه و اسلب را به هم متصل می‌کنند. استفاده از این طره‌ها به کاهش ممان خمشی ناشی از فشار زمین کمک می‌کنند.
دیوارهای حائل سپری مهار شده (Anchored Retaining wall)
برای دیواره‌های نگهدارنده با ارتفاع زیاد، میله‌ها یا کابل‌های بلند در اعماق زمین رانده و انتهای آنها با استفاده از بتن مهار میشوند. این دیوارها به عنوان میل مهار (Tiebacks) نیز شناخته میشوند. آنها هنگامی کاربرد دارند که یک دیوار نگهدارنده با ضخامت کم مورد نیاز بوده و یا فضای لازم برای نصب انواع دیگر دیوارهای حائل محدود باشد. ساخت این دیوارها برای خاک‌های سستی که بر روی سنگ‌های طبیعی قرار دارند، بسیار مؤثر هستند.
دیوار حائل سپری (Sheet-pile Retaining wall)
دیوار نگهدارنده سپری با هدایت شمع های بتنی تقویت شده در مجاورت و کنار یکدیگر مطابق شکل زیر ساخته می‌شود. شمع های بتنی که به عمق کافی در کنار یکدیگر فرو برده میشوند باعث میشوند تا با نیرویی که سعی می‌کند از دیوار عبور کند، مقابله کنند. این نوع دیوارها هم می‌توانند به صورت موقت و هم می‌توانند به صورت دائم اجرا شوند.
دیوارهای حائل میخکوب شده (Mechanically Stabilized Earth (MSE) Retaining wall)
یکی از اقتصادی ترین و متداول ترین دیوارهای حائل می‌باشد. دیوار نگهدارنده زمین با وسایل مکانیکی توسط پر کننده های منتخب (گرانول) پشتیبانی می‌شود و توسط تقویت کننده ها در کنار هم قرار می‌گیرند، که می‌تواند نوارهای فلزی یا مشهای پلاستیکی باشد.
سیستم های ترکیبی
دیوارهای نگهدارنده که هم از وزن (جرم) و هم از تقویت برای پایدارسازی استفاده می‌کنند، به عنوان سیستم های نگهدارنده ترکیبی یا کامپوزیتی نامیده میشوند.
لزوم استفاده از دیوار حائل
در چه مواقعی بایستی به طراحی و اجرای دیوار حائل روی آوریم؟
حتماً تاکنون متوجه شده اید که در مواردی که دیوارهای زیر زمین در تماس با خاک اطراف قرار داشته باشند و خاک نیرویی را از سمت خود به سمت دیوارها وارد کند، بایستی از دیوار حایل استفاده نمود. امروزه در اکثر ساخت و سازها دیوار حائل به عنوان یک سازه نگهبان دائم برای مقابله با فشار جانبی خاک در طبقات زیر زمین مورد استفاده قرار می‌گیرد و استفاده از دیوارهای ضخیم بنایی به عنوان دیوار حائل زیر زمین تقریباً منسوخ شده است.
از آنجایی که اغلب، سازندگان و کارفرمایان، نسبت به اجرای دیوار حایل دارای یک ذهنیت منفی بوده و آن را یک هزینه اضافی برای پروژه تلقی می‌کنند؛ سازمان های نظام مهندسی اجرای دیوار حائل بتن آرمه برای زیر زمین های با بیشتر از یک طبقه (گود برداری بیشتر از 3 متر از تراز صفر-صفر) الزام کرده است.
از همین رو گاهاً طراحان با درنظر گرفتن مسائل اقتصادی پروژه، برای زیر زمین های یک طبقه، اجرای دیوار حائل بتنی را ضروری ندانسته و ساخت دیوار با آجرفشاری و ملات ماسه سیمان با حداقل ضخامت 30 سانتی متر را ترجیح می‌دهند. هرچند این موضوع از نظر قانونی ممانعتی نداشته و تجربه نیز، کارایی آن را ثابت کرده است؛ ولی در غالب موارد، امکان انتقال تراز پایه سازه به بالای دیوارهای حائل بنایی میسر نمی‌شود.
نیروهای وارده به دیوار حائل
- وزن خود دیوار
- فشار عمودی زمین (روی پنجه و پاشنه دیوار نگهدارنده)
- فشار جانبی زمین (فشار فعال، منفعل یا هنگام سکون)
- بار زنده عمودی
- بار زنده مستقیم افقی
- فشار آب افقی
- شناوری یا جابجایی به دلیل سطح سفره آب زیرزمینی
عوامل مؤثر در انتخاب نوع دیوار حایل
انتخاب دیوار حائل مناسب، مستلزم تعیین روندي معقول و تدوین خط مشی مشخص است. بدیهی است تصمیم نهایی در انتخاب نوع معینی از دیوارهاي حائل نیاز به بررسی هاي اقتصادي، فنی، امکان اجرا، اجتماعی و … دارد. می توان 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 سازه هاي مجاور
- نوع و بزرگی بارهاي ناشی از ساختمان ها و سازه هاي مجاور محل احداث دیوار
- شرایط تحت الارضی و نوع پی مورد نیاز (سطحی یا عمیق) با توجه به جنس خاك
- موقعیت سطح آب زیرزمینی، نوسانات آن، شرایط جزر و مد آب در مجاورت دیوار
- مقدار تغییر مکان قابل قبول زمین حین ساخت و دوران بهره برداري و اثرات جابجایی دیوار بر سازه هاي مجاور
- جنس خاکریز پشت دیوار
- چگونگی تامین مصالح مناسب براي خاکریز پشت دیوار
- موقت یا دایمی بودن دیوار
- نوع و مقدار بارگذاري خارجی ناشی از سربارها
- وضعیت لرزه خیزي منطقه
- تجارب محلی بویژه در اجرا
- آیین نامه یا دستور العمل طراحی و اجرا
- نوع وسایل و ابزار موجود براي ساخت و ساز
- مقدار سرمایه گذاري موجود براي تامین هزینه ها
- اهمیت پروژه
- فضاي موجود براي ساخت و ساز
- مسائل اجتماعی و محیطی محل پروژه
- اداره کردن ترافیک هنگام ساخت
- ظاهر و نماي دیوار
- عمر مفید و مسائل نگهداري در دوران بهره برداري
خلاصه و نتیجه گیری
در گذشته برای مهار فشار خاک پشت دیوار زیرزمین از دیوارهای بنایی ضخیم استفاده می‌شد ولی امروزه برای پوشش دیوارهای زیرزمین از دیوارهای بتنی به نام «دیوار حائل» استفاده می‌شود.
دیوارهای حائل از نظر ظاهری بسیار شبیه دیوارهای برشی می‌باشد ولی از نظر عملکردی و بارگذاری بسیار متفاوت تر از آن است.
وجود دیوار حائل علاوه بر مهار فشار خاک پشت آن، می‌تواند در سبک سازی سازه نیز نقش ایفا کند. براساس ویرایش چهارم استاندارد 2800، می‌توان تراز پایه را به بالای دیوار حائل منتقل کرد. با این کار ضریب زلزله محاسبه شده و در نتیجه مقدار نیروی زلزله وارده بر سازه کاهش یافته و سازه با مقطع کوچکتری جوابگو خواهد بود.
بارهای مختلفی از قبیل بار یخ، فشار آب زیرزمینی، بار سیل، بار ناشی از وزن، بار لرزاه ای و … به دیوار حایل وارد می‌شود که برخی از آن ها با ارائه دیتیل های مناسب در حین اجرا قابل صرف نظر کردن می‌باشد.
بارهایی که در طراحی دیوارهای حائل در نرم افزار مورد استفاده است، عبارتند از : فشار جانبی خاک پشت دیوار و فشار دینامیکی ناشی از زلزله.
مقدار بارهای وارده براساس روابط مکانیک خاک و به صورت دستی محاسبه شده و برای اعمال نرم افزار استفاده خواهد شد. جهت این بارها همواره طوریست که دیوارهای حائل را به سمت داخل زیرزمین هل می‌دهد.
برخی از گام های طراحی دیوار حائل مشابه دیوارهای برشی بوده ولی سایر گام ها به صورت اختصاصی برای طراحی دیوار حائل در نرم افزار می‌باشد.
پیش از شروع طراحی دیوارهای حائل در نرم افزار، بایستی آرماتورگذاری مقطع دیوار با رعایت ضوابط آرماتورگذاری مبحث نهم صورت گیرد؛ زیرا نرم افزار قادر به اعمال و کنترل خودکار آن ها نمی‌باشد.
برای افزایش سرعت طراحی، عموماً یک دیوار از هر قاب که طول بیشتری نسبت به سایر دیوارهای همان قاب دارد (دیوار حرانی) انتخاب شده و همان دیوار بارگذاری و طراحی می‌شود.
پس از طراحی دیوار بحرانی (تعیین آرماتورگذاری قائم و افقی آن)، می‌توان با تعمیم آماتورگذاری آن به سایر دیوارها؛ نسبت به ترسیم نقشه های سازه ای دیوار حایل اقدام نمود.
تهیه شده در گروه تولید محتوای فولاد 24