بررسی ، نحوه اجرا و روش‌های طراحی انواع سازه نگهبان‌ها

سازه نگهبان چیست؟

به منظور جلوگیری از ریزش خاک و سنگ در دیواره‌های گود سازه‌های موقت یا دائمی استفاده می‌شود که به آن‌ها سازه‌های نگهبان (Retaining Structure) می‌گویند.

• مطابق با بند 7-1-3-3 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، سازه نگهبان:

به سازه‌هایی اطلاق می‌شود که برای نگهداری خاک به کار برده می‌شوند. این سازه‌ها شامل انواع دیوارها و سیستم‌های نگهبان هستند که در آن‌ها عناصر سازه‌ای ممکن است با خاک یا سنگ ترکیب شده و یا از تسلیح خاک استفاده شوند.

• مطابق با بند 7-5-1 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان:

سازه‌های نگهبان به سازه‌هایی گفته می‌شود که برای نگهداری دائم یا موقت فشار جانبی خاک، مصالح مشابه یا آب به کار برده می‌شوند. این سازه‌ها شامل انواع سازه‌های نگهبان صلب و انعطاف‌پذیر هستند.

هدف از اجرای سازه نگهبان

به‌طور کلی، گودبرداری ساختمان  از مراحل ضروری و حساس در هر گونه پروژه ساخت‎‌و‌ساز می‌باشد.  علت این حساسیت آن است که در حین گودبرداری فشار جانبی ناشی از وزن خاکی که در پشت دیواره‌ها قرار دارد، به دیواره‌های گود وارد می‌شود. به عبارت دیگر، خاکی که بالاتر از سطح گودبرداری قرار گرفته، به علت وزن خودش به دیواره‌های گود فشار وارد می‌کند.

همنچنین اگر سازه‌های دیگری (مانند ساختمان‌های همسایه) در مجاورت گود وجود داشته باشند، وزن ناشی از آن‌ها نیز به این فشار اضافه می‌شود. چنانچه این فشار‌ها کنترل نشود، ممکن است دیواره‌های گود ریزش کرده و باعث ایجاد خطرات و حوادث جدی برای کارگران و پروژه شوند؛ لذا برای جلوگیری از این حوادث سازه‌های نگهبان استفاده می‌شود.

در واقع سازه نگهبان یک سیستم محافظتی و ایمنی است که به منظور پایدارسازی دیواره‌های گود و جلوگیری از ریزش خاک طراحی شده‌است. مهمترین اهداف ایمن سازی دیواره‌های گود با بهره‌گیری از سازه‌های نگهبان عبارت‌اند از:

• حفظ جان انسان‌ها و اموال افراد در داخل و خارج گود
• فراهم آوردن شرایط امن و مطمئن برای اجرای کار

معیار گوناگونی همچون نوع عملکرد و شیوه طراحی، روش اجرا، مدت زمان استفاده و موارد دیگر برای تقسیم بندی  انواع سازه‌های نگهبان وجود دارد. بطور مثال سازه نگهبان‌ها به دو شکل موقت و دائم در گودبرداری‌ها استفاده شوند. سازه نگهبان موقت پس از اتمام کار برداشته می‌شود، در حالی که سازه نگهبان دائم پس از اتمام گودبرداری برچیده نشده و به عنوان دیوارهای حائل دائمی عمل می‌کنند. همچنین برخی مواقع پس از اجرای سازه نگهبان موقت گودبرداری، آن‌ها را تقویت کرده و به عنوان دیوار حائل دائمی مورد استفاده قرار دهند.

در ویرایش‌های پیشین مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان انواع سازه های نگهبان از نظر عملکرد به پنج گروه وزنی، سپرگونه، خاک مسلح، میل مهاری و میخکوبی یا به صورت دیوار زیرزمین تقسیم‌بندی می‌شدند.

مطابق با بند 7-5-2 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان ویرایش (1400) ، سازه‌های نگهبان بر اساس عملکرد و طراحی به دو دسته زیر دسته‌بندی می‌شوند:

1. سازه نگهبان صلب
2. سازه نگهبان انعطاف پذیر

سازه نگهبان صلب:

سازه نگهبان صلب، سازه‌هایی هستند که بر اثر فشار جانبی خاک، در آن ها حرکت صلب جابجایی یا چرخش اتفاق می‌افتد.

به عبارت دیگر، سازه نگهبان صلب در مقابل فشار جانبی خاک، به جای تغییر شکل یا خمش، به صورت یک جسم صلب (سخت و غیرقابل تغییر شکل) رفتار می‌کند. بدین معنا که این سازه‌ها تحت فشار خاک، حرکت صلب انجام می‌دهند و بصورت جابجایی (حرکت خطی) یا چرخش (حرکت دورانی) جابجا می‌شوند، اما تغییر شکل قابل توجهی در خود سازه اصلی ایجاد نمی‌شود. از انواع سازه نگهبان صلب می‌توان به دیوار حائل وزنی، دیوار حائل طره‌ای و دیوار حائل پشت بند دار اشاره نمود.

سازه نگهبان انعطاف پذیر:

سازه نگهبان‌های انعطاف پذیر بر اثر فشار جانبی خاک دچار تغییر شکل می‌شوند. سپری‌ها (اعم از پشت بنددار، مهار شده یا بدون مهار و پشت بند)، انواع خاک مسلح، میخ کوبی (نیلینگ)، بلوک و مهار (انکراژ)، شمع‌های فولادی یا بتنی (پشت بنددار، مهار شده یا نشده)، دیوار برلنی، شمع‌های فولادی با مهار متقابل، مهار شده از جلو یا توسط خرپا و نظایر آن از انواع سازه‌های نگهبان انعطاف پذیر هستند که به آن‌ها دیوارهای تثبیت شده مکانیکی نیز اطلاق می‌شود. این سازه‌ها شامل روش‌ها و سیستم‌های مختلفی هستند که برخی از مهمترین آن‌ها عبارت‌اند از:

1. سازه نگهبان خرپایی
2. سازه نگهبان مهار متقابل
3. سازه نگهبان نیلینگ
4. سازه نگهبان انکراژ
5. شمع کوبی (شمع درجا)
6. سپر کوبی
7. دیوار دیافراگمی

سازه نگهبان خرپایی:

یکی از روش‌های رایج برای گودبرداری در عمق‌های کم ،سازه نگهبان خرپایی می‌باشد. این سازه از اعضای عمودی، مایل، افقی و قطری تشکیل شده که با ترکیب آن‌ها یک پیکربندی مثلثی ایجاد می‌شود. این ساختار تنها نیروهای محوری را تحمل می‌کند و اتصالات آن به صورت مفصلی طراحی می‌شود. همچنین، این سازه برای مقابله با بار جانبی ناشی از رانش خاک دیواره گود استفاده می‌شود.

مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی به ترتیب به شرح زیر است:

• حفاری چاه در امتداد گودبرداری
• نصب عضو قائم
• خاکبرداری با شیب پایدار
• اجرای فونداسیون برای عضو مایل
• نصب عضو مایل
• نصب اعضای افقی و قطری به صورت مرحله‌ای
• تثبیت جداره‌های گود

به دلیل مناسب بودن برای مناطق شهری، کارایی بالا در گودهای کم‌عمق و عریض، و قابلیت انعطاف و تطبیق با روش‌های زهکشی و همچنین سادگی در اجرا، سازه نگهبان خرپایی یکی از شیوه‌های پرکاربرد در گودبرداری است. با این حال، سرعت اجرای پایین‌تر نسبت به روش‌های پیشرفته، نیاز به خاکبرداری دستی در برخی بخش‌ها، احتمال تداخل خرپاها در کنج‌ها و امکان ورود افراد غیر متخصص به دلیل سهولت اجرا، از جمله معایب این روش محسوب می‌شوند.

سازه نگهبان مهار متقابل

 روشی مناسب برای گودهایی با عرض کم (تا ۱۰ متر) است که مشکل اشغال فضای زیاد سازه نگهبان خرپایی در گودهای کم‌عرض را برطرف می‌کند. روش سازه نگهبان متقابل که به نام پشت‌بندهای افقی و مایل نیز شناخته می‌شود، اغلب در مناطق شهری برای جلوگیری از تغییر مکان جانبی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مراحل اجرای سازه نگهبان متقابل به شرح زیر است:

• حفاری چاه‌های روبه‌روی هم در حاشیه زمین
• ایجاد قفسه‌های آرماتور در چاه‌ها
• اتصال شاخک‌هایی مثل ناودانی و نبشی به پروفیل‌ها برای درگیری بیشتر با بتن
• ایجاد پروفیل‌های مناسب بر مبنای عمق گود
• بتن‌ریزی درون چاه‌ها
• اتصال قسمت فوقانی دو سولجرمتقابل به یکدیگر با تیرها یا خرپاها

روش مهار متقابل به دلیل سرعت اجرای بالا، هزینه کمتر نسبت به روش‌های دیگر دارد و گزینه مناسبی برای گود کم عرض محسوب می‌شود. ضمنا اتصالات کم‌تر نسبت به سازه نگهبان خرپایی از دیگر مزایای آن است. با این حال، در گودهای با عرض زیاد (بیش از ۱۰ متر)، هزینه و زمان اجرا افزایش یافته و کار با دشواری پیچیده‌تری مواجه می‌گردد. همچنین، احتمال تداخل مهار متقابل با ماشین‌آلات و خطر ریزش گود در صورت ضربه به دستک‌ها از دیگر معایب این روش است.

سازه نگهبان نیلینگ

به منظور پایدارسازی خاک‌های ناپایدار می‌باشد، که در گودهای با عمق متوسط تا زیاد و همچنین برای مهار دیواره‌های کنار جاده‌ها از روش نیلینگ استفاده می‌شود. همچنین نیلینگ روشی کاربردی به منظور پایدارسازی ترانشه‌ها و تامین تکیه‌گاه افقی دیواره‌های خاکبرداری و جلوگیری از لغزش خاک می‌باشد. نکته مهم در اجرای نیلینگ این است که نیروی کششی در میخ‌ها تنها پس از ایجاد جابجایی در سیستم فعال می‌شود، که این موضوع برای ساختمان‌های مجاور با کاربری حساس چالش بر انگیز خواهد بود. همچنین، نیلینگ یک سازه موقت است و عواملی مانند گذشت زمان، هوازدگی خاک، خوردگی آرماتورها و نفوذ آب‌های سطحی می‌توانند مقاومت آن را کاهش دهند، بنابراین بهتر است هرچه سریع‌تر سازه اصلی ساخته شود.

مراحل اجرای سازه نگهبان نیلینگ به ترتیب به شرح زیر است:

• گودبرداری مقطعی
• حفاری گمانه‌ها
• نصب میلگرد تسلیح
• تزریق دوغاب سیمان
• بتن‌پاشی
• نصب صفحه سر نیل و مهره

سازه نگهبان انکراژ

انکراژ (Anchorage)روشی برای پایدارسازی گودهای عمیق است که با نام‌های میل مهار نیز شناخته می‌شود. این روش شباهت زیادی به نیلینگ دارد، با این تفاوت که در انکراژ، میل‌مهارها پیش‌تنیده می‌شوند. در این روش، دو لایه مقاوم خاک قبل از حرکت توده خاکی فعال به هم متصل می‌شوند، که سبب کاهش جابجایی خاک دیواره گود و سازه‌های مجاور می‌شود.

استفاده از استرندهایی (Strand) با مقاومت 6 تا 8 برابر بیشتر از میلگردهای معمولی در روش انکراژ،  دیگر تفاوت نیلینگ و انکراژ می باشد. استرندها باید تا پشت ناحیه گسیختگی ادامه یابند تا کارایی لازم را داشته و به دیواره گود ریزش ننمایند.

اجرای سازه نگهبان انکراژ به ترتیب به شرح زیر است:

• خاکبرداری مقطعی
• حفاری گمانه‌ها
• نصب میل‌مهارها و تزریق دوغاب سیمان
• پیش‌تنیدگی میل‌مهارها
• اجرای پوشش رویه

از مزایای انکراژ نیاز به فضای کم، کاهش حجم عملیات حفاری و توانایی تحمل نیروهای افقی زیاد بدون افزایش قابل توجه در ضخامت دیوار، نام برد. با این حال، هزینه اجرای آن در پروژه‌های کوچک نسبت به روش‌های معمولی بیشتر است. ضمنا، در روش انکراژ به‌علت بهره‌گیری از تکنولوژی پیشرفته، نیازمند دستگاه‌های خاص مانند دریل واگن، تجهیزات تزریق و پیش‌تنیدگی خواهد بود.

سازه نگهبان سپر کوبی( Sheet Pile)

در این روش سپرهای فلزی، چوبی یا بتنی با استفاده از دستگاه سپرکوب در زمین کوبیده می‌شوند. این سپرها که به شمع‌های صفحه‌ای نیز شناخته می‌شوند، ارتفاعی برابر با عمق گود به علاوه قسمتی که داخل زمین فرو می‌رود (طول مهاری) دارند. پس از سپر کوبی، خاک جلوی سپرها خالی شده و خاکبرداری صورت می‌پذیرد. سپرها با مقاومت خمشی خود، رانش خاک را تحمل می‌کنند. سپس پشت‌بندهای افقی و قیدهای فشاری قائم نصب می‌گردد تا سازه را تثبیت کنند.

مراحل اجرای سپر کوبی عبارتند از:

• تعیین محدوده گود با نقشه‌برداری
• کوبیدن سپرهای فلزی در خاک با ضربه یا ارتعاش استاتیکی
• خاکبرداری اولیه به عمق ۲ تا ۳ متر
• نصب پشت‌بندهای فرعی و قیدهای فشاری افقی
• ادامه گودبرداری و تکرار مراحل ۳ و ۴ تا رسیدن به عمق مورد نظر
• تکمیل گودبرداری و شروع ساخت فونداسیون پروژه
• ساخت دیوارهای زیرزمین، برچیدن قیدهای فشاری و تکمیل طبقات
• بیرون کشیدن سپرهای فلزی از خاک

سرعت اجرای مناسب، ایمنی بالا و قابلیت استفاده در زمین‌های سست و آبدار، از مزایای روش سپر کوبی برای اجرای کانال‌ها و ترانشه‌ها به‌ویژه با طول‌های زیاد می‌باشد. با این حال، نیاز به دستگاه سپرکوب، نیروی متخصص و فضای کافی برای قرارگیری دستگاه و ایجاد سر و صدای زیاد در حین ضربه زدن به سپرها از معایب و محدودیت‌های روش‌های مذکور می‌باشد.

سازه نگهبان شمع کوبی (شمع درجا)

در روش شمع‌کوبی، شمع‌ها نقش پروفیل‌های قائم را در پایدارسازی گود ایفا می‌کنند. این شمع‌ها اغلب بتنی هستند و در فواصل مشخصی در اطراف گود اجرا می‌شوند. به علت سرعت بالای اجرا، هزینه کم و امکان استفاده به‌عنوان سازه نگهبان دائم و موقت، روشی کاربردی است. با این حال، اجرای سازه نگهبان با روش شمع‌کوبی به علت اشغال فضای قابل توجه، برای ساخت‌وسازهای شهری مناسب نیست و اغلب در پایدارسازی تونل‌ها و زیرگذرها کاربرد دارد. با توجه به انعطاف کم این روش، تغییر مکان جانبی خاک در آن محدود است.

مراحل اجرای شمع‌کوبی عبارتند از:

• حفر چاه‌هایی با قطر ۸۰ تا ۱۰۰ سانتی‌متر در اطراف گود
• استفاده از گل بنتونیت برای پایدارسازی جداره چاه
• قرار دادن شبکه آرماتور و اسپیسر در داخل چاه
• قرار دادن شمع‌های بتنی در چاه
• بتن‌ریزی داخل چاه

 سازه نگهبان دیوار دیافراگمی

دیوار دیافراگمی یک روش پایدارسازی دائمی است. اغلب برای ایجاد پرده آب‌بند در سدسازی و پایدارسازی دیواره گود، به‌ویژه در ساخت ایستگاه‌های زیرزمینی مترو، استفاده می‌شود. این روش گاهی در ترکیب با روش تاپ دان (ساخت از بالا به پایین) نیز به کار می‌رود و  جایگزین مناسبی برای سپرکوبی در مناطق وسیع با زمین‌های سخت باشد.

مراحل اجرای دیوار دیافراگمی عبارت‌اند از:

• حفاری محل بارت به صورت یکی در میان
• پر کردن فضای دیواره بارت با بنتونیت
• آماده‌سازی قفسه آرماتور و جاگذاری در بارت
• بتن‌ریزی با استفاده از لوله ترمی
• تکرار مراحل ۱ تا ۴ برای قسمت‌های باقی‌مانده
• اتصال مناسب بارت‌ها
• انجام عملیات گودبرداری

از مزایای دیوار دیافراگمی، قابلیت اجرا و کارایی بالا در زمین‌های بزرگ و سخت، استفاده به عنوان پرده آب‌بند، در پروژه سد سازی نام برد. همچنین، این روش جایگزین مناسبی برای سپرکوبی در پروژه‌های بزرگ محسوب می‌شود. با این حال، اجرای آن نیاز به تجهیزات پیشرفته و تخصص بالا دارد و ممکن است هزینه‌برتر از روش‌های سنتی مانند شمع‌کوبی باشد.

عوامل موثر در انتخاب سازه نگهبان

انتخاب نوع سازه نگهبان به عوامل مختلفی همچون موارد زیر بستگی دارد:

• زاویه شیب طبیعی خاک (حداکثر زاویه‌ای که سطح خاک بدون نیاز به سازه نگهبان می‌تواند پایدار بماند)
• وجود سازه‌های مجاور گود
• شرایط جوی منطقه
• سطح آب زیرزمینی
• نوع و جنس خاک
• عمق گودبرداری
• مسائل اقتصادی پروژه

با در نظر گرفتن این موارد، می‌توان بهترین گزینه را متناسب با شرایط پروژه انتخاب کرده و از بروز چالش‌ها و مشکلات احتمالی در حین اجرای پروژه جلوگیری نمود.

روش های طراحی سازه نگهبان

بر اساس بند 7-5-7 مهندس محاسب می‌تواند هر یک از دو روش زیر برای طراحی سازه نگهبان استفاده کند:

• روش تنش مجاز Permissible Stress Design
• روش ضرایب بار و مقاومت (حالات حدی) Load and Resistance Factor Design – LRFD

روش تنش مجاز

تنش مجاز یکی از قدیمی‌ترین روش‌های طراحی سازه‌ها است که بر اساس تئوری الاستیک (کشسانی) کار می‌کند. در این روش، فرض می‌شود که مصالحی مانند فولاد و بتن به صورت الاستیک رفتار می‌کنند، یعنی از قانون هوک پیروی می‌کنند (تنش با کرنش رابطه خطی دارد).

اصول کلی روش تنش مجاز

این روش برای انواع دیوارهای نگهبان از جمله وزنی، سپرگونه و خاک مسلح قابل استفاده است و علاوه بر کنترل مقاومت، تغییر شکل‌های سازه را نیز بررسی می‌کند. به‌طورکلی، اصولی که در روش تنش مجاز برای طراحی سازه نگهبان به کار می‌رود، به شرح زیر است:

• در این روش، تنش‌های ایجاد شده در سازه نباید از تنش‌های مجاز مصالح تجاوز کنند. تنش‌های مجاز، مقادیر ایمنی هستند که برای مصالح مختلف (مانند فولاد و بتن) تعیین می‌شوند.
• برای اطمینان از ایمنی سازه، از ضرایب اطمینان استفاده می‌شود. این ضرایب برای مقابله با عدم قطعیت‌ها در بارها، مصالح و شرایط اجرا در نظر گرفته می‌شوند.
• در روش تنش مجاز، علاوه بر کنترل ضرایب اطمینان، تغییر شکل‌های سازه نیز باید بررسی شوند. تغییر مکان ایجاد شده در سازه و خاکریز پشت دیوار باید از مقادیر مجاز کمتر باشد تا از عملکرد صحیح سازه اطمینان حاصل شود.
• در این روش، حالت‌های حدی مختلفی مانند لغزش، واژگونی، ظرفیت باربری پی، مقاومت در برابر خمش و برش و نشست پی بررسی می‌شوند تا مطمئن شویم سازه در بدترین شرایط بارگذاری نیز ایمن است.

روش ضرایب بار و مقاومت

در ویرایش پیشین مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان این روش را با نام روش حالات حدی معرفی کرده است، اما در ویرایش جدید (1400) نام روش ضرایب بار و مقاومت ذکر شده است. به‌طور کلی، در طراحی سازه‌های نگهبان، روش ضرایب بار و مقاومت (Load and Resistance Factor Design – LRFD) به‌عنوان روش استاندارد برای اطمینان از ایمنی و پایداری گودبرداری مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش بر اساس اصول ترکیب بارگذاری و ضرایب ایمنی، رفتار دیوارهای حائل و دیگر سیستم‌های پایدارسازی را بررسی می‌کند.

مطابق با بند 7-5-7-2-1 ترکیب بار و ضرایب بارگذاری در کلیه دیوارها باید مطابق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان باشد.

نتیجه‌گیری

سازه‌های نگهبان با توجه به نوع و عمق گودبرداری، شرایط زمین‌شناسی و ویژگی‌های محیطی و شرایط اقتصادی پروژه باید با دقت طراحی و اجرا شوند. این سازه‌ها به شکل موقت یا دائمی می‌توانند از نوع صلب یا انعطاف‌پذیر باشند و به‌طور مؤثر فشار جانبی خاک را کنترل کنند. انتخاب صحیح نوع سازه نگهبان و روش اجرای آن بر اساس ویژگی‌های خاص هر پروژه، تأثیر زیادی بر ایمنی، هزینه‌ها، و زمان‌بندی پروژه خواهد داشت. همچنین، رعایت استانداردها و مقررات ملی ساختمان در طراحی و اجرا این سازه‌ها، ضامن کارایی مناسب و طول عمر مفید آن‌ها است.