نگهداری سازه های زیرزمینی توسط بتن
یکی از روش های نگهداری تونل یا به عبارت کلی سازه های زیرزمینی استفاده از بتن و بتن پاشی(shotcrete)می باشد.بتن یکی از مصالح تراکمی بسیار مفید می باشد که امروزه در بسیاری از سازه های مهندسی نظیر ساختمان های مسکونی،سد ها،بونکرهای معدنی،سیلوها،چاه های معدنی،تونل ها،نیروگاه ها و ... کاربرد فراوانی دارد،لذا هرچه دقیق تر روی ساختار بتن مورد استفاده تأمل گردد بی تردید سازه ایجاد شده از امنیت بالاتری برخوردار خواهد بود.لازم به ذکر است که عدم توجه به طرح اختلاط بتن و استانداردهای تعیین شده برای بتن خسارتهای جانی و مالی بسیاری را وارد می آورد که جبران ناپذیر خواهند بود.
*معرفی بتن
بتن متشکل است از سیمان،آب،مصالح سنگی و هوا.به مقدار جرم هر کدام از مواد ذکر شده در یک مترمکعب از بتن Dosage گفته میشود.سیمان یک ماده مصنوعی است که در کارخانه تهیه میشود.اجزاء تشکیل دهنده سیمان عبارتند از:سنگ آهک،سیلیس و مارن که با نسبت معینی با هم مخلوط و پخته می شوند.هرچه میزان Dosage سیمان در بتن بالاتر باشد مقاومت بتن ساخته شده هم بیشتر میشود.برای مثال بتن با سیمان 300 تا 350 کیلوگرم دارای مقاومت 225-200 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشد.آب مورد استفاده در بتن می بایست دارای سختی بسیار کمی باشد یعنی میزان املاح و ناخالصی های آن از جمله گچ،نمک و آهک کم باشد.مصالح سنگی بتن از دو قسمت ریزدانه(ماسه)و درشت دانه(گراول)تشکیل شده است.
*عوامل مؤثر در رفتار بتن
1)نسبت Dosage آب به سیمان در بتن:اگر این نسبت بین 0.3 تا 0.4باشد مقاومت بتن زیاد می شود،همچنین اگر این نسبت برابر 0.4 باشد بتن حداکثر مقاومت خود را دارد.
2)زمان:با گذشت زمان مقاومت بتن افزایش می یابد.این زمان حداکثر 90 روز می باشد.یعنی بتن بعد از گذشت 90 روز به حداکثر مقاومت خود می رسد.به طور کلی سه مقاومت برای بتن محاسبه می شود:مقاومت 90 روزه،مقاومت 28 روزه و مقاومت 7 روزه.مقاومت بتن 7 روزه 70% مقاومت بتن 28 روزه است و مقاومت بتن 28 روزه 20% مقاومت بتن 90 روزه می باشد.
3)تراکم:تراکم عبارت است از نسبت حجم پر به حجم کل.هرچه این نسبت به یک نزدیک شود مقاومت بتن بیشتر می شود.
4)دانه بندی مصالح سنگی در بتن:اگر چنان چه دانه بندی به طور صحیح انتخاب نشود تراکم مناسب ایجاد نشده و تخلخل بالا می رود.
*رعایت نکات مهم در مورد بتن ریزی
1)دیواره های قدیمی باید تمیز شده و تیشه ای شوند.
2)هر 40 سانتیمتر به 40 سانتیمتر باید ویبراسیون انجام گیرد.زمان ویبره کردن برای خارج کردن هوای بتن حدود 2 تا 3 دقیقه به ازای هر مترمکعب بتن است.بطور کلی می بایست ویبره کردن را تا زمانی ادامه داد که روی بتن یک غشاء نازک از آب ایجاد شود.
*انواع بتنی که در نگهداری تونل ها استفاده می شود
1)بتن به صورت قالب های پیش ساخته (Segment).
2)استفاده از قالب های بتنی و بتن ریزی در محل.
3)بتن پاشی (Shotcrete).
بتن پاشی به دو صورت خشک و تر اجرا می شود.در بتن پاشی خشک ابتدا سیمان و مصالح سنگی پیمانه می شوند و سپس در داخل مخلوط کن ریخته شده و بوسیله هوای فشرده وارد لوله می شوند،در انتهای لوله نازل وجود دارد که در آن موقعیت،آب به مخلوط اضافه شده و سپس از نازل به سمت محل مورد نظر پاشیده می شود.اما در بتن پاشی تر از ابتدا سیمان،مصالح سنگی و آب با هم ترکیب شده و سپس بوسیله هوای فشرده وارد لوله شده و از طریق نازل به محل مورد نظر پاشیده می شوند.از بتن پاشی خشک در موقعیت هائی استفاده می شود که طول لوله ها زیاد باشد.درحقیقت بسته به شرایط پروژه اگر امکان عبور و مرور ماشین آلات وجود نداشته باشد از بتن پاشی خشک استفاده می شود.
*موارد استفاده از بتن در معادن
1)پوشش رمپ ها.
2)گالریهای با دهانه بزرگ.
3)پوشش دیواره های هوازده که پوسته پوسته می شوند.
4)حوضچه های جمع آوری آب.
5)سقف های کارگاه های استخراج.
*مزایای بتن
1)یکی از مصالح تراکمی بسیار خوب و مقرون به صرفه می باشد.
2)به علت صاف و صیقلی بودن دیواره ها مقاومت کمی در برابر جریان سیالات دارد.(تونل های انتقال آب)
3)بتن مطمئن ترین ماده نسبت به آتش سوزی است.
4)طول عمر بتن زیاد می باشد.
5)رفتار بتن مانند فولاد قابل پیشبینی می باشد.
*معایب بتن
1)مقاومت کششی آن بسیار کم است.(برای از بین بردن این نقیصه بتن را مسلح می کنند که در رشته مهندسی عمران به طور تخصصی به آن پرداخته می شود)
2)قطعات بتنی شکسته را نمی توان دوباره مصرف نمود.(در مقایسه با چوب و فولاد)
3)تهیه بتن نیازمند دقت و نظارت فوق العاده ای است که در غیر اینصورت موجب بروز مشکلات و خسارات جبران ناپذیری می شود.
4)بتن قبل از گسیختگی علائم سمعی و بصری نداشته و در کسری از ثانیه فرو می ریزد.(در مقایسه با چوب و فولاد)
5)هزینه نسبتاً بالای ماشین آلات.
*محاسبات طرح اختلاط بتن
ابتدا می بایست مقدار سیمان مصرفی در بتن را محاسبه نمائیم،برای این منظور از رابطه ذیل استفاده خواهیم نمود:
((Mc=(550)/(D^(1/5
در رابطه فوق الذکر داریم:
Mc:جرم سیمان بر حسب کیلوگرم در یک متر مکعب از بتن.
D:حداکثر قطر مصالح سنگی موجود در بتن بر حسب میلیمتر.
دقت شود که میزان سیمان بدست آمده از رابطه فوق می بایست با استاندارد بتن چک شود که در ذیل این استاندارد به صورت مختصر شرح داده شده شده است:
بتن با مقاومت کمتر از 225 کیلوگرم نیرو = دارای 350-300 کیلوگرم سیمان در هر مترمکعب از بتن.
بتن با مقاومت 425- 225 کیلوگرم نیرو = دارای 400-350 کیلوگرم سیمان در هر مترمکعب از بتن.
بتن با مقاومت بیشتر از 425 کیلوگرم نیرو = دارای 450-400 کیلوگرم سیمان در هر مترمکعب از بتن.
اگر چنانچه قطر مصالح سنگی مورد استفاده (D) را در اختیار نداشته باشیم برای محاسبه جرم سیمان در واحد حجم(دوز) از روابط ذیل استفاده خواهیم نمود:
(σ=R×((1⁄α)-0.5
(α=(Mw/Mc
در روابط فوق داریم:
سیگما:مقاومت مورد انتظار از بتن بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع.
R:ضریب مربوط به زمان گیرش بتن،برای بتن زودگیر(7 روزه) 150 در نظر گرفته می شود و برای بتن دیرگیر(28 روزه) 180 در نظر گرفته میشود.
آلفا:نسبت جرم آب به جرم سیمان بدون واحد.
Mw:جرم آب مورد نیاز در یک مترمکعب از بتن بر حسب کیلوگرم.
در حقیقت در روابط فوق Mc مجهول ما می باشد که از رابطه اول آلفا را بدست آورده سپس Mw را محاسبه نموده در رابطه دوم (آلفا)قرار داده و در نهایت Mc را محاسبه می نمائیم.
برای محاسبه Mw داریم:
Mw=(7-k).A
در این رابطه K ضریب نرمی سیمان می باشد.سیمان معمولی 5.5 و سیمان پرتلند6 در نظر گرفته می شود.
A:ضریب مربوط به نوع مصالح سنگی طبق ذیل:
بتن مرطوب:گراول=45 و سنگ شکسته=50 *اختلاف ارتفاع=6-2 سانتیمتر
بتن پلاستیک:گراول=50 و سنگ شکسته=63*اختلاف ارتفاع 12-7 سانتیمتر
بتن سیال:گراول=58 و سنگ شکسته=74*اختلاف ارتفاع=بیشتر از 12 سانتیمتر
برای تشخیص نوع بتن(مرطوب،پلاستیک،سیال)از آزمایشی که در زیر به آن پرداخته می شود استفاده خواهیم کرد:
ظرفی با ارتفاع 30،قاعده کف 10 و قاعده دهانه 20 سانتیمتر ایجاد می نمائیم.سپس ظرف را از بتن پر نموده و آن را روی زمین برعکس مینمائیم و حدود 15 دقیقه منتظر می مانیم،سپس ظرف را برداشته و اختلاف ارتفاع بتن را محاسبه می کنیم.این اختلاف ارتفاع همان اختلاف ارتفاعی می باشد که در جدول فوق به آن اشاره شده است.
با در دست داشتن A و K از رابطه فوق Mw را محاسبه کرده و با داشتن آلفا،Mc را بدست می آوریم.
تا بدین جا میزان سیمان و آب را بدست آورده ایم.حال میبایست میزان مصالح سنگی را محاسبه نمائیم.در حقیقت مجموع حجم سیمان،آب،مصالح سنگی و هوا در در یک متر مکعب از بتن می بایست برابر با یک مترمکعب گردد.با نوشتن یک معادله ساده ریاضی در نهایت میزان مصالح سنگی در یک متر مکعب از بتن را بدست خواهیم آورد.
*محاسبه ضخامت مناسب بتن جهت بتن پاشی(shotcrete)در تونل
(t=0.433×((p×r)/T
(T=(0.2×σ)/(S.F
در روابط فوق داریم:
t:ضخامت بتن پاشی بر حسب متر.(معمولاً بین 15-10 سانتیمتر)
P:تنش وارده از سقف بلاواسطه به تونل بر حسب تن بر مترمربع.
**برای محاسبه تنش وارده از سقف بلاواسطه به تونل رجوع شود به:
کد:
برای مشاهده محتوا ، لطفا وارد شوید یا ثبت نام کنید
r:حداکثر شعاع تونل بر حسب متر.
T:مقاومت برشی بتن بر حسب تن بر مترمربع.
سیگما:مقاومت مورد انتظار از بتن بر حسب تن بر مترمربع.
S.F.:ضریب اطمینان:
برای تونلها معدنی:1.5-1.2
تونل های راه با طول عمر بالا:3-2
**منابع
1-کتاب تونلسازی آقای مهندس حسن مدنی/جلد چهارم/انتشارات دانشگاه صنعتی امیر کبیر.
2-گزیده ای از جزوات و دست نوشته ها.
سینا رستم آبادی دانشجوی کارشناسی مهندسی معدن(استخراج
جواب بصورت نقل قول
