استقرار المنحدرات الأرضية

محتوى الخبراء الأرشيفي والمخاطر الجسيمة: تحافظ المقالة على الحساب التاريخي لاستقرار المنحدر والرموز والصيغ والرسوم البيانية من النص الأصلي. إنها ليست دراسة جيوتقنية أو مشروع حفر أو سد أو حساب الاستقرار أو خطة الصرف الصحي أو تقييم الانهيارات الأرضية أو تعليمات العمل. يمكن للمنحدر غير المستقر أن يدفن الناس والمباني والطرق فجأة؛ يجب التعامل مع الشقوق والانتفاخات والمياه الغائمة والهبوط المفاجئ أو النزوح كسبب للابتعاد عن منطقة الخطر وتقييم مهني عاجل.

Savo Kusic اليوم على النوافذ الخشبية، نوافذ الخشب والألمنيوم، النوافذ المخصصة، الأبواب وطلبات عرض الأسعار. تظل هذه المقالة بمثابة أرشيف تقني ولا تمثل عرضًا للتصميم الجيوتقني أو الإشراف أو تنفيذ الأعمال الأرضية.

بالنسبة لأعمال الحفر التي تم إنشاؤها مثل القطع والسدود والقنوات، تنهار المنحدرات النهائية أحيانًا. ويمكن للمنحدر الطبيعي، بدون أعمال صناعية، أن يتحرك فجأة وبقوة كبيرة أو ببطء شديد. وكانت هذه الظواهر لفترة طويلة موضوعًا للدراسات الجيولوجية والجيوميكانيكية، بهدف تقييم ثباتها من الخصائص الفيزيائية للتربة وظروف كل حالة على حدة.

أسباب حركة الكتل الأرضية

شرط ثبات أي تربة سواء كانت ترابية صناعية أو تربة طبيعية هو أن يكون هناك توازن بين القوى الخارجية والمقاومة الداخلية للتربة. القوى الخارجية هي في المقام الأول وزن التربة، والتي عادة ما تكون القوة الخارجية الوحيدة، يليها أي حمل خارجي آخر يعمل على المنحدر، سواء كان دائمًا أو متحركًا. تتكون المقاومة الداخلية من التماسك والاحتكاك في التربة المرتبطة، والاحتكاك فقط في التربة غير المرتبطة.

الشكل. 1. منحدر سد التربة الرخوة

إذا لاحظنا سدًا بارتفاع h مصنوعًا من تربة فضفاضة تمامًا، على سبيل المثال رمل جاف مضغوط، فسنحدد أن منحدر هذا السد يميل بزاوية β إلى الأفقي (الشكل 1). يعتمد حجم الزاوية β على عدة عوامل مثل حجم الحبوب وشكل الحبوب والضغط. إذا قمنا بزيادة ارتفاع السد h إلى h1، h2، وما إلى ذلك مع نفس المادة غير المرتبطة بنفس الضغط، فلن تتغير الزاوية β، وسيظل منحدر السد على نفس المنحدر حتى ارتفاع غير محدود h. بالنسبة لتربة فضفاضة معينة، تكون زاوية الانحدار الطبيعية β مستقلة عن ارتفاع المنحدر h. يعتمد حجم الزاوية β للتربة غير المرتبطة على زاوية احتكاك التربة الداخلية φ ويفترض أنها أصغر منها بقليل أو تساويها β ≥ φ.

الشكل. 2. منحدر القطع في التربة المرتبطة

إذا لاحظنا قطعًا مصنوعًا في التربة المربوطة، فسنجد أن ميل القطع يظل تحت منحدر أقوى 1:m، أي بزاوية أكبر β بسبب حقيقة أن المقاومة الداخلية للتربة المربوطة تزداد عن طريق التماسك، وهو ما لا يوجد في الرمال الجافة (شكل 2). في أنواع معينة من التربة، مثل اللوس الجاف، يمكن أن يزيد التماسك من المقاومة الداخلية إلى حد أنه يمكن تثبيت التربة بجانب مقطوع رأسيًا، أي بزاوية β = 90°. ومع ذلك، إذا قمنا بزيادة ارتفاع القطع h في التربة المرتبطة إلى h1، h2، وما إلى ذلك، يجب تقليل زاوية ميل منحدر القطع β من أجل الحفاظ على ثبات المنحدر. لكل زاوية ميل β لمنحدر القطع في تربة محددة يوجد ارتفاع حرج واحد hc. إذا تجاوزنا هذا الارتفاع، فلن يبقى الميل AB في حالة توازن وسوف ينزلق على سطح منزلق CD (شكل 3). حدث الانزلاق بسبب خلل في التوازن بين القوة الخارجية ووزن كتلة الأرض والمقاومة الداخلية التي لم تعد كافية لمقاومة القوة الخارجية المتزايدة، أي زيادة وزن كتلة التربة الناتجة عن زيادة ارتفاع المنحدر h.

الشكل. 3. منحدر منحدر منزلق في التربة المتماسكة

يترتب على ما سبق أنه لا يمكن اعتماد زاوية الانحدار الطبيعي للتربة كقيمة ثابتة لتربة معينة، إذ أن قيمتها في جميع الظروف الأخرى تعتمد على ارتفاع المنحدر وتتناقص مع زيادة هذا الارتفاع. ومع ذلك، غالبًا ما يتم اعتمادها للمنحدرات ذات الارتفاعات الصغيرة كقيمة ثابتة، تعتمد على زاوية الاحتكاك الداخلي للتربة φ.

يمكن أن يحدث اضطراب في التوازن أيضًا دون زيادة ارتفاع القطع h، على سبيل المثال عندما تنخفض مقاومة التربة الداخلية. إن عناصر المقاومة الداخلية للتربة المربوطة، وهي التماسك والاحتكاك، متغيرة بشكل كبير وتعتمد على كمية الماء الموجودة في التربة. لذلك، في كثير من الحالات، يكون سبب الانزلاق هو التشبع الزائد للتربة المرتبطة بالمياه، والذي يمكن أن يكون كبيرًا لدرجة أن التربة لم تعد قادرة على دعم نفسها تحت أي منحدر، ولكنها تنزلق بسبب وزنها.

الشكل. 4. انزلاق التربة نتيجة تكوين الأسطح المنزلقة

هناك حالات مختلفة لانزلاق التربة بسبب انخفاض المقاومة الداخلية، وسنذكر هنا بعض الحالات المميزة.

تعليم الأسطح المنزلقة

إذا كانت هناك طبقة غير منفذة من الطين على منحدر أسفل الطبقة السطحية للتربة النفاذية (الشكل 4a)، أو إذا كانت هناك طبقة مائلة من الرمل في الطبقة الطينية (الشكل 4b)، والتي يمكن أن تصل إليها المياه الجوية أو السطحية (على سبيل المثال من خندق تصريف مهمل)، يمكن أن تحدث انهيارات أرضية. تمر كمية أكبر من الماء عبر الطبقة النفاذة إلى طبقة الطين، والتي تبللها بقوة، مما يقلل من مقاومتها على السطح، حيث تنزلق الطبقة العليا.

إخلال بالتوازن عن طريق القطع

يؤدي قطع القطع أثناء إنشاء السكك الحديدية والطرق إلى تعطيل حالة التوازن السابقة، لأنه في مقطع القطع تظل التربة بدون دعم وتميل إلى التحرك للأسفل بسبب الجاذبية. يمكن الحفاظ على حالة التوازن إذا كانت المقاومة الداخلية للتربة كبيرة بما يكفي لمواجهة هذا الميل، وهو أمر ممكن أيضًا عندما تتكون التربة المقطوعة من طبقات شديدة الميل نحو القطع.

الشكل. 5. انزلاق التضاريس بسبب القطع في طبقات التربة

ومع ذلك، إذا تم قطع طبقات التربة غير المنفذة والنفاذة بالتناوب (الشكل 5)، فهناك احتمالية ترشيح التربة المنفذة وترطيب التربة غير المنفذة، والتي يمكن أن يحدث انزلاق عليها.

عدم تجانس التربة

طبقات رقيقة من مادة غير منفذة في سد مصنوع من تربة نفاذية، ما يسمى العدسات الطينية (الشكل 6)، يمكن أن تسبب أيضًا انزلاقًا إذا وصلت إليها كمية كبيرة من الماء وتشكل سطحًا منزلقًا.

الشكل. 6. حالة انزلاق السد بسبب التركيب غير المتجانس

تأثير الصقيع

تحت تأثير الصقيع يتراكم الماء في الطبقة السطحية على شكل عدسات ثلجية. أثناء الذوبان، تتحول عدسات الجليد إلى ماء، مما يؤدي إلى زيادة تشبع التربة إلى عمق عمل الصقيع، ونتيجة لذلك تصبح كتلة سائلة وتفقد ثباتها.

تحدث هذه الحالة فقط في التربة المعرضة للصقيع ومع مدة صقيع أطول، لأن تكوين العدسات الجليدية يستغرق الكثير من الوقت.

انخفاض منسوب المياه الجوفية

عندما ينخفض منسوب المياه الجوفية بشكل دائم، على سبيل المثال بسبب القيام بأعمال في الأرض، تجف التربة، وإذا كانت طينية ذات انتفاخ كبير تظهر الشقوق. تدخل إليها كميات أكبر من المياه السطحية والجوية، مما يؤدي إلى ترطيب التربة وتقليل مقاومتها الداخلية، مما قد يؤدي أيضًا إلى انهيارات أرضية.

هناك أيضًا العديد من الحالات الأخرى لانزلاق التضاريس، لذلك يمكن اعتبار أن أي تربة متماسكة يمكن، في ظل ظروف معينة، أن تفقد مقاومتها الداخلية بدرجة أكبر أو أقل، وتحت تأثير القوى الخارجية، يمكن أن تتحرك.

تعتبر التربة غير المتماسكة مستقرة طالما كانت زاوية ميل المنحدر أصغر من زاوية الاحتكاك الداخلي للتربة. في هذا النوع من التربة، لا يحدث الانزلاق إلا إذا كانت زاوية الانحدار أكبر من زاوية الاحتكاك الداخلي. ومع ذلك، إذا كان السد مصنوعًا من مادة غير مرتبطة على تربة طينية، فقد تنزلق التربة الطينية وينهار السد، ومن الضروري التحقق من الثبات.

اختبار ثبات المنحدرات الأرضية

شكل السطح المنزلق

تم تحديد شرط التوازن بين القوى الخارجية ومقاومة التربة الداخلية بواسطة كولومب بمعادلته

τ ≥ c + σ tgϕ

حيث τ هو إجهاد قص التربة، c هو التماسك، σ هو الضغط الطبيعي على السطح المنزلق، ϕ هي زاوية الاحتكاك الداخلي.

إذا كانت المقاومة الداخلية للتربة والتماسك c والاحتكاك σ tgϕ غير كافية لمقاومة إجهاد القص للتربة، يحدث الانزلاق على سطح منزلق داخل التربة. هناك أشكال مختلفة من الأسطح المنزلقة، والتي تعتمد على الخصائص الفيزيائية للتربة، والطبقية، والرطوبة، والحمل الخارجي وعوامل أخرى.

تختلف حافظات الانزلاق النموذجية التالية وفقًا للموضع:

الشكل. 7. حالات نموذجية من الانهيارات الأرضية

a) انزلاق الجوانب الرأسية للقطع. في حالة قنوات إمدادات المياه والصرف الصحي وما إلى ذلك، والتي يتم حفرها بجوانب رأسية (الشكل 7a)، إذا تم تجاوز الارتفاع الحرج hc، والذي يعتمد على الخواص الفيزيائية للتربة، يحدث الانزلاق على السطح ADC. لا تكون هذه الانزلاقات عادةً على طول القناة بالكامل، ولكنها تكون موضعية، وهو ما يفسره قوة القص غير المتساوية للتربة.

b) الانزلاقات المنحدرة الجزئية (الشكل 7b). غالبًا ما تظهر هذه الانزلاقات في الربيع على قطع السكك الحديدية والطرق وتكون نتيجة تشبع التربة بالمياه.

c) الانزلاق على المنحدر ليلاً (شكل 7c). هو انزلاق كامل منحدر القطع أو السد إلى الساق C.

d) منحدر منزلق تحت الأقدام (الشكل 7d). إنه انزلاق كامل منحدر القطع أو السد والتربة تحت القاعدة. وتسمى هذه الشريحة أيضًا بكسر الطبقة السفلية أو الكسر السويدي، نسبة إلى السويديين الذين وصفوها لأول مرة.

بالنسبة لشكل السطح المنزلق، لا يمكن إلا أن ندعي أن السطح المنزلق في التربة المربوطة ليس مستقيماً، ولكنه سطح منحني. يتبنى بعض المؤلفين قوسًا دائريًا (فيلينيوس)، أو حلزونيًا لوغاريتميًا (ريندوليتش) أو مزيجًا من هذه الخطوط المنحنية (برينش هانسن) كشكل للسطح المنزلق.

تأثير ترشيح المياه على ثبات المنحدر

إذا كان هناك ماء خارجي بمستوى N1 (شكل 8) أمام المنحدر، يحدث تدفق للمياه في التربة خلف المنحدر، مما يسبب الضغط الداخلي للمياه في المسام، ونتيجة لذلك يقل الاحتكاك بين الجزيئات الصلبة ويزداد إجهاد القص في التربة.

إذا كان منسوب الماء N1 أمام المنحدر ثابتاً فإن عمود الماء H*γW يسبب ضغط الماء في مسام التربة مما يقلل الاحتكاك بين الجزيئات الصلبة، ونتيجة لذلك يزداد خطر انزلاق المنحدر. ومع ذلك، عندما يكون المستوى N1 ثابتًا، فإن ضغط عمود الماء H*γW يدفع الجزيئات الصلبة نحو داخل التربة، مما يؤدي إلى تقليل خطر انزلاق المنحدر إلى حد ما. في هذه الحالة، مع وجود مستوى مياه ثابت N1 أمام المنحدر، هناك خطر انزلاق منحدر أسفل النهر، لأن عملية ترشيح المياه في التربة تتسبب في دفع الجزيئات الصلبة نحو الخارج من منحدر أسفل النهر.

الشكل. 8. تأثير الترشيح على ثبات انحدار التربة

إذا انخفض منسوب المياه الخارجي بشكل حاد من مستوى N1 إلى N2 فإن استقرار منحدر المنبع مهدد. في هذه الحالة، يتدفق الماء الداخلي في المسام باتجاه الجانب الخارجي لمنحدر المنبع، مما يدفع الجزيئات الصلبة نحو ذلك الجانب.

ولهذا كله، إذا كان منحدر التربة مغمورًا بالمياه، فيجب أيضًا مراعاة تأثير ترشيح المياه عند اختبار ثبات المنحدر.

يعتمد تأثير ترشيح المياه في التربة على عدة عوامل أهمها نفاذية التربة، الضغط الهيدروستاتيكي للمياه الخارجية، معدل انخفاض مستوى المياه الخارجية و تجانس التربة.

إذا افترضنا أن السد في الشكل. 8 ذات كتلة متجانسة الخواص، تحت تأثير الضغط الهيدروستاتيكي للمياه الخارجية بمستوى N1، سوف تتدفق المياه في مسام السد في اتجاه المنحدر السفلي، حيث سينخفض ​​مستوى المياه الجوفية في السد مع طول الطريق المقطوع. إذا أدخلنا أنابيب مقياس الضغط AA’, BB’ و_CC’_ في السد (الشكل 9)، فإن المياه المسامية تحت تأثير الضغط الهيدروستاتيكي سوف تدخل هذه الأنابيب وترتفع إلى المستوى N1، والذي يمكن أن يكون هو نفسه في جميع الأنابيب، إذا تم تحديد النقاط A، B و_C_ بحيث تكون ارتفاعات عمود الماء في الأنابيب هي h1، h2 و h3.

الشكل. 9. الخطوط المتساوية والتيار

إذا أشرنا بواسطة h إلى ارتفاع مستوى الماء N1 فيما يتعلق ببعض المستويات المختارة بشكل تعسفي O-O، فإن الإمكانات h لجميع نقاط 3، A، B و_C_ هي نفسها. والخط الذي يصل بين هذه النقاط الثلاث هو الخط المتساوي الجهد. ولا يمكن للمياه الجوفية في التربة أن تتدفق على طول هذا الخط، ولكن فقط في اتجاه النقاط ذات الإمكانات الأقل.

بطريقة مماثلة يمكننا تحديد النقاط D و E و  F ذات الإمكانات الأقل h ― Δh بنفس الكتلة. الخط الذي يصل بين هذه النقاط الثلاث هو خط تساوي الجهد للجهد h ― Δh. تدفق الماء من النقطة A لخط تساوي الجهد ABC إلى نقطة قريبة لا نهائية D لخط تساوي الجهد DEF سوف يوجد في اتجاه أكبر قطرة هيدروليكية imax، أي في اتجاه أصغر مسافة Δlmin = AD. وهذا يعني أن الخط AD الذي يتدفق عبره الماء عمودي على خطي تساوي الجهد، لأن

imax = Δh / Δlmin

حيث Δlmin طبيعي لكلا خطي تساوي الجهد. تلك الخطوط الطبيعية لخطوط تساوي الجهد هي اتجاهات تدفق الماء في الكتلة المنفذة وتسمى خطوط التيار. يشكل مجتمع الخطوط المتساوية والتيار، المتعامدين بشكل متبادل مع بعضها البعض، شبكة تدفق.

شبكات التدفق لها أشكال مختلفة حسب نفاذية الكتلة. الحالة الأكثر شيوعًا هي السد المصنوع من كتلة منفذة على تربة غير منفذة، أي على التربة التي يمكن جعلها غير منفذة (الشكل 10). في هذه الحالة، إذا كان مستوى الماء الخارجي ثابتًا، تكون الخطوط الانسيابية في الجزء الأوسط من القطع المكافئ.

الشكل. 10. شبكة التدفق في سد منفذ على تربة غير منفذة

عند المنحدر العلوي، تتصل القطع المكافئة بالخطوط المتعامدة مع المنحدر، والتي تمثل خط تساوي الجهد، لأنه عند مستوى ثابت N1 لا يتدفق الماء إلى أسفل المنحدر. مع المنحدر السفلي، تنتهي القطع المكافئة بشكل مماسي للمنحدر، وهو ليس خط تساوي الجهد ولا خط تيار. يكون سطح التربة غير المنفذة أسفل السد انسيابيًا، لأن المياه الموجودة في قاع السد تتدفق بالتوازي مع هذا السطح. في الجزء العلوي، تنتهي شبكة التدفق بقطع مكافئ أساسي يسمى خط التسرب، والذي يمثل حدود التربة تحت عملية الترشيح. وتحت هذا الحد تكون التربة تحت تأثير الترشيح بفعل الضغط الهيدروستاتيكي للمياه الخارجية H*γW، بينما لا يوجد ترشيح في التربة التي فوقها. ويسمى خط التسرب أيضًا بخط التشبع، حيث من المفترض أن تكون التربة الموجودة تحته مشبعة بالماء تمامًا، بينما فوقها مشبعة جزئيًا.

يجب أن يشمل تقييم المنحدر الفعلي التحقيق والتقسيم الطبقي ومعلمات القوة والمياه الجوفية والسطحية وتغييرات المستوى والصرف والزلازل ومراحل الحفر أو التعبئة والهياكل المجاورة والظروف المؤقتة. إن الحفر بدون حماية مناسبة والدخول إلى منطقة الانهيارات الأرضية المحتملة ليس آمنًا بناءً على النص العام أو شكل المنحدر نفسه.