پایداری شیب های زمین

محتوای متخصص بایگانی و خطر جدی: مقاله گزارش تاریخی پایداری شیب، نمادها، فرمول ها و نمودارها را از متن اصلی حفظ می کند. این یک مطالعه ژئوتکنیکی، پروژه حفاری یا خاکریزی، محاسبه پایداری، طرح زهکشی، ارزیابی زمین لغزش یا دستورالعمل کار نیست. یک شیب ناپایدار می تواند به طور ناگهانی افراد، ساختمان ها و جاده ها را مدفون کند. ترک های مشاهده شده، برآمدگی ها، آب کدر، نشست یا جابجایی ناگهانی باید به عنوان دلیلی برای دور شدن از منطقه خطر و ارزیابی فوری حرفه ای تلقی شود.

اطلاعات مرتبط: پنجره های چوبی ساخته شده بر اساس پروژه شما. · پنجره های چوبی آلومینیومی سفارشی. · پنجره های سفارشی برای خانه ها، پروژه ها و صادرات. · دربهای چوبی و چوبی آلومینیومی سفارشی. · یک درخواست قیمت ارسال کنید.

برای سازه های خاکی ساخته شده مانند بریدگی ها، خاکریزها و کانال ها، گاهی اوقات شیب های نهایی فرو می ریزند. و یک شیب طبیعی بدون آثار مصنوعی می تواند به صورت ناگهانی و با نیروی زیاد یا بسیار آهسته حرکت کند. این پدیده ها از دیرباز موضوع مطالعات زمین شناسی و ژئومکانیکی با هدف ارزیابی پایداری از روی ویژگی های فیزیکی خاک و شرایط هر مورد جداگانه بوده است.

علل حرکت توده های زمین

شرط پایداری هر خاکی اعم از شی زمینی مصنوعی یا خاک طبیعی این است که بین نیروهای خارجی و مقاومت داخلی خاک تعادل وجود داشته باشد. نیروهای خارجی در درجه اول وزن خود خاک است که معمولاً تنها نیروی خارجی است و به دنبال آن هر بار خارجی دیگری که بر روی شیب وارد می شود، دائمی یا متحرک است. مقاومت داخلی شامل چسبندگی و اصطکاک در خاک محدود و فقط اصطکاک در خاک غیرمحرک است.

شکل. 1. شیب خاکریزی سست

اگر خاکریزی به ارتفاع h را مشاهده کنیم که از خاک کاملا سست ساخته شده است، برای مثال ماسه فشرده خشک، مشخص می‌کنیم که شیب آن خاکریز با زاویه β نسبت به افقی متمایل است (شکل 1). اندازه زاویه β به عوامل مختلفی مانند اندازه دانه، شکل دانه و تراکم بستگی دارد. اگر ارتفاع خاکریز h را به h1، h2 و غیره با همان مواد غیرمحصولی از همان تراکم افزایش دهیم، زاویه β تغییر نمی کند، شیب خاکریز تا ارتفاع نامحدود h در همان شیب باقی می ماند. برای یک خاک سست معین، زاویه شیب طبیعی β مستقل از ارتفاع شیب h است. اندازه زاویه β در خاک سست به زاویه اصطکاک داخلی خاک φ بستگی دارد و در نظر گرفته می شود که کمی کوچکتر از آن یا مساوی آن β ≤ φ باشد.

شکل. 2. شیب برش در خاک منسجم

اگر به برشی که در خاک بسته شده نگاه کنیم، متوجه می شویم که شیب برش در زیر شیب قوی تری نگه داشته می شود.1:m، یعنی در زاویه بزرگتر β به دلیل این واقعیت است که مقاومت داخلی خاک محدود شده توسط انسجام افزایش می یابد، که در ماسه خشک وجود ندارد (شکل 1).2). در انواع خاصی از خاک، مانند لس خشک، انسجام می تواند مقاومت داخلی را به حدی افزایش دهد که بتوان خاک را با یک سمت برش عمودی، یعنی در زاویه β = نگه داشت.90درجه اما اگر ارتفاع برش h را در خاک مقید به h افزایش دهیم1، ح2 و غیره، زاویه شیب مخروط برش β باید کاهش یابد تا اریب در پایداری حفظ شود. برای هر زاویه شیب β شیب برش در یک خاک محدود معین یک ارتفاع بحرانی hc وجود دارد. اگر از این ارتفاع تجاوز کنیم، شیب AB متعادل نمی شود و روی سطح کشویی CD می لغزد (شکل.3). لغزش به دلیل اختلال در تعادل بین نیروی خارجی، وزن خود جرم زمین و مقاومت داخلی رخ داد که دیگر برای مقابله با افزایش نیروی خارجی، یعنی به دلیل افزایش وزن توده خاک ناشی از افزایش ارتفاع شیب h کافی نبود.

Sl.3. شیب برش در خاک منسجم

از موارد فوق نتیجه می‌شود که زاویه شیب طبیعی خاک را نمی‌توان به عنوان یک مقدار ثابت برای خاک معین در نظر گرفت، زیرا مقدار آن در سایر شرایط به ارتفاع شیب بستگی دارد و با افزایش این ارتفاع کاهش می‌یابد. با این حال، اغلب برای شیب های ارتفاعات کوچک به عنوان یک مقدار ثابت، بسته به زاویه اصطکاک داخلی خاک φ استفاده می شود.

اختلال تعادل همچنین می تواند بدون افزایش ارتفاع برش h رخ دهد، برای مثال زمانی که مقاومت داخلی خاک کاهش می یابد. عناصر مقاومت داخلی خاک محدود، چسبندگی و اصطکاک، بسیار متغیر بوده و به میزان آب موجود در خاک بستگی دارد. بنابراین در بسیاری از موارد علت لغزش اشباع بیش از حد خاک محصور در آب است که می تواند به حدی باشد که خاک دیگر قادر به نگه داشتن خود در زیر هیچ شیبی نیست، بلکه به دلیل وزن خود سر می خورد.

شکل. 4. سرخوردن خاک به دلیل تشکیل سطوح لغزنده

در اثر کاهش مقاومت داخلی موارد مختلفی از سر خوردن خاک وجود دارد که در اینجا به چند مورد مشخصه آن اشاره می کنیم.

آموزش سطوح کشویی

اگر در یک شیب زیر لایه سطحی خاک نفوذپذیر یک لایه خاک رس نفوذ ناپذیر وجود داشته باشد (شکل 4a)، یا اگر یک لایه ماسه شیبدار در لایه رس وجود داشته باشد (شکل 4b)، که به عنوان مثال، ریزش های جوی یا سطحی می تواند به آن برسد. می تواند رخ دهد. مقدار بیشتری آب از لایه نفوذ پذیر به لایه رس می گذرد که آن را به شدت خیس می کند و مقاومت آن را در سطح کاهش می دهد، جایی که لایه بالایی می لغزد.

برهم زدن تعادل با برش دادن

بریده شدن بریدگی ها در حین ساخت راه آهن و جاده، حالت تعادل قبلی را به هم می زند، زیرا در پروفیل برش خاک بدون تکیه گاه باقی می ماند و در اثر گرانش به سمت پایین تمایل دارد. اگر مقاومت داخلی خاک به اندازه کافی بزرگ باشد که این تمایل را خنثی کند، می توان وضعیت تعادل را حفظ کرد، که همچنین زمانی ممکن است که خاک بریده شده از لایه های بسیار متمایل به سمت برش تشکیل شده باشد.

شکل. 5. لغزش زمین به دلیل برش در خاک لایه ای

اما اگر لایه‌هایی از خاک متناوب غیر قابل نفوذ و نفوذپذیر بریده شود (شکل 5)، امکان شستشوی خاک نفوذپذیر و مرطوب شدن خاک غیرقابل نفوذ وجود دارد که ممکن است لغزش روی آن رخ دهد.

ناهمگنی خاک

لایه‌های نازک از مواد غیرقابل نفوذ در خاکریزی ساخته شده از خاک نفوذپذیر، به اصطلاح عدسی‌های رسی (شکل 6) نیز می‌توانند باعث لغزش در صورت رسیدن مقدار زیادی آب و تشکیل یک سطح لغزنده شوند.

شکل. 6. مورد سر خوردن خاکریز به دلیل ترکیب ناهمگن

اثر یخبندان

در اثر یخبندان، آب به صورت لنزهای یخی در لایه سطحی تجمع می یابد. در حین ذوب، عدسی‌های یخ به آب تبدیل می‌شوند که خاک را تا عمق عمل یخبندان فوق‌العاده اشباع می‌کند و در نتیجه تبدیل به یک توده مایع می‌شود و پایداری خود را از دست می‌دهد.

این مورد فقط در خاک های خطرناک یخبندان و با مدت زمان طولانی یخبندان رخ می دهد، زیرا برای تشکیل عدسی های یخی زمان زیادی می برد.

کاهش سطح آب زیرزمینی

وقتی سطح آب زیرزمینی برای همیشه پایین می‌آید، مثلاً به دلیل انجام کار در زمین، خاک خشک می‌شود و اگر خاک رس باشد که تورم زیادی داشته باشد، ترک‌هایی ایجاد می‌شود. مقدار زیادی آب سطحی و جوی وارد آنها می شود و خاک را خیس می کند و مقاومت داخلی آن را کاهش می دهد که می تواند منجر به رانش زمین نیز شود.

همچنین موارد بسیار دیگری از لغزش زمین وجود دارد، بنابراین می‌توان در نظر گرفت که هر خاک منسجمی می‌تواند در شرایط خاصی مقاومت داخلی خود را کم و بیش از دست بدهد و تحت تأثیر نیروهای خارجی به حرکت درآید.

خاک نامنسجم تا زمانی که زاویه شیب کمتر از زاویه اصطکاک داخلی خاک باشد پایدار است. با این نوع خاک، لغزش تنها در صورتی رخ می دهد که زاویه شیب بیشتر از زاویه اصطکاک داخلی باشد. با این حال، اگر خاکریزی از مواد غیر چسبیده روی خاک رسی ساخته شود، ممکن است خاک رسی بلغزد و خاکریز فرو بریزد و لازم است که پایداری آن بررسی شود.

تست پایداری شیب های خاکی

شکل سطح کشویی

شرط تعادل بین نیروهای خارجی و مقاومت داخلی خاک توسط کولن با معادله خود

τ ≤ c + σ tgϕ

جایی که τ تنش برشی خاک، c چسبندگی، σ تنش نرمال روی سطح لغزش، ϕ زاویه اصطکاک داخلی است.

اگر مقاومت داخلی خاک، انسجام c و اصطکاک σ tgϕ برای مقابله با تنش برشی خاک کافی نباشد، لغزش روی سطح لغزشی داخل خاک رخ می دهد. سطوح کشویی اشکال مختلفی دارد که به خصوصیات فیزیکی خاک، لایه‌بندی، رطوبت، بار خارجی و عوامل دیگر بستگی دارد.

موارد لغزش معمولی زیر بر اساس موقعیت متفاوت هستند:

شکل. 7. موارد معمولی زمین لغزش

a) لغزش اضلاع عمودی برش. در مورد کانال های آبرسانی، فاضلاب و غیره که با اضلاع عمودی حفر می شوند (شکل 7a)، در صورت تجاوز از ارتفاع بحرانی hc که به خصوصیات فیزیکی خاک بستگی دارد، لغزش روی سطح ADC رخ می دهد. این لغزش ها معمولاً در تمام طول کانال نیستند، بلکه موضعی هستند که با مقاومت برشی ناهموار خاک توضیح داده می شود.

b) لغزش های جزئی شیب (شکل 7b). این لغزش ها اغلب در فصل بهار روی قلمه های راه آهن و جاده ظاهر می شود و در نتیجه اشباع بیش از حد خاک از آب است.

c) لغزش شیب در شب (شکل 7c). لغزش کل شیب برش یا خاکریز به سمت پای C است.

d) شیب کشویی زیر پا (شکل 7d). لغزش تمام شیب برش یا خاکریز و خاک زیر پایه است. این اسلاید به نام سوئدی‌هایی که برای اولین بار آن را توصیف کردند، شکستگی زیرین یا شکستگی سوئدی نیز نامیده می‌شود.

با توجه به شکل سطح لغزش، فقط می توان ادعا کرد که سطح لغزش در خاک محصور شده مستقیم نیست، بلکه یک سطح منحنی است. برخی از نویسندگان، یک قوس دایره‌ای (Fellenius)، یک مارپیچ لگاریتمی (Rendulić) یا ترکیبی از این خطوط منحنی (Brinch Hansen) را به‌عنوان شکل سطح لغزش می‌پذیرند.

اثر فیلتراسیون آب بر پایداری شیب

در صورت وجود آب خارجی در جلوی شیب با تراز N1 (شکل8، جریان آب در خاک پشت شیب ایجاد می شود که باعث فشار داخلی آب در منافذ می شود که در نتیجه اصطکاک بین ذرات جامد کاهش یافته و تنش برشی در خاک افزایش می یابد.

اگر سطح N باشد1 آب در جلوی شیب یک ستون آب ثابت H*γW باعث فشار آب در منافذ خاک می شود که اصطکاک بین ذرات جامد را کاهش می دهد و در نتیجه خطر سر خوردن شیب افزایش می یابد. با این حال، زمانی که سطح N باشد1 ثابت، فشار ستون آب H*γW ذرات جامد را به سمت داخل خاک می راند که در نتیجه خطر لغزش شیب تا حدودی کاهش می یابد. در این حالت در سطح ثابت آب N1 در مقابل شیب خطر لغزش شیب پایین دست وجود دارد زیرا اثر تصفیه آب در خاک باعث رانده شدن ذرات جامد در جهت ضلع خارجی شیب پایین دست می شود.

Sl.8. تاثیر فیلتراسیون بر پایداری شیب خاک

اگر سطح آب خارجی به شدت از سطح N کاهش یابد1 در _ ن2_ آنگاه پایداری شیب بالادست به خطر می افتد. در این حالت، آب حفره داخلی به سمت بیرونی شیب بالادست جریان می یابد و ذرات جامد را به سمت آن سمت هل می دهد.

به دلیل همه این موارد، اگر شیب خاک در آب غوطه ور شود، هنگام آزمایش پایداری شیب باید اثر فیلتراسیون آب نیز در نظر گرفته شود.

تاثیر فیلتراسیون آب در خاک به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آنها نفوذپذیری خاک، فشار هیدرواستاتیکی آب خارجی، نرخ کاهش سطح آب خارجی و همگنی خاک می باشد.

اگر فرض کنیم که خاکریز در شکل. 8 با جرم همسانگرد همگن، تحت تاثیر فشار هیدرواستاتیکی آب خارجی سطح N1، آب در منافذ خاکریز در جهت شیب پایین دست جریان می‌یابد که در نتیجه با طی شدن طول جاده، سطح آب زیرزمینی در خاکریز کاهش می‌یابد. اگر لوله‌های پیزومتر _AA’،_BB’ و CC’ را وارد خاکریز کنیم (شکل 9)، آب حفره‌ای تحت تاثیر فشار هیدرواستاتیکی وارد این لوله‌ها می‌شود و تا سطح N1 بالا می‌رود که می‌تواند در همه لوله‌ها یکسان باشد، در صورتی که نقاط A، _C در ستون‌ها، ارتفاع لوله‌ها و نقطه‌های _C در ستون و ارتفاع آن‌ها انتخاب شده باشد. h1، h2 و h3.

شکل. 9. خطوط هم پتانسیل و جریان

اگر ارتفاع سطح آب N1 را نسبت به صفحه O-O به طور دلخواه انتخاب شده با h نشان دهیم، آنگاه پتانسیل h برای تمام نقاط 3، A، B و C یکسان است. خطی که این سه نقطه را به هم وصل می کند، خط هم پتانسیل است. آب زیرزمینی در خاک نمی تواند در امتداد آن خط جریان داشته باشد، بلکه فقط در جهت نقاطی با پتانسیل پایین تر جریان دارد.

به روشی مشابه می‌توانیم نقاط D، E و  F را با پتانسیل پایین‌تر h ―Δh در جرم یکسان انتخاب کنیم. خطی که این سه نقطه را به هم می پیوندد، خط هم پتانسیل پتانسیل h ― Δh. جریان آب از نقطه A خط هم پتانسیل ABC به نقطه بی نهایت نزدیک D از خط هم پتانسیل DEF در جهت بزرگترین افت هیدرولیکی imax، یعنی در جهت ADl =_ کوچکترین وجود خواهد داشت. این بدان معناست که خط AD که آب در امتداد آن جریان دارد بر هر دو خط هم پتانسیل عمود است، زیرا

imax = Δh / Δlmin

جایی که Δlmin برای هر دو خط هم پتانسیل نرمال است. آن نرمال ها به خطوط هم پتانسیل جهت جریان آب در جرم نفوذپذیر هستند و به آنها خطوط جریان می گویند. اجتماع خطوط هم پتانسیل و جریان، متقابلاً عمود بر یکدیگر، یک شبکه جریان را تشکیل می دهند.

شبکه های جریان با توجه به نفوذپذیری جرم، اشکال مختلفی دارند. رایج‌ترین مورد، خاکریزی است که از توده نفوذپذیر روی خاک غیرقابل نفوذ ساخته شده است، یعنی روی خاکی که می‌توان آن را غیرقابل نفوذ کرد (شکل 10). در این حالت، اگر سطح آب خارجی ثابت باشد، خطوط جریان در قسمت میانی سهمی خود قرار دارند.

شکل. 10. شبکه جریان در خاکریز نفوذپذیر در خاک نفوذ ناپذیر

در شیب بالادست، سهمی‌ها به خطوط عمود بر شیب می‌پیوندند که نشان‌دهنده خط هم‌پتانسیل است، زیرا در یک سطح ثابت N1 آب از شیب پایین جریان نمی‌یابد. با شیب پایین دست، سهمی ها مماس به شیب ختم می شوند که نه خط هم پتانسیل است و نه خط جریان. سطح خاک نفوذ ناپذیر در زیر خاکریز یک خط جریان است، زیرا آب در پایین خاکریز به موازات این سطح جریان دارد. در قسمت بالایی، شبکه جریان با یک سهمی اساسی به نام خط تراوش خاتمه می یابد که نشان دهنده مرز خاک تحت عمل فیلتراسیون است. در زیر این حد، خاک در اثر فشار هیدرواستاتیکی آب خارجی H*γW تحت اثر فیلتراسیون قرار می گیرد در حالی که در خاک بالای آن فیلتراسیون وجود ندارد. خط تراوش را خط اشباع نیز می نامند، زیرا فرض می شود که خاک زیر آن کاملاً از آب اشباع شده است، در حالی که در بالای آن تا حدی اشباع شده است.

ارزیابی شیب واقعی باید شامل بررسی، لایه‌بندی، پارامترهای مقاومت، آب‌های زیرزمینی و سطحی، تغییرات سطح، فازهای زهکشی، لرزه‌ای، حفاری یا پس‌پر کردن، سازه‌های مجاور و شرایط موقت باشد. حفاری بدون حفاظت مناسب و ورود به منطقه لغزش احتمالی بر اساس متن کلی یا شکل خود شیب ایمن نیست.