יציבות מדרונות כדור הארץ

תוכן מומחה בארכיון וסיכון רציני: המאמר משמר את התיאור ההיסטורי של יציבות המדרון, סמלים, נוסחאות ודיאגרמות מהטקסט המקורי. לא מדובר במחקר גיאוטכני, פרויקט חפירה או סוללה, חישוב יציבות, תכנית ניקוז, הערכת מפולות או הוראות עבודה. מדרון לא יציב יכול פתאום לקבור אנשים, מבנים וכבישים; יש להתייחס לסדקים שנצפו, בליטות, מים עכורים, שקיעה פתאומית או עקירה כסיבה להתרחקות מאזור הסכנה והערכה מקצועית דחופה.

כיום, סאבו קושיץ’ מתמקד בחלונות עץ, חלונות עץ-אלומיניום, חלונות מותאמים אישית, דלת ו-בקשות להצעת מחיר. מאמר זה נשאר כארכיון טכני ואינו מייצג הצעה לתכנון גיאוטכני, פיקוח או ביצוע עבודות עפר.

עבור עבודות עפר בנויות כמו חתכים, סוללות ותעלות, המדרונות הסופיים קורסים לפעמים. ומדרון טבעי, ללא יצירות מלאכותיות, יכול לנוע בפתאומיות ובעוצמה רבה או לאט מאוד. תופעות אלו היו נושא למחקרים גיאולוגיים וגאומכניים זה מכבר, במטרה להעריך את היציבות מהמאפיינים הפיזיים של הקרקע והתנאים של כל מקרה לגופו.

סיבות לתנועה של מסת כדור הארץ

התנאי ליציבות של כל אדמה, בין אם חפץ אדמה מלאכותי או אדמה טבעית, הוא שיש איזון בין כוחות חיצוניים להתנגדות פנימית של הקרקע. כוחות חיצוניים הם בעיקר משקלה של הקרקע, שהוא בדרך כלל הכוח החיצוני היחיד, ואחריו כל עומס חיצוני אחר הפועל על המדרון, קבוע או נע. ההתנגדות הפנימית מורכבת מלכידות וחיכוך באדמה קשורה, ורק חיכוך באדמה לא קשורה.

איור. 1. שיפוע סוללת אדמה רופפת

אם נצפה בסוללה בגובה h העשויה מאדמה רופפת לחלוטין, למשל חול דחוס יבש, נקבע כי השיפוע של אותה סוללה נוטה בזווית β לאופק (איור 1). גודל הזווית β תלוי במספר גורמים כמו גודל גרגר, צורת גרגר ודחיסה. אם נגדיל את גובה הסוללה h ל-h1, h2 וכו’ עם אותו חומר לא קשור מאותה דחיסה, הזווית β לא תשתנה, שיפוע הסוללה יישאר באותו שיפוע עד לגובה בלתי מוגבל h. עבור אדמה רופפת נתונה, זווית השיפוע הטבעית β אינה תלויה בגובה השיפוע h. גודל הזווית β עבור אדמה לא קשורה תלוי בזווית של חיכוך הקרקע הפנימי φ ויש להניח שהיא קטנה ממנה במקצת, או שווה לה, β ≤ φ.

איור. 2. שיפוע חיתוך באדמה קשורה

אם נסתכל על חתך שנעשה באדמה קשורה, נגלה ששיפוע החיתוך נשמר מתחת למדרון חזק יותר1:m, כלומר בזווית גדולה יותר β בשל העובדה שההתנגדות הפנימית של האדמה הכרוכה מוגברת על ידי לכידות, שאינה קיימת בחול יבש (איור 1).2). בסוגי אדמה מסוימים, כמו לס יבש, לכידות יכולה להגביר את ההתנגדות הפנימית עד כדי כך שניתן להחזיק את האדמה עם צד חתוך אנכית, כלומר בזווית β =90°. עם זאת, אם נגדיל את גובה החיתוך h באדמה קשורה ל-h1, ח2 וכו’, יש להקטין את זווית הנטייה של השיפוע של החתך β כדי לשמור על יציבות השיפוע. עבור כל זווית שיפוע β של שיפוע החתך באדמה מוגבלת נתונה יש גובה קריטי אחד hc. אם נחרוג מגובה זה, השיפוע AB לא יישמר באיזון והוא יחליק על משטח הזזה CD (איור.3). ההחלקה התרחשה עקב הפרעה באיזון בין הכוח החיצוני, המשקל העצמי של מסת האדמה וההתנגדות הפנימית, שלא הספיקה עוד כדי להתנגד לכוח החיצוני המוגבר, כלומר למשקל המוגבר של מסת הקרקע שנגרם מהעלייה בגובה המדרון h.

Sl.3. שיפוע החיתוך באדמה מלוכדת

מהאמור לעיל עולה שלא ניתן לאמץ את זווית השיפוע הטבעי של הקרקע כערך קבוע לקרקע הנתונה, שכן ערכה בכל שאר התנאים תלוי בגובה השיפוע ויורד עם עליית גובה זה. עם זאת, הוא מאומץ לעתים קרובות עבור מדרונות של גבהים קטנים כערך קבוע, תלוי בזווית של חיכוך הקרקע הפנימי φ.

הפרעה בשיווי המשקל יכולה להתרחש גם ללא הגדלת גובה החתך h, למשל כאשר ההתנגדות הפנימית של האדמה יורדת. מרכיבי ההתנגדות הפנימית של אדמה קשורה, לכידות וחיכוך, משתנים מאוד ותלויים בכמות המים בקרקע. לכן, במקרים רבים, הגורם להחלקה הוא רוויית יתר של אדמה הקשורה במים, שיכולה להיות כה גדולה עד שהאדמה כבר לא מסוגלת לפרנס את עצמה מתחת לאף מדרון, אלא מחליקה בשל משקלה.

איור. 4. החלקת אדמה עקב היווצרות משטחי הזזה

ישנם מקרים שונים של החלקת קרקע עקב הפחתת ההתנגדות הפנימית, מהם נזכיר כאן כמה אופייניים.

חינוך של משטחי הזזה

אם יש שכבת חימר אטומה במדרון מתחת לשכבת פני השטח של אדמה חדירה (איור 4a), או אם יש שכבת חול משופעת בשכבת החרסית (איור 4b), שאליה ניתן להזניח מים (לדוגמה או פני השטח) מפולות עלולות להתרחש. כמות גדולה יותר של מים עוברת דרך השכבה החדירה לשכבת החרסית, אותה היא מרטיבה בחוזקה, ומפחיתה את התנגדותה על פני השטח, שם השכבה העליונה מחליקה.

הפרעה באיזון על ידי חיתוך חתך

חיתוך חתכים במהלך בניית מסילות ברזל וכבישים משבש את מצב האיזון הקודם, מכיוון שבפרופיל החתך האדמה נשארת ללא תמיכה ונוטה לנוע כלפי מטה עקב כוח הכבידה. ניתן לשמור על מצב של שיווי משקל אם ההתנגדות הפנימית של האדמה גדולה מספיק כדי לנטרל נטייה זו, מה שמתאפשר גם כאשר האדמה החתוכה מורכבת משכבות נטויות חזקות לכיוון החתך.

איור. 5. החלקת שטח עקב חיתוך באדמה מרובדת

עם זאת, אם חותכים לסירוגין שכבות של אדמה אטומה וחדירה (איור 5), ישנה אפשרות לשטיפה של האדמה החדירה והרטבה של הקרקע האטומה, שעליה יכולה להתרחש החלקה.

חוסר אחידות קרקע

שכבות דקות של חומר אטום בסוללה העשויה מאדמה חדירה, מה שנקרא עדשות חימר (איור 6), עלולות לגרום להחלקה גם אם כמות גדולה של מים מגיעה אליהן ויוצרות משטח הזזה.

איור. 6. מקרה של החלקת סוללה עקב הרכב לא הומוגני

השפעת הכפור

בהשפעת הכפור, מים מצטברים בשכבת פני השטח בצורה של עדשות קרח. במהלך ההפשרה, עדשות הקרח הופכות למים, אשר מרווים את האדמה עד לעומק פעולת הכפור, וכתוצאה מכך היא הופכת לגוש נוזלי ומאבדת את יציבותה.

מקרה זה מתרחש רק באדמה מסוכנת לכפור ועם משך כפור ארוך יותר, מכיוון שלוקח זמן רב להיווצרות עדשות קרח.

הורדת מפלס מי תהום

כאשר מפלס מי התהום יורדת לצמיתות, למשל עקב ביצוע עבודות בקרקע, האדמה מתייבשת ואם מדובר בחימר בעל התנפחות גדולה, מופיעים סדקים. כמויות גדולות יותר של מים עיליים ואטמוספריים נכנסים אליהם, מרטיבים את הקרקע ומפחיתים את ההתנגדות הפנימית שלה, מה שעלול להוביל גם למפולות.

ישנם גם מקרים רבים אחרים של החלקת שטח, כך שניתן להתייחס לכך שכל אדמה קוהרנטית עלולה, בנסיבות מסוימות, לאבד את ההתנגדות הפנימית שלה במידה רבה יותר או פחות ובהשפעת כוחות חיצוניים, להתניע.

אדמה לא קוהרנטית יציבה כל עוד זווית הנטייה של המדרון קטנה מזווית החיכוך הפנימי של הקרקע. עם סוג זה של אדמה, החלקה מתרחשת רק אם זווית המדרון גדולה מזו של החיכוך הפנימי. אולם אם סוללה עשויה מחומר לא קשור על אדמת חרסית, האדמה החרסית עלולה להחליק והסוללה להתמוטט ויש צורך לבדוק את היציבות.

בדיקת היציבות של מדרונות כדור הארץ

צורת משטח הזזה

מצב האיזון בין כוחות חיצוניים והתנגדות קרקע פנימית נקבע על ידי קולומב עם המשוואה שלו

τ ≤ c + σ tgϕ

כאשר τ הוא מתח הגזירה של הקרקע, c הוא הלכידות, σ הוא הלחץ הרגיל על משטח ההחלקה, ϕ הוא זווית החיכוך הפנימי.

אם ההתנגדות הפנימית של הקרקע, הלכידות c והחיכוך σ tgϕ אינם מספיקים כדי להתנגד ללחץ הגזירה של הקרקע, החלקה מתרחשת על משטח הזזה בתוך האדמה. ישנן צורות שונות של משטחי הזזה, התלויים בתכונות הפיזיקליות של הקרקע, ריבוד, לחות, עומס חיצוני וגורמים נוספים.

מקרי ההזזה האופייניים הבאים שונים בהתאם למיקום:

איור. 7. מקרים אופייניים של מפולות

a) הזזה של הצדדים האנכיים של החתך. במקרה של תעלות לאספקת מים, ביוב וכדומה, שנחפרו עם דפנות אנכיות (איור 7a), במידה וחורג מהגובה הקריטי hc, התלוי בתכונות הפיזיקליות של הקרקע, מתרחשת החלקה על פני השטח ADC. החלקות אלו בדרך כלל אינן לכל אורך התעלה, אלא הן מקומיות, מה שמוסבר על ידי חוזק הגזירה הלא אחיד של הקרקע.

b) החלקות בשיפוע חלקי (איור 7b). החלקות אלו מופיעות לעתים קרובות באביב בגזרי רכבת וכבישים והן תוצאה של רוויה יתר של האדמה במים.

c) החלקה של מדרון בלילה (איור 7c). זוהי החלקה של כל שיפוע החתך או הסוללה אל הרגל C.

d) החלקה של מדרון מתחת לרגליים (איור 7d). זוהי החלקה של כל המדרון של החיתוך או הסוללה והאדמה מתחת לבסיס. מגלשה זו נקראת גם שבר תת-קרקעי או שבר שוודי, על שם השוודים שתיארו זאת לראשונה.

לגבי צורת משטח ההזזה, ניתן רק לטעון שמשטח ההזזה באדמה קשורה אינו ישר, אלא מדובר במשטח מעוקל. מחברים מסוימים מאמצים קשת מעגלית (Fellenius), ספירלה לוגריתמית (Rendulić) או שילוב של קווים מעוקלים אלה (Brinch Hansen) כצורת משטח ההזזה.

השפעת סינון מים על יציבות המדרונות

אם יש מים חיצוניים מול המדרון ברמה של N1 (איור8), מתרחשת זרימת מים בקרקע שמאחורי המדרון, מה שגורם ללחץ מים פנימי בנקבוביות, כתוצאה מכך החיכוך בין חלקיקים מוצקים פוחת ועומדת הגזירה בקרקע.

אם הרמה היא N1 של מים מול המדרון עמודת מים קבועה H*γW גורמת ללחץ מים בנקבוביות הקרקע, מה שמפחית את החיכוך בין חלקיקים מוצקים, וכתוצאה מכך גוברת סכנת ההחלקה בשיפוע. עם זאת, כאשר הרמה היא N1 קבוע, לחץ עמודת המים H*γW דוחף את החלקיקים המוצקים לכיוון פנים הקרקע, עקב כך מצטמצמת במידת מה סכנת ההחלקה של המדרון. במקרה זה, במפלס מים קבוע N1 מול המדרון קיימת סכנת החלקה של המדרון במורד הזרם, מכיוון שהשפעת סינון המים בקרקע גורמת לדחיפת חלקיקים מוצקים לכיוון הצד החיצוני של המדרון במורד הזרם.

Sl.8. השפעת הסינון על יציבות מדרון הקרקע

אם מפלס המים החיצוני יורד בחדות מרמת N1 על N2 אזי יציבות המדרון במעלה הזרם מאוימת. במקרה זה, מי הנקבוביות הפנימיות זורמים לכיוון הצד החיצוני של המדרון במעלה הזרם, ודוחפים את החלקיקים המוצקים לכיוון אותו צד.

בגלל כל זה, אם שיפוע הקרקע שקוע במים, יש לקחת בחשבון גם את השפעת סינון המים בעת בדיקת יציבות המדרון.

השפעת סינון המים בקרקע תלויה במספר גורמים, שהחשובים שבהם הם חדירת הקרקע, לחץ הידרוסטטי של המים החיצוניים, קצב ירידת מפלס המים החיצוני ו_הומוגניות של הקרקע_.

אם נניח שהסוללה באיור. 8 בעל מסה איזוטרית הומוגנית, בהשפעת לחץ הידרוסטטי של מים חיצוניים ברמה N1, מים יזרמו בנקבוביות הסוללה לכיוון המדרון במורד הזרם, לפיה מפלס מי התהום בסוללה תקטן עם אורך הדרך שנסעה. אם נכניס לסוללה צינורות פיזומטר AA’, BB’ ו_CC’_ לסוללה (איור 9), המים הנקבוביים בהשפעת לחץ הידרוסטטי ייכנסו לצינורות הללו ויעלו לרמה N1, שיכולה להיות זהה בכל הצינורות, אם הנקודות B_A נבחרות כך שהנקודות B_A יבחרו בנקודות B_A. בצינורות נמצאים h1, h2 ו-h3.

איור. 9. קווים שווי פוטנציאל וזרם

אם נסמן ב-h את גובה מפלס המים N1 ביחס למישור שנבחר באופן שרירותי O-O, אזי הפוטנציאל h לכל נקודות 3, A, B ו-C זהה. הקו המחבר בין שלוש הנקודות הללו הוא קו הפוטנציאל. מי תהום באדמה אינם יכולים לזרום לאורך הקו הזה, אלא רק בכיוון של נקודות בעלות פוטנציאל נמוך יותר.

באופן דומה נוכל לבחור באותה מסה את הנקודות D, E ו F עם פוטנציאל נמוך יותר h ― Δh. הקו שמחבר את שלוש הנקודות הללו הוא קו שווי הפוטנציאל של הפוטנציאל h ― Δh. זרימת מים מנקודה A של קו שווי הפוטנציאל ABC לאיזו נקודה קרובה לאין שיעור D של קו שווי הפוטנציאל DEF תתקיים בכיוון המרחק הגדול ביותר בכיוון ההידראולי הקטן ביותר, המרחק ההידראולי i.emax. Δlmin = AD. משמעות הדבר היא שהקו AD שלאורכו זורמים מים מאונך לשני קווי שווי הפוטנציאל, כי

imax = Δh / Δlmin

כאשר Δlmin הוא נורמלי לשני קווי שווי הפוטנציאל. אותם נורמלים לקווי שווי הפוטנציאל הם כיווני זרימת המים במסה החדירה ונקראים קווי זרם. הקהילה של קווי שווי פוטנציאל וזרם, בניצב הדדי זה לזה, יוצרת רשת זרימה.

לרשתות זרימה יש צורות שונות לפי חדירות המסה. המקרה הנפוץ ביותר הוא סוללה העשויה מסה חדירה על אדמה אטומה, כלומר על אדמה שניתן להפוך אותה אטומה (איור 10). במקרה זה, אם מפלס המים החיצוני קבוע, קווי הנחל נמצאים בחלק האמצעי שלהם של הפרבולה.

איור. 10. רשת זרימה בסוללה חדירה על אדמה אטומה

במדרון במעלה הזרם, הפרבולות מתחברות עם הקווים המאונכים למדרון, המייצגים את קו שווי הפוטנציאל, מכיוון שברמה קבועה N1 מים לא זורמים במורד המדרון. עם השיפוע במורד הזרם, הפרבולות מסתיימות בצורה משיקית למדרון, שאינו קו שוויון פוטנציאל ולא קו זרם. פני הקרקע האטימה מתחת לסוללה הם ייעול, מכיוון שהמים בתחתית הסוללה זורמים במקביל למשטח זה. בחלק העליון מסתיימת רשת הזרימה בפרבולה בסיסית הנקראת קו חלחול המייצגת את גבול הקרקע בפעולת הסינון. מתחת לגבול זה, הקרקע נתונה להשפעת סינון עקב לחץ הידרוסטטי של המים החיצוניים H*γW, בעוד שאין סינון בקרקע שמעליה. קו החלחול נקרא גם קו הרוויה, שכן ההנחה היא שהאדמה שמתחתיו רוויה לחלוטין במים, ואילו מעליה היא רוויה חלקית.

הערכת שיפוע בפועל חייבת לכלול חקירה, ריבוד, פרמטרי חוזק, מי קרקע ומשטח, שינויי מפלס, ניקוז, סיסמיקה, שלבי חפירה או מילוי, מבנים סמוכים ותנאים זמניים. חפירה ללא הגנה מתאימה וכניסה לאזור של מפולת אפשרית אינן בטוחות בהתבסס על הטקסט הכללי או צורת המדרון עצמו.