تحلیل پایداری شیب های سنگی و معرفی نرم افزارهای تحلیل تعادل حدی

تحلیل پایداری شیب های سنگی و معرفی نرم افزارهای تحلیل تعادل حدی:
تحلیل پایداری شیب های سنگی بر اساس روش های تعادل حدی را می توان به حالت های شکست زیر تقسیم کرد:

«شکست صفحه ای» (Planar Failure):
در این حالت، توده سنگ بر روی یک سطح منفرد می لغزد. برای شکست های صفحه ای می توان از یک تحلیل دوبعدی بر اساس مفهوم تعادل حدی برای یک بلوک مقاوم بر روی صفحه شیب استفاده کرد.

«شکست چندضلعی» (Polygonal Failure): لغزش سنگ های طبیعی معمولاً بر روی سطوح چندضلعی رخ می دهد.

در این حالت، محاسبات مورد نیاز بر اساس فرضیات خاصی انجام می شود. از دیدگاه سینماتیکی، لغزش بر روی یک سطح چندضلعی متشکل از N قطعه، تنها در صورت شکل گیری حداقل (N-1) سطح برشی داخلی امکان پذیر است.

به این ترتیب، توده سنگ توسط سطوح برشی داخلی به چندین بلوک تقسیم می شود. این بلوک ها صلب هستند و هیچ مقاومت کششی در آن ها وجود ندارد.

«شکست گوه ای» (Wedge Failure): تحلیل های سه بعدی، امکان مدل سازی لغزش گوه ای بر روی دو صفحه و در امتداد خط تقاطع آن ها را فراهم می کنند.

«شکست واژگونی» (Toppling Failure): اگر به دلیل وجود ناپیوستگی هایی با شیب تند، توده سنگ به بلوک های بلند و نازک تقسیم شود، امکان دوران هر بلوک نسبت به یک نقطه محوری (در پایین ترین گوشه آن) وجود دارد.

جمع گشتاورهای به وجود آورنده واژگونی یک بلوک (مؤلفه افقی وزن و جمع نیروهای محرک بلوک های مجاور در پشت بلوک مورد نظر) با جمع گشتاورهای مقاوم در برابر واژگونی (مؤلفه عمودی وزن و جمع نیروهای مقاوم بلوک های مجاور در جلوی بلوک مورد نظر) مقایسه می شوند.

در صورتی که گشتاورهای محرک از گشتاورهای مقاوم بیشتر باشند، واژگونی رخ خواهد داد.

نرم افزارهای تحلیل تعادل حدی:
در این بخش، به معرفی نرم افزارهایی می پردازیم که از روش های تعادل حدی به عنوان مبنای تحلیل خود استفاده می کنند:

«Slide2/Slide3»:
از نرم افزارهای پرکاربرد دوبعدی و سه بعدی در زمینه محاسبه پایداری شیب های سنگی و خاکی و عضو مجموعه نرم افزاری معروف «Rocscience» هستند.

این نرم افزارها امکان بهره گیری از روش های تحلیل دقیق مانند اسپنسر، سارما و مورگنسترن-پرایس و همچنین روش های غیر دقیق نظیر بیشاپ ساده شده، جانبوی ساده شده/اصلاح شده، فلنیوس و بسیاری از روش های دیگر تعادل حدی را فراهم می کنند.

جستجو برای تعیین سطح لغزش بحرانی به کمک یک شبکه یا ناحیه تعریف شده توسط کاربر صورت می گیرد. این نرم افزارها قابلیت اجرای تحلیل های آماری به وسیله روش های مونت کارلو یا ابرمکعب لاین را نیز دارند.

در این تحلیل ها می توان هر یک از پارامترهای ورودی را به عنوان متغیر تصادفی در نظر گرفت. تحلیل های آماری، احتمال شکست و شاخص قابلیت اطمینان شیب را به دست می آورند. این نتایج، نمایش بهتری از سطح ایمنی شیب را فراهم می کنند.

تحلیل های برگشتی نیز برای محاسبه بار نگهداری به همراه یک ضریب ایمنی مورد نیاز با مقدار مشخص به کار گرفته می شوند. این نرم افزارها، قادر به تحلیل المان حدی نشت آب زیرزمینی نیز هستند.

«SLOPE/W»:
یکی از نرم افزارهای موجود در مجموعه نرم افزاری «GeoStudio» است. این نرم افزار از روش تعادل حدی مورگنستون-پرایس، اسپنسر، بیشاپ، جانبو و غیره برای تحلیل پایداری شیب استفاده می کند. SLOPE/W، بر مبنای معادلات ضریب ایمنی برای تعادل گشتاور و نیرو توسعه یافته است.

امکان ادغام این برنامه با دیگر برنامه های موجود در مجموعه نرم افزاری GeoStudio وجود دارد. به عنوان مثال، با استفاده از تنش های به دست آمده از «SIGMA/W» یا «QUAKE/W» و تعیین مقاومت برشی کل و تنش برشی محرک در سراسر سطح لغزش می توان ضریب پایداری شیب را محاسبه کرد.

پس از این کار، یک ضریب پایداری موضعی برای هر قطعه به دست می آید. یکی دیگر از قابلیت های SLOPE/W، محاسبه احتمال شکست با به کارگیری رویکرد مونت کارلو است.

«STABL WV»:
یک نرم افزار تحلیل پایداری شیب مبتنی بر روش تعادل حدی و بخشی از مجموعه نرم افزاری «STABL» است. این نرم افزار تنها بر روی سیستم عامل ویندوز اجرا می شود. STABL WV، از روش های بیشاپ، اسپنسر و جانبو استفاده می کند.

تحلیل شیب های معمولی و همچنین شیب هایی با ویژگی های مختلف در این نرم افزار امکان پذیر است.

«HYDRUS»:
برنامه ای با قابلیت ارزیابی پایداری خاک ریزها، سدها، گودبرداری ها و شیب های نگهداری شده است. این برنامه به صورت ماژولار بوده و امکان اضافه کردن و به کارگیری افزونه های مختلف را دارد.

به علاوه، در این برنامه می توان از روش قطعات (بیشاپ، مورگنستون-پرایس، اسپنسر یا فلنیوس) و همچنین انواع مختلف نگهدارنده یا اثرات زلزله استفاده کرد.

«SVSlope»:
یک برنامه تحلیل پایداری شیب و بخشی از مجموعه نرم افزاری «SoilVision» است. این برنامه از روش های تعادل حدی مورگنستون-پرایس، اسپنسر، بیشاپ و غیره استفاده می کند.

SVSlope، قابلیت ادغام با دیگر نرم افزارهای ژئوتکنیکی مجموعه SoilVision را دارد. به عنوان مثال، تنش های محاسبه شده از طریق برنامه «SVSolid» یا فشارهای آب منفذی به دست آمده از برنامه «SVFlux» را می توان برای محاسبه ضریب ایمنی از طریق تعیین مقاومت برشی کل و تنش برشی محرک در امتداد سراسر سطح لغزش مورد استفاده قرار داد.

به علاوه، SVSlope از قابلیت به کارگیری رویکردهای آماری مونت کارلو، ابرمکعب لاتین و APEM نیز بهره می برد.

«dotSlope»:
این برنامه، امکان تحلیل های تعادل حدی با به کارگیری روش های فلنیوس، بیشاپ ساده شده، جانبوی ساده شده/اصلاح شده، سپاه مهندسی، لو-کارافیت، اسپنیر و مورگنستون-پرایس را فراهم می کند.

با استفاده از این برنامه می توان انواع مختلف خاک ها، لایه های غیر قابل نفوذ، گودبرداری و خاک ریزها، شرایط مختلف آب زیرزمینی، آب راکد، ترک های کششی خشک یا مرطوب و نگهداری های خاکی از قبیل کابل های مهاری، میخکوبی ها و شمع ها را در نظر گرفت.

سطوح لغزش بحرانی شیب نیز با کمک شش تولیدکننده سطح تعریف می شود. از دیگر قابلیت dotSlope می توان به اجرای تحلیل های قطعی، بهینه سازی سطح و تحلیل حساسیت به همراه تحلیل های آماری با استفاده از روش مونت کارلو اشاره کرد.

«GALENA»:
این برنامه امکان اجرای تحلیل های پایداری، برگشتی و آماری با استفاده از روش های بیشاپ، اسپنسر-رایت و سارما را فراهم می کند.

«GSLOPE»:
در این برنامه، از روش های تعادل حدی بیشاپ اصلاح شده و جانبوی ساده شده برای تحلیل شیب های طبیعی، شیب های بدون نگهداری یا شیب های داری نگهداری خاکی استفاده می شود. سطح لغزش در روش های مذکور به صورت دایره ای، ترکیبی یا غیر دایره ای است.

«CLARA-W»:
یک برنامه تحلیل پایداری شیب های سه بعدی است که برای انجام محاسبات خود از روش های بیشاپ ساده شده، جانبوی ساده شده، اسپنسر و مورگنستون-پرایس استفاده می کند. پیکربندی مسئله در این برنامه به سطح لغزش دورانی یا غیر دورانی، بیضوی، گوه، سطح ترکیبی، سطح کاملاً مشخص و جستجوی سطح لغزش تقسیم می شود.

«TSLOPE3»:
این برنامه برای تحلیل های دوبعدی و سه بعدی شیب های خاکی و سنگی با استفاده از روش اسپنسر به کار می رود.

«AutoBlock»:
برنامه ای مخصوص برای تحلیل شیب های سنگی است. این برنامه، دو مشکل ذاتی که باعث پیچیده شدن تحلیل پایداری شیب می شود را رفع می کند. در ابتدا، مقدار حجم و مساحت نواحی لغزشی بلوک های احتمالاً ناپایدار با استفاده از توپوگرافی واقعی تعیین می شود.

در مرحله بعد، جستجوی بلوک های بحرانی متشکل از تقاطع ناپیوستگی های مختلف صورت می گیرد. در این برنامه، علاوه بر به کارگیری نقشه های توپوگرافی، امکان اضافه کردن سطوح پیچیده زمین به صورت دلخواه نیز وجود دارد.

سطوح وارد شده را می توان به اجسام سه بعدی تبدیل کرد. ناپیوستگی های موجود با این سطوح تقاطع پیدا می کنند و با ترکیب محل قرارگیری احتمالی تمام ناپیوستگی ها، بلوک های مستعد لغزش مشخص می شوند. در ادامه، ضریب ایمنی هر بلوک در برابر لغزش با استفاده از روش تعادل حدی به دست می آید.

AutoBlock، افزونه ای است که در نرم افزار شناخته شده AutoCAD مورد استفاده قرار می گیرد. این موضوع، قابلیت های AutoBlock در نمایش سه بعدی مسائل را افزایش می دهد.