تحلیل پایداری شیب (Slope Stability)

تحلیل پایداری شیب (Slope Stability):
به مقاومت سطوح شیب دار در برابر شکست (لغزش یا ریزش)، «پایداری شیب» (Slope Stability) گفته می شود.

تحلیل های پایداری شیب، روش هایی هستند که به منظور ارزیابی شرایط تعادل و ایمنی شیب های طبیعی و ساخته دست بشر (خاک ریزها، معادن روباز، گودبرداری ها و غیره) مورد استفاده قرار می گیرند.

هدف اصلی این تحلیل ها، یافتن نواحی بحرانی (مستعد ریزش)، بررسی مکانیسم شکست احتمالی، تعیین حساسیت شیب به مکانیسم های مختلف، طراحی شیب های بهینه با توجه به رعایت ایمنی، دستیابی به قابلیت اطمینان بالا، رعایت جنبه های اقتصادی و طراحی گزینه های احتمالی برای مقاوم سازی شیب است.

در این مقاله، شما را با روش های مختلف تحلیل پایداری شیب آشنا خواهیم کرد.

داشتن اطلاعات کافی در زمینه داده های زمین شناسی محل و مشخصات پروژه مورد نظر به اجرای یک طراحی شیب موفقیت آمیز کمک می کند.

خصوصیات ژئومکانیکی توده سنگ یا خاک، هندسه شیب، شرایط آب زیرزمینی، میزان هوازدگی مواد (بر اثر وجود گسل ها، درزه ها یا دسته درزه ها)، میزان جابه جایی و کشش درزه ها، شرایط لرزه خیزی منطقه و … نمونه هایی از اطلاعات مورد نیاز برای اجرای تحلیل پایداری شیب هستند. وجود آب زیرزمینی، تأثیر مخربی بر روی پایداری شیب دارد.

اعمال فشار آب بر منافذ، شکستگی ها یا ناپیوستگی ها، مقاومت مواد تشکیل دهنده شیب را کاهش می دهد.

انتخاب روش صحیح برای تحلیل پایداری شیب به شرایط محل پروژه و حالت شکست احتمالی بستگی دارد. برای یک انتخاب درست باید نقاط قوت، ضعف ها و محدودیت های ذاتی هر روش را در نظر گرفت. پیش از پیشرفت کامپیوترها، تحلیل های پایداری شیب به صورت گرافیکی یا با استفاده از محاسبات دستی اجرا می شدند.

امروزه، گزینه های نرم افزاری بسیاری زیادی از قبیل روش های ساده تعادل حدی، رویکردهای دقیق تحلیل حدی و راه حل های پیچیده و پیشرفته عددی پیش روی مهندسان قرار دارد. مهندسان باید از محدودیت های هر یک از این روش ها به خوبی آگاه باشند.

به عنوان مثال، روش های تعادل حدی به عنوان ساده ترین و متداول ترین گزینه شناخته می شوند اما در صورت پیچیده بودن مکانیسم شکست شیب (وجود تغییر شکل های داخلی، شکست های شکننده، خزش، روانگرایی لایه های ضعیف خاک و غیره)، استفاده از این روش ها مناسب نخواهد بود.

در چنین شرایطی، باید از روش های مدل سازی پیشرفته عددی بهره گرفته شود. به علاوه، امکان اختلاف قابل توجه بین نتایج روش های مختلف تعادل حدی نیز وجود دارد.

امروزه، استفاده از مفهوم ارزیابی ریسک در حال افزایش است. در ارزیابی ریسک، عواقب شکست شیب و احتمال شکست مورد مطالعه قرار می گیرند. هر دوی این موارد، نیازمند درک صحیحی از مکانیسم شکست هستند.

علاوه بر روش های اشاره شده، رادار پایداری شیب نیز به منظور نظارت خودکار بر تغییر شکل سطحی شیب های سنگی مورد استفاده قرار می گیرد. این رادار می تواند با استفاده از روش های تداخل سنجی، جابه جایی های کوچک دیواره های زبر را با دقت کمتر از میلی متر تشخیص دهد.

تحلیل تعادل حدی:
روش های مرسوم تحلیل پایداری شیب را می توان به سه گروه تحلیل سینماتیک، تحلیل تعادل حدی و شبیه سازهای ریزش سنگ تقسیم کرد.

اکثر برنامه های کامپیوتری تحلیل پایداری شیب بر اساس مفهوم تعادل حدی برای مدل های دوبعدی و سه بعدی توسعه یافته اند. در تحلیل های دوبعدی از فرض کرنش صفحه ای استفاده می شود. اجرای تحلیل پایداری شیب های دوبعدی با استفاده از رویکردهای تحلیلی ساده می تواند اطلاعات مهمی را برای طراحی اولیه و ارزیابی ریسک فراهم کند.

در روش های تعادل حدی، احتمال لغزش توده سنگ یا خاک بر اثر نیروی جاذبه مورد بررسی قرار می گیرد. نوع حرکت سطح لغزش شیب های سنگی یا خاکی به صورت «انتقالی» (Transitional) یا «دورانی» (Rotational) در نظر گرفته می شود.

مبنای تمام روش های تعادل حدی، مقایسه نیروهای مقاوم (نیروها، گشتاورها یا تنش های مقاوم در برابر حرکت توده) نسبت به نیروهای محرک (نیروها، گشتاورها یا تنش های به وجود آورنده حرکت ناپایدار) است.

«ضریب ایمنی» (Factor of Safety) به عنوان یکی از خروجی های اصلی تحلیل های تعادل حدی به حساب می آید. این ضریب به صورت نسبت مقاومت برشی به تنش برشی تعریف می شود. اگر مقدار ضریب ایمنی کمتر از 1 باشد، شیب ناپایدار خواهد بود.

در تمام روش های تعادل حدی فرض می شود که مقدار مقاومت برشی در امتداد سطح شکست احتمالی با استفاده از روابط خطی (مور-کولمب) یا غیرخطی بین این مقاومت و تنش نرمال سطح شکست قابل تعیین است. متداول ترین رابطه در این زمینه، «تئوری ترزاقی» (Terzaghi’s Theory) است:

τ: مقاومت برشی سطح؛ ′σ: تنش مؤثر (تنش نرمال کل منهای فشار آب منفذی)؛ ′ϕ: زاویه اصطکاک مؤثر؛ ′c: چسبندگی مؤثر

«روش قطعات» (Methods of Slices)، محبوب ترین رویکرد در بین روش های تعادل حدی است. در این رویکرد، توده خاک به چندین قطعه عمودی تقسیم می شود.

این روش در حال حاضر چندین نسخه مختلف دارد. به دلیل فرضیات و شرایط مرزی متفاوت در هر نسخه، نتایج (ضریب ایمنی) هر یک از آن ها نیز با هم متفاوت است.

ناحیه سطح شکست احتمالی در روش های تعادل حدی معمولاً مشخص نیست اما می توان موقعیت آن را با استفاده از روش های بهینه سازی عددی تعیین کرد. به عنوان مثال، در «طراحی عملکردی شیب» (Functional Slope Design)، محلی که دارای کمترین ضریب ایمنی بین سطوح احتمالی باشد به عنوان ناحیه سطح لغزش بحرانی در نظر گرفته می شود.

طیف گسترده ای از نرم افزارهای تحلیل پایداری شیب، از مفهوم تعادل حدی به همراه تعیین خودکار سطح لغزش بحرانی استفاده می کنند.

نرم افزارهای معمولی تحلیل پایداری شیب می توانند شیب های خاکی لایه ای، خاک ریزها، گودبرداری ها و سازه های مقاوم شده را مورد ارزیابی قرار دهند.

علاوه بر این، تأثیرات زمین لرزه، بارگذاری های خارجی، آب های زیرزمینی، نیروهای مقاوم ساز (کابل های مهاری و دیگر نگهدارنده ها) را نیز در این نرم افزارها قابل محاسبه است.

تحلیل حدی:
یکی از رویکردهای بسیار دقیق و دشوار برای تحلیل پایداری شیب، «تحلیل حدی» (Limit Analysis) است. بر خلاف تحلیل های تعادل حدی که از فرضیات موردی اما معقول استفاده می کنند، تحلیل های حدی از تئوری پلاستیسیته بهره می گیرند.

این تئوری، محاسبه کران های بالا و پایین ضریب ایمنی واقعی را برای تحلیل های حدی امکان پذیر می کند. برنامه های زیر بر اساس مبانی تحلیل حدی توسعه یافته اند:

• «OptumG2»: یک نرم افزار همه منظوره برای حل مسائل ژئوتکنیکی نظیر پایداری شیب است.
• «LimitState:Geo»: یک نرم افزار همه منظوره برای مسائل ژئوتکنیکی که بر مبنای «بهینه سازی چیدمان ناپیوستگی» (Discontinuity Layout Optimization) یا «DLO» برای مسائل کرنش صفحه ای از جمله پایداری شیب توسعه یافته است.
• «Geo5 Slope Stability»: نرم افزاری است که برای اجرای تحلیل پایداری شیب در تکیه گاه سد، خاک برداری، دیواره حائل دارای نگهداری (میل مهار) و «دیوار حائل خاک مسلح» (Mechanically Stabilized Earth) مورد استفاده قرار می گیرد.

تحلیل استریوگرافیک و سینماتیک:
کاربرد اصلی روش های سینماتیک، تعیین حالت شکست احتمالی در توده سنگ است. برای اجرای این تحلیل، باید ساختار توده سنگ و هندسه ناپیوستگی های دخیل در ناپایداری بلوک مورد نظر را با دقت مورد ارزیابی قرار داد.

برای این کار، از نمایش استریوگرافیک (شبکه استریونت) صفحات و خطوط استفاده می شود. شبکه های استریونت کاربرد خوبی برای تحلیل ناپیوستگی های بلوک های سنگی دارند.

برنامه «DIPS»، امکان نمایش تصویری ناپیوستگی ها بر روی شبکه های استریونت، تعیین امکان سنجی سینماتیک توده سنگ و تحلیل آماری خصوصیات ناپیوستگی ها را فراهم می کند.

شبیه سازهای ریزش سنگ:
به منظور ارزیابی جنبه های ایمنی مورد نیاز در نزدیکی یا اطراف سازه هایی که در معرض ریزش سنگ قرار دارند، از تحلیل پایداری شیب های سنگی استفاده می شود.

«شبیه سازهای ریزش سنگ» (Rockfall Simulators)، مسیر حرکت بلوک های ناپایدار و جدا شده از سطح شیب های سنگی را مشخص می کنند.

در این روش تحلیلی که توسط «هانگر و ایوانز» (Hungr & Evans) توسعه یافته است، هر بلوک سنگی به عنوان یک نقطه دارای جرم و سرعت در نظر گرفته می شود که با توجه به پتانسیل تماس با سطح شیب، بر روی یک خط بالستیک حرکت می کند.

برای انجام محاسبات با این روش، به دو ضریب بازگشت نیاز است. این ضرایب به شکل بلوک، زبری سطح شیب، خصوصیات مرتبط با تغییر شکل و گشتاور و همچنین احتمال مواجه با شرایط خاص در یک ضربه مشخص بستگی دارند.

برنامه کامپیوتری «ROCFALL»، یک تحلیل آماری برای تعیین مسیر سقوط بلوک ها را ارائه می کند. مبنای این روش، بر اساس تغییرات سرعت در هنگام چرخش، لغزش یا جهش بلوک های سنگی بر روی مواد مختلف است.

برنامه ROCKFALL می تواند انرژی جنبشی و محل ضربه بر روی موانع را نیز محاسبه کند. این خروجی ها برای تعیین ظرفیت، اندازه و محل قرارگیری موانع قابل استفاده هستند.

تحلیل عددی پایداری شیب:
روش های مدل سازی عددی، امکان حل مسائلی با هندسه پیچیده، ناهمسانگردی مواد، رفتار غیر خطی، تنش های برجا و غیره را فراهم می کند.

این گونه مسائل با استفاده از روش های معمولی قابل حل نیستند. به علاوه، در تحلیل های عددی می توان تغییر شکل و شکست مواد، فشار آب منفذی، خزش، بارگذاری دینامیک، حساسیت مواد به تغییر پارامترهای مختلف را نیز مورد ارزیابی قرار داد.

با وجود قابلیت های فراوان تحلیل های عددی، محدودیت هایی نیز در این تحلیل ها وجود دارد. به عنوان مثال، پارامترهای ورودی معمولاً اندازه گیری نمی شوند و دسترسی به داده های مورد نیاز در اکثر مواقع دشوار است.

علاوه بر این، این تحلیل ها باید توسط افراد متخصص و باتجربه انجام شوند. دستیابی به تجربه و تخصص در اجرای تحلیل های عددی، نیازمند کسب اطلاعات کافی در زمینه محدودیت های موجود در هنگام اعمال شرایط مرزی، مش بندی، اختصاص حافظه مموری و زمان تحلیل است.

روش های عددی مورد استفاده برای تحلیل پایداری شیب به سه گروه اصلی مدل سازی «پیوسته» (Continuum)، «ناپیوسته» (Discontinuum) و «هیبریدی» (Hybrid) تقسیم بندی می شوند.

استفاده از طبقه بندی توده سنگ در پایداری شیب:
سیستم های طبقه بندی توده سنگ گوناگونی برای طراحی شیب ها و ارزیابی پایداری آن ها وجود دارند. این سیستم ها بر اساس روابط تجربی بین پارامترهای توده سنگ و پارامترهای مختلف شیب نظیر ارتفاع و زاویه آن ارائه شده اند.

به عنوان مثال، روش «Q-slope»، توسط «بارتون» (Barton) و «بار» (Bar) و به منظور مهندسی شیب های سنگی و طبقه بندی توده سنگ ها توسعه یافته است.

در این روش، با توجه به مقدار Q-slope، کیفیت توده سنگ برای ارزیابی پایداری شیب تعیین می شود. با استفاده از این مقدار می توان زاویه شیب پایدار در یک دوره طولانی و بدون نیاز به نگهداری را به دست آورد.