تحلیل پایداری شیب (Slope Stability) — معرفی روش های متداول

به مقاومت سطوح شیب‌دار در برابر شکست (لغزش یا ریزش)، «پایداری شیب» (Slope Stability) گفته می‌شود. تحلیل‌های پایداری شیب، روش‌هایی هستند که به منظور ارزیابی شرایط تعادل و ایمنی شیب‌های طبیعی و ساخته دست بشر (خاک‌ریزها، معادن روباز، گودبرداری‌ها و غیره) مورد استفاده قرار می‌گیرند. هدف اصلی این تحلیل‌ها، یافتن نواحی بحرانی (مستعد ریزش)، بررسی مکانیسم شکست احتمالی، تعیین حساسیت شیب به مکانیسم‌های مختلف، طراحی شیب‌های بهینه با توجه به رعایت ایمنی، دستیابی به قابلیت اطمینان بالا، رعایت جنبه‌های اقتصادی و طراحی گزینه‌های احتمالی برای مقاوم‌سازی شیب است. در این مقاله، شما را با روش‌های مختلف تحلیل پایداری شیب آشنا خواهیم کرد.

مقدمه

داشتن اطلاعات کافی در زمینه داده‌های زمین‌شناسی محل و مشخصات پروژه مورد نظر به اجرای یک طراحی شیب موفقیت‌آمیز کمک می‌کند. خصوصیات ژئومکانیکی توده سنگ یا خاک، هندسه شیب، شرایط آب زیرزمینی، میزان هوازدگی مواد (بر اثر وجود گسل‌ها، درزه‌ها یا دسته درزه‌ها)، میزان جابجایی و کشش درزه‌ها، شرایط لرزه‌خیزی منطقه و ... نمونه‌هایی از اطلاعات مورد نیاز برای اجرای تحلیل پایداری شیب هستند. وجود آب زیرزمینی، تاثیر مخربی بر روی پایداری شیب دارد. اعمال فشار آب بر منافذ، شکستگی‌ها یا ناپیوستگی‌ها، مقاومت مواد تشکیل‌دهنده شیب را کاهش می‌دهد.

فیلم آموزش تحلیل پایداری شیب با نرم افزار اسلاید Slide در فرادرس

کلیک کنید

انتخاب روش صحیح برای تحلیل پایداری شیب به شرایط محل پروژه و حالت شکست احتمالی بستگی دارد. برای یک انتخاب درست باید نقاط قوت، ضعف‌ها و محدودیت‌های ذاتی هر روش را در نظر گرفت. پیش از پیشرفت کامپیوترها، تحلیل‌های پایداری شیب به صورت گرافیکی یا با استفاده از محاسبات دستی اجرا می‌شدند. امروزه، گزینه‌های نرم‌افزاری بسیاری زیادی از قبیل روش‌های ساده تعادل حدی، رویکردهای دقیق تحلیل حدی و راه حل‌های پیچیده و پیشرفته عددی پیش روی مهندسان قرار دارد. مهندسان باید از محدودیت‌های هر یک از این روش‌ها به خوبی آگاه باشند.

به عنوان مثال، روش‌های تعادل حدی به عنوان ساده‌ترین و متداول‌ترین گزینه شناخته می‌شوند اما در صورت پیچیده بودن مکانیسم شکست شیب (وجود تغییر شکل‌های داخلی، شکست‌های شکننده، خزش، روانگرایی لایه‌های ضعیف خاک و غیره)، استفاده از این روش‌ها مناسب نخواهد بود. در چنین شرایطی، باید از روش‌های مدل‌سازی پیشرفته عددی بهره گرفته شود. به علاوه، امکان اختلاف قابل توجه بین نتایج روش‌های 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 می‌گیرند. هر دوی این موارد، نیازمند درک صحیحی از مکانیسم شکست هستند.

علاوه بر روش‌های اشاره شده، رادار پایداری شیب نیز به منظور نظارت خودکار بر تغییر شکل سطحی شیب‌های سنگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این رادار می‌تواند با استفاده از روش‌های تداخل‌سنجی، جابجایی‌های کوچک دیواره‌های زبر را با دقت کمتر از میلی‌متر تشخیص دهد.

تحلیل تعادل حدی

روش‌های مرسوم تحلیل پایداری شیب را می‌توان به سه گروه تحلیل سینماتیک، تحلیل تعادل حدی و شبیه‌سازهای ریزش سنگ تقسیم کرد. اکثر برنامه‌های کامپیوتری تحلیل پایداری شیب بر اساس مفهوم تعادل حدی برای مدل‌های دوبعدی و سه‌بعدی توسعه یافته‌اند. در تحلیل‌های دوبعدی از فرض کرنش صفحه‌ای استفاده می‌شود. اجرای تحلیل پایداری شیب‌های دوبعدی با استفاده از رویکردهای تحلیلی ساده می‌تواند اطلاعات مهمی را برای طراحی اولیه و ارزیابی ریسک فراهم کند.

فیلم آموزش مکانیک خاک – مرور و حل سوالات آزمون های استخدامی در فرادرس

کلیک کنید

در روش‌های تعادل حدی، احتمال لغزش توده سنگ یا خاک بر اثر نیروی جاذبه مورد بررسی قرار می‌گیرد. نوع حرکت سطح لغزش شیب‌های سنگی یا خاکی به صورت «انتقالی» (Transitional) یا «دورانی» (Rotational) در نظر گرفته می‌شود. مبنای تمام روش‌های تعادل حدی، مقایسه نیروهای مقاوم (نیروها، گشتاورها یا تنش‌های مقاوم در برابر حرکت توده) نسبت به نیروهای محرک (نیروها، گشتاورها یا تنش‌های به وجود آورنده حرکت ناپایدار) است. «ضریب ایمنی» (Factor of Safety) به عنوان یکی از خروجی‌های اصلی تحلیل‌های تعادل حدی به حساب می‌آید. این ضریب به صورت نسبت مقاومت برشی به تنش برشی تعریف می‌شود. اگر مقدار ضریب ایمنی کمتر از 1 باشد، شیب ناپایدار خواهد بود.

در تمام روش‌های تعادل حدی فرض می‌شود 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. متداول‌ترین 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

فیلم آموزش تحلیل پایداری شیب با نرم افزار اسلاید Slide در فرادرس

کلیک کنید

«روش‌ قطعات» (Methods of Slices)، محبوب‌ترین رویکرد در بین روش‌های تعادل حدی است. در این رویکرد، توده خاک به چندین قطعه عمودی تقسیم می‌شود. 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 آن‌ها نیز با هم متفاوت است.

ناحیه سطح شکست احتمالی در روش‌های تعادل حدی معمولاً مشخص نیست اما می‌توان موقعیت آن را با استفاده از روش‌های بهینه‌سازی 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 می‌شود. طیف گسترده‌ای از نرم‌افزارهای تحلیل پایداری شیب، از مفهوم تعادل حدی به همراه تعیین خودکار سطح لغزش بحرانی استفاده می‌کنند.

نرم‌افزارهای معمولی تحلیل پایداری شیب می‌توانند شیب‌های خاکی لایه‌ای، خاک‌ریزها، گودبرداری‌ها و سازه‌های مقاوم شده را مورد ارزیابی قرار دهند. علاوه بر این، تأثیرات زمین‌لرزه، بارگذاری‌های خارجی، آب‌های زیرزمینی، نیروهای مقاوم‌ساز (کابل‌های مهاری و دیگر نگهدارنده‌ها) را نیز در این نرم‌افزارها قابل محاسبه است.

توجه: برای آشنایی بیشتر با روش‌های تعادل حدی تحلیل پایداری شیب به مقاله «تحلیل پایداری شیب با استفاده از روش تعادل حدی» مراجعه کنید.

تحلیل حدی

یکی از رویکردهای بسیار دقیق و دشوار برای تحلیل پایداری شیب، «تحلیل حدی» (Limit Analysis) است. بر خلاف تحلیل‌های تعادل حدی که از فرضیات موردی اما معقول استفاده می‌کنند، تحلیل‌های حدی از تئوری پلاستیسیته بهره می‌گیرند. این تئوری، محاسبه کران‌های بالا و پایین ضریب ایمنی واقعی را برای تحلیل‌های حدی امکان‌پذیر می‌کند. برنامه‌های زیر بر اساس مبانی تحلیل حدی توسعه یافته‌اند:

• «OptumG2»: یک نرم‌افزار همه منظوره برای حل مسائل ژئوتکنیکی نظیر پایداری شیب است.
• «LimitState:Geo»: یک نرم‌افزار همه منظوره برای مسائل ژئوتکنیکی که بر مبنای «بهینه‌سازی چیدمان ناپیوستگی» (Discontinuity Layout Optimization) یا «DLO» برای مسائل کرنش صفحه‌ای از جمله پایداری شیب توسعه یافته است.
• «Geo5 Slope Stability»: نرم‌افزاری است که برای اجرای تحلیل پایداری شیب در تکیه‌گاه سد، خاک‌برداری، دیواره حائل دارای نگهداری (میل مهار) و «دیوار حائل خاک مسلح» (Mechanically Stabilized Earth) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تحلیل استریوگرافیک و سینماتیک

کاربرد اصلی روش‌های سینماتیک، تعیین حالت شکست احتمالی در توده سنگ است. برای اجرای این تحلیل، باید ساختار توده سنگ و هندسه ناپیوستگی‌های 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 می‌شود. شبکه‌های استریونت کاربرد خوبی برای تحلیل ناپیوستگی‌های بلوک‌های سنگی دارند. برنامه «DIPS»، امکان نمایش تصویری ناپیوستگی‌ها بر روی شبکه‌های استریونت، تعیین امکان‌سنجی سینماتیک توده سنگ و تحلیل آماری خصوصیات ناپیوستگی‌ها را فراهم می‌کند.

شبیه‌سازهای ریزش سنگ

به منظور ارزیابی جنبه‌های ایمنی مورد نیاز در نزدیکی یا اطراف سازه‌هایی که در معرض ریزش سنگ قرار دارند، از تحلیل پایداری شیب‌های سنگی استفاده می‌شود. «شبیه‌سازهای ریزش سنگ» (Rockfall Simulators)، مسیر حرکت بلوک‌های ناپایدار و جدا شده از سطح شیب‌های سنگی را مشخص می‌کنند. 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 می‌شود که با توجه به پتانسیل تماس با سطح شیب، بر روی یک خط بالستیک حرکت می‌کند. 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 بلوک‌ها را ارائه می‌کند. مبنای این روش، بر اساس تغییرات سرعت در هنگام چرخش، لغزش یا جهش بلوک‌های سنگی بر روی مواد مختلف است. برنامه ROCKFALL می‌تواند انرژی جنبشی و محل ضربه بر روی موانع را نیز محاسبه کند. این خروجی‌ها برای تعیین ظرفیت، اندازه و محل قرارگیری موانع قابل استفاده هستند.

تحلیل عددی پایداری شیب

روش‌های مدل‌سازی عددی، امکان حل مسائلی با هندسه پیچیده، ناهمسانگردی مواد، رفتار غیر خطی، تنش‌های برجا و غیره را فراهم می‌کند. این‌گونه مسائل با استفاده از روش‌های معمولی قابل حل نیستند. به علاوه، در تحلیل‌های عددی می‌توان 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 قابلیت‌های فراوان تحلیل‌های عددی، محدودیت‌هایی نیز در این تحلیل‌ها وجود دارد. به عنوان مثال، پارامترهای ورودی معمولاً اندازه‌گیری نمی‌شوند و دسترسی به داده‌های مورد نیاز در اکثر مواقع دشوار است. علاوه بر این، این تحلیل‌ها باید توسط افراد متخصص و باتجربه انجام شوند.

فیلم آموزش مکانیک سنگ – بخش اول در فرادرس

کلیک کنید

دستیابی به تجربه و تخصص در اجرای تحلیل‌های عددی، نیازمند کسب اطلاعات کافی در زمینه محدودیت‌های موجود در هنگام اعمال شرایط مرزی، مش‌بندی، اختصاص حافظه مموری و زمان تحلیل است. روش‌های عددی مورد استفاده برای تحلیل پایداری شیب به سه گروه اصلی مدل‌سازی «پیوسته» (Continuum)، «ناپیوسته» (Discontinuum) و «هیبریدی» (Hybrid) تقسیم‌بندی می‌شوند.

استفاده از طبقه‌بندی توده سنگ در پایداری شیب