مقاله تحلیلی: دلایل گسیختگی شیب‌ ها

ناپایداری خاک عبارت است از تمایل خاک به حرکت رو به بالا، حرکت جانبی یا حرکت رو به پایین به علت عوامل طبیعی مانند فشار آب حفره‌ای، ترک‌خوردگی، زلزله و غیره.

شناخت عواملی که باعث ناپایداری شیب می‌شوند به دو دلیل اهمیت دارد: دلیل اول ساخت و طراحی شیب‌های جدید و دلیل دوم تعمیر شیب‌های قدیمی است که قبل از به پایان رسیدن عمر مدنظر دچار گسیختگی می‌شوند.

در زمان طراحی یک شیب جدید پیش‌بینی اصلاح مشخصات شیمیایی و مکانیکی خاک اهمیت دارد. این اصلاحات معمولاً در طول زمان و تحت شرایط مختلف بارگذاری و تراوش اتفاق می‌افتند و ممکن است در طولانی‌مدت بر روی پایداری شیب اثر بگذارند.

به‌منظور تعمیر شیب‌هایی که قبل از طول عمر مدنظر دچار گسیختگی می‌شوند، شناسایی شرایط و اجزایی که باعث گسیختگی می‌شوند به‌منظور حفظ پایداری این شیب‌ها و جلوگیری از گسیختگی در آینده حیاتی است.

در این مقاله دلایل مختلفی که باعث گسیختگی‌های شیب می‌شوند را بررسی می‌کنیم.

دلایل گسیختگی شیب

معیار اصلی برای تأمین پایداری شیب، اطمینان یافتن از این است که مقاومت برشی خاک بیشتر از تنش برشی که عامل شکست است، باشد. اگر الزامات اساسی برآورده نشوند، شیب پایداری خود را از دست خواهد داد و دچار شکست می‌شود.

عوامل زیر بر پایداری شیب تأثیرگذار هستند:

• کاهش مقاومت برشی خاک
• افزایش تنش برشی که باعث شکست و فروریزش شیب می‌شود.

چندین عامل می‌تواند باعث کاهش مقاومت برشی خاک شود. عوامل زیر بیشترین اهمیت را در پایداری شیب دارند.

۱- کاهش مقاومت برشی خاک

عوامل متعددی منجر به کاهش مقاومت برشی خاک می‌شوند. عوامل زیر تأثیر قابل‌توجهی بر پایداری شیب دارند.

افزایش فشار آب حفره‌ای

افزایش مداوم سطح آب‌های زیرزمینی و تراوش روبه بالا درنتیجه بارش‌های سنگین، رایج‌ترین دلایل افزایش فشار آب حفره‌ای هستند. درنتیجه تنش‌های مؤثر مربوطه با افزایش فشار آب حفره‌ای کاهش می‌یابند.

مهم‌تر از آن نفوذپذیری خاک زمان موردنیاز برای کاهش مؤثر فشار آب حفره‌ای را تعیین می‌کند، بنابراین در خاک‌های بسیار نفوذپذیر تغییر در شرایط آب‌های زیرزمینی به‌سرعت اتفاق می‌افتد و این تغییرات برای خاک دارای نفوذپذیری کم، آهسته رخ می‌دهد.

در اکثر مواقع خاک‌های رسی شاخص نفوذپذیری بسیار پایینی دارند؛ بنابراین تغییر مقاومت برشی خاک رسی، پایداری بلندمدت شیب را تعیین می‌کند درحالی‌که در مورد خاک‌های ماسه‌ای پایداری کوتاه‌مدت باید ارزیابی شود.

ترک‌خوردگی

گسیختگی درشیب غالباً با گسترش ترک‌هایی در خاک نزدیک رأس/ تاج شیب رخ می‌دهد. این ترک‌ها درنتیجه ایجاد کشش در خاک سطح زمین که بیشتر از مقاومت کششی خاک هستند، ظاهر می‌شوند؛ بنابراین با کاهش مقاومت کششی خاک مقاومت برشی تیز کاهش می‌یابد.

تورم

خاک رس بیش تحکیم یافته و دارای پلاستیسیته بالا زمانی که در تماس با آب قرار گیرد به‌راحتی دچار تورم می‌شود. یک نمونه قدیمی از گسیختگی براثر تورم حادثه هوستون در تگزاس است که خاک‌ریزهای بزرگراهی که از رس‌های بسیار پلاستیک و متراکم ساخته‌شده بودند پس از ده سال درنتیجه تورم و کاهش مقاومت برشی گسیخته شدند.

تجزیه سنگریزه‌های رسی

سنگ‌رس‌ها را می‌توان با خرد کردن به قسمت‌های کوچک به‌عنوان مصالح پرکننده در درزهای سنگی استفاده کرد که توده سنگی مناسبی را تشکیل می‌دهند که می‌تواند پس از تراکم نسبتاً پایدار باشند. 

بااین‌حال باگذشت زمان و تماس این خاک‌ریز متراکم با آب زیرزمینی یا آب تراوش شده، عدم یکنواختی خاک‌ریز متراکم می‌تواند باعث ایجاد ذرات رسی شود. این ذرات رسی به فضاهای باز درون خاک‌ریز نفوذ می‌کنند و باعث کاهش مقاومت برشی خاک شده و خاک‌ریز را ناپایدار می‌سازند.

خزش

رس‌های دارای پلاستیسیته بالا تحت بارگذاری پیوسته در معرض تغییر شکل مداوم قرار می‌گیرند؛ بنابراین پس از یک دوره مشخص ممکن است رس‌ها نهایتاً حتی در تنش‌های برشی پایین، دچار گسیختگی شوند.

تأثیر خزش تحت بارهای چرخه‌ای مانند شرایط یخ زدن، ذوب شدن، مرطوب شدن و خشک شدن تشدید می‌شود. زمانی که این شرایط چرخه‌ای متفاوت در محدوده‌های نامطلوب خود قرار گیرند، حرکت خاک شیب رو به پایین رخ می‌دهد؛ بنابراین در بلندمدت ممکن است حرکت رو به پایین گسترش یابد که نهایتاً باعث گسیختگی شیب در راستای صفحه بحرانی خواهد شد.

آب شستگی

با تراوش آب به داخل فضاهای خالی خاک، خواص شیمیایی و مکانیکی خاک شروع به تغییر می‌کند. این فرآیند با عنوان آب شستگی شناخته می‌شود.

در رس‌های آب‌دار، آب شستگی نقش مهمی ایفا می‌کند زیرا باعث تشدید شرایط رس روان شده و این‌گونه رس‌ها زمانی که در معرض آسیب قرار گیرند هیچ مقاومتی نخواهند داشت.

نرم شدگی کرنشی

پدیده نرم شدگی کرنشی مربوط به خاک‌های ترد است. در منحنی تنش-کرنش خاک‌های ترد زمانی که تنش بحرانی به اوج خود می‌رسد مقاومت برشی خاک‌های ترد با کرنش ثابت کاهش می‌یابد. این نوع رفتار تنش-کرنش باعث گسیختگی پیش‌رونده شده و لذا مسیر گسیختگی شیب را هموار می‌کند.

هوازدگی

فرآیندی که در آن سنگ‌ها و خاک‌ها مقاومت خود را براثر تغییرات خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی حاصل از عواملی مانند آب، باد، تغییر درجه حرارت و غیره از دست می‌دهند، بانوان هوازدگی شناخته می‌شود.

هوازدگی به‌طور قابل‌توجهی مقاومت برشی خاک را کاهش می‌دهد. در بدترین حالت هوازدگی می‌تواند ساختار کلی سنگ‌ها و خاک را به‌هم‌ریخته و یک شیب مقاوم و پایدار را به شیبی ناپایدار تبدیل کند.

بارگذاری چرخه‌ای

تحت تأثیر بارهای چرخه‌ای پیوستگی بین ذرات خاک ممکن است به‌هم‌خورده و فشار آب حفره‌ای افزایش یابد که باعث کاهش مقاومت آن می‌شود. این خاک سست ممکن است براثر افزایش فشار آب حفره‌ای اشباع‌شده و کل مقاومت خود را تحت بارگذاری چرخه‌ای و روانگرایی از دست دهد.

۲- افزایش تنش برشی خاک

حتی اگر مقاومت برشی خاک تغییر پیدا نکند، تغییر در تنش برشی براثر افزایش بارگذاری می‌تواند شیب‌ها را ناپایدار سازد. عواملی که می‌توانند باعث افزایش تنش‌های برشی شوند در ادامه شرح داده‌شده است.

بارهای وارد بر بالای شیب

درصورتی‌که زمین بالای شیب تحت بارگذاری قرار گیرد، تنش برشی موردنیاز برای تعادل شیب بیشتر خواهد شد. درصورتی‌که این بارها دور از رأس شیب قرار گیرند می‌توان از این افزایش تنش‌های برشی جلوگیری کرد.

فشار آب در ترک‌ها

یک شیب درصورتی‌که می‌تواند ناپایدار شود که ترک‌ها در بالای آن با آب پر شود. فشار ایجادشده براثر آب در ترک‌ها به خاک بار وارد کرده و تنش‌های برشی را افزایش می‌دهد. درصورتی‌که ترک‌ها از آب پر شده باشند، آنگاه فشار آب حفره‌ای در خاک افزایش خواهد یافت که حتی باعث شرایط بدتری می‌شود.

افزایش وزن خاک

تراوش به داخل خاک شیب می‌تواند مقدار آب را در خاک افزایش داده و باعث افزایش وزن آن شود. اگر این افزایش وزن قابل‌توجه باشد در ترکیب با نیروهای دیگر، ممکن است باعث گسیختگی شیب شود.

خاک‌برداری

خاک‌برداری یا حفاری که باعث تندتر شدن شیب شود، تنش برشی در خاک را افزایش داده و پایداری آن را کاهش خواهد داد. عدم یکنواختی خاک براثر یک جریان در پای شیب نتیجه مشابهی دارد.

افت سطح آب در کف شیب

درصورتی‌که مقدار آب با افزایش تنش برشی کاهش یابد آن شیب ناپایدار خواهد شد. زمانی که تراز آب سریعاً کاهش یابد و فشارهای حفره‌ای مطابق با کاهش سطح آب کاهش نیابند، شیب پایداری کمتری خواهد داشت.

زلزله‌ها

در هنگام رخداد زلزله شیب‌ها سرعت‌های قائم و افقی را تجربه می‌کنند که حاصل آن تغییرات سیکلی تنش‌ها درشیب است. این رخداد باعث افزایش تنش‌ها به بالاتر از مقادیر استاتیکی خواهد شد. حتی اگر تکان لرزه‌ای هیچ تغییری در مقاومت خاک به وجود نیاورد با اعمال نیروهای دینامیکی در جهت‌های معکوس، پایداری شیب در طول این رخدادها سریعاً کاهش خواهد یافت.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.