سایت مهندسین و دانشجویان عمران
فایلهای کاربردی مهندسی عمران
سایت مهندسین و دانشجویان عمران
فایلهای کاربردی مهندسی عمرانفایل تحت اکسل تحلیل پایداری شیبهای خاکی
تعیین میزان ایمنی یک شیب طبیعی یا مصنوعی از اهمیت بسیار ویژه ای برخوردار است زیرا لغزش یاشکست یک شیب می تواند باعث ایجاد خسارتهای عمده مالی و یا جانی بشود بنابراین تعیین شیب پایدار یک پروژه بسیارمهم است در ضمن بموازات تامین پایداری مناسب برای هرشیب باید به مسائل اقتصادی نیز توجه داشت بطوریکه طراحی بیش از حد محافظه کارانه یک شیب نیز می تواند توجیه اقتصادی پروژه را به مخاطره اندازد لذا تعیین شیب بهینه بصورتی که ایمنی مورد نیاز را با صرف حداقل هزینه فراهم سازد مورد توجه می باشد...
با توجه به اهمیت بسیار زیاد ارزیابی پایداری شیبهای خاکی،مطالعات بسیار گسترده ای توسط محققین مختلف
در طول زمان صورت گرفته است و مراجع علمی متعددی شامل مقالات و کتابهای ارزشمندی در این راستا ارائه شده است از جمله این تحقیقات می توان به ترزاقی وپک ،اسپنسر ، مورگنسترن ، بیشاپ و جانبو اشاره نمود .
روشهای تحلیلی متعددی برای ارزیابی پایداری شیب های طبیعی یا مصنوعی وجود دارند .
ارزیابی پایداری شیبهای خاکی یکی از مهمترین مسائل کاربردی در علم مهندسی ژئوتکنیک میباشد . درصورتیکه سطح زمین بصورت شیبدار تحت زاویه ای با افق ایستاده باشد به آن شیب خاکی گفته می شود .شیب های خاکی ممکن است بصورت طبیعی و یا مصنوعی ( ساخته دست بشر ) باشند . دربسیاری از پروژهها نیاز است که وضعیت پایداری یک شیب طبیعی در محل کنترل شود مانند احداث یک ساختمان بلند برروی شیب طبیعی و یا اشباع شدن شیبهای طبیعی قرارگرفته در مخزن دریاچه یک سد مخزنی ، همچنین موارد متعددی از لزوم ارزیابی میزان پایداری یک شیب مصنوعی وجود دارد که از این جمله می توان به پایداری شیبها در یک سدخاکی ، تعیین شیب پایدار در احداث کانالها و خاکریزها و همچنین تعیین الگوی مناسب در حفاریها اشاره نمود .
تحلیل پایداری یک شیب عبارتست از ارزیابی ضریب اطمینان شیب مزبور در برابر گسیختگی برشی ناشی از وزن توده خاک گسیخته شده و یا بارگذاری خارجی اعمال شده . تحلیل پایداری یک شیب کارساده ای نمی باشدتخمین متغیرهایی نظیر لایه بندی و مقاومت برشی در جای خاک کار بسیار مشکلی است .
وجودتراوش ( جریان آب زیرزمینی ) در خاک و انتخاب بحرانی ترین سطح لغزش برپیچیدگی تحلیل می افزاید
تحلیل شیبها به دو مبحث ارزیابی پایداری شیب و تخمین میزان جابجائی شیب تقسیم میشوند . گرچه این دو مبحث بسیار بهم نزدیک بوده ومرتبط هستند اما روشهای تحلیلی متفاوتی جهت تعیین هرکدام وجود دارد متداول ترین روش جهت تحلیل پایداری شیروانی در حال حاضر روشهای تعادل حدی هستند. در این روشها به پارامترهای مقاومتی خاک نیاز میباشد اما به مشخصات رفتار تنش - کرنش توده خاک نیاز نیست . در این روشها هیچگونه اطلاعاتی در مورد میزان تغییر مکان یک شیب ارائه نمی شود .
تعیین میزان تغییرمکان شیبها عمدتا " توسط روشهای اجزاء محدود انجام میشود . در این تحلیلها علاوه برپارامترهای مقاومتی خاک به کمیتهای رفتار تنش - کرنش توده خاک نیز نیاز می باشد . گرچه دراین روشها مقدارتغییر مکانهای شیب بهمراه میزان تنشها درون شیب تعیین میشود اما امکان ارزیابی مستقیم پایداری شیب به مانند تعیین ضریب اطمینان محاسبه شده در روشهای تعادل حدی وجودندارد .
در روشهای تعادل حدی پایداری شیب توسط محاسبه ضریب اطمینان شیب ارزیابی می شود . این مقدار باید برای محتمل ترین سطح لغزش که سطح لغزش بحرانی نامیده می شود تعیین گردد . در این روش توده خاک لغزیده شده به چندین قطعه تقسیم می شود و سپس به روشهای مختلف و با اعمال فرضیات محاسباتی ، تعادل هر قطعه بررسی می شود . هرکدام از روشهای تعادل حدی دارای درجه دقت متفاوتی هستند که تابع میزان دقت اعمال شده در فرضیات انتخابی در هرروش میباشد .
گسیختگی و لغزش شیبهای خاکی ممکن است در شرایط زهکشی شده یا زهکشی نشده درون توده خاک رخ دهداگر مصالح شیب دارای نفوذ پذیری کم بوده و پایداری شیب درکوتاه مدت دراثر اعمال بارگذاری خارجی مدنظر باشد معمولا فشارآب منفذی اضافی تولید شده درون توده خاک ناشی از بارگذاری ، درمدت زمان کم زهکشی نمی شود و لذا شرایط توده خاک زهکشی نشده است . اما برای خاکهای با نفوذپذیری بالا ممکن است اعمال همین بارگذاری به علت سرعت بالای زهکشی و مستهلک شدن فشار آب اضافی در حالت زهکشی شده صورت گیرد . یکی از مهمترین مواردی که در محاسبه پایداری یک شیب باید به آن توجه شود شرایط زهکشی در خاکهای موجود درشیب است .
تحلیل پایداری شیب در شرایط تنشهای کل و موثر :
پایداری شیبها را هم میتوان در شرایط تنشهای کل و هم در شرایط تنشهای موثر تحلیل نمود :
- در تحلیل تنش موثر مقاومت برشی خاک در سطح لغزش براساس تنش عمودی موثر در سطح لغزش و پارامترهای مقاومت برشی موثر تعیین می شود ، در اینصورت جهت تعیین تنشهای عمودی موثر نیاز به معلوم بودن مقادیر فشار آب منفذی درون خاک می باشد .
- در تحلیل به روش تنشهای کل ، مقاومت برشی خاک برروی سطح لغزش تابع تنشهای عمودی کل برروی سطح لغزش می باشد همچنین پارامترهای مقاومت برش خاک درحالت تنشهای کل مورد نیاز هستند . در اینحالت نیازی نیست که مقادیر فشارآب منفذی درون توده خاک معلوم باشند .
اصولا" همواره میتوان آنالیز پایداری شیب را با استفاده از روشهای تنش موثر انجام داد زیرا در هر دوحالت زهکشی شده و نشده مقاومت برشی خاک توسط تنشهای موثر کنترل می شود . اما در بعضی حالات عملی اندازه گیری مقدار فشار آب حفره ای اضافی ایجاد شده دراثر تغییرات بارگذاری مش کل است ( مانند گودبرداری،
خاکریزی و یا تغییرات سطح آب زیرزمینی ) به همین دلیل دراین موارد انجام تحلیل پایداری به روش تنشهای موثر میسر نمی باشد .
در بعضی موارد خاص میتوان مقدارفشارآب منفذی اضافی تولید شده در توده خاک را بوسیله تعیین پارامترهای فشار آب منف ذی همان خاک درون آزمایشگاه تعیین نمود اما باید توجه داشت که عوامل متعددی نظیر درجه اشباع خاک ، دانسیته و تاریخچه تنشی خاک شیب از عواملی هستند که در مقدار فشار آب منفذی تولید شده در توده خاک موثر هستند لذا استفاده مستقیم از پارامترهای آزمایشگاهی در شرایط ت وده خاک در محل ممکن است به نتایج غیرصحیحی منجر شود . لذا براساس مطالب اشاره شده در فوق در مواردی که اندازه گیری دقیق مقدار فشارآب حفره ای اضافی درون خاک میسر نیست توصیه میشود که از روش تحلیل تنش کل استفاده شود .
اگر شیب خاکی از چند نوع خاک تشکیل شده باشد بطوریکه بعضی از خاکها دارای نفوذ پذیری بالا بوده و شرایط زهکشی شده داشته باشند و بعضی از خاکها دارای نفوذپذیری کم و شرایط زهکشی نشده باشند در اینحالت باید دریک تحلیل خاکهای با نفوذپذیری بالا در حالت تنشهای موثر ( زهکشی شده ) و خاکهای با نفوذپذیری کم در حالت تنشهای کل ( زهکشی نشده ) تعریف شوند .
نمودارهای پایداری شیب
استفاده از نمودارهای پایداری شیب یک روش سریع و مفید جهت تحلیل پایداری مقدماتی شیب و همچنین کنترل نتایج بدست آمده از تحلیلهای دقیق کامپیوتری می باشد . دقت استفاده از این نمودارها در حد دقت تعیین مقاومت برشی خاکها در شیب می باشد .
تحلیلهای دقیق پایداری شیب
هنگامیکه نیاز به در نظرگرفتن جزئیاتی نظیرشکل هندسی دقیق شیب و ناحیه بندی خاکها درشیب باشد و یا آنکه سطح لغزش بحرانی در هیچیک از نمودارها موجود نباشد نیاز به انجام تحلیل های دقیق می باشد . اگر یک کامپیوتر و یک برنامه کامپیوتری تحلیل پایداری شیب ، دردسترس باشد انجام یک تحلیل دقیق شامل تعیین موقعیت سطح لغزش بحرانی میسر است . اگر کامپیوتر در اختیار نداشته باشیم تحلیل دقیق پایداری شیب توسط محاسبات دستی براساس مطالبی که در این بخش ارائه میشود قابل انجام خواهد بود . حتی اگر تحلیلهای دقیق پایداری شیب توسط کامپیوتر نیز انجام شود بسیار مناسب است که ضریب اطمینان در سطح لغزش بحرانی ، توسط محاسبات دستی کنترل شود .
اداره مهندسین ارتش امریکا (Engineers U.S. Army Corps Of ) در سال ١٩٧٠ انجام این محاسبات کنترلی دستی را برای سطح لغزش بحرانی درکلیه تحلیلهای پایداری در شیبهای مهم الزامی دانسته است.
محاسبات دقیق دستی (روش معمولی قطعات)
برای انجام محاسبات دقیق به روش دستی نیاز به یک فرم محاسباتی جدولی میباشد . چنین محاسباتی که به
روش مناسبی سازمان یافته باشد به راحتی قابل کنترل خواهد بود . در این روش وزن قطعات برمبنای ابعاد قطعه و وزن مخصوص خاک درون قطعه محاسبه می شود . یک روش ساده جهت محاسبه وزن هرقطعه از رابطه زیربدست می آید:
W = b.Σ(γi hi )
دررابطه فوق :
W – ( وزن هر قطعه ) نیرو در واحد عرض
b - عرض قطعه
– γi وزن مخصوص خاک iام
hi - ارتفاع خاک در لایه i ام در قطعه مورد بررسی
h i در مرکزهر قطعه اندازه گیری میشود . رابطه فوق را میتوان در قطعات مثلثی نیز مشابه قطعات چهارضلعی بکاربرد . طول L درکف قطعه و α زاویه کف هرقطعه براساس شکل ترسیم شده شیب و دایره لغزش ، به مقیاس تعیین میشود .در ادامه فایل تحت اکسل تحلیل پایداری شیب های خاکی به روش دستی را می توانید دانلود کنید.
٢- تحلیلهای کامپیوتری
همانطورکه دربخشهای گذشته به آن اشاره شد محاسبات تحلیل پایداری شیب زمان بر و طولانی می باشد .
استفاده از کامپیوتر برای انجام محاسبات تحلیل پایداری شیب دارای دوویژگی مهم زیر می باشد :
١- تحلیلهای کامپیوتری امکان انجام محاسبات پایداری شیب را به روش های پیشرفته تعادل حدی فراهم
میسازد که امکان برقراری کلیه شرایط تعادل نیرو ولنگر را ف راهم می سازند . بدین ترتیب میزان خطا در
تحلیل به حداکثر ٦ درصد کاهش می یابد .
٢- تحلیلهای کامپیوتری امکان جستجو و پیداکردن سطح لغزش دایره ای یا غیر دایره ای بحرانی رافراهم
میسازد.
برگرفته از مقاله تحلیل پایداری شیبهای خاکی
رضا ضیایی موید - عضو هیئت علمی دانشگاه بین المللی امام خمینی قزوین
