افزایش ضریب اطمینان تود،های امدباع و ناپایدار با استفاد،ازالیافهای مصنوعی
در موضوع: مکانیک سنگ
خلاصه مطالب:
تحلیل پایداری شیبهای سنگی و خاکی یکی از مهمترین بخشهای طراحی معادن، تونلها، راههای کوهستانی، سدها و به طور کلی پروره‌هایی که احتمال پتانسیل لغزش بر روی شیب شیروانیها وجود دارد، می‌باشد. در این مقاله ابتدا خلاصه‌ای از روشهای تحلیل پایداری شیب و مزیت استفاده از روشهای عددی آورده شده است. در ادامه به بررسی کلی شیبهای ناحیه غرب کشور که در ضلع شمالی شهر سنندج قرار دارد پرداخته شده است. با استفاده از نتایج بدست آمده و استفاده از نرم‌افزار!ر3D FLAC نمودار کلی ضریب ایمنی در شیبها و شرایط مختلف رسم شده است و با بررس نمودار حاصله پیشنهادهایی جهت استفاده از الیافهای مصنوعی ارائه گردیده است. در انتها یک نمونه از این شیب مورد تحلیل قرار گرفته است.
واژه‌های کلیدی: روش تعادل حدی، روش عددی، ضریب ایمنی، الیافهای صنوعی (رئوگریدها)
پیش گفتار:
تحلیل پایداری شیبهای سنگی و خاکی یکی از مهمترین بخشهای طراحی در پروره‌هایی که احتمال پتانسیل لغزش بر روی شیب شیروانیها وجود دارد، می‌باشد. از جمله این شیبها می‌توان به شیبهایی اشاره کرد که در حالت خشک، برجا و پایدار، ولی در حالت اشباع با کاهش پارامترهای مقاومت برشی یک توده نابرجا ایجاد شده و احتمال لغزش افزایش می‌یابد.
در شیبها یکی از مولفه‌های وزن، تمایل به حرکت دادن توده سنگ به سمت پایین دارد، وقتی که این مولفه بقدرکافی بزرگ باشد و یا با سربار دیگری توام و یا توده از آب اشباع شود (به علت افزایش فشار منفذی) ، امکان لغزش وجود خواهد داشت. ازدیدگاه ایستایی لغزش وقتی رخ می‌دهد که نیروی رانش (ناشی از مؤلفه وزن) ، برنیروی مقاوم (ناشی ازمقاومت برشی توده سنگ درسطح لغزش) غلبه نمایند که کنترل آن با ضریب ایمنی امکان پذیر است. هنگام کنترل پایداری شیبها می‌بایست تنشهای برشی ایجاد شده در امتداد بحرانی‌ترین و محتمل ترین سطح لغزش محاسبه شده و با مقاومت برشی توده سنگ مقایسه گردد، به چنین فرایندی تحلیل پایداری شیب گویند. در این مقاله به چگونگی پایدار نگهداشتن شیبهای اشباع ناپایدار به وسیله الیاف مصنوعی پرداخته خواهد شد.
متن اصلی:
روش تحلیل پایداری
جهت تحلیل پایداری شیب از روشهای متفاوتی استفاده می‌شود، از مهمترین این روشها، روشهای تعادل حدی(Limit Equilibrium Method) و روشهای عددی (Numerical Method) می‌باشد.
1- روشهای تعادل حدی
در این روش تعادل ممان و نیرو ارضا می‌گردد. نشان دادن تغییرات ضریب ایمنی با ملاحضه تعادل نیرو و ممان امکان پذیر است. مبنای این روشها تعادل نهایی نیروهای افقی و یا گشتاورهای وارد بر شیب می‌باشد. این روشها برای تخمینی سریع در تحلیل پایداری شیب مناسب می‌باشد.
روشهای مختلف تعادل‌حدی عبارتند از روش ساده شده بیشاپ (Bishops Simplified Method) روش ساده شده جانبو(Janbus Simplified Method) روش اسپنسـر و مورگنسترن پرایس (Spencer and Morgenstern-Price).
نرم‌افزارهایی که از روشهای تعادل حدی جهت بدست آوردن ضریب ایمنی استفاده می‌کنند عبارتند از: GEO_SLOPE, SWEDGE, PWEDGE و XSTABLE.
2- روش عددی
تحلیل عددی می‌تواند با استفاده از نرم‌افزاهایFLAC (Fast Lagrangian Analysis of 3DEC, UDEC (Universal Distinct Element Code), FLAC3D, Continua انجام گیرد. نرم‌افزارهای FLAG و FLAC3D اغلب برای تحلیل محیطهای پیوسته بکار می‌رود. برای تحلیل پایداری شیب در محیطهای ناپیوسته از نرم افزارهای UDECو 3DEC استفاده می‌گردد. در مدلهای عددی ضریب ایمنی با استفاده از روش کاهش مقاومت محاسبه می‌گردد و اطلاعاتی درباره مکانیسم شکست، الگوی جابجایی شیب و کنتورهای تنش بدست می‌دهد.
تکنیک کاهش مقاومت برشی که در اینجا مورد استفاده قرار گرفته است، دارای دو مزیت نسبت به روش تعادل حدی می‌باشد. اول اینکه سطح شکست بحرانی بطور مستقیم و دقیق بدست می‌آید و نیازی به مشخص کردن سطح شکست (دایره‌ای و...) نیست. ثانیا روشهای عددی بطور مستقیم تعادل چرخشی و انتقالی را ارضا می‌کنند، در صورتی که روش تعادل حدی چنین قابلیتی را ندارد. بنابراین تکنیک کاهش مقاومت برشی ضریب ایمنی کمتری نسبت به دیگر روشها بدست می‌دهد که این مقدار مطمئن تر می‌باشدا 1].
اغلب تحلیلهای پایداری شیب بصورت دو بعدی انجام می‌گیرد. در روشهای دو بعدی دو فرض کرنش صفحه‌ای و عدم تاثیر قوس شیب (در جهت بعد سوم) در پایداری، در نظر گرفته می‌شود. مطالعات نشان می‌دهد که اولاً فرض کرنش صفحه‌ای با وجود ساختارها و تغییرات تنش درجهت بعد سوم فرض مناسبی نمی‌باشد و ثانیاً قوس موجود در شیبها تاثیری مشخص روی پایداری دارد، بطوریکه با کاهش شعاع قوس پایداری شیبها افزایش می‌یابد. قابل ذکر است که در معادن و شیبها با انجام دقت کافی می‌توان از این فرضیات و تحلیلهای دوبعدی استفاده کرد.
محاسبه ضریب ایمنی با استفاده از روشهای عددی
محاسبه ضریب ایمنی در نرم افزار FLAC3Dبا استفاده از روش کاهش مقاومت برشی انجام می‌گیرد. برای شیبها ضریب ایمنی اغلب به عنوان نسبت مقاومت برشی واقعی به مینیمم مقاومت برشی لازم جهت جلوگیری ازشکست تعریف می‌گردد. روش منطقی جهت محاسبه ضریب ایمنی با یک برنامه المان محدود یا المان مجزا کاهش مقاومت برشی تا زمانی که ریزش رخ دهد، می‌باشد. به این ترتیب ضریب ایمنی عبارت از نسبت مقاومت واقعی خاک یا سنگ به مقاومت برشی کاهش یافته درمرحله شکست می‌باشد. تکنیک کاهش مقاومت برشی درابتدا بوسیله زینکویوئیسز‌هامفسون ولوئیس (1975) برای محاسبه ضریب ایمنی یک شیب متشکل از مواد مختلف با المانهای محدود مورد استفاده قرار گرفت.]1[
جهت تحلیل پایداری شیب با تکنیک کاهش مقاومت برشی، مدلسازی برای یک سری از ضریب ایمنی مختلف انجام می‌گیرد. خصوصیات مقاومت برشی واقعی (چسبندگی ، اصطکاک ) برای هر مرحله طبق فرمولهای زیر بدست می‌آید.
.
برای مواد مختلف و یا مدل درزه دار کاهش خصوصیات برای تمام خواص انجام می‌گیرد. مقدار ضریب ایمنی تا وقتی که شکست رة دهد، افزایش می‌یابد. در مرحله شکست ضریب ایمنی برابر ضریب ایمنی حاصل می‌باشد.
خصوصیات ژئومکانیکی مدلی
منطقه مورد تحلیل در غرب کشور و در ضلع شمالی شیر سنندج قرار دارد. در نظر است که در این منطقه چند پروره سد و تونل آب احداث گردد. اغلب این مناطق شامل توده‌های عظیمی از مصالح تکتونیزه می‌باشد که از نوع سنگهای آهکی خردشده می‌باشد. با استفاده از آزمایشات انجام شده و استفاده از نرم افزار Roclab (جهت بکارگیری معیار هوک و براون) خصوصیات ژئومکانیکی توده سنگهای منطقه مورد نظر به قرار زیر بدست آمده است.
جدول 1- خصوصیات ژئومکانیکی توده سنگهای ناحیه شمال شهر سنندج
عواملی موثر بر پایداری شیب
از مهمترین عوامل موثر بر پایداری شیب، زاویه و ارتفاع شیب، خصوصیات ژئومکانیکی مصالح و سطح آب زیرزمینی می‌باشد. در این بخش با تغییر هر یک از این خصوصیات در نمونه شیب مورد نظر، با مشخصات توده‌های سنگی ناحیه مورد نظر، شیبها تحلیل شده و ضریب ایمنی برای هر یک از آنها بدست آمده است. جهت تقویت شیبهای با ضریب ایمنی پایین از روشهای متفاوتی استفاده می‌شود. یکی از این روشها استفاده از الیافهای مصنوعی می‌باشد. تاثیر چگونگی نصب الیافها نیز نشان داده شده است. نتایج این تحلیلها در جدول 2 آورده شده است.
جدول 2- ضرائب ایمنی بدست آمده با استفاده از نرم افزار FLAC3d برای شیب های مختلف
ادامه جدول 2:
ادامه جدول2.
ادامه جدول 2،
با توجه به جدول بالا می‌توان نمودار شکل 1 را رسم نمود.
شکل 1- نمودارهای ضریب ایمنی در شیبهای مختلف در شرایط متفاوت
با توجه به جدول و نمودار حاصله می‌توان نتایج زیر را بدست آورد.
الف- زاویه شیب در هر حالتی با ضریب ایمنی نسبت معکوس دارد. با افزایش مقدار زاویه شیب از مقدار ضریب ایمنی کاسته می‌شود.
ب- اصولا شیروانیها در حالت خشک پایدارتر از حالت اشباع می‌باشد. در حالت اشباع به دلیل کاهش مقدار پارامترهای مقاومت برشی ضریب اطمینان تا حد نصف نیز کاهش نشان می‌دهد.
ج- با توجه به مقدار تغییرات ضریب ایمنی در حالتهای Cو D (با الیاف) نسبت به حالت بدون الیاف B نشان می‌دهد که اجرای الیاف در زوایای شیب 65 تا 75 درجه بیشترین تاثیر را در پایداری شیروانی دارد.
د- نتایج اجرای الیاف مصنوعی تا بعد از زون برشی همانند شکل 2 (حالتC) نسبت به اجرای الیافها تا قبل از زون برشی همانند شکل3 (حالت D) نشانگر تاثیر نحوه اجرای الیافها در افزایش ضریب ایمنی می‌باشد. به طوری که اجرای الیافها تا پس از زون برشی افزایش ضریب ایمنی تا حد5/0 در بعضی موارد نشان می‌دهد. با استفاده از این روش اجرا می‌توان ابتدا زون برشی احتمالی را توسط نرم‌افزار FLAC 3Dپیش بینی کرد و الیافها را تا پس از زون برشی امتداد داد. طبق محاسبات انجام شده برای شیروانیهای با خصوصیات ضعیفتر که دارای ضریب ایمنی پایین تری می‌باشند، روش اجرای ذکر شده تاثیر خیلی مشخص تری دارد. از این نتیجه می‌توان برای کل نقاط ایران استفاده کرد و با انجام محاسبات مشابه برای انواع پروره‌ها نگهدارنده مناسبی برای هر شیروانی طراحی کرد.
شکل 2- اجرای الیاف مصنوعی تا بعد از زون برشی
ه- در اینجا تاثیر بالا آمدگی سطح آب زیرزمینی نیز مورد تحلیل قرار گرفته است. نمودار شکل(1) و جدول(1) نشان می‌دهد که اولا با بالا آمدن سطح آب زیرزمینی به طور مشخص از ضریب ایمنی کاسته شده و ثانیا اجرای الیافها باعث بهبود پایداری می‌گردد. به طوری که تا حد حالت خشک می‌رساند.
شکل 3- اجرای الیاف مصنوعی تا قبل از زون برشی
نتایح یک نمونه از تحلیلها
این نتایج در مورد دیواره یک سد در منطقه مورد نظر نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مدل ساخته شده برای دیواره‌این سد در شکل 4 آورده شده است. خصوصیات رئومکانیکی این سد همانند جدول 1 می‌باشد.
شکل 4- ژئومتری مدل ساخته شده
با انجام محاسبات در مورد این شیب نتایج آن مطابق شکل 5 بدست می‌آید. شکل 5 زون برشی در حال گسترش و فاکتور ایمنی بدست آمده را نشان می‌دهد.
شکل 5- مقدار ضریب ایمنی و زون برشی بدست آمده برای حالت خشک
با توجه به نتایج بدست آمده‌این شیب در حالت خشک پایدار می‌باشد، و ضریب ایمنی 34/1 را بدست می‌دهد. اما در حالتی که آب 40 متر بالا می‌آید (توزیع فشار منفذی و سطح آب در شکل 6 نشان داده شده است.) ضریب ایمنی به مقدار 37/0 کاهش می‌یابد که نیاز حتمی‌به نصب نگهدارنده‌ای مانند الیافهای مصنوعی را نشان می‌دهد.
شکل 6- سطح آب و توزیع فشار منفذی حاصل از آن
با توجه به نتایج بدست آمده می‌توان زون برشی را بدست آورد و الیاف را بر روی سطح شیب تا بعد از زون یعنی تا ارتفاع بالاتر از 55 متر ادامه داد تا نگهدارنده موثری اعمال گردد. در شکل 7 مقدار ضریب ایمنی و زون برشی بدست آمده در حالت ناپایدار را نشان می‌دهد.
شکل7- مقدار ضریب و زون برشی بدست آمده برای حالتی که آب 40 متر بالامی آید
منابع:
[1]: William A.Hustrulid , Michael K.McCarter, Dirk J.A.Van Zyl , (2000). “Slope Stability in
Surface Mining”, SME.
[2]: Itasca Consulting Group, Inc, (2002). “User’s Manual for FLAC and User’s Manual for
FLAC3D”.