بررسی پایداری شیب های سنگی و خاکی-(بخش اول)

admin
پایداری شیب

عوامل ناپایداری دامنه ها:

گسیختگی دامنه ای ناشی از اثر گرانش زمین بر روی توده ای از مصالح زمین است که می توانند به آهستگی حرکت کند (خزش)، به طور آزاد سقوط کنند (ریزش)، در امتداد یک صفحه ی گسیختگی بلغزد (لغزش) یا مانند دوغاب جریان پیدا کند (جریان). نیروی گرانش همواره بر توده های سنگ و خاک دامنه ها وارد می شود. چنانچه مقاومت توده بیشتر از نیروی گرانش زمین باشد دامنه در حالت تعادل قرار دارد و اگر به هر دلیلی این تعادل بهم بخورد، زمین برای رسیدن به تعادل تغییر شکل می دهد.

اهمیت بررسی پایداری شیب های سنگی و خاکی

1-صرفه جویی در هزینه های حفاری و حمل

2-جلوگیری از بروز خسارت و تحمیل هزینه

پیچیدگی بررسی پایداری شیب های سنگی و خاکی

1-ناشناس بودن، ناهمگنی و ناهمسانگردی مصالح ژئوتکنیکی

2-متعدد بودن عوامل موثر در پایداری شیروانی ها (آب، وضعیت ساختاری، امواج لرزه ای، جنس زمین)

مراحل بررسی پایداری شیب در معادن بزرگ

1) فاز اول:برآورد شیب نهایی برای طراحی مفهومی اولیه

2) فاز دوم:تعیین شیب نهایی برای طراحی تفصیلی

3) فاز سوم:تعیین دقیق شیب نهایی در زمان اجرا

قاعده ی کلی در انتخاب روش بررسی پایداری شیب از نظر دقت

∗ هرچقدر عمق معدن و عمر معدن بیشتر باشد،

∗ هرچقدر به مراحل نهایی معدنکاری نزدیک تر باشد،

∗ هرچقدر وضعیت ساختاری منطقه پیچیده تر باشد،

در چنین شرایطی برای بررسی پایداری شیب، باید از روش های دقیق تر استفاده کرد.

پایداری شیب های سنگی و خاکی

رئوس مطالب:

انواع ناپایداری دامنه ها

مکانیزم مقاومتی سنگ و خاک

عوامل ناپایداری دامنه ها

روش های تحلیل پایداری شیب

روش های رایج پیشگیری از ناپایداری دامنه ها

انواع ناپایداری شیب ها

گسیختگی دامنه ای،ناشی از اثر گرانش زمین بر روی توده ای از مصالح زمین است،که می توانند به آهستگی حرکت کند (خزش)، به طور آزاد سقوط کنند (ریزش)، در امتداد یک صفحه ی گسیختگی بلغزد (لغزش) یا مانند دوغاب جریان پیدا کند (جریان).

نیروی گرانش همواره بر توده های سنگ و خاک دامنه ها وارد می شود. چنانچه مقاومت توده بیشتر از نیروی گرانش زمین باشد دامنه در حالت تعادل قرار دارد و اگر به هر دلیلی این تعادل بهم بخورد، زمین برای رسیدن به تعادل تغییر شکل می دهد.

عوامل ناپایداری شیب ها

آب زیر زمینی:

افزایش آب به معنی افزایش وزن دامنه است.
فشار روزنه ای آب در لابلای ناپیوستگی ها نیروی عمودی را کاهش داده و متعاقباً اصطکاک کاهش پیدا می کند و ناپیوستگی شروع لغزش می کند. در این موارد مقدار آب اهمیت ندارد بلکه فشار آب مهم است.
آب از عوامل اصلی بروز هوازدگی است و انبساط و انقباض ناشی از تر و خشک شدن یا انجماد می تواند متعاقباً موجب بروزز لغزش شود.

اگر سد یا مخزنی از آب را به سرعت تخلیه کنند، دامنه های مخزن به دلیل اشباع بودن دارای وزن زیادی هستند و با تخلیه آب نیروی شناوری بایانسی که از طرف آب به دامنه وارد می شد از بین می رود و دامنه دچار لغزش می شود.

ساخت زمین شناسی:

چنانچه جهت شیب لایه بندی سنگ های رسوبی در جهت شیب دامنه باشد موجب بروز ناپایداری می شود.
وجود هر نوع درزه و گسیختگی در دامنه ها موجب ناپایداری دامنه می شود.
وجود چین خوردگی ها نیز می تواند موجب بروز لغزش هایی در دامنه ها شده و گسل ایجاد کند. توجه شود که این گسل از نوع ثقلی است نه تکتونیکی.

شیب و ارتفاع دامنه:

حفاری پاشنه ی دامنه به طوری که موجب افزایش شیب دامنه شود باعث ناپایداری می شود.
خاکریزی بر روی دامنه به طوری که باعث افزایش ارتفاع دامنه شود موجب بروز ناپایداری می شود.
پدیده ی رگاب (piping) که مخصوصاً در سد های خاکی بسیار رخ می دهد پاشنه ی دامنه را خالی کرده و دامنه ناپایدار می شود.

سایر عوامل:

♦بارگذاری: تجمع آب، برف، دپوی ماده معدنی یا باطله های معدنی، انباشت زباله، احداث ساختمان، درخت کاری همگی می توانند موجب افزایش وزن دامنه شده و تعادل نیروها را بهم بزنند.

♦لرزش: ایجاد هرگونه لرزش در دامنه می تواند منجر به ناپایداری شود. وقوع زلزله، آتشباری، مانور نظامی، شکست دیوار صوتی، رزونانس فعالیت ماشین آلات سنگین ضربه ای و …

♦وضعیت تنش: هرگونه حفاری زمین توسط بشر موجب بهم خوردن جریان تنش در زمین می شود. تمرکز تنش های القایی ناشی از حفاری و یا رهایی تنش ناشی از باربرداری همگی موجب بروز ناپایداری می شوند.

سازوکار مقاومتی سنگ و خاک

هر عاملی که موجب کاهش فشار محصور کننده در مصالح دانه ای شود، موجب کاهش تماس های اصطکاکی بین دانه ها شده و در نهایت منجر به کاهش مقاومت مصالح و موجب بروز ناپایداری می شود.

وارد شدن نیروی شناوری آب به ذرات خاک موجب کاهش نیروی وزن ذرات شده، در نتیجه نیروهای تماسی بین ذرات نیز کاهش یافته و متعاقباً اصطکاک بین ذرات به شدت کم شده و مصالح مقاومت خود را از دست می دهند.

خاک رس

چسبندگی بین ذرات رس:

1-چسبندگی خشک

2-چسبندگی تر

چسبندگی حالت خشک عموماً ناشی از نیروی جاذبه ی الکترواستاتیکی است و در اثر اتصال گوشه های مثبت کانی های رسی با سطوح منفی کانی های رسی مجاور خود به وجود می آید. کانی ها در دو آرایش مجتمع و پراکنده میتوانند در کنار یکدیگر قرار بگیرند.

در اثر بارگذاری زیاد و یا نفوذ آب زیاد، ساختار مجتمع (Flocculant) به ساختار پراکنده (Dispersed) تبدیل می شود. مجدداً در اثر بار برداری یا خشک شدن رس تنها بخشی از ساختار مجدداً مجتمع می شود.

چسبندگی تر

جذب آب: به علت نوع ساختارهای مولکولی در رس ها، سطح ذرات رس دارای بار منفی و گوشه های آن نیز دارای اندکی بار مثبت است. از آنجایی که سطح ویژة رس بزرگ است بارهای منفی زیادی روی سطح ذرات آن وجود دارد، بنابراین مولکول آب (که یک مولکول قطبی است) در مجاورت رس تمایل دارد به سطح ذرات رس بپیوندد. پیوند مولکول آب با ذرات رس به دو صورت امکان دارد. یا مولکول آب از قطب مثبت خود به سطح منفی رس می چسبد و یا اینکه قطب منفی آب به گوشه های مثبت رس می پیوندند. آبی که از این طریق به سطح ذرات رس چسبیده است آب جذب سطحی نامیده می شود.

آب جذب سطحی جاذبه قوی با ذرات رس داشته و ذرات رس را طوری به هم پیوند می دهد که خاک به صورت یک توده ی خمیری چسبناک در می آید.

علاوه بر این، آبی که در خاک رس وجود داشته ولی جاذبه ای باسطح رس ندارد را آب آزاد می نامند. افزایش آب آزاد موجود در رس باعث افزایش روانی خاک رس می شود.

انواع ناپایداری شیب ها

شرایط زمین شناسی و وضعیت تنش حاکم بر هر دامنه گونة خاصی از گسیختگی را باعث می شود که مختص همان شرایط است. بنابراین آگاهی از شرایط زمین شناسی می تواند مبنایی برای پیش بینی خطر گسیختگی باشد.

توده های سنگی:گسیختگی گوه ای، لغزش صفحه ای، واژگونی و گسیختگی چند سطحی

سنگی های دگرگونی:لغزش در امتداد فولیاسیون

خاک های آبرفتی:جریان، لغزش چرخشی، لغزش صفحه ای

انواع گسیختگی های دامنه ای

ریزش (Fall): جدا شدن مواد از دیواره ی قائم یا نزدیک به قائم و ریختن آنها پای دامنه را ریزش می نامند.

واژگونی (Toppling): نوعی ریزش است که قطعات با چرخیدن حول یک محور یا یک نقطه از تکیه گاه خود سقوط می کنند.

ریزش و واژگونی در خاکها توسط خالی شدن زیر دامنه به وقوع می پیوندد.

ریزش و واژگونی در سنگ توسط خالی شدن زیر دامنه، افزایش فشار در درزه ها و هوازدگی لایه های ضعیف در لابلای لایه های مقاوم رخ می دهد.

نشانه ی ریزش قبل از گسیختگی،وقوع ترک های کششی است.

لغزش (Slide): حرکت و جابجایی بخشی از مواد دامنه در امتداد یک سطح گسیختگی مشخص را لغزش گویند. تغییر شکل در لغزش از نوع برش ساده (Simple Shear) است که به دو شکل انتقالی (ساده) (Translational) و چرخشی (دایراه ای) (Rotational or Circular) رخ می دهد.

جریان (Flow): هرگاه مواد سازنده ی دامنه ماده ای پلاستیک (خمیرسان) باشد یا تحت شرایطی به یک سیال غلیظ تبدیل شود، حرکت دامنه به صورت جریان خواهد بود.

جریان یا از نوع بهمن ذرات (Debris avalanche) بوده یا نوعی جریان ذرات (Debris Flow) است یا بهمن تکه سنگ ها است و یا جریان خاک و گل است.

واریزه ها (Colluvium) (تکه های سنگ و خاک ناشی از هوازدگی که در پای دامنه ها انباشته می شوند) اغلب در معرض جریان هستند.

خزش(Creep):به تغییر شکل های کند و سطحی دامنه ای اطلاق می شود. خزش نشانه ای برای وجود شرایط مساعد لغزش است. علائم خزش عبارتند از:

برجستگی های موازی در سطح دامنه
جابجایی راهها و سایر خطوط
کج شدن تیرها و نرده ها و تنه ی درختان
خمیدگی تنه ی درختان

جمع آوری اطلاعات برای بررسی پایداری شیب

1) برداشت ها: (الف) پیمایش سطحی، (ب) مطالعات ژئوفیزیکی، (ج) حفر گمانه ها و چاهک های اکتشافی

2) آزمایش ها: (الف) آزمایش های برجا، (ب) آزمایش های آزمایشگاهی

3) مطالعات زمین شناسی و سنگ شناسی

اطلاعات مورد نیاز:

1) پارامترهای فیزیکی (وزن مخصوص، آب محتوی، تخلخل، ضریب تراوایی و …)

2) پارامترهای مکانیکی (مقاومت فشاری، مقاومت برشی درزه، مدول دگرشکلی، ضریب پواسون و …)

3) اطلاعات ساختاری (وضعیت لایه بندی، شدت درزه داری، گسلش، چین خوردگی، حالت تنش برجا و …)

از بین عوامل فیزیکی، مهمترین عاملی که به طور مستقیم باید مورد توجه قرار گیردوزن مخصوص است.

از بین عوامل مکانیکی، مهمترین عامل مقاومت فشاری تک محوره است.

سختی دینامیکی ←چکش اشمیت

به کمک این نمودار می توان مقاومت فشاری تک محور (UCS) اغلب سنگ ها را با استفاده از شاخص سختی واجهشی اشمیت و دانسیته ی سنگ بدست آورد.

مقاومت برشی سطوح سنگی (درزه یا تماس سنگ-سنگ)

در طراحی ها به منظور افزایش ضریب ایمنی اغلب مقدار مقاومت برشی پسماند درزه ها در تجزیه تحلیل ها وارد می شود.چنانچه درزه ها پرشده باشند (مثلاً با رس)، مقاومت برشی مواد پر کننده تاثیر زیادی بر مقاومت برشی درزه ها دارد.توصیه می شود مقدار زاویه ی اصطکاک پسماند سطوح سنگی با کمک آزمایشهای برجا، یا بصورت آزمایشگاهی اندازه گیری شده و یا با کمک برخی روش های موجود تخمین زده شود.

توده سنگ فاقد شرایط کنترل ساختاری (محیط معادل همگن و همسانگرد)

معيار شکست هوك-براون:

تا زماني كه مقادير ثابت‌هاي mb، s و a و همچنین حالت تنش های برجا (σ1 و σ3) را نتوان با استفاده از روش‌ها‌ي مشخص به دست آورد، این رابطه فاقد ارزش عملي است.