مقاله عوامل موثر بر پایداری شیب

[Alireza Hashemi 33392]

عوامل موثر بر پایداری شیب

نیروی ثقل:

نیروی اصلی که مسئول حرکت توده سنگ است همان نیروی ثقل است. نیروی ثقل نیرویی است که به هر جای زمین وارد میشود، و به هر چیزی و در جهت مرکز زمین فشار وارد میکند.

 

در یک سطح تخت نیروی ثقل به طرف پایین وارد میشود.تا وقتی که مواد روی سطح صاف بمانند تحت نیروی ثقل حرکت نخواهند کرد.

در روی شیب این نیرو به دو مولفه تجزیه شده : یک نیروی عمود بر شیب و یک نیروی مماس بر شیب.

مولفه عمودی وزن به نگه داشتن ماده روی شیب کمک میکند ومولفه مماسی سبب میشود که ماده در جهت شیب به طرف پایین بلغزد که در واقع ایجاد تنش برشی میکند.

در شیب تند مولفه مماسی(تنش برشی) افزایش و مولفه عمودی کاهش می یابد. نیرویی که در مقابل حرکت مقاومت می کند مقاومت برشی که ترکیب مقاومت اصطکاکی و نیروی چسبندگی است.

وقتی که تنش برشی بزرگتر از ترکیب نیروهایی که ماده را نگه می دارند شود، ماده به سمت پایین شیب حرکت میکند. اگر ماده از اجزای مختلفی مثل سنگ، خاک و رس و ... تشکیل شده باشد آنگاه اگر تنش بر شی بزرگتر از نیروی چسبندگی بین اجزا شود اجزا از هم جدا شده و به سمت پایین شیب حرکت میکند(جاری شده).

بنابراین حرکت رو به پایین مرتبط است با زاویه شیب که اگر زیاد باشد تنش برشی زیاد میشود.

تاثیر آب روی پایداری شیب:

اگر چه آب مستقیما در حرکت توده سنگ (شیب) شرکت ندارد اما بخاطر دلیل زیر عامل مهمی است:

1- افزایش آب در اثر بارش باران و ذوب برف ها باعث سنگین شدن شیب می شود. آب می تواند به داخل خلل و فرج و شکستگی ها نفوذ کند و جای هوا را بگیرد. چون آب سنگین تر از هوا است پس بر وزن خاک می افزاید و وزن همان نیرو و نیرو نیز تنش بر سطح است و وقتی تنش زیاد شود می تواند باعث ناپایداری شود.

2- آب میتواند زاویه شیب را تغییر دهد (زاویه شیبی که شیب در آن زاویه پایدار است). همانطور که در ساخت قلعه ماسه در ساحل اگر شن و ماسه کاملا خشک باشد غیر ممکن است که یک ستون ماسه ای شیب دار مثل یک دیوار قلعه بسازیم. ولی اگر ماسه تا حدودی مرطوب باشد می توان یک دیوار عمودی ساخت. حال اگر به ماسه کمی بیشتر رطوبت بدهیم به شکل یک جریان سیال درآمده و نمی تواند پایدار بماند.

دانه های خشک تحکیم نشده (به هم نچسبیده) یک ستون با زاویه ای که به عنوان زاویه سکون (پایداری) تعریف می کنیم تشکیل می دهند. زاویه سکون، زاویه ی شیبی است که توده ای از دانه های تحکیم نشده پایدار باقی میمانند. که به وسیله اصطکاک بین دانه ها کنترل میشود. برای مواد خشک زاویه سکون به وسیله افزایش اندازه دانه ها افزایش می یابد اما معمولا بین 30 تا 45 درجه است.

با کمی رطوبت دادن به مواد خشک می توان زاویه سکون شیب را تا حد زیادی افزایش داد چون بین آب و دانه های خاک کشش سطحی ایجاد می شود و دانه های خاک را کنار هم نگه میدارد.

وقتی مواد معدنی از آب اشباع شود زاویه سکون به شدت کاهش می یابد. چون دانه ها تمایل دارند به حالت سیال درآیند و اصطکاک دانه از بین میرود.

3- آب می تواند توسط مواد معدنی خاک جذب یا دفع شود. جذب سبب می شود که قطب های الکتریکی مولکل های آب به سطح مواد معدنی بچسبد و به داخل ساختار آنها نفوذ کند . پس اضافه کردن آب وزن خاک و سنگ را افزایش می دهد. بعلاوه اگر جذب رخ دهد سطح تماس اصطکاک بین دانه ها کم شده که نتیجه آن از دست رفتن چسبندگی است. و در ادامه مقاومت سنگ کاهش می یابد.

به طور کلی خاک رس مرطوب مقاومت کمتری نسبت به خاک رس خشک دارد. در نتیجه جذب آب منجر به کاهش مقاومت می شود.

4- آب می تواند سیمانی را که دانه های معدنی را کنار هم نگه می دارد در خود حل می کند. اگر سیمان از جنس کلسیت،گچ و نمک باشد به راحتی در آب حل شده و چسبندگی بین دانه ها از بین می رود.

5- میعان ( مایع شدن) وقتی رخ می دهد که رسوبات از آب اشباع شوند. نتیجه آن کم شدن تماس بین دانه ها است چون آب بین دانه ها قرار می گیرد.

میعان می تواند به عنوان یک نتیجه از لرزش زمین رخ دهد. یا می تواند نتیجه یک بارش سنگین باران یا ذوب شدن برف ها باشد. هم چنین میتواند نتیجه نفوذ آهسته آب بداخل رسوبات سست خاک باشد.

مقدار آب لازم برای تبدیل یک توده خاک جامد به جرم مایع بستگی به نوع ماده معدنی دارد. به طور کلی در رسوبات رسی به آب بیشتری احتیاج است چون آب ابتدا باید جذب سطح رس شود و دوباره برای شناور کردن دانه های رس مقدار آب بیشتری لازم دارد.

6- آب زیرزمینی تقریبا در تمام نقاط زیر زمین وجود دارد. این آب است که فضای خالی بین دانه های سنگ و حتی شکستگی ها ی موجود در سنگ را پر می کند. سطح آب زیرزمینی بدلیل بارش باران تغییر میکند . این سطح تمایل به افزایش در فصول مرطوب دارد و در نتیجه در این فصول مقدار نفوذ آب بیشتر می شود. در فصول خشک سطح آب پایین می آید و مقدار نفوذ آب کم می شود. چنین تغییراتی در سطح آب می تواند یک فاکتور موثر در پایداری شیب باشد.

7- یکی دیگر از جنبه هایی که آب روی پایداری شیب اثر می گذارد فشار سیال (منفذی) است. خاک و سنگی که در قسمت عمیق زمین است دانه های آن ساختاری فشرده دارند و آب بین منافذ فضای کمتری اشغال می کند . بدلیل وزن روباره زیاد آب می تواند فشار منفذی زیادی وارد کند که نتیجه آن کاهش فشار نرمال موثر که یک عامل کمکی برای پایداری درشیب است. در نتیجه آن مقاومت برشی کاهش می یابد.

جنس مواد زمین:

خاک های هیدروکامپکت(متمایل به توسعه) خاکی است که حاوی مقدار زیادی ماده معدنی به نام مونت موریلونیت است. این نوع کانی رسی وقتی آب جذب کند گسترش می یابد و آب به داخل ساختار بلوری آن وارد میشود . افزایش حجم میدهد. وقتی که رس خشک شود آب خود را از دست میدهد و حجمش کاهش می یابد و رس فشرده شده (این فرایند هیدروکامپکت است).

یکی دیگر از موادی که تورم و تراکم مشابهی در اثر آب از خود نشان میدهد ذغال سنگ نارس است. ذغال سنگ نارس مواد آلی غنی انباشته شده در کف مرداب ها هستند.

خاک های حساس در برخی از خاک ها کانی های رسی به طریق تصادفی چیده شده اند و مقداری فضای خالی بین دانه ها وجود دارد که به آن ساختار پراکند میگویند. در این وضعیت نمک (هالیت،کلسیت،ژیپس) در فضای منافذ رسوب کرده و ذرات را به یکدیگر می چسباند.

آب در بین منافذ نفوذ کرده و بر روی کانی های رسی جذب شده و نمک که عامل چسبندگی ذرات است را در خود حل میکند.

تراکم خاک با تکان دادن خاک(لرزش) باعث تغییر سریع در ساختار مواد شده که در نتیجه آن کانی های رسی بر روی یکدیگر بخط شده و فضای باز کاهش خواهد یافت. اما این ممکن است باعث از دست دادن مقاومت برشی خاک و لغزش آن به سمت پایین شیب شود.

بعضی از رس ها به نام تکستوترپی هنگامی که دست نخورده بمانند می توانند مقاوم بمانند اما وقتی که آشفته شوند مقاومت برشی آن کم میشود. بنابراین زلزله های کوچک یا ارتعشات ناشی از انسان یا باد میتواند سبب از دست رفتن مقاومت برشی میشود.

مواد و ساختار های ضعیف:

بدینگ پلن ها (لایه های مسطح از سنگ ها هسستند که بر اساس اصل رسوب گذاری رخ میدهند) چون مسطح هستند و میتوانند به سمت پایین شیب داشته باشند پس میتوانند سطوح لغزش را ایجاد کنند. بخصوص اگر آب بین آنها نفوذ کند و مقاومت اصطکاکی را کاهش دهد. در نمودار زیر، توجه شود که چگونه شیب بالای جاده در سمت چپ ذاتا پایداری کمتری نسبت به شیب های بالای جاده در سمت راست دارد.

 

لایه های ضعیف برخی از سنگ ها قوی تر از دیگر سنگ ها است بخصوص مواد رسی که عموما مقاومت برشی کمتری دارند. اگر یک سنگ یا خاک ضعیف بین لایه های سنگی قوی باشد لایه ضعیف محل شکست خواهد بود بخصوص اگر شیب لایه ها به طرف پایین باشد. به عنوان مثال شکل بالا شن و ماسه تحکیم نشده مقاومت برشی کمتری دارند در نتیجه لایه های شن و ماسه لایه های ضعف در شیب هستند.

درزه ها نتیجه گسترش آرام و یا آزاد سازی فشار از روی سنگ های بالایی بدلیل فرسایش است. فضای خالی ایجاد شده توسط درزه ها توسط آب و یا مواد پرکننده پر شده و مقاومت اصطکاکی را کاهش میدهد. اگر درزه به موازات شیب باشد ممکن است تبدیل به یک سطح لغزش شود و اگر با درزه های عمود بر شیب ترکیب شود بلوک ها را تشکیل داده که میتواند به سمت پایین بلغزد.

صفحات فولیاسیون :در طول دگرگونی سنگ تنش تفاضلی سبب میشود که سیلیکات های صفحه ای مثل رس،بیوتیت و موسکوویت به صورت موازی رشد یابند و شیستوزیته را تشکیل دهند. سیلیکات های صفحه ای به راحتی در راستای موازی شیستوزیته میتوانند بشکنند. شیستوزیته میتواند تبدیل به یک سطح لغزش شود بخصوص اگر جهت شیب آن در جهت پایین شیب باشد.

تحریک رویدادها:

حرکت توده سنگ میتواند هر زمانی که شیب ناپایدار شود رخ دهد. خزش بصورت پیوسته و آهسته در طول زمان رخ میدهد ولی گاهی اوقات رهاسازی (تحریک) حادثه ها اتفاق می افتد و باعث ناپایداری ناگهانی میشود. در اینجا منظور تحریک رویدادهای بزرگ است ولی اگر شیب نزدیک به ناپایداری باشد یک تحریک کوچک میتواند منجر به شکست شود.

شوک ناگهانی مثل زمین لرزه ممکن است ناپایداری شیب را منجر شود. حتی شوک های کوچک مثل کامیون های سنگین ، وزش باد و یا انفجارهای ایجاد شده توسط انسان میتواند آغازگر حرکت توده سنگ باشد.