بخشی از مقاله
استفاده از روش المانهای مجزا در تحلیل روشهای مقابله با خطرات طبیعی ناشی از لغزش های زمین و تحلیل موردی زمین لغزش گلدیان(رودبار) بابکارگیری این روش
چکیده:
زمین لغزش ها یکی از معضلات اصلی ساخت و ساز در دامنه ها می باشد. هر ساله گزارشهای متعددی از وقوع زمین لغزه ها ارائه می شود. مخاطرات این پدیده نه فقط مربوط به سازه های بر روی شیب, بلکه در سازه های بالا دست و پائین دست شیب نیز وجود دارد. در این تحقیق تحلیلی بر روشهای مقابله با خطرات زمین لغزه ها صورت گرفته و روشهای مختلف تحلیل پایدارسازی آنها با یکدیگر مقایسه شده اند. با توجه به محدودیتهائی که روشهای متداول تحلیل حدی در فرضیات ساده کننده , عدم ارضاﺀ معادلات تعادل و عدم اطمینان به جوابها دارند و همچنین دشواری , پیچیدگی و هزینه ای که در روشهای عددی اجزای محدود وجود دارد , روش المانهای مجزا به عنوان یک روش مناسب مورد ارزیابی قرار گرفته است. به منظور تحلیل با این روش, خاک به المانهای صلب تقسیم شده و ارتباط المانها بوسیله سختی فنرهای وینکلر برشی و نرمال کنترل می گردد و در کاربرد نوارهای مسلح کننده یا میل مهارها, سختی اضافه ای در محل وجود مسلح کننده ها به سختی های قبلی افزوده شود. تحقیقات به عمل آمده, توسعه این روش در بسیاری از تحلیل های مورد نیاز در زمین لغزش ها را نشان می دهد. نمونه هائی از این توسعه در مدلسازی دامنه خاکی و روشهای پایدارسازی نظیر تزریق, ابنیه نگهبان و خاک مسلح ارائه شده است. در انتها یکی از لغزشهای رخ داده در زلزله رودبار با استفاده از این روش مدلسازی شده و نتایج حاصل با دیگر تحلیل ها مقایسه شده است.
واﮊه های کلیدی: زمین لغزش, پایداری شیروانی, روش المانهای مجزاﺀ, روشهای پایدارسازی, تسلیح خاک
١- مقدمه
بررسی ایمنی شیب های خاکی امروزه یکی از متداول ترین مسائل در ﮊئوتکنی ک است. مخاطرات ناشی از عدم پایداری یک شیب خاکی گاه به حدی وسی ع است که خسارات جبران ناپذیر جانی و مالی را به همراه دارد . از این رو ایمنی طرح های کوچک و بزرگ مهندسی نظیر ساختمان ها, جاده ها, سدها, نیروگاه ها و غیره در گرو تحلیل دقیقی از رفتار شیب های خاکی اطراف آنها است. مطالعه ناپایداری دامنه های طبیعی (زمین لغزش ), باید بر مبنای شناخت کافی و دقیق از پدیده زمین لغزش, مخاطرات آن و نحوه مقابله و جلوگیری از آن صورت گیرد. نمونه های متعدد از زمین لغزش ها در ایران و سایر نقاط جهان, اهمیت بررسی آنرا دو چندان میکند. به عنوان نمونه لغزش فتلک در زلزله سال ١٣٦٩ رودبار منجر به مرگ ٧٦ تن و تخریب باغات زیتون گردید ]١[ و در سال ١ ٨٩٣ یکی از بزرگترین لغزش های تاریخ در هندوستان سدی طبیعی به طول km٣ و پهنای km٥,١ و ارتفاع m٢٩٥ بوجود آورد که خرابی آن در سال بعد باعث آزاد شدن یک میلیون متر مکعب آب و ویرانی شهرها و دهکده های مسیر گردید ]١٩٦٢ . [Legget
به عنوان یک تعریف مشخص می توان گفت: " زمین لغزش, گسیختگی یک دامنه خاکی تحت اثر وزن یا نیروهای محرک دیگر و حرکت نسبتا سریع آن به پائین و خارج, با کاهش ضریب اطمینان پایداری به مقدار کمتر از واحد است."
روش های گوناگونی برای پیشگیری از این پدیده وجود دارد. همچنین شیوه های تحلیل متعددی نیز به منظور بررسی پایداری شیب وکارایی روشهای پایدارسازی، تاکنون بکار گرفته شده اند. اما هریک از روشهای تحلیل دارای نقایص و کاستی های بسیاری هستند. روش المان های مجزا, در مجموع یکی از روش های مناسب تحلیل است, که می تواند در حالات مختلف با مزایای نسبی فراوان, احتمال وقوع پدیده زمین لغزش و راه های مقابله و پیشگیری از آن را ارزیابی کند.
٢- مخاطرات ناشی از لغزش شیب ها
در اثر وقوع زمین لغزش دو گروه از سازه ها مورد تهدید قرار میگیرند: دسته اول, سازه هائی که بر روی شیب ناپایدار بنا شده اند و دسته دوم, سازه هائی که در مجاورت شیب قرار دارند.
در گروه اول بدلیل عدم بررسی دقیق ساختگاه, پی سازه بر روی زمین ناپایداری که استعداد لغزش داشته بنا شده است و در صورت وقو ع لغزش, بسته به گستردگی آن, سازه با خطرات جدی روبرو خواهد بود. لغزش خاک منجر به لغزش پی و انهدام سازه خواهد شد.
در گروه دوم, سازه های در مجاورت شیب را میتوان به سازه های بالای شیب و پائین شیب تقسیم بندی کرد. در این حالت فرو ریختن دامنه, در صورت گستردگی, میتواند باعث مدفون شدن و نابودی تمام تاسیسات موجود در پای شیب گردد. همچنین لغزش زمین باعث تغییر مکان و تضعیف پی سازه های بالادست گردیده, میتواند منجر به ترک ها و اختلالاتی در سیستم سازه ای آن و یا حتی کج شدگی و واﮊگونی آن گردد. همچنین نمونه های متعددی از ریزش دامنه های ناپایدار در درون دریاچه سدها مشاهده شده است که منجر به سر ریز آب دریاچه از روی تاج سد و یا ایجاد خسارت و پرشدن حجم مفید دریاچه گردیده است (فاجعه ریزش ٢٤٠ میلیون مترمکعب سنگ از کوه Toc به درون دریاچه سد .( Vaiont
در کنار خسارات جانی و مالی که یک زمین لغزه میتواند داشته باشد, وقوع لغزش های محدود نیز میتواند کاربری و بهره برداری سازه ها را دچار مشکل کند. خراب و مسدود شدن جاده های کوهستانی در حین لغزش, شکستن لوله ها و تاسیسات عبوری از محدوده زمین لغزش, پر شدن دریاچه سدها و مدفون شدن مزارع و زمینهای محدوده زمین لغزش, نمونه هائی از اثرات زمین لغزش در اختلال کاربری و بهره برداری سازه ها است.
٣- روش های مقابله با زمین لغزش
به طور کلی روش های جلوگیری از لغ زش را می توان در مقابله با عوامل وقوع آن جستجو کرد. ( عوامل بیرونی و عوامل درونی). در نتیجه راه های مقابله با مخاطرات زمین لغزش را نیز می توان به دو دسته اصلی تقسیم بندی کرد : ١- روش هائی که باعث افزایش نیروی مقاوم می شوند. ٢-روش هائی که باعث کاهش نیروهای محرک می گردند.
٣-١- روش های افزایش نیروی مقاوم
راه حلهای افزایش مقاومت شیب بر روی سطح گسیختگی را می توان در قالب سه گروه اصلی زیر بیان نمود:
١- زهکشی: در موارد بسیاری که آب عامل اصلی کاهش مقاومت و ناپایداری محسوب می گردد، بکار بردن یک سیستم زهکشی مناسب می تواند به بهبود مقاومت بیانجامد . زهکش ها می توانند بصورت چاهکهای افقی یا قائم در شیروانی باشند و یا بصورت خندق هائی در بالا یا پاشنه خاکریز احداث گردند. این کار به هدایت صحیح آب و دور کردن آن از ناحیه خطر منجر می گردد.
٢- پایدار سازی داخلی سطح گسیختگی: در این دسته از روشها، بوسیله یک روش سازه ای، شیب ناپایدار در سطح ضعیف خود, تقویت می شود. در این روش ها سطح گسیختگی توسط اجزاﺀ سازه ای کمکی، اصطلاحا دوخته می شود تا در برابر لغزش مقاومت بیشتری پیدا کند. نمونه های عملی از این دسته را می توان در استفاده از تزریق و میل مهارها در سطح شیبدار مشاهده کرد.
٣- پایدار سازی خارجی توده ناپایدار: در این روش با احداث یک سازه خارجی نگه دارنده در مسیر توده ناپایدار، یک نیروی مقاوم مجزا در برابر ناپایداری ایجاد شده و بوسیله آن لغزش احتمالی مهار می گردد. ابنیه نگهبان وزنی، دیوارهای بتن مسل ح طره ای، دیوارهای سبدی و ابنیه خاک مسلح انواع مختلفی از پایدارسازی خارجی توده را ارائه می کنند. همچنین در بسیاری موارد افزودن به وزن پاشنه از طریق ریختن خاک یا مصالح سنگین در افزایش ضریب اطمینان پایداری مؤثر خواهد بود.
٣-٢ روش های کاهش نیروی محرک
در پایدارسازی دامنه بوسیله کاهش نیروی محرک، روشهای اصلی شامل موارد زیر خواهد بود:
١- تغییر شکل هندسه دامنه: از آنجا که در بسیاری از موارد عامل ناپایداری، وزن خود توده است، می توان با اصلاح هندسه توده از نیروهای محرک ناپایداری کاست. در این زمینه اصلا ح ساختار اعمال نیروی وزن از طریق کاهش شیب دامنه و کاهش ارتفاع باعث می شود تا دامنه به وضعیت پایداری برسد.
٢- کاستن از وزن دامنه: حفاری و برداشتن قسمت های محرک دامنه در بالا، باعث کاهش وزن و کاهش نیروی محرک موجود در پایداری توده می گردد. علاوه بر آن اصلاح ساختار شیب, بصورت پلکانی کردن آن, می تواند علاوه بر کاهش وزن، شیب ناپایدار را نیز اصلاح کند.
٣- زهکشی آبهای سطحی: در مناطقی که دارای بارندگی فراوان هستند، شبکه ای برای جمع آوری آبهای جاری بر روی دامنه باید تعبیه گردد. این شبکه از نفوذ آبهای سرگردان در درون شیب خاکی جلوگیری کرده و مانع تضعیف دامنه می گردد.
٤- روشهای تحلیل پایداری
در مساله زمین لغزش، تحلیل پایداری در دو حالت مورد نیاز است:
الف) تحلیل شیب اولیه: این تحلیل به منظور ارزیابی وضعیت فعلی شیبها انجام می گردد و هدف آن پاسخ به این سؤال است که "آیا در حال حاضر و یا در آینده در اثر تحریکات طبیعی، بارگذاری، زلزله، باران و غیره شیب موردنظر پایدار خواهد بود؟" و در واقع پس از این تحلیل میتوان در مورد لزوم پایدارسازی شیب اظهار نظر کرد.
ب) تحلیل شیب پایدار سازی شده: پس از اینکه با یکی از روشهای ذکر شده شیب مذکور پایدارسازی شد، تحلیل جداگانه ای برای ارزیابی وضعیت جدید دامنه مورد نیاز خواهد بود. پس از این تحلیل می توان به این سؤال پاسخ داد که: "آیا خطر ناپایداری شیب بر طرف شده است؟ و آیا روش پایدار سازی مؤثر بوده است؟"
به منظور پاسخ به دو سؤال فوق، روشهای تحلیل گوناگونی وجود دارد. اما قبل از تحلیل , برنامه شناسائی ﮊئوتکنیکی، ودر مرحله اول آن بازدید محلی الزامی است . شناسائی عوامل هشداردهنده در محل باید در دستور کار برنامه شناسائی قرار گیرد. کنترل ترک ها، لغزش های کوچک در محل، رخنمون مقاطع موجود, مسیرهای زهکشی آب ها، ترکهای احتمالی موجود در سازه ها، جاده ها و ابنیه مجاور می توانند مواردی از هشدار نسبت به وقوع زمین لغزش باشند.
در گام بعدی پارامترهای مقاومتی، خصوصیات مکانیکی و مشخصات هندسی شیب باید تعیین گردد. سپس با اتخاذ روش تحلیل مناسب، پایداری شیب در دو حالت ذکر شده مورد بررسی قرار می گیرد. به طور کلی روشهای تحلیل به دو دسته اصلی تقسیم میگردند:
الف) روشهای تحلیل حدی، که شامل سه روش زیر می شوند: "روش خطوط مشخصه، روش تعادل حدی و روش تحلیل حدی "
ب) روشهای تحلیل عددی،که مساله را بصورت عددی با روش هایی نظیر اجزاﺀ محدود تحلیل می کنند.
با وجود کاربرد فراوان، هریک از این روشها دارای محدودیتهای مربوط به خود می باشند. روشهای حدی با وجود اینکه بر مبنای مدل ساده ای از رفتار خاک استوارند و قابلیت ارائه حل بسته و عام در مسائل کاربردی را دارند، اما اساسا قادر به محاسبه مقدار جابجائی نیستند. در این روشها سعی می گردد با اتخاذ ضریب اطمینان کافی، از مقدار جابجائی مجاز شیروانی اطمینان حاصل کرد. اما در عمل موارد بسیاری از رفتار نامناسب شیروانی های با ضریب اطمینان کافی دیده شده است ]٥.[ همچنین این روشها علیرغم آنکه تاثیر عوامل مختلف نظیر هندسه زمین و مقاومت خاک را به خوبی لحاظ می کنند، اما قادر به بررسی نحوه توسعه گسیختگی نیستند. از سوی دیگر روشهای حدی به دلیل عدم ارضاﺀ همزمان شرائط تعادل و سازگاری، همواره نیاز به فرضهای ساده کننده ای دارند تا قابلیت حل مساله را داشته باشند]٦.[ با توجه به این موارد، عدم اعتماد به جوابها، یکی از معضلات اصلی در استفاده از این روشها است. به عنوان مثال در روش تعادل حدی که بیشترین کاربرد را در عرصه روشهای حدی از قرن ١٨ تا کنون داشته است، هنوز قضاوت در مورد جایگاه و دقت نتایج حاصله، بدون در نظر گرفتن جوابهای دیگر روشها امکان پذیر نیست.
در روشهای عددی نیز با وجود دشواری های مدلسازی که فرآیندی وقت گیر و پر هزینه می باشد، اعتماد به جوابها نیاز به شناخت دقیقی از شرائط زمین شناسی و پارامترهای مقاومتی مصالح دارد که خود مستلزم انجام شناسائی دقیق و آزمایشهای گسترده و گران است.
٥- ارائه روش المانهای مجزا (Discrete Element Method) در پایداری دامنه های موجود و ارزیابی پایدارسازی
روش اجزاﺀ مجزا در زمره روشهای عددی، یکی از روشهای مناسبی است که می تواند در تحلیل زمین لغزشها مفید واقع گردد. این روش دارای مزایای نسبی، در مقایسه با سایر روشها بوده و به راحتی می تواند تحلیل پایداری را در دو حالت اولیه و پایدارسازی شده ارائه دهد . در ادامه به شر ح قابلیت و توانائی این روش در بحث زمین لغزش ها پرداخته و نمونه ای .از کاربرد در بررسی یکی از لغزش های رودبار ارائه خواهد شد.
٥-١- تاریخچه و مبنای روش المانهای مجزا(DEM)
روش المانهای مجزا اولین بار توسط چانگ Chang در سال ١٩٩١ به منظور بررسی مسائل ظرفیت باربری پی ها بکار رفت ]٧.[ یک سال بعد Chang تحقیقات خود را در مورد پایداری شیروانیها توسعه داد ]٨.[ و دو سال پس از آن, یعنی در سال ١٩٩٤, روش فوق را در تحلیل دیوارهای حائل نیز بکار برد]٩.[ در این روش هندسه مساله به المانهای مجزای صلبی تقسیم می گردد. این المانها بوسیله فنرهای الاستو پلاستیک برشی و قائم به یکدیگر متصل شده اند.
شکل ١ : نحوه مدلسازی اتصال المانها در روش اجزاﺀ مجزا با استفاده از فنرهای الاستو- پلاستیک
سپس ی ک سطح گسیختگی فرض شده و نیروهای مربوط به المانها وارد می گردند و با حل دستگاه, نیروها و تنش ها در المانهای مختلف حاصل می گردند. حداکثر ظرفیت برش فنرها را با توجه به معیار موهر-کولمب, می توان به صورت زیر فرض کرد:
