بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق حاضر پایداری شیروانیهای خاکی سد صفارود با نرمافزار Geo studio و با زیر برنامههای slope و Seep با استفاده از تابع ناهمسان خاک بررسی شده است. دراینجا تابع ناهمسان خاک جایگزین تابع ناهمسان سنگ مارن شده است ابتدا با استفاده از زیربرنامهی Seep خط نشت مدل شد و سپس مدل اجرا شده وارد زیربرنامهی slope شد و با روش مورگنسترن- پرایس تحلیل پایداری صورت گرفت. برای محاسبهی مقاومت برشی مصالح بدنه از روش خطی موهر- کولمب و بر ای محاسبهی مقاومت برشی مصالح پی از روش غیر خطی Strength using an anisotropic function استفاده شد. نتایج نشان میدهند که موقعیت خط نشت منطقی بوده و شیب بالادست با ضریب اطمینان 1/5 پایدار است.
.1 مقدمه
سطوح شیبدار خاکی، یکی از عوارض طبیعیی یا مصنوعی مهم میباشندکه پایداری آنها در مسائل مهندسی ژئوتکنیک از اهمیت خاصی برخوردار است. شیبهای خاکی مصنوعی در اجرای بسیاری از سازههای مهندسی مانند سدهای خاکی، خاکریز بستر راه و راه آهن، مخازن ذخیره آب، دایکهای حفاظتی، خاکریز کانال و غیره احداث میشوند و شیبهای خاکی طبیعی در دامنه کوهها و تپهها و یا در هنگام عملیات خاکبرداری ایجاد میگردند.
منظور از پایداری استاتیکی سد خاکی، حفظ تعادل و جلوگیری از حرکت اجزای یک سد خاکی در مقابل نیروهای استاتیکی وارده است. به عبارت دیگر یک سد خاکی وقتی در حال تعادل یا پایدار است که در هر قسمت از سد برایند نیروهای اعمال شده کوچکتر از مقاومت بسیج شده در آن قسمت باشد. بنابراین مشاهده می شود که پایداری سد خاکی یک مسئله نسبی است و بر حسب تغییر نسبی مقادیر نیروهای محرک و نیروهای مقاوم، درجات مختلفی از پایداری میتواند وجود داشته باشد. از این رو در طراحی سدهای خاکی میزان نسبی پایداری با معیاری به نام ضریب اطمینان سنجیده میشود و هر چه این ضریب بالاتر باشد، منعکس کنندهی درجه پایداری بیشتری خواهد بود.
افت ناگهانی سطح آب زمانی رخ میدهد که به هر دلیلی سطح آب در مخزن سد با سرعت پایین آورده شود، به گونهای که مصالح شیب بالادست فرصت زهکش شدن نیابند. در چنین حالتی، به علت اشباع بودن مصالح، جهت جریان و نیروی نشت در شرایطی به سمت شیب بالادست خواهد بود که فشار هیدرواستاتیک آب مخزن به دلیل پایین افتادن سطح آب از روی شیب حذف شده و این امر موجب ایجاد حالت بحرانی در پایداری شیب مذکور میگردد. بدیهی است که در صورت وجود پوسته ی ضخیم متشکل از مصالح با زهکشی آزاد در بالادست، این حالت بحرانی رفع میشود و فشار منفذی و نیروی نشت ممکن است فقط در مصالح کمنفوذپذیرتر داخلی ایجاد شود.
تا کنون روشها و نظریههای متعدد و متفاوتی برای انجام محاسبات و کنترل پایداری شیبهای خاکی توسط محققین مختلف ارائه شده است. اکثر روشهای محاسبه پایداری شیب بر اصول تعادل خمیری پایهگذاری شدهاند. در این روش فرض میشود شکست در یک سطح گسیختگی معین رخ میدهد و لذا تنش برشی لازم برای حفظ تعادل با مقاومت برشی خاک مقایسه شده و ضریب اطمینان پایداری شیب محاسبه میگردد. این فرایند برای چندین سطح مختلف انجام و سطحی که دارای ضریب اطمینان کمتری باشد به عنوان سطح گسیختگی احتمالی و ضریب اطمینان مربوط به آن به عنوان جواب مسئله پذیرفته میشود.
شکل سطح گسیختگی بسته به نوع مصالح تشکیلدهنده شیب، متفاوت میباشد و میتواند مستوی، دایرهای، منحنی لگاریتمی یا ترکیبی از آنها باشد. در صورتیکه مصالح تشکیلدهنده همگن باشند، سطح گسیختگی نزدیک به دایره خواهد بود. از سوی دیگر به دلیل سادگی تعیین روابط هندسی برای شکل دایرهای نسبت به سایر شکلها، در اکثر مسائل کاربردی فرض میشود که سطح گسیختگی دایره است. همچنین در اکثر مدلهای کامپیوتری تهیه شده برای تحلیل پایداری شیب، محاسبات گسیختگی در چنین سطحی انجام می-شود. در بسیاری ازمواقع خصوصیات خاک، فشار آب منفذی، و همچنین جهت مقاومت برشی در طول سطح لغزش متغیر میباشد.
در طی دو دههی اخیر با توسعهی روش اجزای محدود همراه با اختراع رایانههای دیجیتالی قدرتمند، مهندسان طراح توانستهاند معادلات پیچیدهی مبتنی بر روش تنش- کرنش را حل نموده و تحلیل واقعگرایانه و دقیقتری از شرایط پایداری سدهای خاکی ارائه کنند. در واقع در شرایط حاضر دقت این روش به قابلیت اعتماد دادههای ورودی مرتبط با مشخصات فنی خاک بستگی دارد و در صورت وجود اطلاعات دقیق و کافی در این مورد، میتوان تحلیل دقیق و مطمئنی از شرایط پایداری سدهای خاکی با ارتفاع زیاد یا شرایط خاص تکیهگاهی - مانند شیبهای تند - ارائه کرد.
روشهای ابتدایی عموما بر مبنای انجام محاسبات با دست ابداع شدهاند، در حالی که روشهای پیچیدهتر بعدی با اختراع و تکمیل ماشینهای محاسباتی و رایانههای قدرتمند جدید پیشنهاد گردیدهاند و امروزه تقریبا در تمام موارد کنترل پایداری در سدهای خاکی از نرمافزارهای رایانهای دقیقی که بر اساس روشهای تعادل حدی توسعه یافتهاند، استفاده میشود در این روشها محاسبهی ضریب اطمینان بر اساس معیار تعادل نیروها، تعدل لنگرها یا هر دو مورد بیان شده است. روشهای اسپنسر و مورگان اشترن- پرایس، بر اساس شرط تعادل لنگر و نیرو، روشهای یانبو بر اساس شرط تعادل نیروها و روشهای معمولی و بیشاب بر مبنای شرط تعادل لنگرها استوار شدهاند.
مورگان اشترن یکسری نمودار محاسباتی برای بررسی پایداری و تعیین ضریب اطمینان شیبهایی که در معرض افت ناگهانی سطح آب قرار دارندف تهیه کرده است. با پایین رفتن سطح آب در مخزن، با فرض عدم پخش فشار منفذی در این فرایند، ضریب اطمینان کاهش مییابد. نمودارهای پایداری اسپنسر که بر اساس کار قبلی فلنیوس و بیشاب تهیه شده است نیز سطح لغزش را به صورت یک سطح دایروی فرض میکنند که با ر سم خطوط قائم به نوارهایی تقسیم و تحلیل بر اساس تنش موثر و تعادل نیروها و لنگرها انجام شده و نیروهای کناری قطعات موازی فرض شدهاند.
تحلیل پایدار ی با روش دایره لغزش که اولین بار توسط فلنیوس مطرح شد سطح لغزش با رسم یکسری خطوط قائم موازی به قطعاتی تقسیم و سپس سپس نیروهای محرک و مقاوم به لغزش برای هر قطعه محاسبه میشود و در نهایت تعادل نیروها با لنگرها حول نقطهی دوران بررسی و بر اساس آن ضریب اطمینان محاسبه میشود.
در اینجا پایداری استاتیکی شیروانیهای خاکی سد صفارود با جایگزین کردن تابع ناهمسان یک خاک با نفوذپذیری بسیار کم با تابع ناهمسان سنگ مارن که پی این سد را تشکیل میدهد بررسی شده است. از آنجایی که پی متشکل از لایههای مارن با خصوصیات فیزیکی متفاوت است، بنابراین پی به صورت غیر خطی و با در نظر گرفتن موقعیت خط نشت در حالت افت ناگهانی سطح آب تحلیل شد.
.2 مواد و روش
.1-2 تعیین موقعیت خط نشت:
برای تعیین موقعیت خط نشت از زیر برنامهی Seep استفاده شد این قسمت از نرمافزار این قابلیت را دارد که تراز آب عبوری از هر مقطع خاک را نشان دهد که برای اینمنظور از دادههای نفوذپذیری خاک استفاده میشود که نرمافزار با استفاده از تفاوت میان دادههای نفوذپذیری خاک در هر مقطع تراز آب عبوری را نشان میدهد. جدول 1 نفوذپذیری مصالح استفاده شده را نشان میدهد.
جدول - : - 1 نفوذ پذیری مصالح
شکل - - 1 موقعیت خط نشت را نشان میدهد.
شکل - : - 1 موقعیت خط نشت در حالت افت ناگهانی
.1-2 روش تحلیل پایداری:
جزئیات مربوط به روشهای تحلیل پایدار ی شیروانیهای خاکی به تفضیل توسط وفائیان، رحیمی و امینجواهری ، بیان شدهاند در اینجا تنها معادلهی خطی موهر-کولمب که برای محاسبه مقاومت برشی مصالح بدنه استفاده شده است و همچنین مدل غیر خطی Strength using an anisotropic function که برای محاسبه مقاومت برشی مصالح پی استفاده شده است ارائه میشود. رایجترین روش بیان مقاومت برشی مصالح ژئوتکنیکی معادله کولمب است که در زیر بیان شده است:
که در آن : چسبندگی، زازیه اصطکاک داخلی ، تنش نرمال و مقاومت برشی است.
برا ی تحلیل پایداری از روش Morgenstern-Price استفاده می شود که یک روش ترسیمی - تعادل حدی برای تعیین پایداری شیب است و در آن از طریق تعادل نیروها و لنگرها برای مقطع لغزشی تعیین شده ضریب اطمینان مشخص میشود. این روش به نوعی هم نیروهای نرمال و هم نیروهای برشی را وارد محاسبات میکند.
در این روش نسبت نیروهای برشی به نرمال - با عنوان - Lamba برای قطعات، بر خلاف روش اسپنسر ثابت نیست و از یک تابع مشخص پیروی میکند. در این روش، یک ضریب اطمینان برای تعادل لنگرها و یک ضریب اطمینتن برای تعادل نیروهای افقی برای مقادیر مختلف نسبت به Lamba بهدست آمده و در نهایت با سعی و خطا این دو ضریب اطمینان به هم همگرا میشوند که مقدار نهایی، همان ضریب اطمینان مورد نظر است. برای این منظور نرمافزار از یک روش ترسیمی استفاده میکند، به این صورت که در یک طرف شیب، مجموعهای از نقاط را با با ترسیم یک محدوده با ابعاد دلخواه مشخص کرده سپس نرمافزار دوایری را در این محدوده ترسیم میکند و برای هر دایره یک ضریب اطمینان محاسبه می-گردد.
