بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از دشواریها در طراحی ترانشه ها، تعیین پارامترهاي مقاومت برشی مناسب براي انجام تحلیل هاي پایداري می باشد. در اغلب پروژه ها به دلیل عدم انجام اندازه گیریهاي ژئوتکنیکی کافی این داده ها با دقت مناسب در دسترس نبوده و لذا لازم است از روشهاي دیگر براي تدقیق این داده ها بهره گرفته شود. در پروژه راه آهن میانه – اردبیل نیز به دلیل کمبود داده هاي ژئوتکنیکی مناسب و عدم توجه کافی به ویژگیهاي زمین شناسی مهندسی، شرایط هیدرو ژئولوژیکی و رفتار مواد در درازمدت، عموماً پارامترهاي ژئوتکنیکی در نظر گرفته شده براي انجام تحلیل هاي پایداري از دقت کافی برخوردار نبوده و این امر باعث شده است اغلب ترانشه هاي اجرا شده بعد از مدتی دچار گسیختگی و لغزش گردند.
در این مقاله، به منظور دستیابی به پارامترهاي مقاومت برشی مناسب براي انجام تحلیلهاي پایداري در ترانشه هاي متشکل از توده سنگ هاي ضعیف مارنی و گلسنگی که در مسیر قطعه یکم راه آهن میانه اردبیل گسترش یافته اند، بسته به ویژگیهاي مهندسی و رفتار ذاتی مصالح، از سه روش آزمونهاي آزمایشگاهی، معیارهاي تجربی و تحلیل برگشتی استفاده شده است. به هنگام انجام این تحلیل ها، ویژگیهاي زمین شناسی مهندسی توده سنگها - حساسیت به آب و فرسایش و هوازدگی - و تغییر خصوصیات و رفتار آنها در اثر تغییر شرایط زمین شناسی - نوسانات آب زیرزمینی، هوازدگی و فرسایش، تغییرات تنش و ... - مورد توجه ویژه قرار گرفته است.
در این راستا، ابتدا گسیختگی هاي ایجاد شده در واحد هاي گلسنگی-مارنی این مسیر مورد بررسی قرار گرفته و ویژگیهاي هندسی و زمین شناسی مهندسی آنها تعیین شده است. سپس با استفاده از نرم افزارهاي مناسب تحلیل پایداري شیب و با فرض ضریب اطمینان واحد، مقادیر پارامترهاي مقاومت برشی - چسبندگی و زاویه اصطکاك - در سطوح لغزش موجود به روش معکوس محاسبه شده است. همچنین با استفاده از روش تجربی پیشنهاد شده توسط هوك و براون، پارامترهاي مقاومت برشی توده سنگهایی که از این معیار تبعیت می کنند، تخمین زده شده است.
در این مطالعه براي انجام تحلیلهاي مورد نظر از روش احتمالاتی - تکنیک شبیه سازي مونت کارلو - با فرض توزیع آماري مناسب براي داده هاي ورودي، نیز استفاده شده است. نتایج به دست آمده از تحلیلهاي برگشتی که به دلیل تحلیل شرایط موجود به واقعیت نزدیکتر هستند، با نتایج آزمونهاي آزمایشگاهی مقایسه شده و توصیه هاي لازم براي استفاده از نتایج حاصله در تعیین پارامترهاي مقاومت برشی مناسب براي تحلیل پایداري و طراحی سایر ترانشه هاي مسیر ارائه گردیده است.
مقدمه:
در تحلیل پایداري شیبها، مهمترین عامل که بایستی درنظر گرفته شود، ویژگیهاي زمینشناسی مهندسی مصالح تشکیل دهنده دیواره میباشد. در واقع میزان خردشدگی و رابطه هندسی میان ناپیوستگیها و سطوح حفاري شده - پلهها - در پتانسیل و مکانیسم حرکت، بسیار تعیینکننده است. بعد از ویژگیهاي زمینشناسیمهندسی، مهمترین عامل تعیینکننده پایداري، مقاومت برشی سطوح لغزش احتمالی در تودهسنگ درگیر در لغزش است.
تعیین پارامترهاي مقاومت برشی قابل اعتماد، مرحله اي مهم و حساس در تحلیل پایداري و طراحی شیب میباشد. تجربه نشان داده است که تغییرات کوچک در این پارامترها میتواند تغییرات قابل توجهی را در ارتفاع و زاویه ایمن شیب باعث شود. یکی از روشهاي مناسب براي تخمین این پارامترها، توجه به گسیختگیهاي قبلی و تحلیل معکوس آنها به منظور دستیابی به پارامترهاي مقاومت برشی در لحظه وقوع گسیختگی می باشد. این روش به ویژه در پروژه هاي بزرگ خطی - مانند خطوط آهن، جاده ها و خطوط لوله و ... - که بخشهاي مختلف پروژه در مصالحی با ویژگیهاي مشابه حفاري و اجرا می گردد، می تواند بسیار سودمند باشد.
در قطعه 1 پروژه راه آ هن میانه-اردبیل نیز به دلیل عبور مسیر راه آهن از میان مارنها و گلسنگهاي میوسن در شرق میانه لازم است به منظور طراحی و اجراي ترانشه هاي ایمن در مسیر راه آهن، ویژگیهاي زمین شناسی مهندسی این مصالح و به ویژه پارامترهاي مقاومت برشی آنها با دقت مناسب تعیین گردد. به دلیل نبود اطلاعات ژئوتکنیکی کافی براي تخمین پارامترهاي مقاومت برشی این مصالح و وقوع لغزشهاي متعدد در آنها در حین اجراي ترانشه ها، می توان با استفاده از آنالیز برگشتی لغزشهاي رخ داده، مقادیر پارامترهاي مقاومت برشی مصالح را تخمین زد و براي تحلیل هاي پایداري و طراحی مجدد ترانشه ها به کار برد. در این مقاله با انتخاب یکی از لغزشهاي تیپیک، سعی شده است بعد از مطالعه کامل آن از نظر ویژگیهاي هندسی، شرایط آب زیرزمینی و مکانیسم حرکت، با آنالیز معکوس پارامترهاي مقاومت برشی مصالح درگیر در لغزش در لحظه وقوع گسیختگی تعیین گردد.
روش تحلیل برگشتی
بهطور معمول در مهندسی ژئوتکنیک، گسیختگی در هر شیروانی میتواند به عنوان یک آزمایش صحرایی تمام مقیاس درنظر گرفته شود. با ارزیابی گسیختگیها و ریزشهاي رخ داده، دادههاي ارزشمندي به دست خواهد آمد. به این ترتیب، براي تخمین مقادیر پارامترهاي مقاومت برشی، براساس فرضهاي معین، مدلهاي ژئومکانیکی مناسبی میتوانند مورد استفاده قرار گیرند. این مقادیر محاسبهشده به روش برگشتی، ممکن است بعدها در کارهاي پیشگیرانه و اصلاحی، در طراحی دوباره شیروانیهاي ریزشی و یا در پروژههاي جدید واقع در مصالح مشابه، به کار گرفته شوند. بنابراین تحلیلهاي برگشتی معمولاً بهعنوان یک بخش مکمل از فرایند طراحی شیروانیها درنظر گرفته میشوند.
هنگامی که تعداد زیادي ناپیوستگی در تودهسنگ عمل نموده باشد - معمولاً بیشتر از چهار دسته ناپیوستگی - و تودهسنگ حالتی خردشده یا هوازده داشته باشد، در صورت کوچکتر بودن نیروهاي مقاوم از نیروهاي محرك لغزش، امکان تشکیل گسیختگی دایرهاي یا استوانهاي در تودهسنگ وجود دارد. با شناخت این لغزشها میتوان با انجام مراحل زیر، پارامترهاي مقاومت برشی سطح لغزش در تودهسنگ را تخمین زد:
1. اندازهگیري پارامترهاي هندسی شیب شامل ارتفاع و زاویه شیب پله و سطح بالایی آن از طریق مترکشی یا عملیات نقشهبرداري؛
2. اندازهگیري و ثبت اطلاعات مربوط به گسیختگی رخ داده - شامل تركهاي کششی، افتادگی در تاج لغزش، میزان جابجایی، شرایط آب زیرزمینی و ... - با برداشت صحرایی؛
3. تعیین موقعیت دقیق سطح لغزش؛
4. استفاده از روابط تعادل و انتخاب روش مناسب براي تحلیل پایداري؛
5. حل معادله انتخابی با فرض ضریب اطمینان برابر با یک - FS = 1 - و ایجاد رابطهاي میان چسبندگی - C - و زاویه اصطکاك - φ - ؛
6. فرض منطقی براي محدوده تغییرات φ و .C
شرح پروژه
قطعه یکم راه آهن میانه – اردبیل، به طول حدود 20 کیلومتر در حدفاصل کیلومتر 373 تا 393 از این پروژه بزرگ ملی که در هفت قطعه مجزا در حال اجراست، قرار گرفته است. در این مسیر که از میان تپه ماهورها و زمین هاي مارنی شرق میانه و در امتداد دره رودخانه قزل اوزن میگذرد، حدود 2800 متر تونل - شامل 8 دهنه تونل با طولهاي متفاوت، بین حداقل 165 تا حداکثر 566 متر - و بیشتر از 15 کیلومتر ترانشه با ارتفاع هاي مختلف طراحی شده است که بخش زیادي از آنها اجرا شده است. همچنین چندین دهنه پل و تعدادي خاکریز در مسیر پروژه طراحی شده است که بخشهایی از این ابنیه اجرا شده است.
زمینشناسی قطعه 1
مسیر قطعه یکم راه آهن میانه – اردبیل تقریباً به طور کامل از میان واحدهاي میوپلیوسن که از نظر لیتولوژیکی عمدًتا شامل تناوبی از سنگهاي رسوبی از جنس مارن و گلسنگ هاي قرمز و خاکستري، لاي سنگ و ماسه سنگهاي قرمز رنگ و بعضاً لایه هاي کنگلومرایی هستند، می گذرد. در برخی نقاط نیز لایه هاي گچی در میان واحدهاي رسوبی فوق الذکر مشاهده می گردد. به علت فرسایشپذیري زیاد سنگهاي رسوبی فوق الذکر، ریختار کلی ناحیه به صورت تپه ماهور با دامنههاي هموار است. سنگهاي سخت تر آتشفشانی مانند ریولیت ، آندزیت و بازالت برجسته تر مانده اند اما در این قطعه گسترش آنها در مقایسه با نهشته هاي رسوبی بسیار کمتر است.
با توجه به اینکه بخش اعظم مسیر قطعه اول راه آهن میانه – اردبیل، از سنگهاي ضعیف و نرم تشکیل شده است، این قطعه از راه آهن مشکلات فراوانی از نظر وقوع ناپایداري در ترانشه ها و دامنه هاي طبیعی مشرف بر مسیر را متحمل شده است - شکل . - 1 سنگهاي مارنی – رسی عمدتاً به دلیل قابلیت تورم و شکفتگی زیاد و همچنین مقاومت و دوام اندك، در اجراي سازههاي مهندسی مشکلاتی را سبب میشوند. سنگهاي مارنی – رسی معمولاً در حالت خشک از پایداري کافی در ترانشه ها برخوردار هستند. مشکل زمانی آغاز می شود که این سنگها در مجاورت آب قرار می گیرند.
معرفی لغزشهاي رخ داده و انتخاب گسیختگی تیپیک
در حین اجراي ترانشه ها، به دلیل ویژگیهاي ضعیف ژئومکانیکی مصالح، باربرداري از پنجه شیب ترانشه ها، بارندگیهاي فصلی و در مجموع به دلیل بر هم خوردن تعادل استاتیکی، لغزشهاي متعددي در مسیر پروژه به وقوع پیوسته است که برخی از آنها در شکل 1 نشان داده شده اند. براي انتخاب گسیختگیها و ناپایداري هاي مناسب براي تحلیل برگشتی از میان تعداد زیاد لغزشهاي رخ داده، توجه به نکات اساسی زیر ضروري است:
• مهمترین شرط براي اینکه استفاده از گسیختگیها و ناپایداريهاي به وقوع پیوسته در تحلیلهاي برگشتی امکان-پذیر باشد این است که هندسه سطح لغزش با دقت بالا قابل پیشبینی باشد. در غیر این صورت، خطاي محاسبات بسیار بالا بوده و عملاً استفاده از آنها در تحلیلها منطقی نمی باشد.
• همچنین لازم است که مکانیسم ناپایداري از نوع لغزشی کامل باشد. به عنوان مثال گاهی به هنگام شروع لغزش بخشی از تودهسنگ یا خاك به حالت واژگونی از سطح لغزش جدا میشود و در تماس کامل با سطح لغزش نمیباشد که در این حالت امکان تحلیل وجود ندارد.
