بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به حساسیت بالاي ضریب اطمینان شیروانی نسبت به مقاومت برشی سطح لغزش میتوان پارامترهاي مقاومت برشی توده سنگ تشکیل دهنده یک شیروانی گسیخته شده را با دقت قابل قبولی با استفاده از تحلیل برگشتی تعیین نمود. پارامترهاي مقاومتی توده سنگ بدست آمده از تحلیل برگشتی را میتوان جهت عملیات پایدارسازي شیروانی گسیخته شده و همچنین طراحی شیروانیهایی با شرایط مشابه مورد استفاده قرار داد.
در این مقاله، با توجه به گسیختگی رخداده در شیروانی دهانه شمالی تونل 68 ناحیه لرستان در سال 1370 و عملیات سبک سازي این شیروانی، پایداري کوتاه مدت و بلند مدت شیروانی بهسازي شده با استفاده از پارامترهاي مقاومتی توده سنگ، بدست آمده از تحلیل برگشتی گسیختگی شیروانی برآورد گردید. براساس نتایج حاصل از مدلسازي شیروانی با استفاده از نرم افزار SLIDE V6 ، ضریب ایمنی شیروانی بهسازي شده در حالت استاتیکی برابر 1/37 بوده و شیروانی پایدار میباشد درحالیکه ضریب ایمنی شیروانی با در نظر گرفتن تاثیر شتاب افقی زمین لرزه برابر 0/2 کوچکتر از یک برآورد گردیده و شیروانی ناپایدار میباشد.
.1 مقدمه
یکی از مهمترین چالشها در بررسی پایداري شیروانیهاي سنگی بویژه شیروانیهاي تشکیل شده از توده سنگهاي بشدت درزهدار تعیین مقاومت برشی توده سنگ میباشد. در شیبهاي ناپایدار - SF≤1 - میتوان با استفاده از تحلیل برگشتی پارامترهاي مقاومتی توده سنگ را با دقت قابل قبولی تخمین زد.
در واقع پارامترهاي مقاومتی بدست آمده با استفاده از تحلیل برگشتی داراي دقت بالاتري نسبت به نتایج حاصل آزمایشهاي صحرایی و آزمایشگاهی میباشند.
سونمز و همکاران [2] یک روش کاربردي تحلیل برگشتی را جهت تخمین پارامترهاي مقاومتی توده سنگ براساس معیار غیر خطی هوك و براون - 1997 - ارائه نمودند. لازم به ذکر است معیار هوك و براون فقط براي سنگ بکر و یا توده سنگهاي بشدت درزهدار که می توان آن را به صورت همگن و همسان در نظر گرفت قابل استفاده است. با توجه به اینکه نمونهگیري و تعیین پارامترهاي مقاومتی سنگ بکر در آزمایشگاه به سادگی ممکن است و مشکل اصلی در تعیین مقاومت توده سنگهاي درزهدار میباشد، بنابراین از تحلیل برگشتی گسیختگی شیروانی غالبا براي تعیین پارامترهاي مقاومتی تودههاي سنگهاي بشدت درزهدار استفاده میگردد.
محتمل ترین نوع گسیختگی شیروانی در توده سنگهاي بشدت درزهدار بدلیل نبود یک سطح ناپیوستگی مشخص در توده سنگ، گسیختگی کروي میباشد.[3] بخشهایی از سطح گسیختگی در توده سنگ هاي بشدت درزهدار را شکستگی طبیعی موجود در توده سنگ که در راستاي سطح شکست قرار میگیرند تشکیل داده و بخشهایی نیز در اثر گسیختگی برشی سنگ بکر ایجاد می گردد.
در این مقاله گسیختگی رخداده در شیروانی دهانه شمالی تونل 68 ناحیه لرستان - کشور - در سال 1370 مورد مطالعه قرار گرفته و پارامترهاي مقاومتی توده سنگ با استفاده از تحلیل برگشتی گسیختگی شیروانی تعیین گردیده است. همچنین با توجه به عملیات سبکسازي شیروانی گسیخته شده، تاثیر بازطراحی شیروانی بر ضریب اطمینان شیروانی بصورت کوتاه مدت - استاتیکی - و بلند مدت - دینامیکی - و میزان کارآمدي طرح بهسازي مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 وضعیت زمین شناسی و سابقه ناپایداري شیروانی مورد مطالعه
شیروانی مورد مطالعه در دهانه شمالی تونل 68 ناحیه لرستان در مسیر راه آهن سراسري ایران قرار دارد. تونل 68 به طول 324 متر در سال 1931 در قسمت انتهاي تاقدیس کشور حفرگردیده است. به علت فرسایش ایجاد شده توسط رودخانهي کشور یال شمالی این تاقدیس کاملا از بین رفته است و در واقع دهانه شمالی تونل تقریبا در محور چین و دهانه جنوبی آن در یال جنوبی تاقدیس کشور قرار دارد.
کنار هم قرار گرفتن لایه سخت مارنی_آهکی و لایههاي نرم شیلی و همچنین وجود تنشهاي تکتونیکی شدید و چینخوردگی لایهها باعث ایجاد و توسعه شکستگیها در توده سنگ و کاهش شدید کیفیت آن به ویژه در دهانه شمالی تونل که در نزدیکی محور چین واقع شده گردیده است. همانطور که در شکل 1 توده سنگ بشدت خرد شده و تا حدود زیادي بهم ریخته میباشد.
فاصله داري درزهها در طول شیب بسیار متغیر بوده و معمولا بین 5 تا 15 سانتیمتر میباشد. در طول بارندگیهاي شدید، نشت بسیار گسترده آب در تمام طول تونل به ویژه از شکستگیهاي اصلی و زونهاي گسلی مشاهده میگردد. سطح شکستگیهاي توده سنگ تقریبا صاف بوده و نفوذ میان لایههاي شیلی فرسایش یافته در میان ناپیوستگیهاي توده سنگ باعث کاهش مقاومت برشی شکستگیها بویژه در طول بارندگی-هاي شدید گردیده است. نشست آب گسترده در طول بارندگیها همچنین باعث فرسایش شدید میان لایههاي شیلی و تجمع آنها در بخشهاي پایینتر شیروانی و توسعه هوازدگی در توده سنگ شده است.
شکل -1 نماي کلی از وضعیت توده سنگ در شیروانی دهانه شمالی تونل کشور.
.3 سابقه ناپایداري شیروانی مورد مطالعه
اولین رخداد ناپایداري گسترده در شیب دهانه شمالی تونل کشور در سال 1370 توسط نجم و همکاران [5] گزارش گردیده است. براساس بررسیهاي میدانی انجام شده توسط این محققین حرکت توده سنگ باعث ایجاد تركهاي گسترده و مشخصی در فاصله 28 تا 36 متري از دهانه شمالی تونل با شیب تقریبی 45 درجه به سمت دهانه تونل گردیده است. همچنین حرکت توده سنگ باعث تخریب قسمتی از پل ورودي تونل گردیده و در بالاي کوه نیز سطح شکست و جابجایی نسبی توده سنگ به وضوح قابل مشاهده بوده است.
همچنین جابجاي نسبی ایجاد شده در دامنه شیروانی در فاصله تقریبی 2متر از کف تونل کاملا نمایان بوده است. براساس نظر این محققین شکل و موقعیت دقیق شکست در داخل تونل، شکستگی و جابجایی نسبی دامنهي شیب، شکل و موقعیت نشست زمین در سطح کوه تنها معرف شکست کروي شیب مورد مطالعه است.
بعد از رخداد این ناپایداري با توجه به اهمیت بسیار زیاد تونل کشور اقدامات گستردهاي جهت پایدارسازي شیروانی شامل تزریق در توده سنگ و همچنین سبک سازي توده انجام گردید. در عملیات ترزریق در حدود 370 تن سیمان در داخل توده سنگ تزریق گردید که باعث افزایش نسبی کیفیت توده سنگ و همچنین کاهش شدید نفوذ آب به داخل تونل گردید.
حفاري انجام شده در تونل نشاندهندهي نفوذ دوغاب در تمامی درزههاي باز توده سنگ در اطراف تونل است. در عملیات سبک سازي در حدود30 متر از ارتفاع کوه برداشته شد و با ایجاد برمهایی اقدام به سبک سازي شیب و افزایش پایداري آن گردید. براساس حفاري انجام شده در طول تونل بیشترین حجم گروت در پشت مالون در گمانه حفر شده در دهانه شمالی - شیروانی مورد مطالعه - مشاهده گردید که این موضوع نشان دهنده خالی بودن این قسمت قبل از تزریق است.
.4 تحلیل برگشتی گسیختگی شیروانی
در تحلیل برگشتی گسیختگی شیروانی پارامترهاي مقاومتی توده سنگ بشدت درزهدار براساس معیار غیر خطی هوك و براون تعیین میگردد. شکل کلی معیار شکست هوك و براون براي توده سنگ درزهدار به صورت زیر میباشد:
در این رابطه σ1 و σ3 تنشهاي اصلی بیشینه و کمینه وارد بر توده سنگ، σci مقاومت تراکمی سنگ بکر، mb و s ثابتهاي توده سنگ میباشند.
ثابتهاي توده سنگ mb و s را میتوان براساس مقدار GSI با استفاده از روابط زیر محاسبه نمود:
در این روابط mi ثابت ماده سنگ و D فاکتور بهم ریختگی توده سنگ میباشد.
با استفاده از تحلیل برگشتی شیب طی مراحلی که اولین بار توسط سونمز و همکاران [2] ارائه شده است میتوان ثابتهاي mb و s توده سنگ را تعیین نمود. این مراحل بصورت زیر میباشد:
الف - ابتدا با فرض یک مقدار اولیه براي GSI که به آن GSI - s - اطلاق میگردد ثابت s از رابطه 3 محاسبه میگردد.
ب - سپس با توجه به هندسه شیب با استفاده از روش تعادل حدي و اعمال ثابت s بدست آمده از مرحله قبل، ثابت mb براساس روش آزمون و خطا بگونه اي تعیین میگردد که ضریب اطمینان شیب برابر با یک شود.
ج - با استفاده از ثابت mb محاسبه شده در مرحلهي قبل مقدار جدیدي براي GSI که به آن GSI - m - اطلاق میگردد از رابطهي 2 محاسبه میگردد.
د - مراحل فوق با فرض مقادیر متفاوتی براي GSI - s - ادامه پیدا کرده تا روند تغییرات GSI - m - بر مبناي GSI - s - تعیین گردد. سپس با رسم منحنی تغییرات GSI - s - _GSI - m - محل برخورد این منحنی با خط 45 درجه که از مبدا نمودار میگذرد که در واقع نشان دهنده نقطهاي از منحنی تغییرات GSI - s - _GSI - m - است که در آن GSIS = GSIm، مقدار GSI توده سنگ تعیین میشود.
در این پژوهش براي محاسبات تعادل حدي و تعیین mb توده سنگ شیروانی مورد مطالعه از نرم افزارSLIDE v6 استفاده گردید. این نرم افزار داراي قابلیت بالا در مدلسازي شیب و سطح لغزشهاي با هندسه پیچیده با استفاده از معیارهاي شکست مختلف میباشد. در شکل 2 مدل ساخته شده از شیب دهانه شمالی تونل کشور با استفاده از این نرم افزار ارائه شده است.
با توجه به لیتولوژي غالب مارنی توده سنگ تشکیل دهنده شیروانی مورد مطالعه بر اساس جدول ارائه شده توسط هوك و همکاران mi [7] توده سنگ برابر 7 در نظر گرفته شد. فاکتور بهم ریختگی - D - براساس روش حفاري و رهایی تنش ایجاد شده در توده سنگ در اثر باربرداري تخمین زده میشود که با توجه به حفاري تونل کشور به روش انفجاري در توده سنگ تشکیل دهندهي شیروانی مورد مطالعه، مقدار آن برابر با 0/8 برآورد گردید. مقاومت تراکمی سنگ بکر - σci - نیز براساس آزمایش تک محوره و بار نقطهاي برابر با 48 MPa تعیین گردید.
نمودار GSI - s - _GSI - m - بدست آمده از تحلیل برگشتی شیروانی دهانه شمالی تونل کشور براساس روش فوق در شکل 3 ارائه شده است. همانگونه که در تصویر مشخص گردیده براساس تحلیل برگشتی انجام پذیرفته GSI توده سنگ شیروانی مورد مطالعه تقریبا برابر با 30 میباشد.
شکل -2 هندسه کلی شیروانی دهانه شمالی تونل کشور قبل از گسیختگی و سطح گسیختگی ایجاد شده در آن.
