Rainfall-Induced Soil Slope Failure (stability Analysis and Probabilistic Assessment)

زمین لغزش ناشی از بارش باران منشا تهدید قابل توجهی برای امنیت عمومی در بخش های مختلف جهان به خصوص در مناطق کوهستانی گرمسیری و نیمه گرمسیری به شمار می آید. زمینه تحقیقاتی مربوط به این موضوع در طول 20 سال اخیر در ارتباط با پیشرفت مکانیک خاک های غیر اشباع، پیشرفت شایانی داشته است. البته هنوز عدم قطعیت های بسیاری در تحلیل پایداری شیروانی تحت شرایط بارش وجود دارد. ویژگی های اندازه گیری شده خاک به دلیل محدودیت در تعداد نمونه ها، تحت تاثیر تغییرات مکانی، خطای اندازه گیری و خطای آماری هستند. عملکرد پیش بینی شده شیروانی از یک مدل ژئوتکنیکی ممکن است به دلیل عدم قطعیت در متغیرهای ورودی و خطای سیستماتیکی مربوط به ارائه مدل، با واقعیت تفاوت داشته باشد. با استفاده از روش های احتمالاتی، گونه های مختلف عدم اطمینان را می توان به روش های سیستماتیک و عددی به حساب آورد و حل کرد و اطلاعات را از منابع مختلف به صورت اصولی به کار برد.
بنابراین هدف از ارائه کتاب گسیختگی شیروانی خاکی ناشی از بارش باران (تحلیل پایداری و ارزیابی احتمالاتی)، کنار هم آوردن هر دو دیدگاه ژئومکانیکی و قابلیت اطمینان برای انعکاس سازوکارهای پیچیده و عدم قطعیت های عظیم در مسئله گسیختگی شیروانی، ناشی از بارش باران است. این کتاب به طور روشنی تحلیل نفوذ و روش های تحلیل پایداری را بر اساس روش های ژئومکانیکی ارائه می دهد. همچنین روش های مبتنی بر قابلیت اطمینان و احتمال ژئوتکنیکی که می توان برای بررسی عدم قطعیت های مربوطه به کار برد نیز ارائه شده است. این کتاب برای محققان و دانشجویان تحصیلات تکمیلی که علاقه مند به پایداری شیروانی ها، لغزش زمین، خطرات ژئوتکنیکی و ارزیابی ریسک در زمینه های مهندسی عمران، زمین شناسی مهندسی و علوم مربوط به زمین هستند، ضروری است. مهندسان خبره در زمینه مهندسی شیب و شیروانی خاکی و مدیریت خطرات ژئوتکنیکی از این کتاب می توانند به عنوان مطلب تکمیلی استفاده کنند. دانش های مربوط به دوره کارشناسی از جمله مکانیک خاک، آمار و احتمال پیش نیاز مخاطبان این کتاب است.

این کتاب از نه فصل تشکیل شده است که آن را می توان به دو بخش تقسیم کرد. در بخش اول (فصل های 2 تا 6)، بر سازوکارهای گسیختگی شیروانی خاکی ناشی از بارش باران تمرکز شده است. فصل 2، مدل های مفهومی رایج به کار برده شده و راه حل های تحلیلی مدل سازی نفوذ در خاک را ارائه می کند و در مورد مشکلات مهم موجود در مدل سازی عددی بحث می کند. فصل های 3 و 4، روش های تحلیلی پایداری را به ترتیب بر اساس روش های تحلیل حدی و مدل های کوپل هیدرومکانیکی ارائه می کند. فصل های 5 و 6، به ترتیب بر روی نفوذ و پایداری شیب های خاکی طبیعی همراه با ترک و مواد رسوب یافته تمرکز می کند. در بخش دوم کتاب (فصل های 7 تا 9)، روش های مبتنی بر قابلیت اطمینان و همچنین روش های احتمالاتی ارائه شده است. در فصل 7، اثر عدم قطعیت در ویژگی های ضروری خاک مربوط به شیب های خاکی غیر اشباع توصیف شده است. در فصل 8، در مورد اثر تغییرات مکانی مشخصات خاک در یک شیب خاکی غیر اشباع بحث شده است. نهایتا، کالیبره کردن احتمالاتی برای نفوذ و پایداری شیب در فصل 9 ارائه شده است.

همچنین کتاب گسیختگی شیروانی خاکی ناشی از بارش باران، نتایج عمده تلاش های تحقیقاتی نویسندگان کتاب را در طول 10 سال گذشته ارائه می دهد.

فصل 2: تحلیل نفوذ و تراوش در شیب های خاکی

نفوذ نقش مهمی در ناپایداری شیب ها ایفا می کند. اثر تراوش و نفوذ در پایداری شیروانی به طور سنتی با محاسبه ضریب اطمینان یا عمق بحرانی برای یک شیب بی نهایت در معرض تراوش موازی با سطح شیب بررسی می شد. این نوع تحلیل، فرض می کند که جریان اشباع شرایط پایدار در عمق مشخصی به وقوع می پیوندد. برای ساده کردن تحلیل به عنوان بدترین سناریوی نفوذ، معمولا فرض می شود که سطح آب در داخل خاک تا رسیدن به سطح شیب بالا می آید و شیب کاملا در حالت اشباع قرار می گیرد. برای این نوع شیب های کاملا اشباع، دیگر امکان نفوذ وجود ندارد و بارش اثر مضاعفی بر پایداری شیب نمی گذارد.

محاسبات در محل از مکش خاک نشان می دهد که این مشخصه حتی تحت نفوذ ناشی از بارش طولانی مدت، لزوما آسیب نمی بیند. در شیب هایی که نواحی غیر اشباع دارند، بارش باران در مقایسه با شیب های کاملا اشباع اثر متفاوتی خواهد داشت. نیمرخ فشار آب حفره ای و مرز مرطوب آن در ناحیه غیر اشباع با نفوذ آب به داخل خاک به عنوان یک فرآیند انتقالی به طور پیوسته تغییر می کند. مقاومت برشی خاک و در نتیجه پایداری شیب تحت تاثیر نیمرخ فشار آب حفره ای انتقالی قرار می گیرد. در این فصل، روش های تخمین بر اساس مدل مرز مرطوب برای زمین های صاف و شیبدار در بخش 2.2 توضیح داده شده است. روابط حاکم بر جریان آب در خاک غیر اشباع و معادلات ریچارد (Richards Equation) در بخش 3.2 ارائه شده است. راه حل های تحلیلی برای معادلات ریچارد در بخش 4.2 بررسی شده است. در بخش 5.2 مسائل مهم مربوط به راه حل های عددی معادلات ریچارد بحث شده است. نیمرخ های رایج فشار آب حفره ای برای نفوذ ناشی از بارش در بخش 6.2 توضیح داده شده است. در نهایت، یک مطالعه پارامتری عددی برای نشان دادن امکان ثابت ماندن مکش خاک در شرایط مشخص، حتی تحت نفوذ ناشی از بارش، انجام شد.

فصل 3: تحلیل پایداری شیب تحت نفوذ باران بر اساس تعادل حدی

از آن جا که گسیختگی های ابتدایی به دلیل نفوذ باران معمولا نسبت عمق به طول کوچکی دارند و سطح گسیختگی را موازی با سطح شیب تشکیل می دهند، استفاده از تحلیل پایداری شیب بی نهایت برای ارزیابی لغزش ناشی از بارش باران تایید شده است و معمولا به دلیل سادگی استفاده از آن به روش های دیگر ترجیح داده شده است. روش هایی که در تحلیل سنتی شیب بی نهایت استفاده شده اند را می توان با به حساب آوردن تغییرات نیمرخ فشار آب حفره ای اصلاح کرد. معمولا نیمرخ فشار آب حفره ای برای تحلیل پایداری شیب بی نهایت از مدل های مفهومی نفوذ، توزیع فشار آب حفره ای محاسبه شده از تحلیل های عددی یا تحلیلی و نیمرخ های محاسبه شده در محل، به دست می آید. در کنار روش تحلیل پایداری شیب بی نهایت، روش تعادل حدی پایداری شیب که همان روش های قطعات است نیز به طور گسترده به کار برده می شود. در این فصل، روش تحلیل پایداری شیب بی نهایت و روش های دو بعدی تعادل حدی پایداری شیب برای شیب های خاکی غیر اشباع تحت نفوذ ناشی از باران همراه با دو مثال در بخش های 2.3 و 3.3 ارائه شده است. عوامل کنترل کننده شامل مشخصه های مقاومت برشی خاک، مشخصه های هیدرولیکی و مشخصات بارش با جزئیات در بخش 4.3 بحث شده اند. در بخش 5.3، مدل های توزیع مکانی برای ارزیابی خطرات لغزش، توضیح داده شده اند.

فصل 4: تحلیل کوپل هیدرومکانیکی برای شیب خاکی غیر اشباع

تراوش و تغییر شکل شیب خاکی غیر اشباع تحت شرایط هم دما، نیازمند جفت راه حل مربوط به معادلات حاکم بر تعادل ساختار خاک و حفظ جرم فاز آبی است. همچنین روابط ساختاری برای جزء جامد و مایع نیز مورد نیاز است. فرمول بندی مختلف در ادبیات فنی ارائه شده است. در این فصل، هر دو فرمول بندی بر اساس مدل رفتاری الاستیک و الاستوپلاستیک در بخش 2.4 ارائه خواهد شد. به دلیل پیچیدگی روابط حاکم و رفتار غیر خطی آن، معمولا برای مدل سازی کوپل هیدرومکانیکی شیب خاکی تحت بارش باران از روش های عددی استفاده می شود. در این فصل از کتاب گسیختگی شیروانی خاکی ناشی از بارش باران (تحلیل پایداری و ارزیابی احتمالاتی)، روش های تحلیل پایداری شیب بر اساس مدل سازی هیدرومکانیکی در بخش 3.4 بحث شده اند. مثالی گویا و واضح از تحلیل پایداری شیب برای یک شیب فرضی بر اساس مفهوم تنش مجاز در خاک غیر اشباع و یک مدل الاستوپلاستیک در بخش 4.4 ارائه شده است. دو نمونه تاریخی (لغزش سائومائو پینگ در سال 1976 و یک آزمایش با ابزارگذاری کامل از لغزش ناشی از بارش) بر اساس تحلیل کوپلی نیز در بخش 4.4 ارائه شده است.

فصل 5: پایداری شیب خاکی دارای ترک

ترک ها به طور گسترده در خاک یافت می شوند و می توان آن ها را بر اساس روش هایی از جمله نام آنها، ساختار، از دست دادن رطوبت، برش و فرآیند ذوب – انجماد طبقه بندی کرد. در سالیان گذشته به خوبی تشخیص داده شده است که وجود ترک می تواند باعث ناپایداری شیب شود. یکی از اثرات اصلی وجود ترک این است که مسیرهایی را برای جریان آب فراهم می کند که به طور قابل توجهی هدایت هیدرولیکی توده خاک و در نتیجه فشار آب حفره ای را افزایش می دهد و منجر به کاهش مقاومت برشی خاک می شود. نفوذ آب به داخل خاک ترک خورده معمولا در شرایط غیر اشباع آغاز می شود؛ بنابراین، قابلیت نگهداری آب و هدایت هیدرولیکی تحت شرایط غیر اشباع عوامل بسیار مهمی هستند. این عوامل با توجه به مکش خاک در شرایط غیر اشباع تغییر می کنند.

تابع ویژگی های هیدرولیکی خاک، مثل منحنی مشخصات آب – خاک (SWCC) و تابع نفوذپذیری، به طور قابل توجهی بر توزیع فشار آب حفره ای در خاک تاثیر گذار است. اگرچه روش های بسیاری برای محاسبه یا تخمین عملکرد ویژگی های هیدرولیکی خاک توسعه یافته اند، ولی مطالعات اندکی به ویژگی های هیدرولیکی خاک ترک خورده پرداخته اند. دو علت را می توان برای آن نام برد:

1) ترک های خاک که به طور قابل توجهی نفوذپذیری خاک را افزایش می دهند، به طور تصادفی توزیع شده اند که بررسی آن ها را دشوار می کند

2) ترک ها در خلال فرآیند تر و خشک شدن تغییر شکل پیدا می کنند. هر دو عامل حضور ترک ها و تغییر شکل آنها به طور قابل توجهی بر روی ویژگی های هیدرولیکی خاک ترک دار اثر گذار خواهد بود.

در این فصل در ابتدا روشی برای تخمین SWCC و تابع نفوذپذیری برای خاک ترک دار با توجه به تغییر حجم ارائه شده است. سپس مثالی برای تخمین توابع ویژگی های هیدرولیکی بر اساس اطلاعات محاسبات محلی در اختیار قرار گرفته است. در نهایت، یک تحلیل عددی بر روی جریان در خاک ترک خورده غیر اشباع و پایداری شیب در این نوع خاک انجام گرفته است.

فصل 6: تحلیل پایداری شیب های تشکیل شده از مواد رسوبی

به منظور تحلیل دقیق پایداری شیب های تشکیل شده از مواد رسوبی، مقاومت برشی، خصوصیات هیدرولیکی و خصوصیات لایه ضعیف احتمالی باید تعیین شود. در کنار این ویژگی ها، خصوصیات هیدرولیکی خاک رسوبی نیز در تحلیل تراوش نیاز است. این خصوصیات در بررسی سازوکارهای آغاز لغزش کمک کننده است و اساسی است برای ارزیابی رشد آن در طول زمان در پایداری ساختارهای حاوی مواد رسوبی. مطالعه آزمایشگاهی نشان می دهد که خصوصیات هیدرولیکی خاک های رسوبی به میزان زیادی به درشت دانه های موجود در آن وابسته است (Zhang & Li, 2010). پرسشی که وجود دارد این است که، شیب های تشکیل شده از خاک های رسوبی حاوی مقادیر مختلف شن تحت بارش به چه شکل پایدار باقی می مانند. در این فصل از کتاب تحلیل پایداری و ارزیابی احتمالاتی گسیختگی شیروانی خاکی، ناشی از بارش باران، فرآیند نفوذ و پایداری شیب های رسوبی از طریق شبیه سازی عددی بررسی شده است. در این شبیه سازی عددی یک شرایط فرضی برای چهار خاک رسوبی اعمال شده است. خصوصیات هیدرولیکی محاسبه شده در آزمایشگاه در تحلیل تراوش به کار برده شده است همچنین مشخصه های مقاومت برشی مواد رسوبی عمدتا از Irfan & Tang (1993) به دست آمده است. در ابتدا، فرآیند نفوذ در خلال باران طوفانی و پس از آن شبیه سازی شده و سپس پایداری شیب های گوناگون بر اساس تحلیل نتایج تراوش بررسی شده است.

فصل 7: قابلیت اطمینان تحلیل شیب تحت اثر بارش

در این فصل از کتاب گسیختگی شیروانی خاکی ناشی از بارش باران (تحلیل پایداری و ارزیابی احتمالاتی)، مفهوم اساسی قابلیت اطمینان در بخش 2.7 توضیح داده شده است. در بخش 3.7 روش های قابلیت اطمینان که به طور رایج در مهندسی ژئوتکنیک استفاده می شوند، به طور مختصر با ارائه مثال هایی توضیح داده شده است. عدم قطعیت ویژگی های خاک به خصوص ویژگی های هیدرولیکی در بخش 4.7 ارائه شده است. در بخش 5.7 اثرات عدم قطعیت و روابط ویژگی های هیدرولیکی خاک توضیح داده شده است. تحلیل قابلیت اطمینان لغزش سائومائوپینگ در سال 1976 در بخش 6.7 به عنوان مثالی برای تحلیل قابلیت اطمینان لغزش شیب در اثر بارش باران ارائه شده است. در نهایت، ارزیابی ریسک لغزش، مختصرا در بخش 7.7 توضیح داده شده است.

فصل 8: ارزیابی احتمالاتی شیب های خاکی ناهمگون تصادفی

تغییرات مکانی خصوصیات خاک در یک نیمرخ خاکی ممکن است پیوسته و یا جدا از هم باشد. تغییرات مکانی پیوسته با متوسط روند و یا نوسانات پیوسته انجام شده حول آن مشخص می شود. معمولا این نوع تغییرات به صورت میدان تصادفی ثابت مدل می شود. همچنین خاک ممکن است با تغییر شکل هایی مثل گسل بسته به تاریخچه زمین همراه باشد. این نوع تغییرات به تغییرات مکان جدا از هم معروف است. با توجه به محل طبیعی آن، این ویژگی ها ممکن است اثر قابل توجهی بر عملکرد یک سازه مهندسی ژئوتکنیک داشته باشد. در کتاب گسیختگی شیروانی خاکی ناشی از بارش باران (تحلیل پایداری و ارزیابی احتمالاتی)، بر روی تغییرات مکانی پیوسته تمرکز خواهد شد.

در این فصل، نظریه و مفاهیم پایه محل تصادفی در بخش 2.8 ارائه شده است. چند روش رایج ایجاد محل تصادفی مثل روش ماتریس تجزیه (Matrix Decomposition Method)، روش تبدیل سریع فوریه (Fast Fourier Transformation Method)، روش باند انحرافی (Turning Bands Method, TBM) به همین ترتیب در بخش 3.8 مرور شده است. مثالی از مدل سازی تصادفی برای تراوش و پایداری یک شیب خاکی ناهمگون تصادفی دو بعدی در بخش 4.8 ارائه شده است.

فصل 9: کالیبره کردن احتمالاتی مدل

گسیختگی شیب، نشان دهنده این است که ضریب اطمینان شیب در لحظه گسیختگی برابر با 1 شده است. بر اساس این اطلاعات، تحلیل برگشتی سنتی گسیختگی شیب معمولا برای افزایش دانش از مشخصات پایداری شیب مثل مشخصه های مقاومت برشی خاک و مشخصه های فشار آب حفره ای در لحظه گسیختگی انجام می شود. با استفاده از تحلیل برگشتگی، عوامل مهمی که ممکن است به خوبی در آزمون های آزمایشگاهی ارائه نشده باشد، مثل ناهمگونی خاک و اثر درزها و اساس ساختاری آن بر مقاوت برشی خاک را می توان اعمال کرد.

در این فصل، عبارت کلی تر “کالیبره کردن مدل”  برای توضیح فرآیندی که در آن مشخصه های ورودی و خطای مدل یک مدل پیش بینی شده تخمین و یا بر اساس پاسخ های مشاهده شده از یک سیستم تعیین می شود، استفاده شده است. کالیبره کردن مدل یا به صورت دستی و یا خودکار با استفاده از الگوریتم های ریاضی انجام می شود. نتایج کالیبره شده از مشخصه های ورودی و خطا می تواند قطعی یا احتمالاتی باشد. در روش قطعی، مدل پایداری شیب معمولا دقیق و صحیح فرض می شود و تعدادی از مشخصه ها که ممکن است منجر به گسیختگی شیب شود، تخمین زده می شود. تحلیل برگشتی در مهندسی ژئوتکنیک را می توان در روش کالیبره کردن قطعی مدل جای داد. در روش احتمالاتی، تشخیص داده می شود که مدل پایداری شیب ممکن است کاملا دقیق نباشد و ترکیب های متعددی از پارامترهای پایداری شیب می تواند در گسیختگی شیب دخیل باشد.

در این فصل، یک قالب احتمالاتی از کالیبره کردن مدل بر اساس نظریه بیز (Bayesian Theory) برای ثبت منابع گوناگون اطلاعات به شکلی پیوسته ارائه شده است. مشخصه های چندگانه خاک و خطای مدل به همراه عدم اطمینانشان را می توان به تنهایی بر اساس مشاهدات مثل شرایط گسیختگی شیب مشخص کرد. در مورد مسئله گسیختگی شیب ناشی از بارش باران، پاسخ های خاک وابسته به زمان اهمیت و ارزش شایان توجهی دارند چرا که، مواردی مثل تغییرات فشار آب حفره ای یا تغیر مکان در حین بارش در واقع، ویژگی های خاک محل که می تواند با مشاهدات آزمایشگاهی کاملا متفاوت باشد را منعکس کند.