Rock Slope Engineering – Duncan C Wyllie

در مهندسی عمران، شیروانی های سنگی معمولاً تا چند صد متر ارتفاع دارند و برای این شرایط معمولاً ساختار زمین شناسی مهمترین مشخصه طراحی است. به دلیل تفاوت در مقیاس و رویه های طراحی برای شیب‌ های سنگی عمرانی و معدنی، تصمیم نویسنده بر این است که در این ویرایش پنجم از کتاب مهندسی شیب سنگ فقط به کاربردهای عمرانی بپردازد. این کتاب از مراجع اصلی درس مکانیک سنگ دانشگاه شریف و … ایران است.

فصل 1

در بسیاری از پروژه های عمرانی نظیر سیستم های حمل و نقل مانند بزرگراه ها، راه آهن، سدها برای تولید و تامین آب و توسعه صنعتی و شهری و … احتمال مواجهه با سنگ وجود دارد بنابراین در این پروژه ها انواع فعالیت های مهندسی مستلزم حفاری و برش سنگ است. طراحی برش‌های سنگ و حفاری و پایداری آن‌ها ارتباط تنگاتنگی با شرایط زمین‌شناسی محل پروژه دارد که  این محدوده ممکن است از سنگ‌های قوی و بلوکی حاوی ناپیوستگی‌های کاملاً مشخص تا سنگ‌های ضعیف و کاملا هوازده که ناپیوستگی‌های باقی‌مانده (در صورت وجود) تأثیر کمی در آن‌ها داشته باشند، متفاوت باشد. این طیف گسترده لزوم کمی سازی برای استفاده در طراحی را آشکار می سازد.

فصل 2

پایداری شیب های سنگی اغلب به طور قابل توجهی تحت تأثیر زمین شناسی و ساختار سنگ های منطقه است. زمین‌شناسی ساختاری به مقدار قابل توجهی به شکستگی‌های طبیعی در سنگ‌ها مانند صفحات بستر، درزه‌ها و گسل‌ها اشاره دارد که عموماً ناپیوستگی نامیده می‌شوند. ویژگی‌های ناپیوستگی در امر پایداری شامل جهت‌گیری، ماندگاری، فاصله، زبری و پرکننده ها می باشد. اهمیت ناپیوستگی ها در این است که صفحات ناپیوستگی در واقع صفحات ضعیف در سنگ های قوی تر و با دست خوردگی کمتر می باشد. بنابراین اگر سنگ بخواهد گسیخته شود به احتمال زیاد گسیختگی در طول این صفحات رخ می دهد. بنابراین طبیعی است که بررسی ناپیوستگی ها از اولویت ویژه ای برای مهندسین برخوردار باشد. ناپیوستگی ها ممکن است به طور مستقیم بر پایداری مانند شیب های نشان داده شده در شکل زیر تأثیر بگذارند.

در این فصل از کتاب مهندسی شیب های سنگی نویسنده ویژگی‌های زمین‌شناسی ساختاری را توصیف می‌کند که بر پایداری شیروانی های سنگی تأثیر می‌گذارد. مباحثی نظیر فرآیند شکل گیری درزه ها، تاثیر ناپیوستگی ها، جهت گیری ناپیوستگی ها از جمله مباحث بیان شده در این زمینه است. برای اینکه بتوان از داده های به دست آمده در طراحی استفاده نمود باید یک تحلیل سه بعدی از وضعیت سنگ صورت بگیرد بنابراین لازم است روش های تحلیلی در دسترس باشد که بتواند به این موارد بپردازد. طرح ریزی استریوگرافی یک ابزار ایده آل برای این برنامه است. یکی دیگر از مباحثی که در این فصل بیان شده است روش‌های تجزیه و تحلیل داده‌های زمین‌شناسی ساختاری با استفاده از استریونت برای شناسایی مجموعه‌های ناپیوستگی و بررسی تأثیر آنها بر پایداری شیب می باشد.

فصل 3

در این فصل فرآیندهایی که باعث ایجاد هوازدگی سنگ می شوند، طبقه بندی سنگ های هوازده و وقوع آن در نقاط مختلف جهان مورد بحث قرار گرفته است. همچنین پروفیل های معمولی سنگ های هوازده در انواع شرایط زمین شناسی و اینکه چگونه پایداری شیب تحت تأثیر میزان هوازدگی قرار می گیرد، مورد بررسی نویسنده قرار گرفته است. اهمیت پرداختن به طراحی شیب‌ها در سنگ‌های هوازده از این جهت است که این شرایط در سراسر مناطق گرمسیری جهان رخ می‌دهد و در این مناطق، استفاده از طرح‌هایی که به‌طور خاص با ویژگی‌های سنگ هوازدگی مناسب است، ضروری است. این در حالی است که این طرح‌ها از همان اصولی پیروی می کند سنگ تازه از آن پیروی می کند. البته روش‌های طراحی برای سنگ‌های تازه و هوازده تفاوت هایی نیز با یکدیگر دارد و این امر سبب شده است تا در بخش های جداگانه ای به هر یک از این موارد اشاره شود.

فصل 4

در فرآیند طراحی برش در سنگ، مرحله شناسایی های محلی در جمع آوری تدریجی داده های دقیق و بررسی شرایط سایت از اهمیت بالایی بر خوردار است. بررسی های محلی در 3 بخش صورت می گیرد:

1. شناسایی: شامل بررسی گزارش ها و نقشه های زمین شناسی، مطالعه عکس های هوایی، بازدید حضوری از محل و درصورت امکان مطالعه شیب های با شرایط یکسان با پروژه و انجام مطالعات ژئوفیزیک
2. انتخاب مسیر: در این بخش ارزیابی مسیرهای مختلف و مزایا و محدودیت های هر مسیر با توجه به اطلاعات به دست آمده از بخش قبل بررسی شده و در نهایت سیاست مد نظر پروژه اتخاذ می شود.
3. بررسی های جزئیات: طراحی نهایی معمولاً به نقشه برداری دقیق از رخنمون ها و برش های موجود برای مطالعه زمین شناسی ساختاری، گمانه های آزمایشی برای به دست آوردن اطلاعات در مورد ضخامت و خواص روباره و حفاری الماس برای بررسی شرایط سنگ در عمق نیاز دارد. مولفه های حفاری می تواند شامل جهت گیری هسته برای به دست آوردن اطلاعات زمین شناسی ساختاری و نصب پیزومتر برای اندازه گیری سطح آب زیرزمینی و احتمالاً هدایت هیدرولیکی باشد. آزمایش مقاومت سنگ نیز در این مرحله انجام می شود. بنابراین این بخش، انجام آزمایش آزمایشگاهی برای تعیین زاویه اصطکاک ناپیوستگی‌ها، مقاومت فشاری تک محوری و دوام و … را شامل می شود.

فصل 5

در تجزیه و تحلیل پایداری یک شیب سنگ، مهم ترین عاملی که باید در نظر گرفته شود، هندسه توده سنگ در پشت دیواره ای است که قرار است پایدار شود. همانطور که در فصل 4 از کتاب مهندسی شیروانی های سنگی بحث شد، رابطه بین جهت ناپیوستگی ها و دیواره های حفاری شده تعیین می کند که آیا بخش هایی از توده سنگ آزاد هستند تا سر بخورند یا واژگون شوند. بعد از زمین شناسی، مهمترین عامل حاکم بر پایداری، مقاومت برشی سطح لغزش بالقوه است که موضوع این فصل از کتاب شیب های سنگی می باشد.

فصل 6

وجود آب زیرزمینی در یک شیب سنگ می تواند به دلایل زیر تأثیر مخربی بر پایداری داشته باشد:

1. کاهش پایداری شیروانی ها در اثر کاهش مقاومت برشی سطوح شکست احتمالی و نیز افزایش احتمال لغزش در اثر فشار آب در ترک های کششی
2. تسریع هوازدگی و کاهش مقاومت برشی سنگ ها، به ویژه شیل ها، به خاطر تغییرات رطوبت
3. افزایش احتمال ناپایداری سنگ ها به دلیل افزایش حجم آب موجود در درزه ها به دلیل یخبندان و نیز مسدود شدن مسیرهای زهکشی
4. ناپایداری موضعی توده سنگ به دلیل فرسایش سنگ های هوازده
5. افزایش هزینه های حفاری در زیر سطح آب. به عنوان مثال در حفاری به روش انفجار در صورتی که محل خرج گذاری مرطوب باشد باید از مواد منفجره ضد آب که از نظر هزینه ای گران تر است، استفاده نمود.

فصل 7

به طور کلی گسیختگی در سنگ به صورت سه بعدی بررسی می شود و گسیختگی صفحه ای تقریبا امری نادر در شیروانی های سنگی می باشد. چرا که وقوع آن نیاز به ایجاد شرایط هندسی ویژه ای در توده سنگ دارد. با این حال، نادیده گرفتن حالت دو بعدی درست نخواهد بود زیرا بررسی این حالت گسیختگی ساده، درس های ارزشمند زیادی را برای خواننده می تواند به همراه داشته باشد. این فصل از کتاب شیروانی سنگی به توضیح روش های تجزیه و تحلیل گسیختگی صفحه ای در سنگ می پردازد.

فصل 8

این فصل از کتاب مهندسی شیب های سنگی به شناسایی گوه ها به روش استریونت و بررسی گوه گسیختگی در توده سنگ می پردازد. در این فصل شرایط زمین‌شناسی ساختاری که منجر به تشکیل گوه ها می شود نیز توسط نویسنده مورد بررسی قرار گرفته است. در استریونت، شکل گوه گسیختگی، جهت گیری خطوط متقاطع و جهت لغزش را مشخص می کند. اما ابعاد را مشخص نمی کند. از این اطلاعات می توان برای ارزیابی پتانسیل لغزش گوه از سطوح مختلف استفاده نمود. این روش آنالیز سینماتیکی نامیده می‌شود که هدف آن شناسایی گوه‌های بالقوه ناپایدار است، اگرچه اطلاعات دقیقی در مورد ضریب ایمنی آنها ارائه نمی‌کند.

فصل 9

رویکرد اتخاذ شده در این فصل از کتاب مهندسی شیب های سنگی ارائه یک سری نمودارهای پایداری شیب برای شکست دایره ای است. این نمودارها کاربر را قادر می سازد تا بررسی سریع ضریب اطمینان یک شیب، یا حساسیت عامل ایمنی به تغییرات در شرایط آب زیرزمینی، زاویه شیب و خواص مقاومت مصالح را انجام دهد. این نمودارها فقط باید برای سطوح گسیختگی دایره ای در شیب هایی که مصالح همگن دارند و شرایطی که در استخراج نمودارها در نظر گرفته شده اعمال شود.

فصل 10

حالت‌های شکست که در سه فصل قبل مورد بحث قرار گرفت، همگی به لغزش سنگ یا توده خاک در امتداد یک سطح لغزش موجود مربوط می‌شوند. این فصل یک حالت شکست متفاوت به نام گسیختگی واژگونی بلوکی را مورد بحث قرار می‌دهد که شامل چرخش ستون‌ها یا بلوک‌های سنگ حول یک نقطه ثابت است. مشابه با حالت شکست صفحه ای و گوه ای، تجزیه و تحلیل پایداری خرابی‌های واژگونی ابتدا شامل انجام یک تحلیل سینماتیکی از زمین‌شناسی ساختاری برای شناسایی شرایط واژگونی بحرانی و در صورت نیاز، انجام تجزیه و تحلیل پایداری مختص به آن است.

فصل 11

در نواحی لرزه ای فعال جهان، طراحی شیب‌های سنگی باید با در نظر گرفتن شرایط لرزه ای و نیز تاثیرات زلزله بر روی حرکات زمین صورت بگیرد. این فصل از کتاب تأثیر حرکات زمین بر پایداری و رویه‌های طراحی شیب که شتاب لرزه‌ای را در بر می‌گیرد را مورد بحث قرار می دهد. این رویه های طراحی عموماً برای شیروانی های سنگی و خاکی قابل اجرا هستند و هر دو این موارد  در این فصل پوشش داده می‌شوند. علاوه بر این در برخی موارد تفاوت های خاک و سنگ در این زمینه نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

فصل 12

در فصل های قبلی، از روش تعادل حدی برای تحلیل پایداری شیروانی های سنگی و محاسبه ضریب اطمینان در برابر لغزش استفاده شده است. با این حال این روش به مصالحی مربوط می شود که رفتار صلب و یا کاملا پلاستیک از خود نشان می دهند. بنابراین استفاده از این روش در خاک و سنگ با محدودیت هایی نظیر توانایی محاسبه جابه جایی ها وتغییر شکل ها مواجه می شود. به همین منظور از مدل های عددی که بعضی اوقات مدل های تغییر شکلی و یا مدل های جابه جایی نیز نامیده می شوند استفاده می شود. بر خلاف روش تعادل حدی، مدل های عددی توانایی قابل قبولی در محاسبه تغییر شکل ها در مصالح مختلف را دارا می باشند. این موضوع سبب می شود تا رفتار شیب های سنگی بهتر مدلسازی شود و نتایج دقیق تری حاصل شود. مدلسازی عددی موضوع این فصل از کتاب مهندسی شیروانی های سنگی می باشد.

فصل 13

یکی از رایج ترین روش های حفاری در توده سنگ، روش خرج گذاری و انفجار است. میزان و نحوه خرج گذاری به نحوی که به توده سنگ اطراف آسیب نرسد از نکات بسیار مهم در این زمینه است. بنابراین وجود فصلی برای توضیح نکات مربوط به روش انفجار در کتاب شیب های سنگی لازم و ضروری به نظر می رسد.

فصل 14

بخش اول این فصل از کتاب مهندسی شیروانی های سنگی به بررسی علل ریزش سنگ و برنامه ریزی و مدیریت برنامه های تثبیت و پایدارسازی شیروانی های سنگی می پردازد. برای سامانه های حمل و نقل با تعداد شیب‌ های سنگی زیاد، این برنامه‌ها معمولاً شامل تهیه فهرستی از خطرات ریزش سنگ و شرایط پایداری، نگهداری این سوابق در یک پایگاه داده و نقشه GIS مرتبط و تهیه یک برنامه تثبیت اولویت‌بندی شده است. در ادامه فصل، اقدامات لازم جهت پایدارسازی که بر اساس تقویت سنگ، حذف سنگ و حفاظت از ریزش سنگ طبقه بندی شده اند، بحث می شود.

فصل 15

این فصل از کتاب مهندسی شیب های سنگی شیر روش‌های متداول پایش (مانیتورینگ) حرکت شیب‌های سنگ و تفسیر نتایج را شرح می‌دهد. در نظر گرفتن برنامه های نظارتی مناسب ترین روش برای پروژه های حفاری فعال مانند معادن روباز و معادن با عمر عملیاتی محدود می باشد. با استفاده از این بررسی ها می توان حرکت های تسریع کننده شیب را شناسایی نمود و اقدامات لازم در جهت به حداقل رساندن خطرات احتمالی را صورت داد.

فصل 16

در صورت ناپایداری یک شیروانی در بالای یک سازه عمرانی، اولین اقدام تصمیم گیری در جهت به حداقل رساندن خسارت های جانی و مالی احتمالی است. این فصل از کتاب مهندسی شیب های عمرانی شش شیب سنگی در پروژه های عمرانی، در شرایط مختلف زمین شناسی و اقلیمی، و اقدامات پایدارسازی مناسب جهت شیروانی های سنگی را شرح داده است. بررسی این 6 مطالعه موردی می تواند اطلاعات و تجربیات ارزشمندی را در اختیار مخاطب قرار دهد.