اثر میان‌لایه‌های ضعیف در خاک بر پایداری گودبرداری و طراحی ژئوتکنیکی

خاک طبیعی به‌ندرت دارای ساختاری کاملاً یکنواخت است و اغلب از لایه‌هایی با ویژگی‌های مکانیکی متفاوت تشکیل می‌شود. در میان این لایه‌ها، میان‌لایه‌های ضعیف به دلیل مقاومت برشی و سختی کمتر نسبت به مصالح اطراف، یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر رفتار ژئوتکنیکی زمین محسوب می‌شوند. اگرچه این لایه‌ها ممکن است ضخامت محدودی داشته باشند، اما می‌توانند مسیر انتقال تنش، الگوی تغییرشکل و سطح گسیختگی را تغییر داده و عملکرد سازه‌های ژئوتکنیکی را به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهند.

اهمیت میان‌لایه‌های ضعیف در پروژه‌های گودبرداری عمیق بیش از سایر پروژه‌های عمرانی است. با آغاز عملیات حفاری، تعادل اولیه تنش‌ها در توده خاک برهم می‌خورد و چنانچه در محدوده گود یک لایه با مقاومت پایین وجود داشته باشد، تمرکز کرنش و کاهش پایداری معمولاً از همان ناحیه آغاز می‌شود. این موضوع می‌تواند موجب افزایش تغییرمکان دیوارهای نگهبان، نشست زمین و ساختمان‌های مجاور، کاهش ظرفیت باربری و در شرایط بحرانی، وقوع گسیختگی‌های موضعی یا گسترده شود. ازاین‌رو، شناخت دقیق این لایه‌ها در مرحله مطالعات ژئوتکنیکی و لحاظ کردن آن‌ها در طراحی، نقش مهمی در افزایش ایمنی و کاهش ریسک پروژه دارد.

با وجود پیشرفت روش‌های شناسایی و تحلیل، تجربه بسیاری از پروژه‌های اجرایی نشان می‌دهد که نادیده گرفتن میان‌لایه‌های ضعیف یا ساده‌سازی رفتار آن‌ها همچنان یکی از عوامل اصلی اختلاف بین پیش‌بینی‌های طراحی و عملکرد واقعی گودبرداری‌ها است. ازاین‌رو، بررسی رفتار این لایه‌ها تنها یک موضوع پژوهشی نیست، بلکه ضرورتی برای طراحی ایمن و اقتصادی پروژه‌های عمرانی به شمار می‌آید.

در این مقاله، ضمن معرفی ویژگی‌های میان‌لایه‌های ضعیف، تأثیر آن‌ها بر پایداری گودبرداری، مکانیزم‌های گسیختگی، اثر بر تغییرشکل زمین و سازه‌های نگهبان، ملاحظات طراحی و راهکارهای شناسایی و کنترل این لایه‌ها بر اساس مطالعات و تجربیات مهندسی بررسی می‌شود.

انواع مختلف توده‌های سنگی و خاکی حاوی میان‌لایه‌های نرم در طبیعت: (a) میان‌لایه‌های نرم در لایه‌های سنگی شیب‌دار؛ (b) میان‌لایه‌های ضعیف در لایه‌های چین‌خورده؛ (c) میان‌لایه‌های ضعیف در طبقات افقی؛(d) بین‌لایه‌های رسی شیب‌دار؛ (e) میان‌لایه‌های ضعیف در طبقات تقریباً افقی؛ (f) میان‌لایه رسی شیب‌دار در یک حفره زیرزمینی

1- منشأ تشکیل میان‌لایه‌های ضعیف در خاک

ساختار زمین در اغلب پروژه‌های ژئوتکنیکی حاصل یک فرآیند رسوب‌گذاری یکنواخت نیست، بلکه در اثر تغییرات متوالی محیط زمین‌شناسی طی هزاران سال شکل گرفته است. تغییر در سرعت جریان آب، نوع رسوبات، شرایط اقلیمی، فرسایش، هوازدگی و فعالیت‌های زمین‌ساختی موجب می‌شود لایه‌هایی با ویژگی‌های متفاوت در کنار یکدیگر قرار گیرند. نتیجه این فرآیند، تشکیل توالی‌هایی از مصالح درشت‌دانه و ریزدانه با رفتار مکانیکی متفاوت است.

در نهشته‌های آبرفتی، تغییر دوره‌ای انرژی جریان آب یکی از مهم‌ترین عوامل ایجاد این ناهمگنی است. در دوره‌های پرانرژی، ذرات درشت‌تر مانند ماسه و شن ته‌نشین می‌شوند، در حالی که در دوره‌های آرام‌تر، رس و سیلت رسوب می‌کنند. تکرار این چرخه، ساختاری لایه‌ای ایجاد می‌کند که در آن برخی افق‌ها از نظر مقاومت و سختی نسبت به سایر بخش‌های توده خاک ضعیف‌تر هستند.

در سنگ‌های هوازده نیز این پدیده به شکل دیگری مشاهده می‌شود. نفوذ آب، انحلال کانی‌ها، ایجاد درزه‌های رسی و هوازدگی شیمیایی می‌تواند بخشی از توده سنگ را به لایه‌هایی با کیفیت مکانیکی پایین‌تر تبدیل کند. همچنین وجود مواد آلی، رسوبات قدیمی مدفون یا لایه‌های با سیمان‌شدگی ناقص از دیگر عواملی هستند که زمینه تشکیل میان‌لایه‌های ضعیف را فراهم می‌کنند.

شماتیک یک مقطع معمول زمین‌شناسی مهندسی همراه با میان لایه

نمای کلی جبهه حفاری و مقطع زمین‌شناسی مهندسی محل پروژه، شامل توده‌سنگ دولومیت آرژیلیتی با ساختار لایه‌ای و مجموعه‌ای از درزه‌های با پیوستگی محدود در سطوح تماس

نمای نزدیک از یک میان‌لایه ضعیف آرژیلیتی (رسی‌شده) در توده‌سنگ. این میان‌لایه‌ها با ضخامت بحرانی حدود ۵ تا ۲۰ میلی‌متر، به دلیل مقاومت برشی پایین، پیوستگی ضعیف و ماهیت پنهان، به‌عنوان محتمل‌ترین سطوح گسیختگی در تحلیل‌های پایداری در نظر گرفته می‌شوند.

2- مکانیزم‌های گسیختگی ناشی از میان‌لایه‌های ضعیف در گودبرداری

رفتار گسیختگی در حضور میان‌لایه‌های ضعیف به جای یک الگوی واحد، معمولاً در قالب چند مسیر رفتاری مجزا ظاهر می‌شود که هرکدام به شرایط تنش، موقعیت لایه و پیوستگی بین لایه‌ها وابسته است. در این حالت، خاک به جای شکست یکپارچه، به نواحی با پاسخ مکانیکی متفاوت تفکیک می‌شود.

یکی از حالت‌های رایج، تشکیل ناحیه تغییرشکل موضعی در امتداد لایه ضعیف است که در آن، بخشی از کرنش‌ها در یک تراز مشخص متمرکز می‌شود و سایر بخش‌های توده خاک نسبتاً پایدار باقی می‌مانند. این رفتار معمولاً آغازگر ناپایداری‌های بعدی در سیستم است، بدون اینکه در مراحل اولیه نشانه‌های واضحی از گسیختگی کلی مشاهده شود.

نمایش شماتیک اثر ضخامت میان‌لایه ضعیف بر رفتار تغییرشکل؛ در لایه‌های نازک، جابه‌جایی به‌واسطه قیود مرزی و اصطکاک محدود شده و پایداری حفظ می‌شود، در حالی‌که افزایش ضخامت موجب کاهش اثر مهارکننده و تشدید جریان‌مانند تغییرشکل و افزایش پتانسیل لغزش می‌گردد

در برخی شرایط، این ناحیه موضعی به سطح جدایش بین دو بلوک خاک تبدیل می‌شود. در این وضعیت، بخش بالایی و پایینی توده خاک رفتار مستقل‌تری از یکدیگر نشان می‌دهند و پاسخ کلی سیستم به صورت ترکیبی از حرکت نسبی این بلوک‌ها ظاهر می‌شود. این حالت بیشتر زمانی رخ می‌دهد که اختلاف سختی بین لایه‌ها زیاد و پیوستگی مرزی محدود باشد.

چارچوب مدل‌سازی عددی، اصل گسیختگی تماسی و فرایند کالیبراسیون پارامترها (مکانیزم لغزش لایه‌ای و تشکیل ترک)؛ (الف) هندسه نمونه ترکیبی در نرم‌افزار UDEC تحت بارگذاری فشاری تک‌محوری؛
(ب) دیاگرام شماتیک اصل گسیختگی در سطح تماس بر اساس معیار کلمب، شامل نواحی شکست کششی و برشی؛ (c) کالیبراسیون منحنی تنش-کرنش سنگ سخت با مقایسه نتایج عددی و داده‌های آزمایشگاهی؛ (d) کالیبراسیون میان‌لایه ضعیف با مقاومت فشاری نهایی کالیبره‌شده معادل ۱۶٫۰۹ مگاپاسکال

نوع دیگری از رفتار زمانی مشاهده می‌شود که ناپایداری به صورت تدریجی در امتداد لایه توسعه پیدا می‌کند. در این حالت، تغییرات کوچک در کرنش به مرور در طول لایه گسترش یافته و بخشی از ظرفیت مقاومتی خاک به‌تدریج از دست می‌رود. ویژگی مهم این رفتار آن است که در مراحل اولیه، تغییرشکل‌ها ممکن است محدود به نظر برسند اما در ادامه، روند گسترش ناپایداری تسریع می‌شود.

در شرایطی که لایه ضعیف در نزدیکی کف گود قرار گیرد، کاهش مقاومت قائم در این ناحیه می‌تواند باعث بروز تغییر شکل‌های موضعی در کف شود. این تغییرشکل‌ها معمولاً به صورت بالا‌زدگی یا جابه‌جایی موضعی بروز می‌کنند و به‌طور مستقیم بر تعادل کلی گود اثر می‌گذارند.

همچنین در برخی آرایش‌های هندسی، ناپایداری ممکن است به صورت جدایش بخشی از خاک پشت دیوار از توده اصلی ظاهر شود. در این حالت، یک ناحیه محدود از خاک رفتار مستقل پیدا کرده و در پاسخ به باربرداری ناشی از گودبرداری، به صورت جداگانه دچار تغییرشکل می‌شود.

3- نقش آب زیرزمینی در تشدید اثر میان‌لایه‌های ضعیف

در بسیاری از پروژه‌های گودبرداری، رفتار میان‌لایه‌های ضعیف تحت تأثیر شرایط هیدروژئولوژیکی قرار دارد. افزایش رطوبت یا بالا بودن سطح آب زیرزمینی می‌تواند پاسخ مکانیکی این لایه‌ها را به‌طور قابل توجهی تغییر دهد و پایداری گود را بیش از آنچه در شرایط خشک پیش‌بینی می‌شود، کاهش دهد.

در خاک‌های ریزدانه، افزایش فشار آب منفذی موجب کاهش تنش مؤثر می‌شود؛ در نتیجه، مقاومت برشی لایه ضعیف افت کرده و تغییرشکل آن با سرعت بیشتری توسعه می‌یابد. این پدیده به‌ویژه در رس‌های نرم و سیلت‌های اشباع اهمیت بیشتری دارد، زیرا زهکشی در این مصالح به‌کندی انجام می‌شود و فشار آب منفذی برای مدت طولانی باقی می‌ماند.

تشکیل ترک‌های شکمی (Drumming cracks)  در ناحیه خروج گسیختگی برشی، ناشی از نرم‌شدگی میان‌لایه ضعیف در اثر نفوذ آب، افزایش فشار آب منفذی و کاهش مقاومت برشی در امتداد سطح لغزش

در مقابل، اگر میان‌لایه ضعیف از مصالح با نفوذپذیری کمتر نسبت به لایه‌های اطراف تشکیل شده باشد، ممکن است آب در مرز بین لایه‌ها تجمع پیدا کند. این اختلاف نفوذپذیری علاوه بر افزایش فشار آب منفذی، شرایط مناسبی برای لغزش در امتداد سطح تماس لایه‌ها ایجاد می‌کند. به همین دلیل، ارزیابی رفتار هیدرولیکی لایه‌ها باید هم‌زمان با بررسی ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها انجام شود.

عملیات اجرایی نیز می‌تواند این شرایط را تشدید کند. نشت آب از تأسیسات شهری، بارندگی، یا عملکرد نامناسب سیستم‌های زهکشی، موجب افزایش رطوبت در محدوده گود شده و رفتار میان‌لایه‌های ضعیف را تغییر می‌دهد. در چنین شرایطی، پارامترهایی که بر اساس نمونه‌های خشک یا نیمه‌اشباع تعیین شده‌اند، دیگر بیانگر رفتار واقعی خاک نخواهند بود.

ازاین‌رو، در پروژه‌هایی که سطح آب زیرزمینی بالا است یا احتمال تغییر شرایط هیدرولوژیکی وجود دارد، طراحی سیستم کنترل آب شامل زهکش‌ها، چاه‌های پمپاژ و پایش مستمر تراز آب، بخشی جدایی‌ناپذیر از برنامه پایدارسازی گود محسوب می‌شود. در غیر این صورت، حتی یک طراحی مناسب نیز ممکن است در اثر تغییر شرایط آب زیرزمینی با کاهش عملکرد مواجه شود.

نتایج طراحی آزمایش ارتوگونال (Orthogonal Experimental Design) شامل ۸ سناریوی شبیه‌سازی با ترکیب عوامل هندسی و هیدرولوژیکی مختلف (زاویه و عمق میان‌لایه ضعیف، شدت و تداوم بارندگی). نتایج نشان می‌دهد که پایداری شیب در تمامی سناریوها تحت تأثیر بارندگی در وضعیت بحرانی قرار دارد و ضریب اطمینان در اغلب حالات نزدیک به مرز ناپایداری است. کمترین مقدار FoS مربوط به سناریوی (d) (۰٫۸۳۶) بوده که بیانگر وقوع گسیختگی و توسعه لغزش در امتداد میان‌لایه ضعیف تحت شرایط بارندگی شدید است

4- ملاحظات طراحی و مدلسازی عددی میان‌لایه‌های ضعیف

یکی از رایج‌ترین دلایل اختلاف بین نتایج تحلیل و رفتار واقعی گودبرداری، ساده‌سازی بیش از حد پروفیل زمین در مدل‌های عددی است. در بسیاری از پروژه‌ها، لایه‌های خاک با خواص میانگین مدل‌سازی می‌شوند؛ در حالی که وجود میان‌لایه‌های ضعیف می‌تواند الگوی تنش، تغییرشکل و گسیختگی را به‌طور اساسی تغییر دهد. بنابراین، دقت مدل عددی بیش از آنکه به پیچیدگی نرم‌افزار وابسته باشد، به نحوه تعریف شرایط واقعی زمین بستگی دارد.

نخستین گام، تهیه یک مدل زمین‌شناسی دقیق بر اساس نتایج گمانه‌ها، آزمایش‌های صحرایی و آزمایشگاهی است. در صورت وجود تغییرات قابل توجه در لایه‌بندی، هر لایه باید با پارامترهای مستقل مدل‌سازی شود و از استفاده از خواص میانگین برای کل پروفیل خاک اجتناب گردد، زیرا این کار معمولاً منجر به برآورد نادرست تغییرشکل‌ها و وضعیت تنش می‌شود.

انتخاب مدل رفتاری مناسب نیز اهمیت زیادی دارد. در پروژه‌هایی که تغییرشکل و رفتار غیرخطی خاک اهمیت دارد، استفاده از مدل‌های پیشرفته‌تر مانندHardening Soil (HS)  یا Hardening Soil with Small-Strain Stiffness (HSsmall)  نسبت به مدل Mohr–Coulomb  نتایج واقع‌بینانه‌تری ارائه می‌دهد، زیرا این مدل‌ها وابستگی سختی خاک به سطح تنش و کرنش را بهتر شبیه‌سازی می‌کنند.

در مواردی که احتمال لغزش یا جدایش در مرز بین لایه‌ها وجود دارد، تعریف Interface Elements می‌تواند رفتار تماس بین مصالح را با دقت بیشتری نمایش دهد. همچنین اجرای تحلیل به‌صورت مرحله‌ای (Staged Construction)  برای شبیه‌سازی توالی واقعی حفاری، نصب سیستم نگهداری و اعمال بارهای اجرایی ضروری است؛ زیرا تحلیل یک‌مرحله‌ای قادر به بازنمایی تغییرات تدریجی تنش و تغییرشکل در طول عملیات اجرا نیست.

از آنجا که بسیاری از پارامترهای ژئوتکنیکی با عدم‌قطعیت همراه هستند، انجام تحلیل حساسیت نیز توصیه می‌شود. بررسی تأثیر تغییر پارامترهایی مانند مقاومت برشی، سختی، ضخامت و موقعیت میان‌لایه ضعیف، دید بهتری از رفتار احتمالی گود در شرایط مختلف فراهم می‌کند و به شناسایی بحرانی‌ترین سناریوهای طراحی کمک می‌کند.

در نهایت، نتایج تحلیل عددی باید با داده‌های پایش حین اجرا شامل جابه‌جایی دیوار، نشست سطح زمین، نیروهای مهارها و تغییرات تراز آب زیرزمینی مقایسه و در صورت نیاز مدل به‌روزرسانی شود. این رویکرد موجب می‌شود تحلیل عددی از یک ابزار صرفاً طراحی، به ابزاری برای مدیریت ریسک و کنترل رفتار واقعی پروژه تبدیل شود.

مدلسازی هندسی شیب میان‌لایه ضعیف در نرم‌افزار ABAQUS

5- نمونه‌های واقعی از تأثیر میان‌لایه‌های ضعیف

مطالعات موردی منتشرشده در منابع نشان می‌دهد که میان‌لایه‌های ضعیف، به‌ویژه در توده‌های سنگی و خاک‌های لایه‌بندی‌شده، می‌توانند نقش تعیین‌کننده‌ای در آغاز و توسعه ناپایداری ایفا کنند. وجه مشترک این پروژه‌ها، قرارگیری یک لایه با مقاومت برشی پایین در میان مصالح مقاوم‌تر است؛ به‌گونه‌ای که این لایه به سطح لغزش بالقوه تبدیل شده و رفتار کل توده زمین را کنترل کرده است.

یکی از نمونه‌های شاخص، پروژه بزرگراه G104 چین است. در این پروژه، وجود یک میان‌لایه از جنس گل‌سنگ کربن‌دار (Carbonaceous Mudstone) و لایه‌های زغال‌سنگ در پایه شیب، عامل اصلی ناپایداری بود. بررسی‌ها نشان داد که با نفوذ آب باران، مقاومت برشی این میان‌لایه به‌شدت کاهش یافته و لغزش در امتداد همین لایه آغاز شده است. این پروژه به‌خوبی نشان می‌دهد که حتی یک لایه نسبتاً نازک نیز می‌تواند پایداری کل شیب را کنترل کند.

تصویر شماتیک شیب مسلح شده پروژه بزرگراه G104 چین

تصویر شیب مسلح شده پروژه بزرگراه G104 چین

نمونه دیگر، پروژه پل هوایودونگ در گوئیانگ است که در آن یک میان‌لایه از جنس شیل کربن‌دار با خواص مکانیکی ضعیف، رفتار تغییرشکلی شیب را کنترل می‌کرد. نتایج تحلیل‌ها نشان داد این لایه باعث افزایش تدریجی جابه‌جایی‌های افقی و بروز رفتار وابسته به زمان در شیب شده است.

در پروژه بزرگراه یونگ‌ژو – جیشو نیز مطالعات آزمایشگاهی روی یک میان‌لایه به‌شدت هوازده در عمق حدود ۲۸ تا ۳۱ متر انجام شد. نتایج نشان داد این لایه، مسیر اصلی توسعه لغزش در توده سنگی بوده و نقش آن در پایداری شیب بسیار فراتر از ضخامت واقعی آن است.

نمونه‌های خاک برداشت‌شده از میان‌لایه ضعیف در منطقه شیب‌دار گردنه هیتانپینگ، واقع در امتداد بزرگراه یونگژو – جیشو

شکست همواره از ضعیف‌ترین بخش توده زمین آغاز می‌شود. این ناحیه ممکن است یک میان‌لایه نازک، یک لایه ضخیم خاک نرم یا حتی فصل مشترک دو لایه با خواص متفاوت باشد. بنابراین، شناسایی دقیق این نواحی و در نظر گرفتن آن‌ها در مدل ژئوتکنیکی، یکی از مهم‌ترین پیش‌نیازهای طراحی ایمن گودبرداری است.

منابع

• MDPI Water. (2024). Analysis of seepage and deformation (Drumming cracks) in coal-bearing weak interlayers (Case study: G104 Highway). Water, 16(604).
• Jin, L., et al. (2025). Effect of thickness and inclination angle of weakly cemented interlayer on fracture development and fracture energy evolution of rock mass. Scientific Reports, 15(1).
• Ma, W. B., Zhao, Z. G., et al. (2019). Shear Creep Properties of Weak Interlayer in Slope Based on Stationary Parameter Fractional Derivative Burgers Model. Soils and Rocks, 42(3), 337-350.
• Fernandes, J. S., Appoloni, C. R., & Fernandes, C. P. (2019). Microstructural Characterization of Siltstone and Sandstone Pore Space by X-Ray Microtomography. Soils and Rocks, 42(3), 281-288.
• Zhang, S., Zhu, G., et al. (2025). Stability influence of weak interlayer rock slope under rainfall. Frontiers in Earth Science, 13:1564077.
• Deep Excavation. Basal Heave Analysis in Soft Clays. Online Technical Paper from DeepEX Support.
• CEDD (Civil Engineering and Development Department). Deep Excavation Design and Construction. Geotechnical Engineering Office, HKSAR Government.
• Taku, Bernard Awah. (2020). Quality control and influence of a slight defect on pile foundation: Case study of pile in the industrial zone of Bonaberi-Douala. Master Thesis, University of Padua/NASPW.
• Springer Nature. (2025). Analysis of deformation viscosity effect on the stability of bridge-adjacent slopes with weak interlayers. s40098-025-01247-x.pdf.