يشير استقرار المنحدر إلى قدرة المنحدر أو التلال على مقاومة الحركة الهبوطية أو انهيار التربة والمواد الصخرية. انهيارات أرضية هي شكل شائع من أشكال فشل المنحدرات ، والتي يمكن أن تؤدي إلى أضرار جسيمة للممتلكات والبنية التحتية ، وخسائر في الأرواح ، وتأثيرات بيئية. يعد استقرار المنحدرات والانهيارات الأرضية من الاعتبارات المهمة في الجيولوجيا الهندسية والهندسة الجيوتقنية ، لا سيما في تخطيط وتصميم وبناء مشاريع البنية التحتية مثل الطرق والجسور والمباني.

يمكن أن تساهم عدة عوامل في عدم استقرار المنحدرات والانهيارات الأرضية ، بما في ذلك نوع المواد الجيولوجية الموجودة ، وتدرج المنحدر والجانب ، ووجود المياه الجوفية ، وتأثيرات التعرية الطبيعية والتي يسببها الإنسان. تتضمن بعض الأسباب الشائعة لعدم استقرار المنحدرات الزلازل، هطول أمطار غزيرة أو ذوبان الجليد ، والتغيرات في محتوى رطوبة التربة ، وإزالة الدعم عند قاعدة المنحدر بسبب أعمال الحفر أو البناء.

من أجل تقييم احتمالية عدم استقرار المنحدرات والانهيارات الأرضية ، يستخدم الجيولوجيون والمهندسون مجموعة متنوعة من التقنيات ، بما في ذلك رسم الخرائط الميدانية والمراقبة ، والمسوحات الجيوفيزيائية ، والحفر وأخذ العينات ، والاختبار في الموقع مثل اختبار الاختراق القياسي (SPT) والمخروط. اختبار الاختراق (CPT). يمكن أيضًا استخدام النمذجة والمحاكاة الحاسوبية للتنبؤ بسلوك المنحدرات وآليات الفشل المحتملة في ظل ظروف مختلفة.

تتضمن بعض الطرق الشائعة للتخفيف من مخاطر عدم استقرار المنحدرات والانهيارات الأرضية تحسين الصرف والغطاء النباتي ، وبناء الجدران الاستنادية أو هياكل التثبيت ، وتغيير هندسة المنحدرات من خلال التدريج أو الحفر. في بعض الحالات ، قد يكون من الضروري نقل البنية التحتية أو المناطق السكنية بعيدًا عن المناطق عالية الخطورة.

بشكل عام ، تعد دراسة استقرار المنحدرات والانهيارات الأرضية جانبًا مهمًا من الهندسة الجيوتقنية ويمكن أن تساعد في ضمان سلامة واستدامة مشاريع البنية التحتية والمجتمعات البشرية في المناطق المعرضة للمخاطر الطبيعية.

أسباب فشل المنحدر

يمكن أن يحدث فشل المنحدر بسبب العديد من العوامل الطبيعية والتي يسببها الإنسان. بعض الأسباب الشائعة لفشل المنحدر هي:

  1. الجيولوجيا وخصائص التربة: يمكن أن يساهم نوع وخصائص التربة والصخور الواقعة أسفل المنحدر في عدم الاستقرار. على سبيل المثال ، المنحدرات ذات الصخور الضعيفة أو المتأثرة بالعوامل الجوية أو التربة الطينية أو التربة ذات المحتوى المائي العالي تكون أكثر عرضة للفشل.
  2. الظروف الهيدرولوجية: الماء عامل مهم في عدم استقرار المنحدرات ، ووجوده يمكن أن يساهم في فشل المنحدرات. يمكن أن يتسبب هطول الأمطار الغزيرة أو الفيضانات أو التغيرات في مستوى المياه الجوفية في حدوث الانهيارات الأرضية وفشل المنحدرات.
  3. هندسة المنحدر: زاوية المنحدر وارتفاعه يمكن أن يساهم في عدم الاستقرار. كلما كان المنحدر أكثر انحدارًا ، زادت احتمالية الفشل.
  4. النشاط الزلزالي: يمكن أن تؤدي الزلازل والأنشطة الزلزالية الأخرى إلى حدوث انهيارات أرضية عن طريق تغيير استقرار المنحدرات.
  5. الأنشطة البشرية: يمكن للأنشطة البشرية مثل التنقيب أو البناء أو التعدين أو قطع الأشجار تغيير استقرار المنحدرات و قيادة لعدم الاستقرار والفشل.
  6. الغطاء النباتي: يمكن أن تؤدي إزالة الغطاء النباتي إلى عدم الاستقرار والمساهمة في فشل المنحدرات عن طريق تقليل تماسك التربة وزيادة تدفق المياه.
  7. تغير المناخ: يمكن أن تساهم الظواهر التي يسببها تغير المناخ مثل هطول الأمطار الغزيرة والجفاف والتغيرات في درجات الحرارة في فشل المنحدرات.
  8. عوامل أخرى: العوامل الأخرى التي يمكن أن تسهم في فشل المنحدر تشمل التعرية ودورات تجميد الذوبان وحركة المنحدرات الطبيعية بمرور الوقت.

أنواع الانهيارات الأرضية

هناك عدة أنواع من الانهيارات الأرضية ، والتي يتم تصنيفها بناءً على نوع المواد المستخدمة وطريقة تحركها. بعض الأنواع الشائعة للانهيارات الأرضية هي:

  1. Rockfall: يحدث هذا عندما الصخور أو تنفصل الصخور عن منحدر حاد وتسقط على الأرض.
  2. الانزلاق الصخري: يحدث هذا عندما تنزلق كتلة كبيرة من الصخور إلى أسفل على طول مستوى من الضعف ، مثل a خطأ أو مشترك.
  3. تدفق الحطام: يحدث هذا عندما تتدفق كمية كبيرة من التربة والصخور والمياه إلى أسفل ، عادة في قناة.
  4. تدفق الطين: هذا مشابه لتدفق الحطام ، لكن المادة في الغالب عبارة عن تربة ومياه ذات حبيبات دقيقة.
  5. تدفق الأرض: يحدث هذا عندما تتحرك التربة المشبعة إلى أسفل في تدفق بطيء ولزج.
  6. الزحف: هو حركة بطيئة ومستمرة للتربة أو الصخور المنحدرة ، وعادة ما ينتج عن تمدد وتقلص المادة بسبب التغيرات الموسمية في درجة الحرارة والرطوبة.
  7. الركود: يحدث هذا عندما تتحرك كتلة من التربة أو الصخور إلى أسفل على طول سطح منحني ، تاركة ندبة على شكل هلال على المنحدر.
  8. الانهيار الأرضي المعقد: هو مزيج من نوعين أو أكثر من الانهيارات الأرضية ، مثل الانهيار الصخري الذي يؤدي إلى تدفق الحطام.

تقنيات تحليل استقرار المنحدر

هناك العديد من التقنيات المستخدمة لتحليل استقرار المنحدرات ، بما في ذلك:

  1. تحليل توازن الحد: تفترض هذه الطريقة أن المنحدر يفشل على طول مستوى الفشل ، وعامل الأمان هو نسبة القوى المقاومة إلى القوى الدافعة على طول ذلك المستوى. يمكن استخدام طرق مختلفة لهذا النوع من التحليل ، مثل طريقة الأسقف وطريقة جانبو وطريقة سبنسر.
  2. تحليل العناصر المحدودة: تتضمن هذه الطريقة تقسيم المنحدر إلى عدد كبير من العناصر الصغيرة وتحليل سلوك كل عنصر. وهذا يسمح بالنظر في الأشكال الهندسية الأكثر تعقيدًا وسلوكيات التربة وظروف التحميل.
  3. تحليل تقليل قوة القص: تستخدم هذه الطريقة لتقييم ثبات المنحدر تحت ظروف التحميل المختلفة. يتم تقليل مقاومة القص للتربة بشكل تدريجي حتى يفشل المنحدر ، ويتم حساب عامل الأمان.
  4. التحليل الاحتمالي: تتضمن هذه الطريقة استخدام النماذج الإحصائية لتقييم احتمال فشل المنحدر بناءً على تنوع معلمات الإدخال ، مثل خصائص التربة وظروف التحميل.
  5. الأساليب التجريبية: تعتمد هذه الأساليب على الخبرة والملاحظة وغالبًا ما تستخدم للتحليل الأولي. تتضمن الأمثلة طريقة رقم الاستقرار وطريقة الدائرة السويدية.

كل من هذه التقنيات لها مزاياها وقيودها وهي مناسبة لأنواع مختلفة من المنحدرات وظروف التربة. يعتمد اختيار التقنية المناسبة على عوامل مثل طبيعة المنحدر والبيانات المتاحة ومستوى الدقة المطلوبة.

تحليل توازن الحد

تحليل توازن الحد هو أسلوب شائع يستخدم لتقييم ثبات المنحدرات. يعتمد على مبدأ التوازن ، الذي ينص على أن المنحدر المستقر هو الذي تكون فيه القوى المؤثرة على المنحدر متوازنة. يتضمن التحليل تقسيم المنحدر إلى عدد من الأقسام والنظر في ثبات كل قسم على حدة.

في تحليل توازن الحد ، يتم استخدام عامل الأمان (FS) كمقياس لاستقرار المنحدر. عامل الأمان هو نسبة القوى المقاومة للقوى الدافعة المؤثرة على المنحدر. إذا كان عامل الأمان أكبر من واحد ، فيُعتبر المنحدر مستقرًا ؛ إذا كان أقل من واحد ، فيُعتبر المنحدر غير مستقر.

هناك طرق مختلفة لتحليل توازن الحد ، بما في ذلك:

  1. طريقة الأسقف: وهي طريقة مستخدمة على نطاق واسع لتحليل المنحدرات. يفترض أن مقاومة القص للتربة تزداد خطيًا مع العمق ، وأن القوى المؤثرة على المنحدر يمكن حلها في اتجاهين متعامدين.
  2. طريقة جانبو: هذه الطريقة مشابهة لطريقة بيشوب ، لكنها تأخذ في الاعتبار إمكانية تعطل الأسطح بشكل دائري.
  3. طريقة سبنسر: تستخدم هذه الطريقة لتحليل المنحدرات المعقدة ذات الأشكال الهندسية غير المنتظمة. يدرس توزيع القوى على طول المنحدر ، ويستخدم نهجًا بيانيًا لتحديد عامل الأمان.
  4. طريقة Morgenstern-Price: تعتمد هذه الطريقة على افتراض أن مقاومة القص للتربة تختلف على طول سطح الفشل ، وتستخدم تقنيات عددية لحساب عامل الأمان.

تحليل التوازن المحدود هو تقنية مستخدمة على نطاق واسع لتقييم ثبات المنحدرات ، ولكن لها بعض القيود. يفترض أن خصائص التربة متجانسة ومتجانسة ، وهو ما قد لا يكون هو الحال في بعض الحالات. كما أنه لا يأخذ في الاعتبار تأثيرات ضغط المياه في المسام ، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على استقرار المنحدرات. على هذا النحو ، يمكن استخدام تقنيات التحليل الأخرى مثل تحليل العناصر المحدودة (FEA) أو طريقة الفروق المحدودة (FDM) لاستكمال النتائج التي تم الحصول عليها من تحليل توازن الحد.

طريقة الأسقف

طريقة Bishop هي تقنية لتحليل ثبات المنحدرات تستخدم لتحديد عامل الأمان (FoS) للمنحدرات تحت ظروف تحميل مختلفة. تم تطوير هذه الطريقة بواسطة WW Bishop في الخمسينيات من القرن الماضي وتستخدم على نطاق واسع في ممارسة الهندسة الجيوتقنية.

تفترض طريقة بيشوب أن سطح الانهيار في المنحدر دائري أو جزئي. يتضمن التحليل تقسيم المنحدر إلى عدد من الشرائح ، يفترض أن تكون كل منها كتلة صلبة. يتم بعد ذلك حل القوى المؤثرة على كل شريحة إلى مكوناتها الرأسية والأفقية ، ويتم تحليل ثبات كل شريحة باستخدام معادلة توازن القوة. يتم تعريف عامل الأمان للمنحدر على أنه نسبة إجمالي قوة المقاومة المتاحة إلى إجمالي القوة الدافعة.

تأخذ طريقة Bishop في الاعتبار قوة القص للتربة ووزن التربة وضغط الماء المسامي داخل التربة. يمكن إجراء التحليل باستخدام طريقة الإجهاد الكلي أو طريقة الإجهاد الفعالة ، اعتمادًا على ظروف المنحدر وخصائص التربة. تُستخدم الطريقة على نطاق واسع في الممارسة العملية نظرًا لبساطتها وسهولة استخدامها ، على الرغم من وجود بعض القيود والافتراضات التي يجب مراعاتها عند تطبيقها على مشاكل استقرار المنحدرات في العالم الحقيقي.

طريقة جانبو

طريقة Janbu هي طريقة لتحليل ثبات المنحدرات تستخدم بشكل شائع في الهندسة الجيوتقنية. إنها طريقة التوازن المحدود التي تستخدم أسطح عطل دائرية لتحليل ثبات المنحدرات. تفترض الطريقة أن مقاومة القص للتربة تخضع لمعيار فشل Mohr-Coulomb.

تقسم طريقة جانبو المنحدر إلى عدد من الشرائح الرأسية ، ويتم تحليل القوى المؤثرة على كل شريحة باستخدام مبادئ الإحصائيات. تأخذ الطريقة في الاعتبار التباين في خصائص التربة مع العمق وتأثير ضغط المياه المسامية على ثبات المنحدر.

يتضمن التحليل حساب عامل الأمان ، وهو نسبة القوى المقاومة إلى القوى الدافعة. يشير عامل الأمان الأكبر من 1 إلى منحدر مستقر ، بينما يشير عامل الأمان الأقل من 1 إلى منحدر غير مستقر.

تُستخدم طريقة Janbu على نطاق واسع لأنها بسيطة نسبيًا ويمكن تطبيقها على مجموعة واسعة من الأشكال الهندسية للمنحدرات وظروف التربة. ومع ذلك ، فإن لها بعض القيود ، مثل افتراض الأسطح الفاشلة الدائرية وإهمال تأثيرات تخفيف الإجهاد وتصلب الإجهاد على مقاومة القص للتربة.

طريقة سبنسر

طريقة سبنسر هي نوع من تحليل توازن الحد المستخدم لتحديد ثبات المنحدرات. سميت على اسم مبتكرها ، إدموند هـ. سبنسر. تستخدم الطريقة مفهوم "الأوتاد" لتقييم القوى المؤثرة على المنحدر وتحديد ثباته.

في طريقة سبنسر ، ينقسم المنحدر إلى سلسلة من أسافين الفشل المحتملة ، يتم تقييم كل منها من أجل الاستقرار. تأخذ الطريقة في الاعتبار وزن الإسفين والقوى المؤثرة عليه ، مثل وزن التربة فوق الإسفين ، وضغط المسام داخل التربة ، وأي قوى خارجية تعمل على المنحدر. يتم تحديد ثبات كل إسفين باستخدام سلسلة من المعادلات التي تأخذ في الاعتبار القوى المؤثرة على الإسفين ، بالإضافة إلى مقاومة القص للتربة.

طريقة سبنسر مفيدة بشكل خاص لتحليل المنحدرات المعقدة ، حيث قد يكون هناك عدة أسطح عطل. يمكن استخدامه أيضًا لتقييم ثبات المنحدرات ذات الهندسة غير المنتظمة أو خصائص التربة المتغيرة. ومع ذلك ، مثل طرق توازن الحد الأخرى ، فإن لها بعض القيود ، مثل افتراض وجود سطح فشل ثنائي الأبعاد وافتراض أن خصائص التربة ثابتة على طول سطح الفشل.

طريقة Morgenstern-Price

طريقة Morgenstern-Price هي طريقة لتحليل ثبات المنحدر تأخذ في الاعتبار ضغط الماء المسامي المتولد في المنحدر بسبب تسرب الماء. تم تطوير هذه الطريقة في الستينيات من قبل المهندسين الجيوتقنيين الكنديين Zdeněk Morgenstern و William Allen Price.

تعتمد الطريقة على افتراض أنه يمكن تقسيم المنحدر إلى سلسلة من الشرائح ، بحيث يكون لكل شريحة عامل أمان مختلف ضد الفشل. تتضمن الطريقة حساب الضغوط الفعالة في كل شريحة ، وهي الضغوط التي تعمل على جزيئات التربة بعد طرح ضغط المياه المسامية من الإجهاد الكلي. يتم بعد ذلك حساب عامل الأمان ضد الفشل لكل شريحة من خلال مقارنة مقاومة القص للتربة بإجهاد القص الذي يعمل على الشريحة.

يمكن استخدام طريقة Morgenstern-Price لتحليل المنحدرات من أي شكل ، بما في ذلك المنحدرات ذات الأشكال الهندسية المعقدة وملامح التربة. يتم استخدامه على نطاق واسع في الممارسة وقد تم دمجه في العديد من حزم برامج تحليل استقرار المنحدرات. ومع ذلك ، فإن لهذه الطريقة بعض القيود ، بما في ذلك حقيقة أنها تفترض أن خصائص التربة وضغط الماء المسامي ثابتان في جميع أنحاء المنحدر ، وهو ما قد لا يكون الحال دائمًا في الممارسة العملية.

تحليل العناصر المحدودة

تحليل العناصر المحدودة (FEA) هو طريقة حسابية تستخدم لتحليل وتوقع سلوك الأنظمة الهندسية المعقدة. يتضمن تقسيم النظام إلى أجزاء أصغر وأبسط ، تسمى العناصر المحدودة ، ثم تطبيق المعادلات الرياضية والأساليب العددية لنمذجة سلوك كل عنصر. يتم حل المعادلات في وقت واحد لجميع العناصر للحصول على حل للنظام بأكمله.

في الهندسة الجيوتقنية ، غالبًا ما تستخدم FEA لنمذجة سلوك كتل التربة والصخور ، خاصة في الظروف الجيولوجية المعقدة. يمكن استخدام FEA لتحليل استقرار المنحدر ، وسلوك الأساس ، والأنفاق ، ومشاكل الحفر ، من بين تطبيقات أخرى.

يتطلب FEA فهمًا تفصيليًا للهندسة وظروف الحدود وخصائص المواد وظروف التحميل للنظام الذي يتم تحليله. تعتمد دقة النتائج على دقة معلمات الإدخال وتعقيد النموذج. تعد FEA أداة قوية ، ولكنها تتطلب أيضًا موارد حسابية كبيرة وبرامج متخصصة ، فضلاً عن خبرة في الأساليب العددية وبرمجة الكمبيوتر.

تحليل تقليل قوة القص

تحليل تقليل مقاومة القص (SSRA) هو طريقة عددية تستخدم لتقييم ثبات المنحدرات والجسور. تُعرف أيضًا باسم طريقة تقليل الثبات ، أو طريقة تقليل قوة القص ، أو طريقة c.

في SSRA ، يتم حساب عامل الأمان (FoS) للمنحدر عن طريق التقليل المتتالي لقوة القص للتربة حتى حدوث الفشل. تعتمد الطريقة على افتراض أن فشل المنحدر يحدث عندما يصل أقصى إجهاد القص في أي نقطة داخل المنحدر إلى قوة القص للتربة.

تعتبر طريقة SSRA مفيدة بشكل خاص عندما تكون خصائص التربة و / أو هندسة المنحدر معقدة ، مما يجعل من الصعب استخدام الطرق التقليدية مثل تحليل توازن الحد. ومع ذلك ، فإن SSRA هي طريقة حسابية مكثفة ، تتطلب استخدام برامج متقدمة وأجهزة كمبيوتر قوية لتشغيل عمليات المحاكاة اللازمة.

تم استخدام SSRA على نطاق واسع في الهندسة الجيوتقنية لتحليل استقرار المنحدرات في مجموعة من التطبيقات ، بما في ذلك التعدين المفتوح والسدود والطرق السريعة. كما تم استخدامه للتحقيق في آثار العوامل البيئية مثل هطول الأمطار والزلازل وتغير المناخ على استقرار المنحدرات.

التحليل الاحتمالي

التحليل الاحتمالي هو تقنية تستخدم في تحليل استقرار المنحدر لتقييم احتمال حدوث فشل المنحدر. يتضمن تعيين الاحتمالات لعوامل مختلفة يمكن أن تؤثر على استقرار المنحدر ، مثل قوة التربة وهندسة المنحدر وشدة التحميل ومدته.

في التحليل الاحتمالي ، يتم تعيين مجموعة من القيم لكل عامل ، بدلاً من قيمة حتمية واحدة. يسمح هذا بإجراء تقييم أكثر واقعية لاستقرار المنحدر ، لأنه يأخذ في الاعتبار التباين المتأصل وعدم اليقين الموجود في ظروف العالم الحقيقي.

محاكاة مونت كارلو هي تقنية شائعة الاستخدام في التحليل الاحتمالي. يتضمن تشغيل عدد كبير من عمليات المحاكاة ، كل منها بمجموعة مختلفة من قيم الإدخال المختارة عشوائيًا من التوزيعات الاحتمالية المخصصة. يمكن بعد ذلك استخدام نتائج عمليات المحاكاة لحساب احتمال حدوث فشل المنحدر ، ولتحديد أهم العوامل التي تؤثر على استقرار المنحدر.

الأساليب التجريبية

الأساليب التجريبية هي تقنيات تحليل استقرار المنحدرات التي تعتمد على السلوك الملحوظ للمنحدرات في الماضي. إنها لا تتطلب أي نماذج رياضية ، ولكنها تعتمد على العلاقات التجريبية المشتقة من تاريخ حالات فشل المنحدرات. هذه الطرق مفيدة في المواقف التي تتوفر فيها بيانات محدودة ، أو عندما تكون الظروف الجيوتقنية معقدة ويصعب نمذجتها.

أحد الأمثلة على الطريقة التجريبية هو طريقة "رقم الاستقرار" ، والتي تُستخدم لتحليل المنحدرات بأسطح عطل مستوية. يتم حساب رقم الاستقرار بناءً على زاوية الانحدار ووزن وحدة التربة والتماسك وزاوية الاحتكاك للتربة. تعتمد الطريقة على ملاحظة أن المنحدرات ذات رقم الاستقرار الأكبر من 1.0 تعتبر مستقرة بشكل عام ، بينما تعتبر المنحدرات ذات رقم الاستقرار الأقل من 1.0 غير مستقرة.

مثال آخر هو "الطريقة السويدية" ، وهي طريقة شبه تجريبية تستخدم بشكل شائع في الدول الاسكندنافية. تتضمن هذه الطريقة تحليل توزيع ضغط المسام داخل المنحدر ، ثم مقارنة ذلك بقوة القص للتربة. إذا تجاوز ضغط المسام قوة القص ، فإن المنحدر يعتبر غير مستقر.

غالبًا ما تُستخدم الأساليب التجريبية جنبًا إلى جنب مع تقنيات التحليل الأخرى لتوفير نظرة ثاقبة إضافية على استقرار المنحدر. يتم استخدامها بشكل شائع في المواقف التي تكون فيها الظروف الجيوتقنية معقدة ويصعب نمذجتها ، أو عندما تكون البيانات المتاحة محدودة.