به ساده ترین زبان، به توده های خاكی كه نسبت به سطح افق سطحی شیب دار داشته باشند شیروانی خاكی گفته می شود. همچنین اگر سطح زمین با راستای افقی زاویه ای غیر از صفر بسازد، به این سطح شیب دار یک شیروانی خاکی (Slope Soil) گفته می شود. شیروانی های خاکی می توانند در اثر نیروهای طبیعی ناشی از باد، آب، برف و غیره ایجاد شده باشند و یا توسط انسان ساخته می شوند. شیب های ایجاد شده در وجوه کانال ها، سدها، بندها، و جاده ها نمونه هایی از شیب های خاکی مصنوعی می باشند. در بررسی شیروانی های خاکی تحلیل پایداری آن ها حائز اهمیت بوده و مورد توجه مهندسان ژئوتکنیک (شاخه ای از مهندسی عمران است که به بررسی رفتار مهندسی مصالح زمین و مخاطرات محتمل در رابطه با احداث ابنیه می‌پردازد) است.
ضریب ایمنی در پایداری شیروانی ها
پایداری یک شیروانی خاکی به عوامل متعددی مثل لایه بندی خاک، آب زیرزمینی، مقاومت برشی خاک و غیره بستگی دارد. برای تعریف پایداری شیروانی های خاکی از ضریب اطمینان مربوط به آن استفاده می شود. می دانیم که ضریب اطمینان در برابر گسیختگی برشی در امتداد یک صفحه دلخواه، از حاصل تقسیم توِ f (مقاومت برشی در امتداد آن صفحه) بر توِ d (تنش برشی بسیج شده در امتداد صفحه مورد نظر) بدست آمد. ضریب اطمینان پایداری شیروانی خاکی به صورت معادله زیر تعیین می گردد که در آن FS ضریب اطمینان کلی شیروانی خاکی در امتداد سطح لغزش بوده و توِ f مقاومت برشی خاک در این سطح است. توِ d نیز تنش برشی بسیج شده خاک در امتداد سطح مورد نظر است و در واقع حداقل تنش برشی مقاومی است که به ازای آن شیروانی ما پایدار می ماند.
نکات زیر را فراموش نکنید:
- توِ f همان توِ Max است که در نهایت توان خاک را برای مقابله با لغزش در سطح مورد نظر نشان می دهد. این مطلب بیانگر آن است که توِ d درصدی از توِ f بوده و تمام توان خاک برای مقابله با لغزش نیست. از این رو می توان نتیجه گرفت که به هنگام بسیج شده توِ d تنها بخشی از زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی خاک بسیج می شوند که آن ها را زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی بسیج شده خاک نامیده.
- در حالت کلی منظور از ضریب اطمینان شیروانی، ضریب اطمینان کلی می باشد.
- برای محاسبه ضریب اطمینان شیروانی در برابر لغزش انتقالی بایستی از رابطه تعادل نیروها استفاده کرد. حال اگر به هنگام لغزش شیروانی، دوران خاک حول یک نقطه (محور) مدنظر باشد، در آن صورت برای محاسبه ضریب اطمینان شیروانی در برابر لغزش دورانی از رابطه تعادل لنگرها کمک می گیریم.
- اگر ضریب اطمینان شیروانی از یک کمتر باشد شیروانی ناپایدار و اگر از یک بیشتر شود، شیروانی پایدار خواهد بود. در حالی که FS=1 است، شیروانی در آستانه لغزش قرار دارد. همچنین برای تامین پایداری شیروانی های خاکی در عمل، FS بزرگتر و مساوی 1.5 در نظر گرفته می شود.
شیروانی های خاکی را در حالت کلی به دو دسته تقسیم می کنیم:
- شیروانی های خاکی نامحدود: دسته اول شامل شیب های خاکی نامحدود است با این ویژگی که طول آن ها در مقایسه با ارتفاع شان زیاد است (در عمل اگر طول شیروانی تقریبا از 10 برابر ارتفاع آن بیشتر باشد، می توان شیروانی را نامحدود در نظر گرفت).
- شیروانی های خاکی محدود: دسته دوم شیب های خاکی محدود می باشد که دارای طول محدود و ارتفاع مشخصی است.
1- پایداری شیروانی های خاکی نامحدود
برای بررسی شیروانی های خاکی نامحدود (Infinite Slope) نیز دو حالت را درنظر می گیریم. حالت اول تحت شرایطی است که سطح لغزش به موازات سطح شیبدار است و آب در خاک جریان ندارد. این حالت که در شکل زیر مشاهده اش می کنید. سطح متحمل به لغزش به موازات سطح شیب دار فرض شده و هیچ گونه نشت (حرکت آب در خاک) در این شیب خاکی وجود ندارد. با لجاظ کردن فرضیات فوق می خواهیم لغزش شیروانی را در امتداد صفحه EF که محتمل به لغزش است در عمق z از سطح زمین قرار دارد، مورد بررسی قرار دهیم. قطعه جدا شده ABCD را که دارای ضخامت واحد در امتداد عمود بر صفحه است، در نظر می گیریم و دیاگرام آزاد آن را مطابق شکل زیر رسم می کنیم. برای یک شیب خاکی یکنواخت و نامحدود، نیروهای قائم و برشی موثر بر وجوه کناری قطعه جدا شده، با هم برابرند یعنی P1 برابر است با P2 . با نوشتن رابطه تعادل نیروها، تنش قائم و برشی وارد بر قطعه ABCD در سطح محتمل به لغزش بدست می آید.
حالت دوم بررسی پایداری شیروانی های خاکی نامحدود، شامل شرایطی می شود که در آن سطح لغزش موازی سطح شیب دار است و آب در خاک جریان دارد. بنابراین در این بخش باید فاکتور آب هم در نظر گرفته شود. مشابه حالت قبل یک شیروانی خاکی را در نظر بگیرید، با این تفاوت که این بار آب در خاک جریان داشته و مطابق شکل زیر سطح آب زیر زمینی منطبق بر سطح خاک باشد. حال مسئله لغزش شیروانی را در امتداد صفحه AB (سطح احتمالی لغزش) مطرح می کنیم. در این حالت نیز مانند بخش قبل باببرسی تعادل قطعه abcd (که دارای ضخامت واحد در امتداد عمود بر صفحه است)، به صورت زیر خواهد بود. در ضمن توجه داشته باشید با توجه به اشباع بودن خاک و در صورتی که تنش موثر حاکم شود، مقاومت برشی خاک بر اساس پارامترهای موثر مقاومت برشی و توِ f محاسبه خواهد شد.
توجه داشتیه باشید که در خاک های رسی به هنگام بررسی پایداری بلند مدت شیروانی، تنش موثر حاکم بوده و بایستی ضریب اطمینان را از رابطه زیر محاسبه کرد. حال اگر پایداری کوتاه مدت شیروانی خاکی مدنظر باشد، در این صورت با حاکمیت تنش کل، خاک رس اشباع در شرایط زهکشی نشده، خواهد بود. در این حالت تتا برابر صفر خواهد بود و C=Cu که در این صورت داریم:
سوال: در یک شیروانی خاکی به علت نیروی رانشی ناشی از وزن خاک، نیروی مقاومی برابر با 50 درصد مقاومت برشی خاک ایجاد می گردد. ضریب اطمینان این شیروانی در برابر لغزش چقدر است؟
جواب: بر اساس اولین رابطه و اطلاعات داده شده؛ در این صورت می توان استنباط کرد که توِ d برابر است یا 0.5 توِ f . پس ضریب اطمینان برابراست با 2 .
