دانشگاه شهيد بهشتي
دانشکده مهندسي آب و محيط زيست(پرديس فني و مهندسي شهيد عباسپور)
پايان نامه کارشناسي ارشد رشته مهندسي عمران
گرايش مکانيک خاک و پي
عنوان
ارزيابي ريسک در پايداري پروژه هاي گودبرداري با لحاظ کردن عدم قطعيت ها
استاد راهنما:
جناب آقاي دکتر سعيد خرقاني
استاد مشاور:
جناب آقاي دکتر علي نورزاد
نگارش:
مهدي پاک نفس
شهريور ماه 1393
چکيده
پروژه‌هاي گودبرداري در مناطق شهري هميشه در معرض خطر هستند. از اينرو در طراحي سازه نگهبان بايد حاشيه ايمني مناسب در نظر گرفته شود. روشهاي سنتي ارزيابي پايداري شيب که معمولا بر پايه قضاوت‌هاي تجربي مانند مفهوم ضريب اطمينان و روش تعادل حدي استوار است عدم قطعيت‌ها را در نظر نمي‌گيرند. تلاش‌ها براي کمي کردن عدم قطعيت‌ها و ريسک‌هاي موجود، موجب پيدايش رويکردهاي مبتني بر ريسک گرديد. تحليل قابليت اطمينان و تحليل ريسک روشهاي توسعه يافته‌اي براي غلبه بر اين مشکل مي‌باشند. در اين روش، ضريب اطمينان بر اساس پارامترهاي عدم قطعيت و سطح ريسک قابل قبول تعيين مي شود. اين روش را مي توان براي ارزيابي ريسک و اقدامات لازم براي کنترل خطرات استفاده نمود. با استفاده از اين روشها مي توان ريسک را ارزيابي کرده و اقدامات لازم را جهت کنترل ريسک انجام داد. روش شبيه‌سازي مونت‌کارلو يکي از ابزارهاي ارزيابي احتمالاتي مي باشد که بسياري از عدم قطعيت‌ها را به منظور سنجش ايمني پايداري ترانشه‌هاي گودبرداري لحاظ مي کند. در تحقيق حاضر، ايمني ديواره ميخ‌کوبي شده با استفاده از روش احتمالاتي شبيه‌سازي مونت‌کارلو مورد بررسي قرار گرفته و شاخص قابليت اعتماد و احتمال خرابي نيز محاسبه شده است.
واژه‌هاي کليدي: گودبرداري، عدم‌قطعيت، ارزيابي ريسک، شبيه سازي مونت‌کارلو، ميخ‌کوبي، تحليل قابليت اطمينان، تعادل حدي
فهرست صفحه
فصل اول- کليات1
1-1- مقدمه2
1-2- بيان موضوع تحقيق3
1-3- طراحي مبتني بر ارزيابي ريسک4
1-4- مقايسه روشهاي سنتي و روشهاي احتمالاتي5
1-4- هدف و دامنه تحقيق5
1-5- ساختار پايان نامه6
فصل دوم- مروري بر ادبيات موضوعي روش هاي تحليل و پايدارسازي گود8
2-1- مقدمه9
2-2- روش هاي متعارف گودبرداري و حائل سازي10
2-3- روش هاي پايدارسازي گود11
2-3-1- عوامل موثر بر انتخاب روش هاي گودبرداري13
2-4-علت هاي گسيختگي در گودبرداري هاي عميق14
2-5- مقايسه هزينه اجراي سيستم هاي مختلف پايدارسازي گود15
2-6- روش هاي آناليز پايداري گودها16
2-6-1- روش هاي سنتي و مرسوم آناليز پايداري گودها16
2-6-1-1- روش عمومي تعادل حدي17
2-6-1-2- روش فلنيوس يا معمولي19
2-6-1-3- روش ساده شده بيشاپ19
2-6-1-4- روش ساده شده جانبو20
2-6-1-5- روش اسپنسر21
2-6-1-6- روش مورگنسترن-پرايس23
2-6-1-7- روش گروه مهندسين23
2-6-1-8- روش سارما24
2-6-2- آناليز پايداري گود به روش اجزا محدود25
2-6-3- روش هاي احتمالاتي آناليز پايداري گود26
2-7- جمع بندي27
فصل سوم- مديريت منابع عدم قطعيت و طراحي مبتني بر ريسک29
3-1- مقدمه30
3-2- منابع عدم قطعيت در مهندسي ژئوتکنيک31
3-3- برآورد ميانگين و انحراف استاندارد پارامترهاي ژئوتکنيکي33
3-3-1- بهترين تخمين34
3-3-2- عدم قطعيت34
3-3-2-1- محاسبه انحراف معيار بر اساس داده هاي موجود34
3-3-2-2- محاسبه انحراف معيار با استفاده از ضريب تغييرات35
3-3-2-3- محاسبه انحراف معيار بر اساس قانون سه انحراف استاندارد35
3-4- ريسک و ايمني36
3-5- روش هاي مبتني بر ارزيابي ريسک37
3-5-1-مزاياي ارزيابي ريسک38
3-5-2- نقش ارزيابي ريسک38
3-6- طراحي مبتني بر ريسک و احتمال خرابي39
3-7- محاسبه احتمال خرابي با استفاده از تحليل قابليت اطمينان43
3-7-1- روش ترکيب منحني توزيع متغيرهاي تصادفي45
3-7-2- روش تخمين نقطه اي45
3-7-3- روش لنگر دوم مرتبه اول46
3-7-4- روش گشتاور دوم مرتبه اول پيشرفته47
3-7-5- روش شبيه سازي مونت کارلو50
3-8- جمع بندي54
فصل چهارم- ارزيابي پايداري گود به روش مونت کارلو56
4-1- مقدمه57
4-2- روند ارزيابي ريسک57
4-3- ارزيابي کمي ريسک در پايداري گود60
4-4- معيار پذيرش و قابل تحمل بودن ريسک61
4-4-1- ريسک قابل قبول61
4-4-2-ريسک غير قابل قبول61
4-4-3- ريسك قابل تحمل61
4-4-4- تصميم گيري بر مبناي ريسک62
4-5- مديريت ريسک در پروژه هاي گودبرداري64
4-5-1- روند مديريت ريسک64
4-5-1-1- شناسايي خطر64
4-5-1-2- ارزيابي ريسک65
4-5-1-3- کنترل ريسک65
4-6- ارزيابي پايداري گود به روش شبيه سازي مونت کارلو66
4-7- حل يک مثال نمونه68
4-7-1- مشخصات آماري و مشخصات ميخ ها69
4-7-2- تعداد تکرار و احتمال خرابي در روش مونت کارلو72
4-8- آناليز حساسيت77
4-9- آناليز پارامتري81
4-10- نتيجه گيري84
فصل پنجم- نتيجه گيري و پيشنهادات85
5-1- مقدمه86
5-2- نتايج87
5-3- پيشنهادات براي تحقيقات آتي89
فهرست مراجع91
پيوست1-آمار و احتمالات96
فصل اول
کليات
فصل اول-کليات
1-1- مقدمه
با رشد جمعيت، نياز به ساخت و ساز افزايش مي‌يابد و اين مهم، جز با گسترش زير ساخت‌هاي عمراني امکان پذير نمي‌باشد. از طرف ديگر کمبود زمين‌هاي مرغوب (زمين‌هايي که خاک آن براي ساخت و ساز داراي خصوصيات مکانيکي مناسب است) در شهرهاي پر جمعيت و همچنين گراني زمين در برخي مناطق موجب شده است تا ساخت و ساز در اعماق پايين‌تر از تراز زمين گسترش يابد. در بعضي مواقع بدليل وجود موانعي از قبيل وجود ساختمان و تاسيسات زيرزميني در ملک‌هاي مجاور گودبرداري‌ها بصورت قائم صورت مي‌گيرد. بديهي است براي جلوگيري از سوانح احتمالي عمليات گودبرداري بايد با پايدارسازي همراه باشد. در صورتي که در طراحي پايدارسازي ديواره گودبرداري ضريب اطمينان1 مناسب لحاظ نشود مي‌تواند خسارات جاني و مالي جبران ناپذيري به بار آورد. اخباري که بعضاً در مورد واژگوني ساختمان‌هاي مجاور در حين گودبرداري منتشر مي‌شود، ريسک‌پذيري و اهميت اين موضوع را نشان مي‌دهد. از سوي ديگر عواملي که در تعيين ضريب اطمينان دخيل‌اند خود نيز داراي عدم قطعيت2 هستند، بدين مفهوم که با تغيير هر يک از اين عوامل ضريب اطمينان نيز دستخوش تغيير مي‌گردد در نتيجه ريسک‌پذيري و احتمال خطر3 نيز تغيير مي‌يابد. در صورتي که در طراحي‌ها اين موضوع ناديده گرفته شود مي‌تواند هزينههاي ناخواسته‌اي را تحميل کند. بايد توجه شود که ضرايب اطمينان خيلي بزرگ نيز هزينههاي پايدارسازي را افزايش مي‌دهد. لذا برآورد دقيق و آگاهانه ضريب اطمينان علاوه بر جنبه‌هاي ايمني، به لحاظ اقتصادي نيز مي‌تواند هزينه تمام شده اين پروژهها را کاهش دهد.
گودبرداري عميق در بزرگراه نيکول4 در سنگاپور نمونه‌اي از يک پروژه عظيم ژئوتکنيکي است که چند سال پيش منجر به يک فاجعه شد. اين گودبرداري در عمق 30 متري و با 10 تا 15 متر عرض در خاک رس مارني، با مهاربندي ديوار ديافراگم در حال اجرا بود که در بعد از ظهر 20 آوريل سال 2004، تير بادبندي در بالاي آن شکست و پيامد آن سقوط زميني بطول 110 متر بود. که موجب ريزش بزرگراه نيکول در آن محدوده شد. همچنين جابجايي زياد خاک موجب انفجار در لوله‌هاي گازرساني و آتش‌سوزي شد. 4 نفر در اين حادثه جان باختند. متاسفانه در سال‌هاي اخير حوادث مشابهي در کشور عزيزمان ايران نيز اتفاق افتاده است. گسترش گودبرداري‌ها و احتمال رخ دادن حوادثي از اين دست، اهميت اين موضوع را نشان مي‌دهد. تحليل سازه‌هاي ژئوتکنيکي مبتني بر ارزيابي ريسک5، موضوعي است که اخيراً مورد توجه محققين قرار گرفته است. دليل اين رويکرد نيز وجود پارامترهاي غير قطعي يا همان عدم قطعيت‌ها در مسائل ژئوتکنيکي ميباشد. چون وجود عدم قطعيت‌ها طراحي‌هاي غير مطمئن را منجر مي‌گردد. از اينرو بايد ميزان نامطمئن بودن طراحي و ريسک‌هاي ناشي از اين طراحي ارزيابي شوند تا با مديريت ريسک6ها ميزان خسارات را کاهش داد. مديريت ريسک عبارت است از کاربرد سيستماتيک رويه ها، شيوه ها و سياست هاي مديريتي، براي شناسايي، آناليز، ارزيابي، کاهش و نظارت بر ريسک. کاهش ريسک نيز استفاده از روش هاي مناسب و اصول مديريت براي کاهش احتمال وقوع يک رخداد و يا عواقب نامطلوب آن، و يا هر دو مي باشد. تخمين ريسک و مقايسه آن با معيارهاي پذيرش (کمي و يا کيفي ) بخشي جدايي ناپذير مديريت ريسک است.
1-2- بيان موضوع تحقيق
محققين همواره در پي کمي کردن پديده‌ها و استفاده از نظريه‌هاي احتمالاتي جهت مدل کردن و آناليز آنها بوده‌اند. کمي کردن پديده‌ها و استفاده از نظريه‌هاي احتمالاتي در قرون 16 و 17 مورد توجه قرار گرفت. موضوع ريسک و مديريت آن نيز چند سال پس از آن مطرح شد و به سرعت در علوم مختلف مورد توجه قرار گرفت ولي شکل امروزي آن پس از سال 1960 مطرح شد که موجب بوجود آمدن بيمه گرديد. اصول ارزيابي و مديريت ريسک کاربردي به صورت رسمي تر، براي مناطق شهري در معرض خطر زمين لغزش و کنترل شيب اطراف بزرگراه از دهه 1970 انجام شده است. در دهه 1980، و به خصوص در دهه 1990، با معرفي روش هاي کمي، مديريت ريسک مسير خطوط لوله و علي الخصوص مديريت ريسک شيب ها توسعه يافت. محققان زيادي همچون وارنس (1984)، ويتمن (1984)، اينشتين (1988، 1997)، فل (1994)، لروي (1996)، وو و همکاران (1996)، فل و هارتفورد (1997)، نديم و لاکاسه (1999)، هو و همکارانش. (2000) والتسد و همکارانش. (2001)، نديم و همکاران. (2003)، نديم و لاکاسه (2003، 2004)، هارتفورد و بيچر (2004)، و لي و جونز (2004). در اين توسعه نقش داشته اند.
اخيراً مطالعاتي با هدف بهبود عوامل ريسک با تاکيد بر اهميت تحليل عدم اطمينان و تاييد روشهاي احتمالاتي به عنوان ابزاري مفيد براي تصميم‌گيري انجام گرفته است. يکي از ويژگي‌هاي مهم در ارزيابي ريسک اين است که با آناليز حالت‌هاي مختلف ريسک (به عنوان مثال، آناليز هزينه-سود7) تصميم‌گيري‌هاي بعدي تسهيل مي‌شوند. اين تحقيق توضيح مي‌دهد چگونه روشهاي احتمالاتي براي توصيف عدم قطعيت و ارزيابي ريسک به عنوان ابزار تحليلي جهت تصميم‌گيري استفاده شود.
1-3- طراحي مبتني بر ارزيابي ريسک8
همانطور که بيان شد همه طراحي‌هاي مهندسي با عدم قطعيت مواجه هستند. عدم قطعيت در مشخصات مواد، شرايط بهره‌برداري، مدل‌هاي مهندسي و مواردي از اين دست مشهود است. در واقع مهندسان ژئوتکنيک بدليل وجود اين عدم قطعيت‌ها ظرفيت طرح را بيشتر از مقدار مورد نياز پروژه درنظر مي‌گيرند. نسبت ظرفيت به نياز (ضريب اطمينان) معمولاً برحسب تجربه انتخاب مي‌شود. اين روش اشکالات اساسي دارد. براي مثال اين روش محافظه‌کارانه ميباشد. در نتيجه، ضريب اطمينان بيش از حد در طراحي ناشناخته است. گرچه محافظه‌کاري در تخمين مشخصات خاک و نيروها معقول به نظر مي‌رسد. بدليل تنوع عدم قطعيت‌ها، يک ضريب اطمينان ثابت در مسائل مختلف احتمال‌هاي خرابي مختلفي را در پي دارند.
طراحي مبتني بر ارزيابي ريسک مي‌تواند برخي از محدوديت‌هاي ضريب اطمينان قطعي را تحت پوشش قرار دهد. طراحي مبتني بر ارزيابي ريسک يعني تلاش براي کمي کردن عدم قطعيت‌هاي ذاتي يک مسئله مهندسي و چگونگي برخورد با آنها.
“طراحي مبتني بر ارزيابي ريسک” در مهندسي ژئوتکنيک به دو بخش آناليز داده و ساختار مدل تفکيک مي‌شود در بخش آناليز داده عدم قطعيت‌ها شناسايي شده و با استفاده از روابط آماري کمي مي‌شوند. در مرحله ساخت مدل، روابط رياضي جهت ارزيابي تأثير عدم قطعيت‌ها در محاسبات بکار گرفته مي‌شوند. از ديگر نتايج طراحي مبتني بر ريسک، کمي کردن مقدار اعتمادپذيري سازه ميباشد. اين مقدار “شاخص قابليت اطمينان9” ناميده مي‌شود.
1-4- مقايسه روشهاي سنتي و روشهاي احتمالاتي
آناليز پايدراي شيب‌ها بصورت سنتي برمبناي تعيين ضريب اطمينان ميباشد. متخصصين ژئوتکنيک براي ارزيابي پايداري شيب مناسب جهت توسعه به شدت به قضاوت‌هاي تجربي مانند مفهوم ضريب اطمينان جهت حصول اطمينان متکي هستند. ضريب اطمينان شيب‌ها بصورت نسبت ظرفيت برشي در سطح خرابي بحراني به تنش برشي وارد بر آن سطح تعريف مي‌گردد. به عبارت ديگر ضريب اطمينان نسبت مقاومتي را که بايد کاهش يابد تا شيب به نقطه خرابي حتمي برسد را اندازه‌گيري مي‌کند. اخيراً مشخص شده است که مقدار ضريب اطمينان لزوماً دليلي بر پيش‌بيني عملکرد خوب پايداري شيب نيست. يکي از محدوديت‌هاي استفاده از ضريب اطمينان نيز وجود عدم قطعيت‌ها در پارامترهاي مقاومتي خاک ميباشد. در صورتي که بتوان تغييرپذيري پارامترهاي ورودي آناليز پايداري از جمله چسبندگي، زاويه اصطکاک و وزن مخصوص خاک را در قالب چگالي احتمالاتي تعريف کرد، ضريب اطمينان شيب نيز از يک چگالي احتمالاتي پيروي خواهد کرد.
روشهاي جديدي در مورد ايمني سدها در دسترس هستند که ميتوانند مهندسان ژئوتکنيک را در کمي کردن عدم قطعيت‌هاي مؤثر در پايداري شيب‌ها ياري نمايند. در اين روشها از هر دو روش عددي و يا قضاوت‌هاي معقول براي کمي کردن عدم قطعيت‌ها يا ريسک‌هاي موجود در سيستمي مانند شيب استفاده شده و در قالب مرجعي با عنوان ارزيابي کمي ريسک10 (QRA) ارائه شده است.
1-5- هدف و دامنه تحقيق
در طراحي‌ها بايد تعادل بين ايمني و هزينه ساخت مدنظر گرفته شود. فقط در صورتي مي‌توان طراحي دقيق داشت که پيش‌بيني دقيقي از عملکرد آن داشته باشيم اما از آنجا که در واقعيت چنين دقت پيش‌بيني قابل دسترسي نيست، در نتيجه بايد يک حاشيه امنيت درنظر گرفته شود. اين حاشيه اطمينان اغلب در قالب افزايش ضريب اطمينان لحاظ مي‌گردد. افزايش ضريب اطمينان به معناي طراحي محافظه کارانه‌تر و هزينههاي بيشتر ميباشد. از اين‌روضريب اطمينان نمي‌تواند معيار ايده‌آلي براي پروژه‌هايي بادرجه اهميت بالا تلقي گرديد. چون ضريب اطمينان بصورت يک عدد دقيق بيان مي‌شود و هيچ‌گونه مسائل اجرائي و عدم قطعيت‌هاي موجود در خاک در آن لحاظ نمي‌گردند. ممکن است آناليزي با ضريب اطمينان بيشتر احتمال خرابي بيشتري نسبت به آناليز با ضريب اطمينان کمتر داشته باشد. همچنين ضريب اطمينان احتمال خرابي و پيامدهاي ناشي از آن را نمي‌تواند توجيه کند. با اين حال، منافع اقتصادي را مي‌توان با استفاده از روشهاي ريسک به عنوان پايه و اساسي براي طراحي بيان کرد چرا که اين روش حداقل بهينه‌سازي قسمتي از طراحي که به عدم قطعيت‌ها مربوط است را ميسر مي‌کند. طراحي بهينه برپايه حفظ تعادل بين ريسک و هزينه ميباشد. هرچند افزايش محافظه‌کاري کاهش احتمال عملکرد نامناسب سازه را در پي دارد. در عين حال هزينه ساخت را افزايش مي‌دهد. درجه‌اي از محافظه‌کاري که در آن افزايش هزينه ساخت و ساز کاهش ريسک چشم‌گيري در پي داشته باشد مي‌توان مقرون به صرفه باشد. در نتيجه ايجاد تعادل بين ريسك‌هاي موجود هزينه و منافع يكي از بحث‌هاي اساسي مديريت ريسک به حساب مي‌آيد. هدف اين تحقيق ارزيابي ريسک پروژه‌هاي گودبرداري جهت ايجاد تعادل بين ريسک‌هاي موجود، هزينه‌ها و منافع با بهره گيري از ارتباط بين احتمال خرابي و سطح عملکرد سازه ميباشد.
1-6- ساختار پايان نامه
اين تحقيق را مي‌توان به طور کلي به سه بخش روشهاي پايدارسازي و آناليز گود، مديريت منابع عدم قطعيت و روش هاي تحليل قابليت و ارزيابي ريسک تقسيم بندي کرد. در اين مطالعه ابتدا ادبيات فني مربوط به روشهاي ارزيابي ريسک مورد بررسي قرار مي‌گيرد. در مرحله بعد با معرفي روشهاي مختلف پايدارسازي گود و مقايسه آنها پرداخته شده است. و در نهايت با تعريف عدم قطعيت‌هاي موثر در پايدارسازي گود و همچنين فرآيندهاي موجود ارزيابي ريسک به بررسي نحوه انجام تحليل براي يك ريسك خاص يعني ريسك ناپايداري گودها پرداخته خواهد شد.
فصل دوم اين پايان نامه به مروري از ادبيات موضوعي پرداخته است. در اين فصل ابتدا روش هاي پايدارسازي معرفي شده است سپس روش هاي رايج آناليز پايداري گود به صورت مختصر بيان شده است.
در فصل سوم نيز مديريت منابع عدم قطعيت ها، روش هاي مبتني بر ريسک و روش هاي تحليل قابليت اطمينان مورد بحث و بررسي قرار گرفته است. در اين فصل پس از مرور روش هاي کمي کردن عدم قطعيت ها، مفاهيم مديريت ريسك در گود به صورت خلاصه بيان شده سپس به تشريح ويژگي‌ها و مفاهيم آناليز احتمالي پايداري شيرواني‌ها و تئوري محاسبات مربوطه از جمله روش شبيه‌سازي مونت كارلو11 كه در اين پايان نامه مورد استفاده قرار گرفته است پرداخته شده است.
فصل چهارم اين پايان نامه با ذکر مثالي به مطالعه آناليز احتمالاتي پايداري جداره گود مي‌پردازد. در اين فصل با توجه به مطالب ارائه شده در فصل‌هاي گذشته، آناليز احتمالاتي پايداري گود توسط نرم افزار SLOPE/W مورد بحث و بررسي قرار مي‌گيرد.
فصل پنجم اين پايان نامه به جمع بندي نهايي و ارائه پيشنهادهايي جهت ادامه تحقيقات براساس مطالعات صورت گرفته در اين پايان نامه مي پردازد.
فصل دوم
مروري بر ادبيات موضوعي
روشهاي تحليل و پايدارسازي گود
فصل دوم- مروري بر ادبيات موضوعي روش هاي تحليل و پايدارسازي گود
2-1- مقدمه
در سال‌هاي اخير با افزايش تراکم و تعداد طبقات و نياز به تأمين پارکينگ و ساير سطوح خدماتي در ساختمان‌ها، عمق گودبرداري نيز بيشتر شده است. بنابراين با افزايش عمق گودبرداري، خطرات ناپايداري و گسيختگي ديوارهاي گودبرداري به شدت افزايش مي‌يابد. گودبرداري12 عموماً به عملي اطلاق مي‌گردد که طي آن خاک يا سنگ به وسيله ماشين‌آلات يا مواد منفجره از محلي برداشته شده و به شکل رو باز، چاله و يا گودال درمي‌آورند. گود ايمن گودي است که به قدر کافي پايدار بوده و در معرض ريسک‌هاي غيرقابل قبول نباشد. برخلاف تصور برخي ها که فکر مي‌کنند به کارگيري تمهيدات ايمني لازم در گودبرداري هزينه و زمان بيهوده‌اي را به کار تحميل مي‌کند، گودبرداري اصولاً جزو کارهاي پيچيده و بسيار خطرناک مهندسي محسوب مي‌شود و به ويژه در گودهاي با عمق زيادتر نيازمند بررسي‌هاي همه جانبه، دقت و نظارت و در نهايت صرف وقت و هزينه قابل ملاحظه‌اي است تا جان و مال مردم از اين طريق به خطر نيافتد. با اين حال عدم آشنايي به اصول فني، سهل‌انگاري و يا سودجويي غيرمسئولانه منجر به ايجاد حادثه مي‌شود. گودهايي که در مجاورت بناهاي موجود ايجاد مي‌شوند نبايد به هيچ عنوان پايداري اين بناها را چه در مرحله اجرا و چه در مرحله بهره‌برداري دچار نقصان نمايند.
در اثر گودبرداري‌هاي عميق، ايمني عمومي به خطر افتاده و شاهد گسيختگي جداره‌هاي گودبرداري و بروز خسارت‌هاي مالي و جاني به کارگران، مجاورين، عابرين و همچنين محدوديت‌هاي ترددي در گذرهاي مجاور گود مي‌باشيم. بنابراين براي طراحي پايداري جداره‌هاي گودبرداري بايد اين اطمينان وجود داشته باشد که يک ضريب ايمني کافي براي مدت عمر سازه‌هاي پايدارکننده وجود دارد.
اجراي گودبرداري و بخصوص گودبرداري‌هاي عميق، تعادل خاک را بر هم زده و وضعيت تنش‌ها را در خاک تغيير مي دهد. همچنين در اثر عمليات گودبرداري تغيير شکل‌هايي در خاک بوجود مي‌آيد که موجب بهم خوردن انسجام خاک و يا گسيختگي خاک مي‌شود و يا موجب بهم خوردن تعادل و پايداري سازه مجاور گود مي‌شود. ضرورت‌ها‌يي که موجب انجام عمليات گودبرداري مي‌شوند عبارتند از: احداث زيرزمين، احداث پارکينگ، محدوديت‌هاي زمين در شهرها و قيمت‌هاي روزافزون زمين، احداث کانال، ايجاد ترانشه و…
تقسيم‌بندي گودها بر حسب عمق H به اين صورت مي باشد:
كم عمق H < 6m
عميق H > 6m
طراحي هر دو نوع گود مشابه بوده و بر اساس تئوري‌هاي مكانيك خاك و سازه انجام مي‌شود.
فشار جانبي وارد بر ديوار گود به علت وزن توده خاک مجاور و يا سربارهاي وارد بر آن است. اين سربار مي‌تواند بر اثر وزن ساختمان‌هاي مجاور و يا بهره‌برداري از معابر مجاور باشد. اگر نيروهاي وارده بر جداره گود از مقاومت خاک بيشتر باشند ديواره گود دچار ريزش خواهد شد. براي اطمينان از ايمني ترانشه ها در حين گودبرداري، اين پروژه ها بايد مورد ارزيابي و محاسبه قرار گيرند. و در صورتي که ضريب اطمينان کمتر از مقدار مورد انتظار باشد به منظور جلوگيري از ريزش ترانشه و تبعات منفي احتمالي ناشي از اين خاکبرداري، سازه‌هاي موقتي را براي مهار ترانشه اجرا مي‌کنند، که به آن سازه‌هاي نگهبان مي‌گويند. در ادامه ضمن معرفي سازه هاي نگهبان مورد استفاده جهت پايداري گود، به مرور برخي از روش هاي آناليز پايداري شيب نيز مي پردازيم.
2-2- روشهاي متعارف گودبرداري و حائل سازي
اگر پس از انجام محاسبات مشخص گرديد خاک به تنهايي نمي‌تواند در برابر فشارهاي جانبي مقاومت نمايد بايد با احداث سازه‌هاي نگهبان مناسب ديواره گود پايدار گردد. سازه‌هاي نگهبان، سازه‌هاي موقتي هستند که براي مهار ترانشه اجرا مي‌شوند.
اهداف اصلي ايمن‌سازي جداره گود با استفاده از سازه‌هاي نگهبان عبارتند از:
– حفظ جان انسان‌هاي داخل وخارج گود
– حفظ اموال داخل و خارج گود
– فراهم آوردن شرايط ايمن و مطمئن براي اجراي کار
روشهاي متعارف گودبرداري و حائل سازي عبارتند از:
1- گودبرداري شيب‌دار (شيرواني وار)
2- گودبرداري با جدار ميخ‌کوبي شده (Rock Bolt ، شاتکريت و…)
3- گودبرداري با استفاده از روش اصلاح خواص خاک (انجماد، تزريق و…)
4- گودبرداري با بکارگيري سازه‌هاي حائل
2-3- روشهاي پايدارسازي گود
همه ساله کشورهاي مختلف هزينههاي زيادي را صرف پايداري دامنهها مينمايند. بسته به شرايط هندسي دامنه، اندازه توده ناپايدار، خصوصيات مقاومتي خاک، موقعيت و محل دامنه و… روشهاي گوناگوني براي پايدارسازي شيرواني ها وجود دارد. هر يک از اين روشها با توجه به موقعيت و شرايط انجام پروژهها، ميتوانند در پايدارسازي مورد استفاد قرار گيرند. مهمترين فاکتور در انتخاب روش پايداري رسيدن به حداکثر پايداري با کمترين هزينه ميباشد و البته موقعيت و شرايط پروژه نيز از عوامل تعيين کننده در انتخاب روش پايدارسازي ميباشد.
روش مناسب گودبرداري با توجه به نوع خاک، سطح آب زيرزميني، عمق گود و موقعيت و شرايط مجاورين و الزامات قانوني ساختگاه و بخصوص انسان‌ها، هزينههاي پايدارسازي (هزينههاي اوليه، هزينههاي اجرايي، هزينههاي جمع‌آوري سازه موقت)، هزينههاي ناشي از خرابي (گسيختگي و يا تغيير شکل) و مشکلات و محدوديت‌هاي اجرايي انتخاب مي‌گردد.
روشهاي پايداري سازي گود همزمان با احساس نياز بشر براي ساخت و ساز در زير سطح زمين شكل گرفت كه ساده‌ترين آنها ايجاد شيب پايدار در سطح گودبرداري شده است. با گذشت زمان و ايجاد محدوديت‌هاي اساسي نظير كمبود فضا براي ايجاد شيب مناسب براي گود، مهندسين به فكر روشهاي مقابله با ريزش سطوح خاكبرداري شده قائم افتادند. روشهاي ابتدايي براي مقابله با ريزش كه هنوز هم مورد استفاده قرار مي‌گيرند نظير شمع، نگهدارنده‌هاي افقي و مايل، ديوار برلني و خرپا ابداع شده و با نوآوري‌هاي متفكرانه خاك مسلح و ميخ‌كوبي نيز به آنها اضافه گرديدند.
اهميت استفاده از اين روشها زماني بيشتر آشكار مي‌شود كه به نمونه‌هاي تخريب شده ساختمان‌ها و بناهاي جديد و قديم در مجاورت گودبرداري‌هاي غير اصولي توجه گردد. صدمات جاني و مالي فراوان كه به دنبال عدم رعايت اصول مهندسي در گودبرداري و نيز عدم استفاده از روش مناسب محافظت گود پديدار شده‌اند هيچ‌گاه قابل جبران نخواهد بود. بنابراين بررسي و شناسايي روشهاي متفاوت ايجاد سازه‌هاي نگهبان و بكارگيري اصولي اين روشها غير قابل اجتناب است. انواع روشهاي پايدارسازي گود عبارتند از:
1- مهارسازي (Anchorage)
2- دوخت به پشت (پين‌گذاري) (Tie back)
3- ديواره ديافراگمي (Diaphragm Wall)
4- مهار متقابل (Reciprocal Support)
5- اجراي شمع (Piling)
6- سپرکوبي (Sheet Piling)
7- اجراي خرپا (Truss construction)
8- روش ريز شمع (Micropile)
9- روش ميخ‌کوبي (Nailing)
همچنين روشهاي پايدارسازي جداره‌هاي گودبرداري را مي‌توان به دو دسته کلي زير نيز تقسيم‌بندي نمود:
الف- تامين پايداري از داخل گود
در گودبرداري‌هايي که به دلايل فني ويا حقوقي امکان ايجاد يک ديواره در جناحين ساختگاه بدون تامين تکيه‌گاه مناسب براي آن وجود ندارد و نمي‌توان انتظار داشت که ديواره خود ايستا باشد، پايدارسازي جداره گودبرداري از داخل خاستگاه اجتناب ناپذير ميباشد. روشهاي مهار روبرو، خرپا، ديافراگم و اجراي شمع درجا از روشهاي تامين پايداري از داخل گود مي‌باشند. در مواردي که محدود کردن تغيير شکل‌هاي افقي در جداره گودبرداري ضروري است، مناسب‌ترين روش براي گودبرداري‌هاي کم عرض، روش مهار روبرو و در ساير موارد روش خرپا و يا روشهاي تلفيقي ميباشد.
ب- تامين پايداري جداره گودبرداري از خارج گود
در مواردي که در محدوده مالکيت و يا کسب مجوز از مالکين املاک مجاور بتوان با ايجاد شيب و يا حفاري در جناحين خاستگاه پايداري جداره گودبرداري را تامين نمود روشهاي پايدارسازي جداره گودبرداري از خارج گود مد نظر قرار مي‌گيرد. روشهاي انکراژ، شمع و انکراژ، ديوار ديافراگم و انکراژ و ميخ‌کوبي روشهاي پايدارسازي جداره گودبرداري از خارج گود مي‌باشند.
در مواردي که محدوديت‌هاي براي اجراي کامل پايدارسازي جداره گود، با استفاده از يک روش وجود داشته باشد، مي‌توان با کمک گرفتن از روشهاي ديگر و به صورت تلفيقي پايداري مورد نظر را تامين نمود. شکل 2-1 برخي از روش هاي پايدارسازي جداره هاي گود را نشان مي دهد.
شکل 2-1- روشهاي پايدارسازي گود
2-3-1- عوامل مؤثر بر انتخاب روشهاي گودبرداري
روشهاي پايدارسازي ديوارهاي گود با توجه به شرايط و جنس خاک، عمق گودبرداري، ابعاد گود، سطح آب زيرزميني، موقعيت و نحوه قرارگيري محل گود، لرزه‌خيزي منطقه، نحوه کنترل و نظارت سازمآن‌هاي مسئول، پوشش‌هاي بيمه‌اي و از همه مهم‌تر تفکر و نگرش دست‌اندرکاران امر ساختمان به حقوق و سلامت ديگران و ريسک‌پذيري آنها انتخاب مي‌گردد.
انتخاب هريک از اين روشها يا ترکيبي از آنها، به پارامترهاي مختلفي بستگي دارد که از جمله مي‌توان موارد زير را برشمرد:
1- حجم کار
2- عمق گود
3- شرايط قرارگيري طرح: الف- داخل شهر يا خارج آن ب- شلوغي يا خلوتي محيط طرح
4- موقعيت اطراف طرح: الف- زمين باير و احتمال کاربري آن ب- معبر و عرض آن ج- ساختمان و تعداد طبقات آن
5- شيب زمين
6- ماشين‌آلات موجود
7- نيروي انساني موجود
8- قوانين و ضوابط اداري و فني
9- شرايط اقتصادي
2-4- علت‌هاي گسيختگي در گودبرداري‌هاي عميق
بطور کلي دلائل ريزش گودبرداري به صورت زير دسته بندي مي شود:
الف-گودبرداري باز
* کمبود مطالعات ژئوتكنيكي، انتخاب نامناسب پارامترهاي خاك و سنگ و شرايط آب زيرزميني
* بي‌توجهي طراح به اثر نشست بر ساختمان‌هاي مجاور
* عدم درك طراح و پيمانكار به اثرات هوازدگي و زمان، بر مقاومت برشي خاك
ب- گودبرداري با المان‌هاي سازه‌اي
* كمبود مطالعات ژئوتكنيكي، انتخاب نامناسب پارامترهاي مقاومتي خاك و سنگ و شرايط آب زير زميني
* كيفيت نامناسب جزئيات سازه‌اي
* نا‌هماهنگي بين طراح و پيمانكار
* نا‌آگاهي طراح از محدوديت‌هاي روشهاي خاص مهارگذاري، پايدارسازي از قبيل تزريق با فشار بالا و …..
* بي‌توجهي طراح به اثر تغيير شكل در سيستم‌هاي سازه‌اي نگه دارنده خاك و توده خاك
* تغيير بارگذاري از شرايط متعارف از قبيل نوسانات آب، درجه حرارت و بي‌توجهي پيمانكار به اثر اين عوامل
* تغيير شرايط ژئوتكنيكي خاك و سنگ و بي‌توجهي پيمانكار به اثر آن بر پايداري
* بارگذاري‌هاي غيرمتعارف موقتي بر سيستم‌هاي حائل خاك
* كيفيت پائين عوامل اجرايي در انجام فعاليت‌هاي جزئي
2-5- مقايسه هزينه اجراي سيستم‌هاي مختلف پايدارسازي گود
شکل (2-2) هزينه تمام شده اجراي ده سيستم مختلف به ازاي هر متر مربع پايدارسازي، که در سال 2001 در ايالات‌متحده اجرا شده است را نشان مي‌دهد. طي بررسي‌هاي به عمل آمده مشخص شد که سيستم نيلينگ مي‌تواند حدود 10 الي 30 درصد در کاهش هزينه‌ها موثر واقع شودSabatini) et al, 1997). البته بايد توجه گردد که براي مناطق و زمان‌هاي مختلف، ممکن است نتايج متفاوتي بدست آيد. از طرفي با توجه به محدوديت‌هاي محيط‌هاي شهري، سيستم‌هاي شماره 1 تا 5 اين شکل کارايي چندان زيادي در مناطق شهري ندارند.
شکل2-2- مقايسه هزينه اجراي سيستم هاي مختلف پايدارسازي گود
بسته به وجود يا عدم وجود آب‌هاي زيرزميني، روشهاي ارزان و قابل رقابت در محيط‌هاي شهري به دو دسته تقسيم مي‌شوند:
الف- با آب زيرزميني زياد
• اختلاط عمقي خاك
• ستون‌هاي تزريق با فشار بالا
• ديواره ديافراگم
• شمع‌هاي هم‌پوشان
ب- بدون آب زيرزمين و يا با آب كم و قابل زهكشي
• ميخ‌گذاري
• شمع مجزا با مهاري و پوشش داخلي
• بلوك با مهاري
2-6- روشهاي آناليز پايداري گودها
پايداري گودها يکي از مسائلي است که از زمان‌هاي گذشته مطرح بوده است. آناليز پايداري گودها معمولاً براي ارزيابي ايمني شيبهاي طبيعي، حفاري‌ها، خاكريزها، سدهاي خاكي، خاکبرداري‌ها و … انجام مي‌گيرد. همگام با پيشرفت روشهاي پايدارسازي گود در سال‌هاي اخير آناليز پايداري جداره گودها نيز پيشرفت‌هايي داشته و به مرور از انجام محاسبات دستي به راه حل‌هاي كامپيوتري و آناليزهاي احتمالاتي تغيير رويه داده اند. در ادامه روشهاي آناليز پايداري شيب مورد بررسي قرار گرفته اند.
2-6-1- روشهاي سنتي و مرسوم آناليز پايداري گودها
امروزه روشهاي زيادي براي ارزيابي ايمن بودن شيبهاي طبيعي، گودبرداري ها، خاكريزها، سد خاكي و … وجود دارد که مرسوم ترين آنها استفاده از معادلات تعادل نيرو و لنگر در محدوده گوه گسيختگي و همچنين کاربرد مفهوم ضريب اطمينان مي باشد. روش تعادل حدي مهم ترين روشي است که اساس کار آن حل معادلات تعادل نيرو و لنگر مي باشد. حل اين معادلات در برخي موارد بسيار پيچيده و زمانبر بود. همين پيچيدگي معادلات و زمانبر بودن محاسبات محققان را برآن داشت تا فرضيات و ساده سازي هايي جهت سهولت محاسبات در نظر گيرند. بدين ترتيب تفاوت در فرضيات باعث گرديد در طول سالها روشهاي تعادل حدّي بسياري براي آناليز پايداري شيب معرفي شوند. از جمله اين روشها مي توان به روش معمولي (فلنيوس، 1936)، روش اصلاح شده بيشاپ (1955)، روش جانبو (1968)، روش مورگنسترن-پرايس (1965) و روش اسپنسر (1967) اشاره کرد. چهارچوب كلي اين روشها با وجود تفاوت و اختلاف در روند تحليل و نتايج بدست آمده، يكسان بوده و مبناي نظري آنها استفاده از قطعه هاي عمودي برش خورده از سطح لغزش شيرواني مي باشد كه هر روش با توجه به فرضيه ها و اصول خود به تحليل پايداري قطعه ها بر اساس تعادل هاي گشتاور و نيرو و همچنين چگونگي تأثير نيروهاي افقي (برشي) و قائم در روند محاسبات مي پردازد. در روش حدي پايداري شيب به وسيله ي ضريب اطمينان اندازه گيري مي شود كه بصورت نسبت بين مقاومت برشي خاك به تنش برشي لازم جهت تعادل بيان مي شود.(Duncan 1996) در حال حاضر نيز مبناي نرم افزارهاي كامپيوتري مورد استفاده در آناليز پايداري شيب بر روشهاي تعادل حدّي استوار است. كه اغلب براي آناليز اوليه يا مقدماتي و تخمين سريع پايداري شيب بسيار مفيدند.
يکي از ساده سازي هاي صورت گرفته در آناليز پايداري شيرواني ها مربوط به شکل سطح لغزش مي باشد. معمولا شکل سطح لغزش به يکي از حالت هاي مسطح، مدور يا غير مدور در نظر گرفته مي شود. با توجه به اينکه در لحظه گسيختگي، مقاومت برشي در كل طول سطح لغزش بسيج مي شود بنابراين شکل سطح لغزش نيز قبل از شروع آناليز بايد انتخاب شود. فرآيند اين آناليز تا زماني كه سطح گسيختگي بحراني كه كمترين ضريب اطمينان را دارد ادامه مي يابد. مطالعات زيادي جهت بررسي صحت برخي از روشهاي تعادل حدي و همچنين پيدا كردن روشي براي يافتن سطح لغزش بحراني صورت گرفته است. تحقيقات نشان داده است كه در اکثر مواقع فرض مدور بودن سطح لغزش نتايجي بسيار نزديك به زماني است که سطح لغزش غير دايره اي در نظر گرفته شده باشد. با اين تفاوت که فرض دايره اي بودن در کاهش حجم محاسبات مربوط به ضريب اطمينان بسيار مفيد است در نتيجه سطح لغزش بحراني را در اغلب موارد مي‌توان دايره‌اي فرض نمود مگر اينكه لايه‌هاي زمين كه سطح لغزش را احاطه كرده‌اند به نحوي قرار گرفته باشند كه باعث ايجاد سطح لغزش غير دايره‌اي شوند (Duncan, 1996).
2-6-1-1- روش عمومي تعادل حدي
تعادل حدي عمومي، يك روش كلي است كه بيشتر فرضيات استفاده شده در روشهاي مختلف را داراست و مي تواند سطوح لغزش دايره اي و غير دايره اي را تحليل كند. اين روش چهارچوب و مبنايي براي ساير روش هاي موجود جهت تحليل پايداري شيرواني هاي خاكي مي باشد. در اين روش، سطح لغزش شيرواني با استفاده از برشهاي قائم به يك سري قطعات عمودي تقسيم شده و تعادل و پايداري هر قطعه بر اساس نيروي وزن و نيروهاي وارد بر قطعه ، اعم از نيروهاي بين قطعات و گشتاور آنها تأمين مي گردد. بنابراين مي توان اين روش را يك روش مبتني بر تعادل نيروها و گشتاور آنها دانست و بر اين اساس و با استفاده از نظريه ي اسپنسر، معادله هاي مجزاي ضريب اطمينان را از آن نتيجه گرفت.
در اين روش براي تعيين ضريب اطمينان بر اساس تعادل نيروها و گشتاور بترتيب از معادله هاي 2-1و 2-2 استفاده شده است:
2-1
2-2
در اين روابط چسبندگي مؤثر ذرات خاك ، زاويه اصطكاك مؤثر خاك ، u فشار آب حفره اي ،N نيروي قائم ،W وزن قطعه ،D بار خطي، ? شيب قطعه و ساير مجهولات نظير ? ، ? ،R،x،f،d نيز پارامترهاي هندسي هستند كه بر اساس نحوه ي برش هر قطعه از سطح لغزش شيرواني تعيين مي شوند.
همچنين نيروي قائم قطعه (N) درمعادلات2-1 و 2-2 ، بصورت زير تعريف شده است:
2-3 كه در آن R X وL X به ترتيب نيروهاي برشي وارد برسمت راست و چپ قطعه هستند.
در رابطه فوق هنگامي كه از N د رمعادله ي تعادل گشتاور استفاده شود، F برابر Fm و در صورتي كه از N در معادله ي تعادل نيروها استفاده شود، F در واقع fF خواهد بود.
در اين روش، استفاده از تأثير نيروهاي برشي درتحليل پايداري شيرواني در واقع برگرفته از روش مورگنسترن-پرايس است كه مدل آن بصورت ذيل بيان شده است:
X=E.?.f(x) 2-4
كه در آن X نيروي برشي وارد برقطعه، E نيروي قائم قطعه، ? درصد شيب نيروي برآيند در قطعه و (x)f نيز تابع نيروهاست كه مي تواند مقاديري در بازه ي بين 0 تا 1 را اختيار كند.
شكل 2-3 به درك بهتر مفهوم ? كمك مي كند.
شکل 2-3- نمودار تغييرات تابع نيرو در يك شيرواني خاكي
در شكل فوق، منحني بالاتر نشان دهنده ي تابع نيروي حالت تئوري و منحني پاييني نشان دهنده ي تابع نيروي واقعي است. نسبت بين اين دو منحني ? ناميده مي شود كه در نمودار فوق مقدار ? تقريبا برابر43/0 است.
2-6-1-2- روش فلنيوس يا معمولي
اين روش که از آن به عنوان روش سوئدي نيز ياد مي شود از اولين روش هايي است که براي محاسبه دستي ضريب اطمينان پايداري شيب ها معرفي شد. از آنجا که در اين روش همه نيروهاي داخلي ناديده گرفته شده، لذا محاسبات آن ساده تر است. در اين روش، ضريب اطمينان در غياب فشار آب حفره اي و با فرض دايره اي بودن سطح لغزش به صورت رابطه زير بيان مي شود:
2-5
که در آن: c چسبندگي، ? زاويه اصطکاک، ? طول افقي گوه، ? شيب گوه، N مولفه عمودي وزن، W وزن گوه مي باشد.
2-6-1-3- روش ساده شده ي بيشاپ
اين روش مبتني بر تعادل گشتاور بوده كه در آن تأثير نيروهاي قائم در تحليل پايداري قطعه لحاظ شده است ولي از ثأثير نيروهاي افقي(برشي) در تحليل پايداري صرف نظر شده است. در اين روش، مدل توصيف شده بر خلاف مدل هاي عادي، داراي مجهول تكراري مي باشد. مدلي كه براي تعيين ضريب اطمينان با استفاده از روش فوق مورد استفاده قرار گرفته، در
قیمت: تومان