زمین‌شناسی مهندسی و پایداری سازه‌ها

زمین‌شناسی مهندسی و سازه‌ها

زمین‌شناسیِ مهندسی رفتار و ویژگیِ موادِ زمین (سنگ و خاک) را از نظرِ مقاومت در برابرِ تنش و امکانِ ساختِ سازه بررسی می‌کند. هدفش شناساییِ مناطقِ مناسب برای سد، تونل، جاده، پل و ساختمان و پیشگیری از خسارت به آن‌هاست. زمین‌شناس دو وظیفهٔ اصلی دارد: تشخیصِ احتمالِ فرایندهای مخرب (زمین‌لغزش، نشستِ زمین، نشتِ آب) و ارائهٔ روش‌های مقابله با آن‌ها.

مکان‌یابیِ سازه‌ها

سازه به همهٔ ساختمان‌ها، نیروگاه‌ها، برج‌ها، سدها و پل‌ها گفته می‌شود. پیش از هر پروژهٔ عمرانی مطالعهٔ سنگِ بستر ضروری است و این موارد بررسی می‌شود:

دربارهٔ سد، وزنِ خودِ سد (گاهی چند میلیون تن) همراه با فشارِ آبِ پشتِ آن به لایه‌های زیرین، تکیه‌گاه و بدنه تنش وارد می‌کند؛ پس سنگِ پی باید مقاوم باشد تا خردشدگی و نشست پیش نیاید. دربارهٔ پل دو شرط مهم است: مقاومتِ خوبِ لایه‌های دو طرفِ دره، و نزدیک‌بودنِ دو دامنه — چون هرچه دورتر باشند، طول و هزینهٔ پل بیشتر می‌شود.

دره‌های Uشکل و Vشکل

دره‌ها بر اساسِ مورفولوژی سه دسته‌اند: Vشکل، Uشکل و ترکیبی از این دو. معیارِ جداکننده، نسبتِ عرضِ دره به عمقِ آن است.

چرا پل در درهٔ Uشکل ارزان‌تر تمام می‌شود؟ دهانهٔ دره باریک‌تر است و پلِ کوتاه‌تری می‌خواهد، و دیواره‌های مقاوم‌ترش اجازه می‌دهند پایه‌ها به‌جای کفِ دره به دیواره تکیه کنند؛ پس ارتفاعِ پل بیشتر ولی هزینه‌اش کمتر است.

تنش و رفتارِ مواد

وقتی نیرویی از بیرون به سنگ وارد می‌شود، درونِ آن نیرویی بر واحدِ سطح پدید می‌آید که با نیروی خارجی مقابله می‌کند؛ نامش تنش است:

که در آن $\sigma$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تنش (نیوتن بر مترمربع)، $F$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نیرو و $A$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سطح است. هرچه نیرو بر یک سطح بیشتر باشد، تنش هم بیشتر است.

مقاومتِ سنگ یعنی بیشترین تنشی که سنگ بدون شکستن تحمل می‌کند. هرچه کمتر باشد، سطوحِ شکستِ بیشتری ایجاد می‌شود و همین درزه‌ها خاکِ پیِ سازه را ناپایدار می‌کنند. واکنشِ سنگ به تنش به فشار، دما، زمان، آب و محلول‌ها بستگی دارد.

مقاومتِ انواعِ سنگ فرق دارد و همین تعیین می‌کند چه سنگی برای پی و تکیه‌گاه مناسب است: سنگ‌های آذرین (مانند گابرو، که پیِ سدِ امیرکبیر از آن است) و دگرگونیِ سنگینه (کوارتزیت، هورنفلس) مقاومتِ زیادی دارند و بهترین تکیه‌گاهِ سازه‌های سنگین‌اند؛ رسوبیِ معمولی مانند ماسه‌سنگ مقاومتِ متوسط و کافی دارد؛ اما شیست و شیل به‌دلیلِ تورق و سستی و سنگ‌های تبخیری (گچ و نمک) به‌دلیلِ انحلال‌پذیری، برای پی مناسب نیستند.

نفوذپذیری و کارستی‌شدن

نفوذپذیری یعنی توانایی عبورِ آب از سنگ یا خاک، و یکی دیگر از عوامل مؤثر بر مکان‌یابی است. سنگ‌های کربناتی بیش از ۵۰٪ ترکیبشان کانی‌های کربناتی (کلسیت یا دولومیت) است؛ رایج‌ترینشان سنگِ آهک. با گذرِ زمان و جریانِ آب بخش‌هایی از آن‌ها حل می‌شود و حفره می‌سازد؛ اگر انحلال ادامه یابد حفره‌های بزرگ‌تری به نامِ غار پدید می‌آید. به این پدیده کارستی‌شدن می‌گویند.

سه شرط باید هم‌زمان برقرار باشد تا سنگی کارستی شود: قابلیتِ انحلالِ سنگ، وجودِ شکستگی و درزه در آن، و وجودِ جریانِ آبِ زیرزمینی. نبودِ هرکدام، کارستی‌شدن را متوقف می‌کند.

سنگِ آهکِ ضخیم‌لایه و بدونِ حفرهٔ انحلالی تکیه‌گاه و پیِ خوبی است، ولی آهکِ کارستی‌شده به‌دلیلِ خطرِ فرارِ آب و نشستِ زمین مناسب نیست. دقت کن که انحلال‌پذیریِ سنگ‌های تبخیری (گچ و نمک) از آهک بیشتر است و سریع‌تر کارستی می‌شوند؛ اما چون آهک بسیار رایج‌تر است، بیشترِ پدیده‌های کارستی روی آهک دیده می‌شود.

حفره‌دار بودن همیشه بد نیست: سنگ‌های آهکیِ حفره‌دار (ریفِ مرجانی) به‌دلیلِ تخلخل و نفوذپذیریِ زیاد مخزنِ مناسبی برای نفت‌اند. اما همان ویژگی می‌تواند پروژه‌ای را شکست دهد: سدِ لار سال‌ها پس از احداث دچارِ نشتِ جدیِ آب شد، چون پیِ آن روی آهکِ کارستی‌شده ساخته شده بود.

مکانِ مناسب برای ساختِ سد

سد با اهدافِ ذخیرهٔ آب، مهارِ سیلاب، تأمینِ آبِ شرب و کشاورزی و تولیدِ برق ساخته می‌شود، گاهی چند هدف هم‌زمان.

مقاومت و یکپارچگیِ سنگ‌های تکیه‌گاه دقیقاً به‌اندازهٔ خودِ پی اهمیت دارد. در مطالعاتِ محلِ احداث دو موضوع مهم‌ترند: پایداریِ مخزن، تکیه‌گاه‌ها و پی، و فرارِ آب. شرایطِ ایده‌آل:

• دیواره‌ها و کفِ مخزن نفوذناپذیر باشند یا نفوذپذیریِ بسیار کمی داشته باشند.
• زمینِ پی فشارِ آبِ مخزن و وزنِ سد را بدونِ نشست و ترکِ زیاد تحمل کند.
• سطحِ ترازِ آب‌های زیرزمینیِ اطراف بالاتر از سطحِ آبِ مخزن باشد تا آب به آن سو نرود.
• شیب و امتدادِ چین‌خوردگیِ لایه‌های اطرافِ مخزن مناسب باشد.

وجودِ سنگ‌های تبخیری مانند لایه‌های نمکی در محدودهٔ دریاچهٔ سد، کیفیتِ آبِ مخزن را نامطلوب می‌کند.

سدها از نظرِ مصالح دو نوع‌اند: خاکی (خاکِ رس، ماسه، شن، قلوه‌سنگ) و بتنی (سیمان، ماسه، شن، میلگرد)؛ شن و ماسه تنها موادِ مشترکِ هر دو نوع‌اند. در سدِ خاکی هستهٔ رسی به‌دلیلِ ریزیِ ذرات و نفوذپذیریِ بسیار کم مثلِ عایقِ رطوبتی آب را پشتِ سد نگه می‌دارد؛ دو طرفش خاکریزِ نفوذپذیر و بالایش لایه‌ای نفوذناپذیر قرار می‌گیرد و میانِ این دو یک زهکش آبِ نفوذکرده را از بدنه خارج می‌کند. رسوب‌گذاریِ رودخانه‌ای هم ظرفیتِ مخزن را کم می‌کند و با لایروبی برطرف می‌شود.

امتداد و شیبِ لایه

لایه‌های رسوبی در ابتدا افقی‌اند، ولی نیروهای زمین‌ساختی آن‌ها را کج یا خم می‌کنند. برای توصیفِ دقیقِ موقعیتِ فضاییِ یک لایه دو کمیت لازم است:

• امتداد: فصلِ مشترکِ یک صفحهٔ افقیِ فرضی با سطحِ لایه؛ یعنی خطِ برخوردِ سطحِ لایه با افق. امتداد همیشه با یک جهتِ جغرافیایی بیان می‌شود (نسبت به شمال یا جنوب، با انحرافی به شرق یا غرب).
• شیب: زاویه‌ای که سطحِ لایه با سطحِ افق می‌سازد، از صفر (کاملاً افقی) تا ۹۰ درجه (کاملاً قائم).

جهتِ شیب همیشه عمود بر امتداد است؛ پس با دانستنِ امتداد، جهتِ شیب به دو حالتِ ممکن محدود می‌شود. تلهٔ پرتکرار هم همین‌جاست: زاویهٔ شیب همیشه باید از سطحِ افق اندازه گرفته شود، نه از راستای قائم.

برای نوشتنِ موقعیتِ لایه از علائمِ جهت استفاده می‌شود: شمال N، جنوب S، شرق E، غرب W. اگر امتداد از شمال ۳۰ درجه به غرب منحرف شده باشد می‌نویسیم N30°W، و اگر شیبش ۴۰ درجه رو به جنوبِ غربی باشد 40°SW؛ زاویهٔ امتداد را نسبت به شمال یا جنوب می‌نویسیم، هرکدام که کوچک‌تر باشد. برای خواندنِ موقعیت از روی شکل: صفحهٔ افقیِ فرضی را پیدا کن، خطِ برخوردش با سطحِ لایه را رسم کن (همان امتداد) و جهتش را نسبت به شمالِ شکل بخوان، سپس عمود بر آن ببین لایه با چه زاویه‌ای نسبت به افق پایین می‌رود. در طاقدیس و ناودیس، دو پهلوی چین شیب‌هایی رو به دو جهتِ مخالف دارند اما امتدادشان ممکن است یکسان باشد؛ پس هر پهلو را جداگانه بخوان.

رابطهٔ امتداد و شیبِ لایه با محورِ سد

مسیرِ نشتِ آب در پیِ سد از بالادست به پایین‌دست است، یعنی تقریباً عمود بر محورِ سد. بر همین اساس چهار حالت داریم:

برای تشخیصِ ج از د کافی است ناودیس را از تاقدیس جدا کنی: در ناودیس دو پهلو به سمتِ داخل شیب دارند و لایه‌های جوان‌تر در مرکزند؛ در تاقدیس برعکس.

گمانه، مغزه و ترانشه

گمانه چاهِ باریک و عمیقی است که در محلِ احداث حفر می‌شود تا مغزه (نمونه‌های استوانه‌ایِ سنگ یا خاک) از آن به دست بیاید؛ مغزه‌ها به آزمایشگاهِ مکانیکِ خاک و سنگ می‌روند. ترانشه فرورفتگیِ طبیعی یا مصنوعیِ کم‌عمقی است که پهنایش از ژرفایش بیشتر است و برای انتقالِ آب، جاده‌سازی و لولهٔ نفت ساخته می‌شود. خلاصه: هدفِ گمانه رسیدن به عمق برای شناختِ لایه‌هاست و هدفِ ترانشه بازکردنِ مسیری کم‌عمق برای عبورِ چیزی.

سرِ متهٔ حفاری از الماس ساخته می‌شود، چون سختیِ بی‌نظیرش سخت‌ترین سنگ‌ها را خرد می‌کند. مسیرِ حرکتِ مته رو به پایین و مسیرِ خروجِ گِل و خاکِ حفاری رو به بالا است.

تونل و فضاهای زیرزمینی

تونل راهرویی لوله‌مانند برای عبور از موانعی مانند کوه و دریاست و در حمل‌ونقل، راه‌آهن، انتقالِ آب و فاضلاب و استخراجِ معدن کاربرد دارد. مغار فضای زیرزمینیِ بزرگ‌تر از تونل است، برای نیروگاه‌های زیرزمینی، ایستگاه‌های مترو و ذخیرهٔ نفت.

سنگِ منطقه باید مقاومتِ کافی داشته باشد، پس مناطقی با کمترین خردشدگی، هوازدگی و نشتِ آب انتخاب می‌شوند. سه عاملِ اصلی: جنسِ سنگ‌ها و پایداریِ خاک، شیبِ لایه‌ها و لایه‌بندی، و سطحِ ایستابی. تونل‌های بالاتر از سطحِ ایستابی پایدارترند؛ زیرِ آن به‌دلیلِ منطقهٔ اشباع همیشه جریانِ دائمیِ آب هست که می‌تواند سازه را ناپایدار کند. بزرگ‌ترین مشکلِ تونل‌سازی هم همین برخورد با آبِ زیرزمینی است؛ اگر سنگ مناسب نباشد، دیواره و سقف را با بتن می‌پوشانند.

اصولی‌ترین روش، حفرِ تونل عمود بر امتدادِ لایه‌بندی است: هر لایه‌ای که تونل از آن می‌گذرد مثلِ تیری عرضی به سقف استحکام می‌دهد و اگر لایه‌ای ضعیف باشد، طولِ برخورد با آن کوتاه است. اما اگر محور موازیِ لایه‌بندی باشد، تونل مسافتِ طولانی‌تری در همان یک لایه پیش می‌رود و ضعفِ آن در طولِ زیادی تکرار می‌شود.

این دقیقاً برعکسِ قاعدهٔ سد است: در سد معیار «فرارِ آب» است و امتدادِ موازی با محور مطلوب‌تر؛ در تونل معیار «ریزش و استحکامِ سقف» است و محورِ عمود بر لایه‌بندی پایدارتر.

سازه‌های دریایی

اسکله‌ها، پایانه‌های نفتی، تونل‌های زیردریایی و پل‌های دریایی سازه‌های دریایی‌اند. در مکان‌یابیِ آن‌ها علاوه بر مطالعاتِ معمولِ سنگِ بستر، دو عاملِ اضافی هم بررسی می‌شود: جریان‌های دریایی و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیاییِ آبِ دریا. نمونهٔ شناخته‌شدهٔ تونلِ زیردریایی کانالِ مانش است، با طولی بیش از ۵۰ کیلومتر، که فرانسه را به انگلستان وصل می‌کند.

پایداریِ سازه‌ها

ایران در یکی از کمربندهای لرزه‌خیزِ جهان است و گسل‌های فعالِ زیادی دارد که خطرِ مهمی برای سازه‌هایند. زمین‌شناسان برای شناساییِ گسل‌ها و بررسیِ احتمالِ فعالیتِ دوباره‌شان چهار ابزار دارند: عکس‌های هوایی و ماهواره‌ای، بازدیدهای صحرایی، داده‌های لرزه‌نگاری، و اطلاعاتِ تاریخیِ زمین‌لرزه‌ها.

حرکاتِ دامنه‌ای یعنی حرکتِ توده‌های سنگ و خاک در نواحیِ پرشیب، در جهتِ شیبِ زمین و زیرِ اثرِ گرانش:

تفاوتِ اصلیِ لغزش و ریزش در همین «سطحِ مشخص» است: در لغزش توده روی سطحی معین می‌لغزد، در ریزش قطعات آزادانه سقوط می‌کنند.

روش‌های پایدارسازیِ دامنه: دیوارِ حائل به‌عنوانِ تکیه‌گاه یا مانعِ ریزش؛ دیوارِ حائلِ گابیونی (تورِ سنگی) که کاربردِ اصلی‌اش جلوگیری از ریزش و لغزشِ دامنه‌های خاکی و مهارِ خاک است (و به‌عنوان موج‌شکن هم به کار می‌رود)؛ زهکشی؛ پوششِ گیاهی برای تثبیتِ خاک با ریشه؛ و میخ‌کوبی با میله‌های فولادی با زاویهٔ ۱۰ تا ۲۰ درجه نسبت به افق که ظرفیتِ کششیِ خاک را بالا می‌برد.

پوششِ گیاهی هم اثرِ مثبت دارد و هم منفی. مثبت: حفاظت از خاک در برابرِ باد و باران، اتصالِ ذره‌های خاک با ریشه و افزایشِ مقاومتِ آن، و کاهشِ رطوبت. منفی: افزایشِ نفوذپذیریِ خاک از راهِ ریشه، رشدِ ریشه در درزها و عمیق‌ترشدنشان، افزایشِ وزنِ دامنه، و هدایتِ آب به داخلِ خاک که خطرِ لغزش را بالا می‌برد.

خاک و مصالحِ ساختمانی

خاک را از دو زاویهٔ متفاوت طبقه‌بندی می‌کنند و این دو را نباید قاطی کرد. در طبقه‌بندیِ مهندسی دو گروه داریم: ریزدانه (کوچک‌تر از ۰٫۰۷۵ میلی‌متر: رس و لای) و درشت‌دانه (بزرگ‌تر از آن: ماسه و شن)؛ مبنایش فقط اندازه نیست، بلکه شکل، اندازه و آرایشِ دانه‌ها به‌همراهِ درجهٔ خمیری‌بودن است. اما در طبقه‌بندیِ خاک‌شناسیِ کشاورزی سه گروه هست: رس (ریزدانه)، لای (متوسط‌دانه) و ماسه (درشت‌دانه). پس «لای» در نظامِ مهندسی زیرمجموعهٔ ریزدانه است ولی در نظامِ کشاورزی ردهٔ میانیِ مستقل.

خاکِ ریزدانه پایداریِ وابسته به رطوبت دارد: رطوبتِ کم آن را سفت و پایدار می‌کند، رطوبتِ زیاد خمیری و لغزنده، و رطوبتِ خیلی زیاد روان و مستعدِ جریانِ گِلی؛ خاکِ درشت‌دانه چنین وابستگی‌ای ندارد. به همین دلیل زمین‌لغزش بیشتر در ماه‌های مرطوبِ سال رخ می‌دهد.

دربارهٔ رس یک ظرافت هست: «ریزدانه» فقط یک حدِ اندازه‌ای است، اما «رس» تعریفِ کانی‌شناسی هم دارد و نوعی کانیِ سیلیکاتیِ مشخص است. ضمناً رس بی‌تخلخل نیست؛ برعکس، تخلخلِ نسبتاً زیادی دارد، ولی چون ذراتش بسیار ریزند نفوذپذیری‌اش بسیار کم است. تخلخل یعنی «چقدر فضای خالی دارد» و نفوذپذیری یعنی «آب چقدر راحت عبور می‌کند» — و همین نفوذپذیریِ کم (نه نبودِ تخلخل) دلیلِ استفاده از رس در هستهٔ سدهای خاکی است. مصالحِ هر سازه هم باید سه ویژگی داشته باشند: مقاومت، نفوذپذیری و اندازهٔ دانه‌های مشخص.

لایه‌های جاده از پایین به بالا: بسترِ طبیعیِ خاک، بسترِ خاکِ کوبیده‌شده، موادِ پرکننده، زیراساس (شن، ماسه و زهکش)، اساس (شن و ماسه)، آستر (آسفالت) و رویهٔ آسفالتی (شن + ماسه + قیر).

بالاست لایه‌ای از مصالحِ سنگیِ شکسته با دانه‌بندیِ ۲۰ تا ۶۰ میلی‌متر است که زیرِ ریل‌های راه‌آهن ریخته می‌شود و سه نقش دارد: نگه‌داریِ ریل‌ها، توزیعِ بارِ چرخ‌ها، و زهکشیِ آب‌های سطحی. بالاست فقط زیرِ خطوطِ راه‌آهن به کار می‌رود، نه در زیرسازیِ جاده؛ و دانه‌بندی‌اش را با آستانهٔ ریزدانه/درشت‌دانه (۰٫۰۷۵ میلی‌متر) اشتباه نگیر.