تم تحقيق استقرار المنحدر باستخدام شبكة سلكية فولاذية عالية القوة

تُستخدم أنظمة تثبيت المنحدرات المرنة المكونة من شبكات الأسلاك الفولاذية والمسامير (العوارض) على نطاق واسع في التطبيقات العملية لتثبيت المنحدرات الصخرية والترابية. وتعد هذه الأنظمة حلولاً اقتصادية وبدائل فعالة للإجراءات التقليدية مثل الجدران الخرسانية الصلبة وهياكل الدعم الضخمة. وبالإضافة إلى شبكات الأسلاك الفولاذية التقليدية، تتوفر الآن في الأسواق أسلاك عالية المقاومة، يمكنها تحمل قوى كبيرة جداً ونقلها إلى المسامير. وقد تم تطوير مفاهيم مختلفة لتحديد أبعاد أنظمة تثبيت المنحدرات المرنة في التربة شبه المتجانسة، والأسطح الصخرية المتحللة، والأسطح الصخرية المتشققة والطبقية في المنحدرات الحادة؛ حيث يتم تحديد عدم الاستقرار في الحالة الأخيرة وفقاً لأسطح الشقوق والطبقات. تتناول هذه الورقة البحثية مكونات نظام تثبيت المنحدرات المصنوع من الشبكات عالية المقاومة، ومفهوم تحديد الأبعاد، ومقاومة النظام للتحمل، وعملية التشجير (الغطاء النباتي).

1. مقدمة

أثبتت أنظمة تثبيت المنحدرات المرنة كفاءتها في العديد من المناطق حول العالم، بما في ذلك أوروبا وآسيا وأمريكا الشمالية وفي المناخات الباردة حيث تتعرض الأسطح المثبتة لدورات التجمد والذوبان. وتاريخياً، كانت شبكات الأسلاك الفولاذية المستخدمة لهذه الأغراض تُصنع من أسلاك فولاذية ناعمة بقوة شد تتراوح بين 400 إلى 500 نيوتن/مم2.

الشكل 1 - شبكة سلكية فولاذية عالية المقاومة لتثبيت المنحدرات (يسار) ولوحة مسننة خاصة تساعد على تطبيق الشد من خلال ضغط الشبكة على سطح المنحدر (يمين)

إن تطوير الشبكات المصنوعة من أسلاك بقوة شد لا تقل عن 1770 نيوتن/مم2 قد فتح آفاقاً جديدة للتثبيت الفعال والاقتصادي للمنحدرات (الشكل 1). وتساعد مفاهيم تحديد الأبعاد المتقدمة في تصميم مثل هذه الأنظمة لمواجهة عدم الاستقرار السطحي مع مراعاة استاتيكا التربة والصخور.
 

2. الفولاذ عالي المقاومة لتثبيت الأسطح الصخرية والترابية

تتوفر في الأسواق الشبكة السلكية الفولاذية عالية المقاومة المصنوعة من سلك فولاذي بقوة شد لا تقل عن 1770 نيوتن/مم2 تحت الاسم التجاري TECCO®. وهي مصنوعة بشكل قياسي من أسلاك فولاذية بقطر 3 مم مع حماية من التآكل بطلاء الألومنيوم والزنك. يتم إنتاج عيون الشبكة ذات الشكل المعيني (أو متوازي الأضلاع) بأبعاد 83 مم × 143 مم بجدلة واحدة. توفر الشبكة الفولاذية قوة شد تصل إلى 150 كيلو نيوتن/م، ويمثل هذا القيمة الحد الأدنى المضمون للحمل أو سعة التحمل. وتلتصق الشبكة بالمنحدر بهيكلها ثلاثي الأبعاد وتساعد أيضاً في تشجير المنحدر. وبفضل هذه القوة العالية، يمكن تحمل أحمال أكبر بكثير مقارنة بالشبكات التقليدية ذات أقطار الأسلاك المماثلة التي تبلغ قوة شدها الطولية حوالي 45-50 كيلو نيوتن/م. 

الشكل 2 - الملف العام لتنسيق المسامير (يسار) وتركيب المسامير بنمط متدرج (شطرنجي) – مشروع دونغتشون، كوريا (يمين).

تساعد اللوحات المسننة الخاصة ذات الشكل الماسي، والمصممة لتناسب الشبكة، على تثبيت الشبكة في التربة أو الصخور. يتم التثبيت من خلال تطبيق الشد على المسمار والضغط الخفيف للوحة المسننة على الأرض إن أمكن، بحيث تتبع الشبكة شكل السطح وتكون مشدودة قدر الإمكان. في هذا النظام، يتم وضع صفوف المسامير بشكل متدرج (شطرنجي) بمسافة تعادل نصف المسافة بينها. هذا يقلل من احتمالية بروز الكتل بين المسامير، وتكون المسافة العرضية بين المسامير "a" والمسافة الطولية "2 × b" (الشكل 2، يسار). ويظهر التوزيع المتدرج في الشكل 2 (يمين) من خلال صورة لمشروع دونغتشون في كوريا.

3. مفهوم تحديد الأبعاد للصخور المتحللة والتربة

يساعد برنامج RUVOLUM® في حساب أقطار المسامير وفترات التباعد وتوزيعها، بافتراض أن الشبكة المستخدمة مصنوعة من أسلاك عالية المقاومة. ويمكن تطبيق البرنامج من حيث المبدأ على جميع أنظمة تثبيت المنحدرات التي تسمح بمسافات مرنة للمسامير أفقياً وباتجاه المنحدر. يبحث هذا النهج في كل من حالات عدم الاستقرار السطحي الموازي للمنحدر وعدم الاستقرار الإقليمي بين كل مسمار والآخر. يظهر هذا في الشكل 3، ومع أنه تم إهمال ضغط الماء الزائد وقوى الزلازل للتبسيط هنا، إلا أن المبادئ تظل ثابتة.

3.1 دراسة حالات عدم الاستقرار السطحي الموازي للمنحدر

في حالات عدم الاستقرار السطحي الموازي للمنحدر، يتمثل البحث الأول في الطبقة العلوية التي تشكل تهديداً بالانزلاق فوق طبقة التربة السفلية الصلبة. ويهدف التسمير إلى تثبيت الطبقة العلوية غير المستقرة ككتلة واحدة. هنا، يتم ربط حجم بعرض (a) وطول (b) وسماكة (t) بكل مسمار مع معامل أمان معين. 

الشكل 3 - يعتمد مفهوم تحديد الأبعاد على دراسة عدم الاستقرار السطحي الموازي للمنحدر (يسارًا، عادةً أقل من 2 متر) ودراسة عدم الاستقرار الإقليمي بين المسامير (يمينًا).

يوضح الشكل 4 (يسار) القوى المؤثرة على الكتلة والتي قد تؤدي إلى بروزها أو انفصالها. تمثل القوة G الوزن الذاتي للقطعة. ويصف التعبير c’ x A تأثير التماسك في احتجاز سطح الانزلاق عند زاوية ميل α بالنسبة للمستوى الأفقي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن من خلال هذا التعبير حساب تأثير التشابك بين الطبقة السطحية والطبقة الصلبة. القوة V هي القوة الناتجة عن شد الشبكة باتجاه سطح المنحدر بواسطة المسمار. عند شد الصامولة، يتم ضغط اللوحة المسننة والشبكة نحو الأرض. وتمثل القيمة S قوة القص التي يتحملها المسمار وينقلها إلى الأرض الصلبة. تؤدي ردود الفعل N و T من طبقة الأرض السفلية دوراً في استقرار الكتلة.

الشكل 4 - القوى المؤثرة على القطعة (يسار) والتوزيع المتدرج العام للمسامير (يمين)
 

يمكن تحديد قوة القص S باستخدام معادلات التوازن، والمعايير الجيوتقنية والهندسية (Mohr-Coulomb)، وقوة الشد المسبق V، ومعامل تصحيح عدم اليقين في النموذج γmod. يستخدم برنامج RUVOLUM مفاهيم معاملات الأمان الجزئية المنشورة في EUROCODE 7.

عند دراسة عدم الاستقرار السطحي الموازي للمنحدر، يجب التحقق من الحالات الثلاث التالية:
• مقاومة الطبقة السطحية للانزلاق.
• مقاومة الشبكة الفولاذية للاختراق (الخرق).
• مقاومة المسمار للقص والشد.

3.2 دراسة حالات عدم الاستقرار الإقليمي بين المسامير

البحث الثاني هو فحص محاولة الكتلة الموجودة بين المسامير للانفصال محلياً كما هو موضح في الشكل 5. هنا، يُسمى وزن الإسفين النشط GI والإسفين الخامل GII. يجب تصميم نظام تثبيت السطح بحيث يتم حجز جميع الكتل التي تحاول الانفصال، وامتصاص الأحمال الناتجة ونقلها عبر اللوحات المسننة إلى المسامير ومن ثم إلى الأرض المستقرة. لكل مسمار منطقة بعرض (a) وطول (2b) يجب تأمينها ضد عدم الاستقرار الإقليمي. تتأثر مساحة المقطع العرضي للإسفين المعرض للانفصال بطريقة الحماية الحالية. يتم شد الشبكة بقوة V نحو رأس المسمار، مما يؤدي إلى تثبيت المنطقة السطحية المحيطة بالمسمار. تأخذ طريقة الحساب هذه الظاهرة في الاعتبار.

الشكل 5 - عدم الاستقرار الإقليمي بين المسامير (يسار) ومقطع عرضي للكتلة المحتمل انفصالها بسماكة t؛ مخاريط الضغط المثبتة بنشاط
 

يتم تحديد القوة القصوى P المؤثرة في اتجاه المسمار بناءً على اختلافات ميل سطح الانزلاق β والسماكة t. وعند فحص عدم الاستقرار المحلي بين المسامير، يجب مراعاة الضوابط التالية:
• التحقق من عدم تمزق الشبكة عند الجزء العلوي من اللوحة المسننة.
• التحقق من قدرة الشبكة على نقل القوة Z الموازية للمنحدر إلى المسمار العلوي.
 

4. فحص الاستقرار العام: بالإضافة إلى فحص عدم الاستقرار القريب من السطح باستخدام طريقة RUVOLUM®، يجب أيضاً فحص أسطح الانزلاق العميقة وحالات الاستقرار العام بالنسبة للأرض الرئيسية السفلية. تُجرى الحسابات ذات الصلة وفقاً لطرق تحليل الاستقرار التقليدية مع مراعاة أسطح الانزلاق في التربة أو الصخور أو الطبقات المتشققة.
 

5. اختبارات لتحديد قوة تحمل النظام

من أجل استخدام المعادلات المذكورة أعلاه في التصميم، يجب معرفة سعة تحمل الأحمال أو مقاومة الشبكة السلكية في الحالات التالية:

• ZR: مقاومة الشبكة السلكية الفولاذية لجهد الشد الموازي للمنحدر المختبر.
• DR: مقاومة الشبكة السلكية للاختراق في اتجاه المسمار.
• PR: مقاومة الشبكة للقص الناتج عن تأثير الكتلة التي تحاول الانفصال عند حواف اللوحات المسننة. 

تم تحديد مقاومة التحمل للشبكة عالية المقاومة باستخدام أدوات اختبار وتحت إشراف معاهد دولية متخصصة مثل (LGA) في ألمانيا بالتعاون مع Geobrugg AG.

الشكل 6 - جهاز اختبار لتحديد مقاومة الشبكة لجهد الشد الموازي للمنحدر (يسار) وجهاز اختبار لتحديد مقاومة الشبكة للاختراق في اتجاه المسمار (يمين)

6. إعادة التشجير / منع التآكل باستخدام أغطية التحكم في التآكل

المنحدرات الحادة المكونة من تربة ناعمة أو صخور مفككة معرضة لخطر التآكل. قد تتسرب هذه المواد الناعمة من خلال عيون الشبكة وتترك فراغات وقنوات تحتها بفعل مياه الأمطار أو الجريان السطحي. يمكن التعامل مع هذه المشكلة عادةً من خلال تشجير السطح بالكامل، حيث تثبت الجذور الطبقة السطحية وتحتفظ بالمياه. ولكن، نظراً لأن نمو الغطاء النباتي يستغرق وقتاً، فقد يكون من الضروري استخدام حصائر منع التآكل جنباً إلى جنب مع الشبكة الفولاذية. حصيرة TECMAT® ثلاثية الأبعاد المصنوعة من ألياف البولي بروبيلين تم تطويرها خصيصاً للاستخدام مع نظام TECCO® لتوفير الحماية المثلى وتسهيل نمو النباتات.

7. الخاتمة

يمكن تكييف نظام الشبكة الفولاذية عالية المقاومة واللوحات المسننة الخاصة بسهولة مع ظروف الموقع والظروف الاستاتيكية. يقدم هذا النهج حلاً اقتصادياً من خلال توزيع الأحمال الكبيرة واستخدام المسامير بكفاءة أكبر، مما يقلل من تكاليف الحفر والتركيب. والمنحدرات المثبتة بنظام TECCO®، عند دمجها مع حصائر التحكم في التآكل المناسبة، تستعيد مظهرها الطبيعي الأخضر، مما يوفر مظراً جمالياً مقبولاً. وفقاً للمفهوم الموضح هنا، يمكن تصميم وتحديد أبعاد عدم الاستقرار السطحي للمنحدرات، وهو ما يمثل أول تصميم هندسي سليم لتدابير السطح المرنة.

08.07.2019