ملخص

تُستخدم أنظمة تثبيت المنحدرات المرنة المصنوعة من شبكات سلكية مع التثبيت بالمسامير على نطاق واسع في التطبيقات العملية لتثبيت المنحدرات الترابية والصخرية. تُعد هذه الأنظمة حلولًا اقتصادية وبديلًا جيدًا للتدابير القائمة على الجدران الخرسانية الصلبة أو الهياكل الداعمة الضخمة. بالإضافة إلى التصاميم التي تستخدم الأسلاك الفولاذية التقليدية، تتوفر الآن في السوق شبكات مصنوعة من أسلاك فولاذية عالية الشد. تتميز هذه الشبكات بقدرتها على امتصاص قوى أعلى بكثير ونقلها إلى نظام التثبيت بالمسامير. وقد طُوّرت مفاهيم خاصة لتصميم أنظمة تثبيت المنحدرات المرنة لاستخدامها على المنحدرات الشديدة في التربة المتجانسة نسبيًا أو الصخور المتفككة المتأثرة بشدة بالعوامل الجوية، وكذلك الصخور المتشققة والطبقية. في الحالة الأخيرة، يتحدد عدم الاستقرار بأسطح الشقوق والطبقات. تؤكد عمليات التثبيت المُطبقة في التربة والصخور، مع وجود غطاء نباتي وبدونه، أن هذه التدابير مناسبة للتطبيق العملي. سيتم عرض مكونات النظام، ومفهوم التصميم، ومقاومة تحمل النظام، وإعادة التشجير.

الكلمات المفتاحية: RUVOLUM، TECCO، التصميم، نظام تثبيت المنحدرات المرن

الملخص

تُستخدم أنظمة استقرار المنحدرات المرنة، المكوّنة من الشبك السلكي والمسامير الأرضية، على نطاق واسع في التطبيقات العملية من أجل تثبيت منحدرات الصخور والتربة. وتُعد هذه الأنظمة حلولًا اقتصادية، كما يمكن أن تشكّل بديلًا عن الإجراءات التقليدية مثل الجدران الخرسانية الصلبة والهياكل الداعمة الكبيرة. وبخلاف شبكات الأسلاك الفولاذية التقليدية، تتوفر حاليًا في السوق أسلاك عالية المقاومة قادرة على تحمّل قوى كبيرة ونقلها إلى المسامير الأرضية. وقد تم تطوير مفاهيم تصميم مختلفة لأنظمة استقرار المنحدرات المرنة، وذلك لاستخدامها على المنحدرات الشديدة الانحدار في الترب شبه المتجانسة، وعلى الأسطح الصخرية المتحللة، وكذلك على الأسطح الصخرية المتشققة والمصفّحة. وفي الحالة الأخيرة، يتم تحديد عدم الاستقرار وفقًا لأسطح الشقوق والطبقات. يتناول هذا البحث مكوّنات نظام استقرار المنحدرات المصنوع من الشبك عالي المقاومة، ومفهوم التصميم، وقدرة النظام على التحمل، بالإضافة إلى موضوع التشجير/التغطية النباتية.

الكلمات المفتاحية: روفولوم، تيكو، نظام تثبيت المنحدرات المرن،

1. المقدمة

أثبتت أنظمة استقرار المنحدرات المرنة ملاءمتها في العديد من مناطق العالم، مثل أوروبا وآسيا وأمريكا الشمالية، وكذلك في المناطق ذات المناخات الباردة حيث تتعرّض الأسطح المُثبَّتة لدورات التجمّد والذوبان. تاريخيًا، كانت الشبكات السلكية المستخدمة لهذا الغرض تُنتَج من أسلاك فولاذية لينة ذات مقاومة شد تتراوح بين 400–500 نيوتن/مم².

وقد أتاح تطوير شبكات مصنوعة من أسلاك ذات مقاومة شد لا تقل عن 1770 نيوتن/مم² إمكانيات جديدة لتحقيق تثبيت فعّال واقتصادي للمنحدرات (انظر الشكل 1). وتساعد مفاهيم التصميم المتقدمة على تحديد أبعاد هذا النوع من أنظمة استقرار المنحدرات مع الأخذ بعين الاعتبار استاتيكا التربة والصخور، وذلك لمقاومة حالات عدم الاستقرار السطحية.

الشكل 1. شبكة سلكية عالية المقاومة لتثبيت المنحدرات (يسارًا)، ولوح خاص مزوّد بمسامير يساعد على ضغط شبكة الأسلاك عالية المقاومة على سطح المنحدر وإعطائها شدًّا (يمينًا(

 2. الشبكة السلكية عالية المقاومة لتثبيت الأسطح الصخرية والترابية

تتوفر في السوق الشبكة السلكية عالية المقاومة المصنوعة من أسلاك فولاذية ذات مقاومة شد لا تقل عن 1770 نيوتن/مم² تحت الاسم التجاري TECCO®. ويتم تصنيعها بشكل قياسي من أسلاك فولاذية بقطر 3 مم، ومحمية بطبقة طلاء من الألمنيوم–الزنك لمقاومة التآكل. يُنتَج الشبك بنمط ماسي (معيّن متساوي الأضلاع)، وبفتحات قياسها 83 مم × 143 مم، باستخدام نظام لفٍّ أحادي. ويوفر الشبك الفولاذي مقاومة شد تبلغ 150 كيلو نيوتن/متر، وتمثل هذه القيمة الحد الأدنى المضمون للحمل أو القدرة التحميلية.

وبفضل بنيته ثلاثية الأبعاد، يلتصق الشبك بالمنحدر بشكل فعّال، كما يساهم في عملية تخضير المنحدر. وباستخدام هذه الشبكات السلكية عالية المقاومة، يمكن تحمّل أحمال أكبر بكثير مقارنةً بالشبكات التقليدية ذات أبعاد الفتحات القريبة وأقطار الأسلاك المشابهة، والتي تمتلك مقاومة شد طولية تتراوح بين 45–50 كيلو نيوتن/متر.

الشكل 2. المقطع العام مع ترتيب المسامير (يسارًا)، وتوزيع تركيب المسامير بنظام الترتيب المتناوب – مشروع دونغتشون، كوريا (يمينًا)

تساعد الصفائح الخاصة ذات المسامير، المصمَّمة بشكل بلاطات متوافقة مع الشبكة، على تثبيت الشبكة في التربة أو الصخور. ويتم تحقيق الاستقرار من خلال شدّ المسامير، ومع الإمكان ضغط الصفيحة ذات المسامير قليلًا باتجاه السطح، بحيث تتبع الشبكة شكل السطح وتُشدّ إلى أقصى حد ممكن.

في نظام تثبيت المنحدرات هذا، يتم وضع صفوف المسامير بطريقة متناوبة بمقدار نصف المسافة بين الصفوف. ويؤدي ذلك إلى تقليل احتمالات الانبعاج أو الخروج بين المسامير، حيث تكون المسافات بين المسامير عرضيًا مساوية لـ «a» وطوليًا مساوية لـ «2 × b» (انظر الشكل 2، يسارًا). ويظهر الترتيب المتناوب في الشكل 2 (يمينًا) من خلال صورة مأخوذة من مشروع دونغتشون في كوريا.

3. مفهوم التصميم للأراضي الصخرية المتفككة والتربة

يساعد برنامج RUVOLUM®، بافتراض أن الشبكة المستخدمة مصنوعة من أسلاك عالية المقاومة، في حساب أقطار المسامير والمسافات بينها وكذلك توزيعها. ويمكن من حيث المبدأ تطبيق البرنامج على جميع أنظمة تثبيت المنحدرات التي تسمح بمسافات مرنة بين المسامير في الاتجاه الأفقي واتجاه المنحدر.
(Rüegger وآخرون، 2002)

الشكل 3. يعتمد مفهوم التصميم على دراسة حالات عدم الاستقرار السطحية الموازية للمنحدر (يسارًا)، والتي تكون عادةً بعمق أقل من 2 متر، وكذلك دراسة حالات عدم الاستقرار الموضعية بين المسامير (يمينًا)

يعتمد هذا النهج على تحليل كلٍّ من حالات عدم الاستقرار السطحية الموازية للمنحدر، وحالات عدم الاستقرار الموضعية بين كل مسمار وآخر. وقد تم توضيح ذلك في الشكل 3، وسيتم شرحه في الأقسام التالية. إلا أنه، ولغرض التبسيط، تم إهمال تأثيرات مثل الضغط الهيدروستاتيكي الزائد، وضغوط الجريان المتجه إلى أسفل المنحدر، والقوى الزلزالية، وغيرها.

3.1 دراسة حالات عدم الاستقرار السطحية الموازية للمنحدر

في حالات عدم الاستقرار السطحية الموازية للمنحدر، يكون أول عنصر تتم دراسته هو طبقة التغليف السطحية، إذ إن انزلاقها قد يشكّل تهديدًا لانزلاق طبقة التربة السفلية المتماسكة. يهدف نظام التثبيت بالمسامير (التسمير) إلى تثبيت الطبقة السطحية غير المستقرة كوحدة واحدة. وفي هذا السياق، يتم ربط حجم من التربة بعرض a وطول b وسماكة t بكل مسمار مع تحقيق درجة معينة من الأمان.

يوضح الشكل 4 (في الجهة اليسرى) القوى المؤثرة على هذا الحجم والتي يمكن أن تؤدي إلى انفجاره أو خروجه من مكانه. تمثل القوة  G الوزن الذاتي لذلك الجزء. ويعبّر الحد  c’ × A عن تأثير التماسك في مقاومة الانزلاق على سطح القص المائل بزاوية  α بالنسبة للمستوى الأفقي. كما يمكن من خلال الحد  c’ × A أخذ تأثير التداخل أو التعشيق بين الطبقة السطحية المراد حمايتها والطبقة السفلية المتماسكة، أو داخل الطبقة السطحية نفسها، بعين الاعتبار. تمثل القوة  V القوة الواقعة على اتجاه المسمار الذي يشد الشبكة باتجاه سطح المنحدر. وعند شد المسمار، تضغط الصفيحة المسننة والشبكة على التربة باتجاه الداخل. وتميل القوة V بزاوية ψ بالنسبة للمستوى الأفقي. ويشترط، قبل حدوث حركة في المنحدر، أن تكون الإجهادات المسبقة في المسمار قد تم تجاوزها. يمثل المتغير S قوة القص التي يتحملها المسمار وينقلها إلى التربة المتماسكة. أما قوى رد الفعل N و T القادمة من طبقة التربة السفلية، فتؤثر باتجاه العمودي على سطح القص وباتجاه سطح القص نفسه على التوالي. ويُظهر الشكل 4 (في الجهة اليمنى) مخطط التوزيع من منظور علوي (المسقط الأفقي(

الشكل 4. القوى المؤثرة على الجزء (يسارًا) والترتيب العام المتناوب للمسامير (يمينًا(

يمكن تحديد قوة القص S  كما هو موضح في المعادلة 1 وذلك باستخدام معادلة التوازن، والمعاملات الجيوتقنية والهندسية (موهر–كولومب)، وقوة الشد المسبق V، إضافةً إلى معامل تصحيح عدم يقين النموذج γmod.

يستخدم برنامج RUVOLUM  مفاهيم معاملات الأمان الجزئية المنشورة في EUROCODE 7. يجب تقليل أو ضرب زاوية الاحتكاك φ’k، والتماسك c’k، والوزن الحجمي γk بالقيم المقابلة لمعاملات الأمان الجزئية γφ وγc و γγ على التوالي (حيث تُخفض زاوية الاحتكاك φ’k  عبر تقليل قيمة ظل الزاوية

عند دراسة حالات عدم الاستقرار السطحية الموازية للمنحدر، يجب التحقق من الحالات الثلاث التالية:

• تحقق مقاومة طبقة السطح للانزلاق.
• تحقق مقاومة الشبكة السلكية للثقب.
• تحقق قدرة المسمار على مقاومة قوى القص والإجهاد.

3.2 دراسة حالات عدم الاستقرار الموضعية بين كل مسمار وآخر

تهدف الدراسة الثانية إلى فحص محاولة خروج الكتلة الواقعة بين المسامير بشكل موضعي، كما هو موضح في الشكل 5. حيث يُطلق على وزن الإسفين النشط اسم GI، وعلى وزن الإسفين السلبي اسم  GII. يجب تصميم نظام تثبيت السطح بحيث يمسك جميع الكتل التي تميل إلى الخروج، وأن يتم امتصاص الأحمال المتولدة ونقلها عبر الصفائح المسننة إلى المسامير، ومن ثم إلى التربة المتماسكة، بما يحقق الاستقرار النهائي.

يوجد فوق كل مسمار نطاق بعرض a وطول 2·b  يجب تأمينه من ناحية عدم الاستقرار الموضعي. وابتداءً من هذه المنطقة، قد تظهر كتل تميل إلى الخروج بأطوال تصل إلى الحد الأقصى 2·b. ويتأثر المقطع العرضي للإسفين المعرّض للخروج بطريقة الحماية المستخدمة. إذ تُشد الشبكة باتجاه رأس المسمار، أي نحو النقطة التي يضغط فيها البرغي الصفيحة المسننة باتجاه التربة، وذلك بقوة V. وبهذه الطريقة يتم تثبيت المنطقة السطحية المحيطة بالمسمار على التربة السفلية. وتأخذ طريقة الحساب هذا التأثير بعين الاعتبار. ولغرض التبسيط، يُفترض أن مخاريط الضغط المتشكلة تحت كل صفيحة مسننة طرفية والشبكة المجاورة لها تقع خارج الكتلة المنزلقة قيد الدراسة. ونتيجةً لذلك، يمكن تحويل المساحة الحمراء ذات الشكل شبه المنحرف تقريبًا إلى مستطيل ذي مساحة مكافئة بعرض a₍red₎  وسماكة t، كما هو موضح في الشكل 5 (يمينًا)

الشكل 5. عدم الاستقرار الموضعي بين المسامير (يسارًا)، والمقطع العرضي الأقصى الممكن للكتلة المعرّضة للخروج بسماكة t؛ ومخاريط الضغط المقطوعة التي تم تثبيتها بشكل فعّال.

إن العلاقات المبينة في المعادلتين (2) و**(3)** هي نتيجة افتراضات التوازن الناشئة عن آلية الانزلاق ثنائية الجسم الموضحة في الشكل 5، وهي تأخذ في الاعتبار كلًا من حالة الفشل وفق موهر–كولومب وكذلك معامل عدم يقين النموذج γmod. يتم تحديد القوة العظمى P المؤثرة على اتجاه المسمار وفقًا للمعادلات المبينة أدناه والمعادلة (3)، وذلك تبعًا لتغير ميل سطح الانزلاق β وسماكة الطبقة t.

عند دراسة حالات عدم الاستقرار الموضعي بين المسامير، يجب إجراء التحققين التاليين:

• التحقق من عدم تمزق الشبكة في الجزء العلوي من المنحدر عند الصفيحة المسننة.