نشریه زمین شناسی مهندسی

---

در بسیاری از موارد، تحقیق در باره طراحی و اجرای سازه‌های زیرزمینی منحصراً با تخمین پارامترهای ژئومکانیکی توده خاک انجام می‌شود. بیان کمی و کیفی این پارامترها همانند حالت اولیه تنش‌ها، سطح آب زیرزمینی و نفوذ پذیری بسیار مشکل است. برای رفع چنین مشکلی از پژوهش‌های صحرایی و تکنیک‌های تحلیل برگشتی استفاده می‌شود. هدف این روش‌ها صرفاً تعیین مدل مکانیکی یا مقادیر ثابت‌های مکانیکی و نیروهای خارجی نبوده، بلکه اندازه‌گیری جابه‌جایی‌ها پیرامون سازه‌های زیرزمینی با ابزارهای رفتارنگاری و تعیین بارها بر روی نگهدارنده‌ها و نهایتاً ارزیابی روش‌های طراحی پروژه مورد نظر در طی اجرای آن است. در این مقاله داده‌های حاصل از رفتارسنجی تونل متروی کرج- خط 2 قطعه اول به طول 2495 متر به‌عنوان داده‌های اولیه تحلیل برگشتی به روش تک متغیره متناوب جهت مدل‌سازی در نرم افزار Plaxis 3D استفاده شده است. نهایتاً با انجام عمل تحلیل برگشتی پارامترهای ژئومکانیکی توده خاک یعنی مدول الاستسیته، مدول پواسون، چسپندگی و زاویه اصطکاک داخلی که متفاوت با مقادیر ارائه شده اولیه است، برآورد شد.

---

بررسی ویژگی‌های مهندسی مصالح ترانشه‌های آبرفتی و سیمانی شده محوطه برج میلاد تهران و نتایج تحلیل پایداری درحالت استاتیکی با استفاده از نرم افزارهای المان محدود و همچنین بررسی قابلیت شبکه‌های عصبی مصنوعی برای محاسبه ضرایب پایداری موضوع این مقاله است. بر اساس مشخصات هندسی ترانشه‌ها و ویژگی‌های مقاومتی و تغییرشکلی آبرفت، ضریب پایداری ترانشه‌ها در حالت‌های دو بعدی و سه بعدی، به ترتیب با استفاده از نرم‌افزارهای PLAXIS7.2 وPLAXIS 3D Tunnel ، محاسبه و نتایج حاصل با یک‌دیگر مقایسه شده است. در ادامه قابلیت شبکه‌های عصبی مصنوعی(ANNs) در به‌دست آوردن ضریب پایداری (FoS) ترانشه‌های مسیرهای دسترسی برج میلاد بررسی شده است. بانک اطلاعات به‌کار رفته در شبکه، شامل ضرایب تحلیل پایداری حاصل از 256 گزینه مختلف (2D، 3D، ترانشه افقی و یا با شیب 18 نسبت به افق در بالا) است. برای مسئله مورد نظر، برنامه شبکه‌های عصبی مصنوعی سه لایه پرسپترون(MLP) در محیط MATLAB7 نوشته شد و شبکه بهینه(تعداد لایه‌های مخفی، تابع تبدیل و نوع آموزش شبکه) به طریق سعی و خطا، و با توجه به شاخص‌های خطا و تطابق با داده‌ها انتخاب شد. پارامترهای ورودی شبکه شامل مشخصات ژئوتکنیکی و هندسی ترانشه‌ها (چسبندگی، زاویه اصطکاک، مدول یانگ، ارتفاع شیب، شیب ترانشه و زاویه اتساع) و پارامترهای خروجی شامل ضرایب پایداری در حالت‌های مختلف است. نتایج نشان می‌دهد که ANNs قابلیت بسیار مناسبی در تخمین ضرایب پایداری ترانشه‌ها در کلیه موارد بررسی شده دارد.

---

استان خراسان رضوی یکی از پرقنات ترین استانهای کشور است و شهر مشهد واقع در مرکز این استان بر روی قنوات متروکه به سمت غرب گسترش پیدا کرده است. بار ناشی از سازه های بلند مرتبه ساخته شده بر روی مسیر قنوات قدیمی، می تواند باعث بر هم زدن تعادل قنوات و فروریزش قنات و در نتیجه نشست زمین گردد. در این مقاله پس از شناسایی قنوات شهر مشهد به کمک عکسهای هوایی و بررسی عوامل تاثیر گذار بر ناپایداری قنات، تحلیل پایداری مجرای زیرزمینی قنات در غرب شهر با استفاده از نرم افزار Plaxis انجام گردیده است. مدلسازی با توجه به شرایط ژئوتکنیکی منطقه، عمق قنات، شرایط سیستم نگهدارنده مجرای قنات و میزان بار وارده از سازه های فوقانی انجام گردیده و گسترش زون پلاستیک در محیط خاک اطراف تونل زیرزمینی قنات مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که با افزایش عمق مجرای زیرزمینی قنات، نرخ گسترش زون پلاستیک در محیط خاک کاهش یافته و تاثیر وجود پوشش نگهدارنده در گسترش زون پلاستیک کمتر می شود. همچنین به ازاء هر 2/1 متر افزایش عمق، تحمل قنات قبل از فروریزش معادل بار وارده از ساختمان یک طبقه افزایش می یابد.

---

یکی از بهترین روش­ها برای بهبود مسئلۀ حمل و نقل، استفاده از تونل­های زیرزمینی است. در همین راستا، تونل بزرگراه نیایش شامل دو تونل شمالی و جنوبی تقریباً موازی است که به‌روش تونل­سازی جدید اتریشی ¹NATM در شمال تهران احداث شده است. حفر تونل و دیگر سازه­های زیرزمینی منجر به بروز تغییرات چشم‌گیر در وضعیت تنش در اطراف سازه می­گردد که این مسئله سبب نشست­ در سطح زمین می‌شود. در این پژوهش، میزان نشست سطحی زمین با استفاده از انواع روش­های تجربی، عددی و هم‌چنین مقادیر نشست واقعی در پنج مقطع (CS-1 تا CS-5)، بررسی شده­اند. روش تجربی به‌کار رفته، روش اوریلی و نیو (1982) و روش عددی نیز روش المان محدود با استفاده از نرم‌افزار PLAXIS_2D است. بر اساس نتایج به‌دست آمده، روش عددی در تمامی مقاطع (به استثناء مقطع 3) هم­خوانی بیش‌تری با داده­های نشست واقعی حاصل از اندازه­گیری­های برجا دارد. در حالی‌که روش تجربی در مقاطع 2، 4 و 5 میزان نشست را بیش‌تر از نشست واقعی نشان می­دهد. هم‌چنین نتایج حاصل از روش­های یاد شده نشان می­دهند که حداکثر نشست، بیش‌تر از مقدار نشست مجاز و در محدودۀ اخطار است.

---

عوامل مؤثر در نشست سطح زمین در روش حفاری مکانیزه را می‌توان عمدتاً به چهار دسته عوامل هندسی، عوامل ژئومکانیکی، پارامترهای کاری  ماشین حفاری و پارامترهای مدیریتی و اجرایی تقسیم‌بندی کرد. عوامل هندسی شامل عمق و قطر تونل هستند پارامترهای کاری ماشین شامل فشار وارد بر جبهه حفاری، فشار تزریق در پشت سگمنت‌ها و نیز میزان تغییر قطر (کاهش قطر دستگاه در طول) دستگاه است و پارامترهای ژئومکانیکی شامل مشخصات مکانیکی لایه‌های خاک بین تونل تا سطح زمین است. در تونل‌های مناطق شهری که بیش‌تر در عمق کم و در بستر خاکی حفر می‌شوند، فشار جبهه کار می‌تواند یکی از عوامل پیش‌گیری کنندۀ نشست سطح زمین باشد. در پروژۀ خطA  مترو قم، تونل با ماشین حفاری مکانیزه از نوع متعادل کنندۀ فشار زمین (EPB) حفر می‌شود. در این تحقیق با تمرکز روی پنج مقطع از این تونل، تأثیر فشار جبهه کار بر نشست سطح زمین تحلیل شده است. این پنج مقطع در کیلومترهای مختلف تونل در مکان‌هایی انتخاب شدند که در سطح  زمین پین‌های نشست  سنجی نصب شده‌اند و نتایج مدل‌سازی عددی قابل صحت‌سنجی هستند. برای بررسی اثر فشار سینه‌کار روی حداکثر نشست سطح زمین، چهار سطح فشار 100، 150، 200 و 400 کیلوپاسکال  بررسی شد. این فشارها  به‌ترتیب 1، 5/1، 2، و 4 برابر فشار اولیه جبهۀ کار بودند. نشست سطح زمین در این چهار سطح فشار با استفاده از نرم‌افزار اجزا محدود PLAXIS 3D TUNNEL ارزیابی شده است. اعتبارسنجی نتایج با استفاده از ابزاربندی در سطح زمین (پین‌های نشست سنجی) و روی تمامی این مقاطع انجام شده است. اعتبارسنجی انجام شده نشان داد که نتایج مدل‌سازی تطابق خوبی با نتایج پین‌های نشست‌سنجی دارد. مقایسۀ نتایج نشان می‌دهد افزایش 4 برابری فشار جبهۀ کار، حداکثر سبب کاهش 4.45 میلی متری نشست بیشینه می‌شود. بنابراین افزایش فشار جبهۀ کار، میزان نشست را کاهش می‌دهد اما این مقدار بسیار ناچیز است. هم‌چنین مشخص شد که افزایش بیش از اندازۀ فشار سینۀ کار (بیش از 200 کیلوپاسکال) نه‌تنها حداکثر نشست سطح زمین را کاهش نمی‌دهد بلکه باعث ایجاد شکست غیرفعال (Passive failure) یا همان بالازدگی در جلوی سپر روی سطح زمین زمین می‌شود.
 

---

در سال­های اخیر با گسترش استفاده از روش میخ­کوبی برای تثبیت دیوارۀ گودبرداری­ها، نیاز به بررسی جامع رفتار این روش احساس می­شود. در پژوهش‌های پیشین، رفتار دیوار میخ­کوبی­شده در حالت­های استاتیکی و دینامیکی تحت شرایط مختلف بررسی شده­اند اما با توجه به ماهیت متفاوت زلزله­های حوزۀ نزدیک گسل، بررسی اثر این حرکات روی رفتار دیوار میخ­کوبی­شده ضروری است. از این‌رو در این پژوهش با در نظر گرفتن یک مدل دوبعدی گودبرداری، اثر زلزله­های حوزه نزدیک و حوزه دور از گسل روی پاسخ مدل بررسی شده است. برای تشریح رفتار خاک از مدل موهر کولمب و برای میخ­ها پارامترهای الاستیک و پلاستیک در نظر گرفته شده است. هم‌چنین با توجه به قابلیت­های نرم­افزارPLAXIS 2D ، برای مدل­سازی روند گودبرداری، از روش ساخت مرحله­ای استفاده شده است. در این بررسی، 10 شتاب‌نگاشت زلزله (5 شتاب‌نگاشت زلزله حوزۀ نزدیک و 5 شتاب‌نگاشت زلزله حوزۀ دور)، که روی سنگ سخت ثبت شده­اند، به کف مدل اعمال شد. مقادیر لنگرخمشی، نیروی برشی و نیروی محوری ایجاد شده در میخ­ها، در حالت زلزله حوزۀ نزدیک بزرگ‌تر از مقادیر ایجاد شده تحت زلزله­های حوزه دور هستند. این مقادیر تقریباً برای بیشینۀ لنگرخمشی برابر 23 درصد، نیروی برشی 30 درصد و نیروی محوری 22 درصد هستند. به‌دلیل این که در زلزله­های حوزۀ نزدیک انرژی بیش‌تری در مدت زمان کم‌تری به مدل اعمال می­شود (به‌دلیل وجود پالس) تغییرمکان ایجاد شده نیز بیش‌تر است. افزایش طول میخ و سختی موجب کاهش تغییر مکان دیوار میخ کوبی شده تحت زلزله حوزۀ نزدیک می شود، مع‌ذلک رفتار کلی خاک  تحت این زلزله عوض نمی‌شود. بر مبنای نتایج به‌دست آمده در یک حداکثرشتاب ثابت رابطۀ مستقیمی بین حداکثر پیک سرعت و جابه‌جایی بالای دیوار وجود دراد. لیکن رابطۀ ذکر شده در زلزله‌های حوزۀ دور مشاهده نمی‌شود.

---

---

مقاله حاضر به مقایسه سیستماتیک تحلیل احتمالاتی پایداری شیب با استفاده از سه نرم‌افزار رایج در مهندسی ژئوتکنیک، یعنی Plaxis LE V21، GeoStudio 2024 (ماژول SLOPE/W) و Slide2 می‌پردازد. با توجه به اهمیت ارزیابی ریسک و ماهیت ذاتی عدم قطعیت در پارامترهای خاک، تحلیل احتمالاتی به عنوان رویکردی ضروری برای کمّی‌سازی عدم اطمینان‌ها و محاسبه معیارهایی مانند احتمال شکست و شاخص قابلیت اطمینان مورد توجه قرار گرفته است. این تحقیق با اجرای تحلیل‌های یکسان بر روی سه سناریوی مختلف (خاک همگن، خاک سه‌لایه و شرایط شبه استاتیکی) و با استفاده از ۱۰ روش متداول تعادل حدی، قابلیت‌ها، دقت، کارایی و محدودیت‌های هر نرم‌افزار را ارزیابی کرده است. نتایج نشان می‌دهد که هر سه نرم‌افزار قابلیت انجام تحلیل احتمالاتی با دقت قابل قبول را دارند، اما هر یک نقاط قوت متمایزی ارائه می‌دهند: Slide2 با ابزارهای تخصصی و نمایش گرافیکی پیشرفته برای تحلیل‌های ریسک پیچیده ایده‌آل است؛ GeoStudio با رابط کاربری شهودی و یکپارچگی با ماژول‌های دیگر برای پروژه‌های معمولی مناسب‌تر است؛ و Plaxis LE با دقت بالای محاسباتی در مسائل پیچیده و رویکرد ترکیبی المان محدود تعادل حدی (FELA) برتری دارد. این مطالعه راهنمایی عملی برای مهندسان در انتخاب نرم‌افزار مناسب بر اساس پیچیدگی پروژه، سطح دقت مورد نیاز و منابع در دسترس فراهم می‌کند و بر مزایای رویکرد احتمالاتی نسبت به تحلیل‌های قطعی سنتی در مدیریت ریسک تأکید می‌ورزد.