تأثیر بارندگی بر پایداری شیروانیهای خاکی غیراشباع در مسیر زیرساختهای حمل- ونقل با استفاده از آنالیز همبسته تراوش- تغییرشکل

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری تخصصی مهندسی عمران- ژئوتکنیک، دانشگاه تبریز

2 استاد دانشگاه تبریز- دانشکده عمران

3 استاد، مهندسی عمران- ژئوتکنیک، دانشگاه اِکستر انگلستان

10.22075/jtie.2020.19178.1432

چکیده

امروزه، حمل­ونقل یکی از اجزای مهم اقتصاد ملی محسوب می­گردد. هر ساله بسیاری از تپه­های خاکی و دامنه کوه‌ها برای احداث زیرساخت‌های حمل­ونقل خاک‌برداری می‌شوند. پایداری ترانشه­های ایجاد شده در اثر خاک‌برداری‌ها، در دورهاجرا و بهره­برداری پروژه از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. در طبیعت، این ترانشه­ها عمدتاً غیراشباع بوده و بایستی با استفاده از تئوری خاک‌های غیراشباع بررسی گردند. یکی از دلایل اصلی ناپایداری ترانشه­ها، بارش باران و نفوذ آب ناشی از آن می­باشد. در این تحقیق، با استفاده از تئوری خاک­های غیراشباع و روش عددی تفاضل­محدود، روند نفوذ آب باران و تأثیر آن در تغییرات فشار آب منفذی، درجه اشباع، تغییرشکل­ها و در نهایت پایداری آن در طول مدت زمان بارش­­ها بررسی گردید. برای این منظور، علاوه بر انجام آزمایش‌های صحرایی و آزمایشگاهی جهت برآورد پارامترهای ژئومکانیک مصالح، از نرم‌افزار RETC برای به دست آوردن پارامترهای منحنی آب- خاک استفاده شده است. نتایج تحقیق نشان می­دهد که ضریب اطمینان با طولانی­تر شدن بارش­های با شدت کم در مدت 5 ماه از 283/1 به 221/1 کاهش پیدا کرده، ولی نرخ کاهش به حدی نیست که باعث ناپایداری کامل شیروانی گردد. ولی برای بارش کوتاه مدت- شدت زیاد، به­دلیل عدم فرصت نفوذ و جریان آب در شیروانی، بیشترین تأثیر در دو متر بالایی شیروانی اتفاق افتاده و در این محدوده علاوه بر افزایش وزن، کاهش مکش و مقاومت برشی خاک غیراشباع اتفاق افتاده است. در نتیجه­ی اثر مضاعف این دو عامل، ضریب اطمینان در طول مدت 48 ساعت به مقدار 981/0 کاهش پیدا کرده و منجر به ناپایداری شیروانی گردیده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Rainfall Infiltration on the Stability of Unsaturated Soil Slopes with Fluid-Mechanical Coupled Analysis

نویسندگان [English]

  • Danesh Sattari 1
  • Masoud Hajialilue Bonab 2
  • Akbar arab javadi 3
1 PhD Candidate, Department of Soil Mechanics, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Iran
2 Professor, Department of Soil Mechanics, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Iran
3 Professor, College of Engineering Mathematics and Physical Sciences, University of Exeter, UK
چکیده [English]

Nowadays, transportation is one of the most important components of national economy. Every year, many hills and natural slopes are excavated to build transport infrastructure. The stability of trenches created by excavations is important during construction and operation. In nature, these treches are mainly unsaturated and should be analyzed with theory of unsaturated soils. One of the main causes of trench instability is rainfall and water infiltration. In this research, using theory of unsaturated soils and finite difference numerical method, rainfall infiltration trend and its effect on pore water pressure variations, saturation percent, deformations and finally its stability during rainfall event was investigated. For his purpose, in addition to field and laboratory test for estimation of geomechanical parameters of the materials, the RETC software was used to obtain soil-water characteristics parameters. Results showed that the factor of safety decreases with increasing duration of low-intensity rainfall from 1.283 to 1.221 in 5 months, but the rate of decline is not sufficient to cause complete instability. But for short-term high-intensity rainfall, due to the lack of infiltration and water flow in the slope, maximum impact occurred in the upper 2 m of the slope, and in this zone, in addition to weight increasing, suction and shear strength of the unsaturated soil have decreased. Due to conjugate effect of these two factors, within 48 hours, the factor of safety decreased to 0.981 and led to instability of trench.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Transportation
  • Unsaturated soil
  • Trench
  • FDM
  • Water infiltration
  • SWRC
Ali, A., Huang, J., Lyamin, A. V., Sloan, S. W. and Cassidy, M. J. 2014. “Boundary effects of rain-induced landslide”. Comput. Geotech., 61: 341-354.

Bishop, A. W. 1959. “The principle of effective stress”. Teknisk Ukeblad, 106(39): 859-863.

Cai, F. and Ugai, K. 2004. “Numerical analysis of rainfall effects on slope stability”. ASCE, Int. J. Geomech., 4(2): 69-78.

Cheuk, C. Y., Ng, C. W. W. and Sun, H. W. (2005). “Numerical experiments of soil nails in loose fill slopes subjected to rainfall infiltration effects”. Comput. Geotech., 32: 290-303.

Cho, S. E. and Lee, S. R. 2001. “Instability of unsaturated soil slopes due to infiltration”. Comput. Geotech., 28: 185-208.

FLAC Manual. 2011. “Fluid-mechanical interaction”. Itasca Consulting Group, Minneapolis, USA.

Fredlund, D. G. and Rahardjo, H. 1993. “Soil mechanics for unsaturated soils”. John Wiley & Sons, Inc., N. Y.

Fredlund, D. G., Morgenstern, N. R. and Widger, R. A. 1978. “Shear strength of unsaturated soils”. Can. Geotech. J., 15(3): 313-321.

Hammah, R., Yacoub, T., Corkum, B. and Curran, J. 2005. “A comparison of finite element slope stability analysis with conventional limit-equilibrium investigation”. Proceedings of the 58th Canadian Geotechnical and 6th Joint IAH-CNC and CGS Groundwater Specialty Conferences, Saskatoon, Saskatchewan, Canada.

Huang, F. K., Wang, G. S. and Tsai, Y. L. 2013. “Rainfall reliability evaluation for stability of municipal solid waste landfills on slope”. Comput. Intel. Civ. Hyd. Eng., Paper ID: 653282, 10 p.

Koner, R. and Chakravarty, D. 2016. “Numerical analysis of rainfall effects in external overburden dump”. Int. J. Min. Sci. Technol., 26:  825-831.

Li, Y., Xu, W. Wang, S., Wang, H. and Dai, Y. 2019. “Slope stability analysis with reference to rainfall infiltration in the Yongping copper mine, China”. Curr. Sci., 116(4): 536-543.

Mdnoor, M. J., Muda, M. A., Abdul Rahman, A. S. 2019. “Rainfall induced slope failure detection using infiltration type, slope stability method applying nonlinear failure envelope”. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 513, 012013, pp. 1-10.

Mukhlisin, M. and Taha, M. R. 2012. “Numerical model of antecedent rainfall effect on slope stability at a hillslope of weathered granitic soil formation”. J. Geol. Soc. India, 79(5): 525-531.

Ng, C. W. W. and Menzies, B. 2007. “Advanced unsaturated soil mechanics and Engineering”.  CRC Press, Taylor & Francis, London, 687 p.

Ng, C. W. W., Tung, Y. K., Wang, B. and Liu, J. K. 2001. “3D analysis of effect of rainfall patterns on pore water pressures in unsaturated slopes”. Can. Geotech. J. 38(5): 1049-1062.

Nikolaevskij, V. N. 1990. “Mechanics of porous and fractured media”. Series in Theoretical and Applied Mechanics, R. K. T. Hsieh (Ed.), World Scientific.

Prasad, A., Netra, P. B., Ranjan, K. D. and Ryuichi, Y. 2016. “Seepage and slope stability modelling of rainfall-induced slope failures in topographic hollows”. Geomat., Nat. Hazards Risk, 7)2(: 721-746.

Rahimi, A., Rahardjo, H. and Leong, E. 2011. “Effect of antecedent rainfall patterns on rainfall-induced slope failure”. J. Geotech. Geoenviron. Eng., 137(5): 483-491.

Richards, L. A. 1931. “Capillary conduction of liquids through porous mediums”. J. Appl. Phys., 1: 318-333.

Soren, K., Budi, G. and Sen, P. 2014. “Stability analysis of open pit slope by finite difference method”. Int. J. Res. Eng. Technol., 3(5): 326-334.

Sutejoa, Y. and Gofara, N. 2015. “Effect of area development on the stability of cut slopes”. Proc. Eng., 125: 331-337.

Van Genuchten, M. T. 1986. “A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils”. Soil Sci. Soc. Am. J., 44: 892-898.

Van Genuchten, M. T., Leij, F. J. and Yates, S. R. 1991. “The retc code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils”. U. S. Environmental Protection Agency, EPA/600/2-91/065, Washington, D. C.

Xue, K., Ajmera, B., Tiwari, B. and Hu, Y. 2016. “Effect of long duration rainstorm on stability of red-clay slopes.” Geoenviron. Disas., 3(12): 1-13.

Zienkiewicz, O. C., Humpheson, C. and Lewis, R. W. 1975. “Associated and non-associated viscoelasticity in soil mechanics”. Geotech., 25: 671-689.