گسیختگی سدهای خاکی می تواند حاصل ناپایداری شیب های بالادست یا پایین دست سد باشد. بطور معمول لغزش در نتیجه از دست رفتن مقاومت برشی در طول صفحات ضعیف یا درون خاکها رخ می دهد. با رهایی کنترل نشده آبی که در پشت سد نگهداری می شود مشخص می شود که میزان کمی از کسیختگی رخ داده است و هر ظاهر غیر طبیعی در مقاومت برشی خاک که برخلاف عملکرد اصلی آب پشت سد باشد بطور مناسبی نمایانگر گسیختگی می باشد که می تواند ناشی از نشت های تفاضلی ایجاد شده از پدیده قوس زدگی باشد.
شکل سطح لغزش در پوسته بدنه سدهای ساخته شده با قلوه سنگ ، تخته سنگ ، سنگریزه های مصالح معدنی ، ترکیبی از دو یا سه خط مستقیم و صفحه ای صاف است که این روش تحت عنوان روش گوه ای یا روش بلوک لغزنده نامگذاری شده است.
در شرایطی که پی مستحکم تر از مصالح خاکریز باشد سطح لغزش بحرانی قطعا از بدنه خاکریز می گذرد و معمولا می توان از روش دو گوه ای استفاده کرد. سید و سلطان روی مقاطع سدهای با هسته شب دار که بر روی پی های مستحکم بنا نهاده شده اند مطالعات تجربی و تحلیلی لغزش را به روش دو گوه ای انجام داده اند که در این روش ،گوه فوقانی به عنوان گوه محرک یا فعال و گوه تحتانی به عنوان گوه تحت فشار یا مقاوم عمل می کنند. سطح گسیختگی که از پنجه یا نزدیک آن می گذرد در شرایط استاتیکی احتمالا بحرانی است. در مقاطع ناحیه دار قسمتی از سطح لغزش بحرانی از ناحیه با مقاومت کمتر ، یا با بیشترین فشار منفذی و ناحیه نفوذناپذیر عبور می کند همانند شکل۲-۶ (هسته سد).
در روش گوه ای در حالت پایان ساخت سطح بحرانی لغزش در بالادست سد ، موازی بخش پایین دست هسته یا نزدیک آن می گذرد چون وزن گوه فعال بیشتر است ولی در حالت افت سریع چون نیروی نشت به سمت مخزن است لغزش موازی بخش بالادست هسته می گذرد.
۲-۱۱ تحلیل تنش کل و تنش موثر
تحلیل براساس تنش موثر یا تنش کل مسئله مورد بحث و مهمی است. برای تحلیل حالات مختلف ساخت و بهره برداری از سدهای خاکی ، شناخت مفاهیم تحلیل تنش کل و تحلیل تنش موثر ضروری است. به همین دلیل ذیلا ابتدا روش های تحلیل تنش کل و تنش موثر شرح داده می شود و سپس پارامترهای معیار موهر-کلمب متناظر با هر یک از این دو ، مورد بررسی واقع می شود.

محیطهای ژئوتکنیکی از فازهای مختلفی تشکیل شده اند. به عنوان مثال خاک های اشباع از دو فاز آب و ذرات خاک تشکیل شده اند. اگر محیط خاکی در شرایط نیمه اشباع واقع شود ، فاز هوا نیز به مجموعه آب و دانه ها اضافه شده و بنابراین محیط سه فازه می شود و فشار هوای حفره ای هم مفهوم پیدا می کند.
شرایط تعادل هر یک از فازهای عنوان شده ، توسط یک معادله دیفرانسیل بیان می شود و این معادلات با همدیگر مرتبط هستند ، یعنی متغیرهای فازهای مختلف ( تنش های موثر ، فشار آب حفره ای و فشار هوای حفره ای ) در هر سه معادله ظاهر می شوند. با حل همزمان این سه معادله و بدست آوردن همزمان مقادیر مجهول تنش ها و فشارها ، تحلیل تنش موثر انجام می شود. این در حالی است که در تحلیل تنش کل بدون توجه به معادله پیوستگی جریان و در نظر گرفتن فشار آب حفره ای ،صرفا معادله تعادل بر اساس تنش های کل حل می گردد و لذا مقادیر تنش های موثر ، فشار آب و یا هوای حفره ای استخراج نمی گردد. با توجه به توضیخات فوق ملاحضه می شود که تحلیل تنش موثر یک محیط چند فازه بسیار پیچیده تر از تحلیل کنش کل همان محیط است زیرا در حالت اول چند معادله دیفرانسیل (به تعداد فازها) به طور همزمان و در حالت دوم فقط یک معادله دیفرانسیل حل می شود. وقتی که از تحلیل استفاده می شود ، فشارهای آب حفره ای محیط توسط روابط تجربی یا نمودارهای پیشنهاد شده توسط محققین تخمین زده می شوند و بدین وسیله تنش های موثر نیز با تقریب بدست می آیند.
در تحلیل تنش کل پارامترهای مقاومت برشی زهکشی نشده و معمولا برای معیار گسیختگی استفاده می شود. برای خاک های بطور جزئی اشباع ، بخاطر اینکه تغییرات درجه اشباع نمونه خاک ناشی از تغییر در فشار محصور کننده اعمال شده به نمونه است هر دو پارامتر و به صورت تابعی از فشار محصور کننده به صورت شکل ۲-۷ بیان می شود و مقاومت برشی به کمک رابطه (۲- ۵)محاسبه می شود:
(۲-۵)
در تحلیل تنش موثر معیار گسیختگی بر حسب تنش موثر با رابطه (۲-۶) بیان می شود :
(۲-۶)
که در آن پارامترهای به ترتیب مربوط می شوند به زاویه مقاومت برشی و چسبندگی بر حسب تنش های موثر و از آزمایش های CU و یا آزمایش های زهکشی شده (آزما یش D) برای نمونه های اشباع تعیین می شوند.
۲-۱۲ انتخاب پارامترهای مقاومت برشی در تحلیل سدهای خاکی
ترکیب فازهای سه گانه هوا ، آب و مصالح دانه ای در محیط های ژئوتکنیکی سبب پیچیدگی در تعیین پارامترهای مقاومتی و انتخاب روش تحلیل می گردد ، بنابراین آگاهی از روش های تحلیل و انتخاب صحیح این پارامترها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین مقاومت برشی خاک به طور قابل توجهی بستگی به مسیر تنش موثر در شرایط گسیختگی دارد. بنابراین برای تعیین پارامترهای مقاومتی خاک می بایست آزمایش را در طول مسیر تنش موثر در شرایط واقعی صحرایی به اجرا در آورد [۱۱].
۲-۱۳ آزمایش های مکانیکی تعیین پارامترهای مقاومتی
۲-۱۳-۱ آزمایش مقاومت فشاری تک محوری (UC)
آزمایش مقاومت فشاری تک محوری ، حالت خاصی از آزمایش سه محوری است که در آن فشار همه جانبه روی نمونه حذف شده و نمونه تنها تحت بارگذاری محوری که یک تنش اصلی ایجاد خواهد کرد ، قرار می گیرد.
اصولا نمونه های خاکی قابل استفاده در این آزمایش ، رس های اشباعی هستند که در شرایط زهکشی نشده بارگذاری می شوند. با توجه به شرایط عنوان شده برای این آزمایش ، می توان انتظار داشت که پوش گسیختگی حاصله افقی بوده و تنها پارامتر مقاومتی بدست آمده می باشد. مقدار در شرایط این آزمایش صفر بدست می آید و لذا فقط با یک آزمایش مقدار برآورد می گردد.
در هر صورت از این آزمایش می توان در تخمین مقاومت برشی تحکیم نیافته و زهکشی نشده نمونه های دست خورده و متراکم خاکریز و نمونه های دست نخورده پی استفاده کرد.
۲-۱۳-۲ آزمایش سه محوری
آزمایش سه محوری یکی از متداولترین آزمایش های ژئوتکنیک است که متناسب با حالات مختلف تحلیل ، به سه روش انجام می شود.
۲-۱۳-۲-۱ آزمایش سه محوری تحکیم نیافته – زهکشی نشده (UU)
در این آزمایش نمونه ها تحت شرایط تحکیم نیافته و زهکشی نشده ، بارگذاری و گسیخته می شوند. پارامترهای حاصل از این روش آزمایش ، می باشند. این آزمایش بر روی نمونه های با درجه اشباع مختلف قابل انجام است و انجام آن تحت رطوبت اشباع و نیمه اشباع با رطوبتی متناسب با درصد رطوبت محلی متداول است. یک نکته حائز اهمیت این است که در نمونه های نیمه اشباع تحت فشارهای همه جانبه بالا و نیز بارگذاری محوری ، درصد رطوبت نمونه ها افزایش پیدا می کند و حتی ممکن است به درصد اشباع برسد. پارامترهای مقاومتی بدست آمده از این آزمایش ، شدیدا تحت تاثیر شرایط تراکمی نمونه ( انرژی و رطوبت تراکم نمونه ) تغییر می کنند.
۲-۱۳-۲-۲ آزمایش سه محوری تحکیم یافته – زهکشی نشده (CU)
در این آزمایش ، پارامترهای ودر صورت اندازه گیری فشار آب حفره ای حین بارگذاری محوری CU بدست می آیند. در این صورت بدون انجام آزمایش سه محوری CD که بسیار وقت گیر است ، پارامترهای مقاومتی متناسب با حالت تحکیم نیافته – زهکشی نشده با دقت قابل قبولی بدست می آیند.
۲-۱۳-۲-۳ آزمایش سه محوری تحکیم یافته – زهکشی شده (CD)
در این روش انجام آزمایش سه محوری ، نمونه ابتدا تحت فشار همه جانبه تحکیم می یابد و سپس به آهستگی تحت بارگذاری انحرافی قرار می گیرد و در همین حال شرایط زهکشی برای نمونه فراهم می گردد. پارامترهایی که از این آزمایش ها بدست می آیند ، هستند که از آزمایش CU و با اندازه گیری فشار آب حفره ای نیز می توان آنها را بدست آورد.
۲-۱۳-۳ آزمایش برش مستقیم
آزمایش برش مستقیم را می توان بر روی خاک های ریزدانه و درشت دانه و به دو روش کند و تند انجام داد. نتایج حالات تند و کند این آزمایش در خاکهای درشت دانه یکسان است ولی برای خاک های ریزدانه ، شرایط آزمایش تند ، مشابه آزمایش سه محوری UU و شرایط آزمایش کند مشابه آزمایش سه محوری CD می باشد. در پروژه های بزرگ تلفیق نتایج برش مستقیم و سه محوری در انتخاب پارامترهای مقاومت برشی مفید خواهد بود.
در هر صورت برای همگی این آزمایشات انطباق شرایط نمونه از لحاظ دست خوردگی نمونه ، درصد رطوبت نمونه آزمایش ،نزدیک بودن تنش های ایجاد شده در نمونه آزمایش ، نزدیک بودن تنش های ایجاد شده در نمونه حین آزمایش به تنش های تخمینی محلی و غیره تاثیر زیادی در نتایج حاصله دارد.
در نهایت قضاوت مهندسی نقش تعیین کننده ای در تعیین شرایط آزمایش و استخراج پارامترهای مدل رفتاری دارد.
۲-۱۴ نحوه اختصاص پارامترهای مکانیکی به هر یک از مراحل مختلف تحلیل پایداری
در سدهای خاکی نظیر سازه های دیگر ، حالت های مختلف ممکن برای بارگذاری بررسی و کنترل پایداری برای هریک از آنها صورت می گیرد و ضریب اطمینان لازم برای هر مرحله کنترل می گردد. شرایط بارگذاری در سدهای خاکی به نحوه ساخت سد (برنامه زمانی عملیات ساخت) ، عملکرد مخزن در بهره برداری و غیره بستگی دارد. بدین ترتیب شرایط زیر به عنوان حالات بحرانی در بررسی پایداری سدهای خاکی عنوان می شود:
حین ساخت و پایان مرحله ساخت سد
تراوش پایدار
تخلیه سریع
تراوش پایدار با مخزن نیمه پر
در برخی از این حالات فقط یکی از دو شیب بالا دست و پایین دست بحرانی می شوند[۱۲] .
۲-۱۵ پارامترهای مکانیکی مرتبط با شرایط مختلف ساخت و بهره برداری از سد خاکی
۲-۱۵-۱ پایان مرحله ساخت
در حین ساخت و نیز پایان مرحله ساخت سد خاکی ، هسته سد شامل فازهای سه گانه هوا ، آب و درات خاک می باشد. همزمان با ساخت بدنه سد در اثر وزن لایه های فوقانی ، حفره های خاک فشرده تر شده و سبب کاهش حجم هوای حفره ای (در اثر تراکم بیشتر) و کاهش میزان آب حفره ای در اثر تحکیم می شود. این مسئله سبب افزایش تدریجی درجه اشباع محیط می گردد. در سدهای کوتاه با توجه به زمان کوتاه ساخت ، فرض تحکیم نیافتگی مصالح هسته به واقعیت نزدیک است. در سدهای بلند که زمان ساخت نسبتا طولانی دارند در حین ساخت بخشی از آب حفره ای از هسته خارج شده و هسته اندکی تحکیم می یابد. انتخاب پارامترهای مقاومت برشی در شرایط حین ساخت از نتایج آزمایش UU روی نمونه های اشباع بسیار محافظه کارانه و غیر اقتصادی است. یک روش بهتر ، استفاده از نتایج بدست آمده از آزمایش UU روی نمونه های نیمه اشباع است. یک پارامتر مفید برای تخمین زهکشی در طول ساخت یک سد ، ضریب زمان بدون بعد T است که توسط رابطه (۲-۷)بیان می گردد :
(۲-۷)
که در آن ضریب تحکیم ،t زمان ساخت و D طول مسیر زهکشی است. در صورتی که T از ۳ بزرگتر باشد می توان بارگذاری را زهکشی شده فرض کرد. در صورتی که T از ۰۱/۰ کوچکتر باشد وضعیت به صورت بدون زهکشی می باشد و چنانچه T بین مقادیر فوق قرار گیرد ، هر دو حالت با و بدون زهکشی را باید ملحوظ داشت.
برای انتخاب پارامترهای مقاومت برشی در خاک های دانه ای برای کلیه شرایط تحکیمی و زهکشی ، فقط از پارامترهای مکانیکی تنش موثر استفاده می شود.