برسی سیل مرگبار نپال از نگاه ژئوتکنیکی

یخ‌نهشت‌ها و رسوبات یخچالی رودخانه‌ای

یخ‌نهشت‌ها یا رسوبات یخچالی مجموعه‌ای از مصالح سنگی و خاکی هستند که در اثر حرکت، فرسایش و ذوب یخچال‌ها ایجاد و نهشته می‌شوند. یخچال در هنگام حرکت، قطعات سنگ را از بستر و دیواره‌های دره جدا کرده و مصالحی با ابعاد بسیار متفاوت، از رس و سیلت تا شن، قلوه‌سنگ و تخته‌سنگ، با خود حمل می‌کند. پس از توقف یا عقب‌نشینی یخچال، این مواد یا مستقیماً از یخ آزاد می‌شوند و یا توسط آب حاصل از ذوب یخچال مجدداً حمل و دانه‌بندی می‌شوند. همین تفاوت در عامل نهشته‌گذاری، مبنای اصلی تفکیک رسوبات یخچالی مستقیم (Glacial Till) از رسوبات یخچالی–رودخانه‌ای یا Fluvioglacial Deposits است.

تیل (Till) مهم‌ترین رسوبی است که مستقیماً توسط یخچال نهشته می‌شود. این مصالح معمولاً فاقد لایه‌بندی، بسیار بددانه‌بندی و شامل مخلوطی از رس، سیلت، ماسه، شن، قلوه‌سنگ و حتی تخته‌سنگ‌های بزرگ هستند. بنابراین در یک گمانه ممکن است خاک ریزدانه نسبتاً سخت مشاهده شود و در فاصله کوتاهی، توده‌ای از شن و قلوه‌سنگ یا یک تخته‌سنگ بزرگ قرار گرفته باشد. تیل‌های زیر یخچالی بر اثر فشار و حرکت جرم یخ می‌توانند بسیار متراکم و سخت باشند، در حالی که تیل‌های نهشته‌شده در زمان ذوب یخ معمولاً وضعیت سست‌تر و ناهمگن‌تری دارند. از دید ژئوتکنیکی، مهم‌ترین مشخصه آنها ناهمگنی شدید، تغییرپذیری نفوذپذیری و مقاومت و دشواری پیش‌بینی شرایط حفاری است. وجود بولدرهای بزرگ نیز در عملیات شمع‌کوبی، حفاری شمع و گودبرداری مشکلات جدی ایجاد می‌کند. USGS تیل را رسوبی عمدتاً بدون لایه‌بندی و بددانه‌بندی معرفی می‌کند که اندازه ذرات آن می‌تواند از رس تا تخته‌سنگ تغییر کند.

با ذوب شدن یخچال، حجم زیادی از آب با انرژی نسبتاً بالا از جبهه یا زیر یخچال خارج می‌شود. این جریان‌ها مصالح یخچالی را دوباره حمل و بر اساس اندازه دانه تفکیک می‌کنند و در نتیجه رسوبات یخچالی–رودخانه‌ای شکل می‌گیرند. برخلاف تیل، این رسوبات معمولاً دارای لایه‌بندی مشخص‌تر و دانه‌بندی بهتر هستند و بخش عمده آنها از ماسه و شن تشکیل شده است. رسوبات Outwash در جلوی یخچال و در دشت‌های آب‌شستگی تشکیل می‌شوند؛ در قسمت نزدیک به یخچال معمولاً شن، قلوه‌سنگ و ماسه درشت غالب است و با افزایش فاصله از جبهه یخچال، اندازه دانه کاهش یافته و ماسه، سیلت و نهایتاً رس افزایش می‌یابد. این رسوبات اغلب دارای لایه‌بندی افقی و متقاطع، کانال‌های فرسایشی و تغییرات جانبی سریع هستند. به علت درصد زیاد ماسه و شن، عموماً نفوذپذیری بالایی دارند و در بسیاری از مناطق به عنوان آبخوان‌های مناسب عمل می‌کنند.

در گروه رسوبات تماس با یخ، اشکالی مانند اِسکر (Esker)، کِیم (Kame) و رسوبات تماس با یخ تشکیل می‌شوند. اسکرها پشته‌های باریک و طویلی از ماسه و شن هستند که در مسیر رودخانه‌های جاری درون یا زیر یخچال نهشته شده‌اند؛ در حالی که کِیم‌ها عمدتاً تپه‌ها یا توده‌های نامنظم ماسه و شن هستند که در حفرات و کنار یخچال تشکیل شده‌اند. به دلیل ذوب شدن یخی که در مجاورت یا زیر این رسوبات قرار داشته، ساختار آنها می‌تواند دچار نشست، گسل‌خوردگی موضعی و تغییرشکل پس از نهشته‌گذاری شده باشد. همچنین در دریاچه‌های ایجادشده در مقابل یخچال، رسوبات یخچالی–دریاچه‌ای (Glaciolacustrine) شامل ماسه ریز، سیلت و رس تشکیل می‌شوند. مشخصه بارز برخی از این رسوبات، لایه‌های نازک متناوب موسوم به وارو (Varve) است. از دید مهندسی، این رسوبات ریزدانه می‌توانند تراکم‌پذیر، کم‌نفوذ و در برخی شرایط دارای مقاومت برشی پایین باشند. در مقابل، ماسه و شن‌های Outwash در صورت تراکم مناسب معمولاً ظرفیت باربری مطلوبی دارند، ولی اگر به صورت سست و اشباع باشند، ارزیابی پتانسیل روانگرایی آنها ضروری است.

آبرفت‌های تهران

دشت تهران در دامنه جنوبی البرز قرار گرفته و بخش عمده شهر بر روی مجموعه ضخیمی از رسوبات آبرفتی کواترنر توسعه یافته است. افزایش ارتفاع و انرژی جریان‌ها در شمال تهران سبب شده است که رسوبات قسمت شمالی عموماً درشت‌دانه‌تر باشند و با حرکت به سمت جنوب و کاهش شیب، سهم ماسه، سیلت و رس افزایش پیدا کند. تقسیم‌بندی کلاسیک آبرفت‌های تهران آنها را از قدیم به جدید در چهار واحد اصلی A، B، C و D تفکیک می‌کند.

واحد A یا سازند هزاردره (Hezardareh Formation) قدیمی‌ترین مجموعه آبرفتی تهران است و عمدتاً از کنگلومراهای ضخیم و نسبتاً منظم تشکیل شده است. قلوه‌سنگ‌ها عمدتاً گرد تا نیمه‌گرد بوده و در بسیاری از نقاط به وسیله سیمان کربناته به یکدیگر متصل شده‌اند. این واحد به دلیل سیمانی‌شدگی می‌تواند مقاومت مکانیکی بالایی داشته باشد و در رخنمون‌ها شیب‌های نسبتاً تندی ایجاد کند، ولی شدت سیمانی‌شدگی و هوازدگی در آن یکنواخت نیست. ضخامت واحد A در برخی نقاط به حدود یک کیلومتر یا بیشتر می‌رسد و لایه‌های آن در اثر فعالیت‌های تکتونیکی محلی حتی تقریباً قائم شده‌اند.

واحد B یا سازند کهریزک (Kahrizak Formation) به صورت ناپیوسته بر روی هزاردره قرار می‌گیرد و از نظر جنس و رفتار بسیار ناهمگن‌تر است. در شمال تهران می‌تواند شامل شن، ماسه، قلوه‌سنگ و قطعات سنگی بسیار درشت باشد، در حالی که به سمت جنوب سهم سیلت و رس افزایش می‌یابد. ضخامت و مقاومت این واحد به شدت متغیر است و وجود لایه‌ها و عدسی‌های ریزدانه و درشت‌دانه سبب تغییرات قابل توجه نفوذپذیری و مشخصات ژئوتکنیکی آن می‌شود. در برخی مطالعات منشأ بخشی از رسوبات کهریزک، به‌ویژه وجود قطعات بسیار درشت و ناهمگن، با فرایندهای یخچالی–رودخانه‌ای مرتبط دانسته شده است؛ با این حال تعبیر منشأ تمام واحد B به عنوان رسوب یخچالی قطعی نیست و باید با احتیاط بیان شود.

واحد C یا آبرفت تهران (Tehran Formation) گسترده‌ترین واحد سطحی در بخش زیادی از محدوده شهری تهران است. این واحد عمدتاً از آبرفت‌های بادبزنی شامل شن، قلوه‌سنگ و ماسه با میان‌لایه‌ها و ماتریس ماسه‌ای–سیلتی تشکیل شده و معمولاً لایه‌بندی منظم‌تری نسبت به واحد B دارد. با فاصله گرفتن از ارتفاعات البرز به سمت جنوب، اندازه متوسط دانه‌ها کاهش می‌یابد؛ بنابراین یک واحد C در شمال شهر می‌تواند رفتاری کاملاً درشت‌دانه و مقاوم داشته باشد، در حالی که معادل آن در بخش جنوبی دارای ماسه و سیلت بیشتری باشد. این واحد در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی تهران در گودبرداری‌ها و پی‌ها مشاهده می‌شود و در بخش‌های متراکم و تا حدودی سیمانی‌شده، مقاومت برشی و ظرفیت باربری نسبتاً بالایی دارد.

در نهایت واحد D یا آبرفت جوان و عهد حاضر (Recent Alluvium) شامل جوان‌ترین نهشته‌های رودخانه‌ای، مسیل‌ها و دشت‌های سیلابی تهران است. این رسوبات عموماً ضخامت کمتری داشته، سیمانی‌شدگی آنها ضعیف یا ناچیز است و از شن و ماسه تا سیلت و رس تغییر می‌کنند. به علت جوان بودن و تراکم کمتر، خواص مهندسی آنها از محلی به محل دیگر تغییر زیادی دارد. در قسمت‌هایی که ماسه‌های سست و اشباع وجود داشته باشد، موضوع نشست و روانگرایی اهمیت پیدا می‌کند و در رسوبات ریزدانه جوان نیز تراکم‌پذیری و کاهش ظرفیت باربری باید مورد توجه قرار گیرد.

در مجموع، از دید مهندسی ژئوتکنیک نباید صرفاً با مشاهده عنوان «آبرفت تهران» برای خاک پارامتر واحدی در نظر گرفت. تغییرات شدید جانبی و قائم دانه‌بندی، میزان سیمانی‌شدگی، وجود عدسی‌های ماسه و رس، قلوه‌سنگ و بولدر، سطح آب زیرزمینی و تفاوت میان واحدهای A تا D سبب می‌شود که شناسایی صحرایی، گمانه‌زنی، آزمایش‌های برجا و آزمایشگاهی برای هر پروژه به صورت مستقل ضروری باشد.کیلومتر یا بیشتر می‌رسد و لایه‌های آن در اثر فعالیت‌های تکتونیکی محلی حتی تقریباً قائم شده‌اند.

واحد B یا سازند کهریزک (Kahrizak Formation) به صورت ناپیوسته بر روی هزاردره قرار می‌گیرد و از نظر جنس و رفتار بسیار ناهمگن‌تر است. در شمال تهران می‌تواند شامل شن، ماسه، قلوه‌سنگ و قطعات سنگی بسیار درشت باشد، در حالی که به سمت جنوب سهم سیلت و رس افزایش می‌یابد. ضخامت و مقاومت این واحد به شدت متغیر است و وجود لایه‌ها و عدسی‌های ریزدانه و درشت‌دانه سبب تغییرات قابل توجه نفوذپذیری و مشخصات ژئوتکنیکی آن می‌شود. در برخی مطالعات منشأ بخشی از رسوبات کهریزک، به‌ویژه وجود قطعات بسیار درشت و ناهمگن، با فرایندهای یخچالی–رودخانه‌ای مرتبط دانسته شده است؛ با این حال تعبیر منشأ تمام واحد B به عنوان رسوب یخچالی قطعی نیست و باید با احتیاط بیان شود.

واحد C یا آبرفت تهران (Tehran Formation) گسترده‌ترین واحد سطحی در بخش زیادی از محدوده شهری تهران است. این واحد عمدتاً از آبرفت‌های بادبزنی شامل شن، قلوه‌سنگ و ماسه با میان‌لایه‌ها و ماتریس ماسه‌ای–سیلتی تشکیل شده و معمولاً لایه‌بندی منظم‌تری نسبت به واحد B دارد. با فاصله گرفتن از ارتفاعات البرز به سمت جنوب، اندازه متوسط دانه‌ها کاهش می‌یابد؛ بنابراین یک واحد C در شمال شهر می‌تواند رفتاری کاملاً درشت‌دانه و مقاوم داشته باشد، در حالی که معادل آن در بخش جنوبی دارای ماسه و سیلت بیشتری باشد. این واحد در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی تهران در گودبرداری‌ها و پی‌ها مشاهده می‌شود و در بخش‌های متراکم و تا حدودی سیمانی‌شده، مقاومت برشی و ظرفیت باربری نسبتاً بالایی دارد.

در نهایت واحد D یا آبرفت جوان و عهد حاضر (Recent Alluvium) شامل جوان‌ترین نهشته‌های رودخانه‌ای، مسیل‌ها و دشت‌های سیلابی تهران است. این رسوبات عموماً ضخامت کمتری داشته، سیمانی‌شدگی آنها ضعیف یا ناچیز است و از شن و ماسه تا سیلت و رس تغییر می‌کنند. به علت جوان بودن و تراکم کمتر، خواص مهندسی آنها از محلی به محل دیگر تغییر زیادی دارد. در قسمت‌هایی که ماسه‌های سست و اشباع وجود داشته باشد، موضوع نشست و روانگرایی اهمیت پیدا می‌کند و در رسوبات ریزدانه جوان نیز تراکم‌پذیری و کاهش ظرفیت باربری باید مورد توجه قرار گیرد.

در مجموع، از دید مهندسی ژئوتکنیک نباید صرفاً با مشاهده عنوان «آبرفت تهران» برای خاک پارامتر واحدی در نظر گرفت. تغییرات شدید جانبی و قائم دانه‌بندی، میزان سیمانی‌شدگی، وجود عدسی‌های ماسه و رس، قلوه‌سنگ و بولدر، سطح آب زیرزمینی و تفاوت میان واحدهای A تا D سبب می‌شود که شناسایی صحرایی، گمانه‌زنی، آزمایش‌های برجا و آزمایشگاهی برای هر پروژه به صورت مستقل ضروری باشد.

ارتباط نوع رسوبات با بهسازی خاک

شناخت منشأ و نوع رسوبات، به‌ویژه در نهشته‌های یخچالی–رودخانه‌ای و آبرفت‌های ناهمگن، نقش تعیین‌کننده‌ای در انتخاب روش مناسب بهسازی خاک دارد؛ زیرا تغییرات شدید دانه‌بندی، تراکم، سیمانی‌شدگی و نفوذپذیری می‌تواند عملکرد روش‌های مختلف بهسازی را به‌طور اساسی تغییر دهد. در رسوبات درشت‌دانه سست شامل ماسه، شن و آبرفت‌های جوان، روش‌هایی نظیر تراکم دینامیکی، تراکم ارتعاشی (Vibrocompaction) و در شرایط خاص ستون‌های سنگی می‌توانند برای افزایش تراکم نسبی، ظرفیت باربری و کاهش نشست و پتانسیل روانگرایی مؤثر باشند. در مقابل، در لایه‌های ریزدانه شامل سیلت و رس، روش‌هایی مانند پیش‌بارگذاری، زهکش‌های قائم، اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing) یا تثبیت با مواد افزودنی مناسب‌تر هستند. در نهشته‌های بسیار ناهمگن مانند Till، رسوبات یخچالی–رودخانه‌ای یا برخی آبرفت‌های تهران که ممکن است به‌صورت متناوب شامل رس، ماسه، شن، قلوه‌سنگ، بولدر و لایه‌های سیمانی‌شده باشند، انتخاب روش بهسازی پیچیده‌تر است؛ برای مثال وجود قلوه‌سنگ و بولدر می‌تواند اجرای اختلاط عمیق یا ستون‌های متراکم را دشوار کند و تغییرات نفوذپذیری نیز گسترش دوغاب در عملیات تزریق (Grouting) را نامنظم سازد. ازاین‌رو در چنین زمین‌هایی تعیین روش بهسازی صرفاً بر اساس عنوان زمین‌شناسی واحد رسوبی قابل اتکا نیست و باید پس از شناخت دقیق پروفیل لایه‌بندی، منحنی دانه‌بندی، تراکم یا قوام، نفوذپذیری، سطح آب زیرزمینی و میزان سیمانی‌شدگی انجام شود. به بیان دیگر، در آبرفت‌های تهران و سایر نهشته‌های ناهمگن، بررسی منشأ زمین‌شناسی نه‌تنها برای توصیف خاک، بلکه مستقیماً برای تعیین قابلیت اجرا، عمق تأثیر و اثربخشی روش بهسازی اهمیت دارد.