מודל קונסטרוקטיבי לנזק בסלע גירני פחמתי עם סדק יחיד תחת מחזורי ייבוש–הרטבה ודחיסה טריאקסיאלית

מדוע חשוב סלע סדוק על מדרונות

כבישים ראשיים, קווי ברזל וסכרים באזורים הרריים חוצבים לעתים במדרונות העשויים סלע כהה ופריך הנקרא שאבל פחמתי. כאשר סלע זה משובץ בסדקים ונחשף שוב ושוב למחזורי ייבוש והרטבה — למשל בעונות הגשומות — הוא נחלש בהדרגה. ההיחלשות הנסתרת הזו עלולה ליצור רקע לקריסות ומפולות. מחקר זה מפתח תיאור מתמטי לאופן שבו שאבל סדוק כזה מאבד חוזק בהדרגה תחת שינויי לחות ולחץ משקיעתי, ומסייע למהנדסים לחזות טוב יותר את יציבות המדרונות בטווח הארוך.

סלע שנושם מים פנימה והחוצה

שאבל פחמתי נפוץ בפרויקטים הנדסיים ומפורסם ברגישותו למים. ככל שהוא מתייבש וחוזר לספוג לחות שוב ושוב, הנקבוביות הפנימית מתרחבת ומתחברת, וסדקים קיימים עלולים להתרחב. המחברים מדגישים שמחזוריות זו מפחיתה בהדרגה את חוזק וקשיחות הסלע, ובכך מקטינה את מרווח הביטחון של מדרונות ומתקנים תת־קרקעיים. מחקרים קודמים חקרו כיצד מחזורי רטיבות ופגיעה בסדקים מחלישים סלעים, אך לא היה תיאור יחיד שכלל במקביל את שלוש ההשפעות המרכזיות: מחזורי לחות, כיוון הסדק ולחץ הכנס מהסלע הסובב.

בדיקת שאבל סדוק בתנאים מציאותיים

כדי להתמודד עם הלקה הזו, החוקרים ביצעו סדרת ניסויים במעבדה על קוביות שאבל פחמתי, חלקן שלמות וחלקן עם סדק מלאכותי יחיד בגוונים שונים. הדגימות עברו מספר שונה של מחזורי ייבוש–הרטבה, ולאחר מכן הודחסו תחת לחצי כינוס שונים המדמים את משקל הסלע שמעל. מתוך עקומות מאמץ–עיבוי שהתקבלו — גרפים המציגים כמה הדגימות מעוותות ככל שהעומס עולה — נצפו דפוסים ברורים. יותר מחזורי ייבוש–הרטבה הזיזו את העקומות כלפי מטה, מה שמעיד על הסלע הנחלש, בעוד שלחץ כינוס גבוה הזיז אותן כלפי מעלה והראה תופעת התחזקות ודוקיליות. זווית הסדק שלטה בקלות כישלון הדגימה, כאשר סדק בזווית של כ־45 מעלות גרם לחולשה הגדולה ביותר.

בניית מפת נזק בתוך הסלע

בהסתמך על התצפיות הניסויות הללו, הקבוצה בנתה מודל נזק שלב־אחר־שלב המפריד שלוש תרומות: נזק מיקרוסקופי ממחזורי ייבוש–הרטבה, נזק מקרוסקופי מהסדק הקיים ונזק נוסף המתפתח תחת העמסת הסלע. הם מבטאים כל סוג נזק באמצעות שינויים בקשיחות הסלע ומשלבים אותם למדד נזק "ממוכן" יחיד. חשוב לציין שהם חלקו את תגובת הסלע לשני שלבים. השלב הראשון הוא שלב דחיסה, שבו נקבוביות זעירות ומיקרוסדקים נסגרים והסלע מתקשה. השלב השני הוא שלב התפשטות הנזק, שבו נוצרים מיקרוסדקים חדשים ומתחברים זה לזה, מה שמוביל בסופו של דבר לכשל. גישה מקוטעת זו מאפשרת למודל לעקוב אחר עקומת מאמץ–עיבוי המלאה, כולל הדחיסה הלא־ליניארית ההתחלתית שאותה מודלים קודמים התעלמו ממנה.

חמישה שלבים בדרך לכשל

כשיישמו את המודל על נתוני הניסוי, העקומות החזוייתיות התאימו למדידות באופן הדוק, במיוחד באופן שבו הנזק מתפתח. המודל מראה שנזק בסלע מתקדם דרך חמישה שלבים, היוצרים מסלול בצורת S: שלב יציב ראשוני, תחילת נזק מתונה, שלב האצה מהיר, שלב האטה כשהסלע מתקרב למגבלת החוזק שלו ולבסוף שלב סיום שבו הסלע כמעט ונכשל לחלוטין. העלאת מספר מחזורי הייבוש–הרטבה מזיזה את קימור ה‑S שמאלה, כלומר הסלע מגיע לנזק חמור בעיוותים קטנים יותר. לחץ כינוס גבוה מזיז אותו ימינה, מעכב את הכשל ומאפשר עיוות רב יותר לפני קריסה. זווית הסדק שולטת בכמות הנזק ההתחלתית ובכיוון ההעדפתי שבו הנזק מתפשט, כשחומרת ההשפעה מגיעה לשיא בזווית של כ־45 מעלות.

מה משמעות הדבר למדרונות ומנהרות

במונחים יום־יומיים, המאמר מספק חוק כמותי ל"התמזגות ושבירה" של שאבל סדוק: רטיבות חוזרת מתנהגת כמאיץ נסתר לנזק, לחץ הכינוס פועל כ"חגורת עיגון" שמגבילה, וכיוון סדק מרכזי מכתיב את מסלול הכשל המועדף. על ידי הכללת שלוש ההשפעות במודל אחד המחקה את התנהגות המאמץ–עיבוי במציאות, מהנדסים מקבלים כלי לחיזוי קצב ההתדרדרות של מדרונות שאבל ומעבודות תת־קרקעיות במשך שנים של עונות ומשקלים משתנים. כלי כזה יכול להנחות תכנונים בטוחים יותר, ניטור משופר וחיזוק בזמן לפני ששינויים קטנים וסמויים בתוך הסלע יהפכו לאסונות גדולים וברורים.

ציטוט: Li, Y., Wang, Y., Wang, R. et al. A damage constitutive model of carbonaceous shale containing a single crack under drying-weting cycles and triaxial compression. Sci Rep 16, 12427 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41783-x

מילות מפתח: יציבות מדרונות סלע, מחזורי ייבוש–הרטבה, שאבל סדוק, מידול נזק בסלע, דחיסה טריאקסיאלית