חולות מסוכנים

שום דבר לא היה יכול להרוס את החופשה של ריקרדו בוני בן ה-17 ומשפחתו, איטלקים מן השורה שרק רצו ליהנות מחוף הים בחבל לאציו, מצפון לרומא. ריקרדו ואחיו הקטנים חפרו בחול על שפת הים, בור שעומקו הגיע למטר וחצי. לפתע, ללא התראה מוקדמת, קרס הבור כשריקרדו בתוכו. אביו של ריקרדו החל לחפור בידיים חשופות כדי לחפש את בנו, בעזרת המצילים ורוחצים שחשו לעזרה. לאחר ארבעים דקות מצאו את ריקרדו ללא רוח חיים.

המקרה אולי נשמע חריג ונדיר, אבל אלה הם לא פני הדברים. אמנם אין מסד נתונים של קריסות חול קטלניות, אבל התבוננות בכותרות העיתונים לאורך השנים האחרונות מעלה תמונת מצב עגומה: בארצות הברית לבדה נהרגים כל שנה 3-2 בני אדם בממוצע מקריסת חול בחופי רחצה. המספרים מפתיעים, וגם ההסבר מפתיע.

שאלה של שיפוע

התחפרות בחול עשויה להיראות חוויה נחמדה ולא מזיקה. בסופו של דבר כולנו שיחקנו בארגז החול בגן הילדים או בחוף הים, והמפגש שלנו עם חול הוא די יומיומי, לפחות עד גיל מסוים. אלא שרוב החול שאנחנו פוגשים מסודר בצורה מישורית ויציבה, ואנחנו לא תופסים אותו כמקור סכנה. ואולם בהנדסה גאוטכנית יש תחום מחקר שלם שנקרא “יציבות שיפועים” (Slope stability), שמתמודד עם שאלות מעשיות בתחבורה, תעשיית הכרייה, בניית מאגרי מים, הגנת חופים ותכנון ביצורים. השאלות הללו עוסקות בחלוקת העומסים הנכונה בעת הקמה של תלוליות חול וסלעים, מאחר שכל מקום שיש בו שיפוע – חבויה בו גם סכנת התמוטטות פוטנציאלית, בין אם בשל סיבה גאולוגית, הידרולוגית, סייסמית או בשל פעילות האדם.

חוזקה של קרקע הבנויה כשיפוע, מתאר את יכולתו של השיפוע לעמוד איתן בלי לקרוס תחת הכוחות הפנימיים הפועלים בין שכבות הקרקע השונות. כתלות בגאומטריה של הבעיה ובסוג הקרקע, יש שיפוע קריטי, שעבורו הכוחות הפנימיים בין שכבות הקרקע יהיו בלתי מאוזנים, כך שהשכבות יחליקו זו על זו והשיפוע כולו יקרוס.

גודלו של כוח החיכוך הנדרש לקריסת השיפוע ומה שמעליו נמדד בתור זווית, שנקראת, איך לא, זווית החיכוך (Friction angle). היא מבטאת את היחס בין משקלן של שכבות החול זו על זו, לבין כוח החיכוך האופקי, שפועל בין השכבות. מניסיון יומיומי מובן שכאשר נלחץ בכוח על דף נייר המונח על שולחן, ובאותה עת ננסה למשוך אותו אופקית, ניתקל בקושי. זה בדיוק מה שזווית החיכוך מתארת.

יבש ורטוב

עבור חול יבש זווית החיכוך שווה לזווית המנוחה (Angle of repose), זו הזווית הגדולה ביותר בין קצה התלולית לבין המישור שעליו היא מונחת, כלומר הזווית שבה גרגרי החול יכולים להיערם לערימה יציבה בלי שהיא תקרוס או שהחול יתחיל להתגלגל במורד. השוויון הזה מתאר למעשה קשר בין גודל מקרוסקופי – זווית המנוחה – לגודל מיקרוסקופי שהוא זווית החיכוך. המשמעות המעשית שלו היא שאם נוסיף לתלולית שלנו עוד חול מלמעלה, הגובה יגדל מהר יותר מהבסיס, השיפוע יהפוך לתלול יותר, וגרגירי החול החדשים ידרדרו מטה, לפחות עד שהבסיס יהיה רחב מספיק. לכן בדרך כלל לא בונים ארמונות מחול יבש – כל תוספת קטנה יכולה לפגוע באיזון העדין בין הכוחות. 

כאשר מים מחלחלים בין גרגרי החול נוצרים ביניהם כוחות נוספים, שמכונים כוחות קוהזיה (cohesion) שמתווספים לחיכוך ולמשקל. גם כושר היניקה המרשים של החול –  כלומר יכולתו לקלוט כמות גדולה של מים, משפיע על מאזן הכוחות. 

הקוהזיה הופכת את החול ליותר קל לעיצוב, ולכאורה ליותר עמיד. אבל זה לא בדיוק כך: החול הרטוב אמנם שימושי יותר לבניית ארמונות, תעלות ושאר נכסי דלא ניידי, אבל העמידות שלו מוגבלת. את המגבלה הזו אנו רואים היטב כאשר אנו צועדים על החול הרטוב בקו המגע הראשון עם הים. החול הרטוב דחוס יותר מהיבש, ונדמה לנו שהוא עמיד יותר. אבל טביעות רגלינו יוצרות בו מעין אדוות שגדולות מטביעת הרגל עצמה, בגלל שעומס הדריכה שלנו מעלה את לחץ המים הכלואים בין גרגירי החול. הלחץ דוחף את המים החוצה מהאזור הדחוס, מה שמביא עמו גם תנועה של החול ושינוי בפני השטח סביב טביעת הרגל. 

בבנייה של ארמונות חול, או בחפירה בחול האיזון העדין יכול להיות מופר תוך רגע. מספיק שינוי קל במפלס המים, בגלל גאות או שפל, והמבנה שנראה לנו חסין מכל פגע, פשוט מתמוטט. אגב, שבריר שנייה לפני שהקריסה מתרחשת, השיפוע מקבל עיוות פתאומי, ולכן התופעה זכתה לשם Brittle failure, או בתרגום חופשי “כשל שביר”.

מי שאתרע מזלו להיקבר בקריסת חול, סיכוייו לשרוד אינם גבוהים, למרבה הצער. חול יבש צפוף בערך פי שניים וחצי ממים, כך שקשה מאוד להיחלץ ממסת חול שנופלת עליך, גם אם לא מדובר בטונות רבות.  בארצות הברית צוותי הצלה בחופים מקבלים הנחיות סדורות כיצד להתמודד עם קריסת חול כזו.

מה אנחנו יכולים לעשות כדי למנוע אסון כזה? בחפירות הנדסיות ועבודות עפר יש תקנות ברורות, והן נעשות בפיקוח מהנדסים שזו התמחותם. על שפת הים, כלל האצבע הפשוט הוא לא לחפור תעלה עמוקה מדי – ואם כבר חפרתם, אל תיכנסו אליה. המשך קיץ נעים ובטוח!