دانلود مقاله پدیده روانگرایی خاک

از سال 1960 میلادی مهندسین نقش خاک را در رفتار سازه¬ها هنگام زلزله بیشتر مورد توجه قرار داده¬اند.

تا به حال چندین حادثه¬ی فاجعه بار از قبیل زلزله¬¬های سال 1964 آلاسکا، سال 1967 کاراکاس و ونزوئلا، سال 1976 گواتمالا و غیره، خسارت¬های زیادی ناشی از خاصیت روانگرایی خاک به ابنیه¬ی مسکونی، سدها، پل¬ها و غیره بجا گذاشته است.

به همین دلیل از آن سال¬ها به بعد مطالعات و پژوهش¬های زیادی در این زمینه انجام شده، که به بررسی و جمع¬آوری اطلاعاتی در این زمینه پرداخته ام .

 پدیده روانگرایی خاک
روانگرایی خاک () پدیده ای است که بدلیل کاهش سختی و مقاومت خاک در اثر وارد آمدن نیروی زلزله یا یک بارگذاری سریع صورت می گیرد.

روانگرایی خاک و پدیده های مرتبط با آن در زلزله های سالیان گذشته صدمات زیادی را در سراسر جهان وارد کرده اند.

روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد .

آب موجود بین ذرات خاک فشاری را به ذرات خاک وارد می کند که این فشار سبب می شود ذرات خاک بطور محکم بهم فشرده شوند.

پیش از زلزله فشار آب نسبتآ کم است اما با وقوع لرزش زلزله فشار آب افزایش یافته بطوریکه ذرات خاک بسرعت در کنارهم شروع به حرکت می کنند.

هرچند اغلب لرزش زمین سبب افزایش فشار آب منفذی می گردد اما فعالیت های مرتبط ساختمانی همانند انفجار یا آبگیری مخازن و بطور کلی تغییر در تنش ارتجاعی زمین از طریق بارگذاری و باربرداری نیز می تواند سبب روانگرایی در خاک گردد.

با وقوع روانگرایی مقاومت خاک کاهش یافته و توانایی خاک زیر پی برای حفظ پایداری ساختمانها و پلها از بین می رود.

همچنین خاک روان شده پشت دیوارهای حائل می تواند سبب نشست و تخریب دیوار حائل گردد.چنانچه افزایش فشار آب منفذی در پشت سدها نیز میتواند سبب زمین لغزه و شکستن سدها گردد.

روانگرایی خاک در بسیاری از زلزله های سالیان گذشته مشاهده شده است.

به عنوان نمونه می توان به زلزله های آلاسکا () ، نیگاتا () ، لوماپرییتا () و کوبه () اشاره کرد.
بدلیل اینکه روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد این پدیده معمولا در مناطق نزدیک آب همانند رودخانه ها،دریاچه ها ،خلیج هاو اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد.

اثرات این پدیده عمدتا در مناطق نزدیک آب شامل لغزش عمده خاک بسمت ساحل و فرونشست آن همانند دریاچه مرسید(Lake Merced) در ۱۹۵۷ و یا حرکت زمین و ایجاد ترک در ساحل دریا در اثر تنش اضافی همانند رودخانه موتاگوا (Motagua River) در زلزله ۱۹۷۶ گواتمالا می باشد.

صدمه به دیوارهای نگهدارنده بنادر و باراندازها با ایجاد فشار به خاک پشت آنها و هل دادن آن به سمت آب از دیگر صدماتی است که روانگرایی در مناطق نزدیک سواحل ایجاد می کند بطوریکه در زلزله ۱۹۹۵ کوبه ژاپن روانگرایی خاک صدمه اصلی را به امکانات و تجهیزات بندر کوبه وارد کرد.

 معرفی روانگرایی:
در محل¬هایی که خاک از دانه¬های سست تشکیل شده است، تمایل به فشرده شدن می¬تواند به ایجاد فشارهای آب منفذی یا اضافی در خاک منتهی شود و اندازه¬ی این فشارهای اضافی می¬تواند به قدری زیاد باشد که موجب روانگرایی خاک و در نتیجه¬ی ایجاد نشست و چرخش در ساختمان¬ها شود.

مانند: روانگرایی توده¬های خاک¬های ماسه¬ای سست اشباع، در زلزله¬ی 1964 نیگاتای ژاپن.
یکی از عمده¬ترین عوامل خسارت به سازه¬ها در هنگام زلزله ایجاد روان¬گرایی در توده¬های خاک¬های ماسه¬ای است که به شکل¬های زیر مشاهده می¬شود:
حالت اول جوشش خاک و تشکیل منافذ خروج گل در سطح زمین به وسیله¬ی¬¬ تراوش آب از داخل ترک¬های زمین.
حالت دوم در پاره¬ای موارد با ایجاد شرایطی شبیه به ماسه¬ی فرز (Quick sand) در مساحت¬های وسیع.
در حالت دوم ممکن است ساختمان¬ها به میزان زیادی در زمین فرو رفته یا کج شوند.
علت اساسی روانگرایی ماسه¬ها ازسال¬ها پیش به صورت کیفی درک شده بود چنانچه ماسه¬ی اشباع، تحت تأثیر ارتعاشات زمین قرار گیرد، میل به متراکم شدن و کاهش حجم می¬نماید.
در صورت عدم امکان زهکشی، تمایل به کاهش حجم منجر به افزایش فشار منفذی می¬شود و اگر این افزایش به حدی برسد که فشار منفذی مساوی فشار سر بار شود، تنش مؤثر صفر شده و ماسه همه¬ی مقاومت خود را از دست می¬دهد و به حالت روان در می¬آید.
در حال حاضر علت اساسی روانگرایی خاک¬های غیرچسبنده اشباع در هنگام زلزله ایجاد فشار هیدرواستاتیکی ناشی از اعمال تنش¬های برشی دوره¬ای مربوط به حرکت-های زمین در نظر گرفته می¬شود.
با آگاهی از ویژگی¬های تنش کرنش، ویژگی¬های تغییر حجم ماسه تحت شرایط کرنش دوره¬ای و ویژگی¬های واگشت ماسه در اثر تقلیل تنش، می¬توان مکانیسم را به طور کمی بیان نمود، به نحوی که افزایش فشارهای منفذی در اثر هرگونه تاریخچه¬ی اعمال تنش¬ها را بتوان محاسبه نمود.

با نزدیک شدن فشار آب منفذی به مقداری معادل فشار محصور کننده اعمال شده ماسه شروع به تغییر شکل می¬کند.

چنانچه ماسه شل باشد، فشار منفذی فوراً به مقداری معادل فشار محصور کننده خواهد رسید و ماسه سریعاً شروع به تغییر شکل¬های زیادی می¬کند به نحوی که کرنش¬های برشی می¬توانند از 20 درصد نیز بیشتر شوند.

در صورتی¬که ماسه بدون انسجام و مقاومت، تغییر شکل¬های عملاً نامحدودی بیابد،آنگاه گفته می¬شود که روانگونه شده است.

بنابراین در هر قسمت از نهشته که شرایط فوق و تغییر شکل¬های ارتعاشی زلزله فراهم بشود،ممکن است،روانگرایی روی دهد.

قسمت روانگونه شده می¬تواند در سطح یا عمق معینی از زمین قرار داشته باشد که تنها به وضعیت ماسه و حرکات ایجاد شده بستگی دارد.
لازم به ذکر است که ماسه¬های سیلتی و سیلت¬ها که بیشتر مسایل روانگرایی در آن¬ها مطرح است، اثرات امحاء فشارهای منفذی در هنگام زلزله اهمیت ندارند.
بنابراین ارزیابی روانگرایی یا تحرک دوره¬ای خاک معمولاً بر مبنای این فرض انجام می¬شود که کلیه¬ی لایه-های ماسه¬ای در هنگام تکان¬های زلزله زهکشی نشده هستند، در صورتی¬که تحت شرایط زهکشی نشده بتوان نشان داد که همه¬ی لایه¬های نیم رخ خاک، حاشیه¬ی ایمنی کافی در برابر ایجاد روانگرایی یا تحرک دوره¬ای دارند، آنگاه هیچگونه فشار منفذی اضافی ایجاد نخواهد شد، درنظر گرفتن امحاء فشارهای منفذی اضافی غیرضروری می¬شود از استدلال اخیر در تدوین روش¬های ارزیابی روانگرایی نهشته¬های خاکی استفاده می¬شود.

• عوامل ویژه¬ای که در ارزیابی روانگرایی باید در نظر گرفته شوند
پتانسیل روانگرایی هر توده¬ی خاکی با ترکیبی از ویژگی¬های خاک، عوامل محیطی و ویژگی¬های زلزله¬ی محتمل، کنترل می¬شود از جمله¬ی عوامل ویژه¬ای که در ارزیابی روانگرایی باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از:
الف ویژگی¬های خاک:
1 ویژگی¬های دانه¬بندی و دانه¬ها
2 مدول برش دینامیکی
3 دانسیته نسبی
4 ویژگی¬های میرایی
5 وزن مخصوص
6 ساختار خاک
ب عوامل محیطی:
1 نحوه¬ی تشکیل خاک
2 تاریخچه¬ی زلزله
3 تاریخچه¬ی زمین¬شناسی
4 ضریب فشار جانبی خاک
5 عمق تراز آب
6 فشار محصور کننده¬ی مؤثر
ج ـ ویژگیهای زلزله: 1ـ شدت تکان زلزله 2ـ مدت دوام تکانهای زمین بعضی از این عوامل را نمیتوان مستقیماً تعیین نمود، اما اثرات آنها را میتوان با انجام آزمایشهای بارگذاری دورهای بر روی نمونههای دست نخورده و یا با اندازهگیری ویژگیهای روانگرایی خاک به وسیله نوعی روش آزمایش در جا در ارزیابیها منظور نمود با درک کامل این حقیقت، روش اساسی ارزیابی شامل مراحل زیر است: 1ـ تعیین تنشهای برشی دورهای ایجاد شده توسط حرکتهای زمین در اثر زلزله در عمقهای مختلف تودهی خاک و تبدیل تاریخچههای غیرمنظم تنش به تعداد معادل دورههای تنش یکنواخت با این روش شدت تکانهای زمین مدت دوام آن و تغییرات تنشهای برشی دورهای در عمق در نظر گرفته میشوند.

محاسبات این مرحله میتواند با تحلیل پاسخ زمین (Ground Response Analys) با داشتن وزن مخصوص، مدول دینامیکی و ویژگیهای میرایی لایههای خاک انجام شود.

محاسبات این مرحله به نمایش تراز تنش برشی یکنواخت معادل به صورت تابعی از عمق منتهی میشود.

2ـ تعیین تنشهای برشی دورهای که در صورت اعمال آنها به تعداد دورههای تعیین شده در مرحله قبل باعث روانگرایی خاک خواهند شد.

مساوی گرفتن تعداد دورههای اعمال تنش با تعداد تعیین شده در مرحلهی قبل به منظور ایجاد مشابهت با شرایط زلزله خاص در نظر گرفته شده برای تحلیل است.

این مرحله برای لایههای مختلف در عمقهای مختلف باید انجام شود.

تعیین تنشهای برش دورهای مربوط به این مرحله از طریق آزمایشهای آزمایشگاهی برش دورهای بر روی نمونههای دست نخورده، تحت فشارهای محصور کنندهی مختلف قابل انجام است هر یک از آزمایشهای برش ساده، دورهای سه محوری برای این منظور قابل استفاده است، مشروط بر آنکه نتایج این آزمایشها برای تطبیق با شرایط بارگذاری محلی به نحو مناسبی تصحیح شوند.

3ـ مقایسه میان تنشهای برشی ایجاد شده توسط زلزله با تنشهای مورد نیاز برای ایجاد روانگرایی، احتمال روانگرایی در قسمتهایی از توده خاک وجود دارد که در آنها تنشهای ایجاد شده بیش از تنشهای مورد نیاز برای ایجاد روانگرایی باشند.

در استفاده از این تکنیک، روشهای مختلفی برای انجام تحلیل پاسخ زمین قابل استفاده هستند و ممکن است که تحلیلها در طی چند مرحله انجام شوند، تا با افزایش فشارهای منفذی، ویژگیهای تغییر شکل خاک به تناسب تغییر یابند.

در بیشتر موارد اصلاح اخیر لازم نیست، زیرا تا آستانهی روانگرایی، ویژگیهای خاک تغییر زیادی نخواهد کرد.

آزمایش برش ساده سیکلی در شکل شمارهی (1) رفتار ماسهی سستی با دانسیتهی نسبی Dr = 50% و فشار محصور کننده اولیه با فرکانس یک دوره در ثانیه، مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

در مراحل ابتدایی اعمال تنشهای دورهای فشارهای منفذی در نمونه افزایش مییابد، اما تغییر شکل مهمی ایجاد نمیشود.

بعد از چند دوره فشار منفذی تا حد تنش، محصور کنندهی قائم، افزایش مییابد و تنش مؤثر را صفر میکند، در همان زمان نمونه، شروع به تغییر شکلهای زیادی میکند.

تعداد دورههای تنش لازم برای روانگرایی نمونه بستگی به بزرگی تنش برشی و فشارمؤثر اولیه قائم، برای تحکیم نمونه دارد، در این آزمایش معمولاً شرایط بحرانی هنگامی درنظر گرفته میشود که نسبت فشار منفذی به 100% و کرنش برشی دورهها به برسد، اطلاعات فوق در شکل آمده است.

بعد از انجام آزمایش در تعداد دورههای معرف زلزله، تنش برشی به دست آمده از آن تعداد دوره را بر روی نمونه رسم کرده و سپس میتوان نسبت تنش برشی دورههایایجادکننده روانگرایی برای تعداد دورههای معرف زلزله را به راحتی به دست آورد.

در انجام این آزمایش نکاتی وجود دارد که باید به آن توجه کرد: 1ـ انتخاب نمونهای که بتواند معرف خاک مورد نظر باشد.

2ـ اجتناب از تمرکز تنش در نمونهها و نگهداری تنشها و کرنشهای یکنواخت در هنگام انجام آزمایش.

3ـ به دست آمدن نمونههای دست نخورده.

لازم به ذکر است که در بند 3 برای تحقق این امر باید از تکنیک گران قیمت انجماد خاک قبل از نمونهگیری استفاده شود.

وضعیت تنشهای اولیهی نمونه در دستگاه برش ساده در شکل دیده میشود و دایرهی موهر مربوطه در شکل نشان داده شده است.

توجه کنید که حداکثر تنش برشی درنمونه در برش ساده نیست بلکه: آزمایش فشار سه محوری سیکلی این آزمایش به خوبی آزمایشهای برشی سادهی سیکلی شرایط محلی را شبیهسازی نمیکند.

برای شبیهسازی شرایط محلی قبل از زلزله، نمونهها ابتدا تحت فشار محصور کننده سه جانبهقرار میگیرند و تحکیم میشوند و سپس تحت اثر تنش انحرافی و سیکلی (دورهای) قرار میگیرند و با استفاده از دادههای آزمایش میتوان مقادیر نسبت تنش دورهای ایجاد کننده روانگرایی را برای تعداد دورهی مورد نظر اعمال تنش، تعیین نمود.

حاصل از سه محوری ( ضریب تصحیح): Cr (تنش همه جانبه): مقدار تقریبی Cr در زیر نشان داده شده است (ko فشار جانبی خاک): Cr=0.57→ko=0.4 Ko=1→Cr=1-0.9 حالتهای مختلف در آزمایش سه محوری در اشکال قبل به صورت المانهایی در قسمت الف وب و ج توضیح داده شده است.

اما در صورتیکه در نمونهها باریک شدگی “Necking” ایجاد شود و یا در مراحل قراردادن نمونه در دستگاه شرایط غیریکنواختی به وجود آید، نتایج غیرقابل اعتماد خواهند بود.

اثرات دست خوردگی نمونه بر دادههای آزمایشهای دورهای ویژگیهای بارگذاری دورهای ماسههای طبیعی از عوامل زیر تأثیر زیادی میپذیرند: 1ـ ساختار خاک و نحوهی آرایش دانهها 2ـ دانسیتهی نسبی خاک 3ـ سمانتاسیون موجود در محل تماس دانهها مجموعهی این عوامل ظاهراً تغییر کمی را در مقاومت بارگذاری دورهای ماسه ایجاد میکند.

اما در ماسههای متراکم اثرات دست خوردگی نمونه باعث حجم و اتساع “Dilation” ماسه و شکسته شدن سمانتاسیون موجود در محل تماس دانهها میشود و هر دوی این عوامل باعث کاهش در مقاومت بارگذاری دورهای میشود و در نتیجهی مقاومت در مقابل روانگرایی از مقدار واقعی کمتر محاسبه میشود و در حالتهای فوق دایرهی موهر (1) از حالتهای رسم شده، نشان دهندهی ایجاد شده در خاک مورد مطالعه است.

کاربرد دادههای آزمایشهای بارگذاری سیکلی در ارزیابی قابلیت روانگرایی خاک حال با ارائهی یک مثال از مطالعهی خسارتهای نیگاتای ژاپن کاربرد دادههای آزمایشهای دورهای بارگذاری در ارزیابی قابلیت روانگرایی نهشتههای خاکی روشنتر خواهد شد.

در زلزلهی سال 1964 نیگاتای ژاپن در یکی از مناطق هیچگونه روانگرایی روی نداد و در منطقهای دیگر روانگرایی در مقیاس وسیعی روی داد.

پروفیل خاک هر دو منطقه و تراز آب زیرزمینی هر دو منطقه شبیه