مقاله کامل روانگرایی درخاک ها

مقدمه:
از سال 1960 ميلادي مهندسين نقش خاك را در رفتار سازهها هنگام زلزله بيشتر مورد توجه قرار دادهاند. تا به حال چندين حادثهي فاجعه بار از قبيل زلزلههاي سال 1964 آلاسكا، سال 1967 كاراكاس و ونزوئلا، سال 1976 گواتمالا و غيره، خسارتهاي زيادي ناشي از خاصيت روانگرايي خاك به ابنيهي مسكوني، سدها، پلها و غيره بجا گذاشته است. به همين دليل از آن سالها به بعد مطالعات و پژوهشهاي زيادي در اين زمينه انجام شده، که به بررسي و جمعآوري اطلاعاتي در اين زمينه 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

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.
معرفي روانگرايي:
در محلهايي كه خاك از دانههاي سست تشكيل شده است، تمايل به فشرده شدن ميتواند به ايجاد فشارهاي آب منفذي يا اضافي در خاك منتهي شود و اندازهي اين فشارهاي اضافي ميتواند به قدري زياد باشد كه موجب روانگرايي خاك و در نتيجهي ايجاد نشست و چرخش در ساختمانها شود. مانند: روانگرايي تودههاي خاكهاي ماسهاي سست اشباع، در زلزلهي 1964 نيگاتاي ژاپن.
يكي از عمدهترين عوامل خسارت به سازهها در هنگام زلزله ايجاد روانگرايي در تودههاي خاكهاي ماسهاي است كه به شكلهاي زير مشاهده ميشود:
حالت اول ـ جوشش خاك و تشكيل منافذ خروج گل در سطح زمين به وسيلهي تراوش آب از داخل تركهاي زمين.
حالت دوم ـ در پارهاي موارد با ايجاد شرايطي شبيه به ماسهي فرز (Quick sand) در مساحتهاي وسيع.
در حالت دوم ممكن است ساختمانها به ميزان زيادي در زمين فرو رفته يا كج شوند.
علت اساسي روانگرايي ماسهها ازسالها پيش به صورت كيفي درك شده بود چنانچه ماسهي اشباع، تحت تأثير ارتعاشات زمين قرار گيرد، ميل به متراكم شدن و كاهش حجم مينمايد.
در صورت عدم امكان زهكشي، تمايل به كاهش حجم منجر به افزايش فشار منفذي ميشود و اگر اين افزايش به حدي برسد كه فشار منفذي مساوي فشار سر بار شود، تنش مؤثر صفر شده و ماسه همهي مقاومت خود را از دست ميدهد و به حالت روان در ميآيد.
در حال حاضر علت اساسي روانگرايي خاكهاي غيرچسبنده اشباع در هنگام زلزله ايجاد فشار هيدرواستاتيكي ناشي از اعمال تنشهاي برشي دورهاي مربوط به حركتهاي زمين در نظر گرفته ميشود.
با آگاهي از ويژگيهاي تنش ـ كرنش، ويژگيهاي تغيير حجم ماسه تحت شرايط كرنش دورهاي و ويژگيهاي واگشت ماسه در اثر تقليل تنش، ميتوان مكانيسم را به طور كمي بيان نمود، به نحوي كه افزايش فشارهاي منفذي در اثر هرگونه تاريخچهي اعمال تنشها را بتوان محاسبه نمود. با نزديك شدن فشار آب منفذي به مقداري معادل فشار محصور كننده اعمال شده ماسه شروع به تغيير شكل ميكند. چنانچه ماسه شل باشد، فشار منفذي فوراً به مقداري معادل فشار محصور كننده خواهد رسيد و ماسه سريعاً شروع به تغيير شكلهاي زيادي ميكند به نحوي كه كرنشهاي برشي ميتوانند از 20 درصد نيز بيشتر شوند. در صورتيكه ماسه بدون انسجام و مقاومت، تغيير شكلهاي عملاً نامحدودي بيابد،آنگاه گفته ميشود كه روانگونه شده است. بنابراين در هر قسمت از نهشته كه شرايط فوق و تغيير شكلهاي ارتعاشي زلزله فراهم بشود،ممكن است،روانگرايي روي دهد. قسمت روانگونه شده ميتواند در سطح يا عمق معيني از زمين قرار داشته باشد كه تنها به وضعيت ماسه و حركات ايجاد شده بستگي دارد.
لازم به ذكر است كه ماسههاي سيلتي و سيلتها كه بيشتر مسايل روانگرايي در آنها مطرح است، اثرات امحاء فشارهاي منفذي در هنگام زلزله اهميت ندارند.
بنابراين ارزيابي روانگرايي يا تحرك دورهاي خاك معمولاً بر مبناي اين فرض انجام ميشود كه كليهي لايههاي ماسهاي در هنگام تكانهاي زلزله زهكشي نشده هستند، در صورتيكه تحت شرايط زهكشي نشده بتوان نشان داد كه همهي لايههاي نيم رخ خاك، حاشيهي ايمني كافي در برابر ايجاد روانگرايي يا تحرك دورهاي دارند، آنگاه هيچگونه فشار منفذي اضافي ايجاد نخواهد شد، درنظر گرفتن امحاء فشارهاي منفذي اضافي غيرضروري ميشود از استدلال اخير در تدوين روشهاي ارزيابي روانگرايي نهشتههاي خاكي استفاده ميشود.
عوامل ويژهاي كه در ارزيابي روانگرايي بايد در نظر گرفته شوند
پتانسيل روانگرايي هر تودهي خاكي با تركيبي از ويژگيهاي خاك، عوامل محيطي و ويژگيهاي زلزلهي محتمل، كنترل ميشود از جملهي عوامل ويژهاي كه در ارزيابي روانگرايي بايد در نظر گرفته شوند، عبارتند از:
الف ـ ويژگيهاي خاك:
1ـ ويژگيهاي دانهبندي و دانهها
2ـ مدول برش ديناميكي
3ـ دانسيته نسبي
4ـ ويژگيهاي ميرايي
5ـ وزن مخصوص
6ـ ساختار خاك
ب ـ عوامل محيطي:
1ـ نحوهي تشكيل خاك
2ـ تاريخچهي زلزله
3ـ تاريخچهي زمينشناسي
4ـ ضريب فشار جانبي خاك
5ـ عمق تراز آب
6ـ فشار محصور كنندهي مؤثر
ج ـ ويژگيهاي زلزله:
1ـ شدت تكان زلزله
2ـ مدت دوام تكانهاي زمين
بعضي از اين عوامل را نميتوان مستقيماً تعيين نمود، اما اثرات آنها را ميتوان با انجام آزمايشهاي بارگذاري دورهاي بر روي نمونههاي دست نخورده و يا با اندازهگيري ويژگيهاي روانگرايي خاك به وسيله نوعي روش آزمايش در جا در ارزيابيها منظور نمود با درك كامل اين حقيقت، روش اساسي ارزيابي شامل مراحل زير است:
1ـ تعيين تنشهاي برشي دورهاي ايجاد شده توسط حركتهاي زمين در اثر زلزله در عمقهاي مختلف تودهي خاك و تبديل تاريخچههاي غيرمنظم تنش به تعداد معادل دورههاي تنش يكنواخت با اين روش شدت تكانهاي زمين مدت دوام آن و تغييرات تنشهاي برشي دورهاي در عمق در نظر گرفته ميشوند.
محاسبات اين مرحله ميتواند با تحليل پاسخ زمين (Ground Response Analys) با داشتن وزن مخصوص، مدول ديناميكي و ويژگيهاي ميرايي لايههاي خاك انجام شود. محاسبات اين مرحله به نمايش تراز تنش برشي يكنواخت معادل به صورت تابعي از عمق منتهي ميشود.
2ـ تعيين تنشهاي برشي دورهاي كه در صورت اعمال آنها به تعداد دورههاي تعيين شده در مرحله قبل باعث روانگرايي خاك خواهند شد.
مساوي گرفتن تعداد دورههاي اعمال تنش با تعداد تعيين شده در مرحلهي قبل به منظور ايجاد مشابهت با شرايط زلزله خاص در نظر گرفته شده براي تحليل است. اين مرحله براي لايههاي مختلف در عمقهاي مختلف بايد انجام شود. تعيين تنشهاي برش دورهاي مربوط به اين مرحله از طريق آزمايشهاي آزمايشگاهي برش دورهاي بر روي نمونههاي دست نخورده، تحت فشارهاي محصور كنندهي مختلف قابل انجام است هر يك از آزمايشهاي برش ساده، دورهاي سه محوري براي اين منظور قابل استفاده است، مشروط بر آنكه نتايج اين آزمايشها براي تطبيق با شرايط بارگذاري محلي به نحو مناسبي تصحيح شوند.
3ـ مقايسه ميان تنشهاي برشي ايجاد شده توسط زلزله با تنشهاي مورد نياز براي ايجاد روانگرايي، احتمال روانگرايي در قسمتهايي از توده خاك وجود دارد كه در آنها تنشهاي ايجاد شده بيش از تنشهاي مورد نياز براي ايجاد روانگرايي باشند.
در استفاده از اين تكنيك، روشهاي مختلفي براي انجام تحليل پاسخ زمين قابل استفاده هستند و ممكن است كه تحليلها در طي چند مرحله انجام شوند، تا با افزايش فشارهاي منفذي، ويژگيهاي تغيير شكل خاك به تناسب تغيير يابند. در بيشتر موارد اصلاح اخير لازم نيست، زيرا تا آستانهي روانگرايي، ويژگيهاي خاك تغيير زيادي نخواهد كرد.
آزمايش برش ساده سيكلي
در شكل شمارهي (1) رفتار ماسهي سستي با دانسيتهي نسبي Dr = 50% و فشار محصور كننده اوليه / با فركانس يك دوره در ثانيه، مورد بحث و بررسي قرار گرفته است.
در مراحل ابتدايي اعمال تنشهاي دورهاي فشارهاي منفذي در نمونه افزايش مييابد، اما تغيير شكل مهمي ايجاد نميشود. بعد از چند دوره فشار منفذي تا حد تنش، محصور كنندهي قائم، افزايش مييابد و تنش مؤثر را صفر ميكند، در همان زمان نمونه، شروع به تغيير شكلهاي زيادي ميكند. تعداد دورههاي تنش لازم براي روانگرايي نمونه بستگي به بزرگي تنش برشي و فشارمؤثر اوليه قائم، براي تحكيم نمونه دارد، در اين آزمايش معمولاً شرايط بحراني هنگامي درنظر گرفته ميشود كه نسبت فشار منفذي به 100% و كرنش برشي دورهها به / برسد، اطلاعات فوق در شكل آمده است.
بعد از انجام آزمايش در تعداد دورههاي معرف زلزله، تنش برشي به دست آمده از آن تعداد دوره را بر روي نمونه رسم كرده و سپس ميتوان نسبت تنش برشي دورههاي/ايجادكننده روانگرايي براي تعداد دورههاي معرف زلزله را به راحتي به دست آورد./
در انجام اين آزمايش نكاتي وجود دارد كه بايد به آن توجه كرد:
1ـ انتخاب نمونهاي كه بتواند معرف خاك مورد نظر باشد.
2ـ اجتناب از تمركز تنش در نمونهها و نگهداري تنشها و كرنشهاي يكنواخت در هنگام انجام آزمايش.
3ـ به دست آمدن نمونههاي دست نخورده.
لازم به ذكر است كه در بند 3 براي تحقق اين امر بايد از تكنيك گران قيمت انجماد خاك قبل از نمونهگيري استفاده شود.
وضعيت تنشهاي اوليهي نمونه در دستگاه برش ساده در شكل ديده ميشود و دايرهي موهر مربوطه در شكل نشان داده شده است.
توجه كنيد كه حداكثر تنش برشي درنمونه در برش ساده / نيست بلكه:
آزمايش فشار سه محوري سيكلي
اين آزمايش به خوبي آزمايشهاي برشي سادهي سيكلي شرايط محلي را شبيهسازي نميكند.
براي شبيهسازي شرايط محلي قبل از زلزله، نمونهها ابتدا تحت فشار محصور كننده سه جانبه/قرار ميگيرند و تحكيم ميشوند و سپس تحت اثر تنش انحرافي و سيكلي (دورهاي) / قرار ميگيرند و با استفاده از دادههاي آزمايش ميتوان مقادير نسبت تنش دورهاي /ايجاد كننده روانگرايي را براي تعداد دورهي مورد نظر اعمال تنش، تعيين نمود.
حاصل از سه محوري
/
( ضريب تصحيح): Cr
(تنش همه جانبه): /
مقدار تقريبي Cr در زير نشان داده شده است (ko فشار جانبي خاك):
Cr=0.57→ko=0.4
Ko=1→Cr=1-0.9
حالتهاي مختلف در آزمايش سه محوري در اشكال قبل به صورت المانهايي در قسمت الف وب و ج توضيح داده شده است. اما در صورتيكه در نمونهها باريك شدگي
“Necking” ايجاد شود و يا در مراحل قراردادن نمونه در دستگاه شرايط غيريكنواختي به وجود آيد، نتايج غيرقابل اعتماد خواهند بود.
/
اثرات دست خوردگي نمونه بر دادههاي آزمايشهاي دورهاي
ويژگيهاي بارگذاري دورهاي ماسههاي طبيعي از عوامل زير تأثير زيادي ميپذيرند:
1ـ ساختار خاك و نحوهي آرايش دانهها
2ـ دانسيتهي نسبي خاك
3ـ سمانتاسيون موجود در محل تماس دانهها
مجموعهي اين عوامل ظاهراً تغيير كمي را در مقاومت بارگذاري دورهاي ماسه ايجاد ميكند. اما در ماسههاي متراكم اثرات دست خوردگي نمونه باعث حجم و اتساع “Dilation” ماسه و شكسته شدن سمانتاسيون موجود در محل تماس دانهها ميشود و هر دوي اين عوامل باعث كاهش در مقاومت بارگذاري دورهاي ميشود و در نتيجهي مقاومت در مقابل روانگرايي از مقدار واقعي كمتر محاسبه ميشود و در حالتهاي فوق دايرهي موهر (1) از حالتهاي رسم شده، نشان دهندهي /ايجاد شده در خاك مورد مطالعه است.
كاربرد دادههاي آزمايشهاي بارگذاري سيكلي در ارزيابي قابليت روانگرايي خاك
حال با ارائهي يك مثال از مطالعهي خسارتهاي نيگاتاي ژاپن كاربرد دادههاي آزمايشهاي دورهاي بارگذاري در ارزيابي قابليت روانگرايي نهشتههاي خاكي روشنتر خواهد شد. در زلزلهي سال 1964 نيگاتاي ژاپن در يكي از مناطق هيچگونه روانگرايي روي نداد و در منطقهاي ديگر روانگرايي در مقياس وسيعي روي داد. پروفيل خاك هر دو منطقه و تراز آب زيرزميني هر دو منطقه شبيه هم بود. بزرگي زلزله حدود 5/7 ريشتر و چشمهي تخليهي انرژي آن به فاصله 50 كيلومتري از شهر بوده است و حداكثر شتاب ثبت شده در منطقه «0.16g» ميباشد و با توجه به وضعيت خاك نيگاتا عمق بحراني روانگرايي حدود 6 متر ميباشد. نتايج آزمايشهاي دورهاي سه محوري از دو محل در جدول شمارهي (2) با استفاده از دادههاي ارائه شده، ميتوان پتانسيل روانگرايي در دو منطقهي فوق را به شرح زير ارزيابي نمود:
منطقه روانگونه شده: شتاب اوج زمين 0.16g است.
در عمق 6 متر
/
تنش دورهاي ايجاد شده توسط زلزله:
/
/ (ايجاد شده توسط زلزله)
زلزله با بزرگي 5/7 ريشتر معمولاً حدود 15 دورهي تنش ايجاد ميكند اما روانگرايي در اين منطقه بعد از 3 دورهي مهم ايجاد شده است، نسبت تنش دورهاي ايجاد كننده روانگرايي در سه دوره چنين است:
(مقاوم) /با مقايسهي / مقاوم و ايجاد شده توسط زلزله نتيجه ميشود كه در اين منطقه روانگرايي در مراحل اوليه زلزله روي داده است.

فایل : 20 صفحه

فرمت : Word