Liquefaction

مقدمه

زلزله از جمله پدیده های خطرناک طبیعی است که منجر به وارد آمدن خسارات فراوان به ساختمان‎ها و ابنیه های فنی و همچنین تلفات جانی می گردد. بخش وسیعی از خسارات و لطمات وارده از زمین لرزه ، می تواند ناشی از مسائل مربوط به خاک و وقوع ناپایداری های مختلف در آن باشد. در میان پدیده های مختلف مرتبط با مخاطرات ژئوتکنیک لرزه ای ، روانگرایی خاک خای ماسه ای از اهمیت زیادی برخوردار است. طی این پدیده مقدار فشار آب منفذی به صورت مداوم افزایش می یابد تا جاییکه تنش موثر صفر می گردد. در این حالت مقاومت برشی خاک به شدت کاهش یافته و به مقدار صفر نزدیک می شود و خاک به صورت روان در می آید. در نتیجه وقوع روانگرایی، تغییر شکل های بزرگ و پیوسته در توده خاک رخ داده که باعث ایجاد ناپایداری و در نهایت خسارت فراوان در سازه ها می شود. این پدیده می تواند سبب از بین رفتن ظرفیت باربری پی‎سازه ها، فروریختن ساختمان ها در اثر نشست غیر یکنواخت، ناپایداری شیب ها و خاکریزها و تخریب زیاد لوله های مدفون و شناور شدن آنها در خاک گردد.

روانگرایی خاک تقریباً در تمام زلزله های بزرگ دنیا که در آنها شرایط اولیه ایجاد روانگرایی یعنی وجود نهشته دانه ای سست و اشباع مهیا بوده، مشاهده شده است که از آن جمله می توان به روانگرایی وسیع در نی ئی گاتای ژاپن در زلزله 1964 ، وقوع پدیده روانگرایی در منطقه آستانه اشرفیه درزلزله 1990 منجیل و روانگرایی وسیع در زلزله 1999 ازمیت ترکیه اشاره نمود.

اثرات مخرب ناشی از روانگرایی در یک دوره 3 ماهه در سال 1964 هنگامی که زلزله Good Friday    (2/9=mw) در آلاسکا و به دنبال زلزله نیگاتا (5/7=ms) در ژاپن به وقوع پیوست، توجه مهندسان ژئوتکنیک را به خود جلب نمود. هر دو زلزله مثال های شگفت انگیزی را از خسارت های ناشی از روانگرایی شامل شیروانی ها، گسیختگی پی ساختمان ها و پل ها، و شناوری سازه های مدفون به وجود آورند. از آن پس پدیده روانگیرای خاک یکی از ملاحظات عمده در طراحی سازه های ساخته شده درون یا روی خاک های ماسه ای سست اشباع به شمار می رود. در كشور ايران نيز يكي ازعلل خرابي هاي گسترده درزلزله بامداد 31 خرداد 1369 بخصوص در شهرستان آستانه وروستاهاي حومه آن روانگرايي زمين بود.

روانگرایی

هنگامی که نهشته های خاک اشباع در اثر حرکات لرزه ای به سرعت و به صورت دوسویه تحت برش قرار گیرند، فشار آب در داخل خلل و فرج خاک شروع به افزایش می نماید. در خاک های غیرچسبنده ای اشباع سست، فشار آب منفذی به سرعت افزایش یافته و ممکن است این مقدار به حدی برسد که ذرات به صورت مجزا از یکدیگر معلق شوند و برای لحظاتی مقاومت و سختی خاک به طور کامل از بین برود این پدیده که در اصطلاح به آن روانگرایی خاک گفته می شود، به صورت شماتیک در شکل 1 نمایش داده شده است.

شکل 1) دياگرام شماتيکي از آرايش ذرات ماسه در خاکهاي ماسه¬اي اشباع: الف) دانه ها با يکديگر اتصال افقي و عمودي دارند؛ ب) دانه ها فقط اتصال افقي دارند و در جهت قائم در تماس نيستند؛ ج) اتصال بين دانه¬ها دوباره برقرار مي¬شود

مقاومت خاک های دانه ای ناشی از برآیند مقاومت اصطکاکی و چفت و بست میان ذرات خاک میباشد. در هر عمقی از زمین، قبل از زلزله، بخشی از وزن خاک و دیگر بارهای روی آن توسط نیروهای میان ذرات و بخشی دیگر به وسیله آب تحمل می گردد. هنگامی که خاک سست مورد لرزش قرار می گیرد، گرایش به متراکم شدن و یا فشرده شدن دارد. وجود آب در میان منافذ، سبب می شود تا این کاهش حجم به دلیل زهکشی تدریجی و کندبه سرعت صورت نپذیرد. در نتیجه با ادامه تکان های لرزه ای، وزن فوقانی بیشتر و بیشتر به آب منفذی منتقل شده و نیروی میان ذرات خاک کاهش می یابد. در انتها، فشار آب منفذی ممکن است به درجه ای برسد که موجب شود آب با شکافتن لایه های فوقانی جهش نماید و تمام وزن مصالح فوقانی به آب منفذی انتقال یابد. در این شرایط، خاک روانگرا شده به صورت یک سیال غلیظ رفتار می نماید و ممکن است جابجایی های بزرگ در زمین به وقوع بپیوندد. این وضعیت روانگرایی تا زمانی که اضافه فشار آب منفذی دوباره زهکشی گردد و تماس میان ذرات ایجاد گردد ادامه خواهد یافت. در اثر این فرآیند برخی لایه ها در زمین متراکم خواهند شد و نشست های غالباً نامتقارن بر روی زمین مشاهده می شود. لایه های دیگر در شرایط خیلی سست باقی مانده و در معرض روانگرا شدن مجدد در طی زلزله های آتی قرار خواهند گرفت.

کلمه روانگرايي اولين بار توسط مگامي و کوبو به کار برده شده است (Ishihara, 1993). امروزه بعد از گذشت نزديک به 4 دهه از زلزله­هاي نيگاتا و آلاسکا، پيشرفت مهمي در زمينه بررسي پديده روانگرايي صورت گرفته است و حوزه "مهندسي روانگرايي خاک" به عنوان يک شاخه مهم از ژئوتکنيک لرزه­اي به شمار مي­رود. مباحث موجود در اين حوزه، به زير بخش­هاي زير تقسيم مي­شود:

1) ارزيابي استعداد روانگرايي يا خطر شروع روانگرايي

2) ارزيابي مقاومت بعد از روانگرايي و مباحث مربوط به پايداري

3) ارزيابي تغيير شکل­ها و جابه جايي­هاي مورد انتظار

4) اثرات تغير شکل­ها و جا به جايي­هاي ناشي از روانگرايي بر عملکرد سازه­ها و ارائه معيار براي عملکرد قابل قبول سازه­ها

5) مهندسي کاهش خطر روانگرايي که اين بخش به سرعت در حال گسترش است

پيشرفت تحقيقات در مقالات يوشيمي (Ishihara and Yoshimine, 1992)، ريچارت (Rocha, 1975پراکاش، بالکان (خاکي خطيبي، 1380)، ايليچف (Alexis et al, 2001)، سيد و فين (Seed et al, 1976) ارائه شده است.

برای درک روانگرایی لازم است که اصطلاحاتی که در این زمینه وجود دارد، تعریف و فراگرفته شود:

عبارتی است که برای توصیف پدیده هایی که در آن ها تولید اضافه فشار آب منفذی منجر به نرم شوندگی قابل توجه و یا ضعیف شدن نهشته های خاک شود، بکار می رود. این عبارت تعداد از پدیده های فیزیکی مختلف را از جمله روانگرایی جریانی و نرم شوندگی دوره ای ، که در زیر به صورت مشخص توضیح داده می شوند، شامل می شود.

هنگامی که خاک اشباع و انقباضی، تحت بارگذاری زهکشی نشده دوره ای یا یکنواخت، پاسخ نرم شوندگی کرنشی از خود به نمایش بگذارد، روانگرایی جریانی اتفاق می افتد، برای وقوع روانگرایی جریانی تنش برشی وارد در محل باید بیشتر از مقاومت برشی زهکشی نشده ی خاک باشد.

 

 این پدیده به بالا رفتن اضافه فشار منفذی در طی بارگذاری دوره ای در خاک هایی گفته می شود که تحت اثر بارگذاری یک سوبه معمولاً اتساع می یابند. این افزایش فشار منفذی پیش از رسیدن خاک به شرایط کرنش حدی اتفاق می افتد. رفتار خاک پس از کرنش حدی به بزرگای تنش برشی اولیه نسبت به تنش برشی اعمالی و اینکه تنش برشی اعمالی برای ایجاد دوسویه سازی تنش برشی در خاک به اندازه کافی بزرگ است یا نه، بستگی دارد. رفتار پس از کرنش حدی به دو نوع تقسیم می شود:

الف) روانگرایی دوره ای

 زمانی که تنش برشی دوره ای اعمال شده بر خاک برای ایجاد دوسویه سازی تنش برشی به اندازه کافی بزرگ باشد، روانگرایی دوره ای اتفاق می افتد. در این حالت ممکن است شرایط تنش موثر صفر به وجود آمده و یا در خاک هایی با خاصیت اتساعی بیشتر منجر به کرنش های بزرگ شود. محققان معمولاً هر کدام از این معیارها را که زودتر اتفاق بیفتد به عنوان معیار گسیختگی در نظر می گیرند. به عنوان مثال در دستگاه سه محوری تناوبی در شرایطی که تنش موثر به صفر نمی رسد، معیار کرنش دو دامنه ی 5 درصد می تواند معیار گسیختگی باشد؛ هر چند که شرایط تنش موثر صفر سبب ایجاد تغییر شکل های بزرگ تری می شود. تغییر شکل ها در طی بارگذاری دوره ای می توانند بزرگ باشند، اما غالباً با توقف بارگذاری دوره ای ثابت می شوند.

ب) تحرک دوره ای

زمانی که تنش برشی دوره ای اعمال شده بر خاک برای ایجاد دوسویه سازی تنش برشی به اندازه کافی بزرگ نباشد، تحرک دوره ای اتفاق می افتد. شرایط تنش موثر صفر در این حالت ایجاد نمی شود و تغییر شکل ها غالباً کوچک هستند.

نسبت اضافه فشار آب منفذی به تنش موثر اولیه که غالباً به صورت درصد بیان می شود. نسبت فشار منفذی معمولاً قبل از شروع بارگذاری دوره ای ( در محل و در آزمون های آزمایشگاهی ) برابر صفر است؛ هنگامی که این نسبت به 100 درصد برسد تنش موثر برابر صفر می شود.

 مقاومت برشی بسیج شده در یک جزء خاکی که تحت کرنش های بسیار بزرگ تغییرشکل یافته است. مقاومت پس ماند غالباً با محاسبه بازگشتی از تاریخچه های موردی لغزش جریانی تعیین می شود که این ممکن است تحت تاثیر زهکشی موضعی، باز توزیع فشار آب و نسبت تخلخل قرار گرفته باشد.

 متداول ترین جلوه ی مشاهده شده از روانگرایی، وقوع جوشش ماسه بر روی سطح زمین است. این عوارض آتشفشان گونه نشان می دهد که تکان های زلزله سبب تولید اضافه فشار سیال در داخل خاک شده و باعث می شوند آب منفذی با ایجاد مجرا ذرات خاک را به سطح منتقل نماید. اگرچه این پدیده از آن جهت که به تنهایی سبب تغییر شکل زمین نمی شود دقیقاً نوعی از گسیختگی زمین نیست، اما جوشش ماسه مدرکی برای تشخیص اضافه فشار آب منفذی در عمق و نشانه ی وقوع روانگرایی می باشد. در واقع، درستی این شاخص تغییرات درونی خاک با مقادیر واقعی اضافه فشار آب منفذی در عمق که در طی زلزله های گذشته اندازه گیری شده تایید شده است.

 گسترش جانبی هنگامی رخ می دهد که تنش های برشی دینامیکی ناشی از زلزله بطورم وقت از مقاومت جاری شدگی خاک روانگرا شده بیشتر شوند. گسترش جانبی با تغییرشکل های جانبی که در طی تکان های لرزه ای رخ داده و با اتمام آنها تمام می شوند، مشخص می شود. این تغییر شکل ها بسته به شیب زمین، تراکم خاک و مشخصات حرکت زمین می توانند کوچک یابزرگ باشند. گسترش جانبی می تواند در نواحی با شیب کم و یا در نواحی مسطح مجاور سطوح آزاد رخ دهد. در هر دو حالت تنش های برشی ایستایی وجود دارد که تمایل به ایجاد تغییر شکل در جهت رو به پایین شیب دارند.

خاک های روانگرا

سه شرط برای قابلیت روانگرایی لازم است: 1) خاک مستعد روانگرایی 2) شرایط اشباع یا نزدیک به اشباع 3) شرایط بارگذاری زهکشی نشده (یا بارگذاری سریع). تعیین این موضوع که خاک های موجود در ساختگاه دارای قابلیت روانگرایی هستند، اولین قدم در ارزیابی مهندسی استعداد روانگرایی است. این موضوع به خوبی شناخته شده است که خاک های ماسه ای نسبتا تمیز با مقدار کمی ریزدانه مستعد روانگرایی می باشند. تعدادی از موارد شناخته شده در محل (به طور مثال Andrus 1994 و Evans and Seed 1987) نشان می دهد که خاک های دانه ای درشت مثل شن ها و سنگریزه ها در مقابل روانگرایی آسیب پذیرند. شاهد شناخته شده دیگری برای روانگرایی خاک های درشت، زلزله Kobe (1995) می باشد که در طی آن بیشتر لایه های بالایی شامل گرانیت های هوازده (که آنها را Masado می نامند) به طور فراگیری دچار روانگرایی شدند. استعداد روانگرایی خاک های درشت ممکن است به این موضوع نسبت داده شود که مزیت های زهکشی ظاهری آنها در اثر عوامل زیر بی اثر می گردد: 1)  دانه های درشت به وسیله دانه های ریز به طور کامل احاطه می شوند 2) با قرار گرفتن دانه های ریز در فضای خالی بین دانه های درشت از زهکشی آب جلوگیری به عمل می آید (چراکه مقادیر D10، بیش از اندازه متوسط ذرات یا D50، با نفوذپذیری مخلوط خاک در ارتباط است) 3) لایه های خاک دانه ای از عمق زیادی برخوردارند، بنابراین مدت زمانی که زهکشی بایستی در طی وقوع زلزله اتفاق بیفتد، زیاد است (Seed et al. 2001). روانگرایی لایه های خاک در سایت های لرزه ای Kobe (1995) غالبا ناشی از دلیل سوم بوده اند. مشاهدات زیادی هم در مطالعات آزمایشگاهی و هم در موارد محلی وجود دارد که نشان می دهد سیلت های با پلاستیسیته کم و یا غیر پلاستیک و ماسه های سیلت دار به خاطر نفوذپذیری کم، خطرناک ترین نوع از خاک های روانگرا می باشند. (Seed et al. (2003 با انجام مجموعه مطالعاتی، استعداد روانگرایی خاک ها را بر اساس حدود آتربرگ (شکل 2) ارائه نمودند.

شکل 2) نمایش نمودار حدود اتربرگ اصلاح شده برای ارزیابی نوع خاک دارای قابلیت روانگرایی ارائه شده توسط Seed و همکاران 2003

اما در کل هنوز توافق کاملی در خصوص طبقه بندی خاک های روانگرا وجود ندارد. لذا در هنگام ارزیابی پتانسیل روانگرایی لایه های خاک بایستی همچنان از قضاوت مهندسی استفاده کرد.

اگرچه پاسخ خاک های متراکم و سست در آزمایشات سه محوری کنترل کرنش در طی زهکشی نسبتا با یکدیگر متفاوت است، اما نسبت تخلخل یا تراکم نسبی به عنوان اصلی ترین عامل موثر بر مقاومت روانگرایی شناخته شده است. متعاقبا تحقیقات نشان می دهد که در کنار نسبت تخلخل فاکتورهای دیگری نیز وجود دارد که تاثیرات چشم گیری بر استعداد روانگرایی خاک های دانه ای می گذارند. این فاکتورها عبارتند از:

  1. کانی شناسی خاک ها.
  2. توزیع اندازه دانه ها.
  3. مقدار ریزدانه یا ساختمان میکروسکوپی یا بافت خاک و مخلوط ریزدانه.
  4. تنش دورگیر(محصور کننده) موثر.
  5. شرایط زهکشی لایه های خاک.
  6. مشخصات بارگذاری (پریود، شدت، فرکانس و غیره).
  7. تاریخچه کرنش.

فاکتورهایی که مقاومت روانگرایی را افزایش می دهند عبارتند از تراکم، تنش دورگیر(محصور کننده) موثر و تاریخچه کرنش. این نشان می دهد که مقاومت روانگرایی خاک های دانه ای به فاکتورهای متعددی وابسته است به طوری که برخی از آنها به مشخصات بافت خاک مربوط است و برخی دیگر به شرایط بارگذاری و ساختگاه مربوط می شود. اما این فاکتورها به میزان یکسان، بر روی روانگرایی لایه های خاک تاثیر نخواهند داشت. برخی فاکتورها نقش مهمتری را نسبت به دیگر فاکتورها بازی می کنند. هر روش مناسب برای اندازه گیری مقاومت روانگرایی خاک، بایستی به فاکتورهای موثرتر مثل بافت خاک وابسته باشد و از فاکتورهایی که تاثیر کمتری دارند، مثل شیوه بارگذاری، مستقل باشد.

روش های ارزیابی پتانسیل روانگرایی

عواقب فاجعه آمیز به وقوع پیوسته در دهه 60 از قرن 19 میلادی (به طور مثال زلزله Niigata 1964 و زلزله Alaska 1964)، منتج به تلاش های تحقیقاتی گسترده ای برای درک پدیده روانگرایی و ارائه روش هایی برای ارزیابی آن شده است. دستورالعمل های متفاوتی برای تعیین پتانسیل با توجه به برداشت های متفاوت از مکانیزم روانگرایی، ارائه شده است.

دستورالعمل های ارزیابی روانگرایی از مدل ایجاد فشار آب، منتج شده اند. این یک برداشت منطقی است چرا که با توجه به تعریف انجام شده در این پایان نامه روانگرایی زمانی اتفاق می افتد که فشار آب حفره ای اضافی (EPWP) برابر با تنش سربار موثر اولیه (σ̒v0) گردد. بنابراین اگر پارامترهایی مثل تنش، کرنش و انرژی بتواند به یکی از مقادیر EPWP (به عبارتی EPWP= σ̒v0 ) مربوط گردد، می توان انتظار داشت که پارامترهای مشابه غالبا می توانند به دیگر مقادیر EPWP مرتبط گردند. هم مدل های فشار آب بر اساس تنش و هم مدل های بر اساس کرنش با استفاده از مدل های عددی از خاک تحت بارهای لرزه ای ارائه شده اند (به طور مثال Booker et al. 1976 و Martin et al. 1975). علاوه بر مدل های بر اساس تنش و کرنش، مدل های زیادی از ایجاد افزایش فشار آب حفره ای بر اساس انرژی ارائه شده اند. Nemat-Naser and Shokooh (1979) معادله دیفرانسیل مربوط به ارتباط انرژی پراکنده شده با متراکم شدن نمونه های خشک و ایجاد فشار آب حفره ای در نمونه های اشباع را ارائه نمودند. در تکمیل کارهای تئوری Nemat-Naser and Shokooh، روابط تجربی زیادی نیز ارائه شده است (به طور مثال Simcock et al. 1983، Law et al. 1990 و Green et al. 2000).

دستورالعمل ارزیابی روانگرایی بر اساس تنش تحت عنوان دستورالعمل ساده شده به وسیله Seed and Idriss (1971) ارائه شده است و به صورت گسترده ای تا به حال مورد اصلاح و استفاده قرار گرفته است. در این روش فرض شده است که روانگرایی خاک در نتیجه گسیختگی برشی اتفاق می افتد (به عبارتی زمانی که تنش برشی ناشی از بارگذاری استاتیکی یا دینامیکی از مقاومت برشی لایه خاک تجاوز نماید) و اینکه شرایط بارگذاری زهکشی نشده است. مراحل این دستورالعمل به صورت زیر است:

  1. تعیین تنش برشی ایجاد شده ناشی از وقوع زلزله

با فرض اینکه ستون خاک یک جسم صلب است، حداکثر تنش برشی ناشی از زلزله با شتاب افقی حداکثر در سطح زمین مرتبط خواهد بود. برای اینکه تاریخچه نامنظم تنش در طی یک زلزله نمایش داده شود، تعداد سیکل های معادل تنش سیکلیک یکنواخت معرفی گردیده است. سپس سطح تنش سیکلیک متوسط به صورت 65% تنش برشی حداکثر معرفی شده است. تعداد سیکل های معادل، با بزرگای زلزله در ارتباط است (Seed et al. 1975). معمولا تنش برشی ایجاد شده به وسیله زلزله با تقسیم بر تنش قائم موثر نرمالیزه می شود. نسبت تنش برشی ایجاد شده تقسیم بر تنش قائم موثر به عنوان CSR (نسبت تنش سیکلیک) معرفی می شود و رابطه آن به صورت زیر است:

                                                                              

amax : شتاب افقی حداکثر در سطح زمین.

g : شتاب ثقل.

σ̒v0: تنش قائم موثر در عمق z.

σ: تنش قائم کل در عمق z.

rd : فاکتور کاهش تنش برشی ناشی از طبیعت غیر صلب خاک.

معادله فوق مقدار نسبت تنش سیکلیک را در شرایط سطح زمین صاف حاصل می نماید، لذا اعمال اصلاحات برای تنش سربار (kQ)، شیب زمین (ka) وبزرگای زلزله (MSF) ضروری می باشد.

                                                                                                 
MSF: فاکتور مقیاس نمودن بزرگای زلزله.

kQ: فاکتور مقیاس نمودن تنش دورگیر.

ka: فاکتور مقیاس نمودن تنش برشی اولیه.

توضیحات کامل در خصوص تعیین CSR و ضرایب مربوطه در سمینار کارشناسی ارشد علیرضا صادقی عبدالهی (1386) و روزبه وکیلی (1386) موجود است.

  1. تعیین مقاومت برشی سیکلیک خاک

در روش تنش، مقاومت سیکلیک برشی خاک به عنوان مقاومت روانگرایی لحاظ می شود. این مقاومت سیکلیک معمولا بر اساس آزمایشات سیکلیک آزمایشگاهی بر روی نمونه هایی از خاک در تنش های دورگیر متفاوت تعیین می گردد. معمول ترین آزمایشات سیکلیک عبارتند از آزمایشات سه محوری سیکلیک و آزمایشات برش سیکلیک. اما مشکلات موجود در تهیه نمونه های دست نخورده و بازسازی نمونه ها در آزمایشات آزمایشگاهی، کاربرد نتایج آزمایشگاهی را برای تعیین مقاومت روانگرایی کاهش داده است. بنابراین تعیین مقاومت روانگرایی با استفاه از آزمایشات آزمایشگاهی بسیار مشکل می باشد و روش های دیگری بر اساس آزمایشات در محل به طور گسترده ای جایگزین آنها شده اند. آزمایشات در محل معمول بدین منظور، عبارتند از: SPT (آزمایش نفوذ استاندارد)، CPT (آزمایش نفوذ مخروطی)، آزمایش سرعت موج برشی و BPT (آزمایش نفوذ Becker). از میان این آزمایشات، قدیمی ترین و متداول ترین آزمایش، SPT می باشد. لذا در ادامه نیز روابط مربوط به آزمایش نفوذ استاندارد ارائه خواهد شد. هرچند که توضیحات کامل و تفصیلی در خصوص CPT، در سمینار کارشناسی ارشد علیرضا صادقی عبدالهی آورده شده است.

دلایل استفاده از ضربات SPT برای تخمین مقاومت روانگرایی خاک در دو فرض اساسی نهفته است: 1) سرعت فشار آب حفره ای ایجاد شده در طی زلزله به وسیله تراکم نسبی (Dr) کنترل می شود. 2) تعداد ضربات SPT می تواند مقدار Dr خاک در محل را تخمین بزند. Seed et al. (1985) با رسم CSR در مقابل ضربات اصلاح شده SPT، دیاگرامی را برای تخمین مقاومت روانگرایی خاک ارائه کردند. در این دیاگرام، منحنی مرزی، نقاط روانگرا شده و نشده را از یکدیگر جدا می سازد. دیاگرام پیشنهادی Seed et al. (1985) با افزایش داده های محلی بارها مورد بازبینی قرار گرفت. Cetin et al. (2004) با بازبینی داده های محلی موجود، آخرین منحنی های بر اساس داده های محلی را ارائه نمود که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3) رابطه قطعی پیشنهادی آزمایش نفوذ استاندارد بر اساس شروع روانگرایی، اصلاح شده برای 5/7=Mw و atm1=σ΄v با اصلاح نشان داده شده برای ریزدانه.

  1. مقایسه تنش های برشی به دست آمده در دو گام قبلی.

 روانگرایی در صورتی اتفاق می افتد که تنش برشی به دست آمده در گام 1 بزرگتر یا مساوی مقاومت برشی خاک به دست آمده در گام 2 باشد.

                                                                                                           

در شرایط زلزله خاک­های سست اشباعی که دارای پلاستیسیته پایینی هستند به دلیل کاهش و یا از دست دادن مقاومت برشی، مانند یک سیال رفتار کرده و به اصطلاح روانگرا می­شوند. افزایش     فشار­های منفذی دلیل اصلی کاهش سختی خاک در اثر زلزله هستند و در شرایطی که قابلیت تغییر حجم برای خاک فراهم نباشد (زهکشی نشده)، این فشار­ها از میزان تنش موثر و مقاومت برشی خاک می­کاهد. با افزایش شتاب، نیروهای دینامیکی بزرگتری به سازه وارد می­شود. همچنین با فرض ثابت ماندن زمان ارتعاش، کرنش­های برشی سیکلی بزرگتری تولید می­شوند که روان شدن خاک را تسریع کرده و به دنبال آن با ازدیاد نیروهای وارد بر سازه تغییر مکان­های انتقالی و دورانی افزایش می­یابد. در این موارد کارایی سازه­ به علت نشست و تغییر مکان بیش از حد از بین رفته و شالوده­ی سازه­های رو زمینی و زیر­زمینی بر اثر تغییر شکل و گسیختگی جریانی زمین تخریب می­گردند. از آنجایی که مقادیر نشست در اثر روانگرایی عموما مقادیر قابل توجهی می­باشد نادیده گرفتن آن در طراحی ممکن است برای سازه­ها خطر آفرین باشد.

صدمات ناشی از روانگرایی می­تواند شامل کج شدن یا واژگونی ساختمان­ها، نشست نامتقارن، ترک­های طولی در جاده­ها، شکستگی خطوط لوله و... باشد. برای مدیریت خسارات، مهندسین می بایست ظرفیت نشست را برای سطوح مختلف سازه­ها (از لحاظ اهمیت) تعریف کنند. فاکتورهای زیادی از قبیل نوع سازه (مدرسه، بیمارستان یا نیروگاه هسته­ای)، موقعیت ساختگاه، پروفیل خاک و... در محاسبه مقدار نشست مجاز تاثیر دارد. ظرفیت نشست ایجاد شده پس از روانگرایی را می­توان با مقدار نشست مجاز یا مقدار جابجایی عمودی مجاز سطح زمین معرفی کرد. مقدار نشست مجاز با توجه به مطالعات موردی یا بررسی پیشرفته و استفاده از مباحث دینامیک خاک حاصل می­گردد.

یود و همکاران(2000)  تحقیقاتی مبنی بر خسارات وارده ناشی از زلزله ترکیه 17 اگوست، 1999 به انجام رساندند و براساس این تحقیقات 4 سطح خسارت ناشی از زلزله را مطابق جدول 1 تعریف کردند. همانطور که مشاهده می­شود مقادیر نشست 0 و 10 و 25  سانتیمتر در این تعیین سطح مورد استفاده قرار گرفته است.

جدول 1) مقادیر نشست ایجاد شده در سطح زمین

تفسیر مشاهدات

مشاهدات

شاخص

بدون نشست

هیچگونه خرابی در سطح زمین دیده نشده است.

GF0

<10 cm Δ

خرابی ضعیف

GF1

<25 cmΔ10<

خرابی متوسط

GF2

>25 cm  Δ

خرابی شدید و بزرگ

GF3

 
گزینه­ دیگر برای تعریف مقدار نشست مجاز وجود دارد و آن هم براساس مشاهدات و بررسی­های مهندسین متخصص زلزله است.(2006) Upsall مقادیری از بررسی­های انجمن ژئوتکنیکی ASCE سیاتل را در محل­های مختلف با درجات مختلف صدمه و خطر مطابق شکل 4 و جدول 2 ارائه داد.

شکل 4) محدوده­های تعریف شده برای نشست­های ایجاد شده (2006) Upsall

جدول 2) محدوده­ های تغییر مکان بر اساس مشاهدات و بررسی­های (2006) Upsall

فاجعه بار

شدید

متوسط

ضعیف

قابل چشم پوشی

 

60+

60- 20

20-6

6- 1

0/1- 0

نشست ایجاد شده

 

در جدول (2) مقادیر 0/1، 0/6، 20و 60 سانتی متر را در نظر گرفتیم تا بتوانیم درجات صدمات وارده ناشی از روانگرایی را از هم متمایز کنیم. درجاتی از قبیل: قابل چشم پوشی، ضعیف، متوسط، جدی و فاجعه آمیز. این محدوده­های نشست بر اساس اطلاعات تئوریک خسارات ناشی از زلزله­ها حاصل شده است. معیارهای جدول 2 نسبت به معیارهای توصیف شده در جدول قبلی که مربوط به   گسیختگی­های ایجاد شده در زمین بود به نظر منطقی­تر است. ظرفیت نشست ایجاد شده پس از روانگرایی و سطح اختیارات ناشی از آن با استفاده از هر دو منبع اطلاعات  مشخصات ساختگاه و محل و مشاهدات و رکوردهای ثبت شده قابل دسترسی و دستیابی است.

همانطور که ملاحظه شد، در این مطالعه حالات حدی در نظر گرفته شده عبارت­اند از؛ قابل چشم پوشی، ضعیف، متوسط، جدی و فاجعه بار. این حالات حدی را می­توان با در نظر گرفتن پارامترهای موثر مانند اهمیت سازه و نوع آن به صورت دقیق­تر تعریف کرد. به عنوان مثال می توان سطح حالات حدی ضعیف را به چند زیر سطح جدید طبقه بندی کرد چرا که ممکن است بین اهمیت سازه ها نیز تفاوت وجود داشته باشد به عنوان مثال تفاوتی که برای مدرسه و یک نیروگاه اتمی قائل می شویم قطعا سطح حالت حدی یکسانی ایجاد نمی­کنند. روش­هایی که در این مطالعه معرفی و بررسی گردید بر مبنای مشاهدات موردی و آزمایشگاهی بوده و به دلیل عدم قطعیت­های موجود در نتایج ممکن است مقادیر تخمینی با مقادیر واقعی تفاوت­هایی داشته باشد بر همین اساس تکمیل مطالعات و روش­های ارائه شده در پیامد­های ناشی از روانگرایی نیازمند مشاهدات و بررسی­های دقیق­تر صورت گرفته توسط مهندسین می­باشد. سیستم اطلاعاتی جغرافیایی(GIS) اطلاعات لازم مانند مشخصات زمین شناسی منطقه، مشخصات خاک، وضعیت آب زیرزمینی و...را فراهم می کند که این اطلاعات و برنامه­های کامپیوتری  می­توانند گامی در جهت حل مسایل مهندسی داشته باشند. با در نظر داشتن دانش جغرافیا می­توان برنامه­های موجود برای ارزیابی پیامدهای ناشی از روانگرایی را بسط و گسترش داده و این قابلیت را در این برنامه­ها بوجود آورد که برای هر سایت دلخواه بامشخصات موجود بر اساس سیستم GIS بتوان تحلیل خطر ناشی از روانگرایی را انجام داد.

روش­های تخمین نشست ناشی از روانگرایی

در هنگام وقوع روانگرایی پس از محو فشار آب حفره­ای ذرات خاک با کاهش حفرات ساختار جدیدی پیدا می­کند. در اثر خروج بخشی از آب زیرزمینی به سطح زمین در هنگام روانگرایی، لایه­های تحکیم یافته در اثر روانگرایی به صورت پدیده نشست در سطح زمین بروز خواهند کرد. غالبا نشست زمین در این حالت یکنواخت نبوده و موجب تخریب سازه­ها می­گردد. همانطور که در زلزله نیگاتای ژاپن (1964) دیده شد تعدادی از ساختمان­ها بر اثر نشست در اثر روانگرایی کج شدند. همانطور که در شکل 5 مشاهده می­شود شمار اندکی از سازه‌ها دچار تخریب داخلی شده‌ و عمدتاً درها و پنجره‌های ساختمان­ها بدون آسیب ماندند.

شکل 5) واژگونی ساختمانها به علت روانگرایی طی زلزله سال 1964 نیگاتای ژاپن

علاوه بر روش­های عددی ارائه شده چندین روش تجربی بر اساس مشاهدات آزمایشگاهی و موردی جهت تخمین نشست­های ایجاد شده ناشی از روانگرایی وجود دارد که از بین دیدگاه­های بیان شده چهار روش زیر تطابق بیشتری با واقعیت دارد:

  1. Tokimatso & Seed (1987)
  2. Shamoto et al (1989)
  3. Ishihara & Yoshimini (1992)
  4. Wu & Seed (2004)

متراكم شدن ماسه­ هاي اشباع پس از وقوع تكان­هاي لرزه­ا­ي تحت تاثير عواملی از قبیل تراكم ماسه، بيشينه­ي كرنش برشي دوره­اي ايجاد شده در ماسه و مقدار اضافه فشار منفذي توليد شده طي تكان­هاي لرزه­اي می­باشد. پس از روانگرایی به دلیل زوال فشار آب حفره­ای خاک دچار تحکیم و فشردگی بیشتری نسبت به قبل شده و تغییر در حجم توده­ی خاک به صورت نشست مشاهده می­گردد. تجربيات آزمايشگاهي نشان داده­اند كه كرنش حجمي با تراكم نسبي و بيشينه­ي كرنش برشي تغيير مي­كند. بدیهی است که برای تخمین نشست­های ایجاد شده استفاده از کرنش حجمی می­تواند پاسخگو باشد. مدل­های ارائه شده جهت تخمین  نشست ناشی از روانگرایی نیز عموماً به صورت تابعی بر حسب کرنش حجمی بیان می­گردد. در ادامه روابط ارائه شده توسط محققین فوق معرفی می­گردد.

  • انواع تخریب ناشی از روانگرایی

اهمیت پدیده روانگرایی در افزایش مستقیم و غیر­مستقیم خسارات ناشی از زلزله در نقاط مختلف دنیا این الزام را به وجود آورده تا تحقیقات زیادی جهت شناسایی و مقابله با اثرات ناشی از این پدیده انجام گیرد و آیین­نامه­ها و دستورالعمل­های مختلفی در ارتباط با چگونگی شناسایی و بررسی این پدیده و راه­های مقابله و چاره­جویی آن تهیه گردد.

خرابي­هاي ناشي از زلزله ممكن است به طور مستقيم منسوب به اثرات زلزله و يا نتيجه­ غيرمستقيم خرابي­هاي مستقيم آن باشند. به علاوه، خرابي­هاي مستقيم ممكن است ناشي از اثرات اوليه لرزش (به عبارتي تكان­هاي زمين و جابجايي­هاي گسل) و يا اثرات ثانويه­اي مانند زمين لغزش و روانگرايي خاك باشند كه خود از اثرات اوليه بوجود مي­آيند. در شکل 6 به صورت شماتیک انواع خرابی­های ناشی از زلزله مشاهده می­ شود.

شکل 6) خرابی ناشی از زلزله

جدول 2) برخی خسارات ناشی از روانگرایی در زلزله های اخیر جهان  (The Japanese Geotechnical Society, 1998)

نام زلزله

سال

بزرگا

مرکز سطحی

عمق کانونی

 (km)

تخریب ایجاد شده

نیگاتا

1964

5/7

N 4/38- E 2/139

40

مناطق هموار ماسه­ای در وسعت زیاد روان شدند

آلاسکا

1964

2/9

N 1/61- W4/38

20

فرونشست مناطق ساحلی

توکاچی-اوکی

1968

9/7

N 7/40- E 6/143

0

روان شدن خاک­های دستی و زمین­های استحصال شده ماسه­ای

سان فرناندو

1971

6/6

N 4/34- E 4/118

13

فروریختن سد خاکی

نمیورو پنینسولا

1973

4/7

N 9/42- E 0/145

40

روان شدن زمین­های استحصال شده

گواتمالا

1976

5/7

N 3/15- W 1/89

5

روان شدن ماسه­های ساحل دریاچه

تانگشن

1976

8/7

N 4/39- E 1/118

12-16

فروریختن سد خاکی

رومانیا

1977

2/7

N 8/45- E 7/26

91

روان شدن زمین­های ماسه­ای هموار

ایزو-اوشیما کیناکی

1978

0/7

N 8/34- E 3/139

0-10

روان شدن پس­ماندهای معدنی

میاگیکن-اوکی

1978

4/7

N 2/38- E 2/142

30

روان شدن زمین­های هموار

مونتنگرو

1979

3/7

N 1/42- E 1/19

33

روان شدن و فرونشست زمین­های هموار ماسه­ای

نان هونکای-چوبو

1983

7/7

N 4/40- E 1/139

14

روان شدن زمین­های هموار و شیب پای دامنه­ تپه­های ماسه­ای

لوما پریتا

1989

1/7

N 3/37- W 86/121

18

روان شدن زمین­های استحصال شده در ساحل سانفرانسیسکو

فیلیپین

1990

8/7

N7/15- E 2/121

25

روان شدن و فرونشست زمین­های هموار ماسه­ای

 

شکل 7) فروریزش بخشی از خیابان در شهر Anchorage در طی زلزله ی آلاسکا

شکل 8) خرابی پل راه آهن واقع بر روی دریاچه ی Kenai در طی زلزله ی آلاسکا

شکل 9) ترک خوردگی پی های شمعی ساختمان NHK در اثر روانگرایی در طی زلزله ی نیگاتا

شکل 10) خرابی پل Showa در اثر روانگرایی در طی زلزله ی نیگاتا

شکل 11) خرابی سد پایینی San Fernando پس از وقوع زلزله

شکل 12) فرورفتن ساختمان در اثر روانگرایی در ناحیه ی ساحلی Marina در طی زلزله ی Loma Prieta