بخشی از مقاله
چكیده
روانگرایی یکی از مهمترین پدیده های ژئوتکنیکی است که در خاک های سست ماسه ای اشباع به هنگام وقوع زلزله موجب بالا رفتن فشار منفذی وکاهش مقاوت برشی می شود. در مناطق دارای خاک های غیرچسبنده ی ریزدانه، در شرایطی که سطح آب زیرزمینی بالا باشد، بررسی پتانسیل روانگرایی خاک ضروری می باشد. از آن جایی که روش های موجود برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک ها از نقطه نظر اهمیت، دقت و میزان مقبولیت تفاوت دارند لذا در مقاله حاضر به بررسی روش های مختلف از جمله روش انفجار، آزمایش سه محوری و... پرداخته شده است. مطالعات نشان می دهدکه با افزایش درصد ریزدانه، روانگرایی کاهش می یابد از این رو معیارهایی که اثر ریزدانه را درنظر نمی گیرند باید به نحوی اصلاح شوند.
کلمات کلیذی: ارزیابی پتانسیل روانگرایی، انفجار، خاک رس
.1 مقذمه
کشور ایران در یکی از مناطق مهم لرزه خیز دنیا واقع شده است و تاکنون شاهد وقوع زمین لرزه های شدیدی بوده است. وقوع زمین لرزه با خطراتی برای زندگی بشر همراه بوده است که از جمله خطرهای ناشی از آن، پدیده روانگرایی می باشد. با توجه به خطراتی که بر اثر روانگرایی در خاک ها رخ می دهد تحلیل روانگرایی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با انجام آزمایش ها و نیز تحلیل های روانگرایی که به لحاظ اقتصادی، در قیاس با زیان های احتمالی ناشی از خرابی سازه ها بر اثر زلزله، هزینه های بسیار کمی دارند می توان به پتانسیل روانگرایی خاک پی برد. زلزله نیاگاتای ژاپن در سال 1964، آسیب های را به پی ساختمان ها، سد ها و شیب های طبیعی وارد آورد.[1]
افزایش فشار آب منفذی در خاک های ماسه ای و لایه های سست اشباع در هنگام زلزله بر اثر تمایل خاک به کاهش حجم منجر به کاهش تنش همه جانبه در خاک می شود. در این حالت مقاومت برشی خاک به شدت کاهش می یابد و به مقدار صفر نزدیک می شود. به این پدیده روانگرایی می گویند. این پدیده خود را به صورت نشست های قابل توجه، ایجاد ترک و بازشدگی، فوران گل و آب، جوشش ماسه و تراوش آب از خلل و فرج موجود در سطح زمین نشان می دهد. از عوامل مؤثر بر وقوع روانگرایی می توان به بزرگای زلزله و مدت زمان آن، تخلخل، تراکم نسبی، درصد ریزدانه و نشانه خمیری خاک و دامنه تنش برشی اعمالی بر توده خاک در زمان زلزله اشاره نمود .[2]
1داوشجُیکارشىاسی ارشدگ، رَي عمرانداوشکديمٍىدسی، عمران،َاحد وجفآباد، داوشگاي آاد اسالمی، وجفآباداصف، ٍان،ایران 2ستادیارداوشکدي م ٍىدسٌستًییَ اعلُمپایً ،َاحد وجفآباد، داوشگاي آاد اسالمی،وجفآباد،اصف ٍان، یاران
استاد3 داوشکدي زمیهشىاسی، داوشگاياصف ٍان،یاران
1
در ادامه به بررسی و یاد آوری پاره ای از مبانی و مطالعاتی که بر روی پدیده روانگرایی صورت گرفته می پردازیم. اولین بار عبارت روان شدگی توسط هیزن در سال 1918 برای اشاره به خرابی به وجود آمده در سد کالاوراس کالیفرنیا استفاده شد. وقوع زمین لرزه در این سد باعث حرکت لایه های ماسه ای در قسمت بالای سد گردید و موجب تخریب آن شد .[4] ترزاقی در سال 1925 تئوری تنش موثر را مطرح نمود. او اولین کسی بود که واژه ی جدید روانگرایی را ابداع نموده و آن را این چنین تعریف کرد: "چنانچه در خاک اشباع فروپاشی رخ دهد، این امر منجر به انتقال وزن ذرات فروریخته به آب اطراف شده و احتمال وقوع روانگرایی وجود دارد. یکی از نتایج این پدیده افزایش فشار آب ایستایی در اعماق تا رسیدن به مقادیر نزدیک به وزن غوطه وری خاک می باشد" .[5] کاساگرانده در سال 1936 یکی از اولین افرادی بود که جهت شناخت و توضیح روانگرایی در خاک های ماسه ای مطالعات خود را آغاز نمود. این دانشمند مبنای فرضیه خود را بر تخلخل بحرانی بنا نهاد .[6] عبارت "روانگرایی خود به خودی یا طبیعی" نخستین بار توسط ترزاقی و پیک در سال 1948 برای نشان دادن تغییر ناگهانی نهشته های سست ماسه ای به جریان هایی شبیه سیال لزج به واسطه ی اغتشاش جزیی مورد استفاده قرار گرفت. این پدیده به عنوان دلیل اصلی گسیختگی های محتمل وقوع شیب در نهشته های اشباع ماسه ی سیلت دار ریز در نظر گرفته شد .[7]
در حقیقت تا سال 1953 روانگرایی ناشی از بارگذاری لرزه ای به عنوان یک موضوع مهم مهندسی مورد توجه قرار نگرفته بود. پس از زمین لرزه سال 1948 توکیو، مورگان و کوبه درسال 1953 برای نخستین بار روانگرایی خاک تحت تأثیر بارگذاری لرزه ای را مطرح نمودند .[16] بنابراین روانگرایی خاک های دانه ای، اشباع و سست در طی زمین لرزه، یکی از خطرات اصلی در بسیاری از نقاط جهان محسوب می گردد. در طی وقوع زمین لرزه، روانگرایی خسارات مهمی را به سازه های مهندسی وارد می کند. این خسارات با تغییر شکل زمین، جوشش ماسه و نشست زمین همراه است .[3]
سید و لی در سال 1966 به منظور ارزیابی نظریه نسبت تخلخل بحرانی در براورد پتانسیل روانگرایی مطالعاتی را بر روی خاک ماسه ای رودخانه ساکرامنتو انجام دادند و در ادامه خط نسبت تخلخل بحرانی را معرفی کردند .[9] کاساگرانده در سال 1975 روانگرایی را در قالب روانگرایی واقعی و روانگرایی تناوبی به صورت ذیل تعریف نمود :[8]
-1 روانگرایی واقعی پاسخ ماسه ی اشباع سست تحت اثر کرنش یا تکان ناگهانی است که منجر به کاهش قابل توجه مقاومت و در حالت نهایی لغزش جریانی می شود.
-2 روانگرایی تناوبی پاسخ یک نمونه ی آزمایشگاهی از ماسه ی اتساعی به بارگذاری تناوبی در آزمایش سه محوری می باشد هنگامی که فشار منفذی حداکثر به صورت لحظه به لحظه در هر دوره افزایش می یابد تا در یک دوره با فشار همه جانبه برابر شود.
کاسترو در سال 1982 روانگرایی را این چنین تعریف نمود: روانگرایی پدیده ای است که در آن هنگامی که یک توده ی خاک تحت اثر بارگذاری زهکشی نشده ی یکنواخت، تناوبی یا ضربه ای قرار می گیرد، درصد قابل توجهی از مقاومت برشی اش را از دست داده و تا زمانی که تنش های برشی اعمالی بر روی توده با مقاومت برشی کاهش یافته برابر شود شبیه یک سیال جریان می یابد.[21]
سید و ادریس در سال 1982 به این نتیجه رسیدند که خاک هایی که دارای رس بیش از حد مشخصی هستند استعداد روانگرایی نخواهند داشت. آنها معیارهای زیر را برای مصالح محتوی رس بیان داشتند:
-1اگر مقدار مصالح رسی(مصالح ریز تر از 0/005 میلیمتر) بیشتر از 20 درصد باشد مصالح روانگرا نخواهد شد.
2
-2اگر درصد مصالح محتوی رس کمتر از 0/90 برابر حد روانی آنها باشد مصالح روانگرا نخواهد شد.
ایواساکی در سال 1986 بیان نمود که وقوع روانگرایی نیاز به شرایط خواصی دارد که مکانیزم های مربوط به روانگرایی ماسه اشباع شده ناشی از زمین لرزه را به شرح زیر شمرد :[10]
-1حرکت ارتعاشی زمین لرزه موجب اعمال تنش های برشی مکرر در ماسه های اشباع می گردد.
-2تنش های بررشی موجب بروز تمایل به انقباض می گردند ولی شرایط زهکشی نشده مانع از تغییر حجم می گردد. -3 متعاقبا فشار حفره ای اضافی در ماسه ایجاد شده و تجمع می نماید.
-4 تنش های موثر کاهش و در نتیجه مقاومت برشی کاهش می یابد.
-5 نهایا اگر فشار آب حفره ای اضافی به حد کفایت زیاد باشد مقاومت بررشی به میزان بسیار کمی رسیده و خاک روان می شود.
با توجه به نتایج به دست آمده از مطالعات رابرسون و فیر در سال 1994 و 1995 انواع روانگرایی به صورت زیر تعریف می شود 11]،13،:[14
-1 روانگرایی جریانی: روانگرایی جریانی تنها مختص خاک هایی است که در وضعیت نرم شوندگی کرنشی قرار دارند. روانگرایی جریانی نیازمند تنش های برشی در جا با مقادیر بزرگتر از مقاومت برشی زهکشی نشده ی حداقل یا نهایی است. روانگرایی جریانی می تواند در هر خاک اشباع کم ثبات مثل رسوبات دانه ای سست، رس های بسیار حساس و رسوبات رسهای سیلت دار (سیلت) اتفاق بیافتد.
-2 نرم شوندگی تناوبی: نرم شوندگی تناوبی در هر دو نوع خاک نرم شونده و سخت شونده کرنشی اتفاق می افتد. در بررسی این پدیده دو عبارت روانگرایی تناوبی و تحرک تناوبی را می توان به کار برد.
کارمر وانگمال در سال 2001 روانگرایی را در قالب روانگرایی جریانی، تحرک تناوبی و روانگرایی اولیه مطرح نمودند .[12] چیا و همکاران در سال 2004 در تحقیقات خود بر روی ماسه رودخانه مالیو به این نتیجه رسیدند که هنگامی که در صد ریز دانه گذشته از الک 20 ,400 تا30 درصد باشد مقاومت در برابر روانگرایی به کمترین مقدار خود خواهد رسید .[15] یوان در سال 2010 بیان نمود که روانگرایی معمولا با افزایش آب منفذی، جوشش ماسه و حالت های مختلف تغییر شکل همراه است. به طور کلی، تنها نهشته های اشباع یا نهشته هایی که قابلیت اشباع شدن با آب زیرزمینی را دارا باشند، به عنوان خاک های مستعد روانگرایی در نظر گرفته می شوند.[22] در این تحقیق به بررسی روش های مختلف از جمله روش انفجار، آزمایش سه محوری، معیار چینی ها، نفوذ مخروط و سرعت موج برشی پرداخته شده است.
-2 روش های محاسبه ارزیابی پتانسیل روانگرایی
1-2 ارزیابی پتانسیل روانگرایی با استفاده از انفجار
چارلی در سال 1988 به کنترل آزمایش انفجار با استفاده از مواد منفجره در بررسی طیف وسیعی از روانگرایی پرداخت. کیمرینگ در سال 1994 برای بهبود تراکم خاک سست نهشته شده در طول بزرگراه هلن با استفاده از انفجار به منظور کاهش پتانسیل روانگرایی پرداخت.[29] استفاده از انفجار در سال های اخیر جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی نهشته ها مورد توجه قرار گرفته است. هنگام وقوع انفجار در نهشته های اشباع، یک موج برشی شدیدی در خاک ایجاد خواهد شد. تراکم خاک های دانه ای بر اثر انفجار نتیجه ضربات ناشی ازانفجار به خاک اطراف، روانگرایی خاک و در
3
نهایت نشست مجدد خاک است. پارامترهای موثر در جهت استفاده از انفجار برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک شامل: وزن ماده منفجره در هر چاهک، عمق قراگیری ماده منفجره، نحوه ی توزیع ماده منفجره در ارتفاع، فواصل چاهک های انفجار، فازبندی و تعیین تعداد مراحل انفجار، ترتیب انفجاری چاه ها و زمان بندی انفجار در هر فاز دسته بندی می شود. طراحی هریک از پارامترهای فوق با درنظر گرفتن نتیجه ی نهایی مطلوب، محدویت های موجود برای دیگر پارامترها و اثرات زیست محیطی انجام می پذیرد. زلزله و ارتعاشات ناشی از مواد منفجره می تواند باعث افزایش فشار آب حفره اضافی در خاک اشباع شوند. افزایش در فشار منفذی باعث کاهش تنش موثر و در نتیجه کاهش مقاومت برشی در خاک می شود.
