بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي پتانسيل روانگرايي با استفاده از نتايج آزمايش نفوذ سنج ديناميکي
چکيده
بمنظور بررسي قابليت آزمايش نفوذ سنج ديناميکي (DCP) در ارزيابي پتانسيل روانگرايي ، شش آزمايش نفوذسنجي ديناميکي تا عمق ١٠ متر در بخش هاي مختلف سواحل استان گيلان انجام پذيرفت . بر اساس نتايج حاصل از آزمايش هاي DCP، شاخص LPI براي هر يک از گمانه هاي آزمايش محاسبه گرديد و پتانسيل روانگرايي هر گمانه مورد ارزيابي قرار گرفت . در ادامه ، نتايج حاصل از آزمايش هاي DCP با نتايج حاصل از آزمايش هاي SPT مورد مقايسه قرار گرفت . در نهايت مزايا و معايب آزمايش DCP در ارزيابي و تعيين پتانسيل روانگرايي ارائه گرديد. نتايج اين تحقيق نشان مي دهد که آزمايش DCP توانايي بسيار خوبي در تعيين و ارزيابي پتانسيل روانگرايي دارد.
کلمات کليدي : آزمايش نفوذ سنج ديناميکي (DCP)، پتانسيل روانگرايي
١ - مقدمه
روانگرايي پديده اي است که در خاک هاي دانه اي و منفصل ماسه اي تا سيلتي در شرايط اشباع ايجاد مي گردد. با اعمال بارهاي ديناميکي بر توده هاي اشباع مستعد روانگرايي ، فشار آب منفذي بالا رفته و موجب کاهش مقاومت برشي خاک مي گردد، تا آنجا که خاک رفتار سيال پيدا کرده و روانگونه مي شود. اين پديده در نهايت توليد نشست کرده و مي تواند به گسيختگي توده خاک منجر گردد (پژوهشگاه بين المللي زلزله ، ١٣٧٨).
روش هاي متعددي براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي توسعه يافته اند که اغلب آن ها از روش ساده سيد و ادريس (Seed and Idriss) توسعه يافته اند. در روش سيد و ادريس که در سال ١٩٧١ ارائه شد، از مقادير N آزمايش نفوذ استاندارد براي تعيين دانسيته خاک استفاده مي شود (٢٠٠٧ ,Lenz and Baise). روش هاي ساده شده ، پتانسيل روانگرايي را در مکان و عمق مشخصي از خاک تخمين مي زند، بنابراين روش ها به گونه اي توسعه يافتند که پتانسيل روانگرايي را در تمام طول گمانه مورد ارزيابي قرار مي دادند. براي اين منظور، پتانسيل روانگرايي (LPI)١ براي فراهم ساختن و تلفيق پتانسيل روانگرايي در تمام طول گمانه ، توسط ايويساکي و همکاران توسعه يافت (٢٠٠٧ ,Cited by Lenz and Baise ,١٩٨٢ ,.Iwasaki et al).LPI ، پارامترهاي عمق ، ضخامت و ضريب اطمينان خاک مستعد روانگرايي را در يک پارامتر ترکيب مي کند (٢٠٠٣ ,Toprak and Holzer).
از سال ١٩٧١ تا کنون ويرايش هاي متعددي از روش ساده سيد و ادريس ارائه گرديده و اين روش براي استفاده از نتايج آزمايش نفوذ مخروط (CPT)، آزمايش نفوذ بکر (Becker Penetration Test, BPT) و آزمايش سرعت موج برشي نيز سازگار شده است ( ,Lenz and Baise ;٢٠٠٤ ,.Andrus et al ;٢٠٠١ ,Youd and Idriss ٢٠٠٧). مزايا و معايب استفاده از هر يک از اين روش ها در تعيين پتانسيل روانگرايي ، در جدول ١ ارائه شده است .
کاوشگر ديناميکي DCP يکي از انواع نفوذسنج ها براي انجام آزمايش نفوذسنجي است که کارايي بسيار خوب اين نفوذسنج در تعيين پارامترهاي مهندسي خاک هاي ماسه اي تا اعماق ١٠ متر به اثبات رسيده است (محمدي ، ١٣٨٧). در اين تحقيق قابليت و کارايي اين ابزار براي تعيين پتانسيل روانگرايي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است . براي اين منظور در اين تحقيق ، شش آزمايش نفوذسنجي تا عمق ١٠ متر در بخش هاي مختلف سواحل استان گيلان انجام پذيرفته و پتانسيل روانگرايي و شاخص LPI براي هر يک از گمانه هاي آزمايش DCP محاسبه گرديده است . در نهايت براي ارزيابي قابل اعتماد بودن نتايج حاصل ، اين نتايج با نتايج حاصل از آزمايش هاي متناظر SPT در هر محل ، مورد مقايسه قرار گرفته اند.
٢ کاوشگر ديناميکي (DCP)
در آزمايش نفوذسنجي با استفاده از کاوشگر ديناميکي DCP، جسمي شبيه مخروط يا شکلي ديگر در اثر فشار يا ضربه ، در داخل خاک نفوذ مي کند و مقاومت آن در مقابل نفوذ به مشخصات خاک ارتباط داده مي شود. به طور کلي خانواده نفوذسنج ها يا کاوشگرهاي ديناميکي از سه قسمت اصلي شامل چکش ، مخروط نفوذ و ميله هاي رابط تشکيل شده اند (شکل ١) و بر خلاف آزمايش نفوذ استاندارد (SPT)، معمولا نياز به حفر گمانه نمي باشد.
نتيجه هر آزمايش به صورت عددي بدون بعد ارائه مي شود که عبارت از تعداد ضربه لازم براي مقدار نفوذ مشخصي مي باشد. نتايج حاصل از انجام آزمايش با در نظر گرفتن تاثير نيروي اصطکاک بين ميله هاي رابط و خاک و همچنين تاثير تنش موثر سربار، اصلاح مي شوند. در کاوشگر ديناميکي DCP، از شاخص نفوذ ( Dynamic Penetration Index) با واحد ميلي متر بر ضربه (mm.blow) استفاده مي شود و تغييرات اين شاخص (DPI) در مقابل عمق رسم مي شود (محمدي ١٣٨٧و ٢٠٠٨ ,.Mohammadi et al).
٣ روش کار
ارزيابي پتانسيل روانگرايي نيازمند تخمين و محاسبه دو متغير به شرح زير است ( ,Youd and Idriss :(2001
١) پارامتر Cyclic Stress Ratio( CSR) که مربوط به تنش هاي وارد به خاک که از زلزله ناشي مي شوند.
٢) پارامتر Cyclic Resistance Ratio( CRR) که مربوط به مقاومت خاک در برابر روانگرايي . اين پارامتر با لفظ بيان مي شود.
٣-١ محاسبه CSR
در این تحقیق برای محاسبه CRF از رابطه 1 استفاده شده است .
در رابطه (١) amax معادل حداکثر شتاب افقي در سطح زمين که به وسيله زلزله ايجاد مي شود، g معادل شتاب ثقل زمين ، σvo و σ'vo به ترتيب معادل تنش سربار عمودي کل و موثر و نهايتا rd معادل ضريب کاهش تنش است . rd در اين تحقيق با استفاده از رابطه (٢) محاسبه شده است ( ٢٠٠١ Youd and Idriss):
در رابطه (٢) z معادل عمق با واحد متر است .
در اين تحقيق براي تعيين حداکثر شتاب افقي زمين (amax) از مطالعات پهنه بندي شتاب زلزله در استان گيلان ( نوگل سادات ، ١٣٧١) استفاده گرديده که در آن زلزله هايي با دوره بازگشت ٥٠٠ ساله و احتمال وقوع ١٠ درصد لحاظ شده است .
٣-٢ محاسبه CRR
تعيين CRR (مقاومت خاک در مقابل تنش هاي تناوبي ) مهمترين بخش از فعاليت ها در ارزيابي پتانسيل روانگرايي است . مناسبترين روش براي تعيين CRR، اخذ نمونه دست نخورده از خاک و انجام آزمايش هاي آزمايشگاهي بر روي آن است . اما متاسفانه به دليل اينکه امکان برقراري وضعيت تنش هاي برجا در آزمايشگاه به سادگي امکان پذير نيست و نيز نمونه هاي اخذ شده با دستخوردگي زيادي همراهند، بنابراين انجام آزمايش هاي آزمايشگاهي براي تعيين CRR مشکلات و هزينه هاي فراواني را به دنبال دارد. از اينرو براي غلبه بر اين مشکلات ، استفاده از آزمايش هاي صحرايي نظير آزمايش نفوذ استاندارد (SPT)، آزمايش نفوذ مخروط (CPT)، آزمايش نفوذ بکر (BPT) و آزمايش سرعت موج برشي مرسوم و متداول شده است (٢٠٠١ ,Youd and Idriss).
در اين تحقيق مقادير CRR يک بار بر اساس نتايج آزمايش DCP و يک بار بر اساس نتايج آزمايش SPT تعيين شده است . در تمامي موارد بزرگترين زلزله محتمل با بزرگاي ٧.٥ در نظر گرفته شده است . براي تعيين مقادير CRR بر اساس نتايج آزمايش SPT از نمودار شکل ٢ استفاده شده است . در اين نمودار مقادير مختلف CRR در مقابل اعداد نفوذ استاندارد (N٦٠) پلات شده اند (٢٠٠١ ,Youd and Idriss). مقادير CRR براي خاک هاي که حاوي مقادير ٥، ١٥ و ٣٥ درصد ريز دانه اند با استفاده از نمودار شکل ٢ قابل تعيين است . در اين تحقيق براي لحاظ کردن تاثير بخش ريزدانه خاک در خاک هاي حاوي مقادير ريزدانه بين ٣٥ تا ٥٠ درصد، در ابتدا مقادير N اصلاح شده با استفاده از رابطه (٣) (٢٠٠١ ,Youd and Idriss) محاسبه شده اند (مقادير معادل N براي خاک حاوي ٥ درصد ريز دانه به دست مي آيد) و سپس با استفاده از نمودار شکل ٢، مقادير CRR تعيين شده است . عليرغم امکان بررسي پتانسيل روانگرايي در خاک هاي حاوي بيش از ٥٠ درصد ريزدانه ( Boulanger ٢٠١٠ ,Prakash and Puri ;٢٠٠٦ ,and Idriss) به دليل در اختيار نبودن داده هاي مورد نياز، اين خاک ها غير روانگرا در نظر گرفته شده اند.
در رابطه (٣) براي خاک هاي حاوي مقادير ريزدانه بيش از ٣٥ درصد ٥=α و ١٢=β در نظر گرفته مي شود.
براي تعيين مقادير CRR بر اساس نتايج آزمايش DCP، در ابتدا مقادير DCP به مقادير SPT معادل تبديل شده و ادامه کار مشابه با روش تعيين مقادير CRR بر اساس نتايج آزمايش SPT و با استفاده از نمودار شکل ٢، انجام شده است .
(١٩٩٠) .Card et al (نقل از محمدي ١٣٨٧) همبستگي بين نتايج آزمايش DCP و SPT را به صورت رابطه (٤) ارائه کرده اند:
که N٣٠ عبارت از مجموع ضربات براي نفوذ ٣٠ سانتي متر در آزمايش DCP مي باشد. اما بررسي هاي انجام شده توسط هاشمي و همکاران (١٣٨٩) نشان مي دهد که اعمال ضريب ١.٣ به جاي ضريب ١.٤ در رابطه Card et .al، نتايج بهتري را براي ماسه انزلي ارائه مي دهد. در اين تحقيق براي تبديل مقادير DCP به مقادير SPT معادل از رابطه (٥) استفاده شده است .
شکل ٢- منحني SPT ماسه تميز براي زلزله هاي با بزرگاي ٧.٥ بر اساس داده هاي تاريخچه روانگرايي ( Youd .(and Idriss, 2001
٣-٣ محاسبه شاخص پتانسيل روانگرايي (LPI)
در ارزيابي پتانسيل روانگرايي ، ضريب اطمينان (FL) روانگرايي مطابق با رابطه (٦) از تقسيم CRR بر CSR به دست مي آيد. اما FL محاسبه شده ، به تنهايي ابزار مناسبي براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي نيست و نمي توان شدت روانگرايي و شدت آسيب ناشي از آن که به ابنيه فني وارد مي شود را صرفا بر اساس FL تعيين نمود .(Sonmez, 2003)
(١٩٨٢) .Iwasaki et al به منظور ارزيابي پتانسيل روانگرايي يک سايت ، استفاده از شاخص پتانسيل روانگرايي (Liquefaction Potential Index) را پيشنهاد نمودند. اين شاخص ترکيبي است از ضخامت لايه روانگرا، ضخامت لايه غير روانگرا و مقدار ضريب اطمينان در مقابل روانگرايي (FL) ( ;٢٠٠٣ ,Toprak and Holzer ٢٠٠٨ ,Papathanassiou ;٢٠٠٣ Sonmez). رده بندي پتانسيل روانگرايي بر اساس LPI که توسط ايواساکي و همکاران ارائه شده است ، در جدول ٢ به نمايش درآمده است .
(٢٠٠٣) Sonmez معتقد است که در رده بندي ارائه شده توسط ايواساکي و همکاران ، مناطق غير روانگرا و مناطق داراي پتانسيل متوسط روانگرايي لحاظ نشده اند. همچنين او معتقد است به دليل وجود عدم قطعيت ها در شرايط زمين شناسي و داده هاي مورد استفاده ، بايد از ضريب اطمينان (FL) ١.٢ به جاي ضريب اطمينان ١ براي شرايط حدي وقوع روانگرايي در محاسبات استفاده کرد. از اينرو (٢٠٠٣) Sonmez با درنظر گرفتن ضريب اطمينان (FL) ١.٢ براي شرايط حدي وقوع روانگرايي در محاسبات ، رده بندي ايواساکي و همکاران را اصلاح نمود (جدول ٣).
در اين تحقيق براي محاسبه LPI بر اساس نتايج SPT، از روش اصلاح شده توسط (٢٠٠٣) Sonmez استفاده شده است . در اين روش LPI بر اساس رابطه (٧) محاسبه مي شود:
در رابطه (٧) :
همچنين براي محاسبه LPI بر اساس نتايج DCP، به دليل پيوسته بودن اين آزمايش از رابطه (٨) استفاده شده است (٢٠٠٧ ,Cited by Lenz and Baise .١٩٩٨ ,Luna and Frost):
