بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي پتانسيل روانگرايي در خاکهاي رسي مطالعه موردي : سايت اجرايي ايستگاه پمپاژ جزيره مينو
خلاصه
پديده روانگرايي در اثر ترکيب تنشهاي ديناميکي و فشار آب منفذي در خاکهاي ماسه اي اشباع با تراکم پايين و نيز نهشته هاي نرم رس اشباع با شرايط خاص بـه وقـوع مي پيوندد. با ازدست رفتن مقاومت برشي درچنين شرايطي عملکرد خاک همچون يـک مـايع غلـيظ مـي گـردد. در مقالـه حاضـر روشـهاي گونـاگون بـرآورد پتانـسيل mm ٣٥ روانگرايي براي انواع خاکهاي ماسه اي و نيز خاک رس اشباع مطرح گرديده است . در ادامه پتانسيل روانگرايي براي خاک محـل احـداث ايـستگاه پمپـاژ جزيـره مينـو ارزيابي گرديده و راهکارهايي جهت کاهش اثرات اين پديده ارائه شده است .
کلمات کليدي : روانگرايي ، تنش موثر، مقاومت برشي ، فشارآب منفذي ، حد مايع
- .1 مقدمه
روش ها و معيارهاي ارزيابي قابليت روانگرايي در خاک ها با توجه به جنس خاک متغير بوده و بعضي از آنها مدتهاست که در پروژهاي مختلف عمراني جهت اطمينان از عدم آبگونگي خاک زير سازه مورد استفاده قرار مي گيرند.
در اغلب مراجع روانگرايي در تعريف عام ، رفتارنهشته هاي سست و اشباع تحت تاثير نيروهاي ديناميکي عنوان شده است . بيشتر اين نهشته ها رسوبات آبرفتي و ساحلي هستند. اعمال بارهاي متناوب ديناميکي و بارهاي ناشي از زلزله بر خاکهاي ماسه اي يا رس نرم با پلاستيسيته پايين که در شرايط اشباع قرار داشته و امکان زهکشي آنها محدود يا منتفي مي باشد، سبب از دست رفتن مقاومت خاک مي گردد. در چنين شرايطي خاک رفتاري همچون يک مايع غليظ نشان داده و سازه بنا شده بر آن دچار نشست ، چرخش يا تغيير مکان هاي جانبي بزرگ شده و حتي ممکن است به راحتي در زمين فرو رود. اين پديده تحت عنوان آبگونگي يا سيلان نيز مطرح گرديده است . روانگرايي و نشست هاي مرتبط با آن در مناطق گسترده اي از دنيا به وقوع پيوسته است . نمونه هايي از اين پديده را مي توان در زلزله هاي ١٩٨٣ نيهوناکي ، ١٩٠٧ نورد ديک ، ١٩٧٨ مياگي ژاپن ، ١٩٧٩ انمديو ايسلند، ١٩٩٣ هوکايدو و ١٩٩٩ ترکيه را نام برد.
.2 روانگرايي خاکهاي ماسه اي
در اغلب موارد روانگرايي خاکها زماني به وقوع مي پيوندد که عواملي شامل غير چسبندگي ، سست بودن ، اشباع کامل ، شرايط عدم زهکشي يا زهکشي بسيار کند و در نهايت وقوع زلزله يا بارگذاري ديناميکي که ايجاد لرزه در خاک نموده و شدت و تداوم آن کافي باشد، گردهم آيند. اين شرايط در اغلب خاکهاي ماسه اي بد دانه بندي شده و سست يا ماسه هاي لاي دار که عمدتا در سواحل يافت مي شوند، وجود دارد و در صورت ضرورت احداث سازه در چنين بافت ها و مناطقي بايد احتمال وقوع اين پديده ارزيابي گردد. مقاوت برشي خاک طبق رابطه موهر-کولمب از رابطه زير بدست مي آيد[١] :
که در آن ، مقاومت برشي خاک ، تنش قائم کل ، به ترتيب فشار هيدروستاتيک موجود و فشار آب حفره اي اضافي و ' ، زاويه اصطکاک داخلي موثر خاک مي باشند.
طبق رابطه ١، هر چه فشار آب حفره اي اضافي طي زلزله افزايش مي يابد، مقاومت برشي خاک کم مي گردد. تا آنجا که اين افزايش به صفر شدن مقاومت برشي و از دست رفتن قابليت باربري خاک مي انجامد.
با داشتن اعداد نفوذ SPT يا CPT براي خاک ماسه اي مي توان ضريب اطمينان در برابر روانگرايي (FOS١) را محاسبه نمود. اين ضريب به روش هاي متعددي که توسط محققيني همچون سيد و ادريس [٢]، روبرتسون و کامپانلا[٣]، ادريس و بولانگر[٤]، معرفي شده است ، محاسبه مي گردد. اين ضريب اطمينان به عنوان نسبت CRR٢ (نسبت مقاومت دوره اي)که همان ظرفيت خاک براي مقاومت در برابر روانگرايي است ، به CSR٣( نسبت تنش دوره اي)که معرف لرزه مورد نياز براي ايجاد روانگرايي است ، تعريف مي گردد.
نسبت تنش دوره اي (CSR)براي لايه اي از خاک که در عمق Z زير زمين طبيعي قرار گرفته است ، از رابطه (٢) محاسبه مي گردد:
در رابطه تنش قائم کل در عمق z زير سطح زمين ، تنش قائم موثر ، tcyc تنش برشي دوره اي و rd ضريب کاهشي براي عمق مي باشد.
ضريب کاهشي rd را مي توان از رابطه (٣) براي متر بدست آورد:
براي z >٣۴ متر ضريب کاهشي rd را مي توان از رابطه (٤) محاسبه نمود:
در روابط M بزرگي زلزله طرح مي باشد. مقداراين ضريب به جهت همسان سازي در بکارگيري نمودارهاي استاندارد ٧.٥ پيشنهاد شده است [٤].نسبت مقاومت دوره اي(CRR)نيز با استفاده ازاعداد CPT يا SPT بدست مي آيد. براي محاسبه اين نسبت از منحني هاي استاندارد آورده شده در شکل هاي ١ و ٢ که بر مبناي کاربرد اعداد CPT وSPT اصلاح شده تهيه شده اند، بهره گيري مي شود.
شکل (١)محاسبه CRR با استفاده از عدد CPT
شکل (٢)محاسبه CRR با استفاده از عدد SPT
در جدول ١ رابطه ميان اعداد CPT وSPT براي ماسه هاي سست لاي دار تا ماسه هاي نيمه سفت ارائه شده است .که در آن qc مقاومت مخروط CPT و N عدد نفوذ SPT مي باشد. اين جدول توسط اسچمرتمان توصيه گرديده است [٥] و در آن نسبت qc به N بر حسب نوع خاک ارائه گرديده است .
جدول (١) نسبت مقاومت مخروط به نفوذ استاندارد برحسب نوع خاک
تحقيقات متفاوتي که توسط زوبرتمان و کامپانلا[٢]، سيد و آلبا[٦]، يود و بنت و کاين و همکاران انجام گرديده نشان داده است که CPT وSPT موجود تابعي از اندازه متوسط دانه هاي خاک است . اندرسو و همکاران رابطه پيوستگي SPT– CPT را بر پايه نتايج روانگرايي خاکهاي ماسه اي بر اساس رابطه (٥) پيشنهاد نموده اند.
که درآن عدد SPT اصلاح شده معادل براي ماسه تميز و مقاومت مخروط نرمال شده مي باشد.
٣. روانگرايي در خاک هاي رسي
پيشينه تحقيقات انجام شده در زمينه بروز روانگرايي نشان مي دهد، اغلب مطالعات انجام شده بر خاک هاي ماسه اي انجام شده و خاک هاي ريز دانه بندي شده مانند لاي و لاي رس دار و حتي ماسه هاي حاوي ريزدانه نيز مستعد روانگرايي محسوب نمي گرديده اند.
مشاهدات آنچه در زلزله هاي هايچينگ (١٩٧٥)و تانگشان(١٩٧٦) رخ داد، نشان داد بسياري از خاک هاي چسبنده نيز در فرآيند زلزله روان شده بودند. ونگ اثبات نمود که اين خاک ها داراي درصد رس کمتر از ٢٠، حد مايع ميان ٢١ تا ٣٥ درصد ، پلاستيسيته ميان ٤و ١٤ و درصد آب بيش از ٩٠ درصد بوده اند[٧،٨و٩].کيشيدا روانگرايي خاک هاي داراي تا ٧٠ درصد ريزدانه و رس ١٠ درصد را طي زلزله هاي مي نو-اووار ، توهانکاي و فوکي گزارش نموده است [١٠]. توهو و ياسودا اعلام نمودند که خاکهاي با محتواي ريزدانه تا ٩٠ درصد، و محتواي رس تا ١٨ درصد در زلزله توکاچي -اوکي سال ١٩٦٨ روان شده اند[١١]. وقوع گسيختگي لغزشي طي زلزله ١٩٧١ سان فرنادو در اثر روانگرايي خاک شبه لاي خاکريز بالادست سد نيز توسط سيد و همکاران گزارش شده است [١٢].
پس از مشاهده روانگرايي در خاکهاي حاوي ريزدانه ، فعاليتهاي تحقيقاتي پيرامون اين اثر آغاز شد. ونگ اثبات نمود که ٣ نوع از خاک ها مي توانند مستعد روانگرايي باشند[١٣]:
١- ماسه هاي اشباع با عدد SPT کمتر از حد بحراني معلوم . اين حد بحراني تابعي از شدت زلزله و فشار سربار موثرمي باشد.
٢- خاکهاي لاي دار چسبنده در شرايط اشباع کامل که درصد آب آنها کمتر از ٩٠ درصد حد مايعشان بوده و شاخص مايع آنها از ٠.٧٥ کمتر باشد.
٣- رسهاي نرم با شاخص مايع بيش از ٠.٧٥، مقادير SPT کمتر از ٤ و حساسيت بيش از ٤.
بزرگترين نقد وارد بر معيارهاي ذکر شده عدم لحاظ پارامترهاي مربوط به حرکت زمين طي زلزله اي است که روانگرايي خاک را موجب گرديده است . با معيارهاي ارائه شده هر خاکي که يکي از شروط را دارا باشد صرفنظر از شدت تکان هاي زمين مستعد روانگرايي شناخته مي شود.
سيد و همکاران دريافتند که بعضي از خاک هاي ريزدانه مي توانند مستعد روانگرايي باشند. به نظر مي رسد چنين خاکهايي داراي مشخصات زير باشند[١٤]:
١- درصد اجزاي ريزتر از٠٠٥ .٠ ميليمتر خاک کمتر از ١٥ درصد
٢- حد مايع (LL) خاک کوچکتر از ٣٥
٣- درصد آب ( ) بزرگتر ازLL ٩ .٠
-4
درصورتي که تمامي عوامل فوق همزمان در سايتي وجود داشته باشند ، احتمال روانگرايي آن ساختگاه زياد تلقي ميشود و بايد خـواص آن بـه لحاظ امکان وقوع روانگرايي با انجام آزمونهاي آزمايشگاهي تحقيق گردد.اگر ميـزان اجـزاي ريزدانـه بـيش از ٢٠ درصـد باشـد خـاک بـدون پتانـسيل روانگرايي در نظر گرفته مي شود مگر اينکه بسيار حساس باشد. چنانچه ميزان آب هر نوع خاک ريزدانه رس دار (رس،رس ماسه اي رس سـيلتي ماسـه رسي و...) کمتر ازLL ٩ .٠ باشد، خاک بدون پتانسيل روانگرايي در نظر گرفته مي شود[١٥].
سيد و همکاران توصيه نمودند که وضعيت روانگرايي در خاک هاي ريزدانه اي که مشخصات فوق را دارا باشد، مي بايست با آزمايش مـورد بررسي دقيق قرار گيرد.خطايي که غالبا در اغلب سايت هاي اجرايي ملاحظه مي شود آن است که در بيشتر مواقع اينطور به نظر مي رسـد کـه خاکهـاي حاوي ريزدانه در مقايسه با ماسه هاي تميز مقاومت بيشتري نسبت به روان شدن دارند. حقيقت آن است که افزوده شدن ريزدانه به ماسه ، اگر آزمايش در همان نسبت تخلخل انجام گردد، پتانسيل روانگرايي آن را کاهش مي دهد[١٦]. سيد و همکاران نـشان دادنـد افـزايش ريزدانـه سـبب کـاهش اسـتعداد روانگرايي خاک مي گردد. رفتار خاک تحت اعمال بارهاي تناوبي با افزايش پلاستيسيته ممکن است متفاوت باشد[١٧]. ايشي هارا و کوسکي مشاهده نمودند که مقاومت تناوبي خاک در صورت کم بودن محدوده پلاستيسيته (کمتر از ١٠) تغييري نمي کند، ليکن براي بيش از آن افزايش مـي يابـد[١٨].
رفتار لاي و رس لاي دار که داراي پلاستيسيته اندک مي باشند خاص تر بوده و بايد تحقيقات بيشتري انجام گردد تا آسيب پذيري چنـين خاکهـايي در برابر روانگرايي تعيين گردد.
