بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی پتانسیل روانگرایی به کمک عدد نفوذ استاندارد و سرعت موج برشی
خلاصه
روانگرایی عامل مهم خرابی ساختار خاک، تاسیسات، شریانهای حیاتی و پی ساختمانها در زمینلرزههای گذشته بوده است. لذا برای مقابله با این پدیده و بهسازی سازهها و شناسایی مناطق مستعد روانگرایی نیاز به شناخت کامل آن برای زمینلرزههای آینده میباشد. روشهای متنوعی برای ارزیابی روانگرایی وجود دارد. در این مقاله، ارزیابی پتانسیل روانگرایی به سه روش مختلف شامل روشهای آییننامه پلهای بزرگراه ژاپن، ادریس و بولنگر و اندروز و استوکو بر روی گمانه ژئوتکنیکی حفر شده در ناحیه جنوب شرقی تهران صورت گرفته است. روشهای آییننامه پلهای بزرگراه ژاپن و ادریس و بولنگر از دادههای آزمایش نفوذ استاندارد استفاده میکنند ولی روش اندروز و استوکو بر پایه سرعت موج برشی بنا نهاده شده است. از منظر پیشبینی ضریب اطمینان در برابر روانگرایی، دو روش ادریس و بولنگر و اندروز و استوکو نتایج نسبتا مشابهی را ارائه کردهاند اما روش آییننامه پلهای بزرگراه ژاپن نتایج متفاوتی را پیشبینی کرده است که دلیل این پدیده، اثر چشمگیر اندازه متوسط دانهها در این روش میباشد.
کلمات کلیدی: روانگرایی، روش آییننامه پلهای بزرگراه ژاپن، روش ادریس و بولنگر، روش اندروز و استوکو
1. مقدمه
هنگامی که نهشته های خاک اشباع در اثر حرکات لرزهای به سرعت و به صورت دوسویه تحت برش قرار گیرند، فشار آب در داخل خلل و فرج خاک شروع به افزایش مینماید. در خاکهای غیرچسبنده اشباع سست، فشار آب منفذی به سرعت افزایش یافته و ممکن است به حدی برسد که ذرات به صورت مجزا از یکدیگر معلق شوند و برای لحظاتی مقاومت و سختی خاک به طورکامل از بین برود. به این پدیده به اصطلاح روانگرایی خاک گفته میشود. بررسی و تحقیق بر روی پدیده روانگرایی بعد از وقوع دو زمینلرزه بزرگ نیگاتا1 ژاپن و آلاسکا2 آمریکا در سال 1964 میلادی به طور جدی آغاز گردید. هر دو زلزله مثالهای شگفتانگیزی را از خسارتهای ناشی از روانگرایی شامل شکست شیروانیها، گسیختگی پی ساختمانها و پلها و شناوری سازههای مدفون به وجود آوردند. از آن زمان، پدیده روانگرایی خاک یکی از ملاحظات عمده در طراحی سازههای ساخته شده درون و یا روی خاکهای ماسهای سست اشباع به شمار میرود.[1] همچنین، از زمینلرزههایی که خسارات ناشی از روانگرایی آن موجب خسارات زیادی در کشورمان شده است میتوان به زلزله رودبار- منجیل اشاره کرد. از عوامل موثر بر استعداد روانگرایی میتوان به دانهبندی، خصوصیات بارهای ارتعاشی، ساختار خاک و تاریخچه تغییرشکلهای نسبی قبلی اشاره کرد. خرابی های ناشی از روانگرایی مانند از دست دادن ظرفیت باربری، ایجاد نیروی شناوری و گسترش جانبی در طی زلزله های گذشته سبب شده است تا این پدیده به یکی از مهمترین و بحثبرانگیزترین موضوعات در مهندسی ژئوتکنیک لرزهای تبدیل شود. لذا برای مقابله با این پدیده و شناسایی مناطق مستعد روانگرایی، نیاز به شناخت کامل آن برای زمینلرزههای آینده میباشد. جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی روشهای مختلفی پیشنهاد شده است. در این پژوهش سعی شده است تا ارزیابی پتانسیل
روانگرایی بر روی یک گمانه ژئوتکنیکی به وسیله روشهای آییننامه پلهای بزرگراه ژاپن(1(JRA ، ادریس و بولنگر2 و اندروز و استوکو3 مورد بررسی قرار گرفته و نتایج بدست آمده از آنها تحلیل گردند.
2. معرفی پروفیل گمانه ژئوتکنیکی
گمانه ژئوتکنیکی مورد استفاده در این پژوهش، از جمله گمانههای حفر شده جهت پروژه ریزپهنهبندی لرزهای شهر تهران میباشد. این گمانه در ناحیه جنوب شرقی تهران واقع شده و تا عمق 20 متر زیر سطح زمین حفاری صورت گرفته است. همراه با حفر گمانه، آزمایشهای نفوذ استاندارد4 و درون گمانهای5 نیز صورت پذیرفته است. نیمرخ گمانه ژئوتکنیکی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه میشود 1 متر ابتدایی گمانه از خاک دستی تشکیل شده است که در نتیجه فاقد ارزش جهت ارزیابیهای ژئوتکنیکی میباشد. از عمق 2 الی 6 متر، خاک به صورت ماسه لای دار همراه با شن میباشد. از عمق 6 الی 8 متر، لای همراه با ماسه و شن وجود دارد. در ادامه از عمق 8 الی 13 متر، ماسه لای دار همراه با شن مشاهده میشود و در نهایت از عمق 13 الی 20 متری، لای همراه با ماسه و شن موجود میباشد. سطح آب زیرزمینی نیز در عمق 6 متری میباشد. در جدول1، نتایج آزمونهای آزمایشگاهی شامل درصد رطوبت (w)، وزن مخصوص خاک ( )، حد روانی (LL)، حد خمیری (PL)، نشانه خمیری (PI)، میزان درصد ریزدانه (FC)، اندازه متوسط ذرات (D50)، عدد نفوذ استاندارد اصلاح شده (N1)60 و سرعت موج برشی (Vs) در لایههای مختلف ارائه شده است.
3. روش آییننامه پلهای بزرگراه ژاپن
روند ارزیابی روانگرایی توده خاک در این روش بر پایه محاسبه و تخمین ضریب تنش برشی سیکلی (دورهای) معادل یا حداکثر (L)، که احتمال وقوع آن در توده خاک حین زمینلرزه وجود دارد و محاسبه و تخمین مقاومت روانگرایی (R) و در نهایت مقایسه این دو با یکدیگر میباشد. روش پیشنهاد شده توسط آییننامه پل های بزرگراه براساس روش ارائه شده توسط ایواساکی1 و همکاران [3] بنا شده است. L و R از روابط زیر بدست میآیند:
که R1 از رابطه 3 و R2 بسته به میزان D50 از رابطه 4 و یا رابطه 5 بدست میآید:
در روابط فوق،amax شتاب حداکثر سطح زمین، g شتاب ثقل زمین، تنش کل سربار تنش موثر سربار ضریب کاهش تنش2، N تعداد ضربات نفوذ استاندارد اصلاح شده و D50 اندازه متوسط ذرات میباشند. rd از رابطه زیر تعیین میشود:
که z عمق لایه مورد نظر بر حسب متر است. بعد از بدست آوردن دو پارامتر L و R ، ضریب اطمینان هر لایه نسبت به وقوع روانگرایی (FS) از رابطه زیر بدست میآید:
4. روش ادریس و بولنگر
ادریس و بولنگر، روشهای نیمهتجربی جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاکهای غیرچسبنده اشباع در حین زلزله را بررسی و برای استفاده در مقاصد عملی به روز کردند. موارد به روز شده عبارتند از ضریب کاهش تنش برشی (rd)، ضریب مقیاس بزرگا(MSF)1 و ضریب اصلاح سربار2 برای نسبتهای تنش سیکلی ( .(K با بررسی مطالعات گذشته، ادریس و بولنگر تلاش کردند تا روابط سادهای برای هر یک از این پارامترها ارائه دهند. روش ادریس و بولنگر از همان رابطه ساده شده سید و ادریس جهت تخمین نسبت تنش برشی سیکلی (CSR) ایجاد شده بوسیله حرکات زمین در اثر زلزله استفاده میکند :[4]
در رابطه فوق، amax بیشینه شتاب افقی در سطح زمین برحسب g (شتاب ثقل زمین)، v0 تنش قائم کل، 'v0 تنش قائم موثر در عمق z و rd ضریب کاهش تنش برشی میباشند. از ضریب 0/65 جهت تبدیل نسبت تنش برشی سیکلی بیشینه به یک نسبت تنش سیکلی که نمایندهای از مهمترین سیکلها در طول مدت زمان بارگذاری است استفاده میشود. rd از رابطه زیر بدست میآید:[4]
در روابط فوق، z عمق بر حسب متر و M بزرگای زلزله میباشند. این روابط تا عمق 34 متر کاربرد داشته و جهت اعماق بیش از 34 متر از رابطه زیر باید استفاده گردد:[4]
جهت تنظیم CSR اعمالی در حین زلزلهای با بزرگای M به CSR معادل برای زلزلهای با بزرگای M= 7/5 از ضریب مقیاس بزرگا (MSF) استفاده شده که به صورت رابطه زیر محاسبه میگردد.MSF به صورت تقریبی بیانگر اثرات مدت زمان لرزش یا تعداد معادل سیکلهای تنش است:[4]
ضریب اصلاح سربار برای نسبت های تنش سیکلی از رابطه زیر بدست میآید
تنش موثر قائم و Pa فشار جو معادل 101 کیلوپاسکال میباشد. از رابطه زیر بدست میآید
که در آن عدد نفوذ استاندارد اصلاح شده میباشد. ماکزیمم مقدار (N1)60 برابر با 37 میباشد (مقدار نباید بیش از 0/3 شود). لازم است عدد نفوذ استاندارد اصلاح شده به عدد نفوذ استاندارد ماسه تمیز معادل یعنی (N1)60cs نیز اصلاح شود :
که در آن از رابطه زیر بدست میآید:
