بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي ارزيابي پتانسيل روانگرايي با روش هاي انفجار و آزمايش نفوذ مخروط (CPT)
چکيده
بررسي زلزله هاي پيشين نشان داده است که عمده خرابي هاي ايجاد شده در حين زلزله بر اثر روانگرايي خاک ها بوده است .
پديده روانگرايي در اثر ترکيب تنش هاي ديناميکي و فشار آب منفذي در خاک هاي ماسه اي اشباع با تراکم پايين و نيز نهشته هاي نرم رس اشباع با شرايط خاص به وقوع مي پيوندد. بنابراين پيش بيني روانگرايي درخاک ها با توجه به خصوصيات فيزيکي و مکانيکي خاک و لرزه خيزي منطقه در سال هاي اخير مد نظر دانشمندان قرار گرفته است . در مقاله حاضر، به بررسي روش هاي ارزيابي پتانسيل روانگرايي با استفاده از دو روش انفجار و نفوذ مخروط (CPT) پرداخته شده است . مطالعات نشان مي دهد، از روش انفجار نسبت به آزمايش نفوذ مخروط (CPT) کمتر جهت ارزيابي پتانسيل روانگرايي پرداخته شده است . به نظر مي رسد استفاده از روش انفجار جهت برآورد روانگرايي از نظر زماني نسبت به ساير آزمون هاي صحرايي سريع تر مي باشد.
واژگان کليدي: روانگرايي، انفجار، نفوذ مخروط ، تراکم
١- مقدمه
در حقيقت پديده تغيير رفتار خاک هاي ماسه اي از جامد به مايع در مراحل ابتدايي پيشرفت علم مکانيک خاک شناسايي شد. اولين بار عبارت روان شدگي توسط (١٩١٨ ,hazen) براي اشاره به خرابي به وجود آمده در سد کالاوراس کاليفرنيا استفاده شد. وقوع زمين لرزه در اين سد باعث حرکت لايه هاي ماسه اي در قسمت بالاي سد گرديد و موجب تخريب آن شد [٤]. (١٩٢٥ ,Terzaghi) تئوري تنش موثر را مطرح نمود که براي محققان پس از او گامي مهم در شرح و توضيح پديده ي روانگرايي به شمار مي رود. او اولين کسي بود که واژه ي جديد روانگرايي را ابداع نموده و آن را اين چنين تعريف کرد: "چنانچه در خاک اشباع فروپاشي رخ دهد، اين امر منجر به انتقال وزن ذرات فروريخته به آب اطراف شده و احتمال وقوع روانگرايي وجود دارد. يکي از نتايج اين پديده افزايش فشار آب ايستايي در اعماق تا رسيدن به مقادير نزديک به وزن غوطه وري خاک مي باشد" [٥].
در سال هاي اخير روش هاي آزمايشگاهي و صحرايي متعددي جهت ارزيابي مقاومت روانگرايي خاک ها ارائه شده است . از جمله روش هاي ارزيابي صحرايي مي توان به استفاده از انفجار، آزمايش مقاومت نفوذ استاندارد (SPT)، آزمايش نفوذ مخروط (CPT) و اندازه گيري سرعت موج برشي اشاره نمود. اگرچه در حال حاضر استفاده از (SPT) ساده ترين و معمول ترين شيوه براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي مي باشد، اما در سال هاي اخير آزمايش هاي (CPT) و سرعت موج برشي به علت راندمان بالاتر و پيوستگي اطلاعات روي عمق بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند.
اين ايده که از فرو بردن ميله در خاک مي توان به مقاومت آن پي برد بسيار قديمي مي باشد. ترزاقي در سال ١٩٢٩ در نيويورک اولين آزمايش پنترومتر مخروطي را جهت تعيين مقاومت ماسه ها بکار برد. به منظور خنثي کردن اثر عمق و از بين بردن فشار جانبي خاک ترزاقي در انتهاي مخروط سوانداژ از فشار آب استفاده کرد. اين فشار جانبي در اثر فشار سربار خاک به وجود مي آيد. امروزه دستگاهي که او استفاده کرده به نام نفوذ سنج مخروطي شستشو دهنده (Wash Point) معروف مي باشد. در سال ١٩٧٣ انستيتو ژئوتکنيک نروژ پنترومتري ساخت که مخروط انتهاي دستگاه مجهز به وسيله اي جهت اندازه گيري فشار منفذي ايجاد شده درهنگام نفوذ پنترومتر در داخل زمين مي باشد. اين وسيله پيزوکون (Piezocone) نام گرفت . اين روش در سال ١٩٨٤ توسط کالين (Collin) در فرانسه به کار گرفته شد. وي براي کار خود از يک سوزن ويکات (Vicat) به قطر ١ ميليمتر و وزن ١ کيلوگرم جهت تخمين ميزان چسبندگي انواع خاک هاي رسي با مقاومت هاي مختلف استفاده نمود. در سال هاي بعد با پيشرفت علم مکانيک خاک آزمايش هاي مخروطي (Cone Test) توسعه بيشتري پيدا کرد. همان طور که از اسم اين آزمايش پيد است ، در اين آزمايش از مخروط استفاده مي شود که زاويه نوک آن ٩٠ درجه مي باشد و بطور فزاينده اي روي نمونه خاک بارگذاري مي شود.
عمق نفوذ مخروط در نمونه براي هر پله افزايش بارگذاري اندازه گيري مي شود. سطح مقطع آن قسمتي از مخروط که در خاک فرو مي رود با داشتن عمق نفوذ و زاويه راس مخروط قابل محاسبه مي باشد. نسبت بار وارده به سطح مقطع تقريبا مقدار ثابتي بوده که بيانگر مقاومت خاک در مقابل نفوذ مخروط مي باشد که بر حسب واحد اندازه گيري کيلوگرم بر سانتي متر مربع يا واحد هاي مشابه قابل اندازه گيري است . اين نسبت با افزايش مقاومت رس افزايش مي يابد[٢].
اضافه فشار حفره اي در خاک ماسه ي اشباع بر اثر شوک انفجار، فشار گاز و يا تغيير حجم ايجاد مي شود. با افزايش فشار آب حفره اي در خاک، مقاومت برشي آن کاهش يافته و دانه هاي خاک راحت تر بر روي هم مي لغزند تا تحت وزن لايه هاي بالايي به ساختار متراکم تري دست يابند. اگر بر اثر افزايش فشار آب حفره اي تنش موثر در خاک صفر شود، مقاومت برشي خاک کاملا از دست رفته و خاک روانگرا خواهد شد. پس از وقوع روانگرايي، دانه هاي خاک همزمان با استهلاک اضافه فشار آب حفره اي چينش متراکم تري به خود مي گيرند. خاک هاي ماسه اي اشباع به دليل امکان وقوع روانگرايي و کاهش تنش موثر در آن ها جهت اجراي تراکم انفجاري مناسب تر هستند.
در اين تحقيق ، به بررسي و تحليل دو روش انفجار و نفوذ مخروط (CPT) جهت ارزيابي پتانسيل روانگرايي پرداخته شده است .
٢- ارزيابي پتانسيل روانگرايي با استفاده از روش نفوذ مخروط (CPT)
قابليت هاي ويژه آزمايش هاي نفوذ مخروطي در سادگي انجام آزمايش ، قابليت تکرار، دقت آزمايش و ثبت پيوسته نتايج در عمق لايه مي باشد. همچنين با پيشرفت تکنولوژي، دستگاه هاي پيشرفته تر (CPT) ابداع شده اند که از قابليت هاي ويژه اي برخوردار هستند. به عنوان مثال دستگاه مخروط فشار (Piezo Cone) مي تواند فشار آب حفره اي اضافي را نيز اندازه گيري کند و يا دستگاه نفوذ سنج مخروط لرزه اي (Seismic Cone Penetrometer) قادر به اندازه گيري پارامتر هاي سرعت موج برشي و مدول برشي خاک مي باشد. از اين رو در سال هاي اخير توجه اکثر محققان به استفاده از نتايج آزمايش هاي نفوذ مخروطي (CPT) در محاسبه ارزيابي پتانسيل روانگرايي جلب شده است .
در محاسبه روانگرايي با روش آزمايش نفوذ مخروط (CPT)، از روابط (١٩٩٨ ,Robertson and Wride) بهره گرفته شده است ؛ در مرحله اول ، ميزان نسبت مقاومت تناوبي توده خاک (CRR)، براساس آزمون مقاومت نفوذ مخروط (qc)، بدست آمده از روابط (١تا٤) اصلاح شده و با استفاده از نمودار شکل (١) تعيين مي گردد [٣].
در روابطه (١تا٤)، (qc) مقاومت نفوذ مخروط مقاومت نفوذ مخروط تصحيح شده بر اساس ميزان تنش موثر قائم در لايه هاي خاکي مورد مطالعه مقاومت نفوذ مخروط معادل ماسه تميز و (Ic) شاخص نوع رفتار خاک مي باشد که براساس روش تکرار محاسبه مي گردد.
مرحله دوم ارزيابي پتانسيل روانگرايي، تعيين نسبت تنش برشي تناوبي توده خاک (CSR) ايجاد شده توسط زلزله در عمق مورد مطالعه است که با استفاده از رابطه (٥) ارائه شده توسط (١٩٧١ ,Seed and Idriss) بدست مي آيد [٧و٩]:
در رابطه (٥)، تنش برشي متوسط ايجاد شده بر اثر وقوع زمين لرزه در عمق مورد مطالعه ، تنش کل در عمق مورد مطالعه ، تنش موثر در عمق مورد مطالعه ، (g) شتاب ثقل زمين و ضريب کاهش تنش مي باشد.
منحني شکل (١)، ارائه شده توسط (١٩٩٨ ,Robertson and Wride)، براي تعيين نسبت مقاومت تناوبي ماسه تميز از روي داده هاي (CPT) را نشان مي دهد. همان طور که ملاحظه مي شود، نتايج تنها براي زلزله هايي با بزرگاي ٧,٥ معتبر است ، نسبت مقاومت تناوبي (CRR)، به صورت تابعي از مقاومت (CPT) بدون بعد اصلاح شده و همپايه شده ي ، به دست آمده از ساختگاه هايي که به دنبال زلزله هاي گذشته بروز يا عدم بروز اثرات سطحي روانگرايي در آن ها مشاهده شده بود، نمايش مي دهد. [٣].
I.M. Idriss در کارگاه (NCEER١) پيشنهاد داد که منحني ماسه ي تميز در شکل (١) بايد در حدود ١٠ الي ١٥ درصد به سمت راست جا به جا شود. اما بيشتر شرکت کنندگان در کارگاه فوق به چند دليل از موقعيت فعلي منحني پشتيباني نموده و در نهايت تغيير پيشنهادي را نپذيرفتند. از جمله دلايل ارائه شده اين بود که تحقيقات متعدد نشان داده است که منحني ماسه ي تميز (CPT) به طور کلي محافظه کارانه است و جابجايي منحني به سمت راست ، دست بالا بودن آن نسبت به ديگر آزمون هاي نفوذي را تشديد مي کند. منحني پايه ي ماسه ي تميز شکل (١) را مي توان به وسيله ي رابطه ي (٦) تقريب زد:
دررابطه (٦)، مقاومت نفوذ مخروط ماسه ي تميز که نسبت به فشار همپايه شده است و نسبت مقاومت تناوبي براي بزرگاي گشتاوري ٧,٥، تعريف مي شود.
از تصحيحات لازم بر روي مقاومت نفوذ مخروط ، لحاظ نمودن اثرات اصطکاکي مقدار ريزدانه و مشخصات آن است . به اين منظور، (٢٠٠٦, Moss et al) مقادير را به صورت روابط (٨و٧) اصلاح نمود [١].
در رابطه (٨و٧)، به (Mpa)، تغييرات ضريب اصلاح زيردانه در محدوده ي ٠.٥ تا ٥، بر حسب درصد است ، به طوري که حداقل مقدار آن يعني و بيشينه آن در اعمال مي شود.ضريب اصلاح ريزدانه که از تحليل معکوس پايگاه داده هاي روانگرايي حاصل شده است نشان مي دهد که تغيير در قابليت روانگرايي (به صورت تابعي از CSR) با تغيير در نسبت اصطکاک همبستگي دارد[١].
شکل (٢) مرزهاي نسبت مقاومت تناوبي پيشنهادي (٢٠٠٦, Moss et al) را براي سه مقدار مختلف که محدوده ي موجود را به طور کامل پوشش مي دهد، به نمايش مي گذارد. اين منحني ها همچنين خطوط نسبت اصطکاک معادل را به طور تقريبي نشان مي دهند.
در اينجا نيز به کمک ارزيابي احتمالاتي سعي شده تا خطوط منطقي تر و با محدوده ي تغييرات کوچکتر ميان داده هاي محلي رسم شود و سپس مرز معادل ١٥ درصد احتمال روانگرايي به عنوان مرز تعيني براي وقوع روانگرايي پيشنهاد شده است [١].
معادله ي مرزهاي نشان داده شده در شکل (٢) براي استفاده در مقاصد محاسباتي به صورت رابطه (٩) ارائه گرديده است :
در رابطه (٩)، مقاومت نفوذ همپايه شده (Mpa)، Rf نسبت اصطکاک (درصد)، Mw بزرگاي گشتاوري، تنش موثر قائم تعريف مي شود.
شايان ذکر است که در رابطه ي (٩) اصلاح مقاومت نفوذ براي اثر ريزدانه به صورت خودکار در نظر گرفته مي شود و تنها از مقاومت نفوذ همپايه شده براي تنش سربار (qc1) به عنوان يکي از مولفه هاي ورودي استفاده مي شود[١].
در نهايت مقدار ضريب اطمينان در مقابل روانگرايي با استفاده از رابطه (١٠) محاسبه مي شود. ضريب اطمينان کمتر از يک نشان دهنده احتمال وقوع روانگرايي در عمق مورد بررسي مي باشد [٧و٩].
رفتار اتساعي خاک هاي ماسه اي علاوه بر وضعيت دانسيته ي نسبي و فشار همه جانبه ي موجود، تحت تاثير اندازه ي دانه ها و نوع کاني هاي تشکيل دهنده نيز است . انتظار مي رود که عوامل تاثيرگذار بر روي رفتار اتساعي خاک، بر روي مقاومت نفوذي آن هم موثر باشند، هرچند که ميزان تاثير آن ها کاملا مشخص نيست . (١٩٨٩ ,Sladen and Hewitt) مرزي براي تعيين رفتار اتساعي و يا انقباضي ماسه بر اساس نتايج آزمايش (CPT) با تعريف پارامتر طبق رابطه ي (١١) پيشنهاد کردند [١٨].
در رابطه (١١)، مقاومت نرمال شده ي نوک مخروط ، تنش موثر قائم ، مقاومت نوک مخروط اصلاح شده بر اساس فشار آب حفره اي (در ماسه هاي تميز اين مقدار برابر با Qc است ) مي باشد.
بر اساس پيشنهاد (١٩٨٩ , Sladen and Hewitt) در ماسه هايي که بزرگي در آن ها کمتر از ٧٠ بار باشد، خاک رفتار شل و انقباضي از خود نشان خواهد داد. با عبور بزرگي مقدار پارامتر از ٧٠ بار، خاک وارد حالت متراکم و رفتار اتساعي خواهد شد [١٨]. (١٩٩٣, Campanella and Kokan) با بررسي نتايج آزمايش ( ) بر روي چند سايت مختلف پيشنهاد دادند که خاک هاي ماسه اي که بزرگي پارامتر در آن ها کمتر از ٥٥ بار است ، تحت بار سيکلي رفتار انقباضي از خود نشان داده و مستعد روانگرايي هستند و با عبور مقدار در ماسه هاي اشباع ، احتمال وقوع روانگرايي تحت زلزله بسيار پايين خواهد يافت [١٩]. مزيت اصلي آزمايش نفوذ مخروط (CPT) آن است که يک نيمرخ تقريبا پيوسته از مقاومت نفوذ را براي تفسير لايه ها ايجاد مي نمايد. به طور کلي، نتايج CPT نسبت به ديگر آزمون هاي نفوذي ارائه شده ، ثابت تر (با نوسان کمتر) وتکرارپذير تر است . همچنين نيمرخ پيوسته ي به دست آمده در اين روش اين امکان را مي دهد که نسبت به ديگر آزمون ها تعريف دقيق تري از لايه هاي خاک صورت پذيرد. قابليت بالاي لايه شناسي CPT به ويژه در خصوص لايه هاي نازک مستعد روانگرايي در عين سريع و اقتصادي بودن ، اين آزمون را به ابزاري مفيد براي توليد نيمرخ مقاومت روانگرايي خاک تبديل کرده است .
٣- ارزيابي پتانسيل روانگرايي با استفاده از روش انفجار
اضافه فشار حفره اي در خاک ماسه ي اشباع بر اثر شوک انفجار، فشار گاز و يا تغيير حجم ايجاد مي شود. فشار آب حفره اي باقيمانده معمولا از مقدار پيک فشار آب حفره اي و يا همان فشار آب حفره اي ديناميکي کمتر است . اين فشار آب حفره اي داراي مدت زمان پايداري بيشتري بوده و با توجه به نفوذپذيري خاک اين اضافه فشار از چند دقيقه تا چند روز ادامه مي يابد. درصورتي که بر اثر افزايش اضافه فشار آب حفره اي تنش موثر صفر شود، وقوع روانگرايي محتمل خواهد بود. تحقيقات نشان مي دهد که تغيير حجم ناشي از روانگرايي بر اثر زلزله و در نتيجه نشست در خاک هاي ماسه اي تميز و سست در حدود ٠ تا ٥ درصد ضخامت لايه ي روانگرا است [٨].
(شاکران ، ١٣٩١) براي درک تاثير امواج ناشي از شوک انفجار در گسيختن پيوندهاي موجود در بين دانه هاي خاک، فرض مي شودکه يک خرج انفجاري کروي شکل در يک محيط همگن و ايزوتروپ منفجر شود. در اين حالت با توجه به وجود تقارن کروي در مساله ، استفاده از مختصات کروي براي توضيح پديده ي مورد نظر آسان تر خواهد بود. امواج ناشي از شوک انفجار با ايجاد جابجاييهاي شعايي، در محيط اطراف خود تنش برشي ايجاد مي کنند. فشار ناشي از شوک انفجار با ايجاد تغيير شکل هاي شعاعي، موجب ايجاد کرنش برشي در خاک مي گردد. مقدار کرنش برشي ايجاد شده با افزايش فاصله از نقطه ي انفجار به دليل کاهش سرعت ذرات و تک بعدي شدن موج انفجار، کاهش مي يابد. عبور شوک انفجار از درون خاک اشباع به صورت يک پيک شديد در
