مقاله بررسی ارزیابی پتانسیل روانگرایی با روش های انفجار و آزمایش نفوذ مخروط (CPT)

word قابل ویرایش
22 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
8700 تومان

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی ارزیابی پتانسیل روانگرایی با روش های انفجار و آزمایش نفوذ مخروط (CPT)
چکیده
بررسی زلزله های پیشین نشان داده است که عمده خرابی های ایجاد شده در حین زلزله بر اثر روانگرایی خاک ها بوده است .
پدیده روانگرایی در اثر ترکیب تنش های دینامیکی و فشار آب منفذی در خاک های ماسه ای اشباع با تراکم پایین و نیز نهشته های نرم رس اشباع با شرایط خاص به وقوع می پیوندد. بنابراین پیش بینی روانگرایی درخاک ها با توجه به خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک و لرزه خیزی منطقه در سال های اخیر مد نظر دانشمندان قرار گرفته است . در مقاله حاضر، به بررسی روش های ارزیابی پتانسیل روانگرایی با استفاده از دو روش انفجار و نفوذ مخروط (CPT) پرداخته شده است . مطالعات نشان می دهد، از روش انفجار نسبت به آزمایش نفوذ مخروط (CPT) کمتر جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی پرداخته شده است . به نظر می رسد استفاده از روش انفجار جهت برآورد روانگرایی از نظر زمانی نسبت به سایر آزمون های صحرایی سریع تر می باشد.
واژگان کلیدی: روانگرایی، انفجار، نفوذ مخروط ، تراکم

١- مقدمه
در حقیقت پدیده تغییر رفتار خاک های ماسه ای از جامد به مایع در مراحل ابتدایی پیشرفت علم مکانیک خاک شناسایی شد. اولین بار عبارت روان شدگی توسط (١٩١٨ ,hazen) 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 [۴]. (١٩٢۵ ,Terzaghi) تئوری تنش موثر را مطرح نمود که برای محققان پس از او گامی مهم در شرح و توضیح پدیده ی روانگرایی به شمار می رود. 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” [۵].
در سال های اخیر روش های آزمایشگاهی و صحرایی متعددی جهت ارزیابی مقاومت روانگرایی خاک ها ارائه شده است . از جمله روش های ارزیابی صحرایی می توان به استفاده از انفجار، آزمایش مقاومت نفوذ استاندارد (SPT)، آزمایش نفوذ مخروط (CPT) و اندازه گیری سرعت موج برشی اشاره نمود. اگرچه در حال حاضر استفاده از (SPT) ساده ترین و معمول ترین شیوه برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی می باشد، اما در سال های اخیر آزمایش های (CPT) و سرعت موج برشی به علت راندمان بالاتر و پیوستگی اطلاعات روی عمق بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند.
این ایده که از فرو بردن میله در خاک می توان به مقاومت آن پی برد بسیار قدیمی می باشد. ترزاقی در سال ١٩٢٩ در نیویورک اولین آزمایش پنترومتر مخروطی را جهت تعیین مقاومت ماسه ها بکار برد. به منظور خنثی کردن اثر عمق و از بین بردن فشار جانبی خاک ترزاقی در انتهای مخروط سوانداژ از فشار آب استفاده کرد. این فشار جانبی در اثر فشار سربار خاک به وجود می آید. امروزه دستگاهی که او استفاده کرده به نام نفوذ سنج مخروطی شستشو دهنده (Wash Point) معروف می باشد. در سال ١٩٧٣ انستیتو ژئوتکنیک نروژ پنترومتری ساخت که مخروط انتهای دستگاه مجهز به وسیله ای جهت اندازه گیری فشار منفذی ایجاد شده درهنگام نفوذ پنترومتر در داخل زمین می باشد. این وسیله پیزوکون (Piezocone) نام گرفت . این روش در سال ١٩٨۴ توسط کالین (Collin) در فرانسه به کار گرفته شد. وی برای کار خود از یک سوزن ویکات (Vicat) به قطر ١ میلیمتر و وزن ١ کیلوگرم جهت تخمین میزان چسبندگی انواع خاک های رسی با مقاومت های مختلف استفاده نمود. در سال های بعد با پیشرفت علم مکانیک خاک آزمایش های مخروطی (Cone Test) توسعه بیشتری پیدا کرد. همان طور که از اسم این آزمایش پید است ، در این آزمایش از مخروط استفاده می شود که زاویه نوک آن ٩٠ درجه می باشد و بطور فزاینده ای روی نمونه خاک بارگذاری می شود.
عمق نفوذ مخروط در نمونه برای هر پله افزایش بارگذاری اندازه گیری می شود. سطح مقطع آن قسمتی از مخروط که در خاک فرو می رود با داشتن عمق نفوذ و زاویه راس مخروط قابل محاسبه می باشد. نسبت بار وارده به سطح مقطع تقریبا مقدار ثابتی بوده که بیانگر مقاومت خاک در مقابل نفوذ مخروط می باشد که بر حسب واحد اندازه گیری کیلوگرم بر سانتی متر مربع یا واحد های مشابه قابل اندازه گیری است . این نسبت با افزایش مقاومت رس افزایش می یابد[٢].
اضافه فشار حفره ای در خاک ماسه ی اشباع بر اثر شوک انفجار، فشار گاز و یا تغییر حجم ایجاد می شود. با افزایش فشار آب حفره ای در خاک، مقاومت برشی آن کاهش یافته و دانه های خاک راحت تر بر روی هم می لغزند تا تحت وزن لایه های بالایی به ساختار متراکم تری دست یابند. اگر بر اثر افزایش فشار آب حفره ای تنش موثر در خاک صفر شود، مقاومت برشی خاک کاملا از دست رفته و خاک روانگرا خواهد شد. پس از وقوع روانگرایی، دانه های خاک همزمان با استهلاک اضافه فشار آب حفره ای چینش متراکم تری به خود می گیرند. خاک های ماسه ای اشباع به دلیل امکان وقوع روانگرایی و کاهش تنش موثر در آن ها جهت اجرای تراکم انفجاری مناسب تر هستند.
در این تحقیق ، به بررسی و تحلیل دو روش انفجار و نفوذ مخروط (CPT) جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی پرداخته شده است .
٢- ارزیابی پتانسیل روانگرایی با استفاده از روش نفوذ مخروط (CPT)
قابلیت های ویژه آزمایش های نفوذ مخروطی در سادگی انجام آزمایش ، قابلیت تکرار، دقت آزمایش و ثبت پیوسته نتایج در عمق لایه می باشد. همچنین با پیشرفت تکنولوژی، دستگاه های پیشرفته تر (CPT) ابداع شده اند که از قابلیت های ویژه ای برخوردار هستند. به عنوان مثال دستگاه مخروط فشار (Piezo Cone) می تواند فشار آب حفره ای اضافی را نیز اندازه گیری کند و یا دستگاه نفوذ سنج مخروط لرزه ای (Seismic Cone Penetrometer) قادر به اندازه گیری پارامتر های سرعت موج برشی و مدول برشی خاک می باشد. از این رو در سال های اخیر توجه اکثر محققان به استفاده از نتایج آزمایش های نفوذ مخروطی (CPT) در محاسبه ارزیابی پتانسیل روانگرایی جلب شده است .
در محاسبه روانگرایی با روش آزمایش نفوذ مخروط (CPT)، از روابط (١٩٩٨ ,Robertson and Wride) بهره گرفته شده است ؛ در مرحله اول ، میزان نسبت مقاومت تناوبی توده خاک (CRR)، براساس آزمون مقاومت نفوذ مخروط (qc)، بدست آمده از روابط (١تا۴) اصلاح شده و با استفاده از نمودار شکل (١) تعیین می گردد [٣].

در روابطه (١تا۴)، (qc) مقاومت نفوذ مخروط مقاومت نفوذ مخروط تصحیح شده بر اساس میزان تنش موثر قائم در لایه های خاکی مورد مطالعه مقاومت نفوذ مخروط معادل ماسه تمیز و (Ic) شاخص نوع رفتار خاک می باشد که براساس روش تکرار محاسبه می گردد.
مرحله دوم ارزیابی پتانسیل روانگرایی، تعیین نسبت تنش برشی تناوبی توده خاک (CSR) ایجاد شده توسط زلزله در عمق مورد مطالعه است که با استفاده از رابطه (۵) ارائه شده توسط (١٩٧١ ,Seed and Idriss) بدست می آید [٧و٩]:

در رابطه (۵)، تنش برشی متوسط ایجاد شده بر اثر وقوع زمین لرزه در عمق مورد مطالعه ، تنش کل در عمق مورد مطالعه ، تنش موثر در عمق مورد مطالعه ، (g) شتاب ثقل زمین و ضریب کاهش تنش می باشد.

منحنی شکل (١)، ارائه شده توسط (١٩٩٨ ,Robertson and Wride)، برای تعیین نسبت مقاومت تناوبی ماسه تمیز از روی داده های (CPT) را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود، نتایج تنها برای زلزله هایی با بزرگای ٧,۵ معتبر است ، نسبت مقاومت تناوبی (CRR)، به صورت تابعی از مقاومت (CPT) بدون بعد اصلاح شده و همپایه شده ی ، به دست آمده از ساختگاه هایی که به دنبال زلزله های گذشته بروز یا عدم بروز اثرات سطحی روانگرایی در آن ها مشاهده شده بود، نمایش می دهد. [٣].
I.M. Idriss در کارگاه (NCEER١) پیشنهاد داد که منحنی ماسه ی تمیز در شکل (١) باید در حدود ١٠ الی ١۵ درصد به سمت راست جا به جا شود. اما بیشتر شرکت کنندگان در کارگاه فوق به چند دلیل از موقعیت فعلی منحنی پشتیبانی نموده و در نهایت تغییر پیشنهادی را نپذیرفتند. از جمله دلایل ارائه شده این بود که تحقیقات متعدد نشان داده است که منحنی ماسه ی تمیز (CPT) به طور کلی محافظه کارانه است و جابجایی منحنی به سمت راست ، دست بالا بودن آن نسبت به دیگر آزمون های نفوذی را تشدید می کند. منحنی پایه ی ماسه ی تمیز شکل (١) را می توان به وسیله ی رابطه ی (۶) تقریب زد:

دررابطه (۶)، مقاومت نفوذ مخروط ماسه ی تمیز که نسبت به فشار همپایه شده است و نسبت مقاومت تناوبی برای بزرگای گشتاوری ٧,۵، تعریف می شود.
از تصحیحات لازم بر روی مقاومت نفوذ مخروط ، لحاظ نمودن اثرات اصطکاکی مقدار ریزدانه و مشخصات آن است . به این منظور، (٢٠٠۶, Moss et al) مقادیر را به صورت روابط (٨و٧) اصلاح نمود [١].

در رابطه (٨و٧)، به (Mpa)، تغییرات ضریب اصلاح زیردانه در محدوده ی ٠.۵ تا ۵، بر حسب درصد است ، به طوری که حداقل مقدار آن یعنی و بیشینه آن در اعمال می شود.ضریب اصلاح ریزدانه که از تحلیل معکوس پایگاه داده های روانگرایی حاصل شده است نشان می دهد که تغییر در قابلیت روانگرایی (به صورت تابعی از CSR) با تغییر در نسبت اصطکاک همبستگی دارد[١].
شکل (٢) مرزهای نسبت مقاومت تناوبی پیشنهادی (٢٠٠۶, Moss et al) را برای سه مقدار مختلف که محدوده ی موجود را به طور کامل پوشش می دهد، به نمایش می گذارد. این منحنی ها همچنین خطوط نسبت اصطکاک معادل را به طور تقریبی نشان می دهند.
در اینجا نیز به کمک ارزیابی احتمالاتی سعی شده تا خطوط منطقی تر و با محدوده ی تغییرات کوچکتر میان داده های محلی رسم شود و سپس مرز معادل ١۵ درصد احتمال روانگرایی به عنوان مرز تعینی برای وقوع روانگرایی پیشنهاد شده است [١].
معادله ی مرزهای نشان داده شده در شکل (٢) برای استفاده در مقاصد محاسباتی به صورت رابطه (٩) ارائه گردیده است :

در رابطه (٩)، مقاومت نفوذ همپایه شده (Mpa)، Rf نسبت اصطکاک (درصد)، Mw بزرگای گشتاوری، تنش موثر قائم تعریف می شود.
شایان ذکر است که در رابطه ی (٩) اصلاح مقاومت نفوذ برای اثر ریزدانه به صورت خودکار در نظر گرفته می شود و تنها از مقاومت نفوذ همپایه شده برای تنش سربار (qc1) به عنوان یکی از مولفه های ورودی استفاده می شود[١].

در نهایت مقدار ضریب اطمینان در مقابل روانگرایی با استفاده از رابطه (١٠) محاسبه می شود. ضریب اطمینان کمتر از یک نشان دهنده احتمال وقوع روانگرایی در عمق مورد بررسی می باشد [٧و٩].

رفتار اتساعی خاک های ماسه ای علاوه بر وضعیت دانسیته ی نسبی و فشار همه جانبه ی موجود، تحت تاثیر اندازه ی دانه ها و نوع کانی های تشکیل دهنده نیز است . انتظار می رود که عوامل تاثیرگذار بر روی رفتار اتساعی خاک، بر روی مقاومت نفوذی آن هم موثر باشند، هرچند که میزان تاثیر آن ها کاملا مشخص نیست . (١٩٨٩ ,Sladen and Hewitt) مرزی برای تعیین رفتار اتساعی و یا انقباضی ماسه بر اساس نتایج آزمایش (CPT) با تعریف پارامتر طبق رابطه ی (١١) پیشنهاد کردند [١٨].

در رابطه (١١)، مقاومت نرمال شده ی نوک مخروط ، تنش موثر قائم ، مقاومت نوک مخروط اصلاح شده بر اساس فشار آب حفره ای (در ماسه های تمیز این مقدار برابر با Qc است ) می باشد.
بر اساس پیشنهاد (١٩٨٩ , Sladen and Hewitt) در ماسه هایی که بزرگی در آن ها کمتر از ٧٠ بار باشد، خاک رفتار شل و انقباضی از خود نشان خواهد داد. با عبور بزرگی مقدار پارامتر از ٧٠ بار، خاک وارد حالت متراکم و رفتار اتساعی خواهد شد [١٨]. (١٩٩٣, Campanella and Kokan) با بررسی نتایج آزمایش ( ) بر روی چند سایت مختلف پیشنهاد دادند که خاک های ماسه ای که بزرگی پارامتر در آن ها کمتر از ۵۵ بار است ، تحت بار سیکلی رفتار انقباضی از خود نشان داده و مستعد روانگرایی هستند و با عبور مقدار در ماسه های اشباع ، احتمال وقوع روانگرایی تحت زلزله بسیار پایین خواهد یافت [١٩]. مزیت اصلی آزمایش نفوذ مخروط (CPT) آن است که یک نیمرخ تقریبا پیوسته از مقاومت نفوذ را برای تفسیر لایه ها ایجاد می نماید. به طور کلی، نتایج CPT نسبت به دیگر آزمون های نفوذی ارائه شده ، ثابت تر (با نوسان کمتر) وتکرارپذیر تر است . همچنین نیمرخ پیوسته ی به دست آمده در این روش این امکان را می دهد که نسبت به دیگر آزمون ها تعریف دقیق تری از لایه های خاک صورت پذیرد. قابلیت بالای لایه شناسی CPT به ویژه در خصوص لایه های نازک مستعد روانگرایی در عین سریع و اقتصادی بودن ، این آزمون را به ابزاری مفید برای تولید نیمرخ مقاومت روانگرایی خاک تبدیل کرده است .
٣- ارزیابی پتانسیل روانگرایی با استفاده از روش انفجار
اضافه فشار حفره ای در خاک ماسه ی اشباع بر اثر شوک انفجار، فشار گاز و یا تغییر حجم ایجاد می شود. فشار آب حفره ای باقیمانده معمولا از مقدار پیک فشار آب حفره ای و یا همان فشار آب حفره ای دینامیکی کمتر است . این فشار آب حفره ای دارای مدت زمان پایداری بیشتری بوده و با توجه به نفوذپذیری خاک این اضافه فشار از چند دقیقه تا چند روز ادامه می یابد. درصورتی که بر اثر افزایش اضافه فشار آب حفره ای تنش موثر صفر شود، وقوع روانگرایی محتمل خواهد بود. تحقیقات نشان می دهد که تغییر حجم ناشی از روانگرایی بر اثر زلزله و در نتیجه نشست در خاک های ماسه ای تمیز و سست در حدود ٠ تا ۵ درصد ضخامت لایه ی روانگرا است [٨].
(شاکران ، ١٣٩١) برای درک تاثیر امواج ناشی از شوک انفجار در گسیختن پیوندهای موجود در بین دانه های خاک، فرض می شودکه یک خرج انفجاری کروی شکل در یک محیط همگن و ایزوتروپ منفجر شود. در این حالت با توجه به وجود تقارن کروی در مساله ، استفاده از مختصات کروی برای توضیح پدیده ی مورد نظر آسان تر خواهد بود. امواج ناشی از شوک انفجار با ایجاد جابجاییهای شعایی، در محیط اطراف خود تنش برشی ایجاد می کنند. فشار ناشی از شوک انفجار با ایجاد تغییر شکل های شعاعی، موجب ایجاد کرنش برشی در خاک می گردد. مقدار کرنش برشی ایجاد شده با افزایش فاصله از نقطه ی انفجار به دلیل کاهش سرعت ذرات و تک بعدی شدن موج انفجار، کاهش می یابد. عبور شوک انفجار از درون خاک اشباع به صورت یک پیک شدید در

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 22 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد