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 استاندارد (SPT)
چکيده
زلزله و ارتعاشات ناشي از مواد منفجره مي توانند باعث افزايش فشار آب حفره اضافي در خاک هاي اشباع شوند. افزايش در فشارمنفذي باعث کاهش تنش موثر و در نتيجه کاهش مقاومت برشي در خاک مي شود. با از دست رفتن مقاومت برشي درچنين شرايطي عملکرد خاک هم چون يک مايع غليظ مي گردد. از اين رو ارزيابي پتانسيل روانگرايي خاک ها از اهميت ويژه اي برخوردار است . در مقاله حاضر، به بررسي روش هاي ارزيابي پتانسيل روانگرايي با استفاده از دو روش آزمايش مقاومت نفوذ استاندارد (SPT) و انفجار پرداخته شده است . مطالعات نشان مي دهد، بطور تقريبي مي توان با استفاده از آزمايش تراکم انفجاري و يا عدد SPT خاک هاي مستعد روانگرايي را شناسايي کرد، همچنين خاک هايي با تراکم زياد، داراي احتمال روانگرايي کمتر از خاک هاي ماسه اي مي باشند.
کلمات کليدي: ارزيابي پتانسيل روانگرايي، انفجار، آزمايش مقاومت نفوذ استاندارد، فشارآب منفذي
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 هيزن در سال ١٩١٨ 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]. ترزاقي در سال ١٩٢٥ تئوري تنش موثر را مطرح نمود که براي محققان پس از اوگامي 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].
کارمر وانگمال در سال ٢٠٠١ روانگرايي را در قالب روانگرايي جرياني، تحرک تناوبي و روانگرايي اوليه مطرح نمودند [٨]. چيا و همکاران در سال ٢٠٠٤ در تحقيقات خود بر روي ماسه رودخانه ماليو به اين نتيجه رسيدند که هنگامي که در صد ريز دانه گذشته از الک ٤٠٠, ٢٠ تا٣٠ درصد باشد مقاومت در برابر روانگرايي به کمترين مقدار خود خواهد رسيد [٩]. يوان در سال ٢٠١٠ بيان نمود که روانگرايي معمولا با افزايش آب منفذي، جوشش ماسه و حالت هاي مختلف تغيير شکل همراه است .
به طور کلي، نهشته هاي اشباع يا نهشته هايي که قابليت اشباع شدن با آب زيرزميني را دارا باشند، به عنوان خاک هاي مستعد روانگرايي در نظر گرفته مي شوند[١٠].
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. به دليل دشواري و هزينه به دست آوردن و تست نمونه هاي دست نخورده با کيفيت بالا، روش هاي ارزيابي صحرايي به طور گسترده اي در ايالات متحده و سرتاسر جهان مورد استفاده قرار مي گيرد[١٩]. در ميان آزمايش هاي محلي، استفاده از آزمايش نفوذ استاندارد داراي پيشينه ي وسيع تري نسبت به ديگر آزمايش ها مي باشد. سابقه استفاده از آزمون نفوذ براي بدست آوردن خصوصيات خاک به ٢٠٠٠ سال پيش در چين مي رسد. چيني ها به حق جزء اولين ابداء کنندگان روش هاي حفاري هستند. پس از آن در ساير کشور ها هم روش هاي ديگري پيشنهاد شده که ابتدا هيچ کدام داراي استاندارد مشخصي نبوده اند. پيشنهاد استفاده از آزمايش SPT به منظور فرو کردن لوله به قطر ١ اينچ در زمين براي نمونه گيري توسط (١٩٠٢) Charles R. Grate پيشنهاد شد. گسترش آزمايش SPT به عنوان يک آزمايش مرجع مرهون زحمات ترزاقي و پک است . آن ها با جمع آوري اطلاعات مختلف ، اولين نمودار هاي ارتباط نتايج آزمايش هاي SPT با پارامتر هاي مقاومتي خاک پيشنهاد کردند. اين پيشنهاد در سال ١٩٤٧ در مقاله اي در هفتمين کنفرانس بين المللي مکانيک خاک و مهندسي پي در تگزاس مطرح گرديد و پس از آن در سال ١٩٤٨ در کتاب اصول مکانيک خاک تاليف ترزاقي و پک به صورت کامل آورده شد. اين کتاب حاوي اطلاعات ارزشمندي درباره ارتباط ضربات SPT با پارامترهاي مقاومتي خاک بخصوص در طراحي پي هاي سطحي و عميق بود. نتيجه تلاش ها گسترش استفاده از آزمايش SPT در دهه ٥٠ ميلادي و معرفي آن به عنوان يک آزمايش استاندارد توسط بسياري از نهادهاي دولتي و خصوصي آمريکا بود.
پس از ان با توجه به راحتي ازمايش و تفسير ساده نتايج آن در بسياري از کشور هاي ديگر از جمله ژاپن و چين متداول گرديد.
استفاده از انفجار در سال هاي اخير جهت ارزيابي پتانسيل روانگرايي نهشته ها مورد توجه قرار گرفته است . تراکم خاک هاي دانه اي بر اثر انفجار نتيجه ضربات ناشي ازانفجار به خاک اطراف ، روانگرايي خاک و در نهايت نشست مجدد خاک است .
ليمان درسال ١٩٤٢ با استفاده از انفجار براي بهبود تراکم خاک در زير سد آبشار فرانکلين در ايالات متحده پرداخت . چارلي در سال ١٩٨٨ به کنترل آزمايش انفجار با استفاده از مواد منفجره در بررسي طيف وسيعي از روانگرايي پرداخت . کيمرينگ در سال ١٩٩٤ براي بهبود تراکم خاک سست نهشته شده در طول بزرگراه هلن با استفاده از انفجار به منظور کاهش پتانسيل روانگرايي پرداخت [١٨].
هنگام وقوع انفجار در نهشته هاي اشباع ، يک موج برشي شديدي در خاک ايجاد خواهد شد. پارامترهاي موثر در جهت استفاده از انفجار براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي خاک شامل : وزن ماده منفجره در هر چاهک ، عمق قراگيري ماده منفجره ، نحوه ي توزيع ماده منفجره در ارتفاع ، فواصل چاهک هاي انفجار، فازبندي و تعيين تعداد مراحل انفجار، ترتيب انفجاري چاه ها و زمان بندي انفجار در هر فاز دسته بندي مي شود. طراحي هريک از پارامترهاي فوق با درنظر گرفتن نتيجه ي نهايي مطلوب ، محدويت هاي موجود براي ديگر پارامترها و اثرات زيست محيطي انجام مي پذيرد.
در اين تحقيق ، به بررسي و تحليل دو روش مقاومت نفوذ استاندارد و انفجار، جهت ارزيابي پتانسيل روانگرايي پرداخته شده است .
٢- ارزيابي پتانسيل روانگرايي با استفاده از روش مقاومت نفوذ استاندارد SPT
استفاده از SPT به عنوان ابزاري براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي نخستين بار پس از وقوع خرابي هاي گسترده ي ناشي از روانگرايي در طي دو زلزله ي مخرب سال ١٩٦٤ يعني زلزله ي (Good Friday) در آلاسکا با بزرگاي ٨ و زلزله ي نيگاتا در ژاپن با بزرگاي ٧.٥ مطرح شد.
در ارزيابي پتانسيل روانگرايي خاک هاي ماسه اي با استفاده از نتايج آزمايش SPT، ابتدا مقدار نسبت مقاومت برشي تناوبي توده خاک (CRR) بر اساس نتايج آزمايش (SPT) پس از اعمال ضرايب اصلاحي (جدول ١)، با استفاده از شکل (١) که توسط سيد و همکاران ١٩٨٣ ارائه شده ، بدست مي آيد. در اين نمودار مقدار پارامتر تابعي از تنش موثر، نوع چکش دستگاه ، طول ميله و قطر گمانه و نمونه گير است که از رابطه (١) محاسبه مي شود [١٤و٣].
در رابطه (١)، N تعداد ضربات ، (CN) ضريب اصلاح براي فشار سربار، (CE) ضريب اصلاح انرژي چکش ، (CS) ضريب اصلاح نمونه گير، (CB) ضريب اصلاح قطر گمانه و (CR) ضريب اصلاح طول ميله مي باشد. مقدار ضريب اصلاح فشار سربار از رابطه (٢) بدست مي آيد و مقدار ضرايب ديگر بر اساس جدول (١) بدست مي آيد.
در ارزيابي پتانسيل روانگرايي، تعيين نسبت تنش برشي تناوبي توده خاک (CSR)، ايجاد شده توسط زلزله در عمق مورد مطالعه ، با استفاده از رابطه (٣) که توسط سيد و ادريس در سال ١٩٧١ ارائه شد محاسبه مي گردد[٢٠و٣].
در رابطه (٣)، 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 ، (rd) ضريب کاهش تنش مي باشد.
ضريب کاهش تنش برشي در عمق (rd) تابعي از لايه بندي رسوبي ساختگاه ، خصوصيات خاک و مشخصات حرکات ورودي (تحريکات ) مي باشد. طبق تعريف مقدار (rd ) در سطح زمين برابر با يک بوده و با افزايش عمق کاهش مي يابد. توجه به اين نکته مهم است که تغييرات (rd ) با عمق به آرامي و يکنواخت نبوده و حتي ممکن است که داراي جهش يا انتقال نسبتا تند، به خصوص در مرز زير لايه هاي با سختي هاي متفاوت نيز باشد. به علت اهميت دستورالعملي براي محاسبه ارزيابي نسبت تنش تناوبي، مطالعات زيادي توسط محققان بر روي عوامل تاثيرگذار بر ضريب کاهش تنش انجام شده است .
مطالعات زيادي بر روي (rd) صورت گرفته و شکل هاي متفاوتي از اين ضريب پيشنهاد شده است ، اما نمودار نشان داده شده در شکل (٢) بيشترين کاربرد را در ميان مهندسان ژئوتکنيک داشته و به طور مکرر در سال هاي ١٩٩٧ و ٢٠٠١ توسط يود و همکارانش پيشنهاد شده است . ليو و ليتمن در سال ١٩٨٦ رابطه (٤) را را به منظور تخمين مقادير ميانگين (rd) ارائه نمودند:
بلک در سال ١٩٩٦ براي راحتي در محاسبات مقدار ميانگين ضريب (rd)، رابطه ي (٥) را به عنوان يک تقريب از مقدار متوسط منحني شکل (٢) پيشنهاد نمود که در آن Z عمق بر حسب متر است [٢٠و٢و٣].
براي محاسبه مقدار مقاومت برشي تناوبي خاک (CRR)، از روش ايواساکي و همکاران که به عنوان آيين نامه پل ژاپن (انجمن راه ژاپن ) پذيرفته شده در ارزيابي روانگرايي به وسعت مورد استفاده قرار مي گيرد . مقدار مقاومت برشي تناوبي خاک (CRR) از جمع سه فاکتور مربوط به فشار سربار، دانه بندي و مقدار ريزدانه خاک تبعيت مي کند و با استفاده از روابط (٦تا٩) محاسبه مي شود [١٦].
در روابطه (٧تا٩)، (N) عدد SPT بر اساس آيين نامه ژاپن ، (D50) اندازه متوسط دانه ها، تنش مؤثر قائم در عمق مورد مطالعه ، (Fc) مقدار درصد ريزدانه مي باشد.
سيد و همکاران در سال ١٩٨٥ در استخراج رابطه ي اوليه ي خود، يک افزايش آشکار در نسبت مقاومت تناوبي را با افزايش مقدار ريزدانه ذکر کردند. اين که آيا اين افزايش به علت افزايش در مقاومت روانگرايي روي مي دهد و يا کاهش در مقاومت نفوذ، روشن نيست . بر اساس داده هاي تجربي موجود، سيد و همکاران منحني هاي (CRR) را براي مقادير مختلف ريزدانه ارائه کردند که در شکل (١) نشان داده شده است .
اعضاي گروه NCEER4 رابطه ي (١٠) را به عنوان يک اصلاح تقريبي براي در نظر گرفتن اثر مقدار ريزدانه (FC) بر روي (CRR) پيشنهاد نمودند. علاوه بر مقدار ريزدانه ديگر مشخصات ذرات مثل خاصيت خميري خاک، ممکن است بر مقاومت روانگرايي تاثير گذار باشند. بنابراين اعمال اصلاحاتي که تنها مبتني بر اثر مقدار ريزدانه هستند بايد با قضاوت مهندسي و احتياط همراه باشد. رابطه ي (١٠) توسط سيد و ادريس براي اصلاح مقدار معادل ماسه ي تميز ارائه شده است :
