بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی و مقایسه ارزیابی پتانسیل روانگرایی با روش های آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) و سرعت موج برشی
یکی از پدیده های ژئوتکنیکی مهم در هنگام وقوع زلزله پدیده روانگرایی 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 به وقوع می پیوندد. با از دست رفتن مقاومت برشی در چنین شرایطی عملکرد خاک هم چون یک مایع غلیظ می گردد. مقاومت روانگرایی خاک ها را می توان به روش های مختلف آزمایشگاهی و صحرایی تعیین نمود. در مقاله حاضر، به بررسی روش های ارزیابی پتانسیل روانگرایی با استفاده از دو روش صحرایی آزمایش مقاومت نفوذ استاندارد (SPT) و اندازه گیری سرعت موج برشی (Vs) پرداخته شده است. برای ارزیابی سرعت موج برشی غالباً از اندازه گیری های سطحی استفاده می شود. در این حالت بر خلاف آزمایشSPT که در آن عدد SPT مستقیماً در عمقی مشخص اندازه گیری می شود، سرعت موج برشی در عمقی خاص با اندازه گیری کلی سرعت موج برشی در لایه ای از خاک بدست می آید.
1 - مقدمه
با توجه به لرزه خیزی منطقه ای که ایران درآن واقع شده است، ارزیابی و بررسی پدیده روانگرایی که یکی از مسائل و مشکلات اکثر سازه های خاکی مجاور با آب می باشد، ضروری به نظر می رسد. علیرغم گذشت چند دهه از آشنایی مهندسان و متخصصان با این پدیده و انجام مطالعات وتحقیقات وسیع و گسترده پیرامون آن، روانگرایی کماکان خسارات سنگین و زیادی در اغلب زلزله های بزرگ در مناطق مختلف جهان به دنبال داشته است.
ارزیابی اضافه فشار آب حفره ای در خاک های دانه ای، یکی از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک لرزه ای است. مقاومت خاک های دانه ای ناشی از برآیند مقاومت اصطکاکی و چفت و بست میان ذرات خاک می باشد. در هر عمقی از زمین، قبل از زلزله، بخشی از وزن خاک و دیگر بارهای روی آن توسط نیروهای میان ذرات و بخشی دیگر به وسیله آب تحمل می شود. هنگامی که خاک سست مورد لرزش قرار می گیرد، گرایش به متراکم شدن و یا فشرده شدن دارد. وجود آب در میان منافذ، سبب می شود تا این کاهش حجم به دلیل زهکشی تدریجی و کند به سرعت صورت نپذیرد. در نتیجه با ادامه ی تکان های لرزه ای، وزن فوقانی بیشتری به آب منفذی منتقل شده و نیروی میان ذرات خاک کاهش می یابد. در انتها، فشار آب منفذی ممکن است به درجه ای برسد که موجب شود آب با شکافتن لایه های فوقانی جهش نماید و تمام وزن مصالح فوقانی به آب منفذی انتقال یابد. در این شرایط، خاک روانگرا شده به صورت یک سیال غلیظ رفتار می نماید و ممکن است جابجایی های بزرگ در زمین به وقوع بپیوندد. روانگرایی می تواند حرکت بلوک های بزرگی از خاک را با دامنه های متغیر از چند سانتیمتر تا ده متر یا بیشتر آغاز کند و سرانجام باعث خرابی وسیعی در تسهیلات مدفون، شبکه های شاهراهی و سایر سازه های سطحی و زیرزمینی مهندسی عمران شود.[4]
براساس نتایج آزمایشگاهی و نیز مشاهدات و مطالعات محلی انجام شده، تراز آب زیرزمینی، نوع خاک، تراکم نسبی، دانه بندی، وضعیت زهکشی، شکل ذرات، سن زمین شناسی و خصوصیات زمین ریخت شناسی، شرایط تاریخچه ای و فشار همه جانبه مهمترین عواملی هستند که روانگرایی را کنترل کرده و متداول ترین روش های مورد استفاده در ارزیابی استعداد روانگرایی بر اساس آن ها تعریف می شوند .[5]
کاساگرانده در سال 1936 یکی از اولین افرادی بود که جهت شناخت و توضیح روانگرایی در خاک های ماسه ای مطالعات خود را آغاز نمود. این دانشمند مبنای فرضیه خود را بر تخلخل بحرانی بنا نهاد .[6] عبارت "روانگرایی خود به خودی یا طبیعی" نخستین بار توسط ترزاقی و پیک در سال 1948 برای نشان دادن تغییر ناگهانی نهشته های سست ماسه ای به جریان هایی شبیه سیال لزج به واسطه ی اغتشاش جزیی مورد استفاده قرار گرفت. این پدیده به عنوان دلیل اصلی گسیختگی های محتمل وقوع شیب در نهشته های اشباع ماسه ی سیلت دار ریز در نظر گرفته شد .[7] کاسترو در سال 1982 روانگرایی را این چنین تعریف نمود: روانگرایی پدیده ای است که در آن هنگامی که یک توده ی خاک تحت اثر بارگذاری زهکشی نشده ی یکنواخت، تناوبی یا ضربه ای قرار می گیرد، درصد قابل توجهی از مقاومت برشی اش را از دست داده و تا زمانی که تنش های برشی اعمالی بر روی توده با مقاومت برشی کاهش یافته برابر شود شبیه یک سیال جریان می یابد.
کارمر وانگمال در سال 2001 روانگرایی را در قالب روانگرایی جریانی، تحرک تناوبی و روانگرایی اولیه مطرح نمودند هنگامی که نهشته های خاک در اثر حرکات لرزه ای به سرعت و به صورت دوسویه تحت برش قرار گیرند، فشار آب در داخل خلل و فرج خاک شروع به افزایش می نماید. در خاک های غیر چسبنده اشباع سست، فشار آب منفذی به سرعت افزایش یافته و ممکن است این مقدار به حدی برسد که ذرات به صورت مجزا از یکدیگر معلق شوند و برای لحظاتی مقاومت و سختی خاک به طور کامل از بین برود. این پدیده در اصطلاح به عنوان روانگرایی خاک نامیده می شود .[8] چیا و همکاران در سال 2004 در تحقیقات خود بر روی ماسه رودخانه مالیو به این نتیجه رسیدند که هنگامی که در صد ریز دانه گذشته از الک 20 ,400 تا30 درصد باشد مقاومت در برابر روانگرایی به کمترین مقدار خود خواهد رسید .[9] یوان در سال 2010 بیان نمود که روانگرایی معمولا با افزایش آب منفذی، جوشش ماسه و حالت های مختلف تغییر شکل همراه است. روانگرایی با پدیده های مختلفی نظیر افزایش آب منفذی، جوشش ماسه و حالت های مختلف تغییر شکل همراه است. اما این تغییر شکل ها، تنها هنگامی که به اندازه ی کافی بزرگ بوده و به سازه ها آسیب برسانند، برای مهندسان معنی دار هستند .[10]
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 آزمایش مقاومت نفوذ استاندارد SPT آزمایش نفوذ مخروط CPT و اندازه گیری سرعت موج برشی اشاره نمود. به دلیل دشواری و هزینه به دست آوردن و تست نمونه های دست نخورده با کیفیت بالا، روش های ارزیابی صحرایی به طور گسترده ای در ایالات متحده و سرتاسر جهان مورد استفاده قرار می گیرد.[19] در میان آزمایش های محلی، استفاده از آزمایش نفوذ استاندارد دارای پیشینه ی وسیع تری نسبت به دیگر آزمایش ها می باشد. ایده ی استفاده از عدد نفوذ استاندارد در تخمین مقاومت تناوبی توسط ویتمن در سال 1971 پیشنهاد شد. آزمایش نفوذ استاندارد به عنوان روشی پایه برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی در نظر گرفته می شود .[1] 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 .[17] در این تحقیق، دو روش مقاومت نفوذ استاندارد و اندازه گیری سرعت موج برشی جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
-2 ارزیابی پتانسیل روانگرایی با استفاده از روش مقاومت نفوذ استاندارد SPT
استفاده از SPT به عنوان ابزاری برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی نخستین بار پس از وقوع خرابی های گسترده ی ناشی از روانگرایی در طی دو زلزله ی مخرب سال 1964 یعنی زلزله ی (Good Friday) در آلاسکا با بزرگای 8 و زلزله ی نیگاتا در ژاپن با بزرگای 7.5 مطرح شد.
در ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک های ماسه ای با استفاده از نتایج آزمایش SPT ، ابتدا مقدار نسبت مقاومت برشی تناوبی توده خاک (CRR) بر اساس نتایج آزمایش SPT پس از اعمال ضرایب اصلاحی (جدول (1 و با استفاده از شکل 1 که توسط سید و همکاران 1983 ارائه شده بدست می آید. در این نمودار مقدار پارامتر تابعی از تنش موثر، نوع چکش دستگاه، طول میله و قطر گمانه و نمونه گیر است که از رابطه 1 محاسبه می شود 14]و.[3
در رابطه (1)، N تعداد ضربات، ضریب اصلاح برای فشار سربار، ضریب اصلاح انرژی چکش، ضریب اصلاح نمونه گیر، ضریب اصلاح قطر گمانه و ضریب اصلاح طول میله می باشد. مقدار ضریب اصلاح فشار سربار از رابطه (2) بدست می آید و مقدار ضرایب دیگر بر اساس جدول 1 بدست می آید.
در ارزیابی پتانسیل روانگرایی، تعیین نسبت تنش برشی تناوبی توده خاک (CSR)، ایجاد شده توسط زلزله در عمق مورد مطالعه، با استفاده از رابطه (3)، که توسط سید و ادریس 1971 ارائه شده محاسبه می گردد20]و.[3
در رابطه (3)، 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، ضریب کاهش تنش می باشد.
ضریب کاهش تنش برشی در عمق تابعی از لایه بندی رسوبی ساختگاه، خصوصیات خاک و مشخصات حرکات ورودی (تحریکات) می باشد. طبق تعریف مقدار در سطح زمین برابر با یک بوده و با افزایش عمق کاهش می یابد. توجه به این نکته مهم است که تغییرات با عمق به آرامی و یکنواخت نبوده و حتی ممکن است که دارای جهش یا انتقال نسبتا تند، به خصوص در مرز زیر لایه های با سختی های متفاوت نیز باشد. به علت اهمیت دستورالعملی برای محاسبه ارزیابی نسبت تنش تناوبی، مطالعات زیادی توسط محققان بر روی عوامل تاثیرگذار بر ضریب کاهش تنش انجام شده است.
مطالعات زیادی بر روی صورت گرفته و شکل های متفاوتی از این ضریب پیشنهاد شده است، اما نمودار نشان داده شده در شکل (2) بیشترین کاربرد را در میان مهندسان ژئوتکنیک داشته و به طور مکرر در سال های 1997 و 2001 توسط یود و همکارانش پیشنهاد شده است. لیو و لیتمن در سال 1986 معادله (4) را به منظور تخمین مقادیر میانگین ارائه نمودند:
بلک در سال 1996 برای راحتی در محاسبات مقدار میانگین ضریب ) )، رابطه ی (5) را به عنوان یک تقریب از مقدار متوسط منحنی شکل 2 پیشنهاد نمود که درآن Z عمق بر حسب متر است 20]و2و.[3
روش ایواساکی و همکاران که به عنوان آیین نامه پل ژاپن (انجمن راه ژاپن) پذیرفته شده در ارزیابی روانگرایی به وسعت مورد استفاده قرار می گیرد. مقدار مقاومت برشی تناوبی خاک (CRR) از جمع سه فاکتور مربوط به فشار سربار، دانه بندی و مقدار ریزدانه خاک تبعیت می کند و با استفاده از روابط 6)تا(9 محاسبه می شود .[16]
در روابطه 7)تا(9، (N) عدد SPT بر اساس آیین نامه ژاپن، اندازه متوسط دانه ها، تنش مؤثر قائم در عمق مورد مطالعه، (Fc) مقدار درصد ریزدانه می باشد.
مقدار ضریب اطمینان در مقابل روانگرایی با استفاده از رابطه (10) محاسبه می شود. ضریب اطمینان کمتر از یک نشان دهنده احتمال وقوع روانگرایی در عمق مورد بررسی می باشد.
از جمله محدودیت های SPT جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی، می توان به محدودیت استفاده از آن در نهشته های شنی اشاره نمودمعمولاً. در طبیعت، خاک های ماسه ای با رسوبات درشت دانه همراه هستند و این رسوبات باعث افزایش غیرعادی نتایج آزمایش SPT می شود. به همین علت باید در کلیه مراحل انجام این آزمایش با دقت کافی انجام شود.
