بخشی از مقاله
خلاصه
روانگرایی پدیده ای است که در اثر رفتار زهکشی نشده در خاک های ماسه ای اشباع تحت اثر بارهای تناوبی رخ می دهد. این پدیده در هنگام زلزله آسیب های قابل توجهی به سازه ها و تأسیسات موجود وارد می نماید. در این مقاله، تأثیر ریزدانه ی غیرخمیری بر مقاومت روانگرایی ماسه ی انزلی به کمک دستگاه میزلرزه مورد مطالعه قرار گرفته است. دانسیته ی نسبی مورد استفاده برای خاک ماسه ای 30 و 60 درصد می باشد که تحت فرکانس 2Hz دستگاه میزلرزه قرار گرفته است.
درصد ریزدانه ی مورد استفاده 0، 5 و 15 درصد می باشد که به صورت وزنی با ماسه ترکیب شده است و تأثیر آن بر مقاومت روانگرایی و تغییرات فشار آب حفره ای بحث شده است. نتایج بدست آمده از این تحقیق، تأثیر قابل توجه ریزدانه ی غیر خمیری بر روی مقاومت روانگرایی و کاهش فشار آب حفره ای را در دانسیته های مختلف ماسه ی اشباع نشان می دهد.
.1 مقدمه
افزایش فشار آب منفذی در خاک های ماسه ای و لایه های سست اشباع در هنگام زلزله بر اثر تمایل خاک به کاهش حجم، منجر به کاهش تنش همه جانبه در خاک می شود. در این حالت مقاومت برشی خاک به شدت کاهش می یابد و به مقدار صفر نزدیک می شود. این پدیده روانگرایی نامیده می شود. پدیده ی روانگرایی خود را به صورت نشست های قابل توجه، ایجاد ترک و بازشدگی، فوران گل و آب، جوشش ماسه و تراوش آب از خلل و فرج موجود در سطح زمین نشان می دهد.
از عوامل موثر بر وقوع روانگرایی می توان به بزرگای زلزله و مدت زمان آن، تخلخل، تراکم نسبی، درصد ریزدانه، شاخص خمیری خاک و دامنه ی تنش برشی اعمالی بر توده ی خاک در زمان زلزله اشاره نمود .[1] پدیده ی روانگرایی ماسه بیشترین خسارات را در نیگاتای ژاپن و آلاسکا به بار آورده است. زلزله ی سال 1964 ژاپن به بزرگی 7/5ریشتر بوده و با این که مرکز آن حدوداً در 55 کیلومتری شهر نیگاتا قرار داشته، سبب روانگرا شدن خاک بخش وسیعی از این شهر شد و خسارات زیادی نیز بر جای گذاشت.
بعد از این رخداد، توجه بسباری از محققین در سراسر دنیا به شناخت ابعاد مختلف این پدیده معطوف شد. پدیده ی روانگرایی در ایران برای اولین بار در زلزله ی سال 1369 رودبار و منجیل در استان گیلان - در شهرستان آستانه ی اشرفیه و روستاهای اطراف - مورد مشاهده قرار گرفت و ثبت علمی شد. روانگرایی در این منطقه به صورت نشست متقارن و نامتقارن زمین، ایجاد ترک های عریض و طویل در سطح زمین و تورم همراه با خروج ماسه بروز یافت که هرکدام به نحوی به تخریب یا آسیب ساختمان ها، تاسیسات شهری و بین شهری انجامیدند
بندر انزلی مهم ترین بندر شمالی کشور است و با توجه خصوصیات این منطقه، از جمله مبادلات تجاری، نزدیکی به ذخایر نفت گاز خزر، امکانات صیادی و غیره انجام ساخت و ساز های فنی در این منطقه ضرورت می یابد. با توجه به اینکه شهر انزلی در بخشی از پهنه ی وسیع دشت گیلان و منطقه ی ساحلی دریای خزر واقع شده و بخش مهمی از آن را ماسه های شل و اشباع تشکیل می دهد و در نزدیکی کانون های فعال زلزله قرار دارد، خطر وقوع پدیده ی روانگرایی در این منطقه زیاد است
در طول 40 سال گذشته پیشرفت قابل توجهی در زمینه ی درک مکانیزم روانگرایی و عوامل مؤثر بر آن صورت گرفته است. در سال های آغازین، بیشتر توجه متخصصین به بررسی این پدیده در ماسه های تمیز معطوف شده بود، به طوری که تصور می شد روانگرایی تنها مختص ماسه ها است و خاک های ریزدانه و درشت دانه قابلیت تولید فشار آب حفره ای اضافی که دلیل اصلی روانگرایی است را ندارند.
اما با گذشت زمان و وقوع زلزله های جدید و مشاهده ی این پدیده در خاک های درشت دانه و ریزدانه، محققان زیادی بر آن شدند که عوامل مؤثر بر روانگرایی این خاک ها را نیز روشن سازند. بنا بر مشاهدات Tohno و [7] Yasuda در زلزله ی سال 1986 توکاچی- اوکی خاک های حاوی 90 درصد ریزدانه و 18 درصد رس روانگرا شده اند. [8] Miura et al. روانگرایی خاک های دارای 48 درصد ریزدانه و 18 درصد رس را در زلزله ی سال 1993 هوکایدو نانسایی-اوکی گزارش کرده است.
همچنین در دو زلزله ی سال 1999 که در کوکایلی ترکیه و چی- چی تایوان رخ داد، روانگرایی های گسترده ای مشاهده شد. پس از بررسی های دقیقی که بعد از زلزله انجام شد، مشخص شد که قسمت اعظم این روانگرایی ها در خاک های چسبنده، که بر اساس معیار چینی ها غیرقابل روانگرا بودند،به وقوع پیوسته است. به همین منظور محققین، به صورت آزمایشگاهی نیز، با استفاده از آزمایش های سه محوره پیچشی، سانتریفیوژ و میز لرزه نقش ریزدانه های غیرپلاستیک1 را بر رفتار سیکلیک ماسه ها بررسی نمودند
مروری بر تحقیقات انجام شده نشان می دهد که علیرغم مطالعات گسترده در این باره، در ظاهر نتایج متناقضی به دست آمده است. به عنوان نمونه، در بررسی تأثیر میزان ریزدانه بر مقاومت روانگرایی خاک های درشت دانه، Ishihara et al. در سال [10] 1978، Seed et al. در سال [11] 1985 و Qi و Amini در سال [12] 2000 به افزایش مقاومت روانگرایی خاک های درشت دانه با افزایش درصد سیلت اشاره نمودند.
از طرفی، Ishihara et al. در سال [13] 1980 و همچنین Chien et al. در سال 2002 [14] به عکس این مسأله اشاره نمودند. گفتنی است که دسته ای دیگر از مطالعات به وجود حد میانی برای افزودن ریزدانه اشاره می نمایند، از این دست می توان به مطالعات Martin و [15] Polito در سال 2001 اشاره نمود که در آن، با افزایش درصد ریزدانه تا حدی مشخص، مقاومت روانگرایی کاهش یافته و پس از افزودن مقدار سیلت از این حد، مقاومت روانگرایی افزایش می یابد.
می دانیم درطول زلزله یک المان ازخاک درزمین تحت سیستم پیچیده ای از تنش ها وتغییرشکل های ناشی از حرکت زمین قرار میگیرد. درمهندسی ژئوتکنیک لرزه ای مدلسازی فیزیکی به عنوان روشی بین تست های کوچک مقیاس آزمایشگاهی و آزمایش های برجا کاربرد گستردهای یافته است. همواره به منظور مدلسازی شرایط محلی در هنگام زلزله تست های آزمایشگاهی اعم از برش ساده ی دینامیکی یا سیکلی، آزمایش میز لرزه، برش حلقه، برش پیچشی سیکلی، آزمایش سه محوری سیکلی فشاری و غیره همواره مورد استفاده قرار گرفته اند. در این مقاله به بررسی تأثیر افزودن ریزدانه ی غیر خمیری بر پتانسیل روانگرایی ماسه ی اشباع در دستگاه میز لرزه می پردازیم.
.2 تأثیر ریزدانه های غیر پلاستیک بر مقاومت سیکلیک ماسه
خاک های مخلوط مانند ماسه های رسی، ماسه های سیلتی و سیلت های رسی بیشتر از خاک های خالص مانند رس، سیلت و ماسه ی تمیز در طبیعت یافت می شوند.به دلیل آنکه تصور می شد ریزدانه ها و ماسه های حاوی ریزدانه مقاوت روانگرایی بیشتری نسبت به ماسه های تمیز دارند، رفتار سیکلیک آن ها کمتر مورد توجه قرار گرفته بود. اما پس از روانگرایی های متعددی که در اثر زلزله در این گونه خاک ها به وقوع پیوست، توجه بسیاری از محققین به این پدیده جلب شد.
بررسی نتایج آزمایش های [16] Chang et al. در سال 1982 که به منظور بررسی اثر ریزدانه های با پلاستیسیته ی کم - - PI=5 بر پتانسیل روانگرایی ماسه ها انجام شده است نشان می دهد که در نسبت تخلخل ثابت، با افزایش ریزدانه تا 10 درصد، مقاومت روانگرایی کمی کاهش و پس از آن افزایش می یابد. [17] Dezfulian در سال 1982 نیز با افزودن ریزدانه های غیر خمیری به ماسه به نتیجه ی مشابهی رسید. Qi و [12] Amini گزارش می دهند که با افزایش درصد سیلت از 10 درصد به 50 درصد، مقاومت روانگرایی 60 درصد افزایش پیدا می کند
Polito دریافت که در نسبت تخلخل ثابت، با افزایش مقدار سیلت تا 35 درصد مقاومت روانگرایی کاهش و پس از آن به آرامی افزایش می یابد. [18] Xenkai نیز به این نتیجه رسید که در نسبت تخلخل ثابت، با افزایش ریزدانه ی غیر پلاستیک تا 42 درصد مقاومت روانگرایی کاهش می یابد و پس از آن این روند بر عکس می شود.
.3 تأثیر درصد ریزدانه در بافت خاک
اضافه شدن ریزدانه به ماسه در درصدهای مختلف می تواند به طور اساسی رفتار ماتریس ماسه را تغییردهد. در ابتدای افزودن ریزدانه، درصد ریزدانه صفر است و دانه های ماسه به خوبی با یکدیگر در تماس هستند و می توانند نیرو را انتقال دهند. هنگامی که درصد ریزدانه کمی افزایش می یابد، در این حالت، ریزدانه ها فضای خالی بین دانه های ماسه را پر می کنند و باعث کاهش تخلخل و افزایش دانسیته ی نسبی می شوند، بدون اینکه در باربری شرکت داشته باشند.
تا این که ریزدانه های اضافه شده کاملا فضای خالی بین دانه های ماسه را پر می کنند. به این مقدار ریزدانه، ریزدانه ی حدی1 گفته می شود. با افزایش ریزدانه، دانه های ماسه بیشتر از یکدیگر جدا می شوند و ذرات ریزدانه نقش مهم تری را ایفا می کنند تا اینکه در نهایت ریزدانه ها نمونه را تشکیل می دهند. مقدار حدی ریزدانه به دانه بندی خاک اصلی و خصوصیات ریزدانه بستگی دارد.
Polito و [15] Martin مقادیر حدی ریزدانه را برای 185 ترکیب ماسه و سیلت بدست آورده اند. بررسی نتایج آن ها نشان می دهد که 62 درصد ترکیبات مقادیر حدی بین 25 تا 45 درصد و 20 درصد مقادیر حدی بیشتر از 50 درصد داشتند.
Thevanayagam که بررسی های گسترده ای روی تأثیر ریزدانه های غیرخمیری بر مقاومت روانگرایی ماسه انجام داده است، مدلی از ماتریس دوگانه ماسه و ریزدانه ارائه داده که در آن ماسه و ریزدانه به صورت دانه هایی کروی با دو قطر متفاوت معرفی شده اند. بر اساس نحوه ی اندرکنش دانه های درشت و ریز می توان دو نوع نسبت تخلخل جداگانه برای ماتریس ماسه و ریزدانه با نسبت تخلخل e ارائه کرد.
الف - اگر مقدار ریزدانه کمتر از مقدار ریزدانه ی حدی باشد : در این حالت ریزدانه ها نقشی در باربری ندارند و در فضای خالی بین دانه های ماسه قرار می گیرند و تخلخل نمونه را کاهش می دهند. بنابراین می توان نسبت تخلخل بین دانه های درشت را به صورت زیر تعریف کرد:
که در این رابطه، - fc - درصد ریزدانه به اعشار، نسبت تخلخل دانه های ماسه و e نسبت تخلخل کل است.
ب - اگر مقدار ریزدانه بیشتر از مقدار ریزدانه ی حدی باشد : در این حالت دانه های ریز فضای خالی بین دانه های درشت را کاملا پر می کنند، به طوری که دانه های درشت با یکدیگر تماس ندارند. در واقع دانه های درشت به صورت غوطه ور میان دانه های ریز قرار دارند و نمی توانند با یکدیگر در باربری ماتریس نقش داشته باشند. بلکه تنها به عنوان انتقال دهنده ی نیرو بین دانه های ریز اطراف خود کار می کنند. بر خلاف حالت 1 که حجم دانه های ریز را به عنوان فضای خالی در نظر گرفتیم، در این حالت، حجم دانه های درشت صفر در نظر گرفته می شود و نسبت تخلخل بین دانه های ریز طبق رابطه ی زیر تعریف می شود:
که در این رابطه - fc - درصد ریزدانه به اعشار، نسبت تخلخل بین دانه های ریز و e نسبت تخلخل کل است.
.4 تاریخچه ی ساخت دستگاه میز لرزه و محفظه ی لایه ای
آزمایش های میزلرزه در محفظه های لایه ای از اواخر دهه ی 1970 میلادی مورد استفاده قرار گرفته اند. Prasad در سال [20] 1996 محفظه ی تک محوره ی انعطاف پذیر برای آزمایشات لرزه ای بر روی میز لرزه را معرفی کرد. Dar et al. در سال [21] 1994، ایده ی دیگری را در طراحی محفظه های انعطاف پذیر به منظور آزمایشات روی میز لرزه ی مرکز تحقیقات زلزله ی دانشگاه بریستول ارائه کرد.
بر این اساس در طراحی این محفظه سختی دینامیکی دیوارهای محفظه به گونه ای انتخاب می شود که با سختی دینامیکی ستون خاک مدل در سطح کرنش مورد نیاز معادل باشد. به این منظور قاب های آلومینیومی و لایه های لاستیک با مدول برشی تعیین شده به صورت یک در میان بین آنها قرار گرفته شد. Schofield et al. در سال 1998 [22] محفظه ای شبیه به آنچه که در بالا ذکر شد قبلا تحت عنوان محفظه "ESB”برای آزمایش در سانتریفیوژ مورد استفاده قرار داده بودند.
Chen et al. در سال [23] 2004 و Ueng et al. در سال [24]2006 محفظه ی دو محوره ی انعطاف پذیر با بارگذاری 2 جهته متشکل از قاب داخلی انعطاف پذیر و قاب خارجی صلب را ارئه کردند.
.5 معرفی دستگاه میز لرزه و تانک شفاف لایه ای
دستگاه جعبه ی برش لایه ای شفاف و میز لرزه، دستگاهی برای انجام آزمایش های دینامیک خاک پیشرفته بر لایههای خاک عمدتاً ماسه ای است. توسط این دستگاه میتوان پدیدهی روانگرایی دینامیکی خاک، پاسخ دینامیکی خاک به ارتعاشات پایه، تخمین نشست های دینامیکی را شناسایی کرد.
