بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقدمه ای بر ارزیابی پتانسیل وقوع روانگرایی خاک تحت برهم کنش لرزهای خاک و سازه
چکیده
اگر چه برخی از روشها در مورد ارزیابی تحریک روانگرایی خاک در میدان آزاد وجود دارد، برآورد پتانسیل تحریک روانگرایی در زیر فونداسیون های سازهها هنوز هم به عنوان یک مسئله بحث برانگیز و دشوار باقی مانده است. برآورد پتانسیل تحریک روانگرایی زیر فونداسیون ها نیاز به برآورد وضعیت تنش چرخهای و استاتیکی لایه خاک دارد. به منظور بررسی اثر حضور یک سازه سه بعدی، تحلیل تنش کل مبتنی بر تفاضل محدود برای یک لایه عمومی خاک، سازه و زلزله انجام شد. در این مطالعه اثر دو پارامتر تنش برشی ناشی از سازه بالایی و تنش همه جانبه ناشی از آن بررسی شدهاست. بررسیها شامل ارزیابی تغییرات تنشهای برشی استاتیکی به تنشهای مؤثر قانم استاتیکی میباشد. نتایج این مطالعه نتایج نشانگر تغییرات زیاد CSR در اطراف سازه، بخصوص در نزدیکی های لبههای آن میباشند. نتایج پیشین نشان داده است که در نزدیکی لبه سازه ها برای خاک های شل، حضور سازهها منجر به افزایش تحریک روانگرایی میشود و در خاک متراکم منجر به کاهش خطر تحریک روانگرایی میشود. نتایج حاصل در این مطالعه نیز در حالت کلی موید این نکته میباشند.
واژه های کلیدی: روانگرایی، اندرکنش خاک و سازه، فاکتور اصلاحی تنش و سربار.
1
مقدمه
به خرابیهای ناشی از زلزله ممکن است بهطور مستقیم منسوب به اثرات زلزله بوده و یا نتیجه غیرمستقیم خرابیهای مستقیم آن باشند. بهعلاوه، خرابیهای مستقیم ممکن است ناشی از اثرات اولیهی لرزش (به عبارتی تکانهای زمین و جابجاییهای گسل) و یا اثرات ثانویهای مانند زمینلغزش و روانگرایی خاک باشند که خود از اثرات اولیه به وجود میآیند. هنگامیکه نهشتههای خاک اشباع در اثر حرکات لرزهای به سرعت و بهصورت دوسویه تحت برش قرار گیرند، فشار آب در داخل خلل و فرج خاک شروع به افزایش مینماید. در خاکهای غیر چسبندهی اشباع سست، فشار آب منفذی به سرعت افزایشیافته و ممکن است به حدی برسد که ذرات بهصورت مجزا از یکدیگر معلق شوند و برای لحظاتی مقاومت و سختی خاک بهطور کامل از بین برود. به این پدیده در اصطلاح روانگرایی خاک گفته میشود. در واقع روانگرایی پیش آمدی است که در آن سختی و مقاومت خاک با لرزش ناشی از زلزله یا دیگر بارگذاریهای دینامیکی کاهش مییابد. کاهش مقاومت به دلیل افزایش فشارهای آب حفرهای و در نتیجه کاهش تنش مؤثر به دلیل بارگذاری لرزهای میباشد.
تعریف مسأله
عبارت روانگرایی نخستین بار توسط ترزاقی و پکٌ برای توصیف کاهش شدید مقاومت ماسه بسیار شل که منجر به گسیختگی جریانی به علت آشفتگی جزئی بود، ارائه شد. بهطور مشابه مقامی و کوبوٍ همان عبارت را برای تعریف کاهش مقاومت برشی به علت بارگذاری چرخه ای القایی توسط زلزله استفاده کردند. با اینحال، اهمیت آن بهطور کامل تا سال 4964 زلزله نیگاتا َ درک نشد، در این زلزله موارد قابلتوجهی از آسیبهای سازهای به علت چرخش و غرق شدن ساختمانهایی که روی خاکهای شنی اشباع شده با پتانسیل روانگرایی بالا قرار داشتند گزارش شدهاست. رابرتسون و وریدُ گزارش دادند که بهعنوان یک اصطلاح مهندسی، »روانگرایی« برای تعریف دو پاسخ عمدتاً مرتبط اما متفاوت خاک در طول زمینلرزه استفاده شده است: روانگرایی جریانی و نرم شدگی چرخهای. هر دوی این مکانیسمها ممکن است منجر به پیشامدهایکاملاً یکسانی بشوند که جدا کردن آنها بسیار مشکل است، اما مکانیسم آنها کاملاً متفاوت میباشد. این وضعیت روانگرایی تا زمانی که اضافه فشار آب منفذی دوباره زهکشی گردد و تماس میان ذرات خاک ایجاد
گردد ادامه خواهد یافت. در اثر این فرآیند برخی لایهها در زمین متراکم خواهند شد و نشستهایغالباً نامتقارن بر روی زمین مشاهده میشود. لایههای دیگر در شرایط خیلی سست باقیمانده و در معرض روانگرا شدن مجدد در طی زلزلههای آتی خواهند بود. خرابیهای وسیع ناشی از تغییر شکلهای حاصل از روانگرایی در طی زلزلههای گذشته سبب شدهاست تا این پدیده به یکی از مهمترین، پیچیدهترین و بحثبرانگیزترین موضوعات در مهندسی ژئوتکنیک لرزهای تبدیل شود.
مطالعات انجام شده پیشین
گستردهترین روش مورد استفاده برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی، روش تنش تناوبی است که در آن هر دو عامل تحریک و ظرفیت در قالب تنش برشی تناوبی بیان میشوند. با همپایه کردن تنش برشی تناوبی ناشی از بارگذاری نسبت به تنش مؤثر قائم اولیه در عمق مورد نظر، نسبت تنش تناوبی نامیده میشود. نسبت مقاومت تناوبی (5CRR) نیز بهصورت بیشینهی تنش تناوبی هم پایه شده قبل از شروع روانگرایی خاک تعریف می شود. با توجه به این تعاریف، میتوان پتانسیل روانگرایی خاک را بهصورت تعینی و در قالب ضریب اطمینان در برابر روانگرایی بیان نمود که برابر است با تقسیم نسبت مقاومت تناوبی به نسبت تنش تناوبی.
2
عبارت بارگذاری در روش تنش تناوبی عموماً از تحلیلهای پاسخ ویژهی ساختگاه نظیر SHAKE و یا با استفاده از روش ساده شده که توسط سید و ادریسّ در سال 4974 معرفی شد، تعیین میشود. سیدْ اثر تنش برشی اولیه و فشارهای همهجانبه مؤثر زیاد را با اصلاح نسبت تنش سیکلیک بهصورت زیر در نظر گرفت:
و Kα و Kσ به ترتیب، فاکتورهای اصلاح برای تنش برشی اولیه و فشار سربار مؤثر هستند. پارامتر بدون بعد α که به صورت نسبت تنشهای برشی استاتیکی به تنش موثر قائم استاتیکی تعریف میشود:
برای ارزیابی تنشهای برشی اولیه استفاده میشود. مطالعه بر روی این موضوع نشان میدهد که فاکتور اصلاحی Kα به دانسیته نسبی، تنش محدودکننده، معیار گسیختگی و تجهیزات آزمایشگاهی بستگی دارد. مطالعات اخیر که در ادامه بحث شدهاست، نشان میدهد که حضور تنشهای برشی اولیه، نسبت مقاومت سیکلیک (CRR) در ماسهی متراکم را افزایش میدهد و برای ماسهی سست موجب کاهش نسبت مقاومت سیکلیک میشود. مطالعات سید و همکارانش در سال 4983 اغلب روی خاک هایی با چگالی نسبی بیشتر از 55 درصد تمرکز داشت و این نتیجه حاصل شد که فاکتور اصلاحی Kα منجر به افزایش زیاد مقاومت سیکلیک خاک ها میشود. سید و هاردرَ در سال 4995، مجموعهای از فاکتورهای اصلاحی Kα را برای محدودهای از تراکم های نسبی خاک بر اساس یافتههای قبلی بسط دادند. سید و بولانگرُ در سال 4995 بسیاری از نتایج بدست آمده توسط محققین دیگر را صحتسنجی کردند. بولانگر در سال 2553، یک روش عملی برای ترکیب اثرات دانسیته نسبی و تنش همه جانبه بر روی Kα در ارتباط با شاخص پارامتر حالت نسبی بولتونًٌ در سال 4986، پیشنهاد دادند. رابطهی او به صورت زیر میباشد:
در این معادلات: :DR دانسیته نسبی، : P تنش نرمال موثر متوسط، :Q ثابت تجربی که از مقدار P بدست می آید و به نوع دانه بندی بستگی دارد، :Pa فشار اتمسفر، مقدار α در محدوده α ≥ 5/35 و -5/6 ≥ ζ ≥5 قرار می گیرد . شکل 4 خلاصهای از پیشنهادات مرکز ملی آموزش و پژوهش ساخت و ساز آمریکاٌٌ در سال 4997 را نشان میدهد. همانطور که از شکل بر میآید، فاکتور اصلاحی Kα در محدوده ی بین 5/3 تا 4/7 میباشد. به صورت خلاصه میتوان گفت که وجود تنشهای برشی اولیه نسبت مقاومت سیکلیک (CRR) در ماسهی متراکم را افزایش میدهد و برای ماسهی سست موجب کاهش نسبت مقاومت سیکلیک میشود. شکل 2 تغییر مقادیر α را در دو بعد در امتداد خط میانی سازه که توسط تحلیلهای استاتیکی 3 بعدی تخمین زده شده، نشان میدهد. در این شکل x/B=5 بیان کننده مرکز سازه و x/ B=5/5 بیان کننده لبهی کناری سازه می باشد. همان طور که در شکل دیده میشود، مقادیر α در نزدیکی
گوشههای سازه به عنوان مقدار ماکزیمم میباشد. بر اساس دانسته های موجود در مورد ضرایب اصلاحی Kα، تنها از دید ضرایب اصلاحی Kα میتوان نتیجهگیری کرد که به دلیل وجود سازهی رویی، کاهش در مقاومت تحریک روانگرایی در خاک های سست در نزدیکی لبههای فونداسیون ها قابل انتظار است.
سه مجموعه از پروفیلهای 35 متری، با خاک لایهای همگن، بدون چسبندگی با سرعت های موج برشی متفاوت، 455، 255 و 355 متر بر ثانیه برای تحلیلها استفاده شدند. انتخاب بهینه 35 متر به عنوان عمق خاک منجر به کاهش زمان تحلیلها و همچنین بررسی مطلوب اثر اندکنش خاک و سازه میشود. لازم به ذکر است، که با توجه به تغییر مقادیر سرعت موج برشی، پریودهای اولیه سایتهای خاک ثابت نیست و از 5/4 تا 4/2 تغییر میکنند. پارامترهای الاستیک و مقاومت انتخابی برای تحلیلها در جدول 4 بیان شدهاند. تحلیلهای استاتیکی با مدل ساختاری الاستو-پلاستیک کامل با معیار شکست موهر-کولمب انجام شدهاست. با این حال، برای سازگاری با روش ارزیابی خطی معادل یک بعدی (SHAKE 91)، تحلیلهای دینامیکی 3 بعدی با استفاده از مدل رفتاری الاستیک خطی معادل بدون معیار شکست موهر کولمب انجام شد.
