بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي و مقايسه روش هاي ارزيابي پتانسيل روانگرايي در خاک هاي ماسه اي
چکيده
يکي از مهمترين پديده هايي که هنگام زلزله خسارات شديدي به ساختمان و شريان هاي حياتي موجود بر روي آبرفتهاي ماسه اي جوان وارد مي کند پديده روانگرايي است . از جمله روشهاي متداول براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي خاک مي توان به روش تنش دوره اي، روش کرنش دوره اي و روش انرژي اشاره کرد. اين روش ها داري مزايا و معايبي هستند که به طور کلي در اين تحقيق مورد ارزيابي قرار گرفته اند. اما در اين ميان در روش انرژي، چون روانگرايي خاک ماسه اي مستقل از نوع بارگزاري بررسي مي گردد، بيشتر از روش هاي ديگر مورد توجه قرار گرفته است ، لذا اين روش در در مقايسه با روش هاي ديگر تعيين پتانسيل روانگرايي خاک ها، از قابليت بيشتري برخوردار است .
واژگان کليدي: روانگرايي، روش انرژي تلف شده ، روش تنش سيکلي، روش کرنش سيکلي .
١- مقدمه
روانگرايي يا از دست رفتن مقاومت ساختار در اثر جنبش نيرومند زمين يکي از پديده هاي مهم در مبحث ژنوتکنيک لرزه اي مي باشد که باعث ايجاد خطرات جدي بر تاسيسات و ابنيه احداث شده بر روي خاک هاي مستعد روانگرايي در طي اعمال تنشهاي برشي سيکلي مي گردد. با توجه به لرزه خيزي منطقه اي که ايران در آن واقع شده است ، ارزيابي پديده روانگرايي که يکي از مسائل و مشکلات اکثر سازه هاي خاکي مجاور با آب مي باشد، ضروري به نظر مي رسد. عليرغم گذشت چند دوره از آشنايي مهندسان متخصصان با اين پديده و انجام مطالعات و تحقيقات وسيع و گسترده پيرامون آن ، روانگرايي کماکان خسارات سنگين و زيادي در اغلب زلزله هاي بزرگ در مناطق مختلف جهان به دنبال داشته است . درمناطق ساحلي که جنس خاک درآنها عمدتا از ماسه هاي سست اشباع شده ميباشد به دليل وجود جاذبه هاي خاص ، سرمايه و جمعيت قابل توجهي در آن مناطق جذب شده است و ابنيه هاي متعددي در اين نواحي احداث گرديده اند که مسلمأ در صورت وجودخطر لرزه خيزي زياد در منطقه ، نگاه ويژه به بحث ارزيابي پتانسيل روانگرايي و مقاوم سازي سازه ها در مقابل اين پديده را مي طلبد[١].
ارزيابي پتانسيل روانگرايي بسته به نوع و اهميت يک پروزه ممکن است در مقياس هاي مختلف انجام گيرد.در حالت کلي انجام مطالعه مخاطرات ناشي از اين پديده در سه حالت کوچک ، متوسط و بزرگ مقياس ميسر است . مطالعات مقياس کوچک ، مطالعاتي است که بر اساس اطلاعات موجود از وقوع روانگرايي در زمين لرزه هاي گذشته و نقشه هاي زمين شناسي ژنومورفولوژي صورت مي گيرد. در مطالعات با مقياس متوسط ، دقت مطالعات به مراتب بيشتر از مطالعات قبلي است و علاوه بر منابع مورد استفاده در مطالعات مرحله قبل ، از عکس هاي هوايي، مطالعات محلي گزارشات ژئوتکنيکي که در اين حالت وضعيت لايه بندي خاک با توجه به نتايج آزمايشات صحرايي و آزمايشگاهاي تعيين مي گردد، صورت ميپذيرد.
طي سال هاي گذشته روش هاي متعددي براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي توسعه يافته که از آن جمله مي توان به روش کرنش دوره اي و روش تنش برشي دوره اي اشاره کرد. در روش هاي تنش وکرنش دوره اي، بايد تاريخچه زماني تنش نامنظم و غير هارمونيکي زلزله به يک سري سيکل هاي تنش يکنواخت تبديل گردد. اما در روش انرژي تلف شده به اين گونه دست خوردگي ها در اطلاعات موجود نيازي نيست . از اين رو استفاده از روش انرژي نسبت به روش هاي ديگر از ارجعيت برخوردار مي باشد.
٢- بررسي شکل گيري پديده ي روانگرايي
هنگامي که نهشته هاي خاک اشباع در اثر حرکات لرز هاي به سرعت و به صورت دوسويه تحت برش قرار گيرند، فشار آب درداخل خلل و فرج خاک شروع به افزايش مي نمايد .در خا کهاي غيرچسبنده ي اشباع سست ، فشار آب منفذي به سرعت افزايش يافته و ممکن است به حدي برسد که ذرات به صورت مجزا از يکديگر معلق شوند و براي لحظاتي مقاومت و سختي خاک به طورکامل از بين برود .اين پديده که در اصطلاح به آن روانگرايي خاک گفته مي شود، به صورت شماتيک در شکل (١) نشان داده شده است .
مقاومت خاکهاي دانه اي ناشي از برآيند مقاومت اصطکاکي و چفت و بست ميان ذرات خاک مي باشد .در هر عمقي از زمين ، قبل از زلزله ، بخشي از وزن خاک و ديگر بارهاي روي آن توسط نيروهاي ميان ذرات و بخشي ديگر به وسيله آب تحمل مي شود.
هنگامي که خاک سست مورد لرزش قرار مي گيرد، گرايش به متراکم شدن و يا فشرده شدن دارد. وجود آب در ميان منافذ، سبب مي شود تا اين کاهش حجم به دليل زهکشي تدريجي و کند به سرعت صورت نپذيرد .در نتيجه با ادامه تکان هاي لرزه اي، وزن فوقاني بيشتر و بيشتر به آب منفذي منتقل شده و نيروي ميان ذرات خاک کاهش مي يابد .در انتها، فشار آب منفذي ممکن است به درجه اي برسد که موجب شود آب با شکافتن لايه هاي فوقاني جهش نمايد و تمام وزن مصالح فوقاني به آب منفذي انتقال يابد .دراين شرايط ، خاک روانگرا شده به صورت يک سيال غليظ رفتار مي نمايد و ممکن است جابجايي هاي بزرگ در زمين به وقوع بپيوندد.
اين وضعيت روانگرايي تا زماني که اضافه فشار آب منفذي دوباره زهکشي گردد و تماس ميان ذرات خاک ايجاد گردد ادامه خواهد يافت .در اثر اين فرآيند برخي لايه ها در زمين متراکم خواهند شد و نشست هاي غالبا نامتقارن بر روي زمين مشاهده مي شود.
لايه هاي ديگر در شرايط خيلي سست باقي مانده و در معرض روانگراشدن مجدد در طي زلزله هاي آتي خواهند بود.خرابي هاي وسيع ناشي از تغييرشکل هاي حاصل از روانگرايي در طي زلزله هاي گذشته سبب شده است تا اين پديده به يکي ازمهمترين ، پيچيده ترين و بحث برانگيزترين موضوعات در مهندسي ژئوتکنيک لرزه اي تبديل شود .آشنايي با اين پديده و بررسي شرايط شکل گيري آن به چندين دهه ي گذشته بازميگردد .بازبيني تعاريف ارائه شده براي روانگرايي در ادبيات فني، از يک سو به اهميت اين پديده و اثرات ناشي از آن را بيان مي کند و از سوي ديگر روند تکاملي شناخت پديده را نشان مي دهد.
٣- اثرات روانگرايي هاي اتفاق افتاده پيشين بر سازه ها
پديده روانگرايي بر ساختمانها، پل ها، خطوط لوله مدفون و ديگر سازه ها و تاسيسات مهندسي به طريق مختلفي اثر گزار مي باشد. روانگرايي بر طبيعت حرکات سطح زمين نيز تاثير ميگزارد. روانگرايي جرياني مي تواند موجب لغزش توده هاي بزرگ ، غرق شدگي سازه هاي سنگين ، شناوري سازه هاي مدفون سبک و گسيختگي سازه ها حائل گردد. تحريک سيکلي نيز ممکن است موجب فروريزي شيب ها، نشست ساختمان ها، تغيير شکل هاي جانبي و گسيختگي ديوار حائل گردد. در ساختمان هاي مسطح اثرات روانگرايي معمولا به شکل هاي همچون نوسانات قبل ملاحظه زمين ، نشست سطح زمين ، جوشش ماسه و ناپايداري هاي پس از اتمام زلزله بروز پيدا ميکند[٢].
منشا وقوع اثرات روانگرايي را مي توان به سه دسته تقسيم کرد:
اثراتي که به دليل تنزل مقاومت خاک به وجود مي آيند. مثال هاي بارز اين اثرات عبارتنداز:
گسيختگي هاي برشي خاک زير پي که نتيجه آن فرو رفت ساختمان در داخل خاک وکج شدگي آن مي باشد .
تغيير شکلهاي جانبي زمين هلاي شيب دار که اين تغيير شکلها به دو دسته تغيير شکلهاي جانبي محدود و تغييرشکلهاي جرياني تقسيم بندي مي شود . لغزشهاي جانبي شيبهاي طبيعي در اثر وقوع زلزله وفرو ريختن خاک ريزها وسدهاي خاکي مثال هاي ازاين نوع تغيير شکلها مي باشند .
اثراتي که به دليل زايل شدن فشار آب حفره اي اضافي به وجود مي آيند که شامل نشست هاي حاصل از روانگرايي رخ داده در منطقه مي تواند باشد.
اثراتي که به دليل تنزل در سختي خاک بوجود مي آيند که از بارز ترين اين اثرات ميتوان به متفاوت شدن ارتعاشات پي نسبت به ارتعاشات سنگ بستر اشاره گردد. در اين حالت به دليل کاهش سختي خاک در اثر وقوع روانگرائي، ارتعاشات سنگ بستر در خاک روانگرا ميرا شده و در نتيجه به پي ساختمان ارتعاشات کمي انتقال پيدا مي کند و پي به طور مجزا با شتاب کمتري نوسان مي کند. البته براي مقابله با اين پديده يک سري تکنيک هايي وجود دارد که از ميان آن ها مي توان به ستون هاي شني اشاره کرد که يکي از روش هاي مناسب براي مقابله با اثرات روان گرايي ميباشد که کمابيش هرسه اثر مذکور توضيح داده شده را تحت پوشش قرار ميدهد.
٤- ارزيابي پتانسيل روانگرايي
طي سال ها، روش هاي متعدي براي ارزيابي پتانسيل روان گرايي ارائه شده که متداول ترين آنها روش تنش سيکلي، روش کرنش سيکلي، روش انرژي تلف شده و روش تحليل پاسخ بر مبناي تنش موثر را مي توان نام برد. در اين تحقيق سه روش ، تنش سيکلي، کرنش سيکلي وانرژي تلف شده مورد بررسي واقع شده است . لازم به ذکر است که در اغلب پروژه هاي بزرگ بيش از يک روش براي ارزيابي پتانسيل روان گرايي به کار ميرود که دليل آن به رفتار پيچيده و غير خطي خاک بر ميگردد.
گام بعدي پس از تعيين استعداد روانگرايي خاک، ارزيابي پتانسيل روانگرايي خاک مي باشد. دو شيوه ي اصلي براي ارزيابي پتانسيل روانگرايي وجود دارد .هدف روش اول , آن است که اين فعل و انفعال پيچيده را در يک تحليل غيرخطي پاسخ ساختگاه و با استفاده از يک مدل ساختاري مناسب به صورت صريح مدل نمايد. در تحليل هاي غيرخطي پاسخ ساختگاه که معادله ي حرکت به صورت رفتاري مستقيم در دامنه ي زمان و با گامهاي زماني به قدر کافي کوتاه انتگرالگيري مي شود؛ ميتوان کرنش برشي و اضافه فشار آب منفذي را از روي مدل ساختاري تخمين زد ميزان صحت نتايج در اين روش به مناسب بودن مدل ساختاري و کفايت برنامه ي آزمون هاي آزمايشگاهي و صحرايي براي تعيين پارامترهاي مدل غيرخطي خاک بستگي دارد. با توجه به پيچيدگي وهزينه و زمان مورد نياز، اين روش بيشتر در مطالعات تحقيقاتي مورد استفاده قرار ميگيرد[٣].
روش دوم بر مبناي همبستگي هاي تجربي ميان بارگذاري لرزه اي (عامل تحريک ) و مقاومت خاک در برابر روانگرايي (عامل ظرفيت ) است ؛ هرچند مقاومت خاک مي تواند به صورت مستقيم از آزمون هاي آزمايشگاهي نيز به دست آيد .در اين نوع از روشهاي ارزيابي پتانسيل روانگرايي که از آنها به عنوان روشهاي تجربي-آزمايشگاهي ياد ميشود، هنگامي که عامل تحريک برابر يا بزرگ تر از عامل مقاوم شود، انتظار وقوع روانگرايي مي رود .اين روشها نسبت به مدل هاي عددي کاربرد گسترده تري دارند، چرا که استفاده از آنها ساده تر و ارزانتر است .از اينرو در اين فصل به تشريح تاريخچه و مفاهيم موجود در اين روشها پرداخته ميشود. در روشهاي تجربي-آزمايشگاهي، شيوه هاي ارزيابي عامل تحريک در تعيين پتانسيل روانگرايي به سه گروه
عمده ي روشهاي بر مبناي تنش تناوبي، کرنش تناوبي و انرژي تقسيم ميگردند.
روش تنش تناوبي که بيشترين کاربرد را در ميان سه روش مذکور دارا مي باشد، در حدود چهار دهه ي پيش به وجود آمده و تا امروز بدون تغيير کلي و تنها با اصلاحات جزئي نسبت به قالب اوليه ي خود باقي مانده است .اگرچه روش هاي کرنش تناوبي و انرژي پس از روش تنش به وجود آمدند و از لحاظ مفهومي نيز نسبت به اين روش داراي برتر يهايي مي باشند، ولي به نسبت کمتر مورد استفاده قرار مي گيرند .در ادامه ي اين فصل مفاهيم اين روشها شرح داده شده و در انتها با مقايسه ي آنها، روش منتخب اين راهنما براي بررسي تفصيلي در فصل بعدي معرفي ميشود[٤].
٥- روش تنش دوره ايي
روش تنش دوره ايي يک از کاربردي ترين روش ها براي ارزيابي پتانسل روان گرايي مي باشد که توسط seed and idris ارائه شده است [٥]. فرض اساسي در روش تنش دوره ايي اين است که فشار آب حفره ايي اضافي ايجاد شونده اساسا به تنش برشي دوره ايي بستگي دارد . در روش مذکور، بارگذاري ناشي از زلزله که بر حسب تنش هاي برشي دوره اي بيان مي شود با مقاومت روان گرايي خاک مقايسه مي گردد. در اين روش اگر ( ) معرف مقاومت برشي خاک و معرف تنش برشي دوره ايي ايجاد شونده باشد، زماني خاک روان گرا خواهد شد که مقدار تنش برشي سيکلي ايجاد شونده از مقاومت برشي خاک بيشتر باشد. در اين روش ، بارگزاري با دو روش مورد پيشبيني قرار مي گيرد.
از طريق تحليل پاسخ زمين که به وسيله آن تاريخچه زماني تنش برشي در اعماق مختلف توده خاک به صورت گذرا و نامنظم ارائه مي شود.
استفاده ار رابطه ساده شده پيشنهادي(١٩٧١) idriss and seed که به وسيله آن مي توان دامنه تنش برشي سيکلي يکنواخت و نسبت تنش سيکلي را براي ساختگاههاي افقي و يا با شيب ملايم تعيين کرد[٦]. رابطه مذکور در رابطه (١) آورده شده است .
در اين رابطه amax شتاب حداکثر افقي زلزله ، تنش قائم کل ، تنش موثر قائم ، rd ضريب کاهش تنش ناشي از انعطاف پذيري خاک و FMS ضريب بزرگي زلزله ميباشد. دراين تحقيق مقادير rd، از رابطه (٤-٢) که توسط مرکز بين المللي تحقيقات مهندسي زلزله ارائه شد، استفاده مي شود[٦].
که دراين رابطه z عمق لايه هاي خاک از سطح زمين ميباشد.
جمله FMS بايستي براي تصحيح نسبت تنش سيکلي زلزله هاي با بزرگي، کوچکتر و بزرگتراز ٧.٥ ريشتر بکار گرفته شود. در اين مطالعه از رابطه اي که توسط يود و ادريس (١٩٩٧)، ارائه شد، رابطه (٣)استفاده شده است [٦].
در اين رابطه Mw گشتاور لرزه اي ميباشد.
از سويي ديگر مقاومت خاک در برابر روانگرايي تابعي از نسبت مقاومت سيکلي است . نسبت مقاومت سيکلي (CRR) نيز از طريق آزمايش نفوذ استاندارد بدست مي آيد. نهايتا مقاومت خاک در برابر روانگرايي به صورت رابطه (٤) بدست مي آيد.
روانگرايي
در رابطه (٤) ضريب اصلاح تنش برشي اوليه و ضريب اصلاح فشار سربار مؤثر مي باشد. در نهايت ضريب اطمينان به صورت رابطه (٥) قابل تعيين مي باشد.
روانگرايي در اعماقي از خاک رخ مي دهد که بار گذاري سيکلي بزرگتر از مقاومت سيکلي مي باشد و يا به عبارتي ديگر ضريب اطمينان روانگرايي کمتر از يک باشد.
