روانگرايی خاکهای ماسـه ای و رسـی و ماسه رسی در برابر وقوع زمين لرزه

نوشته های مشابه

روش هاي حفاري تونل و انتخاب ماشين حفاری بر اساس شرايط زمين شناسي

آذر ۹, ۱۴۰۲

سازه‌هاي خشتي قديمي و مقاوم سازی در برابر زلزله

آبان ۱۶, ۱۴۰۲

اثر عوامل زمین شناسی که برای حفر تونل باید در نظر بگیریم

آبان ۶, ۱۴۰۲

روانگرايی خاک های ماسه ای يکی از بحرانهای ناشی از زمين لرزه می باشد که ميتواند بناهای تاريخی را در معرض خطر جدی قرار دهد . امروزه فراوان مشاهده می شود که در بعضی مناطق دارای خاک مستعد روانگرايی در اثر زمين لرزه ، ساختمان بدون آنکه خسارت سازه ای مستقيم تاشی از زمين لرزه ببيند ، دراثر روانگرايی نشست و يا روی زمين يا ساختمان های اطراف می افتد و با وجود استاندارد های سازه ای مناسب ديگر قابل استفاده نمی باشد . در اینجا به بررسی اثر وجود ريز دانه ها و همچنين تعداد سيکل های بارگذاری لرزه ای بر مقاومت خاک در برابر روانگرايی پرداخته است . در ضمن در اين متن در مورد تفاوتهای مقاومت در برابر روانگرايی در اثر زمين لرزه ، برای خاک های رسی ، ماسه-رسی و ماسه ای تميزبا مقادير مختلف ريز دانه و سيکل بارگذاری  ، بحث شده است .  بسياری از بناهای تاريخی ما در مناطقی با چنين خاک هايی بنا شده اند که بايد به آن توجه داشت و در جهت رفع اين مشکل چاره انديشی نمود . خاک های ماسه ای تکيه گاه بسيار خوبی برای بنا می باشند تا زمانی که تحت اثر لرزش قرار نگيرند . دسته بندی اين خاک ها از لحاظ چگالی و چگونگی منافذ پر شده به کمک آب ، معيار اصلی رفتار ذرات خاک در برابر بار های ديناميکی  می باشند . هنگامی که خاکهای ماسه ای در زير يک سفره آب زير زمينی قرار می گيرند احتمال وقوع پديده روانگرايی در اثر زمين لرزه چندين برابر می شود . دليل وقوع پديده روانگرايی از دست دادن حالت تجمعی ماسه می باشد . بارگذاريهای سيکل وار ، همانند بار گذاری ناشی از زمين لرزه ، باعث می شود که ذرات ماسه تماس خود را با يکديگر از دست داده و فشار آب منفذی به طور ناگهانی افزايش يابد . بنابراين در اين حالت به دليل عدم تماس مناسب ذرات خاک تقريباً مقاومت آن صفر خواهد شد . بعد از آنکه فشار آب منفذی افزايش يافت به دليل کاهش بافت ذرات ماسه و تجمع اين ذرات با چگالی بسيار بالاتر در يک قسمت باعث نشست آنی و زياد ساختمان می شود . اين پديده روانگرايی نام دارد .

  شکل A  

  شکل B

 

 

شکست زمين تحريک شده بوسيله خاصيت روانگرايی يکی از عوامل اصلی وارد آمدن خسارت در زلزله های گذشته بوده است و باعث ايجاد اثرات مخربی بر ساختمان ها و ساکنان آن شده است . ترکيب مشخص جايگاه زمين شناسی و سطح لرزش زمين باعث ايجاد پديده روانگرايی می شود . پتانسيل روانگرايی يک محل خاص بر مبنای پيش بينی حالت ارتعاشی محلی و شرايــــــــــط ژئولوژيکی محل تشخـــــيص داده می شـــود (Dinto ,1999) .روانگرايی خاک های ماسه ای در زمان وقوع زمين لرزه ها باعث وارد آمدن خسارات بسيار زيادی به سازه ها ، بزرگراه ها ، ديوارهای خاکی ، سازه های نگهبان و همچنين به ديگر ساختمان ها می شود .

تعيين پتانسيل روانگرايی برای يک زمين لرزه يک مشکل پيچيده مهندسی ژئوتکنيک است . بسياری از فاکتور ها ، همانند پارامتر های خاک و تاثير خصوصيات لرزه ای با عث رخ دادن پديده روانگرايی در خاک های اشباع می باشد ، که دليل اصلی آن پوشانده شدن کامل ذرات خاک توسط آب است . اين آب فشاری بر ذرات خاک اعمال می کند که باعث فشار ذرات به يکديگر و ترکم آنها می شود . پيش از زمين لرزه ، فشار آب نسبتاً پايين می باشد . در نتيجه تکان های ناشی از زمين لرزه می تواند باعث افزايش فشار آب در نقطه ای که ذرات خاک به سهولت می توانند حرکت کنند  و به هم برسند ، بشود . (Pinto,1999)

البته مساله روانگرايی خاکهای ماسه ای در روسازيهای راه نيز باعث وارد آمدن خرابيهای زيادی بعد از وقوع زمين لرزه  می شود . در هنگام زمين لرزه ترانشه های خاک که بر روی آن جاده احداث شده است در اثر پديده روانگرايی در زير آنها ، بستر زير ترانشه همانند شکل E نشست کرده  و ترانشه از قسمت های ميانی برش می خورد و تر کهای طولی عميق و زيادی از خود بر جای می گذارد . پس در مورد مسايل مربوط به راهسازی نيز به اين پديده بايد دقت تام داشت . شکل f  برش يک جاده در اثر زلزله آمريکا در سال ۱۹۸۴ را نشان می دهد ، که به طول چند صد کيلومترمی باشد که طبيعتاً ديگر جاده قابل استفاده و يا بازسازی نيست  و بايد تخريب و با تقويت خاک بستر و احداث ترانشه جديد عمليات راه سازی دوباره تکرار شود .

شکل F

 

حال در اينجا به ارتباط بين رشته ها مختلف علوم مربوط به اين پديده می پردازيم تا به اهميت مطالعه در باره روانگرايی بيشتر واقف شويم :

• زمين شناسی : ساختمان صفحات تکتونيک ، رويداد های وابسته به زمين لرزه

• زلزله شناسی  : رويداد های وابسته به زمين لرزه ، ارسال امواج لرزه ای ، حرکات زمين

• مهندسی عمران : اثر متقابل خاک وسازه ، پاسخ سازه ، عملکرد مدل سازی و طراحی با مقاومت مناسب در برابر زمين لرزه

• مهندسی ژئوتکنيکال زلزله (Earthquake Geotechnical Engineering ) : حرکات زمين ، خطرات لرزه ای زمين ، واکنش زمين زير ساختمان و تقويت خاک ، پايداری شيروانيها ، تخمين ميزان نشست ، روانگرايی : ( پيش بينی ، معرفی خصوصيات ، ارزيابی خطرات و کاهش آن ) ، اثر متقابل خاک و سازه ،  پاسخ سازه

 

مشاهده می شود که مساله روانگرايی خاکها به تمامی علوم مهندسی و غير مهندسی وابسته به زمين ، وابسته می باشد ، ولی به طور تخصصی مختص مهندسی ژئوتکنيک و مهندسی زلزله ميباشد .  در اين مقاله به بررسی اثر ريز دانه ها بر مقاومت خاک در برابر پديده روانگرايی خاکهای ماسه-رسی پرداخته شده است . نتايج موجود در مقاله حاضر بر مبنای وجود مقدار ۰ تا ۱۵ درصد ريزدانه در خاک های ماسه-رسی در افزايش و يا کاهش مقاومت در برابر روانگرايی خاک های مذکور می باشد . با توجه به ملاحظات موجود و نمودار های در دسترس ، مشاهده می شود که  افزايش يا کاهش  مقدار ريزدانه در افزايش و يا کاهش  مقاومت در برابر روانگرايی خاک های ماسه-رسی چگونه تأثير گذار است . مقاومت يک خاک در برابر روانگرايی به پارامتر های مشخصی چون : شاخص خميری ، ميزان ريز دانه ، چسبندگی ، پيش تحکيم يافتگی ، بافت خاک و تنش های اوليه در زمان بارگذاری طبيعی خاک بستگی دارد . اگر شاخص خميری خاک کمتر از ۱۰ باشد (  ) مقدار مقاومت خاک در برابر روانگرايی مقدار ثابتی می باشد . همواره رابطه ای بين اين نوع مقاومت خاک و شاخص خميری وجود دارد . خاک های ماسه ای دارای ۱۰% ريزدانه مقاومت بيشتری را از خود در برابر روانگرايی نسبت به ماسه تميز  نشان می دهند . ريز دانه های موجود در خاک منجر به افزايش تراکم پذيری خاک می شوند . مقاومت در برابر روانگرايی خاک ها با اضافه کردن ريزدانه های با شاخص خميری پايين کاهش می يابد .(Estern ,1994 ) در مورد سيلت و مخلوط سيلت و رس ، افزايش شاخص خميری ، ميزان مقاومت در برابر روانگرايی را بر روی مخلوط سيلت-رس در محدوده کوچکی از خاصيت خميری  کاهش می دهد و در محدوده بالای خميری مقاومت در برابر روانگرايی با افزايش شاخص خميری افزايش می يابد . در متن حاضر به بررسی اثرات ريز دانه بر روی خاک های ماسه-رسی می پردازيم و با مقايسه نتايج حاصل از آزمايش تراکم زهکشی نشده و سه محوری به بررسی اثر اين ريزدانه ها بر مقاومت خاک در برابر روانگرايی خاک های مخلوط ماسه و رسی با پلاستيسيته کم می پردازيم .

 بحث :

برای دستيابی به پتانسيل روانگرايی ، مدل های مختلف رياضی توسعه پيدا کرد . بيشتر ، اســـــــــتفاده از نتايج صحرايی و مشاهده عملکرد در معرض زلزله ، همبستگی تجربی ميان خاک و خواص لرزه ای و رخ داد و عدم رخ داد اين پديده دليل وجود مطالعات اوليه در ضمينه  روانگرايی بود . بدين منظور دراينجا از برای شناســـــــــايی شاخص روانگرايی خاک از آزمايـش نفـوذ استانــدارد يا   SPT (Standard Penetration Test)   اســــــــــــــــتفاده می شود.(Yoshimi & Tokimatsu,1983)&(Seed,1985)

بکار گيری SPT برای تعيين همبستگی ميان تنش های ديناميکی تحريک شده در محل تحت يک زلزله و پتانسيل روانگرايی استفاده می شود . ديگر محققان بين پتانسيل روانگرايی پتانسيل روانگرايی و پراکندگی انرژی لرزه ای و SPT ارتباط ايجاد کــــــــــــــرده اند . (Berrill & Davis   ۱۹۸۵ , Liaoetal 1988 )

تلاش های بسياری بروی ايجاد همبستگی ميان SPT و احتمال روانگرايی انجام شده است که تمامی اينها بر مبنای تحليل های استاتيکی انجام شده است . بعد از گذشت زمان کم کم روشهای جديدی مورد تحقيق و بررسی قرار گرفت که آن استفاده از شبکه های عصبی برای تشخيص پتانسيل روانگرايی بود . بسياری از اين مطالعات تا به امروز هم ادامه دارد . Goh 1994 با به کار بردن مدلسازی شبکه های عصبی رابطه پيچيده ميان لرزش و پارامتر های خاک را در مورد روانگرايی مورد تحقيق و بررسی قرار داد . وی همچنين مطالعات خود را بر روی شبکه عصبی برای دسترسی به پتانسيل روانگرايی به کمک آزمايش نفوذ مخـــــــــروط       (Core Penetration Test )  انجام داد .

برای حصول نتايج کاملاً واقعی در يک آزمايش بايستی اين آزميشات در خارج از مدار زمين و دور اثر جاذبه انجام گيرد . دليل اين قضيه تنش های نا خواسته داخلی می باشد ، که در داخل مواد به وجود آمده و باعث می شود که نتايج حاصله دقيقاً همان نتايج واقعی مربوط به جسم نباشند . در اين حالت ديگر سر و کاری با وزن اجسام نداريم . بحث فوق در حقيقت بررسی نتايج حاصله از بخش تحقيقات سازمان فضايی ناسا می باشد که با انجام برخی آزمايش ها روی نمونه های مختلف خاک در روی زمين و خارج از آن ( به دور از اثرات جاذبه ) به اين نتايج دست يافته اند . البته در اينجا بايستی توجه شود که چون سر و کار بشر با زمين می باشد ، پس پسنديده تر و مرغوم به صرفه تر اين است که اين آزمايشات با در نظر گرفتن قوّه جاذبه و روی زمين انجام شود تا نتايج مورد نظر قابل استفاده و پيش بينی برای استفاده در زمين باشند .  عمليات و آزمايشات انجام شده در ناسا در اِن مورد تنها جنبه تحقيقاتی دارد  .

نمونه های خاک مورد نظر در اينجا مربوط به خاک چينی ، رس و ماسه می باشند . ( خاک چينی مخلوطی از ۶۷% سيليکات و ۲۳% هيدروکسيد آلومينيم می باشد) . ماسه مورد نظر ماسه استاندارد (Hostun)  و رس (Kaolin)  می باشد . اين ماسه دارای ذرات با قطر متوسط و همچنين  و  می باشد . شکل شماره ۱ اندازه ذرات پخش شده رس و ماسه را در اين آزمايش نشان می دهد . نتايج موجود در اينجا بر اساس آزمايش تراکم زهکشی نشده و آزمايش سيکل وار شبه الاستيک برای پنج مقدار ريز دانــــــــــه   می باشد . شاخص خميری برای خاک های موجود که توسط دستگاه کاساگرانده اندازه گيری شده است کمتر از ۳% می باشد .

شکل ۱ – گستره ذرات خاک ماسه ای تميز و رس کائولين

 

شکل شماره ۲ نتايج حاصل از آزمايشهای انجام شده ( تراکم زهکشی نشده ) را بر روی ماسه تميز و ماسه رسی به ازای مقادير مختلف ريز دانه را  نشان می دهد . اين اشکال نمايانگر تاثير وجود ريزدانه ها در مخلوطهای بالا می باشد ،  که تغييرات تنش انحرافی نسبت به درصد کرنش محوری  در شکل (a) ،  فشار آب منفذی به درصد کرنش محوری در شکل (b) و تنش انحرافی به فشار موثر ميانگين در شکل  (c)، به ازای مقادير مختلف ريز دانه در اشکال به خوبی نمايان است .

افزايش در فشار آب منفذی در مقادير پايين نسبت تنش q/p’ ( p’ و q به ترتيب تنش متوسط موثر و تنش انحرافی می باشند ) باعث افزايش تمايل انقباض ماسه می شود . وجود ريز دانه در خاکهای ماسه-رسی باعث کاهش قابليت انبساط (Dilatancy)  شده و در نتيجه مقاومت تراکم زهکشی نشده خاک را کاهش می دهد . افزايش ميزان ريز دانه باعث افزايش خاصيت انبساط خاک و در نهايت باعث افزايش مقاومت خاک در تراکم زهکشی نشده می شود .

با توجه به نمودار ۲-a  می توان فهميد که ميزان تنش انحرافی نسبت به افزايش درصد کرنش محوری در مورد خاک های ماسه ای حاوی ۱۵% ریپيزدانه ، کمترين مقدار را نسبت به بقيه دارد . با توجه به نمودار برای مقادير کمتر و بيشتر ريزدانه يک رابطه تقريباً خطی با شيب زياد وجود دارد . با توجه به نمودار ۲-b  مشاهده می کنيم که با افزايش مقدار ريزدانه تا ۱۵% فشار آب منفذی نسبت به درصد کرنش محوری به حداکثر ميزان خود رسيده و از آن به بعد مثلاً برای ۲۰% ريزدانه نمودار نزول می کند . قسمت پايينی نيز مربوط به ماسه تميز می باشد که با توجه به شکل با افزايش درصد کرنش محوری فشار آب منفذی افزايش و سپس کاهش می يابد تا به صفر برسد . در شکل ۲-c نيز همانند موارد قبل منحنی برای ۲۰% ريزدانه بين ۱۰%و۱۵%  قرار می گيرد .

اشکال ۳ منحنی های مربوط به نتايج آزمايش تراکم زهکشی نشده برای ۵% ريزدانه موجود در خاک ماسه ای و سه مقدار ضریب تنش  می باشند ( )  که  حداکثر تنش انحرافی است . افزايش در ميزان فشار منفذی به ضريب تنش  بسيار وابسته است و در نهايت تعداد سيکل لازم برای پديده روانگرايی به  وابسته است .  برای   تعداد ۲۰ سيکل  و برای   و  به ترتيب ۶ و ۱ سيکل لازم است . ( جدول ۱ )

شکل ۲

 

تعداد سيکل لازم جهت روانگرايی	ضريب تنش	نوع خاک
۲۲ ۱۴ ۶	۰٫۲۵ ۰٫۳۰ ۰٫۳۵	ماسه تميز
۲۰ ۶ ۱	۰٫۱ ۰٫۲ ۰٫۳	ماسه – رس با ۵% ريز دانه

 

جدول ۱

شکل ۳

 

اختلاف تعداد سيکل لازم برای پديده روانگرايی را با ضريب تنش  نمايش می دهند . از اين جدول اينطور برداشت می شود که حضور رس به مقدار زيادی از مقاومت خاک در برابر روانگرای می کاهد . در ضريب تنش  ماسه تميز بعد از ۱۴ سيکل دچار روانگرايی می شود در حالی که ماسه – رس تنها بعد از ۱ سيکل دچار روانگرايی می شود که در اينجا اثر سوء وجود رس بوضح نمايان می باشد . البته اين نتايج با آزمايش تراکم زهکشی نشده يکسان می باشد و خطر وجود رس را در افزايش قابليت انبساط خاک را نشان می دهد .

شکل ۴

شکل شماره ۴ نتايج آزمايشهای سيکل وار روی مخلوط ماسه را با ۱۵% ريزدانه نشان می دهد . از اشکال نمايان است که نظم خاصی در اين منحنی ها وجود ندارد و منحنی ها کاملاً نامنظم می باشند . البته فقط تعداد سيکل بارگذاری لازم جهت روانگرايی مد نظر می باشد که از روی اشکال به راحتی با شمردن تعداد نوسانات ، قابل تعيين می باشد . اين اشکال برای مقادير  رسم شده اند . درا ين حالت بـــــــــــرای  روانگرايی بعد از ۱۰ سيکل و برای مقادير  و  بعد از ۵ و ۱ سيکل رخ می دهد . نتايج حاصل از ۵ تا ۱۵ درصد ريز دانه نشان می دهد که افزايش محتويات ريزدانه از ۵ درصد به ۱۵ درصد باعث وارد آمدن يک کاهش فاحش در مقاومت خاک در برابر روانگرايی برای مقادير  می شود . برای   و مخلوط های خاک با  مقدار مقاومت در برابر روانگرايی آنها تقريباً ثابت است . با توجه به شکل ۲-c   مشخص است که برای اين مقدار  و  پاسخ خاک در صفحات بارگذاری در حالت زهکشی نشده تقريباً يکسان است . برای مقادير کمتر از ۱۵% ريزدانه ، مقاومت در برابـــــر روانگرايی به مقدار زيادی کاهش می يابد که اين کاهش مقاومت بستگی زيادی به مقدار  دارد و هـــــر چه  بيشتر باشد به وقوع پيوستن اين پديده زود هنگام تر می باشد . ( در کمتر از ۱۰ سيکل )

در حال حاضر بر مبنای آخرين دستاوردهای موجود در بررسی های  انجام شده در مورد روانگرايی می باشد  و به بررسی تاثير ضريب Rc و ميزان ريزدانه های موجود  در خاکهای ماسه رسی در مقاومت آنها در برابر روانگرايی پرداخته شد . با توجه به مطالب و نتايج و نمودار های حاصله در اين مقاله به راحتی می توان فهميد که حضور ريز دانه در اينگونه خاکها (ماسه – رس يا ماسه تميز ) به ميزان ۰ تا ۱۵ درصد باعث کاهش در مقاومت خاک در برابر روانگرايی  می شود . در اينجا بايد توجه شود که مطالعات ژئوتکنيکی مربوط به پروژه های عمرانی بسيار حائز اهميت است و قبل از هر چيز بايستی با توجه  به ضعف خاک در منطقه ای زلزله خيز ، بخصوص جهت اجرای پروژه های مهم و عظيمی چون برج سازی ، مقاوم سازی ساختمان هايی با اهميت بالا همانند بناهای تاريخی ، سد سازی و … توجه زيادی به آن شود و با مطالعات درست و حساب شده ، در صورت ضعف احتمالی خاک موجود سعی در انجام  عمليات مقاوم سازی خاک داشته باشيم . همانطور که امروزه در دنيا فراوان مشاهده می شود که در بعضی زمين لرزه ها ،  بدون وارد آمدن هيچ گونه خسارت سازه ای جدی ناشی از اثر مستقيم زمين لرزه تحت اثر خسارت غير مستقيم روانگرايی خاک  قرارگرفته و بدليل نشست بسيار زياد در يک يا چند قسمت ، با عث تخريب کامل و يا خواباندن ساختمان بر روی زمين شده است ، که مسلما ديگر قابل استفاده نبوده و بايد تخريب شود . در اين حالت ممکن است در عين يک طراحی مناسب سازه ای و با مقاومت کافی در برابر زمين لرزه سازه به دليل عدم مطالعات ژئوتکنيکی مناسب  در معرض خطر قرار  گيرد ، البته فراموش نشود که اين پديده مربوط به نواحی با خطر لرزه ای بالا با خاکهای مستعد برای روانگرايی می باشد .