خرید و دانلود نسخه کامل مقاله کامل روانگرایی درخاک ها

مقاله کامل روانگرایی درخاک ها

مقدمه:
از سال 1960 میلادی مهندسین نقش خاک را در رفتار سازهها هنگام زلزله بیشتر مورد توجه قرار دادهاند. تا به حال چندین حادثهی فاجعه بار از قبیل زلزلههای سال 1964 آلاسکا، سال 1967 کاراکاس و ونزوئلا، سال 1976 گواتمالا و غیره، خسارتهای زیادی ناشی از خاصیت روانگرایی خاک به ابنیهی مسکونی، سدها، پلها و غیره بجا گذاشته است. به همین دلیل از آن سالها به بعد مطالعات و پژوهشهای زیادی در این زمینه انجام شده، که به بررسی و جمعآوری اطلاعاتی در این زمینه پرداخته ام .
پدیده روانگرایی خاک
روانگرایی خاک () پدیده ای است که بدلیل کاهش سختی و مقاومت خاک در اثر وارد آمدن نیروی زلزله یا یک بارگذاری سریع صورت می گیرد. روانگرایی خاک و پدیده های مرتبط با آن در زلزله های سالیان گذشته صدمات زیادی را در سراسر جهان وارد کرده اند. روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد . آب موجود بین ذرات خاک فشاری را به ذرات خاک وارد می کند که این فشار سبب می شود ذرات خاک بطور محکم بهم فشرده شوند. پیش از زلزله فشار آب نسبتآ کم است اما با وقوع لرزش زلزله فشار آب افزایش یافته بطوریکه ذرات خاک بسرعت در کنارهم شروع به حرکت می کنند. هرچند اغلب لرزش زمین سبب افزایش فشار آب منفذی می گردد اما فعالیت های مرتبط ساختمانی همانند انفجار یا آبگیری مخازن و بطور کلی تغییر در تنش ارتجاعی زمین از طریق بارگذاری و باربرداری نیز می تواند سبب روانگرایی در خاک گردد. با وقوع روانگرایی مقاومت خاک کاهش یافته و توانایی خاک زیر پی برای حفظ پایداری ساختمانها و پلها از بین می رود. همچنین خاک روان شده پشت دیوارهای حائل می تواند سبب نشست و تخریب دیوار حائل گردد.چنانچه افزایش فشار آب منفذی در پشت سدها نیز میتواند سبب زمین لغزه و شکستن سدها گردد. روانگرایی

بدلیل اینکه روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد این پدیده معمولا در مناطق نزدیک آب همانند رودخانه ها،دریاچه ها ،خلیج هاو اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد.  اثرات این پدیده عمدتا در مناطق نزدیک آب شامل لغزش عمده خاک بسمت ساحل و فرونشست آن همانند دریاچه مرسید(Lake Merced) در ۱۹۵۷ و یا حرکت زمین و ایجاد ترک در ساحل دریا در اثر تنش اضافی همانند رودخانه موتاگوا (Motagua River) در زلزله ۱۹۷۶ گواتمالا می باشد. صدمه به دیوارهای نگهدارنده بنادر و باراندازها با ایجاد فشار به خاک پشت آنها و هل دادن آن به سمت آب از دیگر صدماتی است که روانگرایی در مناطق نزدیک سواحل ایجاد می کند بطوریکه در زلزله ۱۹۹۵ کوبه ژاپن روانگرایی خاک صدمه اصلی را به امکانات و تجهیزات بندر کوبه وارد کرد.
معرفی روانگرایی:
در محلهایی که خاک از دانههای سست تشکیل شده است، تمایل به فشرده شدن میتواند به ایجاد فشارهای آب منفذی یا اضافی در خاک منتهی شود و اندازهی این فشارهای اضافی میتواند به قدری زیاد باشد که موجب روانگرایی خاک و در نتیجهی ایجاد نشست و چرخش در ساختمانها شود. مانند: روانگرایی تودههای خاکهای ماسهای سست اشباع، در زلزلهی 1964 نیگاتای ژاپن.
یکی از عمدهترین عوامل خسارت به سازهها در هنگام زلزله ایجاد روانگرایی در تودههای خاکهای ماسهای است که به شکلهای زیر مشاهده میشود:
حالت اول ـ جوشش خاک و تشکیل منافذ خروج گل در سطح زمین به وسیلهی تراوش آب از داخل ترکهای زمین.
حالت دوم ـ در پارهای موارد با ایجاد شرایطی شبیه به ماسهی فرز (Quick sand) در مساحتهای وسیع.
در حالت دوم ممکن است ساختمانها به میزان زیادی در زمین فرو رفته یا کج شوند.
علت اساسی روانگرایی ماسهها ازسالها پیش به صورت کیفی درک شده بود چنانچه ماسهی اشباع، تحت تأثیر ارتعاشات زمین قرار گیرد، میل به متراکم شدن و کاهش حجم مینماید.
در صورت عدم امکان زهکشی، تمایل به کاهش حجم منجر به افزایش فشار منفذی میشود و اگر این افزایش به حدی برسد که فشار منفذی مساوی فشار سر بار شود، تنش مؤثر صفر شده و ماسه همهی مقاومت خود را از دست میدهد و به حالت روان در میآید.
در حال حاضر علت اساسی روانگرایی خاکهای غیرچسبنده اشباع در هنگام زلزله ایجاد فشار هیدرواستاتیکی ناشی از اعمال تنشهای برشی دورهای مربوط به حرکتهای زمین در نظر گرفته میشود.
با آگاهی از ویژگیهای تنش ـ کرنش، ویژگیهای تغییر حجم ماسه تحت شرایط کرنش دورهای و ویژگیهای واگشت ماسه در اثر تقلیل تنش، میتوان مکانیسم را به طور کمی بیان نمود، به نحوی که افزایش فشارهای منفذی در اثر هرگونه تاریخچهی اعمال تنشها را بتوان محاسبه نمود. با نزدیک شدن فشار آب منفذی به مقداری معادل فشار محصور کننده اعمال شده ماسه شروع به تغییر شکل میکند. چنانچه ماسه شل باشد، فشار منفذی فوراً به مقداری معادل فشار محصور کننده خواهد رسید و ماسه سریعاً شروع به تغییر شکلهای زیادی میکند به نحوی که کرنشهای برشی میتوانند از 20 درصد نیز بیشتر شوند. در صورتیکه ماسه بدون انسجام و مقاومت، تغییر شکلهای عملاً نامحدودی بیابد،آنگاه گفته میشود که روانگونه شده است. بنابراین در هر قسمت از نهشته که شرایط فوق و تغییر شکلهای ارتعاشی زلزله فراهم بشود،ممکن است،روانگرایی روی دهد. قسمت روانگونه شده میتواند در سطح یا عمق معینی از زمین قرار داشته باشد که تنها به وضعیت ماسه و حرکات ایجاد شده بستگی دارد.
لازم به ذکر است که ماسههای سیلتی و سیلتها که بیشتر مسایل روانگرایی در آنها مطرح است، اثرات امحاء فشارهای منفذی در هنگام زلزله اهمیت ندارند.
بنابراین ارزیابی روانگرایی یا تحرک دورهای خاک معمولاً بر مبنای این فرض انجام میشود که کلیهی لایههای ماسهای در هنگام تکانهای زلزله زهکشی نشده هستند، در صورتیکه تحت شرایط زهکشی نشده بتوان نشان داد که همهی لایههای نیم رخ خاک، حاشیهی ایمنی کافی در برابر ایجاد روانگرایی یا تحرک دورهای دارند، آنگاه هیچگونه فشار منفذی اضافی ایجاد نخواهد شد، درنظر گرفتن امحاء فشارهای منفذی اضافی غیرضروری میشود از استدلال اخیر در تدوین روشهای ارزیابی روانگرایی نهشتههای خاکی استفاده میشود.
عوامل ویژهای که در ارزیابی روانگرایی باید در نظر گرفته شوند
پتانسیل روانگرایی هر تودهی خاکی با ترکیبی از ویژگیهای خاک، عوامل محیطی و ویژگیهای زلزلهی محتمل، کنترل میشود از جملهی عوامل ویژهای که در ارزیابی روانگرایی باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از:
الف ـ ویژگیهای خاک:
1ـ ویژگیهای دانهبندی و دانهها
2ـ مدول برش دینامیکی
3ـ دانسیته نسبی
4ـ ویژگیهای میرایی
5ـ وزن مخصوص
6ـ ساختار خاک
ب ـ عوامل محیطی:
1ـ نحوهی تشکیل خاک
2ـ تاریخچهی زلزله
3ـ تاریخچهی زمینشناسی
4ـ ضریب فشار جانبی خاک
5ـ عمق تراز آب
6ـ فشار محصور کنندهی مؤثر
ج ـ ویژگیهای زلزله:
1ـ شدت تکان زلزله
2ـ مدت دوام تکانهای زمین
بعضی از این عوامل را نمیتوان مستقیماً تعیین نمود، اما اثرات آنها را میتوان با انجام آزمایشهای بارگذاری دورهای بر روی نمونههای دست نخورده و یا با اندازهگیری ویژگیهای روانگرایی خاک به وسیله نوعی روش آزمایش در جا در ارزیابیها منظور نمود با درک کامل این حقیقت، روش اساسی ارزیابی شامل مراحل زیر است:
1ـ تعیین تنشهای برشی دورهای ایجاد شده توسط حرکتهای زمین در اثر زلزله در عمقهای مختلف تودهی خاک و تبدیل تاریخچههای غیرمنظم تنش به تعداد معادل دورههای تنش یکنواخت با این روش شدت تکانهای زمین مدت دوام آن و تغییرات تنشهای برشی دورهای در عمق در نظر گرفته میشوند.
محاسبات این مرحله میتواند با تحلیل پاسخ زمین (Ground Response Analys) با داشتن وزن مخصوص، مدول دینامیکی و ویژگیهای میرایی لایههای خاک انجام شود. محاسبات این مرحله به نمایش تراز تنش برشی یکنواخت معادل به صورت تابعی از عمق منتهی میشود.
2ـ تعیین تنشهای برشی دورهای که در صورت اعمال آنها به تعداد دورههای تعیین شده در مرحله قبل باعث روانگرایی خاک خواهند شد.
مساوی گرفتن تعداد دورههای اعمال تنش با تعداد تعیین شده در مرحلهی قبل به منظور ایجاد مشابهت با شرایط زلزله خاص در نظر گرفته شده برای تحلیل است. این مرحله برای لایههای مختلف در عمقهای مختلف باید انجام شود. تعیین تنشهای برش دورهای مربوط به این مرحله از طریق آزمایشهای آزمایشگاهی برش دورهای بر روی نمونههای دست نخورده، تحت فشارهای محصور کنندهی مختلف قابل انجام است هر یک از آزمایشهای برش ساده، دورهای سه محوری برای این منظور قابل استفاده است، مشروط بر آنکه نتایج این آزمایشها برای تطبیق با شرایط بارگذاری محلی به نحو مناسبی تصحیح شوند.
3ـ مقایسه میان تنشهای برشی ایجاد شده توسط زلزله با تنشهای مورد نیاز برای ایجاد روانگرایی، احتمال روانگرایی در قسمتهایی از توده خاک وجود دارد که در آنها تنشهای ایجاد شده بیش از تنشهای مورد نیاز برای ایجاد روانگرایی باشند.
در استفاده از این تکنیک، روشهای مختلفی برای انجام تحلیل پاسخ زمین قابل استفاده هستند و ممکن است که تحلیلها در طی چند مرحله انجام شوند، تا با افزایش فشارهای منفذی، ویژگیهای تغییر شکل خاک به تناسب تغییر یابند. در بیشتر موارد اصلاح اخیر لازم نیست، زیرا تا آستانهی روانگرایی، ویژگیهای خاک تغییر زیادی نخواهد کرد.
آزمایش برش ساده سیکلی
در شکل شمارهی (1) رفتار ماسهی سستی با دانسیتهی نسبی Dr = 50% و فشار محصور کننده اولیه / با فرکانس یک دوره در ثانیه، مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
در مراحل ابتدایی اعمال تنشهای دورهای فشارهای منفذی در نمونه افزایش مییابد، اما تغییر شکل مهمی ایجاد نمیشود. بعد از چند دوره فشار منفذی تا حد تنش، محصور کنندهی قائم، افزایش مییابد و تنش مؤثر را صفر میکند، در همان زمان نمونه، شروع به تغییر شکلهای زیادی میکند. تعداد دورههای تنش لازم برای روانگرایی نمونه بستگی به بزرگی تنش برشی و فشارمؤثر اولیه قائم، برای تحکیم نمونه دارد، در این آزمایش معمولاً شرایط بحرانی هنگامی درنظر گرفته میشود که نسبت فشار منفذی به 100% و کرنش برشی دورهها به / برسد، اطلاعات فوق در شکل آمده است.
بعد از انجام آزمایش در تعداد دورههای معرف زلزله، تنش برشی به دست آمده از آن تعداد دوره را بر روی نمونه رسم کرده و سپس میتوان نسبت تنش برشی دورههای/ایجادکننده روانگرایی برای تعداد دورههای معرف زلزله را به راحتی به دست آورد./
در انجام این آزمایش نکاتی وجود دارد که باید به آن توجه کرد:
1ـ انتخاب نمونهای که بتواند معرف خاک مورد نظر باشد.
2ـ اجتناب از تمرکز تنش در نمونهها و نگهداری تنشها و کرنشهای یکنواخت در هنگام انجام آزمایش.
3ـ به دست آمدن نمونههای دست نخورده.
لازم به ذکر است که در بند 3 برای تحقق این امر باید از تکنیک گران قیمت انجماد خاک قبل از نمونهگیری استفاده شود.
وضعیت تنشهای اولیهی نمونه در دستگاه برش ساده در شکل دیده میشود و دایرهی موهر مربوطه در شکل نشان داده شده است.
توجه کنید که حداکثر تنش برشی درنمونه در برش ساده / نیست بلکه:
آزمایش فشار سه محوری سیکلی
این آزمایش به خوبی آزمایشهای برشی سادهی سیکلی شرایط محلی را شبیهسازی نمیکند.
برای شبیهسازی شرایط محلی قبل از زلزله، نمونهها ابتدا تحت فشار محصور کننده سه جانبه/قرار میگیرند و تحکیم میشوند و سپس تحت اثر تنش انحرافی و سیکلی (دورهای) / قرار میگیرند و با استفاده از دادههای آزمایش میتوان مقادیر نسبت تنش دورهای /ایجاد کننده روانگرایی را برای تعداد دورهی مورد نظر اعمال تنش، تعیین نمود.
حاصل از سه محوری
/
( ضریب تصحیح): Cr
(تنش همه جانبه): /
مقدار تقریبی Cr در زیر نشان داده شده است (ko فشار جانبی خاک):
Cr=0.57→ko=0.4
Ko=1→Cr=1-0.9
حالتهای مختلف در آزمایش سه محوری در اشکال قبل به صورت المانهایی در قسمت الف وب و ج توضیح داده شده است. اما در صورتیکه در نمونهها باریک شدگی
“Necking” ایجاد شود و یا در مراحل قراردادن نمونه در دستگاه شرایط غیریکنواختی به وجود آید، نتایج غیرقابل اعتماد خواهند بود.
/
اثرات دست خوردگی نمونه بر دادههای آزمایشهای دورهای
ویژگیهای بارگذاری دورهای ماسههای طبیعی از عوامل زیر تأثیر زیادی میپذیرند:
1ـ ساختار خاک و نحوهی آرایش دانهها
2ـ دانسیتهی نسبی خاک
3ـ سمانتاسیون موجود در محل تماس دانهها
مجموعهی این عوامل ظاهراً تغییر کمی را در مقاومت بارگذاری دورهای ماسه ایجاد میکند. اما در ماسههای متراکم اثرات دست خوردگی نمونه باعث حجم و اتساع “Dilation” ماسه و شکسته شدن سمانتاسیون موجود در محل تماس دانهها میشود و هر دوی این عوامل باعث کاهش در مقاومت بارگذاری دورهای میشود و در نتیجهی مقاومت در مقابل روانگرایی از مقدار واقعی کمتر محاسبه میشود و در حالتهای فوق دایرهی موهر (1) از حالتهای رسم شده، نشان دهندهی /ایجاد شده در خاک مورد مطالعه است.
کاربرد دادههای آزمایشهای بارگذاری سیکلی در ارزیابی قابلیت روانگرایی خاک
حال با ارائهی یک مثال از مطالعهی خسارتهای نیگاتای ژاپن کاربرد دادههای آزمایشهای دورهای بارگذاری در ارزیابی قابلیت روانگرایی نهشتههای خاکی روشنتر خواهد شد. در زلزلهی سال 1964 نیگاتای ژاپن در یکی از مناطق هیچگونه روانگرایی روی نداد و در منطقهای دیگر روانگرایی در مقیاس وسیعی روی داد. پروفیل خاک هر دو منطقه و تراز آب زیرزمینی هر دو منطقه شبیه هم بود. بزرگی زلزله حدود 5/7 ریشتر و چشمهی تخلیهی انرژی آن به فاصله 50 کیلومتری از شهر بوده است و حداکثر شتاب ثبت شده در منطقه «0.16g» میباشد و با توجه به وضعیت خاک نیگاتا عمق بحرانی روانگرایی حدود 6 متر میباشد. نتایج آزمایشهای دورهای سه محوری از دو محل در جدول شمارهی (2) با استفاده از دادههای ارائه شده، میتوان پتانسیل روانگرایی در دو منطقهی فوق را به شرح زیر ارزیابی نمود:
منطقه روانگونه شده: شتاب اوج زمین 0.16g است.
در عمق 6 متر
/
تنش دورهای ایجاد شده توسط زلزله:
/
/ (ایجاد شده توسط زلزله)
زلزله با بزرگی 5/7 ریشتر معمولاً حدود 15 دورهی تنش ایجاد میکند اما روانگرایی در این منطقه بعد از 3 دورهی مهم ایجاد شده است، نسبت تنش دورهای ایجاد کننده روانگرایی در سه دوره چنین است:
(مقاوم) /با مقایسهی / مقاوم و ایجاد شده توسط زلزله نتیجه میشود که در این منطقه روانگرایی در مراحل اولیه زلزله روی داده است.

فایل : 20 صفحه

فرمت : Word