|
|
روانگرایی خاک (Liquefaction))
پدیده‌ای است که در آن خاک اشباع در اثر تنش شدیدی که به آن وارد می‌شود،
مقاومت و سختی خود را به طور کامل ازدست میدهد و مانند یک مایع رفتار می‌کند.
این تنش وارده میتواند در اثر تکان‌های ناشی از زمین‌لرزه یا دگرگونی‌های
ناگهانی در شرایط تنش خاک باشد
|
|
|
|
روانگرایی خاک (Liquefaction)
پدیده‌ای است که در آن خاک اشباع در اثر تنش
شدیدی که به آن وارد می‌شود، مقاومت و
سختی خود
را به طور کامل ازدست میدهد و مانند یک مایع رفتار می‌کند. این تنش وارده میتواند
در اثر تکان‌های ناشی از زمین‌لرزه یا
دگرگونی‌های ناگهانی در شرایط تنش خاک باشد.
عبارت روانگرایی در مکانیک خاک برای
اولین بار توسط هازن در مسئلهٔ
شکست سد کالاوراس در کالیفرنیا مطرح
شد. وی دلیل روانی دیوارهٔ
خاکی سد را چنین توضیح داد:
اگر فشار آب حفره‌ای میان دانه‌های خاک آن‌قدر
زیاد باشد تا بتواند بار وارده را تحمل کند، ممکن است باعث شود تا دانه‌های خاک
بوسیلهٔ آب از
یکدیگر جدا شوند و گویی وضعیت خاک موجود به شرایط ماسهٔ روان تبدیل
شده باشد، به این معنی که با جابجایی بخشی از ماده درون آن تجمع فشار بوجود آید
و با جابجایی یک ذره دیگری نیز پس از آن جابجا شود و کم کم مانند یک مایع روان
شود
این پدیده بیشتر در خاکهای اشباع، شُل (با چگالی
کم یا غیر متراکم) و ماسه‌ای دیده شده‌است. این مطلب به این دلیل است که ماسه‌های
شُل در اثر بار وارده تمایل به متراکم شدن دارند اما ماسه‌های متراکم در مقابل
تمایل به افزایش حجم دارند. اگر خاک از آب اشباع باشد، مانند خاکی که پایین تر
از سطح آب زیرزمینی یا سطح دریا است، آنگاه آب فضای میان دانه‌های جامد را پر می‌کند
(فضای حفره‌ای (حال اگر فشاری به خاک وارد شود، این فشار به آب موجود در این
فضاهای خالی وارد می‌گردد درمقابل آب تلاش می‌کند تا از
فضای حفره‌ای خاک تحت فشار خارج شود و به جایی با
فشار کمتر سرازیر گردد (معمولا آب به سمت سطح زمین یا به سمت بالا حرکت می‌کند).
با این حال اگر فشار سریع واردشود و به اندازهٔ کافی بزرگ باشد یا به تعداد زیاد
تکرار شود (مانند آنچه که در زمین‌لرزه اتفاق میافتد یا فشاری که در اثر طوفان
وارد می‌شود) به گونه‌ای که آب فرصت آن را پیدا نکند تا دور بعدی (چرخهٔ بعدی)
که دوباره بار وارد می‌شود از میان دانه‌های خاک به بیرون جاری شود، آنگاه فشاری
در آب بوجود می‌آید که از تنشی که باعث کنار هم و در تماس نگه داشتن دانه‌های جامد
خاک می‌شود بسیار فراتر
میرود. تماس میان دانه‌های خاک تنها راهی است که
بوسیلهٔ آن وزن
ساختمان و لایه‌های زیر آن به لایه‌های خاک در عمق پایین تر یا سنگ بستر منتقل می‌شود.
حال وقتی خاک این چنین ساختارش را از دست میدهد و تماس میان دانه‌های جامد از بین
میرود، دیگر هیچ مقاومتی از خود نشان نمی‌دهد (توانایی خود در انتقال تنش برشی
را ازدست میدهد) و مانند یک سیال جاری می‌شود.
با وجود آنکه مفهوم روان گرایی خاک پیش‌تر برای
مهندسان شناخته شده بود اما پس از زمین‌لرزه‌های 1964 نیگاتا و 1964 آلاسکا مورد
توجه مهندسان قرار گرفت. همچنین روانگرایی عامل اصلی
ویرانی‌های سان فرانسیسکو در زمین لرزه 1989 اوماپریئیتا و بندر کوبه در زمین‌لرزهٔ بزرگ
هانشین در سال ۱۹۹۵ بود. همچنین ویرانی‌های شدیدی که در منطقهٔ مسکونی
و حومه‌ای کرایست چرچ در زلاندنو در طول زمین‌لرزه ۲۰۱۰ کنتربری و
شدیدتر آن در زمین‌لرزه ۲۰۱۱ زلاندنو اتفاق افتاد همگی ناشی از روانگرایی خاک
بود.
در بسیاری از کشورهای پیشرفته آیین‌نامهٔ ساخت
و ساز مهندسان را مجبور می‌کند که اثرات روانگرایی خاک را در طراحی ساختمانها، پلها،
سدها و سازه‌های نگهدارنده در نظر بگیرند.
تعریف فنی
نوعی از روانگرایی خاک، زمانی روی میدهد که تنش
موثر خاک تا مرز صفر کاهش یافته باشد، که درنتیجهٔ آن مقاومت برشی خاک به طور کامل
ازدست میرود. چنین وضعیتی میتواند از یک بارگذاری یکنواخت مانند یک تک تغییر ناگهانی
درتنش بالاسری (مانند افزایش بار ناگهانی در یک سد خاکی) و یا یک بار دوره‌ای
(چرخه‌ای) مانند تکرار تغییر شرایط تنش برای نمونه می‌توان از بار موج (ساحلی) و
یا بار ناشی از لرزش‌های زمین لرزه نام برد. در هر دوی این حالت‌ها، در اثر
تغییر بار، مقدار زیادی فشار آب حفره‌ای در یک خاک اشباع سُست، ایجاد شده‌است
و پس از آن خاک مانند یک سیال روان شده‌است. این
پدیده به این دلیل است که در اثر بار بزرگ وارد شده به خاک، مقدار زیادی فشار آب
حفره‌ای در خاک ایجاد می‌شود، فشاری که در اثر بارگذاری زهکشی نشده، از دانه‌های
جامد خاک به آب موجود در حفره‌های خاک منتقل شده‌است، با افزایش فشار آب حفره‌ای
تنش موثر کاهش می‌یابد و درنتیجه مقاومت خاک کاهش می‌یابد و خاک روان می‌شود. روانگرایی
بیشتر در خاکهای ماسه‌ای، لای غیر خمیری (غیر پلاستیک) و بسیار کم در شن و رُس
رخ میدهد.
همانگونه که در شکل مشاهده می کنید 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 خاک در بسیاری از زلزله های
سالیان گذشته مشاهده شده است. به عنوان نمونه می توان به زلزله های آلاسکا (Alaska,USA,1964)، نیگاتا (Niigata,Japan,1964) ،
لوماپرییتا (Loma Prieta,USA,1989) و
کوبه
(Kobe,Japan,1995) اشاره کرد.
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 عمده این در مناطق
نزدیک آب شامل لغزش عمده خاک بسمت ساحل و فرونشست آن همانند دریاچه مرسید 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 شود. 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 روانگرای 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.
گسترش جانبی
گسترش جانبی حرکت لایه های خاک سطحی در حهتی به
موازات سطح زمین است و وقتی اتفاق میافتد که به سبب روان شدگی استحکام برشی لایه
زیرین سطح از بین برود. معمولا گسترش جانبی بر روی شیب
بسیار آرام با اندازه کمتر از 0.5 % رخ میدهد. اگر در زیر یک سازه گسترش تفاضلی
وجود داشته باشد، آنگاه تنشهای کششی کافی برای تخریب کامل سازه ، در آن وجود
خواهد آمد. مشاهده شده است که ساختماه های انعطاف پذیر بهتر از ساختمانهای
شکننده در برابر جابه جایی گسترش یابنده مقاومت می کنند.
پدیده های مشابه روانگرایی خاک
همانطوری که اشاره شد اصطلاح روانگرایی خاک
معمولا برای معرفی تعدادی از پدیده های مشابه نیز بکار میرود. زیرا این پدیده ها
اثراتی مشابه دارند و همین مسئله تشخیص آنها را از هم مشکل کرده است .این پدیده
های مرتبط عموما به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:
جریان روانگرایی(flow liquefaction)
پدیده ای است که در آن تعادل استاتیکی خاکهای
رسوبی با مقاومت پسماند در اثر بارهای استاتیکی یا دینامیکی بهم می خورد. مقاومت
پسماند مقاومت خاک روان شده است.برای مثال بار استاتیکی می تواند در اثر ساختمان
جدیدی که روی شیب ساخته شده است سبب واردآمدن نیروی اضافی به خاک زیر پی گردد.
زلزله ها ، انفجارات و شمع کوبی مثالهای از بارهای دینامیکی هستند که می توانند
موجب جریان روانگرایی شوند. همچنین یکبار که پدیده روانگرایی در خاک روی داد خاک
مستعد وقوع جریان روانگرایی است بطوریکه خاک مقاومت کافی را برای تحمل تنشهای
استاتیکی همانند پیش از ناآرامی ندارد.
مشابه آنچه در شکل بالا دیده می شود یک اسکی باز
پایداری استاتیکی خود را با هل دادن خود به سمت جلو در نقطه شروع بدست می آورد.
بعد از یک ناآرامی اندک در ابتدا نیروی استاتیکی پیش برنده در اثر نیروی وزن
(مؤلفه در امتداد افق نیروی ثقلی) بیشتر از نیروی اصطکاکی بین اسکی باز و برف می
گردد و موجب شتاب یافتن اسکی باز به سمت پایین شیب می شود. بطور مشابه وضعیت
ناپایدار ایجاد شده در اثر توزیع نیروی استاتیکی یا دینامیکی سبب شتاب یافتن و
حرکت خاک می گردد. حرکت سریع و عظیم توده خاک از ویژگیهای این
پدیده است. به عنوان نمونه می توان به تخریب
مجموعه ساختمانی کاواگوشی که در جریان زلزله ۱۹۶۴ نیگاتای ژاپن اشاره کرد.
روانی مجدد
(cyclic mobility)
این پدیده در اثر بارگذاری تکراری در خاکهای
رسوبی با تنشهای برشی استاتیکی کمتر از مقاومت خاک روی می دهد. تغییر
شکلهای ناشی از روانی دوره ای بطور افزایشی بدلیل تنشهای استاتیکی و دینامیکی در
هنگام زلزله گسترش می یابد.
یکی از نتایج روانی دوره ای پخش جانبی (Lateral spreading) خاک
روی نواحی کم شیب و صاف کنار دریاها و رودخانه است.زلزله سال ۱۹۷۶ گواتمالا سبب
پخش جانبی خاک در سراسر کناره رودخانه مونتگوا شد. در زمین های صاف بدلیل فشار
آب منفذی بالا ایجاد شده در اثر پدیده روانگرایی سبب جریان سریع آب در سطح زمین
می گردد.این جریان هم در جریان زلزله و هم بعد از آن اتفاق می افتد.اگر جریان آب
منفذی به اندازه کافی و به سرعت بالا بیاید سبب حرکت ذرات ماسه به سمت ترکها و
روی دادن پدیده جوشش ماسه می گردد.این پدیده بیشتر در مناطقی که تحت تاثیر پدیده
روانگرای قرارگرفته اند روی می دهد.
برخورد با مسئله روان شدگی
اگر روان شدگی به عنوان یک خطر شناسایی شود ،
راههایی وجود دارد که میبایست آنها را به کار بست، برای اجرای جدید راههای موجود
عبارتند از:
:: طراحی برای مقابله با روان شدگی از طریق اصلاح
وضعیت خاک منطقه یا تقویت سازه.
:: رها کردن یا انتقال (مکان) پروژه
:: قبول خطر با پیش بردن پروژه بدون طراحی برای
مقابله با روان شدگی.
واضح است که اقتصاد تا حدود زیادی بر راه چاره
تاثیر میگذارد. دومین راخ به این بستگی دارد که آیا منطقه دیگری بدم مسئله روان
شدگی وجود دارد یا نه. سوین را چاره ممکن است سبب ایجاد مسئولین نا خواسته و
مشکلات مربوط به غیر قابل بیمه کردن شود، یا حتی ارزش آتی دارایی و عملی بودن
پروژه را به مخاطره اندازد. دومین و سومین راه چاره مستلزم بحث زیادی است ولی در
مورد نظر ما و این پروژه نیستند و توجه خود را به طراحی برای مقابله با روان
شدگی معطوف می کنیم.
کم کردن خطر روان شدگی از طریق اصلاح خاک (نتیجه
گیری)
روشهای متعددی اصلاح منطقه وجود دارد که میتوانند
قابلیت روان شدگی خاکهای زیر یک ناحیه را کاهش دهند. این روشها درزیر خلاصه شده
اند. در این برهه تنها عنوان روش ها را نام میبریم که میتواند در نوع خود تحت
عنوان نتیجه گیری ازین مبحث نیز قرار گیرد.
:: خاکبرداری و عوض کردن خاکهای مستعد روان شدگی
الف. خاکبرداری و تراکم مهندسی خاک موجود.
ب. خاکبرداری و تراکم مهندسی خاکهایی که با مواد
افزودنی اصلاح شده اند.
ج. برداشتن خاکهای موجود و جایگزین کردن آن با
خاکهای روان نشو که بطور مناسب متراکم شده اند.
:: متراکم سازی خاکهای درجا
الف. شمعهای تراکمی
ب. میل گمانه های ارتعاشی
ج. شناوری ارتعاشی
د. دوغاب ریزی تراکمی
ه. تراکم دینامیکی یا متراکم سازی اثر ضربه.
:: بهبود خاکهای درجا با تغییر آنها
الف. مخلوط کردن خاکهای درجا با مواد افزودنی
ب. برداشتن خاکهای درجا با آب افشانی و جایگزین
کردن آنها با خاکهای روان نشو.
:: دوغاب ریزی یا تثبیت شیمیایی
مراجع:
روانگرایی
خاک در ویکی پدیا
آی پلاس
|
