دانلود مقاله پدیده روانگرایی خاک

از سال 1960 میلادی مهندسین نقش خاک را در رفتار سازه¬ها هنگام زلزله بیشتر مورد توجه قرار داده¬اند. تا به حال چندین حادثه¬ی فاجعه بار از قبیل زلزله¬¬های سال 1964 آلاسکا، سال 1967 کاراکاس و ونزوئلا، سال 1976 گواتمالا و غیره، خسارت¬های زیادی ناشی از خاصیت روانگرایی خاک به ابنیه¬ی مسکونی، سدها، پل¬ها و غیره بجا گذاشته است. به همین دلیل از آن سال¬ها به بعد مطالعات و پژوهش¬های زیادی در این زمینه انجام شده، که به بررسی و جمع¬آوری 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 خاک در بسیاری از زلزله های سالیان گذشته مشاهده شده است. به عنوان نمونه می توان به زلزله های آلاسکا () ، نیگاتا () ، لوماپرییتا () و کوبه () 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 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 محل¬هایی که خاک از دانه¬های سست تشکیل شده است، تمایل به فشرده شدن می¬تواند به ایجاد فشارهای آب منفذی یا اضافی در خاک منتهی شود و اندازه¬ی این فشارهای اضافی می¬تواند به قدری زیاد باشد که موجب روانگرایی خاک و در نتیجه¬ی ایجاد نشست و چرخش در ساختمان¬ها شود. مانند: روانگرایی توده¬های خاک¬های ماسه¬ای سست اشباع، در زلزله¬ی 1964 نیگاتای ژاپن.
یکی از عمده¬ترین عوامل خسارت به سازه¬ها در هنگام زلزله ایجاد روان¬گرایی در توده¬های خاک¬های ماسه¬ای است که به شکل¬های زیر مشاهده می¬شود:
حالت اول جوشش خاک و تشکیل منافذ خروج گل در سطح زمین به وسیله¬ی¬¬ تراوش آب از داخل ترک¬های زمین.
حالت دوم در پاره¬ای موارد با ایجاد شرایطی شبیه به ماسه¬ی فرز (Quick sand) در مساحت¬های وسیع.
در حالت دوم ممکن است ساختمان¬ها به میزان زیادی در زمین فرو رفته یا کج شوند.
علت اساسی روانگرایی ماسه¬ها ازسال¬ها پیش به صورت کیفی درک شده بود چنانچه ماسه¬ی اشباع، تحت تأثیر ارتعاشات زمین قرار گیرد، میل به متراکم شدن و کاهش حجم می¬نماید.
در صورت عدم امکان زهکشی، تمایل به کاهش حجم منجر به افزایش فشار منفذی می¬شود و اگر این افزایش به حدی برسد که فشار منفذی مساوی فشار سر بار شود، تنش مؤثر صفر شده و ماسه همه¬ی مقاومت خود را از دست می¬دهد و به حالت روان در می¬آید.
در حال حاضر علت اساسی روانگرایی خاک¬های غیرچسبنده اشباع در هنگام زلزله ایجاد فشار هیدرواستاتیکی ناشی از اعمال تنش¬های برشی دوره¬ای مربوط به حرکت-های زمین در نظر گرفته می¬شود.
با آگاهی از ویژگی¬های تنش کرنش، ویژگی¬های تغییر حجم ماسه تحت شرایط کرنش دوره¬ای و ویژگی¬های واگشت ماسه در اثر تقلیل تنش، می¬توان مکانیسم را به طور کمی بیان نمود، به نحوی که افزایش فشارهای منفذی در اثر هرگونه تاریخچه¬ی اعمال تنش¬ها را بتوان محاسبه نمود. با نزدیک شدن فشار آب منفذی به مقداری معادل فشار محصور کننده اعمال شده ماسه شروع به تغییر شکل می¬کند. چنانچه ماسه شل باشد، فشار منفذی فوراً به مقداری معادل فشار محصور کننده خواهد رسید و ماسه سریعاً شروع به تغییر شکل¬های زیادی می¬کند به نحوی که کرنش¬های برشی می¬توانند از 20 درصد نیز بیشتر شوند. در صورتی¬که ماسه بدون انسجام و مقاومت، تغییر شکل¬های عملاً نامحدودی بیابد،آنگاه گفته می¬شود که روانگونه شده است. بنابراین در هر قسمت از نهشته که شرایط فوق و تغییر شکل¬های ارتعاشی زلزله فراهم بشود،ممکن است،روانگرایی روی دهد. قسمت روانگونه شده می¬تواند 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 ماسه¬های سیلتی و سیلت¬ها که بیشتر مسایل روانگرایی در آن¬ها مطرح است، اثرات امحاء فشارهای منفذی در هنگام زلزله اهمیت ندارند.
بنابراین ارزیابی روانگرایی یا تحرک دوره¬ای خاک معمولاً بر مبنای این فرض انجام می¬شود که کلیه¬ی لایه-های ماسه¬ای در هنگام تکان¬های زلزله زهکشی نشده هستند، در صورتی¬که تحت شرایط زهکشی نشده بتوان نشان داد که همه¬ی لایه¬های نیم رخ خاک، حاشیه¬ی ایمنی کافی در برابر ایجاد روانگرایی یا تحرک دوره¬ای دارند، آنگاه هیچگونه فشار منفذی اضافی ایجاد نخواهد شد، درنظر گرفتن امحاء فشارهای منفذی اضافی غیرضروری می¬شود از استدلال اخیر در تدوین روش¬های ارزیابی روانگرایی نهشته¬های خاکی استفاده می¬شود.

• عوامل ویژه¬ای که در ارزیابی روانگرایی باید در نظر گرفته شوند
پتانسیل روانگرایی هر توده¬ی خاکی با ترکیبی از ویژگی¬های خاک، عوامل محیطی و ویژگی¬های زلزله¬ی محتمل، کنترل می¬شود از جمله¬ی عوامل ویژه¬ای که در ارزیابی روانگرایی باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از:
الف ویژگی¬های خاک:
1 ویژگی¬های دانه¬بندی و دانه¬ها
2 مدول برش دینامیکی
3 دانسیته نسبی
4 ویژگی¬های میرایی
5 وزن مخصوص
6 ساختار خاک
ب عوامل محیطی:
1 نحوه¬ی تشکیل خاک
2 تاریخچه¬ی زلزله
3 تاریخچه¬ی زمین¬شناسی
4 ضریب فشار جانبی خاک
5 عمق تراز آب
6 فشار محصور کننده¬ی مؤثر