معرفی پدیده روانگرایی (Soil liquefaction)
یکی از خسارات زلزله پدیده روانگرایی است. این پدیده زمانی رخ می دهد که خاک مقاومت خود را از دست می دهد و مانند یک سیال روان می شود. روانگرایی حاصل تمایل خاک ها به کاهش حجم، هنگام قرارگیری تحت تنش های برشی است. در خاک‌های سست اشباع تحت اثر برش، تمایل دانه ها به تغییر آرایش به حالتی متراکم‌تر و ایجاد کمترین فضای حفره ای منجر به بیرون راندن آب حفره ای می‌گردد. درنتیجه در شرایط زهکشی نشده، فشار آب به همراه افزایش تنش برشی تدریجاً افزایش می یابد. این پدیده انتقال تدریجی تنش از اسکلت خاک به آب حفره ای و درنتیجه، کاهش تنش مؤثر و مقاومت برشی خاک را در پی خواهد داشت. در صورت کاهش مقاومت برشی خاک به میزانی کمتر از تنش های برشی محرک استاتیکی، روانگرایی به همراه تغییر شکل های بزرگ روی می دهد. روانگرایی در خاک‌های دانه ای سست تحت بار یکنواخت و نیز سیکلیک برشی مشاهده شده است. روانگرایی فقط در خاک‌های اشباع و اغلب در نزدیکی رودخانه ها، خلیج ها و مناطقی که سطح آب زیرزمینی بالا باشد و اغلب در خاک‌های از جنس ماسه و ماسه‌ای سیلتی غیر متراکم و اشباع رخ می دهد. این پدیده در زلزله های نیگاتا و آلاسکا 1964، لوما پریتا 1989، کوبه 1995 و چی چی 1999 بیشترین نمود را داشته است.
از جمله خسارت های وارده روانگرایی می توان به نشست و انحراف (کج شدگی) سازه ها در نتیجه کاهش ظرفیت برابری پی ها، تغییر شکل سازه های خاکی در اثر کاهش پایداری شیب، نشست سازه های ساحلی ناشی از افزایش فشار محرک خاک و … اشاره کرد. برای مقابله با این پدیده دو راه حل را می توان به کار برد. راه حل اول مقابله با روانگرایی از طریق مقاوم سازی خاک و راه حل دوم اصلاح سازه و سازگار کردن آن با شرایط موجود است (سازه طوری طراحی شود که آثار ناشی از این پدیده بر روی آن حداقل باشد).
شکست در زمین
شکست در زمین فاجعه‌بارترین عواقب ناشی از روانگرایی است. این شکست معمولاً توده‌های بزرگ از خاک را به صورت جانبی ده‌ها متر جابجا می‌کند و در چند مورد، توده‌های بزرگی از خاک را ده‌ها کیلومتر به منت پایین شیب با سرعتی تا ده‌ها کیلومتر در ساعت جابجا می‌کند. این جریان ممکن است از خاک کاملاً روانگرا شده و یا توده‌های سالم بر روی لایه‌ای از خاک روانگرا شده تشکیل شده باشد. روانی در ماسه شل اشباع و یا لای در دامنه‌ای با شیب نسبتاً تند، معمولاً بیشتر از 3 درجه گسترش می‌یابد.
انواع روانگرایی
- روانگرایی جریانی (flow liquefaction)
- نرم شدگی چرخه ای (cyclic softening)
روانگرایی جریانی
هنگامی که جریان آب زهکشی نشده در خاک اشباع انقباضی وجود داشته باشد و تنش برشی استاتیکی از مقاومت پسماند خاک فراتر رود، روانگرایی جریانی اتفاق میافتد. گسیختگی ممکن است به وسیله بارگذاری برشی چرخه ای یا یکنواخت شروع شود.
نرم شدگی چرخه ای
برای توصیف تغییر شکل های بزرگ که در طول برش چرخه ای به علت فشار آب حفره ای ایجاد شده در خاک اتفاق می افتد، به کار می رود. نرم شدن چرخه ای که در آن تغییر شکل ها پس از توقف بارگذاری چرخه ای ادامه نمی یابد را می توان به دو دسته ، روانی مجدد یا تحرک چرخه ای (cyclic mobility) ، پخش جانبی (Lateral spreading) طبقه بندی کرد. روانی مجدد یا تحرک چرخه ای در اثر بارگذاری تکراری در خاک های رسوبی با تنش های برشی استاتیکی کمتر از مقاومت خاک روی می دهد. یکی از نتایج روانی مجدد پخش جانبی (Lateral spreading) خاک روی نواحی کم شیب و صاف کنار دریاها و رودخانه است. زلزله سال ۱۹۷۶ گواتمالا که سبب پخش جانبی خاک در سراسر کناره رودخانه مونتگوا شد،
از دست دادن مقاومت تکیه گاهی (باربری) :
وقتی خاک که تکیه گاه یک ساختمان یا سازه است روانگرا می‌شود و مقاومت خود را از دست می‌دهد، احتمال تغییر شکل بزرگ در داخل خاک وجود دارد که به موجب آن سازه یا کج و یا دچار نشست می‌شود (شکل 5). در مقابل، مخازن و شمع‌های در خاک دفن شده ممکن است از خاک روانگرا شده بیرون بیایند. به عنوان مثال، بسیاری از ساختمان‌ها در طول زلزله 1964 نیگاتا، ژاپن دچار نشست و کج شدگی شدند. بزرگ‌ترین شکست از این نوع در طول این رویداد در مجتمع آپارتمانی Kawangishicho رخ داد که در آن چندین ساختمان چهار طبقه تا 60 درجه کج شدند. ظاهراً، روانگرایی ابتدا در یک لایه ماسه چندین متر در زیر سطح زمین ایجاد شد و سپس به سمت بالا از طریق لایه‌های ماسه بالایی گسترش یافت. موج رو به افزایش روانگرایی، خاک زیر ساختمان‌ها را ضعیف کرد و موجب شد که سازه‌ها به آرامی نشست کنند و کج شوند.
آیا روانگرایی را می‌توان پیش بینی کرد؟
اگر چه شناسایی مناطقی که پتانسیل روانگرایی دارند امکان پذیر است اما وقوع آن مانند وقوع زلزله قابل پیش بینی نیست!
راه حل های مقابله با روانگرایی کدامند؟
- تقویت سازه‌ها برای مقاومت در برابر حرکات پیش بینی شده زمین (در صورت کوچک بودن).
- انتخاب نوع و عمق مناسب فونداسیون (از جمله اصلاحات فونداسیون در موارد ساختمان‌های موجود)، به طوری که حرکات زمین اثر نامطلوبی بر سازه نگذارد (به عنوان مثال، پی گسترده برای افزایش صلبیت فونداسیون؛ شمع و یا ستون عمیق که در زیر یک منطقه از خاک روانگرا گسترش یافته است).
- تثبیت خاک برای حذف پتانسیل روانگرایی یا برای کنترل اثرات آن (به عنوان مثال، حذف و جایگزینی خاک روانگرا؛ تثبیت سازی در محل توسط تزریق دوغاب، متراکم و یا آبگیری کردن؛ تقویت مناطق گسترش جانبی).
كم كردن خطر روانگرایی از طريق طراحي سازه اي
در طراحي هر سازه براي مقاومت در مقابل روان شدن ( خاك ) مي بايست تغيير شكل هاي خاك را كه در حين روان شدن آن رخ مي دهند در نظر گرفت. اين مطالب در طراحي پي ساختمان تاثير چشمگيري دارد. طراحي براي مقاومت در برابر روان شدن با استفاده از شمع ها يا صندوقه هايي صورت مي پذيرد. كه در زير لايه هاي خاكي كه به طور بالقوه امكان روان شدن دارند، قرار مي گيرند و به خاك
يا سنگي كه تكيه گاه محسوب مي شوند،متكي هستند.در چنين طرحهايي بايد نيروهاي احتمالي فروكش را كه از نشست خاك هاي فوقاني ناشي مي شوند در نظر گرفت . همچنين به سبب از بين رفتن بخش عمده توانايي در انتقال نيروهاي افقي به خاك هاي روان شده ، ممكن است به طرح خاصي براي نيروهاي جانبي يا برش پايه نياز باشد ؛ اين طرح ممكن است شامل استفاده از شمع هاي مايل يا طراحي صندوقه هايي بصورت ستون هاي بدون تكيه گاه كه در طول نواحي روان شده قرار مي گيرند ، باشد . اجزاي سيستم پي بايد كاملا خوب به همديگر متصل شوند تا در مقابل گسترش جانبي احتمالي خاك ها مقاومت كنند. دال هاي كف كه بر بستر زمين واقع اند مي توانند دستخوش نشست يا جابه جايي تفاضلي شوند و مي بايست از لحاظ سازه اي مهار شوند تا آثار ناشي از روان شدن (خاك) به مينيمم رسانده شود. براي سازه هاي با نيمرخ كوتاه و توزيع جرم بكنواخت ، استفاده از پي گسترده امكان پذير است. پي گسترده بايد قادر باشد نواحي موضعي نشست را به گونه اي به يكديگر مرتبط كند كه سازه بتواند كم و بيش همانند يك جسم صلب عمل كند. مي توان هرگونه تغيير شكل دائمي سازه را با تزريق دوغاب يا گل ، تا تراز مناسب ، تصحيح كرد.
مقابله با روانگرایی با انجام زهكشي
ممكن است سيستم هاي پايين آورنده سطح آب ، با برداشتن آب از لايه هايي كه مي توانند روان شوند، امكان بالقوة ايجاد روان شدگي را كاهش دهند . همچنين افزايش فشار سربار موثر به مقاومت خاك در مقابل روان شدگي خواهد افزود. اگر پايين آمدن كلي سطح آب يك منطقه عملي نباشد، فراهم آوردن برخي راههاي زهكشي مشكل را تخفيف خواهد داد. زهكشي از بين رفتن سريع فشار منفذي اضافي را در لايه هاي خاكي كه امكان بالقوة روان شدگي را دارند، امكان پذير مي كند. اگر فشارهاي منفذي بتواند سريعا برطرف شود، تنشهاي موثر به مقدار چشمگيري كاهش نخواهند يافت و خاك بخش عمده مقاومت برشي خود را حفظ خواهد كرد، و نمي گذارد روان شدگي رخ دهد. زهكش هاي شني قائم كه بصورت يك طرح شبكه اي نصب مي شوند نيز قادر به انجام اين كار هستند . در روش تعويض ارتعاشي از اين اصل استفاده مي شود زيرا ستون هاي سنگي ساخته شده از مصالح درشت دانه در مقايسه با خاك هاي اطراف بسيار تراوا هستند. شکل زیر نمای شماتیک ایجاد ستون سنگی را نمایش می دهد.
شرايطي كه روانگرايي محتمل نيست:
- خاكهاي چسبنده با بيش از % 50 مواد ريزدانه حاوي مقدار قابل توجهي رس
- خاكهاي متراكم
- خاكهاي مخلوط شن و ماسه و مواد ريزدانه چسبنده با درصد قابل توجه ريزدانه و دانه بندي خوب
- شرايطي كه عمق سطح آب زيرزميني از 3 متر براي زلزله هاي با شدت متوسط، 6 متر براي زلزله هاي با شدت زياد و 10 متر براي زلزل ههاي بسيار شديد تجاوز نمايد.
در چنين شرايطي روانگ رايي در سطح بروز نمي كند ولي ممكن است در اعماق زير سطح آب زيرزميني بوقوع بپيوند د . در اين حالت اگر از پي هاي عميق استفاده شود يا پي سطحي در عمق قابل توجهي از سطح زمين قرار داشته باشد ممكن است روانگرايي خساراتي را به سازه وارد سازد. در اين حالت:
- در مورد پي هاي سطحي عمق آب زيرزميني بايستي نسبت به كف پي سنجيده شود.
- در مورد پ ي هاي عميق با مقاومت انتهايي بايستي عمق آب زيرزميني نسبت به نوك شمع ها سنجيده شود
شرايطي كه روانگرايي محتمل است :
- خاك هاي ماسه هاي سست و نيمه متراكم
- خاك هاي مخلوط شن و ماسه، ماسه ش ندار سست تا نيمه متراكم
- خاك هاي ماسه لاي دار سست تا نيمه متراكم
- سطح آب زيرزميني در شرايط فوق كمتر از 3 تا 6 متر باشد
در صورتيكه خاك موردنظر و شرايط محيطي منطبق با يكي از شرايط فوق است بايستي مطالعات جدي و دقيق براي بررسي احتمال وقوع تمهيدات لازم توسط مهندس ژئوتكنيك متخصص انجام شود.
تمهيدات مختلف جهت ايمن سازي نقاط داراي استعداد روانگرايي :
- متراكم نمودن خاك توسط شمع كوبي، لرزاندن، انفجار، ويبروفلوتيشن و تراكم ديناميكي (Dynamic Compaction)
- احداث چاههاي شني زهكش
- ضخيم تر نمودن لايه غيرقابل روانگرايي در زير پي
- استفاده از پي هاي عميق
- استفاده از پي هاي گسترده
- خاكبرداري و خاكريزي مجدد بطريق مهندسي و متراكم شده با استفاده از خاك محل يا خاك غير قابل روانگرايي
- بهبود وضعيت خاك با استفاده از تزريق و مواد افزودني
- احداث ساختمان يكپارچه و سبك
جهت هر پروژه بايستي متخصص ژئوتكنيك لرزه اي به بررسي شرايط بپردازد و متناسب با شرايط موجود اقدام به ارائه راه حل نمايد.
برای اطلاع از نحوه وقوع روانگرایی و شناخت بهتر این پدیده ویدیو زیر را مشاهده نمایید.
نظر شما چیست؟ آیا روش بهتری برای جلوگیری از وقوع روانگرایی مد نظر دارید؟
دیدگاه‌های بازدیدکنندگان
مقاله و فیلم خوبی بود ممنون.
830 روز پیش ارسال پاسخ