ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)

برای درک این موضوع که پدیده ی روانگرایی چیست ابتدا باید درک صحیحی از محیط خاک پیدا کرد. خاک یک محیط متخلخل است که در حالت عادی از سه فاز جامد، مایع و گاز تشکیل شده است. فاز جامد شامل ذرات و دانه های خاک است. فاز مایع آبی است که در بین ذرات خاک و حفره های موجود در محیط قرار می گیرد و فاز گاز، هوای بین ذرات می باشد. هنگامی که خاک اشباع باشد تمام حفره های موجود در خاک از آب پر شده است. نیرو و تنشی که به خاک وارد می شود بین دو بخش ذرات جامد خاک و آب موجود در محیط تقسیم می شود. مجموع تنش وارد شده به فاز جامد و آب را تنش کل و تنش بین ذرات خاک را تنش موثر می نامند. اختلاف بین تنش کل و تنش موثر در خاک برابر با تنشی است که آب موجود در خاک آن را تحمل می کند که به آن فشار آب حفره ای گفته می شود. در نتیجه هر قدر فشار آب حفره ای افزایش یابد مقدار تنش موثر و تنش بین ذرات جامد خاک کمتر می شود.

روانگرایی خاک چیست ؟

روانگرایی خاک پدیده ای است که در آن، خاک مقاومت و سختی خود را به علت زلزله یا هر بار لرزه ای سریع از دست می دهد. روانگرایی و پدیده های مرتبط با آن مسئول بسیاری از فجایع و آسیب های وارده ناشی از زلزله در طول تاریخ هستند. روانگرایی در خاک اشباع اتفاق می افتد و تا قبل از اعمال بار لرزه ای، فشار آب حفره ای نسبتا کم است. معمولا زمین لرزه می تواند باعث افزایش فشار آب حفره ای شود تا میزانی که تنش موثر به صفر رسیده و ذرات خاک نسبت به یکدیگر حرکت می کنند. در این شرایط، خاک مانند یک سیال مایع رفتار می کند. هر چند این پدیده در زلزله متداول است، بارهای لرزه ای دیگر مانند بار انفجار نیز می تواند باعث ایجاد افزایش فشار آب حفره ای شود.

هنگامی که روانگرایی رخ می دهد مقاومت خاک کاهش می یابد در نتیجه توانایی خاک برای نگهداری پی ساختمان ها و پل ها کم شده که در نتیجه می تواند باعث خرابی سازه ها شود. همچنین روانگرایی باعث اعمال فشار بیشتری بر روی دیوار های حائل می شود که می تواند باعث چرخش یا جابجایی آن ها گردد. این اتفاق می تواند باعث نشست خاک و تخریب سازه های روی خاک شود. علاوه بر موارد ذکر شده، روانگرایی می تواند باعث زمین لغزش و خرابی سدها گردد که با توجه به ذخیره ی آب پشت سد، خسارت های سنگینی را در پی خواهد داشت.

عبارت روانگرایی شامل چندین پدیده می شود و چون این پدیده ها تاثیرات یکسانی دارند متمایز کردن آن ها از یکدیگر کار دشواری است. این پدیده ها به دو دسته ی روانگرایی جریانی و روانگرایی تناوبی (تحرک سیکلی) تقسیم می گردد.

دسته بندی عمومی  روانگرایی خاک - ایستا سازه
دسته بندی عمومی روانگرایی خاک

در سال ۱۹۳۶ کاساگرانده یک سری آزمایش سه محوری زهکشی شده بر روی نمونه های متراکم و شل در یک فشار همه جانبه ی یکسان انجام داد و متوجه شد در نهایت و در کرنش های بزرگ هر دو نمونه به یک وزن مخصوص می رسند. نسبت تخلخل معادل با این وزن مخصوص، نسبت تخلخل بحرانی نام گذاری شد. با انجام آزمایش تحت فشار همه جانبه، کاساگرانده دریافت که نسبت تخلخل بحرانی با تغییر فشار همه جانبه تغییر می کند. با رسم نمودار نسبت تخلخل – فشار همه جانبه یک خط نسبت تخلخل بحرانی ایجاد می شود. خاک هایی که در بالای خط نسبت تخلخل بحرانی هستند در آزمایش سه محوری زهکشی شده خاک های سست هستند که رفتار انقباضی دارند و خاک هایی که در زیر خط نسبت تخلخل بحرانی قرار می گیرند خاک های متراکم بوده که در آزمایش سه محوری زهکشی شده رفتار اتساعی دارند. در نتیجه خاک های سست که رفتار انقباضی از خود نشان می دهند در شرایط زهکشی نشده باعث افزایش فشار آب حفره ای شده و پتانسیل روانگرایی دارند.

روانگرایی جریانی (Flow Liquefaction)

روانگرایی جریانی پدیده ای است که در آن تعادل استاتیک توسط بارگذاری استاتیکی یا دینامیکی از بین می رود و بعد از آن مقاومت باقیمانده ی خاک کم خواهد بود. مقاومت خاک روانگرا شده را مقاومت باقیمانده گویند. به عنوان مثال ساخت سازه هایی بر روی شیب که باعث اعمال اضافه فشار به خاک زیر پی می شود بارگذاری استاتیک و زلزله، بار انفجار و کوبش شمع مثال هایی از بارگذاری دینامیکی می باشند که باعث روانگرایی جریانی می شوند. هنگامی که روانگرایی جریانی اتفاق می افتد مقدار مقاومت برشی خاک کاهش می یابد و از مقدار تنش برشی که از قبل به خاک اعمال می شده، کمتر می شود.

خرابی هایی که توسط روانگرایی جریانی ایجاد می شود با تغییر مکان های بزرگ و سریع شناسایی می شوند که باعث خرابی های عظیمی می شوند. زلزله های ۱۹۶۴ نیگاتا و آلاسکا زلزله هایی هستند که خسارات زیادی توسط روانگرایی جریانی در آن ها اتفاق افتاده است. در سال ۱۹۲۵ سد شفیلد به دلیل روانگرایی خراب شد.

تحرک سیکلی (Cyclic Mobility)

تحرک سیکلی پدیده ی روانگرایی است که توسط بار لرزه ای در خاکریزی که تنش برشی در آن کمتر از مقاومت برشی خاک است اتفاق می افتد. تغییر شکل ها در روانگرایی تناوبی به صورت نموی اتفاق می افتد. گسترش جانبی خاک یکی از اتفاقاتی است که در روانگرایی تناوبی متداول است و می تواند در زمین با شیب کم یا در زمین صافی که نزدیک به رودخانه یا دریاچه است اتفاق بیفتد.

بر روی زمین صاف ممکن است در نتیجه ی روانگرایی و فشار آب حفره ای زیاد، آب زیر زمینی به سطح زمین حرکت کند. این جریان آب می تواند هم در هنگام وقوع زلزله و هم پس از اتمام زلزله اتفاق افتد. اگر این جریان آب با سرعت زیادی حرکت کند می تواند همراه با خود ذرات ماسه را از میان شکاف های زمین به سطح زمین بیاورد که به این پدیده جوشش ماسه می گویند.

از آنجایی که روانگرایی تنها در خاک اشباع اتفاق می افتد، بیشتر موارد روانگرایی در محل هایی که سطح آب زیرزمینی بالایی دارد مانند رودخانه ها، دریاچه ها، خلیج ها و اقیانوس ها دیده می شود.

عموما اسکله و بندرها در مناطقی که مشکوک به وقوع روانگرایی هستند قرار دارند و بسیاری از آن ها در گذشته به علت روانگرایی ایجاد شده توسط زلزله، آسیب دیده اند. اکثر بندرها دارای دیوارها و سازه های نگهبان هستند که هنگام روانگرایی، فشاری که به دیوار وارد می شود افزایش یافته و می تواند باعث جابجایی یا چرخش آن ها شود.

آسیب دیوار حائل در ژاپن، ۱۹۹۵ - روانگرایی در خاک
آسیب دیوار حائل در ژاپن، ۱۹۹۵ – روانگرایی در خاک در زلزله

جابجایی جانبی دیوار اسکله ژاپن، ۱۹۹۵ - روانگرایی در خاک
جابجایی جانبی دیوار اسکله ژاپن، ۱۹۹۵ – روانگرایی در خاک

پایین رفتن سطح راه به عمق ۱.۲ تا ۲ متر به دلیل گسترش جانبی خاک
پایین رفتن سطح راه به عمق ۱.۲ تا ۲ متر به دلیل گسترش جانبی خاک

همچنین روانگرایی در خاک باعث آسیب به پل هایی که بر روی رودخانه ها قرار گرفته اند، شده است. در سال ۱۹۶۴ در زلزله ی نیگاتای ژاپن پل شوا (Showa) خراب شد. علت خرابی پل، گسترش جانبی کناره های رودخانه بود که با حرکت به سمت بستر رودخانه و ایجاد فشار جانبی به شمع هایی که نقش ستون را برای پل ایفا می کردند باعث خمش شمع شد. بعد از تغییر مکان یکی از شمع ها از آن جایی که صفحه های روی پل به هم متصل بودند، تمام پل تخریب شد.

خرابی پل شوا به دلیل گسترش جانبی - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه
خرابی پل شوا به دلیل گسترش جانبی

در برخورد با خاک های روانگرا سه رویکرد برای کاهش خطر روانگرایی برای سازه ها وجود دارد:

سه رویکرد متفاوت جهت کاهش خطر روانگرایی
سه رویکرد متفاوت جهت کاهش خطر روانگرایی
  • دوری از ساخت و ساز بر روی خاک با پتانسیل روانگرایی

اولین روش برای جلوگیری از خسارات روانگرایی جلوگیری از ساخت بر روی خاک با پتانسیل روانگرایی است. ضوابط گوناگونی برای مشخص کردن احتمال روانگرایی وجود دارد. با بررسی خاک و بر اساس ضوابط، امکان تشخیص پتانسیل روانگرایی برای محل مورد نظر وجود دارد.

  • ساخت سازه های مقاوم در برابر روانگرایی

در صورتی که به دلایلی ضرورت به انجام پروژه بر روی خاک با پتانسیل روانگرایی وجود داشته باشد این امکان وجود دارد تا با طراحی اعضایی در زیر شالوده (فونداسیون) مانند شمع، ریزشمع (میکروپایل)، ستون شنی و … سازه را در برابر روانگرایی ایمن کرد.

سومین روش برای از بین بردن خطر روانگرایی بهبود مشخصات خاک مانند افزایش مقاومت، متراکم کردن و بهبود شرایط زهکشی است. مانند: تزریق پر فشار (جت گروتینگ)، اختلاط عمیق خاک (DSM)، تراکم دینامیکی، پیش بارگذاری و خاک مسلح (ژئوسینتتیک)

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

sciencedirect , Soil Liquefaction

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سایر مقاله ها

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در حین اجرا)

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در [...]


بیشتر بخوانید

کنترل نیروی بلند کننده پی (آپلیفت) با استفاده از تحلیل دینامیکی (Dynamic Analysis of Uplift)

کنترل نیروی بلند کننده پی (بلند شدگی یا آپلیفت) با [...]


بیشتر بخوانید

نیروی بالا برنده یا آپلیفت چیست؟ (?What is Uplift)

Uplift به معنای بلند شدگی یا برکنِش می باشد. عامل های [...]


بیشتر بخوانید

واتر استاپ یا آب‌ بند چیست؟ (?What is WaterStop )

واتر استاپ یا آب بند چیست؟ (?What is WaterStop) آب [...]


بیشتر بخوانید