Design of Pile Foundations in Liquefiable Soils

طراحی شمع ها در خاک های روانگرا

توده های ماسه ای اشباع با تراکم نسبی کم، تمایل به نشان دادن تغییر حجم انقباضی از خود دارند. اما با توجه به سریع بودن ماهیت زلزله، این کاهش حجم صورت نمی گیرد و متعاقباً فشار آب منفذی بین حفرات خاک افزایش می یابد. هنگامی که فشار منافذ اضافی ایجاد شده برابر با تنش مؤثر اولیه باشد، تنش مؤثر بین دانه ای ناچیز خواهد بود و به اصطلاح گفته می‌شود که خاک به حالت مایع در آمده و به اصطلاح روانگرایی کامل در خاک رخ داده است. برای ارزیابی بهتر وقوع روانگرایی در خاک ها نسبت اضافه فشار آب حفره ای به صورت زیر تعریف می شود.

در رابطه بالا  Δu  معرف مقدار فشار آب حفره ای اضافی و بیانگر تنش موثر اولیه در خاک در عمق مورد نظر است. هنگامی که ماسه های سست به طور کامل روانگرا می شوند (r_u = 1)، در حجم ثابت، تغییر شکل های بزرگ در خاک رخ می دهد. (Ishihara, 1993). اگر قرار است سازه‌ای بر روی خاک با قابلیت روانگرایی بالا بنا شود، یکی از راه های موجود برای مقابله با روانگرایی این است که از شمع‌ها استفاده شود، زیرا ممکن است این شمع‌ها به گونه‌ای طراحی شوند که در خاک روانگرا امتداد یافته و در لایه‌های زیرین با شرایط مناسب‌تر امتداد یابند. به این ترتیب، وزن سازه توسط شمع ها تحمل شده و از نشست های قابل توجه جلوگیری می کند.

کتاب طراحی شمع ها در خاک های روانگرا یک ارزیابی سیستماتیک از اثرات روانگرایی بر روی شمع ها را ارائه می دهد و شامل مشاهدات زلزله، یافته های تحقیقاتی و اصول و روش های طراحی از منابع مختلف، در سراسر جهان است. این کتاب چارچوبی منطقی برای درک اصول طراحی گروه شمع و تک شمع، خود پدیده روانگرایی و اثرات بارگذاری زلزله و روانگرایی زلزله بر بارهای محوری و جانبی منتقل شده به شمع ارائه می کند. علاوه بر این، این کتاب سعی دارد چارچوبی برای درک اثرات روانگرایی نظیر کاهش ظرفیت باربری پی در برابر بارهای قائم و بارهای جانبی در خاک های ماسه ای اشباع که در معرض بارگذاری سیکلی قرار دارند را فراهم کند. با ترکیب بارگذاری زلزله در خاک های روان‌گرا با فرآیندهای کاهش ظرفیت باربری، این کتاب یک فرآیند منطقی برای کمی‌سازی بارها و مقدارکاهش ظرفیت در فرآیند طراحی را برای مخاطب فراهم می نماید.

پاسخ شمع ها به زلزله و روانگرایی بسیار پیچیده است. این پیچیدگی در رفتار خاک از نظر افزایش فشار آب حفره ای و کاهش مقاومت و سختی خاک، رفتار جرمی پیچیده زمین از نظر بارگذاری سینماتیکی، عملکرد پیچیده روسازه از نظر بارهای ثقلی منتقل شده به شمع ها قابل مشاهده است. افزون بر این موضوع، اندرکنش خاک و سازه نیز از مواردی است که می تواند بر افزایش پیچیدگی شناخت اثرات روانگرایی بر روی شمع ها تاثیرگذار باشد. در کتاب طراحی شمع ها در خاک های روانگرا نویسنده در تلاش است تا راهنمایی ارزشمندی برای دانشجویان، محققین و طراحان در زمینه پدیده روانگرایی در شمع ها ارائه کند.

در بخش هایی از کتاب سعی شده است تا اهمیت آزمایش سانتریفیوژ برای شناسایی و تعیین مکانیسم های گسیختگی کلیدی مرتبط با اندرکنش پیچیده خاک و سازه نشان داده شود. استفاده ترکیبی از مشاهدات میدانی دقیق، آزمایش‌های سانتریفیوژ و مکانیک بنیادی برای توسعه روش‌های تحلیلی و فرآیند طراحی ساختار یافته در این کتاب به خوبی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

شمع ها دسته ای از پی های عمیق هستند که به طور گسترده هم در خشکی و هم در دریا برای انتقال بارهای روسازه به داخل زمین و اعماق پایین تر استفاده می شوند. در مناطق لرزه خیز، عدم قطعیت در مورد عملکرد آن ها وجود دارد، به ویژه زمانی که لایه های خاکی که شمع ها از آن عبور می کنند یا روی آن قرار می گیرند، مستعد روانگرایی باشند هدف این کتاب روشن کردن فرآیندهای گسیختگی شمع در خاک های مستعد روانگرایی است. علاوه بر این، حرکت رو به پایین لایه غیر روانگرا در شرایطی که این لایه بر روی یک لایه روانگرا واقع شده است، از دیگر موضوعاتی است که این کتاب به خوبی آن را پوشش داده است و تاثیر این حرکت بر روی شمع ها نیز به خوبی مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از عوامل کلیدی که باید به خاطر داشت این است که شمع ها  اغلب بارهای محوری قابل توجهی را از روسازه در زمان زلزله حمل می کنند. بنابراین، در نظر گرفتن رفتار شمع در خاک های روانگرا زمانی که تحت بارهای محوری و جانبی قرار می گیرند، ضروری است. چرا که عدم بررسی مناسب این موضوع می تواند پیامدهای قابل توجهی نظیر گسیختگی و ناپایداری شمع ها و نیز نشست های قابل توجه را با خود به همراه داشته باشد.

کتاب طراحی شمع ها در خاک های روانگرا در شش فصل تنظیم شده است. هدف آن تطبیق جدیدترین یافته های تحقیقاتی در مورد رفتار شمع با نیازهای طرح های عملی در مناطق لرزه خیز است. بر این اساس این کتاب برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی و محققین علاقه مند به طراحی شمع و همچنین دست اندرکاران ژئوتکنیک که با مشکل طراحی یا ارزیابی خطر لرزه ای پی های شمعی موجود در مناطق دارای خاک با استعدا روانگرایی بالا مواجه هستند، در نظر گرفته شده است

فصل 1 طراحی استاتیکی شمع ها را با استفاده از روش های سنتی یا مبتنی بر آزمایش CPT معرفی می کند. این فصل به عملکرد شمع ها در زمین لرزه های گذشته از طریق برخی مطالعات موردی به شکلی کامل و مستند نگاه می کند. مفاهیم طراحی عملکرد و اهمیت تخمین تغییر شکل شمع ها از دیگر موضوعات برجسته این فصل می باشد.

فصل 2 به بارهای ثقلی و سینماتیکی می پردازد که توسط شمع ها در هنگام بارگذاری زلزله جذب می شوند. این بارها ابتدا برای زمین های معمولی و سپس در خاک های روانگرا در نظر گرفته شده است. روش‌های مبتنی بر تعادل حدی برای تخمین بارگذاری به دلیل پخش شدگی جانبی لایه خاک غیر روانگرا معرفی شده است.

فصل 3 روانگرایی را به عنوان یک خطر بالقوه برای پی ها، معرفی می کند و در مورد چگونگی تأثیر آن بر روی از دست رفتن مقاومت برشی خاک ها و نیز بار محوری که می تواند به طور ایمن توسط پی شمع ها حمل شود، بحث می کند. حالات گسیختگی (مودهای گسیختگی) محوری احتمالی از جمله از دست رفتن ظرفیت باربری ناشی از روانگرایی و ناپایداری (کمانش) در رابطه با ملاحظات استاتیکی که در فصل 1 بیان شده است مورد بحث قرار می گیرند.

فصل 4 در مورد گسترش جانبی زمین شیبدار و مشکلات خاصی که هنگام حضور شمع ها از چنین زمین هایی که گسترش جانبی در آن ها رخ داده است، بحث می کند. تجربیات تحقیقاتی اخیر در این زمینه ارائه شده و با مقررات کدال مقایسه شده است.

فصل 5 از کتاب طراحی شمع ها در خاک های روانگرا مطالب فصل های 2 تا 4 را در بررسی طراحی پی شمع ها در برابر ترکیبی از بارهای لرزه ای گذرا (فصل 2)، بار محوری (فصل 3) و نیروهای سینماتیکی ناشی از گسترش جانبی (فصل 4) را گرد هم می آورد.

فصل 6 مجموعه ای از نمونه های طراحی را ارائه می کند تا نشان دهد که چگونه روش های ذکر شده در فصل های 1 تا 5 ممکن است در یک روش طراحی فراگیر با یکدیگر ترکیب شوند.

در مجموع کتاب طراحی شمع ها در خاک های روانگرا یک چارچوب مناسب در شناخت مفاهیم موجود برای روش تحلیلی و طراحی پدیده‌های واقعاً پیچیده و گاه آزار دهنده مرتبط با پاسخ شمع به بارگذاری زلزله و پدیده روانگرایی را فراهم می‌کند. برای کسانی که علاقه مند به روانگرایی، مفاهیم اندرکنش خاک – سازه در روانگرایی، طراحی شمع و آزمایش سانتریفیوژ هستند، این کتاب افزودنی ارزشمند و پرکاربرد به کتابخانه فنی آن ها خواهد بود.