Liquefaction Around Marine Structures, Advanced Series on Ocean Engineering

در علم مهندسی ژئوتکنیک، روانگرایی به حالتی از خاک اطلاق می‌شود که در آن تنش مؤثر بین دانه های خاک از بین می رود بنابراین خاک به مانند یک سیال رفتار می‌کند. در این شرایط، مقاومت برشی خاک از بین رفته و عواقبی نظیر گسیختگی پی ها، موج شکن‌ها، دیواره‌های دریایی، سازه‌ های شمع، سازه‌ های ثقلی، برم‌های سنگی و نشست های قابل توجه و گسترش جانبی خاک و بالا آمدن تجهیزات مدفون در خاک مانند خطوط لوله را به دنبال خواهد داشت. این موضوع چه در محیط های دریایی و چه در خشکی می تواند دردسر ساز و خطرناک باشد. این کتاب به بررسی روانگرایی در اطراف سازه های دریایی می پردازد.

اگرچه تاکنون تحقیقات قابل توجهی وجود داشته و به تبع دانش قابل قبولی در مورد فرآیندهای جریان و آبشستگی در اطراف سازه های دریایی جمع‌آوری شده است، تا همین اواخر اطلاعات چندانی در مورد تأثیر روانگرایی ناشی از امواج بر روی سازه های دریایی وجود ندارد. در واقع، این موضوع کم پوشش داده شده است. از طرفی این موضوع در طراحی سازه های دریایی به ویژه پی ها می تواند نقش تاثیرگذاری را ایفا کند.

اتحادیه اروپا (EU) از یک برنامه تحقیقاتی سه ساله (2004-2001) به نام روانگرایی در اطراف سازه های دریایی (LIMAS) حمایت کرد این برنامه در ادامه برنامه یک برنامه تحقیقاتی دیگر اتحادیه اروپا (1997-2000) در زمینه آبشستگی در اطراف سازه های ساحلی (SCARCOST) انجام شد. روان‌گرایی در اطراف سازه های ساحلی یکی از دو حوزه مورد توجه در این برنامه تحقیقاتی بوده است. نتایج اصلی LIMAS در دو جلد ویژه در مجله مهندسی آبراه، بندر، ساحل و اقیانوس توسط انجمن مهندسین عمران آمریکا (ASCE) منتشر شد (به سرمقاله های سومر، 2006 و 2007 مراجعه کنید). آنها از SCARCOST در مقاله ای در مهندسی ساحلی توسط Sumer و همکاران (2001) خلاصه شدند. این موضوع همچنان مورد توجه بسیاری قرار گرفته است که منجر به تعداد قابل توجهی از انتشارات اخیر در مجلات و مجموعه مقالات کنفرانس شده است.

کتاب روانگرایی در اطراف سازه های دریایی حاضر در نظر دارد تا:

 (1) دانش روز را بر اساس کار فوق جمع آوری کند.

(2) تولید محتوا کند.

(3) علاقه ‌مندی بیشتری در این حوزه محبوب حاضر ایجاد کند.

هدف اصلی این کتاب توصیف ساز و کارهای روانگرایی ناشی از امواج و پیامدهای آن برای سازه های دریایی است. درک شفاف هیدرودینامیکی/ ژئودینامیکی، ارزیابی پتانسیل روانگرایی، پیش بینی های مهندسی و ارائه توصیه هایی برای جلوگیری از خطرات احتمالی را برای مهندس مشاور نسبتاً آسان تر می کند. این کتاب اساساً برای متخصصان و محققان در زمینه مهندسی عمران سواحل، اقیانوس ها و دریا و به عنوان یک کتاب درسی برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی در نظر گرفته شده است.

روانگرایی خاک ناشی از زلزله در حدود 30 سال گذشته به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. این کتاب به مجموعه ای از ادبیات، از جمله کتاب های سید و ادریس (1982)، کرامر (1996، فصل 9)، و اخیراً، جفریز و بین (2006) و ادریس و بولانجر (2008) به اوج خود رسید. کاربرد روانگرایی خاک ناشی از زلزله در سازه های بندری در کتابی تحت عنوان “دستورالعمل های طراحی لرزه ای برای سازه های بندری” که توسط PIANC (انجمن جهانی زیرساخت های حمل و نقل آبی) در سال 2001 منتشر شده است، پوشش داده شده است.

تفاوت کتاب حاضر با ادبیات فوق به این معناست که بر روانگرایی ناشی از امواج تمرکز دارد، اگرچه یک فصل (فصل 10) صرفاً به موضوع روانگرایی ناشی از زلزله و پیامدهای آن برای سازه های دریایی اختصاص دارد. نویسنده بر این باور است که کتاب حاضر و مجموعه ادبیات موجود در مورد روانگرایی ناشی از لرزه با اشاره ویژه به سازه های دریایی منبع اطلاعات تکمیلی در مورد روانگرایی در اطراف سازه های دریایی است.

مقدمه بر مفهوم پدیده روانگرایی در خاک ها

همانطور که در بخش مقدمه توضیح داده شد، در اثر روانگرایی، در خاک های دانه ای اشباع، فشار آب حفره ای یک افزایش چشمگیر را تجربه می کند. این افزایش به حدی است که طی آن مقدار فشار آب حفره ای با تنش اولیه خاک برابر شده و تنش موثر در خاک در آن عمق مشخص برابر صفر می شود. در این حالت گفته می شود که پدیده روانگرایی کامل برای خاک رخ داده است.

خاک های دریایی که می‌توانند تحت تأثیر امواج روانگرا شوند، اساساً به خاک های ریز مانند سیلت یا ماسه ریز، یا در خاک های مرکب، به ماسه سیلتی یا ماسه رسی محدود می شوند، همانطور که بعداً در کتاب با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

در این کتاب چندین نمونه از مطالعات موردی در موضوع روانگرایی در ارتباط با وقوع روانگرایی در سازه های دریایی گزارش شده است. کریستین، تیلور، ین و ارالی (1974) و هربیچ، شیلر، دانلپ و واتانابه (1984) حوادثی را گزارش کردند که در آن بخش هایی از خطوط لوله در طول طوفان به سطح خاک شناور شدند.

شناور شدن، تنها یکی از پیامدهای احتمالی روانگرا شدن بستر دریا است. شکل 1 حالات مختلفی که ممکن است برای خط لوله اتفاق بیافتد را نشان می دهد (دامگارد، سومر، ته، پالمر، فورای و اوساریو، 2006).

مورد (a) خط لوله ای را نشان می دهد که سبک تر از خاک روانگرا اطراف است. در این حالت خط لوله به سمت سطح بستر شناور می شود و در معرض امواج و نیرو های جریان و همچنین در معرض ضربه های ناشی از سقوط اجسام، برخورد ترال و غیره قرار می گیرد.

حالت (b) که خط لوله سنگین تر از مایع اطراف است را نشان می دهد. این حالت خیلی معمول نیست. به طور معمول وزن لوله تا حد امکان کاهش می یابد تا در هزینه های ساخت و نصب و راه اندازی صرفه جویی شود، اما شرایطی وجود دارد که عوامل دیگری باعث ایجاد خط لوله سنگین می شوند. در این حالت روانگرایی بستر دریا باعث غرق شدن لوله می شود. خطوط لوله ممکن است، به دلایل مختلف، توسط یک پوشش سنگی محافظت شوند (سومر و فردسه (2002)). در این صورت روان شدن بستر دریا می تواند منجر به غرق شدن پوشش سنگ شود (مورد (c)).

مورد چهارم (مورد (d)) شامل یک خط لوله نشست کرده است که به گونه ای طراحی شده است که روی سطح بستر ثابت بماند، با این فرض که خود بستر دریا ثابت می ماند. اگر قبل از از بین رفتن پایداری خط لوله، بستر روانگرا شود، خط لوله احتمالاً تا حدی در بستر دریا مدفون می شود، اما در معرض اثر جریان و امواج قرار می گیرد. این امر باعث جابجایی افقی و عمودی بزرگ خط لوله می شود.

دانلپ، برایانت، ویلیامز و سهیدا (1979) فشارهای منفذی ناشی از طوفان را در رسوبات نرم و رسی در دلتای می سی سی پی توصیف می کنند که در آن غرق شدن چندین ابزار اندازه گیری تا 6 تا 14 فوت مشاهده شد.

روانگرایی ناشی از امواج در اطراف سازه های دریایی

خاک های دریایی به طور مداوم در معرض برخورد امواج هستند. پدیده روانگرایی اساساً با امواج بزرگ همراه است. این امواج ممکن است دوره ‌ای 5 تا 15 ثانیه، با دوره بازگشت 50 یا 100 ساله و ارتفاع موج 1 تا 2 متری و یا بزرگتر در مناطق ساحلی و 10 تا 20 متری در نواحی دور از ساحل داشته باشند.

روانگرایی ناشی از امواج عمدتاً توسط دو سازوکار مختلف در امواج ایجاد می شود این دو عبارتند از:

1. با افزایش فشار منفذی (روانگرایی پسماند)

2. توسط یک گرادیان فشار عمودی به سمت بالا در خاک در طول عبور یک فرورفتگی موج (روانگرایی لحظه ای).

اکنون هر سازوکار به صورت جداگانه در نظر گرفته می شود.

روانگرایی پسماند

این سازوکار را می توان با ارجاع به یک موج پیشرونده بر روی بستر افقی دریا توصیف کرد (شکل 2). همانطور که در شکل b نشان داده شده است، بستر دریا، در مورد یک موج پیشرونده، تحت یک تغییر فشار دوره ای قرار می گیرد. به دلیل افزایش فشار بستر در زیر تاج موج و اثر معکوس در زیر تاج موج، خاک در زیر تاج موج فشرده می‌شود و در این بخش منبسط می شود. بنابراین، رابط آب و خاک تقریباً 180 درجه خارج از فاز با ارتفاع سطح آب شکل c خواهد بود. این امر منجر به ایجاد تنش های برشی در خاک می شود، همانگونه که در این شکل نشان داده شده است. با ادامه موج، این تنش های برشی به صورت دوره ای تغییر می‌کنند. (تنش های معمولی نیز در خاک ایجاد می‌شود. اما فعلاً برای سهولت این تنش های اخیر را کنار می‌گذاریم.) حال اگر دانه ها در ابتدا به صورت شل بسته شده باشند، تنش های برشی دوره ای که قبلاً ذکر شد و مرتبط با آنها همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، تغییر شکل های برشی در خاک به تدریج دانه های خاک را به هزینه حجم منافذ خاک دوباره مرتب می کند. اثر دوم باعث افزایش فشار آب در منافذ می شود و احتمالاً در مورد خاک زهکشی نشده (به عنوان مثال در مورد گل و لای) منجر به افزایش فشار آب منفذی می شود. با ادامه عمل موج، فشار آب منفذی به تجمع خود ادامه خواهد داد.

در طی این تجمع تدریجی، فشار آب منفذی ممکن است به حدی برسد که از مقدار فشار روباره تجاوز کند. در این وضعیت اخیر، دانه های خاک بدون بند و کاملاً آزاد می‌شوند و خاک مانند یک مایع عمل می‌کند. این فرآیند روانگرایی باقیمانده نامیده می شود.

روانگرایی لحظه ای

سازوکار دوم که باعث روانگرایی خاک می شود به جزء فازی امواج مربوط می شود. این نوع روانگرایی در هنگام عبور از فرورفتگی موج رخ می دهد. تحت فشار موج، فشار منفذی (بیش از فشار هیدرواستاتیک) دارای علامت منفی است (شکل 2b). بنابراین توزیع فشار در طول عمق خاک همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل a توزیع فشار را در مورد یک خاک کاملا اشباع توضیح می دهد، در حالی که شکل b آن را در مورد یک خاک غیر اشباع توضیح می دهد. در مورد دوم، خاک حاوی مقداری هوا است و بنابراین فشار منفذی با سرعت بسیار سریع با عمق، همانطور که در شکل نشان داده شده است، مستهلک می شود.

اکنون، در مورد خاک کاملاً اشباع شده، گرادیان فشار بسیار زیاد نیست (شکل a). با این حال، در مورد خاک غیر اشباع (شکل b)، گرادیان فشار می تواند بسیار زیاد باشد، به ویژه در مقادیر کوچک z، به این معنی که مقدار قابل توجهی بالابر می تواند در لایه بالایی خاک ایجاد شود. عبور از فرورفتگی موج اگر این بالابر از وزن غوطه ور خاک بیشتر شود، مقاومت خاک از بین می رود و در نتیجه خاک روانگرا می شود. این نوع روانگرایی را روانگرایی لحظه ای می نامند. (روانگرایی در اینجا در طی یک دوره زمانی کوتاه در طی عبور از فرورفتگی موج رخ می دهد؛ برای بقیه دوره موج، خاک در جریان بدون روانگرایی خواهد بود. باید توجه داشت که اصطلاح روانگرایی لحظه ای، به طور گسترده در ادبیات، نشان می‌دهد که روان‌گرایی فقط «عمر کوتاهی» دارد.)