Remedial Measures Against Soil Liquefaction

تقریباً 30 سال از زلزله نیگاتا در سال 1964 می گذرد. ساختمان هایی که در اثر این زمین لرزه کج شده بودند، هنوز به عنوان نمادی از آسیب های ناشی از پدیده روانگرایی خاک در حافظه ما باقی مانده است. حتی در میان کسانی که خارج از جامعه مهندسی هستند، کاملاً شناخته شده است که پدیده هایی نظیر جوشش ماسه همراه با خروج آب از زمین، گسیختگی خاک و به دنبال آن جابجایی زیاد، ناشی از روانگرا شدن خاک است. اگرچه واژه های متعددی برای این پدیده به کار رفته است، اما واژه روانگرایی اکنون به عنوان واژه ای شناخته شده حتی در رسانه ها استفاده می شود. پس از وقوع زلزله نیگاتا، روانگرایی به عنوان یک عامل مهم برای آسیب‌های لرزه ای شناخته شده و به یک نگرانی مهندسی تبدیل شده است.

ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک ها در اکثر کتابچه های راهنمای طراحی یا آیین نامه های سازه های مهندسی در ژاپن گنجانده شده است. با این حال، به نظر می رسد که همچنان نیاز برای بررسی اقدامات اصلاحی برای کاهش آسیب ناشی از روانگرایی وجود داشته باشد. به همین دلیل عمده مطالب کتاب اقدامات پیشگیرانه برای مقابله با روانگرایی در این زمینه می باشد.

منظور از پدیده روانگرایی چیست؟

در فرهنگ لغت مکانیک خاک و مهندسی پی، روانگرایی به حالتی از خاک اطلاق می شود که در آن خاک ماسه ای اشباع شده مقاومت برشی خود را از دست می دهد و تنش های موثر در نتیجه افزایش فشار آب منفذی کاهش می یابد. از عمده علت های افزایش فشار آب منفذی شامل نوسانات سطح آب زیرزمینی و عملکرد موج زلزله علاوه بر اعمال مکرر تنش های برشی بر روی خاک ماسه ای اشباع در هنگام زلزله می باشد.

پدیده روانگرایی معمولاً در خاک های ماسه ای اشباع رخ می دهد چرا که در اثر اعمال تنش های برشی ناشی از امواج، خاک دانه ای سست تمایل دارد تا از خود تغییر شکل نشان دهد اما چون ماهیت بارگذاری زلزله سریع می باشد، شرایط زهکشی نشده برای خاک ایجاد می شود. با توجه به تراکم ناپذیر بودن آب در این شرایط، فشار آب حفره ای افزایش یافته و به تبع تنش موثر تا جایی کاهش می یابد تا خاک به طور کامل مقاومت برشی خود را از دست می دهد. روانگرایی خاک ها منجر به نشست قابل توجه خاک می شود.

مقداری که فشار آب منفذی از فشار هیدرواستاتیکی بالاتر می رود، فشار آب منفذی اضافی نامیده می شود و نسبت فشار آب منفذی اضافی به فشار اولیه روباره مؤثر، نسبت فشار آب منفذی اضافی نامیده می شود. نسبت فشار آب منفذی اضافی در هنگام زلزله معمولاً ابتدا در عمق کم ماسه شروع به افزایش می کند و بالعکس از اعماق بیشتر شروع به مستهلک شدن می کند. بیان این نکته نیز حائز اهمیت است که اضافه فشار منفذی حداکثر تا مقدار تنش موثر در عمق مورد نظر در خاک افزایش می یابد.

از آنجایی که تنش موثر خاک با عمق افزایش می یابد، مدت زمان لازم برای افزایش فشار آب حفره ای نیز در اعماق بیشتر افزایش می یابد. در نتیجه می توان گفت که لایه های عمیق تر دیرتر از لایه های سطحی خاک، روانگرا می شود. با گذشت زمان فشار آب منفذی مستهلک شده و به تبع فشار آب حفره ای اضافی کاهش می بابد. این فرآیند با خروج آب و تحکیم دانه های خاک انجام شده و خاک مجدداً کمی نشست می کند.

به طور کلی پیامد های روانگرایی را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:

• جوشش آب و ماسه: وجود گرادیان هیدرولیکی بین عمق های مختلف خاک سبب حرکت آب سمت بالا شده و به تبع مخلوط آب و ماسه به سمت بالا فوران می کند.
• نشست زمین: از تبعات روانگرایی خاک ها از بین رفتن مقاومت برشی خاک ها و نشست خاک ها می باشد.
• گسترش جانبی خاک ها: با توجه به کاهش قابل توجه تنش موثر، خاک مثل یک سیال روان شده و به صورت جانبی تغییر شکل می دهد.
• نوسان زمین: در جایی که لایه های غیر روانگرا در کنار و زیر لایه های روانگرا وجود دارد، لایه های روانگرا شده تکان می خورند و شبیه به سیال در یک ظرف حرکت می کنند. هنگامی که خاک به دلیل کاهش تنش مؤثر در اثر روانگرایی نرم تر می شود، ویژگی های پاسخ دینامیکی خاک ممکن است منجر به نوسان زمین با دامنه جابجایی زیاد با دوره طولانی شود.
• گسیختگی شیب های متشکل از خاک های روانگرا
• کاهش ظرفیت باربری پی ها
• گسیختگی دیوار های حائل و دیوارهای ساحلی در شرایطی که خاک پشت دیوار روانگرا شود.
• بالا آمدن سازه های مدفون در خاک: سازه های زیرزمینی با وزن مخصوص ظاهری کمتر از وزن مخصوص اشباع شده زمین مجاور، تمایل دارند تا در سطح شناور شوند.

تعیین ساز و کار آسیب، در انتخاب روش های موثر در مقابله با روانگرایی مهم است چرا که اگر پدیده روانگرایی به درستی درک شود و اقدامات متقابل مناسب انجام شود، نیازی به ترس نیست. روش‌های تعیین ساز و کار مرتبط با فشار آب منفذی اضافی در هنگام زلزله و پتانسیل روانگرایی خاک ها به تفصیل در فصل های بعدی مورد بحث قرار گرفته اند. اقدامات اصلاحی در برابر روانگرایی به معنای برآورد پتانسیل روانگرایی و کاهش یا جلوگیری از آسیب با ارزیابی منطقی اثرات آن است. روش های ارزیابی پتانسیل روانگرایی در فصل سوم کتاب اقدامات پیشگیرانه برای مقابله با روانگرایی توضیح داده شده است.

روش‌های معمول برای جلوگیری از آسیب را می‌توان تقریباً به دو دسته تقسیم نمود: یکی اصلاح خاک به گونه‌ای که روانگرایی رخ ندهد و دیگری ارائه اقدامات اصلاحی برای سازه‌ها است که حتی در صورت وقوع روان‌گرایی از آسیب قابل توجه جلوگیری شود. اولی در فصل دهم و دومی با مثال هایی در بخشی از فصل چهارم کتاب اقدامات پیشگیرانه برای مقابله با روانگرایی توضیح داده شده است.

در بین روش های اصلاحی خاک، روش تراکم بیشترین کاربرد را برای جلوگیری از وقوع روانگرایی داشته است. با این حال، استفاده از این روش اغلب به دلیل صدای زیاد یا ارتعاش ایجاد شده در طول ساخت و ساز محدود می شود و سبب استفاده از روش های جایگزین که در حال توسعه نیز هستند می گردد. از دیگر روش های بهسازی رایج برای خاک های روانگرا می توان به روش های زهکشی، اختلاط عمیق و جت گروتینگ که زیر مجموعه روش های بهسازی خاک هستند اشاره نمود. ویژگی های همه این اقدامات و راهکارهای موجود جهت انتخاب روش مناسب در فصل چهارم شرح داده شده است و روش های طراحی و نمونه های ساخت در فصل های پنجم تا دهم کتاب معرفی شده است. بین روش های مختلف تفاوت های ظریفی نیز وجود دارد. اما انتظار می رود تا با گذشت زمان و شناخت بیشتر، متناسب با شرایط خاک، هماهنگی میان روش ها بیشتر شود.

در مجموع یکی از نکات مهم این است که پیش از انتخاب هر روشی باید سطح هدف گذاری شده برای اقدامات پیشگیرانه تعیین شود. منظور از این امر این است که شرایط طراحی نظیر بزرگی نیروهای خارجی مفروض، میزان تغییر شکل های پیش بینی شده در اثر حرکات زمین لرزه مفروض و به شکلی کلی تر خط مشی طراحی برای حفاظت از سازه در برابر نیرو ها مشخص شود. ضریب اطمینان لازم نیز در جهت پوشش اتفاقات پیش بینی نشده نیز باید همواره توسط تیم طراحی مورد توجه قرار گرفته و لحاظ شود. این کتاب علاوه بر توضیحات لازم در مورد انواع روش های موجود برای مقابله با روانگرایی نکات خوبی را در زمینه طراحی این روش ها بیان نموده است که می تواند به مقدار قابل توجهی برای خواننده جذاب باشد.