Soil Liquefaction – A Critical State Approach

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 می شود که خاک به حالت مایع در آمده و به اصطلاح روانگرایی کامل در خاک رخ داده است. در کتاب روانگرایی خاک ها به روش حالت حدی نهایی به طور کامل به این موضوع پرداخته شده است.

برای ارزیابی وقوع روانگرایی در خاک ها نسبت اضافه فشار آب حفره ای به صورت زیر تعریف می شود.

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).

جوشش ماسه، از دست رفتن ظرفیت باربری و آسیب به پی ها و ساختمان ها، نشست های قابل توجه، بالا آمدن اشیای مدفون در خاک و گسترش جانبی از جمله پیامدهای این پدیده است.  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 روانگرایی خاک پدیده ‌ای است که در آن خاک برای مدت کوتاهی مقدار زیادی از استحکام یا سختی خود را از دست می‌دهد، اما با این وجود این مدت هر چند کوتاه به اندازه کافی طولانی است تا بسیاری از خسارت های جانی و مالی را به دنبال داشته باشد چرا که گسیختگی بسیاری از سازه های عمرانی که به نوعی متکی به خاک هستند در اثر وقوع پدیده روانگرایی در هنگام زلزله اتفاق می افتد. به عنوان مثال، زلزله نیگاتا (ژاپن) در سال 1964 بیش از یک میلیارد دلار خسارت را در پی داشت و بیشتر این خسارت ناشی از روانگرایی خاک بود. آسیب زلزله منطقه آبرفان The Aberfan (ولز) در اثر روانگرایی ایجاد شد و 144 نفر (که 116 نفر از آنها کودک بودند) در اثر آبگرفتگی یک مدرسه جان خود را از دست دادند. روانگرایی در رها شدن جزیره مصنوعی Nerlerk (کانادا) پس از صرف بیش از 100 میلیون دلار برای ساخت آن، نقش داشت. همچنین روانگرایی در سد لوور سان فرناندو (کالیفرنیا) نیاز به تخلیه فوری 80.000 نفر از ساکنان پایین دست آن  را به دنبال داشته است. بنابراین جای تعجب ندارد که ادبیات فنی گسترده ای در مورد روانگرایی وجود دارد. جدا از مجموعه ای از کمک های مستمر به مجلات معمول در طول 30 سال گذشته، انتشاراتی توسط بخش های دانشگاهی متخصص در این موضوع، کنفرانس های تخصصی، جلسات موضوعی در کنفرانس های ژئومکانیک، مقالات پیشرفته، دو سخنرانی رانکین، آزمایش روانگرایی کانادایی (Canlex)، کتابی توسط شورای ملی تحقیقات (ایالات متحده آمریکا) و مسابقات تحقیقاتی با حمایت بنیاد ملی علوم برای آزمایش نظریه ها و روش های مدل سازی (به ویژه VELACS).

حال سوالی که مطرح می شود این است که پس این کتاب در کجا قرار می گیرد؟ نسخه اول 10 سال پیش با دیدگاه متعادلی نسبت به روانگرایی از ادبیات فنی مطرح شده فاصله داشت، نسخه اول این نظر را داشت که روانگرایی صرفاً جنبه خاصی در طیف وسیع تری از رفتار خاک است. به طور قابل توجهی، این یک جنبه قابل محاسبه با جزئیات رفتار تنش-کرنش که به راحتی در یک سطح گسترده، با استفاده از خواص معمول خاک محاسبه می‌شود. لزوما، پرداختن به روانگرایی به عنوان یک رفتار قابل محاسبه نیازمند مکانیک خاک حالت بحرانی و یک نسخه تعمیم یافته CSSM است، که آن قدرها هم که ممکن است به نظر برسد دشوار نیست. چاپ اول کتاب روانگرایی خاک ها به روش حالت حدی نهایی به خوبی مورد استقبال قرار گرفت و به سرعت نقل قول های گسترده ای را به دست آورد. این نسخه به سه طریق گسترش یافته و بسیاری از مفاهیم آن بر روی نسخه اول استوار است.

اولین پیشرفت، رفتار چرخه ای (سیکلی) خاک ها در حین روانگرایی است. در حال حاضر داده‌ های بیشتری چه در زمینه آزمایشگاهی و چه در زمینه عددی در دسترس است. علاوه بر این مطالعات موردی از محل هایی که دچار روانگرایی شده اند نیز بسیار در نگارش این موارد کمک کننده بوده است.

پیشرفت دوم از نوع پیشرفت های محاسباتی است. در حالی که نسخه اول بر اساس مدل سازی های رفتاری خاک ها به کمک آزمون های آزمایشگاهی در سطح کوچک مقیاس بود، این ویرایش از کتاب توجه ویژه ای به تحلیل اجزای محدود در کنار آزمون های آزمایشگاهی داشته و یک فصل جدید (فصل 8) و یک پیوست (پیوست D) را به آن اختصاص داده است. طبق نظر جمعی از اساتید و نویسنده کتاب تا زمانی که شما چیزی برای محاسبه نداشته باشید در اصل چیزی ندارید. مجموعه محاسبات بیان شده در فصول مختلف کتاب روانگرایی خاک ها به روش حالت حدی نهایی به نحوی است که در مجامع مختلف علمی و دیگر کاربردهای مهندسی ژئوتکنیکی مرتبط قابل استفاده باشد. پس توصیه نویسنده این است که دانشجویان ژئوتکنیک و دیگر علاقه مندان که مایلند آستین های خود را بالا بزنند و یاد بگیرند، به بخش های محاسباتی و نحوه چگونگی تعیین آنها توجه ویژه ای داشته باشند زیرا در بسیاری از موارد ممکن است داده ها و نتایج به دست آمده از نرم افزارهای اجزای محدود برای اعمال قضاوت مهندسی کافی نباشد. پس بهتر است مهندسین ژئوتکنیک یک دید جامع نسبت به چگونگی رخ داد پدیده روانگرایی داشته باشند.

بیان این نکته ضروری است که در موضوعات بیان شده در کتاب نرم افزارهای اجزای محدود همچنان نیاز مبرمی بر انجام مطالعات آزمایشگاهی و عددی بیشتر برای شناخت بهتر پدیده روانگرایی حس می شود. چرا که هنوز در بسیاری از پروژه ها عدم تطابق نتایج مطالعات عددی و آزمایشگاهیی با آن چه در واقعیت رخ می دهد مشاهده شده است. البته برخی دلایل منطقی برای توجیه این موضوع نظیر عدم تطابق نحوه انتقال آب منفذی محلی و تغییرات تصادفی در نسبت فضای خالی موجود نیز وجود دارد که می تواند برخی از موارد را توضیح دهد. برای پوشش دادن این موضوع باید ذرات آب، خاک و حفرات به صورت نقطه ای مدلسازی شوند که تقریباً غیر ممکن است.

سومین پیشرفت این ویرایش، کاربرد مطالب بیان شده در زمینه روانگرایی در عمل است. پس از انتشار نسخه اول، نویسنده تعدادی سخنرانی بر اساس آن ارائه نموده است و با توجه به بازخوردهای دریافتی به نظر رسید که در حالی که ویرایش اول «متن بسیار خوبی در مورد مدل‌سازی ساختاری» بود (نقل از یک کنفرانس بین‌المللی)، دقت محاسباتی ریاضی آن کمتر برای مهندسان مشاور مفید بوده است. بنابراین ترجیح نویسنده بر اضافه کردن یک فصل جدید (فصل 9) برای کمک به روی کار آمدن روش حالت بحرانی در عمل مهندسی بوده است.

البته، افزوده ‌های دیگری در این نسخه نسبت به نسخه پیشین وجود دارد نظیر جدول بندی آزمایش ‌های آزمایشگاهی بیشتر روی سیلت، کالیبراسیون محفظه CPT و یک ضمیمه جدید (پیوست H) وجود دارد تا مخاطب را متقاعد کند که ما به یک رشته ۱۲۵ ساله برای درک رفتار خاک را ادامه دهد و تنها به مدلسازی های مطرح شده مانند مدل Cam Clay  بسنده نکند.

از آنجایی که هدف کتاب روانگرایی خاک ها به روش حالت حدی نهایی کمک به دانشجویان و نه ترساندن آنها با توجه به پیچیدگی بیش از حد پدیده روانگرایی است، نسخه اول فایل های مورد استفاده برای ایجاد طرح ‌های مختلف برای استفاده در اینترنت قرار داده شده است. علاوه براین مخاطبین برای کسب اطلاعات بیشتر می توانند به هر یک از مراجع بیان شده در سرتاسر کتاب مراجعه کنند تا اطلاعات خود در موضوعات مختلف را افزایش دهند.