Soil Liquefaction During Earthquakes

اثرات روانگرایی خاک ها در هنگام زلزله

یکی از چشمگیرترین علل آسیب به سازه ها در هنگام زلزله، وقوع روانگرایی در رسوبات ماسه ای اشباع است. ماسه سست تحت بارگذاری چرخه ای (سیکلی) ناشی از لرزش زلزله منقبض می شود که می تواند تنش عمودی را از ماسه به آب منفذی منتقل کند. اگر خاک اشباع شده باشد و تا حد زیادی قادر به زهکشی در طول لرزش نباشد، نتیجه آن کاهش تنش محصور کننده موثر در خاک و از دست دادن مقاومت و سختی مرتبط با خاک می شود که به سبب آن تغییر شکل های قابل توجهی در خاک رخ داده و به نوعی خاک مثل یک مایع روان می شود.

آثار رایج روانگرایی، تشکیل جوشش شن و ماسه و یا حتی گل از اعماق خاک به سطح زمین، نشت آب از طریق شکاف ‌های موجود در زمین، از دست رفتن ظرفیت باربری خاک ها، بالا آمدن اجسام مدفون در خاک، نشست های غیر یکنواخت و گسترش جانبی است.

آسیب ناشی از روانگرایی به ندرت به دلیل پدیده جوشش ماسه است، بلکه عمده آسیب وارده به دلیل از دست دادن استحکام و مقاومت برشی در خاک هایی است که روانگرا شده اند و تغییر شکل های مرتبط با زمین که در پی آن ایجاد می شود نیز در این عرصه نقش مهمی را ایفا می کند. برخی از غم انگیز‌ترین تصاویر آسیب ‌های ناشی از روان‌گرایی به زیرساخت ‌های عمرانی پس از زلزله 1964 Niigata ژاپن و زلزله 1964 Prince William Sound آلاسکا مشاهده شد که به شناسایی روان‌گرایی به عنوان یک مشکل عمده در مهندسی زلزله کمک کرد. به عنوان مثال، از دست دادن استحکام برشی و سختی در ماسه ‌های مایع در طی زلزله نیگاتا 1964 منجر به خرابی پی ها در زیر ساختمان‌ها، شناور شدن مخازن مدفون و سایر سازه‌های شناور و فروریختن پل ‌ها از جمله پل شوا گردید.

تعدادی از زمین لرزه های بزرگ دیگر از آن زمان مشاهدات مشابه مربوط به روانگرایی را ارائه کرده اند. از جمله این زمین لرزه ها می توان به زلزله 1971 سان فرناندو و 1989 لوما پریتا در کالیفرنیا، زلزله 1995 کوبه در ژاپن، زلزله 1999 Kocaeli در ترکیه و زلزله 1999 Chi-Chi در تایوان اشاره کرد.

زمین لرزه ای که در محدوده بالا دست سد سان فرناندو در طی زلزله 1971 سان فرناندو ایجاد شد، سد را با بیش از 1 متر ارتفاع، در برابر رها سازی مخزن باقی نگذاشت و تخلیه این حجم آب، حدود 80000 نفر از ساکنان پایین دست را با مرگ و جراحت های شدید مواجه ساخت. این فاجعه تقریباً تغییر عمده ای را در مهندسی سدهای خاکی در سراسر جهان رقم زد و موضوع تلاش های تحقیقاتی متعددی بوده است.

زمین لرزه کوبه در سال 1995 و حجم خسارت های وارده باعث شد تا بررسی موضوع روانگرایی در بسیاری از کشورها  فراگیر شود در این زلزله جزایر دست ساز در منطقه کوبه دچار آسیب قابل توجهی شد، جایی که یکی از بزرگترین تاسیسات بندر کانتینری در جهان است. آسیب گسترده به دیوارهای اسکله در اطراف تأسیسات بندری و آسیب‌ های مرتبط به جرثقیل‌ ها و سایر تأسیسات پشتیبانی از جمله آسیب هایی بود که روانگرایی در این مناطق باعث شد.

توسعه روش های مهندسی برای ارزیابی پتانسیل و کاهش روانگرایی

برای ارزیابی و کاهش خطرات بالقوه روانگرایی در یک محل خاص، چندین سوال باید مطرح شود:

• آیا حرکات زمین باعث وقوع پدیده روانگرایی می شود؟
• عواقب آن برای سازه یا تاسیسات چه خواهد بود؟
• چه گزینه هایی برای کاهش پیامدهای احتمالی وجود دارد؟

توسعه رویه ‌های مهندسی که به این سؤالات می پردازد، شامل ترکیب ملاحظات نظری و همچنین تجربی است که در چند دهه گذشته ظهور کرده اند. به عنوان مثال، در ارزیابی پتانسیل ایجاد روان ‌گرایی، یک جزء ضروری، شناسایی ابزار مناسب برای اندازه‌گیری، یا برآورد مقاومت خاک در برابر روانگرایی در طی بارگذاری لرزه‌ ای (سیکلی) است. در اصل، رفتار چرخه ای خاک را می توان با به ‌دست آوردن نمونه ‌های خاک با کیفیت بالا و سپس آزمایش آنها در یک دستگاه آزمایشگاهی مناسب تعیین کرد. تجربه نشان داده است که نمونه ‌های شن و ماسه به دست آمده با روش ‌های نمونه‌گیری مرسوم به اندازه ای دست خورده می شوند که اندازه گیری ‌های حاصل از مقاومت سیکلی را در بیشتر موقعیت ‌ها غیرقابل اعتماد نشان می دهند.

روش ‌های نمونه گیری مطمئن تری در دسترس هستند که مقدار دست خوردگی را تا سطوح قابل قبولی کاهش می دهند، اما تنها مشکلی که می تواند وجود داشته باشد، هزینه قابل توجه آنها می باشد. در نتیجه، به طور کلی با استفاده از آزمون‌ های درجا – آزمایش ‌های نفوذ استاندارد (SPTs)، آزمایش های نفوذ بکر (BPTs)، آزمایش‌های نفوذ مخروط (CPTs) و اندازه گیری‌ های سرعت موج برشی (V_s) – به عنوان شاخص‌ هایی برای تخمین مقاومت روانگرایی ماسه ها و دیگر خاک های بدون چسبندگی جستجو می شود.

خاک های چسبنده (به عنوان مثال، رس و سیلت های با قابلیت پلاستیسیته بالا) همچنین می توانند کرنش های قابل توجهی ایجاد کنند که منجر به تغییر شکل زمین در هنگام بارگذاری زلزله می شود، به ویژه در محل هایی که (الف) رسوبات، نرم و حساس هستند، (ب) تنش برشی قابل توجهی وجود دارد (به عنوان مثال، زمین شیب دار بوده و  یا بار پی قابل توجه است) و (ج) میزان لرزش به اندازه کافی قوی است. با این حال، تفاوت در ویژگی های مقاومت برشی بین خاک های دانه ای و چسبنده، بر انتخاب و نتیجه روش های مهندسی برای ارزیابی پاسخ خاک به بارگذاری لرزه ای تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، خاک رس را می توان با اطمینان و هزینه معقول، نمونه برداری و آزمایش کرد. به همین دلیل، ترجیحاً برای توصیف رفتار خاک‌ های بدون چسبندگی (شن، ماسه و سیلت‌ های با پلاستیسیته کم) اصطلاح «روانگرایی سیکلی» برای توصیف رفتار خاک های رس و سیلت ‌های با پلاستیسیته بالا استفاده شود. معیارها و روش های ارزیابی پتانسیل نرم شدگی سیکلی در خاک های چسبنده در بخش 6 کتاب روانگرایی خاک ها در هنگام زلزله توضیح داده شده است.

توسعه روش‌ های تحلیلی برای ارزیابی وقوع روان‌گرایی بر داده‌ های تجربی برای ارائه ارتباط بین مقاومت به روانگرایی و البته شاخص‌ های مختلف آزمایش برجا تکیه کرده است. این توسعه را می توان با مراحل زیر توصیف کرد:

• ایجاد چارچوبی از تجزیه و تحلیل که به خوبی بر مبانی مکانیک و فیزیک خاک پایه گذاری شده باشد.

• جمع آوری تاریخچه مواردی که طیفی از خصوصیات روانگرایی مشاهده شده را نشان می دهد. از جمله مواردی که در آنها روانگرایی رخ نداده است.

• تفسیر تاریخچه فوق با استفاده از چارچوب تحلیل ایجاد شده، که از آن می توان روابط نیمه تجربی را که بین وقوع و عدم وقوع روانگرایی تمایز قائل می شود، استخراج شده است. همانند ارزیابی، توسعه روش ‌های مهندسی برای ارزیابی پیامدهای بالقوه روانگرایی و طراحی استراتژی ‌های کاهش بر پایه ترکیبی از ملاحظات نظری و تجربی است.

هدف و دامنه مباحث کتاب روانگرایی خاک در هنگام زلزله

هدف این کتاب به طور قابل توجهی با هدف کتاب حرکات زمین و روانگرایی خاک در هنگام زلزله در سال 1982 که توسط نویسنده نگارش شده است، متفاوت است. در کتاب قبلی، نیاز به نمایش ساده ای از عناصر ضروری روانگرایی وجود داشت که برای مهندسانی که آشنایی خاصی با آن ندارند به آسانی قابل درک باشد. از آن زمان، مجموعه ادبیات فنی و دانش در مورد روانگرایی به طور قابل توجهی رشد کرده است و ارزیابی اثرات روانگرایی در عمل رایج شده است. نیاز فعلی به ترکیب کامل پیشرفت 25 سال گذشته به یک منبع در دسترس برای دانشجویان، مهندسان و سایر متخصصان است که سبب نگارش کتاب روانگرایی خاک در هنگام زلزله شده است. بر این اساس، بخش‌های باقی‌مانده از این کتاب موضوعات زیر را ارائه می‌کند:

• مبانی رفتار روانگرایی: جنبه های اساسی رفتار روان‌گرایی خلاصه می شود تا چارچوبی برای درک مشترک توسعه و محدودیت ‌های روش های تحلیلی مهندسی مختلف ارائه شود.

رفتارهای بارگذاری یکنواخت و سیکلی ماسه‌ های اشباع با اشاره به مفاهیم مکانیک خاک در حالت بحرانی توصیف می شوند که به ویژه برای سازماندهی مشاهدات مربوط به اثرات ترکیبی چگالی نسبی و تنش محدود کننده ارزشمند هستند. آزمایش های آزمایشگاهی نمونه‌ های به دست آمده از محل، مورد بحث قرار می گیرد تا برخی از ویژگی های اساسی دیگر رفتار خاک و چالش‌ های ناشی از اثرات دست خوردگی نمونه ‌برداری را نشان دهد. فرآیندهای میدانی که در آزمایش ‌های آزمایشگاهی تکرار نمی شوند و می توانند در نحوه عملکرد سازه های ژئوتکنیکی بسیار مهم باشند، نیز توصیف می شوند.

• فعالسازی و وقوع روانگرایی: روش هایی برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی در بخش هایی از کتاب روانگرایی خاک ها هنگام زلزله توصیف و نشان داده شده است.

این بخش حساسیت روانگرایی رسوبات مختلف، چارچوب تحلیلی برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاص یک محل، ویژگی های مهم آزمایش های درجا مورد استفاده به عنوان شاخص برای ارزیابی ویژگی های روانگرایی، همبستگی های موجود در زمینه روانگرایی برای ماسه ها و ماسه های سیلتی، به همراه نمونه هایی از تجزیه و تحلیل های موجود در زمینه روانگرایی مورد بحث قرار می گیرد.

• عواقب روانگرایی: پیامدهای بالقوه روانگرایی با تأکید بر سه مورد از پیامدهای رایج‌ تر مورد توجه در عمل مهندسی مورد بحث قرار می‌گیرد: (الف) مقاومت پسماند خاک روانگرا و احتمال ناپایداری شیب (ب) گسترش جانبی شیب ملایم و یا پروفیل های زمین تقریباً هموار و (ج) نشست قابل توجه که پس از روانگرایی در محل رخ می دهد. نمونه هایی از گسترش جانبی و تجزیه و تحلیل نشست پس از روانگرایی نیز در کتاب روانگرایی خاک در هنگام زلزله ارائه شده است و پس از آن بحثی در مورد حاشیه ایمنی در عمل مهندسی ارائه می شود.

• کاهش خطرات روانگرایی: ارزیابی و انتخاب استراتژی‌ های کاهش احتمالی مورد بحث قرار می‌گیرد و به دنبال آن مروری بر بسیاری از روش‌های رایج برای بهسازی خاک های روانگرا ارائه می‌شود. ملاحظات کلی طراحی و اجرا نیز مورد بحث قرار گرفته است.

• نرم شدن چرخه ای خاک رس و سیلت پلاستیک: پتانسیل روانگرایی سیکلی خاک‌ های ریزدانه منسجم در طول لرزش ناشی از زلزله مورد بحث قرار می گیرد و روش ‌های مهندسی برای ارزیابی عملکرد بالقوه آن ها ارائه می شود. خاک های ریزدانه با پلاستیسیته پایین می توانند از رفتاری که بیشتر شبیه ماسه است به رفتاری که بیشتر شبیه خاک رس است، تبدیل شوند و معیار های شاخص ساده برای تصمیم گیری بهترین ارزیابی این نوع خاک ‌ها مورد بحث قرار می‌گیرند. عواقب بالقوه روانگرایی سیکلی و عوامل موثر بر آن عواقب نیز مورد بحث قرار می گیرد.