چكیده

روانگرایی یکی از مهمترین پدیده های ژئوتکنیکی است که در خاک های سست ماسه ای اشباع به هنگام وقوع زلزله موجب بالا رفتن فشار منفذی وکاهش مقاوت برشی می شود. در مناطق دارای خاک های غیرچسبنده ی ریزدانه، در شرایطی که سطح آب زیرزمینی بالا باشد، بررسی پتانسیل روانگرایی خاک ضروری می باشد. از آن جایی که روش های موجود برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک ها از نقطه نظر اهمیت، دقت و میزان مقبولیت تفاوت دارند لذا در مقاله حاضر به بررسی روش های مختلف از جمله روش انفجار، آزمایش سه محوری و… پرداخته شده است. مطالعات نشان می دهدکه با افزایش درصد ریزدانه، روانگرایی کاهش می یابد از این رو معیارهایی که اثر ریزدانه را درنظر نمی گیرند باید به نحوی اصلاح شوند.
کلمات کلیذی: ارزیابی پتانسیل روانگرایی، انفجار، خاک رس

.۱ مقذمه

کشور ایران در یکی از مناطق مهم لرزه خیز دنیا واقع شده است و تاکنون شاهد وقوع زمین لرزه های شدیدی بوده است. وقوع زمین لرزه با خطراتی برای زندگی بشر همراه بوده است که از جمله خطرهای ناشی از آن، پدیده روانگرایی می باشد. با توجه به خطراتی که بر اثر روانگرایی در خاک ها رخ می دهد تحلیل روانگرایی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با انجام آزمایش ها و نیز تحلیل های روانگرایی که به لحاظ اقتصادی، در قیاس با زیان های احتمالی ناشی از خرابی سازه ها بر اثر زلزله، هزینه های بسیار کمی دارند می توان به پتانسیل روانگرایی خاک پی برد. زلزله نیاگاتای ژاپن در سال ۱۹۶۴، آسیب های را به پی ساختمان ها، سد ها و شیب های طبیعی وارد آورد.[۱]

افزایش فشار آب منفذی در خاک های ماسه ای و لایه های سست اشباع در هنگام زلزله بر اثر تمایل خاک به کاهش حجم منجر به کاهش تنش همه جانبه در خاک می شود. در این حالت مقاومت برشی خاک به شدت کاهش می یابد و به مقدار صفر نزدیک می شود. به این پدیده روانگرایی می گویند. این پدیده خود را به صورت نشست های قابل توجه، ایجاد ترک و بازشدگی، فوران گل و آب، جوشش ماسه و تراوش آب از خلل و فرج موجود در سطح زمین نشان می دهد. از عوامل مؤثر بر وقوع روانگرایی می توان به بزرگای زلزله و مدت زمان آن، تخلخل، تراکم نسبی، درصد ریزدانه و نشانه خمیری خاک و دامنه تنش برشی اعمالی بر توده خاک در زمان زلزله اشاره نمود .[۲]

۱داوشجُیکارشىاسی ارشدگ، رَي عمرانداوشکديمٍىدسی، عمران،َاحد وجفآباد، داوشگاي آاد اسالمی، وجفآباداصف، ٍان،ایران ۲ستادیارداوشکدي م ٍىدسٌستًییَ اعلُمپایً ،َاحد وجفآباد، داوشگاي آاد اسالمی،وجفآباد،اصف ٍان، یاران
استاد۳ داوشکدي زمیهشىاسی، داوشگاياصف ٍان،یاران

۱

در ادامه به بررسی و یاد آوری پاره ای از مبانی و مطالعاتی که بر روی پدیده روانگرایی صورت گرفته می پردازیم. اولین بار عبارت روان شدگی توسط هیزن در سال ۱۹۱۸ برای اشاره به خرابی به وجود آمده در سد کالاوراس کالیفرنیا استفاده شد. وقوع زمین لرزه در این سد باعث حرکت لایه های ماسه ای در قسمت بالای سد گردید و موجب تخریب آن شد .[۴] ترزاقی در سال ۱۹۲۵ تئوری تنش موثر را مطرح نمود. او اولین کسی بود که واژه ی جدید روانگرایی را ابداع نموده و آن را این چنین تعریف کرد: “چنانچه در خاک اشباع فروپاشی رخ دهد، این امر منجر به انتقال وزن ذرات فروریخته به آب اطراف شده و احتمال وقوع روانگرایی وجود دارد. یکی از نتایج این پدیده افزایش فشار آب ایستایی در اعماق تا رسیدن به مقادیر نزدیک به وزن غوطه وری خاک می باشد” .[۵] کاساگرانده در سال ۱۹۳۶ یکی از اولین افرادی بود که جهت شناخت و توضیح روانگرایی در خاک های ماسه ای مطالعات خود را آغاز نمود. این دانشمند مبنای فرضیه خود را بر تخلخل بحرانی بنا نهاد .[۶] عبارت “روانگرایی خود به خودی یا طبیعی” نخستین بار توسط ترزاقی و پیک در سال ۱۹۴۸ برای نشان دادن تغییر ناگهانی نهشته های سست ماسه ای به جریان هایی شبیه سیال لزج به واسطه ی اغتشاش جزیی مورد استفاده قرار گرفت. این پدیده به عنوان دلیل اصلی گسیختگی های محتمل وقوع شیب در نهشته های اشباع ماسه ی سیلت دار ریز در نظر گرفته شد .[۷]

در حقیقت تا سال ۱۹۵۳ روانگرایی ناشی از بارگذاری لرزه ای به عنوان یک موضوع مهم مهندسی مورد توجه قرار نگرفته بود. پس از زمین لرزه سال ۱۹۴۸ توکیو، مورگان و کوبه درسال ۱۹۵۳ برای نخستین بار روانگرایی خاک تحت تأثیر بارگذاری لرزه ای را مطرح نمودند .[۱۶] بنابراین روانگرایی خاک های دانه ای، اشباع و سست در طی زمین لرزه، یکی از خطرات اصلی در بسیاری از نقاط جهان محسوب می گردد. در طی وقوع زمین لرزه، روانگرایی خسارات مهمی را به سازه های مهندسی وارد می کند. این خسارات با تغییر شکل زمین، جوشش ماسه و نشست زمین همراه است .[۳]

سید و لی در سال ۱۹۶۶ به منظور ارزیابی نظریه نسبت تخلخل بحرانی در براورد پتانسیل روانگرایی مطالعاتی را بر روی خاک ماسه ای رودخانه ساکرامنتو انجام دادند و در ادامه خط نسبت تخلخل بحرانی را معرفی کردند .[۹] کاساگرانده در سال ۱۹۷۵ روانگرایی را در قالب روانگرایی واقعی و روانگرایی تناوبی به صورت ذیل تعریف نمود :[۸]

-۱ روانگرایی واقعی پاسخ ماسه ی اشباع سست تحت اثر کرنش یا تکان ناگهانی است که منجر به کاهش قابل توجه مقاومت و در حالت نهایی لغزش جریانی می شود.

-۲ روانگرایی تناوبی پاسخ یک نمونه ی آزمایشگاهی از ماسه ی اتساعی به بارگذاری تناوبی در آزمایش سه محوری می باشد هنگامی که فشار منفذی حداکثر به صورت لحظه به لحظه در هر دوره افزایش می یابد تا در یک دوره با فشار همه جانبه برابر شود.

کاسترو در سال ۱۹۸۲ روانگرایی را این چنین تعریف نمود: روانگرایی پدیده ای است که در آن هنگامی که یک توده ی خاک تحت اثر بارگذاری زهکشی نشده ی یکنواخت، تناوبی یا ضربه ای قرار می گیرد، درصد قابل توجهی از مقاومت برشی اش را از دست داده و تا زمانی که تنش های برشی اعمالی بر روی توده با مقاومت برشی کاهش یافته برابر شود شبیه یک سیال جریان می یابد.[۲۱]

سید و ادریس در سال ۱۹۸۲ به این نتیجه رسیدند که خاک هایی که دارای رس بیش از حد مشخصی هستند استعداد روانگرایی نخواهند داشت. آنها معیارهای زیر را برای مصالح محتوی رس بیان داشتند:

-۱اگر مقدار مصالح رسی(مصالح ریز تر از ۰/۰۰۵ میلیمتر) بیشتر از ۲۰ درصد باشد مصالح روانگرا نخواهد شد.

۲

-۲اگر درصد مصالح محتوی رس کمتر از ۰/۹۰ برابر حد روانی آنها باشد مصالح روانگرا نخواهد شد.

ایواساکی در سال ۱۹۸۶ بیان نمود که وقوع روانگرایی نیاز به شرایط خواصی دارد که مکانیزم های مربوط به روانگرایی ماسه اشباع شده ناشی از زمین لرزه را به شرح زیر شمرد :[۱۰]

-۱حرکت ارتعاشی زمین لرزه موجب اعمال تنش های برشی مکرر در ماسه های اشباع می گردد.

-۲تنش های بررشی موجب بروز تمایل به انقباض می گردند ولی شرایط زهکشی نشده مانع از تغییر حجم می گردد. -۳ متعاقبا فشار حفره ای اضافی در ماسه ایجاد شده و تجمع می نماید.

-۴ تنش های موثر کاهش و در نتیجه مقاومت برشی کاهش می یابد.

-۵ نهایا اگر فشار آب حفره ای اضافی به حد کفایت زیاد باشد مقاومت بررشی به میزان بسیار کمی رسیده و خاک روان می شود.

با توجه به نتایج به دست آمده از مطالعات رابرسون و فیر در سال ۱۹۹۴ و ۱۹۹۵ انواع روانگرایی به صورت زیر تعریف می شود ۱۱]،۱۳،:[۱۴

-۱ روانگرایی جریانی: روانگرایی جریانی تنها مختص خاک هایی است که در وضعیت نرم شوندگی کرنشی قرار دارند. روانگرایی جریانی نیازمند تنش های برشی در جا با مقادیر بزرگتر از مقاومت برشی زهکشی نشده ی حداقل یا نهایی است. روانگرایی جریانی می تواند در هر خاک اشباع کم ثبات مثل رسوبات دانه ای سست، رس های بسیار حساس و رسوبات رسهای سیلت دار (سیلت) اتفاق بیافتد.

-۲ نرم شوندگی تناوبی: نرم شوندگی تناوبی در هر دو نوع خاک نرم شونده و سخت شونده کرنشی اتفاق می افتد. در بررسی این پدیده دو عبارت روانگرایی تناوبی و تحرک تناوبی را می توان به کار برد.

کارمر وانگمال در سال ۲۰۰۱ روانگرایی را در قالب روانگرایی جریانی، تحرک تناوبی و روانگرایی اولیه مطرح نمودند .[۱۲] چیا و همکاران در سال ۲۰۰۴ در تحقیقات خود بر روی ماسه رودخانه مالیو به این نتیجه رسیدند که هنگامی که در صد ریز دانه گذشته از الک ۲۰ ,۴۰۰ تا۳۰ درصد باشد مقاومت در برابر روانگرایی به کمترین مقدار خود خواهد رسید .[۱۵] یوان در سال ۲۰۱۰ بیان نمود که روانگرایی معمولا با افزایش آب منفذی، جوشش ماسه و حالت های مختلف تغییر شکل همراه است. به طور کلی، تنها نهشته های اشباع یا نهشته هایی که قابلیت اشباع شدن با آب زیرزمینی را دارا باشند، به عنوان خاک های مستعد روانگرایی در نظر گرفته می شوند.[۲۲] در این تحقیق به بررسی روش های مختلف از جمله روش انفجار، آزمایش سه محوری، معیار چینی ها، نفوذ مخروط و سرعت موج برشی پرداخته شده است.

-۲ روش های محاسبه ارزیابی پتانسیل روانگرایی

۱-۲ ارزیابی پتانسیل روانگرایی با استفاده از انفجار

چارلی در سال ۱۹۸۸ به کنترل آزمایش انفجار با استفاده از مواد منفجره در بررسی طیف وسیعی از روانگرایی پرداخت. کیمرینگ در سال ۱۹۹۴ برای بهبود تراکم خاک سست نهشته شده در طول بزرگراه هلن با استفاده از انفجار به منظور کاهش پتانسیل روانگرایی پرداخت.[۲۹] استفاده از انفجار در سال های اخیر جهت ارزیابی پتانسیل روانگرایی نهشته ها مورد توجه قرار گرفته است. هنگام وقوع انفجار در نهشته های اشباع، یک موج برشی شدیدی در خاک ایجاد خواهد شد. تراکم خاک های دانه ای بر اثر انفجار نتیجه ضربات ناشی ازانفجار به خاک اطراف، روانگرایی خاک و در

۳

نهایت نشست مجدد خاک است. پارامترهای موثر در جهت استفاده از انفجار برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک شامل: وزن ماده منفجره در هر چاهک، عمق قراگیری ماده منفجره، نحوه ی توزیع ماده منفجره در ارتفاع، فواصل چاهک های انفجار، فازبندی و تعیین تعداد مراحل انفجار، ترتیب انفجاری چاه ها و زمان بندی انفجار در هر فاز دسته بندی می شود. طراحی هریک از پارامترهای فوق با درنظر گرفتن نتیجه ی نهایی مطلوب، محدویت های موجود برای دیگر پارامترها و اثرات زیست محیطی انجام می پذیرد. زلزله و ارتعاشات ناشی از مواد منفجره می تواند باعث افزایش فشار آب حفره اضافی در خاک اشباع شوند. افزایش در فشار منفذی باعث کاهش تنش موثر و در نتیجه کاهش مقاومت برشی در خاک می شود.