پدیده روانگرایی
روانگرایی خاک پدیده‌ای است كه اغلب در ماسه‌های ریز تا متوسط به وقوع می‌پیوندد. در خاك‌های ماسه‌ای، ذرات ماسه به وسیله اتصال بین ذرات نگهداری می‌شوند و نیرو می‌تواند ازطریق این اتصالات منتقل شود. در هنگام روانگرایی این اتصالات ازبین رفته و نیروی بین آنها تبدیل به فشار حفره‌ای میشود و مقاومت برشی خاك صفر میشود. خاك ماسه‌ای رفتاری شبیه یك مایع كه وزن مخصوص آن برابر خاك اشباع است، ازخود نشان می‌دهد. مكانیزم اساسی روانگرایی در لایه‌های ماسه‌ای اشباع و سست، افزایش تدریجی فشار آب منفذی در اثر اعمال تنش‌های سیكلی حاصل از انتشار موج برشی زلزله است. اگر ماسه به اندازه كافی سست و شدت بارگذاری به اندازه كافی بزرگ باشد، ممكن است فشار منفذی معادل تنش موثر بین ذرات شود. در این لحظه نیروهای بین ذرات ازبین رفته و ذرات به صورت معلق و غوطه ور درمی‌آیند. به یك چنین وضعیتی روانگرایی می‌گویند.
به‌منظور کاهش خسارات ناشی از روانگرایی در زلزله‌ها، می‌توان خاک‌های مستعد روانگرایی را تثبیت و بهسازی نمود. روش‌های بهسازی خاک‌های ماسه‌ای در برابر روانگرایی شامل تعویض خاک مستعد روانگرایی با خاک مناسب، متراکم‌سازی خاک‌ها در محل به روش تراکم دینامیکی و تراکم لرزه شناوری، بهسازی با تزریق و استفاده از زهکش‌های ماسه‌ای یا سنگی و .. است.
عوامل موثر بر مقاومت روانگرايی خاک
عوامل موثر بر مقاومت روانگرايی عوامل موثر بر مقاومت روانگرايی به شرايط بارگذاری، خاك، تنش و… تقسيم بندی می‌شوند.
| شرایط بارگذاری |
دامنه تنش برشی سیکلی
شکل موج
فرکانس ارتعاش
نامنظمی در شکل موج
برش چند جهته
عکس شدن تنش برشی |
| شرایط خاک |
تراکم (تراکم نسبی)
منحنی توزیع دانه بندی
درجه اشباع
ساختار اسکلت خاک
تاریخچه برش سیکلی
اثر سیمانتاسیون |
| شرایط تنش |
تنش اصلی موثر متوسط
نسبت بیش تحکیم یافتگی
تنش برشی اولیه |
| شرایط آزمایش |
ابعاد نمونه
روش آماده سازی نمونه
زمان تحکیم
اثر نفوذ غشا
نوع و ساختار تجهیزات آزمایش |
روش‌های مقابله با روانگرایی خاک
از دو طريق می‌تواند تأثير گذار باشد.
- تأثير بارهای ديناميكی بر رو سازه
- تأثير بارهای ديناميكی بر زير سازه
عملكرد نامناسب زير سازه و تغيير در ظرفيت باربری پی در مقابل بارهای ديناميكی وارده باعث بوجود آمدن خسارات زيادی به سازه‌ها است. بارهای ارتعاشی ناشی از زمين لرزه در قسمت خاك زير سازه ممكن است باعث ايجاد روانگرايی، گسترش جانبی، رانش و لغزش شيروانی‌های طبيعی شود.
مخاطرات ژئوتكنيكی در حين زلزله
در هنگام وقوع زمين لرزه، علاوه بر آسيب‌های وارد بر سازه، آسيب‌های ديگری نيز ممكن است به خاك زير پی وارد شود. عمده‌ترين اين خسارات شامل موارد زیر است.
- تحميل نشست‌های اضافی بر سازه
- لغزش شيروانی‌های خاك
- روانگرايی خاك
- گسيختگی (گسترش جانبی افت ظرفيت باربری شكست گسل‌ها)
- جوشش ماسه
كه تمامی اين حالات، انهدام پی سازه را به همراه خواهد داشت.
تقويت خاك‌های با قابليت روانگرايی
زمانی كه ساختگاهی با پتانسيل روانگرايی وجود دارد، اغلب به منظور محافظت و تامين عملكرد سازه، تقويت خاك مورد نياز است. توجه به مكانيزم روانگرايی به اندازه علت و شكل خسارت وارد به سازه‌ها دارای اهميت است. تقويت ساختگاه در برابر روانگرايی می‌تواند به دو بخش زير دسته بندی شود.
- مقابله با روانگرايی با بهسازی خاك
- مقابله با روانگرايی در تعامل با طراحی سازه
در عمل تركيبی از اين دو روش اغلب مناسب بنظر می‌رسد.
روش‌های تقويت در مقابل روانگرايی
تراكم
روش‌های مبتنی بر تراكم به منظور بالا بردن مقاومت خاك و متراكم كردن خاك ماسه‌ای با استفاده از ضربه و ارتعاش بطور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گيرد. اين روش معمولاً فشار خاك را افزايش می‌دهد و باعث ارتعاش و ايجاد سر و صدا حين تراكم میشود. بنابراين اثر تراكم روی خاك مجاور و سازه‌های همسايه حين اجرای روش قابل ملاحظه است، به علاوه زمانی كه درصد ريزدانه خاك زياد باشد، تراكم مشكل است. تراكم لايه خاك به عنوان يك روش اجرای تقويت در مقابل روانگرايی با استفاده از ميله فولادی يا غلاف فولادی برای اعمال نيرو به شن و ماسه خاك با قابليت روانگرايی و اعمال ارتعاشات قوی در اين خاك‌ها بكار می‌رود.
استهلاك فشار آب منفذی
در مقابله با روانگرايی مبتنی بر استهلاك فشار آب منفذی، سرعت كاهش اضافه فشار آب منفذی توليد شده در خاك ماسه‌ای حين زلزله افزايش يافته و با استفاده از اجرای شمع‌های زهكشی، اضافه فشار آب منفذی كاهش می‌يابد.
روش زهكشی باعث كاهش لرزش و سر و صدا میشود و همچنين تاثير روی محيط اطراف را به حداقل می‌رساند كه اين مزايا از برتری‌های روش زهكشی در مقايسه با روش تراكم است. اين روش اغلب زمانی استفاده میشود كه اجرای روش‌های ديگر مانند تراكم مشكل باشد. به عنوان يك راهكار برای تقويت روانگرايی، زهكشی آب از طريق يك شمع است كه اين روش اثر استهلاك اضافه فشار آب حفره‌ای را با مقاومت شمع تركيب می‌كند. در خاك‌های با نفوذ پذيری پائين و درصد بالای ريزدانه، كاربرد روش زهكشی مشكل است.
سيمانتاسيون و جامد سازی
سيمانتاسيون از جمله روش‌های اجرای تقويت روانگرايی است كه شامل روش‌های مخلوط عميق و روش پيش مخلوط است. روش مخلوط عميق با اختلاط مواد تثبيت كننده مثل سيمان در خاك ماسه‌ای و جامد سازی خاك باعث ايجاد مقاومت در برابر روانگرايی میشود. اين روش حتی برای مقاوم سازی خاك زير سازه‌های موجود نيز بكار می‌رود. در اين روش با مقيد كردن تغيير شكل‌های برشی، خاك زير ساختمان از طريق ايجاد ديوار زيرزمين در مقابل روانگرايی تقويت میشود. به عبارت ديگر تقويت روانگرايی در اين شرايط امكان خواهد داشت حتی زمانی كه خاك با امكان روانگرايی در زير سازه‌های موجود، مثل يك خاكريز وجود داشته باشد. در اين صورت پيرامون سازه يك ديوار بهسازی شده اجرا میشود. در اين روش مصالح تثبيت كننده مثل سيمان با خاك مخلوط و سخت میشود. دو رويكرد وجود دارد.
يكی بهسازی و جامد سازی همه خاك و ديگری بهسازی جزئی، كه يك ديوار جامد در خاك ايجاد میشود. تاثير اين روش روی محيط اطراف حداقل است. روش پيش مخلوط با اضافه كردن مصالح تثبيت كننده به خاك و ماسه از قبل و ريختن خاك بهسازی شده در آب با لوله‌های ترمی يا بارج‌های مخصوص انجام میشود. با انجام تقويت در مقابل روانگرايی، بعد از جايگزينی خاك مخلوط، روشی مثل تراكم مورد نياز نبوده و دوره زمانی ساخت كاهش می‌يابد. در اين روش، در محل مورد نظر، مدفنی با اضافه كردن يك مصالح تثبيت كننده مثل سيمان از قبل با خاك مخلوط میشود و تقويت روانگرايی بدنبال ايجاد مدفن نياز نیست. و از آنجائی كه خاك با يك مصالح تثبيت كننده مخلوط شده و در آب ريخته میشود، كنترل كيفيت آب مورد نياز است. در اين روش، دوره ساخت به دليل اجرای همزمان تقويت در برابر روانگرايی و خاكريزی كاهش يافته و بهسازی می‌تواند در حجم بزرگی انجام شود.
عواملی كه در روش سيمانتاسيون و جامد سازی بايد مورد توجه قرار گيرند، كنترل كيفيت بهسازی مقطع خاك، كنترل مخلوط مصالح تثبيت كننده و كنترل كيفيت آب منطقه است.
جايگزينی
روشی است كه در آن خاك محل با مصالحی كه پتانسيل روانگرايی ندارد، جايگزين میشود. شن و خاك مخلوط شده با سيمان، مصالحی بدون قابليت روانگرايی هستند كه در روش جايگزينی برای مقابله با روانگرايی استفاده می‌شوند. در اجرای اين روش ارزيابی و كنترل پايداری خاكبرداری در حين جايگزينی ضروری است. همچنين نياز به مديريت خاكبرداری خاك و ماسه است.
پايين آوردن سطح آب زيرزمينی
تقويت در برابر روانگرايی از طريق پايين آوردن سطح آب زيرزمينی بر اساس غير اشباع ساختن خاك، پايين آوردن سطح آب زيرزمينی و افزايش تنش موثر در خاك زيرسطح آب زيرزمينی بدست می‌آيد. در اين روش، سطح آب همواره بايد پايين نگهداشته شود. بنابراين هزينه اصلی آن بهره برداری ونگهداری سيستم پمپاژ آب از عمق چاه استد كه بايد مد نظر قرار گيرد.
مقيد كردن كرنش برشی
در روش اجرای تقويت بر اساس مقيد كردن كرنش برشی، با اجرای ديوار زيرزمينی پيوسته زير سطح زمين، كرنش برشی در حين زلزله مقيد میشود. اين روش به سادگی، خاك با قابليت روانگرايی را با ديوار پيوسته‌ای احاطه می‌كند و بنابراين در مورد سازه‌های موجود، برای خاك در عمق، جائی كه تقويت در برابر روانگرايی با ديگر روش‌ها مشكل است، می‌تواند مورد استفاده قرار گيرد.
پيش بارگذاری
افزايش مقاومت در مقابل روانگرايی از طريق روش پيش بارگذاری با بيش تحكيم يافته كردن خاك توسط سربار خاكريز امكان پذير است. اين روش را می‌توان در خاك‌های با درصد بالای ريزدانه بكار برد. همچنين می‌توان پيش بارگذاری را با بيش تحكيم كردن خاك از طريق پايين بردن سطح آب زيرزمينی حتي زير سازه‌های موجود اعمال كرد.
اثر سيمانتاسيون بر روانگرايی خاك‌های ماسه‌ای
سیمانتاسیون در ماسه‌ها می‌تواند به صورت طبیعی وجود داشته باشد و یا به صورت مصنوعی اضافه شود. سیمانتاسیون باعث افزایش مقاومت ماسه در برابر روانگرایی میشود و می‌تواند یك فاكتور بحرانی در تصمیمات مهندسی باشد. این برآورد مستلزم آزمایش روی ماسه‌های ضعیف سیمان شده در محدوده‌های مختلف سطوح سیمانتاسیون و وزن مخصوص است.
در ماسه‌های طبیعی سیمان شده، عامل سیمانتاسیون عموماً رس، لای، اكسیدهای آهن وسیلیكات است. نتایج این تحقیقات نشان می‌دهد كه این نوع خاك‌ها حساس و مستعد به هم خوردگی بوده و تعدادی از آنها تحت تاثیر این فاكتور قرار گرفته‌اند. با این وجود، در همه مطالعات موارد زیر در ماسه‌های سیمان شده مشاهده میشود.
- خاك‌ها چسبندگی مشخصی داشته و اصولاً یك پوش گسیختگی موهر- كولمب خطی را از خود نشان می‌دهند. همچنین در مناطق تنش كششی مقاومت‌های كوچكی دارند.
- زوایای اصطكاك پوش گسیختگی دارای محدوده یكسانی همانند ماسه سیمان نشده است.
- گسیختگی ماسه‌ها در تنش‌های محدود كننده پایین با شكنندگی همراه است اما در تنش‌های محدود كننده بزرگتر، ماسه تمایل به چكش خوارگی پیدا می‌كند.
- عموماً اثر سیمانتاسیون در ماسه‌های گرد گوشه نسبت به ماسه‌های زاویه‌دار كمتر است.
- با استفاده از مواد مناسب می‌توان ماسه‌های مصنوعی سیمان شده‌ای را ساخت كه مشابه مدل ماسه‌های طبیعی سیمان شده رفتار كنند.
اگر چه آزمایش‌های دینامیكی نسبت به استاتیكی برای ماسه‌های سیمان شده كمتر انجام پذیرفته، اما تمایل به انجام این آزمایش‌ها رشد زیادی یافته است. تحقیقات با استفاده از دستگاه تنش سه محوری با بارگذاری سیكلی و در موارد كمتری از دستگاه برش ساده و ستون تشدید انجام پذیرفته است. نتایج حاصل از تحقیقات انجام شده برای بررسی مقاومت روانگرایی خاك‌های ماسه‌ای به صورت زیر خلاصه میشود.
- ماسه سیمان شده غیر متراكم، از جهات متعددی عكس العمل مشابه با ماسه سیمان شده متراكم دارد.
- با افزایش سیمانتاسیون، مقاومت در برابر روانگرایی افزایش می‌یابد.
- لنزهای ضعیف در ماسه‌های به شدت سیمان شده باعث کم شدن مقاومت در برابر روانگرایی میشود.
ارتباط سیمانتاسیون و دانسیته در ماسه‌های مصنوعی سیمان شده
دو نكته اساسی در هنگام بررسی ماسه‌های سیمان شده وجود دارد كه در ماسه‌های سیمان نشده چندان اهمیت ندارند، اولین نكته، تراكم نسبی ماسه است. در ماسه‌های سیمان نشده تعریف واضحی برای تعیین این پارامتر وجود دارد حتی اگر مشكلات تجربی در تعیین آن وجود داشته باشد. در ماسه‌های سیمان شده تعیین تراكم نسبی با مشكلات عملی همراه است و هیچ راهی برای تشخیص آن وجود ندارد. همچنین از بابت به كار بردن مفاهیم نمی‌توان اطمینان داشت.
برای تعیین تراكم نسبی یك ماسه سیمان شده می‌بایست ذرات خاك را از هم جدا نمود. اما این عمل منجر به شكست مواد سیمان شده، افزایش مواد ریزدانه به توده خاك غیردانه‌ای و جداشدن دانه‌ها میشود.
نكته دوم این كه در ماسه‌های سیمان شده اهمیت دارد، درصد سیمان به نسبت وزن نمونه است. نمونه‌های متراكم‌تر سیمانتاسیون بیشتری دارند، ازاین رو وزن مخصوص و سیمانتاسیون پارامترهای مستقلی نیستند. در حقیقت در حالت متراكم‌تر، یا سیمانتاسیون اثر بیشتری دارد و یا اینكه سیمان بیشتری وجود دارد. علت آن است كه در نمونه متراكم چون وزن مخصوص بیشتر است، سیمان بیشتری برای یك درصد خاص نسبت سیمان به وزن، مورد نیاز است. بنابراین تنها در نظر گرفتن مقدار سیمان در ماسه برای تعیین مقاومت یا سطح سیمانتاسیون كافی نیست ومی بایست دانسیته نیز مشخص باشد.
روش‌های اجرای سیمانتاسیون
سیمانتاسیون می‌تواند طبیعی باشد و یا بصورت مصنوعی ایجاد شود. سیمانتاسیون در طبیعت ممكن است به علت وجود رس، سیلت، اكسیدهای آهن، سیلیكات و رسوبات شیمیایی باشد یا از پیامدهای جانبی هوازدگی و اثرات جوشكاری حاصل شود. مطالعات نشان می‌دهد كه افزایش این عامل باعث بالارفتن مقاومت خاك در برابر روانگرایی میشود. بنابراین در خاك‌های سیمان نشده می‌توان با ایجاد سیمانتاسیون مصنوعی از طریق تزریق یك عامل سیمانتاسیون، مقاومت آنها را در برابر روانگرایی افزایش داد.
سیمانتاسیون یكی از روش‌های تقویت در مقابل روانگرایی است كه شامل روش‌های مخلوط عمیق و پیش مخلوط است. در روش مخلوط عمیق، اختلاط مواد تثبیت كننده مثل سیمان در خاك ماسه‌ای و جامد سازی خاك، باعث ایجاد مقاومت در برابر روانگرایی میشود. در روش پیش مخلوط، مقدار كمی از مصالح تثبیت كننده و یك ماده مضاف شیمیایی با خاكریزی و پشته ریزی در داخل سازه‌ای محفظه‌ای به منظور بدست آوردن یك مصالح پركننده جدید بدون روانگرایی با یكدیگر مخلوط می‌شوند و در محل مورد نظر، ناحیه‌ای تثبیت شده ایجاد می‌كنند. اصول این روش، جلوگیری از روانگرایی با ایجاد سیمانتاسیون بین ذرات خاك از طریق استفاده ماده‌ای تثبیت كننده مثل سیمان است.
مزایای این روش
- مقاوم سازی در مقابل روانگرایی بعد از كامل شدن خاكریزی دیگر مورد نیاز نیست. دوره كاری كوتاه شده و همچنین نیروی كاری كاهش می‌یابد.
- خاكریزی با یك نوار نقاله، شوت یا جایگزینی مستقیم با استفاده از یك بارج و ریختن در عمق، برای اجرا در محل‌‌های آبی عمیق انجام میشود.
- مقاومت خاك بهسازی شده می‌تواند بهینه شود.
- برای تاسیسات و مخازن موجود می‌تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد بدون این كه نیاز به تجهیزات اجرایی خاصی باشد.
- علاوه بر مقابله با روانگرایی، می‌توان انتظار داشت كه اثر فشار جانبی خاك كاهش یافته و در نتیجه ابعاد سازه در معرض فشار خاك مثل دیوار ساحلی پرده سپری كاهش یابد، بنابراین از لحاظ اقتصادی می‌تواند قابل ملاحظه باشد.
- هیچ اثر سوئی بر پرده سپرهایی كه خاك پشت آنها متراكم شده، وجود ندارد.
- از لایروبی ماسه به طور موثر استفاده میشود.
معایب این روش
- تغییرات مقاومت مقطع خاك بهسازی شده وابستگی زیادی به نوع ماسه و مراحل جایگزینی دارد.
- با تثبیت مصالح مقداری هزینه اضافی به پروژه تحمیل میشود.
- باید اثرات و مشكلات زیست محیطی نظیر این روش بر كیفیت آب‌های محل بررسی شود.
- استفاده از این روش به حفاری یا جایگزینی خاك و زمین‌هایی كه به تازگی احیاء شده، محدود میشود.
