روانگرایی خاک پدیدهای است که در آن خاک اشباع در اثر تنش شدیدی که به آن وارد میشود، مقاومت و سختی خود را به طور کامل از دست میدهد و مانند یک مایع رفتار میکند. این تنش وارده میتواند در اثر تکانهای ناشی از زمینلرزه یا دگرگونیهای ناگهانی در شرایط تنش خاک باشد.
این پدیده بیشتر در خاکهای اشباع، شُل (با چگالی کم یا غیر متراکم) و ماسهای دیده شده است. ماسههای شُل در اثر بار وارده تمایل به متراکم شدن دارند اما ماسههای متراکم در مقابل تمایل به افزایش حجم دارند. اگر خاک از آب اشباع باشد، مانند خاکی که پایینتر از سطح آب زیرزمینی یا سطح دریا است، آنگاه آب فضای میان دانههای جامد را پر میکند (فضای حفرهای) حال اگر فشاری به خاک وارد شود، این فشار به آب موجود در این فضاهای خالی وارد میشود در مقابل آب تلاش میکند تا از فضای حفرهای خاک تحت فشار خارج شود و به جایی با فشار کمتر سرازیر شود (معمولاً آب به سمت سطح زمین یا به سمت بالا حرکت میکند). با این حال اگر فشار سریع وارد شود و به اندازهٔ کافی بزرگ باشد یا به تعداد زیاد تکرار شود (مانند آنچه که در زمینلرزه اتفاق میافتد یا فشاری که در اثر طوفان وارد میشود) به گونهای که آب فرصت آن را پیدا نکند تا دور بعدی (چرخهٔ بعدی) که دوباره بار وارد میشود از میان دانههای خاک به بیرون جاری شود، آنگاه فشاری در آب بوجود میآید که از تنشی که باعث کنار هم و در تماس نگه داشتن دانههای جامد خاک میشود بسیار فراتر میرود. تماس میان دانههای خاک تنها راهی است که به وسیلهٔ آن وزن ساختمان و لایههای زیر آن به لایههای خاک در عمق پایینتر یا سنگ بستر منتقل میشود. حال وقتی خاک این چنین ساختارش را از دست میدهد و تماس میان دانههای جامد از بین میرود، دیگر هیچ مقاومتی از خود نشان نمیدهد (توانایی خود در انتقال تنش برشی را ازدست میدهد) و مانند یک سیال جاری میشود.
عوامل مؤثر بر روانگرایی خاک
عوامل مربوط به خاک
- تنشهای برشی سیکلی
- ویژگیهای میرایی
- ویژگی دانه بندی و دانهها
- دانسیته نسبی اولیه
- بافت خاک ( روش و نوع شکل گرفتن دانههای خاک)
عوامل محیطی
- تاریخچه زلزله خیزی منطقه
- تاریخچه زمین شناسی (سن، سمانتاسیون)
- ضریب فشار جانبی خاک (KO)
- سربار مؤثر اولیه
عوامل مربوط به زلزله
- بزرگی زلزله
- مدت دوام زلزله
بررسی خاکهای مستعد روانگرایی
پدیده روانگرایی عامل خرابی بسیاری از ساختمانها، سازهها، ابنیه مهندسی نظیر سدها و اسکلهها در زمان وقوع زمین لرزه است. از ایـن رو بررسی خاکهای مستعد روانگرایی از اهمیت ویژهای برخوردار است. بطور تقریبی میتوان با استفاده از تراکم نسبی خاک یا عدد و بر اساس منحنی دانه بنـدی، خاکهـای مسـتعد روانگرایـی را شناسـایی کـرد. جدول زیر رابطه بین تراکم نسبی خاکهای مستعد به روانگرایی با شتاب حداکثر زمین در زلزله را بررسی میکند.
بررسی استعداد خاکهای مستعد روانگرایی
| احتمال کم وقوع روانگرایی | روانگرایی به نوع خاک و بزرگی زلزله بستگی دارد | احتمال زیاد وقوع روانگرایی | حداکثر شتاب زمین |
|---|---|---|---|
| Dr>54% | Dr <54% | Dr<33% | ۰٫۱۰gr |
| Dr>73% | Dr <73% | Dr<48% | ۰٫۱۵gr |
| Dr>85% | Dr <85% | Dr<60% | ۰٫۲۰gr |
| Dr>92% | Dr <92% | Dr<70% | ۰٫۲۵gr |
با توجه به جدول خاکهای شنی و رسی مستعد روانگرایی نبوده و همچنین خاک هایی با تراکم زیاد نیز دارای احتمال روانگرایی کمتر از خاکهای ماسهای است، هستند.
معیار صحیح برای ارزیابی پتانسیل روانگراییبه عوامل زیر بستگی دارد.
- نوع خاک
- SPT– N (آزمایش نفوذ استاندارد)
- حداکثر شتاب زمین
پدیدههای مشابه روانگرایی خاک
با وقوع روانگرایی، مقاومت خاک کاهش یافته و توانایی خاک زیر پی برای حفظ پایداری ساختمانها و پلها از بین میرود. همچنین خاک روان شده پشت دیوارهای حائل می تواند سبب نشست و تخریب دیوار حائل شود. چنانچه افزایش فشار آب منفذی در پشت سدها نیز میتواند سبب زمین لغزه و شکستن سدها شود. روانگرایی خاک در بسیاری از زلزلههای سالیان گذشته مشاهده شده است.
به دلیل اینکه روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت میگیرد این پدیده معمولاً در مناطق نزدیک آب همانند رودخانهها،دریاچهها ،خلیجها و اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد.
اصطلاح روانگرایی خاک معمولاً برای معرفی تعدادی از پدیدههای مشابه نیز بکار میرود. زیرا این پدیدهها اثراتی مشابه دارند و همین مسئله تشخیص آنها را از هم مشکل کرده است. این پدیدههای مرتبط عموماً به دو دسته زیر تقسیم بندی میشوند.
جریان روانگرایی (flow liquefaction)
پدیدهای است که در آن تعادل استاتیکی خاکهای رسوبی با مقاومت پسماند در اثر بارهای استاتیکی یا دینامیکی بهم میخورد. مقاومت پسماند مقاومت خاک روان شده است. برای مثال بار استاتیکی میتواند در اثر ساختمان جدیدی که روی شیب ساخته شده سبب وارد آمدن نیروی اضافی به خاک زیر پی شود. زلزلهها، انفجارات و شمع کوبی مثالهای از بارهای دینامیکی هستند که میتوانند موجب جریان روانگرایی شوند. همچنین یکبار که پدیده روانگرایی در خاک روی داد، خاک مستعد وقوع جریان روانگرایی است به طوری که خاک مقاومت کافی را برای تحمل استاتیکی همانند پیش از ناآرامی ندارد.
روانی مجدد (cyclic mobility)
این پدیده در اثر بارگذاری تکراری در خاکهای رسوبی با تنشهای برشی استاتیکی کمتر از مقاومت خاک روی میدهد. تغییر شکلهای ناشی از روانی دورهای به طور افزایشی بدلیل تنشهای استاتیکی و دینامیکی در هنگام زلزله گسترش مییابد. یکی از نتایج روانی دورهای پخش جانبی (Lateral spreading) خاک روی نواحی کم شیب و صاف کنار دریاها و رودخانه است. در زمینهای صاف به دلیل فشار آب منفذی بالا ایجاد شده در اثر پدیده روانگرایی سبب جریان سریع آب در سطح زمین میشود. این جریان هم در جریان زلزله و هم بعد از آن اتفاق میافتد.اگر جریان آب منفذی به اندازه کافی و به سرعت بالا بیاید سبب حرکت ذرات ماسه به سمت ترکها و روی دادن پدیده جوشش ماسه میشود. این پدیده بیشتر در مناطقی که تحت تاثیر پدیده روانگرای قرارگرفتهاند روی میدهد.
روشهـای ارزیابی خطر روانگرایی
خاک روانگرا شده به صورت یک سیال غلیظ رفتار مینماید و ممکن است جابجاییهای بزرگ در زمین ایجاد کند. وضعیت روانگرایی تا زمانی که اضافه فشار آب منفذی دوباره زهکشی شود و تماس میان ذرات خاک ایجاد شود ادامه خواهد یافت. در اثر این فرآیند برخی لایهها در زمین متراکم خواهند شد و نشستهای غالباً نامتقارن بر روی زمین مشاهده میشود. لایههای دیگر در شرایط خیلی سست باقی مانده و در معرض روانگرا شدن مجدد در طی زلزلههای آتی قرار خواهند گرفت. خرابیهای وسیع ناشی از تغییر شکلهای حاصل از روانگرایی در طی زلزلههای گذشته سبب شده تا این پدیده به یکی از مهمترین، پیچیدهترین و بحث برانگیزترین موضوعات در مهندسی ژئوتکنیک لرزهای تبدیل شود.
روشهـای ارزیابی خطر روانگرایی را میتوان به روشهـای کمی و کیفی تقسیم کـرد. از روشهـای کمی میتوان به روش سید و ادریــس، روش ونـگ (ارزیـابـی پتانسیل روانگرایی در خاکهای رسی)، مقاومت نفوذ استاندارد، آزمایش نفوذ مخروط و روشهای مبتنی بر عامل اطمینان اشـاره کرد. به طور کلی، احتمال وقوع روانگرایی در آبرفتهای جوان بیش از آبرفتهای قدیمی است. بنابراین، شرایط زمین شناسی، خا ک و نو ع رسوبات میتواند در تعیین کیفی قابلیت خطر مورد استفاده قرار گیرد.
جنس خا ک و رسوب
برای مطالعهی عامل خاک و رسوب در ارزیابی خطر روانگرایی سه طبقه در نظر گرفته میشود که شامل سیلت (ماسهی ریـز)، رس و شن (گراول یا ماسهی دشت) است و به ترتیب بیشترین رتبهی خطر، رتبهی خطر متوسط و رتبهی بدون خطر را به خود اختصاص میدهد. بیشترین مقاومت در برابر روانگرایی در خاکهایی با بافت درشـت یعنی شن و رس است. بنابراین در مطالعات روانگرایی خاک به رسوبات شنی ارزش صفر و به رسوبات حاوی رس به دلیل انتقال آسانتر ولی چسبندگی خوب ارزش عددی یک و به رسوبات سیلتی یا رسوبات رس و شن حاوی سیلت زیاد ارزش عددی دو داده میشود.
نوسان آب زیرزمینی
نقش آب زیرزمینی در روانگرایی خاک از طریق تأثیر آن بر از بین بردن چسبندگی خاک و ناپایداری زمین بروز میکند.
روانگرایی انواع خاکها
روانگرایی خاکهای ماسهای
مقدمه خاکهای ماسهای اشباع هنگامی که تحت اثر ارتعاشهای زلزله قرار گیرند، ممکن است شبیه گل مایع ناگهان به شکل یک سیال درآیند، این پدیده روانگرایی نامیده میشود. در مفهومی گستردهتر، پدیدهای که در اثر آن مصالح دانهای به علت ارتعاش به حالت مایع درآمده، خواه توده خاک به وسیله آب اشباع شده باشد یا نه، در بیان عمومی روانگرایی اطلاق میشود. روانگرایی خاکهای اشباع اغلب سبب خرابیهای وسیعی در محیط اطراف میشود.
مکانیزم روانگرایی خاکهای ماسهای
در خاکهای ماسهای قبل از اینکه زلزله و نیروهای ناشی از آن از طریق تماس ذرات بتوانند منتقل شـوند، ذرات خـاک دارای تماسهای پایداری بین یکدیگر هستند، این امر موجب میشود که مقاومت برشی خاک پایـداری سـازهای را کـه بر سـطح زمین قرار دارد، تامین نماید. هنگـامی کـه خاک در اثر تنشهای برشی ناشی از ارتعاشات زلزله، تغییر شکل میدهد، تماس میان ذرات از بین میرود، در نتیجه نیروهایی که اصولا” به وسیله تماسهای ذرات در امتداد قائم تحمل میشـدند، بـه آب منفذی منتقل میشوند، این حالت همان بروز شرایط روانگرایی خواهد بود. در ایـن حالـت تمـاس میـان ذرات از بـین رفته و مقاومت برشی خاک صفر میشود و خاک ماسهای رفتاری شبیه یک مایع که وزن مخصوص آن برابر خاک اشـباع است از خود نشان خواهد داد. بعد از روانگرایی همزمان با خروج آب تماس بین ذرات خاک مجدداً برقرار شده و گیرش مجدد توده خاک پس از وقوع مقدار زیادی نشـست خواهـد بـود. کـاهش حجم در خاک نشست کرده برابر حجم آب حفرهای است که از خاک خارج شده است.
مکانیزم اساسی روانگرایی در لایههای ماسهای اشباع و سست، افزایش تدریجی فشار منفذی در اثر اعمال تنشهای سیکلی حاصل از انتشار موج برشی زلزله است، یک المان خاک در زمین مسطح در شرایط طبیعی تحت تنشهای جانبی حاصل از وزن لایههای بالا قرار میگیرد. در هنگام اعمال تنشهای سیکلی به یک المان ماسه سست، تمایل به تراکم و در نتیجه کاهش حجم در آن المان وجود دارد. اگر زمان بارگذاری بسیار کمتر از زمان لازم برای زهکشی و خروج آب باشد، امکان کاهش حجم در زمان کوتاه ایجاد نشده و در نتیجه در وضعیت تنش سیستم تغییراتی ایجاد میشود، این تغییرات شامل کاهش تنش موثر بین ذرات و افزایش فشار منفذی است. بنابراین مقدار فشار منفذی ایجاد شده به وضعیت فشردگی، خصوصیات کاهش حجم المان در اثر بارگذاری، شدت و دوام بارگذاری بستگی پیدا میکند.
اگر ماسه به اندازه کافی سست و شدت بارگذاری به اندازه کافی بزرگ باشد، ممکن است فشار منفذی معادل تنش موثر اولیه بین ذرات شود. در این لحظه نیروهای بین ذرات از بین رفته و ذرات به صورت معلق و غوطه ور قرار میگیرند، به یک چنین وضعیتی روانگرایی گفته میشود. گروهی از محققین اعتقاد دارند که در این وضعیت مقاومت ذرات به حداقل رسیده و جسم در یک تنش موثر، تنش برشی و حجم ثابت به طور پیوسته تغییر شکل میدهد. پس از ایجاد روانگرایی، ذرات مجزای ماسه در آب رسوب کرده و پس از اتمام رسوب گذاری، ماسه در یک وضعیت متراکم تر قرار میگیرد.
پتانسیل روانگرایی خاکهای ریزدانه خمیری
پتانسیل روانگرایی خاکهای ریزدانه خمیری با استفاده از معیار چینی تعیین میشود. نکات مهم این معیار شامل موارد زیر است.
- درصد مواد ریزتر از ۰/۰۰۵ میلی متر< 20 %
- حد روانی <35%
- شاخص روانی > ۷۵
خاکهایی که دارای هر چهار شرط مزبور است، مستعد روانگرایی با افت قابل توجه مقاومت در نظر گرفته میشوند. به علاوه هر گونه خاک ریزدانهای که مقاومت به نفوذ استاندارد آن ۴ > N باشد مستعد روانگرایی با افت قابل توجه مقاومت تحت بار سیکلی شناخته میشود، صرف نظر از آنکه معیار چینی در مورد آنها صادق باشد یا خیر. معیار چینی معمولا” به صورت اکید بدون در نظر گرفتن عدم قطعیتهای ناشی از اندازهگیری پارامترهای این معیار به کار برده میشود.
روانگرایی خاکهای سیلتی
روانگرایی خاکهای اشباع اغلب سبب خرابیهای وسیعی در مصالح و محیط اطراف میشود. در مقایسه با خاکهای دانهای، بیشتر خاکهای ریزدانه مانند سیلتها، ماسههای سیلتی و رسها عموماً غیر روانگرا در نظر گرفته میشوند. مطالعات اخیر نشان میدهد که خاکهای ریزدانه، بخصوص سیلتها، ممکن است در شرایط خاص مستعد روانگرایی باشند.
پدیده روانگرایی در خاکهای ماسهای و سیلتی
در خاکهای ماسهای ذرات ماسه به وسیله اتصال بین ذرات نگهداری میشوند و نیرو میتواند از طریق این اتصالات منتقل شود، این امر سبب ایجاد مقاومت برشی شده و باعث میشود سازهای که بر روی سطح زمین قرار گرفته، به وسیله خاک تحمل شود. زمانی که خاک ماسهای در اثر تنش برشی ناشی از ارتعاش تغییر شکل میدهد، اتصال بین ذرات کم میشود، در نتیجه نیرویی که عموماً درجهت قائم و از میان نقاط اتصال تحمل میشود تبدیل به فشار آب حفرهای میشود که این حالت مربوط به پدیده روانگرایی است. بعد از روانگرایی اتصال بین ذرات خاک تماماً بازسازی میشود و این امر زمانی اتفاق میافتد که فشار آب حفرهای زائل شود.
از این رو اهمیت سیمانتاسیون در بالابردن مقاومت اتصال بین ذرات و افزایش مقاومت برشی کاملا” مشهود است. سیمانتاسیون می تواند بصورت طبیعی در خاک موجود باشد و یا از طریق فعالیتهای مصنوعی ناشی از مخلوط کردن و یا تزریق ایجاد شود. در محیط طبیعی، سیمانتاسیون به سبب رسوبات شیمیایی، پیامدهای جانبی هوازدگی، اثرات جوشکاری و اتصالات ناشی از ذرات رس به وجود آید.
ارزیابی استعداد روانگرایی خاکهای ریزدانه
گام اول در ارزیابی پتانسیل روانگرایی یک خاک بررسی استعداد روانگرایی در خاک محل است. شرط لازم برای ایجاد روانگرایی، اشباع یا نزدیک به اشباع بودن خاک است. خاکهای شنی تمیز (فاقد ریزدانه) معمولاً به ندرت در شرایط سست قرار میگیرند و به علت نفوذ پذیری بالا و امکان زهکشی سریع فشار آب منفذی در این خاکها امکان کمی برای روانگرایی آنها وجود دارد. همچنین به علت وزن بالای دانههای شنی در هنگام رسوبگذاری ثقلی، خود به خود در حالت متراکم یا با تراکم متوسط قرار میگیرند. در واقع به ندرت رسوبات شن با تراکم سست در طبیعت یافت میشوند. هر چند که خاکهای شنی محصور شده توسط خاکهای ریزدانه و همچنین لایههای شنی ضخیم به علت عدم پتانسیل زهکشی بالا استعداد بیشتری برای روانگرایی پیدا میکنند. خاکهای ماسهای و مخصوصاً خاکهای ماسهای لایدار مستعدترین خاکها برای روانگرایی هستند چون وزن مخصوص آنها به گونهای است که میتوانند به راحتی در حالت سست قرار گیرند (یعنی مستعد تولید فشار آب اضافی در حین زلزله هستند) و هم نفوذ پذیری آنها پایین است، این در حالی است که ساختگاههای متشکل از سیلتهای با خاصیت خمیری کم و همچنین رسهای سیلت دار به طور وسیعی در نقاط مختلف جهان از جمله ایران موجود هستند. در حالی که نظرات برخی محققان در طی چند دهه گذشته، نشانگر عدم استعداد روانگرایی در خاکهای ریزدانه است، ولی بررسی مشاهدات محلی حاکی از آن است که این خاکها نیز میتوانند پدیدهی روانگرایی را تجربه کنند.
استعداد روانگرایی ماسههای رسی و لای دار
| درصد رس | حد روانی کمتر از ۳۲ درصد | حد روانی بزرگتر یا مساوی ۳۲ درصد |
|---|---|---|
| درصد رس کمتر از ۱۰ | مستعد روانگرایی | نیاز به مطالعات بیشتر (با در نظر گرفتن ذرات خمیری غیر رسی نظیر میکا) |
| درصد رس بیشتر از ۱۰ | نیاز به مطالعات بیشتر (با در نظر گرفتن ذرات خمیری غیر رسی نظیر ضایعات معدنی) | غیر مستعد روانگرایی |
خاکهایی که کمتر از ۱۰ درصد ریزدانه ی رسی (کوچکتر از ۰/۰۰۲ میلیمتر) داشته باشند و همچنین حد روانی (حد ورانی مربیوط به بخش رده شده از الک نمره ۴۰) آنها کمتر از ۳۲ درصد باشد به عنوان مستعد روانگرایی در نظر گرفته میشود.
خاکهایی که بیشتر از ۱۰ درصد ریزدانه رسی داشته باشند و حد روانی آنها بیشتر یا برابر ۳۲ درصد باشد، مستعد وقوع روانگرایی ناشی از بارهای سیکلی نیستند.
برای ارزیابی استعداد روانگرایی خاکهای قرار گرفته در میان این دو معیار باید نمونه گیری کرده و آن را مورد آزمایش قرار داد.
با نممونه گیری از خاکهای ریزدانه خمیری و انجام آزمایشهای سیکلی بر روی آنها و در نهایت مقایسه این نتایج با عملکرد صحرایی مشاهده شده نکارت زیر حاصل شد.
- خاکهای با خاصیت خمیری بالاتر نسبت به مقادیر پیشنهاد شده معیار چینی ممکن است مستعد افزایش قابل توجه فشار منفذی سیکلی و در نتیجه کاهش مقاومت باشند.
- تحول در رفتار خاک، حتی در خاکهای با خاصیت خمیری بیشتر که به نظر نمیرسد مستعد اضافه فشار منفذی سیکلی و کاهش مقاومت مشابه با خاکهای سیلتی باشند بیشتر به صورت تدریجی است تا ناگهانی. خاکهای ماسهای و خاکهای سیلتی با خاصیت خمیری بسیار کمتر، تمایل به وقوع روانگرایی لرزهای و کاهش مقاومت شدید در کرنشهای برشی نسبتاً کم دارند. از سوی دیگر کاهش مقاومت و سختی در خاکهای با خاصیت خمیری بیشتر در کرنشهای برشی بزرگتر رخ میدهد.
انواع روشهای ارزیابی روانگرایی
ارزیابی عمومی روانگرایی (روش۱)
این روش برای پهنهبندی یک منطقه از لحاظ حرکت زمین و پایداری شیب بکار میرود و بر اساس دادههای قبلی (موجود) است.
- ارزیابی حداکثر گستردگی منطقه مستعد روانگرایی
- معیار بزرگی زلزله بر اساس فاصله
- معیار شدت زلزله
ارزیابی احتمال روانگرایی بر اساس دادههای موجود
- دادههای زمینشناسی و ژئومورفولوژیکی
- شاخص سختی روانگرایی که به عنوان جابجایی جانبی زمین در اثر روانگرایی تعریف میشود.
ارزیابی تفصیلی روانگرایی (روش۲)
بخاطر کامل نبودن ارزیابی که از روش اول بدست میآید ارزیابی تفصیلی انجام میگیرد. دادههای دیگری که در این روش استفاده میشود.
- تفسیر عکسهای هوایی برای بیان جزئیات اشکال زمینشناسی و ژئومورفولوژیکی
- مطالعات صحرایی و تقسیمبندی واحدهای مستعد روانگرایی
- تفسیر عکسهای هوایی بعد از سیل
- تحقیقات محلی و صحبت با اهالی برای جمعآوری دادههای تاریخی وقوع روانگرایی در زلزلههای گذشته
ارزیابی دقیق روانگرایی (روش۳)
ارزیابی دقیق علاوه بر اطلاعات قبلی نیاز به مطالعات ژئوتکنیکی و کاوشهای زیرسطحی و انجام آزمونهای صحرایی و آزمایشگاهی دارد.
برای ارزیابی پدیده روانگرایی برای یک پروژه خاص در صورت احتمال استعداد روانگرایی خاک محل نمیتوان به ارزیابیهای قبلی اکتفا نمود و نیازمند مطالعه دقیق طبق این روش است.
در این روش برآورد پتانسیل روانگرایی از گامهای زیر تشکیل شده است.
- تخمین مقاومت خاک موجود در محل در مقابل روانگرایی.
- تخمین ماکزیمم یا معادل تنش برشی سیکلی که احتمال وقوع در خاک در اثر زلزله را دارد.
- تخمین پتانسیل راوانگرایی رسوبات بر پایه اطلاعات(الف) و (ب).
مقاومت در برابر روانگرایی میتواند بر اساس آزمایشات آزمایشگاهی بر روی نمونههای دست نخورده مانند آزمایش برش سه محوری سیکلی و آزمایشهای صحرایی مثل SPT (آزمون نفوذ استاندارد) و CPT (آزمون نفوذ دینامیکی) انجام گیرد که عموماً از آزمایشهای صحرایی امروزه بیشتر استفاده مییشود چون مشکلات نمونهگیری دست نخورده را ندارد.
