ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک با روش های کیفی و تحلیلی

این مطلب به روش هاي كيفي، تحلیلی و تجربی ارزيابي پتانسیل روانگرایی خاک می پردازد. روش هاي کیفی ارزيابی وقوع روانگرایی هم در خاك هاي دانه ای و هم در خاك هاي ریزدانه كاربرد دارد. با ما همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه: نحوه وقوع روانگرایی در خاک و راه های مقابله با آن

در خاك هاي دانه ای استفاده از منحني دانه بندي يكي از روش هاي کیفی جهت تعيين پتانسیل روانگرایی است. در ايـن روش دو پوش منحني شکل 1 بر اساس ضريب یكنواختی خاك (رابطه 1) ارائه شده است، كـه عـدد U_c = 3.5 به عنوان معيار براي انتخاب ميزان يكنواختي خاك تعيين شده است.

رابطه 1

خاك هايي كه منحني دانه بندي آن ها بدين ترتیب در محدوده A قـرار مـي گیرنـد پتانسیل روانگرایی بـالاتری دارنـد و خاك هايي كه در محدوده B_f و B_c قرار مي گيرند داراي استعداد روانگرايي كمتري هسـتند. خاك هـايي كـه خـارج از ايـن محدوده ها قرار گيرند عملاً غير روانگرا فرض مي شوند.

در خاك هاي ریز دانه نیز پتانسیل روانگرایی وجود دارد. چنان كه مطالعات ونگ نشان داده اسـت، انـواع خاصـي از خاك هاي رسي می توانند در اثر تكان هاي ناشي از زلزله با كاهش شدید مقاومت روبرو شوند. در اين حالت در صورتي كه مشخصـات زيـر در يـك خاك صادق باشد خاك مشكوك به روانگرايي بوده و لازم است احتمال وقـوع روانگرايـي بـا انجـام مطالعـات كمي و يـا آزمايشگاهي بررسي شود :

• مقدار رس (ذرات ريزتر از 5 میكرون) كمتر از %15 وزني باشد
• حد رواني (LL) كمتر از %35 باشد
• مقدار رطوبت طبيعي بیشتر از 0.9 برابر حد رواني باشد

شكل 1 – نمودار تعيين امكان روانگرايي خاك هاي دانه ای از روي منحني دانه بندي

روش هاي تحليلی و تجربی ارزيابی پتانسیل روانگرایی

پتانسیل روانگرایی خاك ها با استفاده از ضريب روانگرايي و بر اساس رابطه زیر قابل ارزيابي است:

رابطه 2

در اين رابطه CRR نسبت مقاومت برشي تناوبي در برابر روانگرايي (يا نسـبت تـنش برشـي تنـاوبی جهـت ايجـاد روانگرايي) و CSR نسبت تنش برشي ایجاد شده توسط زلزله است. ضريب اطمینان كمتر از واحد در اين رابطه نشان دهنده احتمال وقوع روانگرايي در مصالح مي باشد.

1 . نسبت تنش برشي تناوبي (CSR)

نسبت تنش برشي تناوبي بر اساس رابطه 3 به صورت نسبت تنش برشي حاصل از بارگذاري تنـاوبی بـه تـنش قائم مؤثر تعريف مي گردد. در بارگذاري لرزه اي، تنش برش تناوبی، برابر با تنش برشـي متوسـط ناشـي از زلزلـه در نظـر گرفته مي شود كه تقريباً معادل 65 درصد حداكثر تنش برشي ناشي از زلزله فرض مي گردد.

رابطه 3

در اين رابطه τ_max مقدار حداكثر تنش برشي تناوبي ناشي از زلزله است كـه در آبرفت هـاي مسـطح مطـابق رابطـه زيـر محاسبه مي شود:

رابطه 4

ساير پارامترهای مورد استفاده در رابطه فوق عبارتند از :

a_max شتاب ماكزيمم افقي در سطح زمین كه بر اثر زلزله ايجاد مي شود

g شتاب گرانشي

σ_{v0 و} σ^,_v0 به ترتیب تنش هاي كل و مؤثر ناشي از لايه ی سربار

r_d ثابت كاهش تنش، كه به منظور در نظر گرفتن انعطاف پذيري خاك در نظر گرفته شـده اسـت و از شـكل 2 تعيين می گردد.

شكل 2 – نمودار تغييرات مقادیر r_d در برابر عمق

بررسي هاي بعدي بر روي ضريب r_d نشان داده است كه اين ضریب به بزرگي زلزله و سرعت موج برشي در خاك نيز وابسته است. به عنوان مثال در شكل 3 تغييرات اين ضريب برای بزرگي هاي مختلف زلزله ارائه شده است. استفاده از این روابط و محاسبه نسبت تنش برشي تناوبي در شرايط عملی نظير بررسی روانگرایی خاک در پـي سـدهاي خاكي به همين شكل میسر نبوده و لازم است تا با استفاده از روش هاي دیگري نسبت بـه محاسـبه نسـبت تـنش برشـي تناوبي اقدام گردد چرا كه با ساخت سد، علاوه بر تغيير تنش های قائم در خاك، تنش برشي اولیه نیز ایجاد مي شود. از سوي دیگر وجود سد موجب تغيير در پاسخ سيستم سد و پی در برابر بارهاي لرزه ای می شود.

شكل 3 – تغييرات ضريب كاهش تنش با عمق و بزرگي زلزله

به منظور محاسبة نسبت تنش برشي تناوبي (CSR) در اين شـرایط لازم اسـت تـا از تحليل هـاي دینـاميكي بـه روش معادل خطي بر روي سيستم سد و پی استفاده شود. پس از انجام تحلیل دينـاميكي، تاریخچـه ی تـنش برشي دینـاميكي ایجاد شده در هر نقطه ترسیم و در نهايت ماكزیمم تنش برشي دینامیکی به دست مي آید. در شكل 4 تاريخچه تنش برشي دیناميكي خاك و حداكثر مقدار آن در يك نقطه نشان داده شده است.

شكل 4 – تاريخچه تنش برشي تناوبي و حداكثر تنش برشي در تحليل دینامیکی

2 . نسبت مقاومت برشي تناوبي (CRR)

نسبت مقاومت برشي تناوبي در برابر روانگرایی خاک را مي توان از نتايج آزمایش هاي برجـا ماننـد آزمـايش نفـوذ اسـتاندارد SPT، آزمایش نفوذ مخروط CPT و آزمایش هاي سرعت امواج برشي محاسبه نمود. با توجه به كاربرد وسيع آزمـایش SPT در مطالعات ژئوتكنيك، در اين قسمت تنها محاسبات بر مبناي اين روش ارائه می گردد.

ساده ترین و كاربردی ترين روش براي تخمین نسبت مقاومت برشي خاك در برابـر روانگرايي، اسـتفاده از عـدد نفـوذ استاندارد مي باشد. شكل 5 منحني هاي مربوط به تخمين نسبت مقاومت برشي تناوبي را براي زلزله با بزرگي 7.5 و تنش مؤثر يك اتمسفر و در آبرفت هاي مسطح با استفاده از اين روش نشان مي دهد.

اگر مصالح از جنس ماسه تميز باشد می توان از رابطه زير برای تخمين مقاومت برشي تناوبي خاك بهـره گرفـت. لازم به ذكر است اين رابطه نيز همانند منحنی هاي فوق با فرض رخداد زلزله ای به بزرگاي 7.5 تعميم یافته است :

رابطه 5

كه در اين رابطه N₁ عدد نفوذ استاندارد اصلاح شده براي مصالح ماسه ای تميز می باشـد.

شكل 5 – رابطه بين نسبت مقاومت برشي تناوبي خاك و N₁ براي زلزله با بزرگاي 7.5 ریشتر

جهت محاسبه مقدار نسبت تنش برشي تناوبي در ساير بزرگاهای لرزه ای، سطوح تنش بيش از یك اتمسفر و سـطوح شیب دار و یا لايه هايي كه در آنها تنش برشي اوليه وجود دارد، لازم است مقدار مقاومت برشي تناوبي در سطح تنش يك اتمسفر و بزرگاي زلزله 7.5 (CRR_7.5) در ضرايب اصلاح تنش نرمال اوليه Kσ، اصلاح تنش برشي استاتیكي اولیه Ka و اصلاح بزرگاي زلزله MSF مطابق رابطه زير ضرب شود:

رابطه 6

كميته NCEER ضريب MSF را به صورت شكل 6 معرفي نمـوده است كـه بـر ايـن اسـاس Youd و همكـارانش رابطـه 7 را ارائه نمودند.

رابطه 7

شكل 6 – منحني هاي محاسبه اصلاح نسبت مقاومت برشي تناوبي نسبت به بزرگاي زلزله

با توجه به افزايش زیاد ضريب MSF در زلزله هاي با بزرگاي كمتر، ادريس مقـدار 1.8 را بـه عنـوان حـد بـالاي ايـن ضريب معرفی كرده و رابطه 8 را پيشنهاد مي نماید :

رابطه 8

ضريب اصلاح تنش را نیز می توان از شكل 7 محاسبه نمود.

شكل 7 –  ضریب اصلاح تنش Kσ

رابطه زير برای محاسبه مقادير ضریب اصلاح تنش برشي اوليه در شيرواني ها و پـي سـدهاي خـاكي كـه داراي تـنش برشي اوليه می باشند ارائه شده است :

رابطه 9

كه در اين رابطه ضرائب b ،a و c توابعي بر حسب ضريب نسبت تنش برشي اوليه به تنش قائم مؤثر اوليـه هستند، ξ_R نیز وابسته به جنس دانسيته و وضعيت تنش برجای مصالح بوده و از رابطه زیر محاسبه می شود :

رابطه 10

در رابطه فوق D_r دانسيته نسبي مصالح و K_o ضريب فشار جانبی در حالت سكون مي باشند. پارامتر Q نيز بستگی بـه نوع دانه ها دارد و براي فلدسپات و كوارتز تقریباً برابر 10 و برای سنگ آهك برابر 8 و برای زغال سـنگ (خـالص كـه تـا حدود %95كربن دارد) برابر 7 و نهایتاً براي گچ برابر با 5.5 می باشد.

براي محاسبه دانسيته نسبي نيز می توان از رابطه زیر و یا نمودار شكل 8 بهره گرفت :

رابطه 11

در این رابطه مقدار ضريب β در مصالح مختلف بين 33 و 84 تغيير می كند و براي ماسه تميز می توان عـدد 46 را اختصاص داد.

شكل 8 – رابطه بين دانسیته نسبي و عدد نفوذ استاندارد