8140
شناسه خبر: 8140
بازدید: 5

این مطلب به روش های کیفی، تحلیلی و تجربی ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک می پردازد. روش های کیفی ارزیابی وقوع روانگرایی هم در خاک های دانه ای و هم در خاک های ریزدانه کاربرد دارد. با ما همراه باشید.

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

در خاک های دانه ای استفاده از منحنی دانه بندی یکی از روش های کیفی جهت تعیین پتانسیل روانگرایی است. در ایـن روش دو پوش منحنی شکل 1 بر اساس ضریب یکنواختی خاک (رابطه 1) ارائه شده است، کـه عـدد Uc = 3.5 به عنوان معیار برای انتخاب میزان یکنواختی خاک تعیین شده است.

رابطه 1

رابطه 1

خاک هایی که منحنی دانه بندی آن ها بدین ترتیب در محدوده A قـرار مـی گیرنـد پتانسیل روانگرایی بـالاتری دارنـد و خاک هایی که در محدوده Bf و Bc قرار می گیرند دارای استعداد روانگرایی کمتری هسـتند. خاک هـایی کـه خـارج از ایـن محدوده ها قرار گیرند عملاً غیر روانگرا فرض می شوند.

در خاک های ریز دانه نیز پتانسیل روانگرایی وجود دارد. چنان که مطالعات ونگ نشان داده اسـت، انـواع خاصـی از خاک های رسی می توانند در اثر تکان های ناشی از زلزله با کاهش شدید مقاومت روبرو شوند. در این حالت در صورتی که مشخصـات زیـر در یـک خاک صادق باشد خاک مشکوک به روانگرایی بوده و لازم است احتمال وقـوع روانگرایـی بـا انجـام مطالعـات کمی و یـا آزمایشگاهی بررسی شود :

  • مقدار رس (ذرات ریزتر از 5 میکرون) کمتر از %15 وزنی باشد
  • حد روانی (LL) کمتر از %35 باشد
  • مقدار رطوبت طبیعی بیشتر از 0.9 برابر حد روانی باشد

پتانسیل روانگرایی

شکل 1 – نمودار تعیین امکان روانگرایی خاک های دانه ای از روی منحنی دانه بندی

روش های تحلیلی و تجربی ارزیابی پتانسیل روانگرایی

پتانسیل روانگرایی خاک ها با استفاده از ضریب روانگرایی و بر اساس رابطه زیر قابل ارزیابی است:

رابطه 2

رابطه 2

در این رابطه CRR نسبت مقاومت برشی تناوبی در برابر روانگرایی (یا نسـبت تـنش برشـی تنـاوبی جهـت ایجـاد روانگرایی) و CSR نسبت تنش برشی ایجاد شده توسط زلزله است. ضریب اطمینان کمتر از واحد در این رابطه نشان دهنده احتمال وقوع روانگرایی در مصالح می باشد.

1 . نسبت تنش برشی تناوبی (CSR)

نسبت تنش برشی تناوبی بر اساس رابطه 3 به صورت نسبت تنش برشی حاصل از بارگذاری تنـاوبی بـه تـنش قائم مؤثر تعریف می گردد. در بارگذاری لرزه ای، تنش برش تناوبی، برابر با تنش برشـی متوسـط ناشـی از زلزلـه در نظـر گرفته می شود که تقریباً معادل 65 درصد حداکثر تنش برشی ناشی از زلزله فرض می گردد.

رابطه 3

رابطه 3

در این رابطه τmax مقدار حداکثر تنش برشی تناوبی ناشی از زلزله است کـه در آبرفت هـای مسـطح مطـابق رابطـه زیـر محاسبه می شود:

رابطه 4

رابطه 4

سایر پارامترهای مورد استفاده در رابطه فوق عبارتند از :

amax شتاب ماکزیمم افقی در سطح زمین که بر اثر زلزله ایجاد می شود

g شتاب گرانشی

σv0 و σ,v0 به ترتیب تنش های کل و مؤثر ناشی از لایه ی سربار

rd ثابت کاهش تنش، که به منظور در نظر گرفتن انعطاف پذیری خاک در نظر گرفته شـده اسـت و از شـکل 2 تعیین می گردد.

روانگرایی

شکل 2 – نمودار تغییرات مقادیر rd در برابر عمق

بررسی های بعدی بر روی ضریب rd نشان داده است که این ضریب به بزرگی زلزله و سرعت موج برشی در خاک نیز وابسته است. به عنوان مثال در شکل 3 تغییرات این ضریب برای بزرگی های مختلف زلزله ارائه شده است. استفاده از این روابط و محاسبه نسبت تنش برشی تناوبی در شرایط عملی نظیر بررسی روانگرایی خاک در پـی سـدهای خاکی به همین شکل میسر نبوده و لازم است تا با استفاده از روش های دیگری نسبت بـه محاسـبه نسـبت تـنش برشـی تناوبی اقدام گردد چرا که با ساخت سد، علاوه بر تغییر تنش های قائم در خاک، تنش برشی اولیه نیز ایجاد می شود. از سوی دیگر وجود سد موجب تغییر در پاسخ سیستم سد و پی در برابر بارهای لرزه ای می شود.

تغییرات تنش

شکل 3 – تغییرات ضریب کاهش تنش با عمق و بزرگی زلزله

به منظور محاسبه نسبت تنش برشی تناوبی (CSR) در این شـرایط لازم اسـت تـا از تحلیل هـای دینـامیکی بـه روش معادل خطی بر روی سیستم سد و پی استفاده شود. پس از انجام تحلیل دینـامیکی، تاریخچـه ی تـنش برشی دینـامیکی ایجاد شده در هر نقطه ترسیم و در نهایت ماکزیمم تنش برشی دینامیکی به دست می آید. در شکل 4 تاریخچه تنش برشی دینامیکی خاک و حداکثر مقدار آن در یک نقطه نشان داده شده است.

تاریخچه تنش برشی

شکل 4 – تاریخچه تنش برشی تناوبی و حداکثر تنش برشی در تحلیل دینامیکی

2 . نسبت مقاومت برشی تناوبی (CRR)

نسبت مقاومت برشی تناوبی در برابر روانگرایی خاک را می توان از نتایج آزمایش های برجـا ماننـد آزمـایش نفـوذ اسـتاندارد SPT، آزمایش نفوذ مخروط CPT و آزمایش های سرعت امواج برشی محاسبه نمود. با توجه به کاربرد وسیع آزمـایش SPT در مطالعات ژئوتکنیک، در این قسمت تنها محاسبات بر مبنای این روش ارائه می گردد.

ساده ترین و کاربردی ترین روش برای تخمین نسبت مقاومت برشی خاک در برابـر روانگرایی، اسـتفاده از عـدد نفـوذ استاندارد می باشد. شکل 5 منحنی های مربوط به تخمین نسبت مقاومت برشی تناوبی را برای زلزله با بزرگی 7.5 و تنش مؤثر یک اتمسفر و در آبرفت های مسطح با استفاده از این روش نشان می دهد.

اگر مصالح از جنس ماسه تمیز باشد می توان از رابطه زیر برای تخمین مقاومت برشی تناوبی خاک بهـره گرفـت. لازم به ذکر است این رابطه نیز همانند منحنی های فوق با فرض رخداد زلزله ای به بزرگای 7.5 تعمیم یافته است :

رابطه 5

رابطه 5

که در این رابطه N1 عدد نفوذ استاندارد اصلاح شده برای مصالح ماسه ای تمیز می باشـد.

رابطه نسبت برش تناوبی با N1

شکل 5 – رابطه بین نسبت مقاومت برشی تناوبی خاک و N1 برای زلزله با بزرگای 7.5 ریشتر

جهت محاسبه مقدار نسبت تنش برشی تناوبی در سایر بزرگاهای لرزه ای، سطوح تنش بیش از یک اتمسفر و سـطوح شیب دار و یا لایه هایی که در آنها تنش برشی اولیه وجود دارد، لازم است مقدار مقاومت برشی تناوبی در سطح تنش یک اتمسفر و بزرگای زلزله 7.5 (CRR7.5) در ضرایب اصلاح تنش نرمال اولیه Kσ، اصلاح تنش برشی استاتیکی اولیه Ka و اصلاح بزرگای زلزله MSF مطابق رابطه زیر ضرب شود:

رابطه 6

رابطه 6

کمیته NCEER ضریب MSF را به صورت شکل 6 معرفی نمـوده است کـه بـر ایـن اسـاس Youd و همکـارانش رابطـه 7 را ارائه نمودند.

رابطه 7

رابطه 7

منحنی های محاسبه اصلاح

شکل 6 – منحنی های محاسبه اصلاح نسبت مقاومت برشی تناوبی نسبت به بزرگای زلزله

با توجه به افزایش زیاد ضریب MSF در زلزله های با بزرگای کمتر، ادریس مقـدار 1.8 را بـه عنـوان حـد بـالای ایـن ضریب معرفی کرده و رابطه 8 را پیشنهاد می نماید :

رابطه 8

رابطه 8

ضریب اصلاح تنش را نیز می توان از شکل 7 محاسبه نمود.

ضریب اصلاح تنش

شکل 7 –  ضریب اصلاح تنش

رابطه زیر برای محاسبه مقادیر ضریب اصلاح تنش برشی اولیه در شیروانی ها و پـی سـدهای خـاکی کـه دارای تـنش برشی اولیه می باشند ارائه شده است :

رابطه 9

رابطه 9

که در این رابطه ضرائب b ،a و c توابعی بر حسب ضریب نسبت تنش برشی اولیه به تنش قائم مؤثر اولیـه هستند، ξR نیز وابسته به جنس دانسیته و وضعیت تنش برجای مصالح بوده و از رابطه زیر محاسبه می شود :

رابطه 10

روابط 10

در رابطه فوق Dr دانسیته نسبی مصالح و Ko ضریب فشار جانبی در حالت سکون می باشند. پارامتر Q نیز بستگی بـه نوع دانه ها دارد و برای فلدسپات و کوارتز تقریباً برابر 10 و برای سنگ آهک برابر 8 و برای زغال سـنگ (خـالص کـه تـا حدود %95کربن دارد) برابر 7 و نهایتاً برای گچ برابر با 5.5 می باشد.

برای محاسبه دانسیته نسبی نیز می توان از رابطه زیر و یا نمودار شکل 8 بهره گرفت :

رابطه 11

رابطه 11

در این رابطه مقدار ضریب β در مصالح مختلف بین 33 و 84 تغییر می کند و برای ماسه تمیز می توان عـدد 46 را اختصاص داد.

رابطه بین دانسیته نسبی و عدد نفوذ استاندارد

شکل 8 – رابطه بین دانسیته نسبی و عدد نفوذ استاندارد

نویسنده

مجید غواصیه
فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. موضوعات مورد علاقه من راه سازی، حمل و نقل، مهندسی ترافیک و مسائل مربوط به محیط زیست می باشد.

مشاوره از طریق واتساپ