پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
روش‌های مقابله با روانگرایی خاک
روانگرایی خاک پدیده‌ای است که اغلب در ماسه‌های ریز تا متوسط به وقوع می‌پیوندد. در خاکهای 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 خاک صفر میشود. خاک ماسه‌ای رفتاری شبیه یک مایع که وزن مخصوص آن برابر خاک اشباع است، ازخود نشان می‌دهد. مکانیزم اساسی روانگرایی در لایه‌های ماسه‌ای اشباع و سست، افزایش تدریجی فشار آب منفذی در اثر اعمال تنش‌های سیکلی حاصل از انتشار موج برشی زلزله است. اگر ماسه به اندازه کافی سست و شدت بارگذاری به اندازه کافی بزرگ باشد، ممکن 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 یک 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 روانگرایی خاک
عوامل موثر بر مقاومت روانگرایی عوامل موثر بر مقاومت روانگرایی به شرایط بارگذاری، خاک، تنش و… تقسیم 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 طریق می‌تواند تأثیر گذار باشد.
- تأثیر بارهای دینامیکی بر رو سازه
- تأثیر بارهای دینامیکی بر زیر سازه
عملکرد نامناسب زیر سازه و تغییر در ظرفیت باربری پی در مقابل بارهای دینامیکی وارده باعث بوجود آمدن خسارات زیادی به سازه‌ها است. بارهای ارتعاشی ناشی از زمین لرزه در قسمت خاک زیر سازه ممکن است باعث ایجاد روانگرایی، گسترش جانبی، رانش و لغزش شیروانی‌های طبیعی شود.
مخاطرات ژئوتکنیکی در حین زلزله
در هنگام وقوع زمین لرزه، علاوه بر آسیب‌های وارد بر سازه، آسیب‌های دیگری نیز ممکن است به خاک زیر پی وارد شود. عمده‌ترین این خسارات شامل موارد زیر است.
- تحمیل نشست‌های اضافی بر سازه
- لغزش شیروانی‌های خاک
- روانگرایی خاک
- گسیختگی (گسترش جانبی افت ظرفیت باربری شکست گسل‌ها)
- جوشش ماسه
که تمامی این حالات، انهدام پی سازه را به همراه خواهد داشت.
تقویت خاکهای با قابلیت روانگرایی
زمانی که ساختگاهی با پتانسیل روانگرایی وجود دارد، اغلب به منظور محافظت و تامین عملکرد سازه، تقویت خاک مورد نیاز است. توجه به مکانیزم روانگرایی به اندازه علت و شکل خسارت وارد به سازه‌ها دارای اهمیت است. تقویت ساختگاه در برابر روانگرایی می‌تواند به دو بخش زیر دسته بندی شود.
- مقابله با روانگرایی با بهسازی خاک
- مقابله با روانگرایی در تعامل با طراحی سازه
در عمل ترکیبی از این دو روش اغلب مناسب بنظر می‌رسد.
روش‌های تقویت در مقابل روانگرایی
تراکم
روش‌های مبتنی بر تراکم به منظور بالا بردن مقاومت خاک و متراکم کردن خاک ماسه‌ای با استفاده از ضربه و ارتعاش بطور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش معمولاً فشار خاک را افزایش می‌دهد و باعث ارتعاش و ایجاد سر و صدا حین تراکم میشود. بنابراین اثر تراکم روی خاک مجاور و سازه‌های همسایه حین اجرای روش قابل ملاحظه است، به علاوه زمانی که درصد ریزدانه خاک زیاد باشد، تراکم مشکل است. تراکم لایه خاک به عنوان یک روش اجرای تقویت در مقابل روانگرایی با استفاده از میله فولادی یا غلاف فولادی برای اعمال نیرو به شن و ماسه خاک با قابلیت روانگرایی و اعمال ارتعاشات قوی در این خاک‌ها بکار می‌رود.
استهلاک فشار آب منفذی
در مقابله با روانگرایی مبتنی بر استهلاک فشار آب منفذی، سرعت کاهش اضافه فشار آب منفذی تولید شده در خاک ماسه‌ای حین زلزله افزایش یافته و با استفاده از اجرای شمع‌های زهکشی، اضافه فشار آب منفذی کاهش می‌یابد.
روش زهکشی باعث کاهش لرزش و سر و صدا میشود و همچنین تاثیر روی محیط اطراف را به حداقل می‌رساند که این مزایا از برتری‌های روش زهکشی در مقایسه با روش تراکم است. این روش اغلب زمانی استفاده میشود که اجرای روش‌های دیگر مانند تراکم مشکل باشد. به عنوان یک راهکار برای تقویت روانگرایی، زهکشی آب از طریق یک شمع است که این روش اثر استهلاک اضافه فشار آب حفره‌ای را با مقاومت شمع ترکیب می‌کند. در خاکهای با نفوذ پذیری پائین و درصد بالای ریزدانه، کاربرد روش زهکشی مشکل است.
سیمانتاسیون و جامد سازی
سیمانتاسیون از جمله روش‌های اجرای تقویت روانگرایی است که شامل روش‌های مخلوط عمیق و روش پیش مخلوط است. روش مخلوط عمیق با اختلاط مواد تثبیت کننده مثل سیمان در خاک ماسه‌ای و جامد سازی خاک باعث ایجاد مقاومت در برابر روانگرایی میشود. این روش حتی برای مقاوم سازی خاک زیر سازه‌های موجود نیز بکار می‌رود. در این روش با مقید کردن تغییر شکل‌های برشی، خاک زیر ساختمان از طریق ایجاد دیوار زیرزمین در مقابل روانگرایی تقویت میشود. به عبارت دیگر تقویت روانگرایی در این شرایط امکان خواهد داشت حتی زمانی که خاک با امکان روانگرایی در زیر سازه‌های موجود، مثل یک خاکریز وجود داشته باشد. در این صورت پیرامون سازه یک دیوار بهسازی شده اجرا میشود. در این روش مصالح تثبیت کننده مثل سیمان با خاک مخلوط و سخت میشود. دو رویکرد وجود دارد.
یکی بهسازی و جامد سازی همه خاک و دیگری بهسازی جزئی، که یک دیوار جامد در خاک ایجاد میشود. تاثیر این روش روی محیط اطراف حداقل است. روش پیش مخلوط با اضافه کردن مصالح تثبیت کننده به خاک و ماسه از قبل و ریختن خاک بهسازی شده در آب با لوله‌های ترمی یا بارج‌های مخصوص انجام میشود. با انجام تقویت در مقابل روانگرایی، بعد از جایگزینی خاک مخلوط، روشی مثل تراکم مورد نیاز نبوده و دوره زمانی ساخت کاهش می‌یابد. در این روش، در محل مورد نظر، مدفنی با اضافه کردن یک مصالح تثبیت کننده مثل سیمان از قبل با خاک مخلوط میشود و تقویت روانگرایی بدنبال ایجاد مدفن نیاز نیست. و از آنجائی که خاک با یک مصالح تثبیت کننده مخلوط شده و در آب ریخته میشود، کنترل کیفیت آب مورد نیاز است. در این روش، دوره ساخت به دلیل اجرای همزمان تقویت در برابر روانگرایی و خاکریزی کاهش یافته و بهسازی می‌تواند در حجم بزرگی انجام شود.
عواملی که در روش سیمانتاسیون و جامد سازی باید مورد توجه قرار گیرند، کنترل کیفیت بهسازی مقطع خاک، کنترل مخلوط مصالح تثبیت کننده و کنترل کیفیت آب منطقه است.
جایگزینی
روشی است که در آن خاک محل با مصالحی که پتانسیل روانگرایی ندارد، جایگزین میشود. شن و خاک مخلوط شده با سیمان، مصالحی بدون قابلیت روانگرایی هستند که در روش جایگزینی برای مقابله با روانگرایی استفاده می‌شوند. در اجرای این روش ارزیابی و کنترل پایداری خاکبرداری در حین جایگزینی ضروری است. همچنین نیاز به مدیریت خاکبرداری خاک و ماسه است.
پایین آوردن سطح آب زیرزمینی
تقویت در برابر روانگرایی از طریق پایین آوردن سطح آب زیرزمینی بر اساس غیر اشباع ساختن خاک، پایین آوردن سطح آب زیرزمینی و افزایش تنش موثر در خاک زیرسطح آب زیرزمینی بدست می‌آید. در این روش، سطح آب همواره باید پایین نگهداشته شود. بنابراین هزینه اصلی آن بهره برداری ونگهداری سیستم پمپاژ آب از عمق چاه استد که باید مد نظر قرار گیرد.
مقید کردن کرنش برشی
در روش اجرای تقویت بر اساس مقید کردن کرنش برشی، با اجرای دیوار زیرزمینی پیوسته زیر سطح زمین، کرنش برشی در حین زلزله مقید میشود. این روش به سادگی، خاک با قابلیت روانگرایی را با دیوار پیوسته‌ای احاطه می‌کند و بنابراین در مورد سازه‌های موجود، برای خاک در عمق، جائی که تقویت در برابر روانگرایی با دیگر روش‌ها مشکل است، می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
پیش بارگذاری
افزایش مقاومت در مقابل روانگرایی از طریق روش پیش بارگذاری با بیش تحکیم یافته کردن خاک توسط سربار خاکریز امکان پذیر است. این روش را می‌توان در خاکهای با درصد بالای ریزدانه بکار برد. همچنین می‌توان پیش بارگذاری را با بیش تحکیم کردن خاک از طریق پایین بردن سطح آب زیرزمینی حتی زیر سازه‌های موجود اعمال کرد.
اثر سیمانتاسیون بر روانگرایی خاکهای 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 یک فاکتور 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، اکسیدهای آهن وسیلیکات است. نتایج این تحقیقات نشان می‌دهد که این نوع خاک‌ها حساس و مستعد به هم خوردگی بوده و تعدادی از آنها تحت تاثیر این فاکتور قرار گرفته‌اند. با این وجود، در همه مطالعات موارد زیر در ماسه‌های سیمان شده مشاهده میشود.
- خاک‌ها چسبندگی مشخصی داشته و اصولاً یک پوش گسیختگی موهر- کولمب خطی را از خود نشان می‌دهند. همچنین در مناطق تنش کششی مقاومت‌های کوچکی دارند.
- زوایای اصطکاک پوش گسیختگی دارای محدوده یکسانی همانند ماسه سیمان نشده است.
- گسیختگی ماسه‌ها در تنش‌های محدود کننده پایین با شکنندگی همراه است اما در تنش‌های محدود کننده بزرگتر، ماسه تمایل به چکش خوارگی پیدا می‌کند.
- عموماً اثر سیمانتاسیون در ماسه‌های گرد گوشه نسبت به ماسه‌های زاویه‌دار کمتر است.
- با استفاده از مواد مناسب می‌توان ماسه‌های مصنوعی سیمان شده‌ای را ساخت که مشابه مدل ماسه‌های طبیعی سیمان شده رفتار کنند.
اگر چه آزمایش‌های دینامیکی نسبت به استاتیکی برای ماسه‌های سیمان شده کمتر انجام پذیرفته، اما تمایل به انجام این آزمایش‌ها رشد زیادی یافته است. تحقیقات با استفاده از دستگاه تنش سه محوری با بارگذاری سیکلی و در موارد کمتری از دستگاه برش ساده و ستون تشدید انجام پذیرفته است. نتایج حاصل از تحقیقات انجام شده برای بررسی مقاومت روانگرایی خاکهای ماسه‌ای به صورت زیر خلاصه میشود.
- ماسه سیمان شده غیر متراکم، از جهات متعددی عکس العمل مشابه با ماسه سیمان شده متراکم 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 نکته اساسی در هنگام بررسی ماسه‌های سیمان شده وجود دارد که در ماسه‌های سیمان نشده چندان اهمیت ندارند، اولین نکته، تراکم نسبی ماسه است. در ماسه‌های سیمان نشده تعریف واضحی برای تعیین این پارامتر وجود دارد حتی اگر مشکلات تجربی در تعیین آن وجود داشته باشد. در ماسه‌های سیمان شده تعیین تراکم نسبی با مشکلات عملی همراه است و هیچ راهی برای تشخیص آن وجود ندارد. همچنین از بابت به کار بردن مفاهیم نمی‌توان اطمینان داشت.
برای تعیین تراکم نسبی یک ماسه سیمان شده می‌بایست ذرات خاک را از هم جدا نمود. اما این عمل منجر به شکست مواد سیمان شده، افزایش مواد ریزدانه به توده خاک غیردانه‌ای و جداشدن دانه‌ها میشود.
نکته دوم این که در ماسه‌های سیمان شده اهمیت دارد، درصد سیمان به نسبت وزن نمونه است. نمونه‌های متراکم‌تر سیمانتاسیون بیشتری دارند، ازاین رو وزن مخصوص و سیمانتاسیون پارامترهای مستقلی نیستند. در حقیقت در حالت متراکم‌تر، یا سیمانتاسیون اثر بیشتری دارد و یا اینکه سیمان بیشتری وجود دارد. علت آن است که در نمونه متراکم چون وزن مخصوص بیشتر است، سیمان بیشتری برای یک درصد خاص نسبت سیمان به وزن، مورد نیاز است. بنابراین تنها در نظر گرفتن مقدار سیمان در ماسه برای تعیین مقاومت یا سطح سیمانتاسیون کافی نیست ومی بایست دانسیته نیز مشخص باشد.
روش‌های اجرای سیمانتاسیون
سیمانتاسیون می‌تواند طبیعی باشد و یا بصورت مصنوعی ایجاد شود. سیمانتاسیون در طبیعت ممکن است به علت وجود رس، سیلت، اکسیدهای آهن، سیلیکات و رسوبات شیمیایی باشد یا از پیامدهای جانبی هوازدگی و اثرات جوشکاری حاصل شود. مطالعات نشان می‌دهد که افزایش این عامل باعث بالارفتن مقاومت خاک در برابر روانگرایی میشود. بنابراین در خاکهای سیمان نشده می‌توان با ایجاد سیمانتاسیون مصنوعی از طریق تزریق یک عامل سیمانتاسیون، مقاومت آنها را در برابر روانگرایی افزایش داد.
سیمانتاسیون یکی از روش‌های تقویت در مقابل روانگرایی است که شامل روش‌های مخلوط عمیق و پیش مخلوط است. در روش مخلوط عمیق، اختلاط مواد تثبیت کننده مثل سیمان در خاک ماسه‌ای و جامد سازی خاک، باعث ایجاد مقاومت در برابر روانگرایی میشود. در روش پیش مخلوط، مقدار کمی از مصالح تثبیت کننده و یک ماده مضاف شیمیایی با خاکریزی و پشته ریزی در داخل سازه‌ای محفظه‌ای به منظور بدست آوردن یک مصالح پرکننده جدید بدون روانگرایی با یکدیگر مخلوط می‌شوند و در محل مورد نظر، ناحیه‌ای تثبیت شده ایجاد می‌کنند. اصول این روش، جلوگیری از روانگرایی با ایجاد سیمانتاسیون بین ذرات خاک از طریق استفاده ماده‌ای تثبیت کننده مثل سیمان است.
مزایای این روش
- مقاوم سازی در مقابل روانگرایی بعد از کامل شدن خاکریزی دیگر مورد نیاز نیست. دوره کاری کوتاه شده و همچنین نیروی کاری کاهش می‌یابد.
- خاکریزی با یک نوار نقاله، شوت یا جایگزینی مستقیم با استفاده از یک بارج و ریختن در عمق، برای اجرا در محل‌‌های آبی عمیق انجام میشود.
- مقاومت خاک بهسازی شده می‌تواند بهینه شود.
- برای تاسیسات و مخازن موجود می‌تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد بدون این که نیاز به تجهیزات اجرایی خاصی باشد.
- علاوه بر مقابله با روانگرایی، می‌توان انتظار داشت که اثر فشار جانبی خاک کاهش یافته و در نتیجه ابعاد سازه در معرض فشار خاک مثل دیوار ساحلی پرده سپری کاهش یابد، بنابراین از لحاظ اقتصادی می‌تواند قابل ملاحظه باشد.
- هیچ اثر سوئی بر پرده سپرهایی که خاک پشت آنها متراکم شده، وجود ندارد.
- از لایروبی ماسه به طور موثر استفاده میشود.
معایب این روش
- تغییرات مقاومت مقطع خاک بهسازی شده وابستگی زیادی به نوع ماسه و مراحل جایگزینی دارد.
- با تثبیت مصالح مقداری هزینه اضافی به پروژه تحمیل میشود.
- باید اثرات و مشکلات زیست محیطی نظیر این روش بر کیفیت آب‌های محل بررسی شود.
- استفاده از این روش به حفاری یا جایگزینی خاک و زمین‌هایی که به تازگی احیاء شده، محدود میشود.