روانگرایی خاک (Soil liquefaction) یک پدیده رایج در مهندسی زلزله است. در این حالت خاک به طور موقت از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می شود و جریان پیدا می کند. در صورت وجود سازه در زمین در هنگام پدیده روانگرایی، تعادل استاتیکی سازه به هم می خورد و در بهترین حالت به طور یکنواخت نشست می‌کند. در صورت عدم اتخاذ تدابیر مناسب برای مقابله با روانگرایی خاک، این وضعیت می تواند باعث آسیب ساختاری شود. تأثیر مستقیم روانگرایی بر ایمنی سازه ها، آن را به موضوع مهمی در مهندسی زلزله، سازه و ژئوتکنیک تبدیل کرده است. در این مقاله، به معرفی پدیده روانگرایی خاک و هم چنین روش های مقابله با روانگرایی خاک خواهیم پرداخت.
شرکت مقاوم سازی آشیان پی یکی از معتبرترین شرکت های ارائه دهنده خدمات مقاوم سازی سازه است. آشیان پی دارای سابقه ای بیش از چند دهه در زمینه مقاوم سازی با FRP و… است. برای دریافت مشاوره در زمینه خدمات مهندسی و روش های مختلف مقاوم سازی ساختمان با واحد مهندسی آشیان پی تماس بگیرید.
روانگرایی خاک چیست؟
روانگرایی خاک پدیده ای است که اغلب در ماسه های ریز تا متوسط رخ می دهد. در خاک های ماسه ای، ذرات ماسه توسط پیوندهای بین ذرات به هم متصل می شوند و نیرو می تواند از طریق این پیوندها منتقل شود. در هنگام روانگرایی این پیوند از بین می رود و نیروی بین آنها به فشار حفره ای تبدیل می شود و مقاومت برشی خاك صفر می‌شود. خاک ماسه ای مانند یک مایع رفتار می کند و وزن مخصوص آن مانند خاک اشباع است. مکانیسم اصلی روانگرایی در لایه‌های ماسه‌ای سست و اشباع، افزایش تدریجی فشار آب منفذی در اثر اعمال تنش‌های چرخه‌ای است که نتیجه انتشار امواج برشی لرزه‌ای است. اگر ماسه به اندازه کافی سست باشد و نیروی بارگذاری به اندازه کافی بزرگ باشد، ممكن است فشار منفذی معادل تنش موثر بین ذرات شود. در این مرحله نیروهای بین ذرات ناپدید می شوند و ذرات معلق و به صورت غوطه ور درمی‌آیند. به چنین وضعیتی روانگرایی گفته می شود.
خاک های مستعد روانگرایی را می توان تثبیت و بهبود بخشید تا خسارت روانگرایی در هنگام زلزله کاهش یابد. عویض 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… از روش‌های بهسازی خاک‌های ماسه‌ای در برابر روانگرایی هستند.
عوامل تاثیرگذار در روانگرایی خاک
از عوامل مهم و موثر در روانگرایی خاک می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- میزان چگالی نسبی اولیه
- نوع و ترکیب خاک
- ابعاد و پخش کردن دانه بندی
- خواص لرزه ای
- بار سرباره
- مکان زهکشی و اندازه توده خاک
- چگونگی تشکیل خاک
- میزان هوای درون توده
- بازه زمانی تحت بار ثابت
- تاریخچه کرنشات قبلی
انواع مختلف روانگرایی خاک کدامند؟
به طور کلی روانگرایی خاک به 2 دسته روانگرایی جریانی و تحرک سیکلی خاک طبقه بندی می شوند. که در زیر به بررسی آن ها می پردازیم.
روانگرایی جریانی
روانگرایی جریانی نوعی شرایط روانگرایی است که در آن تعادل خاک بر اثر بارهای دینامیکی و استاتیکی به هم می خورد استحکام و مقاومت خاک کاهش می یابد. ساخت و ساز در زمین های شیبدار نمونه ای از بارهای استاتیکی است و زلزله از طریق بار دینامیکی بر خاک تاثیر می گذارد. بارهای وارده به خاک مقاومت برشی خاک را کاهش می دهد و روان شدن جریانی خاک رخ می دهد. در این حالت میزان تخریب و جابجایی بسیار گسترده است.
روانگرایی تحریک سیکلی خاک
اگر میزان تنش برشی نسبت به درصد برشی خاک کاهش یابد، خاک و زمین در معرض زلزله های شدید قرار می گیرد. که در این حالت می گوییم روانگرایی تحریک سیکلی خاک رخ داده است. این پدیده معمولاً در زمین هایی با شیب کم و مسطح در مجاورت دریاچه ها و رودخانه ها دیده می شود. در بعضی از زمین های صاف ممکن است به علت روان گرایی و فشار آب، حفره ای بزرگ از آب های زیرزمینی به سطح زمین باز بشود. جریان آب می تواند هم در حین و هم بعد از زلزله رخ دهد. هنگامی که آب با سرعت زیاد جریان می یابد، ذرات ریز ماسه را از طریق شکاف های زمین حمل می کند که به عنوان پدیده جوش ماسه ای شناخته می شود.
وضعیت روانگرایی تحریک سیکلی در مناطقی با خاک اشباع شده مانند: رودخانه‌ها، دریاها، خلیج‌ها، دریاچه‌ها و غیره بیشتر قابل مشاهده است. معمولا برخی از بندر ها روی خاک ویرانگر ساخته شده اند و در صورت وقوع زلزله به طور کامل از بین می روند و اسکلت ها از بین می روند. اما امروزه دیوارهای مستحکمتری نسبت به اسکله ها و ساختمان ها در اطراف بندر قرار می دهند تا فشار زلزله به دیوارi برخورد کند.
مقاوم سازی سازه ها در برابر زلزله: بررسی استانداردها و روش های مقاوم سازی سازه در برابر زلزله
راه حل های مقابله با روانگرایی کدامند؟
- تقویت سازه ها برای مقاومت در برابر حرکات مورد انتظار زمین
- انتخاب نوع و عمق مناسب فونداسیون
- خاک را تثبیت کنید تا پتانسیل روان شدن را از بین ببرید یا اثرات آن را کنترل کنید.
- مقابله با روانگرایی خاک از طریق تزریق تراکمی
- کنترل روانگرایی خاک با استفاده از ستون های سنگی
- کنترل روانگرایی خاک از طریق استهلاک فشار آب منفذی
- مقابله با روانگرایی خاک از طریق شناورسازی لرزه ای
- مقابله با روانگرایی خاک از طریق پایدارسازی فعال
کاهش خطرات روانگرایی از طریق طراحی سازه
هنگام طراحی هر سازه ای برای مقاومت در برابر روانگرایی (خاک) لازم است تغییر شکل خاک که در جریان روانگرایی رخ می دهد را در نظر گرفت. این مطالب تاثیر بسزایی در طراحی پی ساختمان دارد. طراحی مقاوم در برابر روانگرایی با استفاده از شمع ها يا صندوقه هايي صورت مي پذيرد. که در زیر لایه هایی از خاک قرار می گیرند که ممکن است امکان روان شدن داشته باشند. و به خاك يا سنگي كه تكيه گاه محسوب مي شوند، بستگی دارد. چنین طرح هایی باید نیروهای فرونشست احتمالی را که هنگام نشست خاک سطحی ایجاد می شوند، در نظر بگیرند. همچنین به دلیل از بین رفتن بیشتر توانایی انتقال انرژی افقی در خاک های روان شده، ممكن است به طرح خاصي براي نيروهاي جانبي يا برش پايه نياز باشد. اجزاي سيستم پي بايد كاملا خوب به همديگر متصل شوند تا در برابر گسترش جانبي احتمالي خاك ها مقاومت كنند.
