فصل ۱: مقدمه‌ای بر مهندسی زلزلهٔ ژئوتکنیکی
۱.۱ مقدمه
مهندسی زلزله با آثار زلزله‌ها بر انسان و محیط پیرامون او، و با روش‌های کاهش این آثار سروکار دارد. این حوزه رشته‌ای نسبتاً جوان است و بسیاری از مهم‌ترین پیشرفت‌های آن در ۴۰ تا ۵۰ سال گذشته رخ داده‌اند. مهندسی زلزله حوزه‌ای بسیار گسترده است و از زمین‌شناسی، زلزله‌شناسی، مهندسی ژئوتکنیک، مهندسی سازه، تحلیل ریسک و دیگر حوزه‌های فنی بهره می‌گیرد. اجرای آن مستلزم توجه به عوامل اجتماعی، اقتصادی و سیاسی نیز هست. بیشتر مهندسان زلزله از پیشینهٔ مهندسی سازه یا مهندسی ژئوتکنیک وارد این حوزه شده‌اند. این کتاب جنبه‌های ژئوتکنیکی مهندسی زلزله را پوشش می‌دهد. هرچند مخاطب اصلی آن دانشجویان و شاغلان مهندسی ژئوتکنیک هستند، اطلاعات فراوانی در آن وجود دارد که برای مهندسان سازه و زلزله‌شناسان مهندسی نیز مفید است.
مطالعهٔ زلزله‌ها به چندین قرن پیش بازمی‌گردد. گزارش‌های مکتوب زلزله‌ها در چین به ۳۰۰۰ سال پیش می‌رسند. گزارش‌های ژاپن و ناحیهٔ مدیترانهٔ شرقی تقریباً ۱۶۰۰ سال قدمت دارند. در ایالات متحده، سابقهٔ تاریخی زلزله‌ها بسیار کوتاه‌تر و حدود ۳۵۰ سال است. در سواحل غربی ایالات متحده که از نظر لرزه‌ای فعال است، گزارش‌های زلزله تنها به حدود ۲۰۰ سال پیش بازمی‌گردند. در مقایسه با میلیون‌ها سالی که زلزله‌ها در آن رخ داده‌اند، تجربهٔ بشر از زلزله بسیار کوتاه است.
امروزه صدها میلیون نفر در سراسر جهان با خطر قابل‌توجه زلزله برای جان و دارایی خود زندگی می‌کنند. میلیاردها دلار از زیرساخت‌های عمومی همواره در معرض خسارت زلزله قرار دارد. سلامت بسیاری از اقتصادهای محلی، منطقه‌ای و حتی ملی نیز در برابر زلزله آسیب‌پذیر است. این خطرها به ایالات متحده، ژاپن یا هیچ کشور دیگری محدود نیستند. زلزله پدیده‌ای جهانی و مسئله‌ای جهانی است.
۱.۲ پیشینه
هرچند مهندسان زلزله اغلب خود را غرق در جزئیات یک طراحی یا تحلیل مشخص می‌یابند، ضروری است که درکی از «تصویر بزرگ» زلزله‌ها، آثار آن‌ها و خسارت‌هایی که ایجاد می‌کنند نیز داشته باشند. طراحی مقاوم در برابر زلزله برای سازه‌های جدید و ارزیابی آسیب‌پذیری لرزه‌ای سازه‌های موجود معمولاً متخصصانی از حوزه‌های گوناگون، از جمله زلزله‌شناسی، مهندسی ژئوتکنیک و سازه، معماری، ساخت‌وساز، تحلیل خسارت، امور مالی و سیاست‌گذاری عمومی، را درگیر می‌کند. اگرچه همهٔ این متخصصان با یکدیگر کار نمی‌کنند، هرکدام با برخی از آن‌ها همکاری خواهند داشت و درک ارتباط میان این «قطعه‌ها» همکاری آنان را بهتر می‌کند.
فرایندی که از طریق آن زلزله‌ها بر افراد و جامعه اثر می‌گذارند، به‌صورت شهودی در شکل ۱.۱ نشان داده شده است. هنگام وقوع زلزله، در یک ساختگاه مشخص حرکت زمین ایجاد می‌شود. این حرکت، بسته به بزرگی زلزله و فاصلهٔ آن از ساختگاه، ممکن است ضعیف یا شدید باشد. حرکت زمین باعث می‌شود سازه یا سامانهٔ مورد نظر در ساختگاه به‌صورت دینامیکی پاسخ دهد. سطح این پاسخ، بسته به حرکت زمین و ویژگی‌های سازه، ممکن است کم یا زیاد باشد. اگر پاسخ به‌اندازهٔ کافی شدید باشد، یا سازه به‌اندازهٔ کافی ضعیف باشد، ممکن است در سازه یا سامانه آسیب فیزیکی ایجاد شود. این آسیب نیز به خسارت‌هایی می‌انجامد که می‌توان آن‌ها را با تلفات انسانی یا معیارهای اقتصادی سنجید. بنابراین پیش‌بینی خسارت به توانایی پیش‌بینی شدت حرکت زمین، پاسخ سامانه و آسیب فیزیکی نیاز دارد.
در نهایت، خسارت‌ها مهم‌ترین معیار عملکرد هستند و متخصصان چندین حوزه برای کاهش هرچه کارآمدتر این خسارت‌ها تلاش می‌کنند. زمین‌شناسان و زلزله‌شناسان منابع لرزه‌ای را شناسایی و مشخصه‌یابی می‌کنند و همراه با مهندسان ژئوتکنیک، سطح حرکت زمین مورد انتظار در یک ساختگاه مشخص را ارزیابی می‌کنند. مهندسان ژئوتکنیک و سازه، پاسخ سامانه‌های خاک–پی–سازه را ارزیابی می‌کنند و سطح آسیب فیزیکی مورد انتظار ناشی از این پاسخ را برآورد می‌کنند. مهندسان همچنین با برآوردکنندگان هزینهٔ ساخت و تحلیلگران خسارت همکاری می‌کنند تا خسارت‌های مورد انتظار را تعیین کنند و تصمیم‌گیرندگان، که معمولاً مالکان هستند، بتوانند دربارهٔ کاهش این خسارت‌ها تصمیم بگیرند. کار همهٔ این گروه‌ها مهم است و زمانی اثربخش‌تر می‌شود که اعضای آن‌ها فعالیت‌های یکدیگر را درک کنند، برای آن ارزش قائل باشند و دربارهٔ آن ارتباط برقرار کنند.
در توصیف زلزله‌ها و آثار آن‌ها، اصطلاحات گوناگونی به‌طور رایج و نه همیشه سازگار با یکدیگر به کار می‌روند. خطر لرزه‌ای پدیده‌ای است که ظرفیت ایجاد آسیب دارد؛ حرکت تکتونیکی، لرزش زمین، گسیختگی زمین و سیلاب همگی نمونه‌هایی از خطر لرزه‌ای هستند. در بیشتر بخش‌های این کتاب، اصطلاح «خطر» عمدتاً برای حرکت زمین، به‌ویژه نرخ مورد انتظار رخداد سطوح مختلف لرزش زمین، به کار می‌رود. اینکه یک خطر لرزه‌ای به آسیب منجر شود یا نه، به آسیب‌پذیری سازه‌ها و تأسیسات در معرض خطر بستگی دارد؛ آسیب‌پذیری را می‌توان آمادگی قبلی برای آسیب دیدن در اثر یک خطر دانست. سرانجام، ریسک لرزه‌ای احتمال رخ دادن آسیب یا خسارت است و از ترکیب خطر و آسیب‌پذیری ارزیابی می‌شود. چارچوبی که تصویر کامل‌تری از خطر و ریسک ارائه می‌دهد، در بخش ۱.۵ شرح داده خواهد شد.
۱.۳ آثار زلزله‌ها
آشکارترین آثار فوری زلزله‌ها، تصاویر ساختمان‌ها و پل‌های فروریخته و افراد مجروح و بی‌خانمان، یعنی آسیب فیزیکی و خسارت ناشی از آن، هستند. بااین‌حال، زلزله‌ها آثار فراوان دیگری نیز دارند. بعضی از این آثار از بعضی دیگر ظریف‌ترند، اما همهٔ آن‌ها می‌توانند خسارت قابل‌توجهی ایجاد کنند.
هنگام وقوع زلزله، امواج لرزه‌ای از منبع دور می‌شوند و با سرعت زیادی در پوستهٔ زمین حرکت می‌کنند. وقتی این امواج به سطح زمین می‌رسند، لرزشی ایجاد می‌کنند که ممکن است از چند ثانیه تا چند دقیقه طول بکشد. شدت و مدت لرزش در یک ساختگاه مشخص به بزرگی و مکان زلزله و ویژگی‌های ساختگاه بستگی دارد. در ساختگاه‌های نزدیک به منبع یک زلزلهٔ بزرگ، لرزش زمین می‌تواند خسارت عظیمی ایجاد کند. در واقع، لرزش زمین را می‌توان مهم‌ترین خطر لرزه‌ای دانست، زیرا بیشتر خطرهای دیگر در اثر آن ایجاد می‌شوند. در جاهایی که سطح لرزش زمین کم است، خطرهای لرزه‌ای دیگر نیز ممکن است کم یا اصلاً موجود نباشند. بااین‌حال، لرزش شدید زمین می‌تواند خسارت گسترده‌ای ایجاد کند. هرچند امواج لرزه‌ای در بخش عمدهٔ مسیر خود از منبع زلزله تا سطح زمین از سنگ عبور می‌کنند، بخش پایانی این مسیر اغلب از خاک می‌گذرد و ویژگی‌های خاک می‌توانند ماهیت لرزش در سطح زمین را به‌شدت تغییر دهند. توده‌های خاک معمولاً مانند «فیلتر» برای امواج لرزه‌ای عمل می‌کنند: حرکت را در بعضی فرکانس‌ها تضعیف و در فرکانس‌های دیگر تقویت می‌کنند. از آنجا که شرایط خاک اغلب در فاصله‌های کوتاه به‌طور چشمگیری تغییر می‌کند، سطح لرزش زمین نیز ممکن است در محدوده‌ای کوچک به‌طور محسوسی متفاوت باشد. یکی از مهم‌ترین فعالیت‌های مهندسی زلزلهٔ ژئوتکنیکی، ارزیابی اثر شرایط محلی خاک بر حرکت شدید زمین است. در این کتاب، فصل ۳ روش‌های کمّی‌سازی مهم‌ترین ویژگی‌های حرکت‌های شدید زمین را ارائه می‌کند و فصل‌های ۶ و ۷ پیشینه و روش‌های پیش‌بینی حرکت زمین در یک ساختگاه مشخص را شرح می‌دهند.
۱.۳.۱ گسیختگی گسل
در بسیاری از زلزله‌های کم‌عمق، گسیختگی گسل تا سطح زمین امتداد می‌یابد و در آنجا می‌تواند در ارتفاع و یا موقعیت افقی، جابه‌جایی‌های تند یا تدریجی ایجاد کند. این جابه‌جایی‌ها برای سازه‌هایی که روی گسل، در دو سوی آن یا نزدیک آن قرار دارند، می‌توانند بسیار خسارت‌زا باشند. گسیختگی‌های سطحی گسل، ساختمان‌ها را از هم گسیخته، کج، چرخانده و دچار اعوجاج کرده‌اند. سازه‌های کشیده و ممتدی مانند پل‌ها، سدها (شکل ۱.۲الف)، بزرگراه‌ها و راه‌آهن‌ها (شکل ۱.۲ب) بر اثر تغییرشکل‌های گسیختگی گسل از هم کشیده، دچار اعوجاج و فروریخته‌اند. خطوط لولهٔ مدفون بر اثر گسیختگی گسل از هم کشیده و بریده شده‌اند و در مواردی آتش‌سوزی و خسارت زیست‌محیطی ایجاد کرده‌اند. هرچند آثار این پدیده معمولاً محلی است، گسل‌های بسیاری از مناطق توسعه‌یافته و پرجمعیت عبور می‌کنند؛ بنابراین خسارت ناشی از گسیختگی سطحی گسل می‌تواند بسیار جدی باشد. جابه‌جایی گسل و پیش‌بینی آن در فصل ۱۰ بررسی می‌شود.
۱.۳.۲ آسیب سازه‌ای
بی‌تردید، چشمگیرترین و ماندگارترین تصاویر خسارت زلزله، تصاویر فروریختن سازه‌ها هستند. از فروریختن قابل‌پیش‌بینی سازه‌های بناییِ بدون مسلح‌کننده و سازه‌های خشتی که بسیاری از ساکنان مناطق کم‌توسعهٔ جهان در آن‌ها زندگی می‌کنند (شکل ۱.۳) تا ویرانی غیرمنتظرهٔ سازه‌های مدرن‌تر (شکل‌های ۱.۴ تا ۱.۶)، آسیب سازه‌ای در بسیاری از زلزله‌ها علت اصلی مرگ‌ومیر و خسارت اقتصادی است. بااین‌حال، برای ایجاد مرگ و خسارت لازم نیست سازه‌ای فروریخته باشد. سقوط اجسام، مانند نماهای آجری و جان‌پناه‌های بیرونی سازه یا اجسام سنگین داخل آن، در بسیاری از زلزله‌ها تلفات ایجاد کرده است. عناصر غیرسازه‌ای مانند لوله‌کشی، تجهیزات روشنایی و سامانه‌های انبارش نیز ممکن است هنگام زلزله خسارت پرهزینه ببینند.
در طول سال‌ها، طراحی مقاوم در برابر زلزلهٔ سازه‌ها پیشرفت زیادی کرده و الزامات طراحی لرزه‌ای در مقررات ساختمانی به‌طور پیوسته بهتر شده‌اند. با حرکت طراحی مقاوم در برابر زلزله از تأکید بر مقاومت سازه‌ای به تأکید هم‌زمان بر مقاومت و شکل‌پذیری، نیاز به پیش‌بینی دقیق حرکت‌های زمین افزایش یافته است. در رویهٔ کنونی طراحی، مهندس زلزلهٔ ژئوتکنیکی اغلب مسئول ارائهٔ حرکت‌های زمین مناسب برای طراحی به مهندس سازه است. فصل ۷ این کتاب اثر شرایط محلی خاک بر حرکت زمین را شرح می‌دهد و برای تهیهٔ حرکت‌های زمین طراحی در یک ساختگاه مشخص راهنمایی ارائه می‌کند. برای آنکه مهندس ژئوتکنیک مسائل و گزینه‌های طراحی سازه را بهتر درک کند، مقدمه‌ای کوتاه بر طراحی لرزه‌ای سازه‌ها در فصل ۵ ارائه شده است.
۱.۳.۳ روان‌گرایی
برخی از چشمگیرترین نمونه‌های خسارت زلزله زمانی رخ داده‌اند که توده‌های خاک مقاومت خود را از دست داده و ظاهراً مانند سیال جاری شده‌اند. در این پدیده که روان‌گرایی نام دارد، مقاومت خاک، اغلب به‌طور شدید، کاهش می‌یابد؛ به‌گونه‌ای که خاک دیگر نمی‌تواند سازه‌ها را تحمل کند یا پایدار بماند. از آنجا که روان‌گرایی فقط در خاک‌های اشباع رخ می‌دهد، این پدیده بیشتر در نزدیکی رودخانه‌ها، خلیج‌ها و دیگر پهنه‌های آبی مشاهده می‌شود.
اصطلاح روان‌گرایی در واقع چند پدیدهٔ مرتبط را دربرمی‌گیرد. در همهٔ آن‌ها فشار آب حفره‌ای اضافی ایجاد می‌شود که می‌تواند خاک را نرم و ضعیف کند. در بعضی موارد، فشار آب حفره‌ای زیاد به ایجاد جوشش ماسه (شکل ۱.۷) می‌انجامد؛ جوشش ماسه زمانی رخ می‌دهد که آب زیرزمینی با سرعت به سطح زمین برسد. جوشش ماسه به‌خودی‌خود معمولاً خسارت زیادی ایجاد نمی‌کند، اما نشانهٔ وجود فشار آب حفره‌ای زیاد است و اتلاف تدریجی این فشار می‌تواند نشست و نشست‌های تفاضلی خسارت‌زا ایجاد کند. هنگامی که روان‌گرایی گسترده رخ دهد، مانند رویداد کرایست‌چرچ در نیوزیلند در سال ۲۰۱۱ (شکل ۱.۸)، حجم خاک خارج‌شده می‌تواند سهم زیادی در خسارت نشست سازه‌های متکی بر پی‌های سطحی داشته باشد.
از سوی دیگر، گسیختگی جریانی زمانی رخ می‌دهد که مقاومت خاک از سطح مورد نیاز برای حفظ پایداری در شرایط ایستایی کمتر شود. بنابراین گسیختگی‌های جریانی تحت اثر نیروهای گرانشی ایستا ایجاد می‌شوند و می‌توانند جابه‌جایی‌های بسیار بزرگی به وجود آورند. گسیختگی‌های جریانی باعث فروریختن سدهای خاکی (شکل ۱.۹) و دیگر شیب‌ها و نیز گسیختگی پی‌ها شده‌اند (شکل ۱.۱۰). زلزلهٔ سن‌فرناندو در سال ۱۹۷۱ در شیب بالادست سد سن‌فرناندوی پایین گسیختگی جریانی ایجاد کرد (شکل ۱.۱۱) که سد را تا آستانهٔ شکافته‌شدن پیش برد. اگر گسیختگی جریانی کمی عمیق‌تر امتداد می‌یافت، ممکن بود هزاران نفر در منطقهٔ مسکونی پایین‌دست سد کشته شوند. سدهای باطله که اغلب پسماندهای سمی معدن را نگه می‌دارند نیز دچار گسیختگی جریانی شده‌اند (شکل ۱.۱۲) و خسارت فیزیکی و زیست‌محیطی گسترده‌ای ایجاد کرده‌اند.
گسترش جانبی پدیدهٔ مرتبط دیگری است که با جابه‌جایی‌های افزایشی در هنگام لرزش زلزله مشخص می‌شود. بسته به تعداد و شدت پالس‌های تنشی که از مقاومت خاک فراتر می‌روند، گسترش جانبی می‌تواند جابه‌جایی‌هایی از ناچیز تا بسیار بزرگ ایجاد کند. گسترش جانبی در اطراف پهنه‌های آبی رایج است و جابه‌جایی‌های حاصل از آن بارها به کوله‌پل‌ها، پی‌ها، روسازه‌ها و تأسیسات بندری آسیب زده‌اند (شکل‌های ۱.۱۳ تا ۱.۱۵).
روان‌گرایی پدیده‌ای پیچیده است، اما پژوهش‌ها تا جایی پیش رفته‌اند که می‌توان چارچوبی یکپارچه برای درک آن تدوین کرد. فصل ۹ این کتاب مفاهیم بنیادی لازم برای درک استعداد روان‌گرایی، شرایط تحریک و آثار همهٔ پدیده‌های روان‌گرایی را همراه با روش‌های عملی ارزیابی مخاطرات روان‌گرایی ارائه می‌کند.
۱.۳.۴ زمین‌لغزش‌ها
زلزله‌های شدید اغلب باعث زمین‌لغزش می‌شوند. هرچند بیشتر این زمین‌لغزش‌ها کوچک‌اند، زلزله‌ها زمین‌لغزش‌های بسیار بزرگی نیز ایجاد کرده‌اند. در چند مورد تأسف‌بار، زمین‌لغزش‌های القاشده به‌وسیلهٔ زلزله شهرها و روستاهای کامل را مدفون کرده‌اند (شکل ۱.۱۶). زمین‌لغزش‌های القاشده به‌وسیلهٔ زلزله معمولاً با ویران‌کردن ساختمان‌ها، مختل‌کردن پل‌ها و دیگر تأسیسات ساخته‌شده یا مسدودکردن رودخانه‌ها خسارت ایجاد می‌کنند (شکل‌های ۱.۱۷ و ۱.۱۸). برخی از زمین‌لغزش‌های القاشده به‌وسیلهٔ زلزله حاصل پدیده‌های روان‌گرایی هستند، اما بسیاری دیگر صرفاً گسیختگی شیب‌هایی را نشان می‌دهند که در شرایط ایستایی، پایداری مرزی داشته‌اند. انواع گسیختگی لرزه‌ای شیب، فراوانی وقوع آن‌ها و روش‌های تحلیلشان در فصل ۱۰ شرح داده می‌شوند.
