فصل ۲درآمدی بر روان‌گرایی خاک ناشی از زمین‌لرزه

یافته‌ها و نتیجه‌گیری‌های کلیدی

• پدیده‌های روان‌گرایی خاک ناشی از زمین‌لرزه از برهم‌کنش ذره‌های خاک و آب منفذی زیر وارونگی‌های تنش برشی و کرنش برشی که لرزش زمین‌لرزه پدید می‌آورد، برمی‌آیند.
• ارزیابی خطرهای روان‌گرایی مستلزم برآورد استعداد خاک‌ها به روان‌گرایی و نیز پتانسیل راه‌اندازی روان‌گرایی و پیامدهای آن با توجه به جنبش‌های زمین پیش‌بینی‌شده است.
• همهٔ خاک‌ها مستعد روان‌گرایی نیستند، اما خاک‌های دانه‌ای اشباع مانند ماسه‌ها، ماسه‌های لایدار، لای‌های کم‌خمیری و شن‌ها در زمین‌لرزه‌های گذشته روان شده‌اند.
• راه‌اندازی روان‌گرایی به سطح لرزش زمین و به چگالی و تنش مؤثر اولیهٔ خاک بستگی دارد؛ عامل‌های دیگری مانند نوع و سن خاک و وجود تنش‌های برشی پیش از زمین‌لرزه نیز بر پتانسیل راه‌اندازی اثر می‌گذارند.
• روان‌گرایی می‌تواند به آسیب به ساختمان‌ها، پل‌ها، شریان‌های حیاتی و دیگر تأسیسات ساخته‌شده بیانجامد. در بسیاری از موارد، آسیب پیامد تغییرشکل ماندگار خاک روان‌شده است.
• در بیشتر موارد، مقاومت درجای یک خاک به روان‌گرایی را در حال حاضر نمی‌توان با آزمایش آزمایشگاهی به‌شکلی دقیق پیش‌بینی کرد. در نتیجه، رویه‌هایی که برای پیش‌بینی راه‌اندازی روان‌گرایی و پیامدهای آن ساخته شده‌اند، به مشاهدات میدانی مستندشده در سوابق موردی روان‌گرایی تکیه دارند. این‌ها هم تحلیل‌های تجربی و هم تحلیل‌های عددی را در بر می‌گیرند که پیش از آنکه قابل اعتماد دانسته شوند، باید با داده‌های میدانی اعتبارسنجی و واسنجی شوند.

این فصل، با بیانی کلی و برای خوانندگان کم‌تخصص‌تر این گزارش، رفتار پایهٔ خاک‌های روان‌گراشدنی زیر بارگذاری چرخه‌ای را توصیف می‌کند، از جمله اثرهای نوع مصالح، دامنه و دوام بار، چگالی خاک، تنش مؤثر اولیه، تنش برشی اولیه و سن نهشتهٔ خاک. استعداد انواع مختلف خاک (مثلاً ماسه، شن و خاک‌های ریزدانه) به راه‌اندازی روان‌گرایی، سنجه‌های مهندسی مقاومت خاک به راه‌اندازی و پیامدهای اصلی راه‌اندازی نیز توصیف می‌شوند. این توصیف‌ها تنها برای ارائهٔ نمایی کلی در نظر گرفته شده‌اند؛ بسیاری از موضوع‌های این فصل در فصل‌های بعدی با جزئیات بیشتر بسط داده می‌شوند.

سازوکار روان‌گرایی

درک راه‌اندازی روان‌گرایی و پیامدهای آن مستلزم درک مکانیک خاک و مکانیک شاره‌ها است. خاک‌های روان‌گراشدنی مصالح اصطکاکی‌اند؛ مقاومت آن‌ها به تغییرشکل به این بستگی دارد که ذره‌های منفرد تا چه اندازه به هم فشرده شده‌اند. اصطلاح «تنش مؤثر» (کادر ۲.۱) برای توصیف تنش مرتبط با همین نیروهای تماسی بین‌ذره‌ای به‌کار می‌رود. تنش مؤثر به‌عنوان تنش کل خارجی وارد بر خاک منهای فشار آب منفذی درونی خاک تعریف می‌شود. از دیرباز شناخته شده است که رفتار خاک را تنش مؤثر تعیین می‌کند. خاک‌های زیر تنش مؤثر بالا معمولاً سخت و مقاوم‌اند و خاک‌های زیر تنش مؤثر پایین می‌توانند نرم و ضعیف باشند.

خاک خشکی که زیر بارگذاری برشی یکنوا (یعنی یک‌جهته) قرار می‌گیرد، بسته به چگالی اولیه و تنش محصورکنندهٔ مؤثر اولیهٔ خود و به سطح کرنش برشی القاشده، ممکن است حجمش کم یا زیاد شود. خاک در ابتدا سست معمولاً هنگام برش خوردن تمایل دارد کاهش حجم یابد (یعنی حجمش کم شود و متراکم‌تر گردد). زیر همان فشار محصورکننده، خاک در ابتدا متراکم نخست کاهش حجم می‌یابد، اما سپس هنگام برش خوردن اتساع می‌یابد (یعنی حجمش زیاد شود و سست‌تر گردد). از سوی دیگر، وقتی خاک‌های خشک در ابتدا سست یا متراکم زیر تنش برشی مکرراً وارون‌شونده (چرخه‌ای) قرار می‌گیرند، صرف‌نظر از سست یا متراکم بودن اولیه، تمایل دارند کاهش حجم یابند (یعنی منقبض شوند). وقتی خاک‌های اشباع به‌سبب آب موجود در منافذ خاک نمی‌توانند کاهش حجم یابند، فشار آب افزایش می‌یابد. اگر این فشار به سطح تنش مؤثر اولیه برسد، روان‌گرایی می‌تواند راه‌اندازی شود. میزان تمایل یک خاک به کاهش حجم یافتن یا اتساع یافتن در هنگام برش، رفتار روان‌گرایی را تعیین می‌کند.

خاک‌ها ممکن است اشباع باشند (یعنی فضاهای منفذی با آب پر شده‌اند) یا غیراشباع (یعنی فضاهای منفذی با آب و هوا یا فقط با هوا پر شده‌اند). درجهٔ اشباع (یعنی نسبت فضای منفذی که آب آن را پر کرده است) تعیین‌کنندهٔ رفتار روان‌گرایی است. برای آنکه خاکی روان شود، درجهٔ اشباع آن باید نزدیک به ۱۰۰٪ باشد (Okamura and Soga, 2006; Yegian et al., 2007).

کادر ۲.۱: تنش مؤثر

خاک‌ها مجموعه‌ای از ذره‌های منفردند (که معمولاً ابعادی بین ۰٫۰۰۱ و ۷۵ میلی‌متر دارند) که تنش‌های اعمال‌شده را یا از راه نیروهای تماسی در نقاط تماس ذره‌ها (شکل ۱ را ببینید) و یا به‌واسطهٔ فشار یک شاره (یعنی مایع یا گاز) در فضای خالی میان ذره‌ها منتقل می‌کنند. نشان داده شده است که نیروهای نرمال در نقاط تماس ذره‌ها تغییر حجم، سختی، مقاومت، قابلیت تراکم و دیگر ویژگی‌های مهم خاک را کنترل می‌کنند (Bishop, 1959; Skempton, 1960)، اما در نظر گرفتن همهٔ آن نیروهای تماسی منفرد عملی نیست. به‌جای آن، تنش نرمال اعمال‌شدهٔ میانگین با این فرض تعیین می‌شود که مؤلفه‌های نیروهای وارد بر جهت نرمال (یعنی عمود) نسبت به یک صفحهٔ مشخص، میانگینی خوش‌تعریف در مقیاس چندذرهای دارند، یعنی همان مقیاسی که نظریه برای آن به‌کار می‌رود. سپس تنش نرمال بین‌ذره‌ای میانگین (که در مکانیک خاک و نزد مهندسان ژئوتکنیک تنش مؤثر نامیده می‌شود) با کم‌کردن فشار شارهٔ درون فضای خالی از تنش نرمال اعمال‌شدهٔ میانگین محاسبه می‌شود.

تنش مؤثر را می‌توان چنین توضیح داد. بر پایهٔ تعادل نیرو، تنش کل ناشی از وزن ذره‌های خاک، آب و هر بار خارجی اعمال‌شده که عمود بر هر صفحه اثر می‌کند، باید با (مجموع فشار شارهٔ منفذی و نیروهای بین‌ذره‌ای وارد بر آن صفحه) تقسیم بر مساحت آن صفحه متعادل شود. اصل تنش مؤثر بیان می‌کند که تنش نرمال مؤثر (بین‌ذره‌ای) رفتار مهندسی خاک را تعیین می‌کند. اعلام اصل تنش مؤثر به‌دست Terzaghi (۱۹۲۵) عموماً آغاز مکانیک خاک نوین دانسته می‌شود.

در یک خاک اشباع، فشار شارهٔ منفذی و فشار آب منفذی یکی هستند. بنابراین، تنش مؤثر را می‌توان به‌شکل σ′ = σ − u نوشت، که در آن σ′ تنش نرمال مؤثر، σ تنش نرمال کل و u فشار آب منفذی است (شکل ۲ را ببینید). اگر فشار آب منفذی افزایش یابد در حالی که تنش کل ثابت می‌ماند، تنش مؤثر کاهش می‌یابد. این کاهش تنش مؤثر برای راه‌اندازی روان‌گرایی اساسی است.

رفتار زیر بارگذاری برشی یکنوا

بارگذاری برشی یکنوا به شرایط باری گفته می‌شود که در آن تنش برشی (یا اختلاف تنش اصلی یا تنش انحرافی) یا کرنش برشی در خاک بدون تغییر جهت افزایش می‌یابد. هر افزایشی در بار استاتیکی (مثلاً در نتیجهٔ ساخت پی یا خاکریز) بارگذاری برشی یکنوا در خاک پدید می‌آورد. کاهش مقاومت خاک (مثلاً افت مقاومت همراه با روان‌گرایی) می‌تواند به تغییرشکل برشی یکنوا در خاکی بیانجامد که زیر تنش برشی استاتیکی اولیه است (مثلاً در زمین شیب‌دار یا زیر یک پی یا خاکریز).

ماسه‌های خشک در ابتدا سست و در ابتدا متراکم، هنگامی که به‌شکل یکنوا برش می‌خورند، از نظر رفتار تنش کرنش و تغییر حجم (زهکشی‌شده) به‌شکلی بنیادین متفاوت تغییرشکل می‌یابند. شکل ۲.۱ رفتار تنش کرنش و تغییر حجم (تغییر نسبت تخلخل) یک خاک خشک را در حالت‌های سست و متراکم، محصورشده زیر تنش مؤثر یکسان، نشان می‌دهد. دیده می‌شود که با افزایش کرنش برشی، خاک سست کاهش حجم می‌یابد (کاهش نسبت تخلخل) و خاک متراکم اتساع می‌یابد (افزایش نسبت تخلخل). توجه کنید که در کرنش برشی بزرگ، نه خاک سست و نه خاک متراکم به تغییر حجم ادامه نمی‌دهند (همان‌گونه که در شکل ۲.۱ب نشان داده شده است). در کرنش‌های بزرگ، هر دو خاک سست و خشک به همان نسبت تخلخل ثابت می‌رسند که نسبت تخلخل بحرانی (e_c) نامیده می‌شود. نسبت تخلخل بحرانی از راه خط نسبت تخلخل بحرانی (CVR) (که غالباً خط حالت بحرانی یا خط حالت پایا نامیده می‌شود)، به‌شکلی یگانه با فشار محصورکنندهٔ مؤثر مربوط است، همان‌گونه که در شکل ۲.۲ نشان داده شده است. خط CVR مرز میان حالت‌های سست و متراکم را نشان می‌دهد؛ یعنی مرز میان جایی که خاک پاسخ‌های کاهش‌حجم‌یابنده و افزایندهٔ حجم را زیر بارگذاری برشی یکنوا نشان می‌دهد. همهٔ خاک‌ها در کرنش‌های برشی یکنوای بزرگ تمایل دارند به سمت CVR حرکت کنند. خاک سست (یعنی خاکی با نسبت تخلخل بزرگ‌تر از CVR) کاهندهٔ حجم است؛ نسبت تخلخل یا تنش مؤثر آن باید کاهش یابد تا به خط CVR برسد. خاک متراکم (یعنی خاکی با نسبت تخلخل کمتر از CVR) افزایندهٔ حجم است؛ نسبت تخلخل یا تنش مؤثر آن باید افزایش یابد تا به خط CVR برسد.

اگر بارها به خاکی اشباع وارد شوند در حالی که زمان کافی برای ورود یا خروج آب از فضاهای خالی وجود ندارد (مثلاً بار به‌سرعت اعمال می‌شود یا خاک تراوایی کمی دارد)، بارگذاری زهکشی‌نشده نامیده می‌شود. چون آب در یک خاک اشباع تقریباً تراکم‌ناپذیر است، تمایل به تغییر حجم به تغییر فشار آب منفذی و تنش مؤثر می‌انجامد. در خاک‌های سست، تمایل به کاهش حجم یافتن به افزایش فشار آب منفذی و کاهش تنش مؤثر می‌انجامد. در خاک‌های متراکم، تمایل به اتساع یافتن به کاهش فشار آب منفذی و افزایش تنش مؤثر می‌انجامد.

خاک‌های اشباعی که حالت‌های اولیه‌شان به‌مراتب بالای خط CVR قرار می‌گیرد، به‌شدت کاهندهٔ حجم‌اند و پس از رسیدن به اوج مقاومت برشی در کرنش‌های کم، فشارهای منفذی بالا با کاهش‌های بزرگ هم‌زمان در تنش مؤثر پدید می‌آورند. چنین خاک‌هایی اغلب می‌توانند با مقاومت برشی کم تا کرنش‌های بزرگ برش بخورند. خاک‌های متراکمی که حالت‌های اولیه‌شان به‌مراتب زیر خط CVR قرار می‌گیرد، افزایندهٔ حجم خواهند بود، با فشارهای آب منفذی کاهش‌یابنده و تنش مؤثر افزایش‌یابنده؛ این خاک‌ها در حالت اشباع، به‌سبب کاهش فشار منفذی و افزایش هم‌زمان تنش مؤثر، در کرنش‌های بزرگ مقاومت برشی بالایی به‌کار می‌گیرند. خاک‌های با چگالی میانی (یعنی با چگالی‌ای میان آنچه سست و متراکم دانسته می‌شود) رفتار در ابتدا کاهندهٔ حجم نشان می‌دهند و در کرنش‌های کم اوج مقاومت برشی را به‌کار می‌گیرند و پس از آن مقاومت برشی کاهش می‌یابد. اما پس از به‌کارگیری اوج مقاومت برشی، این خاک‌ها اتساع می‌یابند تا آنکه مقاومت برشی ثابتی به‌دست آید. این سه حالت در شکل ۲.۳ نشان داده شده‌اند و Castro (1969) آن‌ها را با جزئیات بیشتر بحث می‌کند.

حالت پایای تغییرشکل، که در آن خاک با حجم ثابت، تنش مؤثر ثابت، مقاومت برشی ثابت و نرخ کرنش ثابت برش می‌خورد، به‌عنوان تابعی یگانه از نسبت تخلخل و تنش مؤثر برای یک خاک مشخص فرض شده است (Castro and Poulos, 1977; Poulos, 1981). تغییرشکل حالت پایا را می‌توان در نمودار نسبت تخلخل در برابر تنش مؤثر، به‌شکل خط حالت پایا (SSL) به‌صورت نموداری نشان داد. برای ساده‌کردن توضیح، می‌توان SSL را تقریباً معادل خط CVR حالت بحرانی دانست. بنابراین، میزان کاهش حجم یافتن یا متراکم شدن یک خاک به حالت آن (یعنی چگالی و شرایط تنش مؤثر آن) نسبت به SSL بستگی دارد. پارامتر حالت (ψ) سنجه‌ای است از اینکه حالت اولیهٔ یک خاک چقدر بالای (یا زیر) SSL قرار می‌گیرد و می‌توان آن را به‌صورت ریاضی چنین نوشت

که در آن e نسبت تخلخل و e_ss نسبت تخلخل زیر شرایط حالت پایا است. مقدار ψ اثر هم‌زمان چگالی جرمی و تنش مؤثر را بر رفتار خاک بازتاب می‌دهد و نمایه‌ای است از تمایل یک خاک به تغییر حجم. این تمایل به تغییر حجم نیز به‌نوبهٔ خود به تمایل فشار منفذی و مقاومت به تغییر در یک خاک اشباع هنگام برش خوردن مربوط است. خاک‌های با پارامتر حالت مثبت بالای SSL قرار می‌گیرند (شکل ۲.۴ب را ببینید) و سطوحی از کاهش حجم‌یابی (یعنی تمایل به افزایش فشار منفذی و از دست رفتن مقاومت در حالت اشباع) را نشان می‌دهند که با افزایش مقدار پارامتر حالت بیشتر می‌شود. خاک‌های با پارامتر حالت منفی زیر SSL قرار می‌گیرند و هنگام برش خوردن یکنوا تمایل به اتساع یافتن دارند (یعنی در حالت اشباع تمایل به کاهش فشار منفذی و افزایش مقاومت دارند). زیر بارگذاری چرخه‌ای، خاک‌های با پارامتر حالت مثبت و منفی هر دو تمایل دارند فشار منفذی افزایش‌یابنده پدید آورند و زیر بارگذاری به‌اندازهٔ کافی قوی می‌توانند روان شوند.

گذار از رفتار کاهندهٔ حجم به افزایندهٔ حجم که در خاک‌های با چگالی میانی دیده می‌شود، در نقطهٔ تبدیل فاز رخ می‌دهد (Ishihara et al., 1975)؛ یعنی نقطه‌ای که در آن خاک از رفتار کاهندهٔ حجم به رفتار افزایندهٔ حجم می‌گذرد. نقطهٔ تبدیل فاز، نقطه‌ای با کمینهٔ مقاومت برشی محلی را نشان می‌دهد. بارگذاری زهکشی‌نشدهٔ فراتر از نقطهٔ تبدیل فاز، اتساع، کاهش فشار منفذی، فشار محصورکنندهٔ مؤثر بالاتر و در نتیجه مقاومت بالاتر در کرنش‌های بزرگ پدید می‌آورد. نقطه‌ای که در آن کمینهٔ محلی مقاومت برشی در سطوح کرنش متوسط دیده می‌شود، حالت شبه‌پایای تغییرشکل نامیده شده است (Alarcon-Guzman et al., 1988). مقاومت برشی در کرنش بسیار بزرگ (یعنی در نقطه‌ای که مقاومت برشی دیگر تغییر نمی‌کند) مقاومت حالت پایای نهایی (USS) نامیده می‌شود (Yoshimine and Ishihara, 1998) تا از مقاومت حالت شبه‌پایا بازشناخته شود.

با کاهش نسبت تخلخل یک خاک همراه با افزایش تنش مؤثر، رابطهٔ میان خط حالت شبه‌پایا (QSSL) و خط حالت پایای نهایی (USSL) یک خاک با تنش مؤثر تغییر می‌کند. شکل ۲.۵ رابطهٔ میان حالت شبه‌پایا و حالت پایای نهایی را در ترازهای مختلف تنش مؤثر اولیه نشان می‌دهد (Yoshimine and Ishihara, 1998). این شکل همچنین رابطهٔ خط تحکیم همسانگرد (ICL)، یعنی خطی که رابطهٔ میان نسبت تخلخل و فشار محصورکنندهٔ مؤثر را برای یک خاک مشخص پیش از برش دادن نمونه توصیف می‌کند، نشان می‌دهد. چون ICL معمولاً از USSL کم‌شیب‌تر است، با افزایش فشار محصورکنندهٔ مؤثر پارامتر حالت بیشتر می‌شود و خاک کاهندهٔ حجم‌تر و بالقوه روان‌گراشدنی‌تر می‌شود.

رفتار زیر وارونگی تنش برشی چرخه‌ای

بارگذاری زمین‌لرزه را می‌توان با تنش‌های برشی مکرر با شدت نوسان‌دار مشخص کرد، با این ویژگی افزوده که جهت تنش برشی اعمال‌شده وارون می‌شود. وارونگی تنش برشی ویژگی مهم بارگذاری زمین‌لرزه است، زیرا هم خاک‌های سست و هم متراکم هنگام وارونگی تنش برشی در کرنش‌های برشی القاشدهٔ کوچک تمایل به کاهش حجم یافتن دارند و بنابراین فشار آب منفذی اضافی مثبت پدید می‌آورند (Martin et al., 1975). در شیب‌های تند که زیر لرزش ضعیف قرار می‌گیرند، ترکیب تنش برشی استاتیکی بالا و تنش برشی چرخه‌ای کم می‌تواند مانع وارون‌شدن جهت تنش برشی در شرایط زهکشی‌نشده شود و از این راه از راه‌اندازی روان‌گرایی جلوگیری کند. تنش‌های برشی چرخه‌ای همچنین ممکن است از ظرفیت برشی خاک‌ها در زمین شیب‌دار فراتر روند و اگر خاک از حالت بحرانی سست‌تر یا کاهندهٔ حجم باشد، لغزش جریانی را راه‌اندازی کنند.

رفتار تنش کرنش و تولید فشار منفذی در ماسه‌هایی که زیر بارگذاری چرخه‌ای قرار می‌گیرند، از راه آزمایش‌های آزمایشگاهی بررسی شده است. رفتار تنش کرنش و مسیر تنش در یک ماسهٔ تمیز^۱ که زیر بارگذاری برش سادهٔ چرخه‌ای زهکشی‌نشده قرار می‌گیرد، در کادر ۲.۲ توصیف شده است. با چرخه‌های مکرر بارگذاری با وارونگی تنش، همهٔ خاک‌های روان‌گراشدنی افزایش فشار منفذی اضافی (یعنی فشار آب منفذی بیش از فشار پایای اولیه) و کاهش متناظر تنش مؤثر قائم را نشان می‌دهند. در تحلیل‌های روان‌گرایی، فشار منفذی اضافی غالباً به‌صورت نسبت فشار منفذی (r_u) بیان می‌شود که به‌عنوان نسبت فشار منفذی اضافی به تنش مؤثر قائم اولیه تعریف می‌شود. نسبت فشار منفذی سنجه‌ای است از نزدیکی یک خاک به روان‌گرایی. پیش از بارگذاری چرخه‌ای، r_u = 0.0. با تولید فشار آب منفذی اضافی و در نتیجه افزایش r_u، خاک نرم می‌شود و دامنهٔ کرنش برشی چرخه‌ای افزایش می‌یابد. با نزدیک شدن به روان‌گرایی، نرخ افزایش نرم‌شوندگی و ترازهای کرنش شتاب می‌گیرد. در برخی موارد، مثلاً برای ساختگاه‌هایی بدون تنش برشی استاتیکی اولیه روی صفحهٔ افقی و برای ساختگاه‌های خاک سست که بارگذاری چرخه‌ای در آن‌ها وارونگی تنش پدید می‌آورد، r_u می‌تواند به ۱٫۰ نزدیک شود و ممکن است واقعاً به آن برسد (نقطه‌ای که در آن تنش مؤثر صفر است). برای ساختگاه‌های بدون تنش برشی استاتیکی اولیه روی صفحهٔ افقی، r_u در روان‌گرایی به ۱٫۰ نزدیک می‌شود و ممکن است واقعاً برابر آن باشد. برای ساختگاه‌هایی با تنش برشی استاتیکی اولیه روی صفحهٔ افقی که زیر وارونگی تنش نیستند، جریان ممکن است در مقادیر r_u کمتر از ۱٫۰ رخ دهد (یا آغاز شود). نرم‌شوندگی و تغییرشکلی که جریان پدید می‌آورد را تنش‌های برشی استاتیکی می‌رانند.

۱ بر پایهٔ استانداردهای پذیرفته‌شدهٔ مهندسی (ASTM, 2011)، ماسه‌های «تمیز» به ماسه‌هایی گفته می‌شود که درصد ریزدانهٔ کمتر از ۵٪ دارند (یعنی ذره‌های کوچک‌تر از ۰٫۰۷۵ میلی‌متر).

اثر تنش مؤثر اولیه

در یک چگالی مشخص، مفهوم‌های حالت پایا و پارامتر حالت پیش‌بینی می‌کنند که کاهش حجم‌یابی با افزایش تنش مؤثر بیشتر می‌شود. اما افزایش تنش مؤثر در میدان معمولاً با افزایش چگالی (یعنی نسبت تخلخل کوچک‌تر) همراه است که تمایل دارد کاهش حجم‌یابی را کم کند. بنابراین، اثر تجمعی افزایش تنش مؤثر بر کاهش حجم‌یابی بستگی دارد به اینکه خط حالت پایا از منحنی تحکیم شیب‌دارتر باشد یا کم‌شیب‌تر. معمولاً، همان‌گونه که در شکل ۲.۵ نشان داده شده است، خط حالت پایا تا حدودی از منحنی تحکیم شیب‌دارتر است. در نتیجه، نسبت تنش چرخه‌ای لازم برای ایجاد روان‌گرایی با افزایش فشار محصورکنندهٔ مؤثر اولیه کاهش می‌یابد. شکل ۲.۶ نتایج آزمایش‌های آزمایشگاهی برش سادهٔ چرخه‌ای را ارائه می‌دهد که بدون تنش برشی استاتیکی اولیه روی صفحهٔ افقی و بر خاک‌هایی با چگالی یکسان اما فشارهای محصورکنندهٔ مؤثر متفاوت انجام شده‌اند (Vaid and Sivathayalan, 1996). مقادیر CSR در شکل ۲.۶ همه برای شمار یکسانی از چرخه‌ها تا روان‌گرایی‌اند. این منحنی‌ها کاهش نسبت تنش برشی چرخه‌ای لازم برای راه‌اندازی روان‌گرایی در شمار مشخصی از چرخه‌ها را با افزایش تنش مؤثر قائم (یعنی افزایش عمق در زمین) نشان می‌دهند.

کادر ۲.۲: آزمایش چرخه‌ای آزمایشگاهی زهکشی‌نشده روی خاک روان‌گراشدنی

رفتار خاک‌های روان‌گراشدنی مانند ماسه‌های تمیز که تحت بارگذاری برشی چرخه‌ای با وارونگی تنش قرار می‌گیرند، بیش از ۴۰ سال است که به‌طور گسترده در آزمایشگاه بررسی می‌شود. نتایج این‌گونه آزمون‌ها عموماً برای ارزیابی پتانسیل روان‌گرایی خاک‌ها در میدان قابل اعتماد دانسته نمی‌شود، زیرا بازیابی نمونه‌های دست‌نخوردهٔ نماینده دشوار است. اما این آزمون‌ها به درک بهتر سازوکارهای روان‌گرایی و عامل‌های مؤثر بر پتانسیل روان‌گرایی انجامیده‌اند. شکل زیر رفتار خاکی را نشان می‌دهد که تحت بارگذاری هارمونیک زهکشی‌نشده در برش سادهٔ چرخه‌ای، بدون تنش برشی استاتیکی اولیه روی صفحهٔ افقی، قرار گرفته است. بحث مفصل‌تر دربارهٔ روش‌های آزمون آزمایشگاهی در فصل ۵ آمده است. رفتارهای زیر تصویر شده‌اند:

• فشار منفذی در هر چرخه به‌طور پیوسته افزایش می‌یابد (و تنش مؤثر قائم کاهش می‌یابد) تا آنکه مسیر تنش مؤثر به نقطه‌ای می‌رسد که در آن خاک از فاز کاهندهٔ حجم پاسخ به فاز افزایندهٔ حجم گذر می‌کند؛ از این نقطه غالباً با نام نقطهٔ تبدیل فاز یاد می‌شود (در چرخهٔ ۲۱ در شکل‌های a.2 و a.4). مشاهده شده است که نقطه‌های تبدیل فاز برای یک خاک معین روی خطی یگانه واقع می‌شوند که غالباً خط تبدیل فاز نامیده می‌شود. سختی خاک تا نقطهٔ تبدیل فاز به‌طور پیوسته و ملایم کاهش می‌یابد (شکل ۱).
• با ادامهٔ بارگذاری، تنش مؤثر قائم بسیار کم می‌شود، زیرا مسیر تنش مؤثر به مبدأ نزدیک می‌شود. سپس این تنش چندین برابر بزرگ‌تر می‌شود، چون خاک اتساع می‌یابد و مسیر تنش مؤثر روی پوش گسیختگی بالا می‌رود (شکل ۲).
• سختی خاک در چرخه‌های بارگذاری منفرد نیز افزایش و کاهش می‌یابد (شکل ۱)، هنگامی که خط تبدیل فاز گذر می‌شود. سختی وقتی تنش مؤثر کم است پایین می‌آید و سپس با اتساع خاک و افزایش تنش مؤثر به‌طور چشمگیر بالا می‌رود. نتیجه، حلقه‌های تنش کرنش موزمانند با منحنی‌های مقعر‌به‌بالاست، هنگامی که کرنش برشی در یک چرخهٔ بارگذاری به اوج خود می‌رسد.
• بیشترین افزایش یا کاهش کرنش برشی در بارگذاری چرخه‌ای، یعنی دامنهٔ کرنش برشی، تا زمانی که تنش مؤثر به مقدار بسیار کمی نرسد، کوچک است (شکل ۳). دامنهٔ کرنش برشی سپس از چرخه‌ای به چرخهٔ دیگر به‌سرعت افزایش می‌یابد، هرچند مسیر تنش مؤثر تغییر نمی‌کند. آهنگی که سختی با افزایش تنش مؤثر قائم در پایان هر حلقهٔ تنش کرنش موزمانند افزایش می‌یابد، دامنهٔ کرنش را در چرخه‌های پایانی آزمون کنترل می‌کند.

این الگوهای کلی رفتار، درک ما را از رفتار خاک در میدان هنگام نزدیک شدن به روان‌گرایی شکل می‌دهند. آن‌ها مبنای فیزیکی مدل‌سازی رفتاری تنش کرنش برای رفتار خاک‌های روان‌گراشدنی را فراهم می‌کنند که در فصل‌های ۷ و ۸ بحث می‌شود.

استعداد روان‌گرایی

استعداد روان‌گرایی به پتانسیل راه‌اندازی روان‌گرایی در یک خاک اشاره دارد. همهٔ خاک‌ها مستعد روان‌گرایی نیستند و درجهٔ استعداد می‌تواند به اندازهٔ دانه و خمیری‌بودن خاک بستگی داشته باشد.^۲ تراز لرزش زمین‌لرزه و حالت درجای خاک (مثلاً چگالی و ساختار خاک) در زمان لرزش تعیین می‌کنند که آیا یک خاک مستعد در یک زمین‌لرزهٔ معین روان می‌شود یا نه. عامل‌های مؤثر بر استعداد روان‌گرایی در اینجا به‌شکلی مختصر و کیفی بازبینی می‌شوند. تعیین استعداد روان‌گرایی به‌شکلی جامع‌تر در فصل ۴ بحث می‌شود.

۲ خمیری‌بودن خاک، توانایی یک واحد خاک برای تحمل تغییرشکل ماندگار زیر تنش بدون ترک خوردن است. خمیری‌بودن همچنین شاخصی از این است که تغییر مقدار آب در یک خاک چگونه رفتار آن را تغییر می‌دهد. خاک‌های رسی که عموماً خمیری‌تر از خاک‌های لایدار یا شنی دانسته می‌شوند، در گسترهٔ وسیعی از مقدار آب می‌توانند بدون ترک خوردن تغییرشکل یابند. آزمون‌های کمّی‌سازی خمیری‌بودن استاندارد شده‌اند (ASTM, 2010). تراز خمیری‌بودن با شاخص خمیری تعریف می‌شود.

خاک‌های مستعد روان‌گرایی عموماً در گسترهٔ باریکی از محیط‌های زمین‌شناسی و سن خاک یافت می‌شوند (Youd, 1991). فرایندهای رودخانه‌ای (fluvial، یعنی حمل‌شده به‌دست رودخانه)، ریزشی (colluvial، یعنی حمل‌شده به کمک گرانش، مانند پای یک پرتگاه)، بادی (aeolian، یعنی حمل‌شده به‌دست باد) و دیگر فرایندهایی که خاک‌ها را بر پایهٔ اندازهٔ دانه جدا و نهشته می‌کنند، می‌توانند به نهشته‌شدن خاک‌های سست مستعد روان‌گرایی بیانجامند. روان‌گرایی در نهشته‌های مخروط‌افکنه‌ای، ساحلی، خوری و دیگر نهشته‌ها رخ داده است. بسیاری از خاکریزهای ساخته‌شده (یعنی نهشته‌های خاک ساختهٔ دست انسان) مستعد روان‌گرایی‌اند، از جمله به‌ویژه نهشته‌های پدیدآمده از پرکردن آبی (hydraulic filling) که می‌توانند فرایندهای رودخانه و نهر را بازتولید کنند.

عامل‌های ترکیبی اصلی که بر استعداد روان‌گرایی خاک‌ها اثر می‌گذارند، اندازهٔ دانه و، برای بخش ریزدانه‌تر، خمیری‌بودن است. از اندازهٔ دانه و خمیری‌بودن برای شناسایی خاک‌هایی که روان‌گراشدنی دانسته نمی‌شوند استفاده می‌شود (مثلاً خاک‌های ریزدانه با خمیری‌بودن متوسط تا زیاد). معیارهای تعیین اینکه یک خاک ریزدانه مستعد روان‌گرایی است یا نه نیز در فصل ۴ بررسی می‌شوند.

عوامل مؤثر بر پتانسیل روان‌گرایی و پیامدهای آن

شمار بسیاری از عامل‌ها بر پتانسیل آغاز روان‌گرایی اثر می‌گذارند. بخش‌های بعدی به بحث دربارهٔ اثرهای دامنهٔ بار، نوع خاک، تنش برشی اولیه، دامنهٔ کرنش برشی، سن و شرایط هیدرولیکی می‌پردازند.

اثر دامنهٔ بار، دوام و چگالی

فشار منفذی اضافی تولیدشده در یک آزمون بارگذاری یکنوا روی ماسهٔ سست اشباع با افزایش تنش برشی بیشتر می‌شود، بنابراین انتظار می‌رود فشارهای منفذی اضافی تحت بارگذاری چرخه‌ای با افزایش دامنهٔ بارگذاری چرخه‌ای با آهنگ تندتری بیشتر شوند. انتظار می‌رود افزایش دوام لرزش شدید نیز تولید فشار منفذی اضافی و پتانسیل راه‌اندازی روان‌گرایی را بالا ببرد. شکل ۲.۷ رابطهٔ میان شمار چرخه‌های تنش یکنواخت لازم برای ایجاد روان‌گرایی را برای یک خاک در سه تراکم نسبی اولیهٔ متفاوت نشان می‌دهد. دیده می‌شود که برای یک CSR معین، تنش برشی چرخه‌ای لازم برای راه‌اندازی روان‌گرایی (یعنی CSR تعریف‌شده در کادر ۲.۱)، شمار چرخه‌های لازم برای راه‌اندازی روان‌گرایی، یا هر دو، با افزایش چگالی بیشتر می‌شوند.

اثر نوع خاک بر رفتار خاک تحت بارهای چرخه‌ای

پتانسیل روان شدن یک خاک در بارگذاری چرخه‌ای زهکشی‌نشده به این بستگی دارد که اسکلت خاک تحت این شرایط تا چه اندازه تمایل به کاهش حجم یافتن دارد. خاک‌های سست، دانه‌ای و غیرخمیری مانند ماسه‌ها، شن‌ها و لای‌های غیرخمیری می‌توانند ترازهای بالای کاهش حجم یافتن داشته باشند. بنابراین فشار آب منفذی در آن‌ها می‌تواند انباشته شود، خاک نرم می‌شود و دامنهٔ کرنش برشی چرخه‌ای افزایش می‌یابد و روان‌گرایی راه‌اندازی می‌شود. خاک‌های ریزدانهٔ خمیری ممکن است تحت بارهای چرخه‌ای اندکی نرم شوند، اما تمایلشان به کاهش حجم یافتن کمتر است و فشار منفذی اضافی ممکن است در مقادیری تثبیت شود که تنش مؤثر به صفر نرسد (و خاک روان نشود).

اثر تنش برشی اولیه

در ساختگاه‌های میدان آزاد با زمین تراز (مثلاً شیب صفر)، پیش از لرزش زمین‌لرزه هیچ تنش برشی روی صفحه‌های افقی وجود ندارد. اما در زمین شیب‌دار، در ساختگاه‌های تراز نزدیک شیب‌ها (مثلاً کنارهٔ رودخانه‌ها و پنجهٔ خاکریزها) و در ساختگاه‌های ترازی که بارهای سازه‌ای بر آن‌ها اعمال شده است، پیش از لرزش زمین‌لرزه یک تنش برشی اولیه روی صفحهٔ افقی وجود خواهد داشت. آن تنش برشی افقی اولیه می‌تواند بر آهنگ تولید فشار منفذی اثر بگذارد. بررسی‌های آزمایشگاهی (Seed and Harder, 1990; Boulanger, 2003b) نشان داده‌اند که در خاک‌های به‌شدت کاهندهٔ حجم (مثلاً بسیار سست)، در حضور یک تنش برشی افقی اولیه، فشارهای منفذی تندتر از حالت بدون تنش برشی افقی اولیه تولید می‌شوند. اما در خاک‌های کمتر کاهندهٔ حجم یا افزایندهٔ حجم (مثلاً با تراکم متوسط تا متراکم)، حضور یک تنش برشی افقی اولیه تمایل دارد تولید فشار منفذی را بازدارد. بررسی‌های آزمایشگاهی نشان داده‌اند که حالت تنش سه‌بعدی و تراز کرنش برشی نیز می‌توانند بر توسعهٔ فشار منفذی اثر بگذارند (Boulanger, 1990; Kammerer, 2002; Cetin and Bilge, 2015).

اثر دامنهٔ کرنش برشی

روش‌های مختلف آماده‌سازی نمونه، نمونه‌های خاکی با ساختارهای متفاوت پدید می‌آورند، و تفاوت‌های مشاهده‌شده در سنجه‌های تنش‌محور مقاومت برشی چرخه‌ای، در آزمون‌های روی نمونه‌های بازساخته‌شده با روش‌های مختلف (Ladd, 1974; Mulilus et al., 1977)، پژوهشگران را به بررسی به‌کارگیری دامنهٔ کرنش چرخه‌ای به‌عنوان سنجه‌ای از بارگذاری، یا تقاضا، برای روان‌گرایی واداشت. داده‌های گردآوری‌شده به‌دست Dobry and Ladd (1980) اشاره دارند به اینکه رابطهٔ میان فشار منفذی و کرنش برشی چرخه‌ای نسبتاً به تغییرهای اولیهٔ ساختار خاک بی‌اعتناست. این یافته با یافتهٔ Silver and Seed (1971) سازگار است: تغییر حجم القاشده به‌دست برش، به کرنش‌های برشی چرخه‌ای نزدیک‌تر از تنش‌های برشی چرخه‌ای مرتبط است. شکل ۲.۸ رابطهٔ میان نسبت‌های فشار منفذی و دامنهٔ کرنش برشی را نشان می‌دهد که Dobry and Ladd (1980) از آزمون روی نمونه‌های بازساخته‌شدهٔ دو خاک به‌دست آورده‌اند؛ یکی از این دو خاک با سه روش مختلف آماده‌سازی نمونه تهیه شده بود (فصل ۵ را ببینید).

اثر سن

مشاهده‌های تجربی (مثلاً Youd and Hoose, 1977; Youd and Perkins, 1978) نشان می‌دهند که روان‌گرایی ناشی از زمین‌لرزه در نهشته‌های خاک جوان‌تر (مثلاً با سن هولوسن) رایج‌تر از نهشته‌های خاک قدیمی‌تر (مثلاً با سن پلیستوسن و قدیمی‌تر) است. بررسی آزمایشگاهی اثرهای سن به دلیل دشواری شبیه‌سازی تغییرها در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناسی پیچیده است، اما ترکیب‌های داده‌های آزمایشگاهی و میدانی نشان داده‌اند که خاک‌های قدیمی‌تر عموماً در برابر تولید فشار منفذی مقاوم‌تر از خاک‌های جوان‌ترند (Troncoso et al., 1988; Seed, 1979; Arango et al., 2000; Robertson et al., 2000). سازوکارهای اثرهای سال‌خوردگی کاملاً شناخته نشده‌اند، اما می‌توانند شامل بازآرایی ذره‌ها و گروه‌های ذره، افزایش تنش‌های جانبی درجا، درگیری دانه‌ها، رسوب شیمیایی (سیمانی شدن) و قوس‌زدگی تنش درونی باشند (Mitchell and Solymar, 1984; Mitchell, 1986; 2008; Schmertmann, 1991) که در مقیاس‌های زمانی مختلف عمل می‌کنند. توجه کنید که اثرهای سال‌خوردگی می‌توانند هنگامی که ساختار یا بافت یک خاک به‌دست رویدادها برهم می‌خورد یا نابود می‌شود، «پاک» شوند. بنابراین «سن» یک نهشتهٔ خاک از دید روان‌گرایی می‌تواند با راه‌اندازی روان‌گرایی به صفر بازنشانی شود، حتی اگر کرنش‌های بزرگ توسعه نیابند (Andrus et al., 2009; Hayati and Andrus, 2009; Maurer et al., 2014a). اثر سن خاک بر پتانسیل روان‌گرایی با جزئیات بیشتر در فصل‌های ۳ و ۴ بحث می‌شود.

ملاحظه‌های هیدرولیکی

بازتوزیع و استهلاک فشار آب منفذی اضافی می‌تواند به‌شدت بر رفتار یک خاک هنگام نزدیک شدن به روان‌گرایی و هنگام وقوع آن اثر بگذارد. فشار آب منفذی اضافی عموماً به‌شکلی فضایی متغیر توسعه می‌یابد و شیب‌های هیدرولیکی پدید می‌آورد که سبب جریان آب از مکان‌های بار هیدرولیکی بالا (یعنی مکان‌های فشار آب منفذی اضافی بالا) به‌سوی مکان‌های بار هیدرولیکی پایین (مکان‌های فشار آب منفذی اضافی پایین‌تر) می‌شوند.^۳ آب از پهنه‌های با فشار آب منفذی اضافی بالا غالباً به‌سوی سطح زمین جریان می‌یابد. جوشش ماسه، رایج‌ترین شاهد سطحی روان‌گرایی، ممکن است هنگامی پدید آید که آب و ذره‌های خاک حمل‌شده از یک لایهٔ روان‌شدهٔ کم‌عمق در سطح زمین بیرون رانده شوند (شکل ۲.۹ را ببینید).

مهاجرت و استهلاک فشار آب منفذی اضافی می‌تواند در صورتی که یک لایهٔ خاک کم‌تراوا روی یک لایهٔ روان‌گراشدنی قرار گیرد، کند شود. در این حالت‌ها، آب منفذی جاری‌شده به بالا می‌تواند زیر کف لایهٔ کم‌تراوا انباشته شود و چگالی خاک درست زیر لایهٔ کم‌تراوا می‌تواند بسیار کم شود، چنان‌که در شکل ۲.۱۰ تصویر شده است. در حالت‌های حدی، ممکن است یک میان‌لایهٔ آب در کف لایهٔ کم‌تراوا تشکیل شود. چون مهاجرت آب منفذی ممکن است پس از توقف لرزش زمین ادامه یابد، بحرانی‌ترین وضعیت از نظر پایداری یک برش خاک روان‌شده ممکن است پس از پایان لرزش رخ دهد.

بارگذاری زمین‌لرزه

روان‌گرایی هنگامی راه‌اندازی می‌شود که بارگذاری اعمال‌شده بر یک خاک مستعد روان‌گرایی از مقاومت آن خاک به روان‌گرایی فراتر رود. بنابراین، ارزیابی راه‌اندازی روان‌گرایی نیازمند تعیین سنجه‌های سازگار برای بارگذاری زمین‌لرزه و مقاومت به روان‌گرایی است. بررسی‌های نخستین دربارهٔ مقاومت به روان‌گرایی بر آزمون‌های آزمایشگاهی استوار بود تا منحنی‌های مقاومت چرخه‌ای همانند آنچه در شکل ۲.۷ نشان داده شده پدید آید. بارگذاری زمین‌لرزه بر پایهٔ مقادیر نماینده‌ای از دامنهٔ تنش برشی چرخه‌ای یکنواخت و شمار چرخه‌های بارگذاری یکنواخت برای زمین‌لرزهٔ طراحی بود و هنوز هم هست. این رویکرد مستلزم توسعهٔ رویه‌هایی برای تعیین یک تنش برشی نمایندهٔ القاشده به‌دست زمین‌لرزه و شمار چرخه‌های بارگذاری یکنواخت به‌عنوان تابعی از بزرگای زمین‌لرزه است، چنان‌که در بخش بعدی بحث می‌شود.

سنجهٔ شدت جنبش زمین

در بیشتر تحلیل‌های روان‌گرایی، شدت جنبش زمین طراحی با تنش برشی چرخه‌ای اوج و یک بزرگای زمین‌لرزه مشخص می‌شود. تنش برشی چرخه‌ای اوج نیز به نوبهٔ خود به شتاب اوج زمین (PGA) طراحی بستگی دارد. چنان‌که در کادر ۱.۳ اشاره شد، ۶۵٪ نسبت تنش برشی چرخه‌ای اوج معمولاً به‌عنوان مقدار بار چرخه‌ای یکنواخت معادل به‌کار می‌رود. این مقدار کاهش‌یافتهٔ تنش برشی چرخه‌ای اوج برای مشخص‌کردن بارگذاری زمین‌لرزه معرفی شد تا این واقعیت در نظر گرفته شود که تنش برشی چرخه‌ای اوج تنها یک بار در زمین‌لرزه رخ می‌دهد و همهٔ چرخه‌های بارگذاری دیگر در زمین‌لرزه دامنهٔ کمتری دارند. اما با ضریب‌های مقیاس بزرگا (MSF) که بعدها معرفی شدند و اثرهای دوام لرزش زمین‌لرزه را در نظر می‌گیرند، به‌کارگیری نسبت تنش برشی چرخه‌ای اوج کاهش‌یافته (یعنی ۶۵٪) دیگر لازم نیست؛ با این حال، به دلایل تاریخی نگه داشته شده است (یعنی به‌کارگیری درصد کاهشی متفاوت در نسبت تنش برشی چرخه‌ای اوج، یا به جابه‌جایی در همبستگی راه‌اندازی می‌انجامد یا به جبران متناظر در MSFها، به‌شکلی که نسبت تنش چرخه‌ای تصحیح‌شده برای بزرگای ۷.۵ بدون تغییر بماند).

منابع سنجهٔ شدت طراحی

سنجهٔ شدت زمین‌لرزهٔ به‌کاررفته در طراحی (مثلاً شتاب اوج زمین) معمولاً بر پایهٔ تحلیلی از خطر جنبش زمین تعیین می‌شود که پتانسیل لرزش شدید زمین در ساختگاه از چشمه‌های زمین‌لرزهٔ شناخته‌شده را در نظر می‌گیرد. تحلیل‌های خطر لرزه‌ای را می‌توان به‌شکل قطعی یا احتمالاتی انجام داد. تحلیل‌های قطعی یک رویداد سناریویی معین را در نظر می‌گیرند که غالباً بزرگ‌ترین زمین‌لرزهٔ ارزیابی‌شده است که در کوتاه‌ترین فاصلهٔ چشمه تا ساختگاه رخ می‌دهد. تحلیل‌های احتمالاتی توزیع‌های بزرگا، فاصلهٔ چشمه تا ساختگاه و ترازهای لرزش زمین را در نظر می‌گیرند و احتمال‌های تجاوز از ترازهای مختلف لرزش زمین را بر پایهٔ احتمال‌های همهٔ ترکیب‌های بزرگا، فاصله و تراز لرزش زمین محاسبه می‌کنند. ممکن است برای برخی پروژه‌ها، مانند زیرساخت‌های حیاتی یا وضعیت‌هایی که جان انسان‌ها در خطر باشد، تحلیل‌های خطر پروژه‌محور انجام شود. در عوض، می‌توان از نتایج منتشرشدهٔ تحلیل‌های خطر لرزه‌ای از یک منبع معتبر شناخته‌شده (مثلاً از U.S. Geological Survey National Seismic Hazard Mapping Program) استفاده کرد.^۴ انتخاب بزرگای زمین‌لرزهٔ مناسب برای به‌کارگیری با یک شتاب طراحی احتمالاتی در فصل ۴ بحث می‌شود.

مقاومت خاک به روان‌گرایی

ارزیابی مقاومت به روان‌گرایی در ۴۰ سال گذشته از روش‌شناسی‌های آزمایشگاهی به چارچوبی میدانی تحول یافته است، عمدتاً به این دلیل که به‌دست آوردن نمونه‌های باکیفیت از میدان برای آزمون آزمایشگاهی دشوار است. چارچوب میدانی، مقاومت به روان‌گرایی را با یک پارامتر آزمون درجای «نماینده» از آزمونی مانند آزمایش نفوذ استاندارد (SPT؛ توصیف‌شده در کادر ۲.۳)، آزمایش نفوذ مخروط (CPT؛ توصیف‌شده در کادر ۲.۴) و آزمون سرعت موج برشی (Vs) (توصیف‌شده در کادر ۲.۵) مشخص می‌کند. روش‌های ارزیابی مقاومت خاک به روان‌گرایی با جزئیات در فصل ۴ بحث می‌شوند.

۴ نگاه کنید به http://geohazards.usgs.gov/deaggint/2008/documentation.php.

کادر ۲.۳: آزمایش نفوذ استاندارد

سال‌های بسیاری آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) رایج‌ترین آزمایش برای ارزیابی سختی درجای خاک بود و ممکن است در بسیاری از مناطق هنوز هم بسیار رایج باشد. در آزمایش SPT، یک لولهٔ نمونه‌گیر استاندارد با جدار ضخیم (شکل ۱ را ببینید) در کف گمانه قرار می‌گیرد و با چکشی لغزشی با جرم و ارتفاع سقوط استاندارد به درون زمین کوبیده می‌شود (شکل ۲ را ببینید). شمار ضربه‌های چکش لازم برای پیش‌راندن لوله در کف گمانه در سه بازهٔ ۶ اینچی ثبت می‌شود. عدد ضربهٔ SPT، N، مقدار مجموع شمار ضربه‌های چکش برای نفوذ در بازهٔ دوم و سوم ۶ اینچی است. رویه‌های SPT در روش‌های آزمون استاندارد ASTM D1586-11 و ASTM D6066-11 تدوین شده‌اند (ASTM International, 2011a,b). اما این استاندارد میزانی اختیار در روش‌شناسی را مجاز می‌داند که به تغییرپذیری چشمگیر در اندازه‌گیری‌های عدد ضربهٔ SPT می‌انجامد. یک مزیت SPT آن است که نمونهٔ خاکی فراهم می‌کند که می‌توان آن را برای طبقه‌بندی چشمی، تحلیل دانه‌بندی، تعیین حدود آتربرگ و دیگر ویژگی‌های شاخص خاک به‌کار برد. با این همه، علاوه بر عدم‌قطعیت‌های همراه با مقادیر عدد ضربه، اندازه‌گیری‌های SPT اگر در بازه‌های عمقی با فاصلهٔ زیاد (مثلاً ۰٫۷۵ تا ۱٫۵ متر) انجام شوند می‌توانند محدود باشند. ویژگی‌هایی مانند لایه‌های نازک خاک بالقوه روان‌گراشدنی ممکن است از نظر دور بمانند.

به دلیل نبود استانداردسازی واقعی در SPT، انرژی منتقل‌شده از چکش SPT به نوک نمونه‌گیر SPT بسیار متغیر است. عامل مهم دیگر مؤثر بر عدد ضربه، فشار سربار مؤثر در زمین در عمقی است که عدد ضربه اندازه‌گیری می‌شود. در نتیجه، در رویهٔ مهندسی غالباً از عدد ضربهٔ اصلاح‌شده از نظر تنش (N₁)، عدد ضربهٔ اصلاح‌شده از نظر انرژی (N₆₀) و عدد ضربهٔ اصلاح‌شده از نظر تنش و انرژی (N₁)₆₀ استفاده می‌شود (Kavazanjian et al., 2011). اصلاح‌های گوناگون اعمال‌شده بر مقاومت‌های اندازه‌گیری‌شدهٔ SPT در فصل ۴ توصیف می‌شوند.

کادر ۲.۴: آزمایش نفوذ مخروط

آزمایش نفوذ مخروط (CPT) آزمایشی درجا است که برای توصیف چینه‌شناسی و ویژگی‌های خاک‌ها به‌کار می‌رود. در CPT، یک نفوذسنج استاندارد با نوک مخروطی با آهنگی در حدود ۲۰ میلی‌متر بر ثانیه به درون زمین رانده می‌شود. نیرو بر واحد سطح روی نوک نفوذسنج (که مقاومت نوک نامیده می‌شود) و نیرو بر واحد سطح روی غلاف پشت نوک (که مقاومت غلاف نامیده می‌شود) هنگام پیش‌راندن نفوذسنج در زمین اندازه‌گیری می‌شوند. CPT در استاندارد ASTM D5778-12 تدوین شده است (ASTM International, 2012). CPT رکوردی تقریباً پیوسته (به‌طور معمول با تفکیک ۵ تا ۱۰ سانتی‌متر) از مقاومت نوک و غلاف بر حسب عمق فراهم می‌کند که می‌توان آن را برای شناسایی لایه‌های نازک و نوسان‌های کوچک‌مقیاسی که غالباً در حفاری، نمونه‌گیری و آزمایش SPT از نظر دور می‌مانند تفسیر کرد. نفوذسنج‌های CPT را می‌توان به مبدل‌های فشار (آزمایش‌های پیزوکون یا CPTu) برای اندازه‌گیری فشارهای آب منفذی و به ژئوفون‌ها (CPT لرزه‌ای) برای اندازه‌گیری سرعت‌های موج برشی مجهز کرد. پیشرفت تازه یک نمونه‌گیر مخروطی‌شکل است که می‌توان آن را با دستگاه CPT پیش راند و به‌کمک آن نمونه‌های کوچک خاک را برای ارزیابی ویژگی‌های شاخص خاک (مثلاً اندازهٔ دانه) به‌دست آورد. از نفوذسنج‌های مخروطی نمی‌توان در خاک‌های بسیار سخت یا متراکم استفاده کرد و آن‌ها در خاک‌های دارای ذراتی به‌اندازهٔ شن و درشت‌تر، به دلیل دشواری نفوذ در این خاک‌ها، غیرقابل اعتماد دانسته می‌شوند. CPT معمولاً برای بررسی سوابق موردی روان‌گرایی به‌کار می‌رود، اما چون CPT نمونهٔ خاک به‌دست نمی‌دهد و نمونه‌گیر مخروطی‌شکل پیش‌ران‌شدنی با CPT کاربرد گسترده‌ای ندارد، ممکن است به‌عنوان بخشی از بررسی زیرسطحی همچنان به مقداری حفاری و نمونه‌گیری نیاز باشد. شکل ۱ برش‌های عرضی طرح‌واره‌ای از نفوذسنج‌های مخروطی الکتریکی معمول را با دو جایگاه ممکن برای صافی متخلخل نشان می‌دهد. رایج‌ترین نفوذسنج CPTu همان است که در نیمهٔ پایینی شکل نشان داده شده است و مبدل فشار منفذی آن در شانهٔ میان نوک مخروطی و غلاف نفوذسنج قرار دارد.

پیامدهای روان‌گرایی

راه‌اندازی روان‌گرایی می‌تواند به پیامدهای گوناگونی برای ویژگی‌های خاک و ساختگاه و همچنین به آسیب فیزیکی، زیان اقتصادی و احتمال از دست رفتن جان بیانجامد. برخی از عوامل مؤثر بر پیامدهای اصلی روان‌گرایی در ادامه توصیف می‌شوند. توصیف پیامدهای روان‌گرایی و رویه‌های پیش‌بینی این پیامدها در فصل‌های ۶ و ۷ ارائه می‌شود.

دگرگونی جنبش زمین

پاسخ ساختمان‌ها، پل‌ها، خطوط لوله و دیگر اجزای زیرساخت که خاک‌های روان‌گراشدنی زیر آن‌ها قرار دارد، به‌شدت تحت تأثیر این خواهد بود که روان‌گرایی چگونه بر مشخصات جنبش‌های سطح زمین اثر می‌گذارد. تغییر فرکانس جنبش زمین غالباً زمانی که روان‌گرایی در نتیجهٔ کاهش سریع سختی برشی در نسبت‌های بالای فشار منفذی راه‌اندازی می‌شود، به‌طور ناگهانی رخ می‌دهد. این تغییر محتوای فرکانسی می‌تواند چنان ناگهانی و آشکار باشد که در شتاب‌نگاشت‌های سطح زمین به‌آسانی دیده شود.

در حالی که آغاز روان‌گرایی به‌طور معمول شدت شتاب سطح زمین را کاهش می‌دهد (در مقایسه با شتاب سطح زمین در حالتی که ساختگاه روان‌گرا نمی‌شد)، مؤلفه‌های کم‌فرکانس جنبش زمین ممکن است پس از راه‌اندازی روان‌گرایی افزایش یابند. حتی شتاب‌های نسبتاً کم در فرکانس‌های پایین هم می‌توانند پس از راه‌اندازی، جابه‌جایی‌های بسیار بزرگ و بلنددوره پدید آورند که گاه نوسان‌های زمین نامیده می‌شوند. نمونه‌هایی از نوسان ویرانگر زمین در شمار زیادی از زمین‌لرزه‌ها گزارش شده است (Youd and Keefer, 1994; Youd, 2003; Holzer and Youd, 2007).

گسترش جانبی و لغزش جریانی

تنش‌های برشی اولیه در شرایط زمین شیب‌دار می‌توانند پس از روان‌گرایی، تغییرشکل‌های جانبی ماندگار زمین را برانگیزند. این تغییرشکل‌های جانبی در رویهٔ مهندسی گسترش جانبی و لغزش جریانی نامیده می‌شوند. هنگامی که تنش‌های برشی اولیه کمتر از مقاومت باقی‌ماندهٔ خاک باشند (یعنی مقاومت برشی خاک روان‌شده در کرنش بزرگ) اما تنش‌های القاشده به‌دست زمین‌لرزه از مقاومت باقی‌مانده فراتر روند، جابه‌جایی جانبی در طول زمین‌لرزه به‌شکل افزایشی انباشته می‌شود و با توقف بارگذاری چرخه‌ای متوقف می‌شود و به گسترش جانبی می‌انجامد. هنگامی که تنش‌های برشی استاتیکی اولیه از مقاومت در دسترس خاک روان‌شده بیشتر باشند (مثلاً در زمینی با شیب بیشتر یا چگالی کمتر خاک)، تغییرشکل جانبی نه‌تنها در طول زمین‌لرزه انباشته می‌شود، بلکه پس از توقف لرزش نیز به انباشته شدن ادامه می‌دهد. این سازوکار لغزش جریانی نامیده می‌شود. در حالی که ممکن است تغییرشکل‌های گسترش جانبی به‌اندازهٔ کافی محدود باشند تا در طراحی مهندسی جای گیرند، جابه‌جایی‌های ناشی از لغزش جریانی به‌طور معمول در طراحی جای نمی‌گیرند و باید با اقدام‌های کاهش خطر برطرف شوند. گسترش جانبی و لغزش جریانی هر دو غالباً با ترک‌خوردگی زمین، جدایی میان زمین و سازه‌های مدفون، بیرون‌پرتاب شدن خاک و آب از ترک‌های زمین، و نشست سطحی (مثلاً تشکیل گرابن) در نتیجهٔ حرکت جانبی همراه‌اند. وقتی میزان گسترش جانبی اندک باشد، این اثرها ممکن است ظریف و سخت‌شناسایی باشند.

هنگامی که لرزش زمین‌لرزه فشارهای منفذی اضافی غیریکنواخت پدید می‌آورد، شیب‌های هیدرولیکی ممکن است شکل بگیرند که به‌نوبهٔ خود می‌توانند به افزایش فشارهای آب منفذی اضافی در دیگر مناطق بیانجامند. این امر آن‌گاه به کاهش تنش مؤثر و مقاومت می‌انجامد. این کاهش مقاومت می‌تواند برای پایداری پس از توقف لرزش مهم باشد. شکل ۲.۱۱ این پدیده را برای یک خاکریز نشان می‌دهد، اما می‌تواند در زیر شیب‌های طبیعی و ساخت بشر نیز رخ دهد. گسیختگی‌های شیب همراه با این نوع بازتوزیع فشار منفذی، از چند دقیقه تا چند ساعت پس از لرزش شدید زمین‌لرزه رخ داده است (Seed et al., 1973; Ishihara, 1984). هنگامی که جریان آب منفذی به‌دست خاک‌های با تراوایی کم مسدود می‌شود، تنش‌های مؤثر می‌توانند بسیار پایین و نسبت‌های تخلخل می‌توانند بسیار بالا شوند. چنین اثرهای بازتوزیع فضاهای خالی می‌توانند در حالت‌های حدی به تشکیل میان‌لایه‌های آب در زیر پهنه‌های با تراوایی کم بیانجامند.

نشست ناشی از روان‌گرایی

کاهش حجم در نتیجهٔ استهلاک فشار منفذی اضافی در خاک روان‌شده در طول و پس از زمین‌لرزه، عموماً به نشست سطح زمین می‌انجامد. نشست اگر در زیر سازه یکنواخت نباشد، می‌تواند به آسیب به سازه‌ها بیانجامد. نشست همچنین می‌تواند در زیر سازه‌های شمع‌بند فضای خالی به‌جا بگذارد، به تأسیسات مدفون در خاک آسیب بزند و شیب‌های زهکشی را در یک ساختگاه تغییر دهد. کرنش حجمی کل (کاهش حجم) پس از روان‌گرایی به‌طور کامل با استهلاک فشار منفذی و تحکیم مجدد خاک توضیح داده نمی‌شود. دلیل آن این است که بارگذاری چرخه‌ای خاک پس از راه‌اندازی روان‌گرایی، ساختار خاک را چنان تغییر می‌دهد که خاک از حالت اولیهٔ خود فشرده‌شدنی‌تر می‌شود. رویه‌های پیش‌بینی کرنش حجمی در ماسه‌های اشباع در فصل ۷ بحث می‌شوند. نشست سازه‌هایی که خاک روان‌گراشدنی زیر آن‌ها قرار دارد نیز تحت تأثیر اثر متقابل موضعی میان سازه و خاک است و می‌تواند به‌طور چشمگیر از نشست «میدان آزاد» تفاوت داشته باشد (Unutmaz and Cetin, 2012; Bray and Dashti, 2014; Bray et al., 2014). نشست سطح زمین همچنین می‌تواند با حرکت جانبی خاک و با بیرون‌راندن خاک (مواد پرتابی) از زیر سطح زمین همراه باشد.

آسیب به پی‌ها

آسیب ناشی از روان‌گرایی به سازه‌های متکی بر پی‌های سطحی، به‌طور معمول از جابه‌جایی‌های قائم و افقی تفاضلی ناشی می‌شود. این موضوع به‌ویژه برای سازه‌های متکی بر پی‌های منفرد یا پی‌های گستردهٔ کم‌آرماتور درست است، چنان‌که در سازه‌های مسکونی و تجاری سبک غالباً چنین است (Cubrinovski et al., 2011; Bray et al., 2014). سازه‌های متکی بر پی‌های گستردهٔ سخت‌تر نیز وقتی خاک روان‌گراشدنی زیر آن‌ها باشد، می‌توانند در معرض اعوجاج، نشست و کج‌شدگی قرار گیرند. سازه‌های مدفون متکی بر پی‌های گسترده یا پی‌های سطحی نیز می‌توانند در معرض بارهای جانبی ویرانگر و جابه‌جایی‌های همراه با گسترش جانبی و لغزش جریانی قرار گیرند.

آسیب ناشی از روان‌گرایی به پی‌های عمیق به‌طور معمول با گسترش جانبی و لغزش جریانی همراه است. حرکت جانبی زمین می‌تواند بارهای جانبی بر سرشمع‌ها و لنگرهای خمشی و نیروهای برشی در اعضای پی عمیق القا کند. بزرگی این بارها به سختی سیستم سازه و پی و مهار فراهم‌آمده به‌دست خاک‌های غیرروان‌گراشدنی بالای و پایین پهنهٔ روان‌شده بستگی دارد (شکل ۲.۱۲ را ببینید). نشست خاک روان‌شده در طول و پس از زمین‌لرزه می‌تواند به اصطکاک پوسته‌ای منفی (یعنی بارهای کشش رو به پایین) بر پی‌های شمعی بیانجامد، چنان‌که در فصل ۷ بحث می‌شود، هرچند گزارش‌های آسیب به پی‌های عمیق در نتیجهٔ کشش رو به پایین از نشست خاک روان‌شده نادر است.

آسیب به سازه‌های نگهبان

اگر افزایش فشار زمین و کاهش مقاومت جانبی ناشی از روان‌گرایی در طراحی پیش‌بینی نشود، ممکن است برآمدگی یا کج‌شدگی دیوارهای نگهبان، لغزش دیوار و آسیب به سازه‌های روی دیوار یا پشت آن رخ دهد. در زمین‌لرزهٔ ۱۹۹۵ Hyogo-ken Nanbu (Kobe, Japan)، بسیاری از سازه‌های دیوار اسکلهٔ وزنی در بندر Kobe در نتیجهٔ ترکیب افزایش فشار جانبی، کاهش مقاومت جانبی و گسیختگی ظرفیت باربری در زیر سازه‌های دیوار، نشست کردند، کج شدند و به‌طور جانبی بلغزیدند (شکل ۲.۱۳ را ببینید). این تغییرشکل‌ها جرثقیل‌های دروازه‌ای را که روی ریل‌هایی در امتداد تاج دیوارها حرکت می‌کردند از بین برد و اسکله‌ها را غیرقابل استفاده کرد و به زیان اقتصادی چشمگیر برای بندر انجامید (فصل ۱ را ببینید).