روانگرایی(Liquefaction)

پدیده روانگرایی:

هر گاه ارتعاشات یا فشار آب درون توده ی خاک باعث شود که ذرات خاک تماسشان را با یکدیگر از دست بدهند، روانگرایی اتفاق می افتد. در نتیجه خاک به مانند یک مایع رفتار می کند، در تحمل وزن ناتوان شده و می تواند بر روی شیب های بسیار ملایم روان شود. این شرایط معمولا موقت بوده و اغلب در اثر وقوع زمین لرزه در خاکریزهای اشباع از آب یا خاک های غیر چسبنده (unconsolidated soil) اتفاق می افتد. پدیده روانگرایی(Liquefaction) بیشتر در خاک‌های اشباع، شُل (با چگالی کم یا غیر متراکم) و ماسه‌ای دیده شده‌ است.

شرایطی که باعث ایجاد روانگرایی می شود:

روانگرایی اغلب در اثر محیا شدن سه شرط زیر حادث می شود:

١.  رسوبات یا خاکریزهای دانه ای و سست

٢.  اشباع شده بوسیله ی آب زیرزمینی

٣.  لرزش نیرومند

روانگرایی خاک و پدیده های مرتبط با آن در زلزله های سالیان گذشته صدمات زیادی را در سراسر جهان وارد کرده اند. روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد. آب موجود بین ذرات خاک فشاری را به ذرات خاک وارد می کند که این فشار سبب می شود ذرات خاک بطور محکم بهم فشرده شوند. پیش از زلزله فشار آب نسبتآ کم است اما با وقوع لرزش زلزله فشار آب افزایش یافته بطوریکه ذرات خاک بسرعت در کنارهم شروع به حرکت می کنند. هرچند اغلب لرزش زمین سبب افزایش فشار آب منفذی می گردد اما فعالیت های مرتبط ساختمانی همانند انفجار یا آبگیری مخازن و بطور کلی تغییر در تنش ارتجاعی زمین از طریق بارگذاری و باربرداری نیز می تواند سبب روانگرایی در خاک گردد.

همچنین خاک روان شده پشت دیوارهای حائل می تواند سبب نشست و تخریب دیوار حائل گردد. چنانچه افزایش فشار آب منفذی در پشت سدها نیز میتواند سبب زمین لغزش و شکستن سدها گردد. روانگرایی خاک در بسیاری از زلزله های سالیان گذشته مشاهده شده است.

  

بدلیل اینکه روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد این پدیده معمولا در مناطق نزدیک آب همانند رودخانه ها، دریاچه ها ،خلیج ها و اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد. اثرات این پدیده عمده در مناطق نزدیک به آب شامل لغزش عمده خاک بسمت ساحل و فرونشست آن همانند دریاچه مرسید(Lake Merced) در ۱۹۵۷ و یا حرکت زمین و ایجاد ترک در ساحل دریا در اثر تنش اضافی همانند رودخانه موتاگوا (Motagua River) در زلزله ۱۹۷۶ گواتمالا می شود. صدمه به دیوارهای نگهدارنده بنادر و باراندازها با ایجاد فشار به خاک پشت آنها و هل دادن آن به سمت آب از دیگر صدماتی است که روانگرایی در مناطق نزدیک سواحل ایجاد می کند بطوریکه در زلزله ۱۹۹۵ کوبه ژاپن روانگرایی خاک صدمه اصلی را به امکانات و تجهیزات بندر کوبه وارد کرد.

پدیده های مشابه روانگرایی خاک:

اصطلاح روانگرایی خاک معمولا برای معرفی تعدادی از پدیده های مشابه نیز بکار میرود. زیرا این پدیده ها اثراتی مشابه دارند و همین مسئله تشخیص آنها را از هم مشکل کرده است .این پدیده های مرتبط عموما به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:

جریان روانگرایی (flow liquefaction):

پدیده ای است که در آن تعادل استاتیکی خاکهای رسوبی با مقاومت پسماند در اثر بارهای استاتیکی یا دینامیکی بهم می خورد. مقاومت پسماند مقاومت خاک روان شده است. برای مثال بار استاتیکی می تواند در اثر ساختمان جدیدی که روی شیب ساخته شده است سبب وارد آمدن نیروی اضافی به خاک زیر پی گردد. زلزله ها، انفجارات و شمع کوبی مثالهایی از بارهای دینامیکی هستند که می توانند موجب جریان روانگرایی شوند. همچنین یکبار که پدیده روانگرایی در خاک روی داد، خاک مستعد وقوع جریان روانگرایی است. بطوریکه خاک مقاومت کافی را برای تحمل تنشهای استاتیکی همانند پیش از ناآرامی ندارد.

روانی مجدد (cyclic mobility):

این پدیده در اثر بارگذاری تکراری در خاکهای رسوبی با تنشهای برشی استاتیکی کمتر از مقاومت خاک روی می دهد. تغییر شکلهای ناشی از روانی دوره ای بطور افزایشی بدلیل تنشهای استاتیکی و دینامیکی در هنگام زلزله گسترش می یابد.

یکی از نتایج روانی دوره ای پخش جانبی (Lateral spreading) خاک روی نواحی کم شیب و صاف کنار دریاها و رودخانه است. زلزله سال ۱۹۷۶ گواتمالا سبب پخش جانبی خاک در سراسر کناره رودخانه مونتگوا شد. در زمین های صاف بدلیل فشار آب منفذی بالا ایجاد شده در اثر پدیده روانگرایی سبب جریان سریع آب در سطح زمین می گردد. این جریان هم در جریان زلزله و هم بعد از آن اتفاق می افتد. اگر جریان آب منفذی به اندازه کافی و به سرعت بالا بیاید سبب حرکت ذرات ماسه به سمت ترکها و روی دادن پدیده جوشش ماسه می گردد. این پدیده بیشتر در مناطقی که تحت تاثیر پدیده روانگرایی قرارگرفته اند روی می دهد.

 

 

 

روشهای تقویت در مقابل روانگرایی: 

الف) تراكم

روشهای مبتنی بر تراكم بمنظور بالابردن مقاومت خاك و متراكم كردن خاك ماسه ای با استفاده از ضربه و ارتعاش بطور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. این روش معمولا فشار خاك را افزایش می دهد و باعث ارتعاش و ایجاد سر و صدا حین تراكم می شود. بنابراین اثر تراكم روی خاك مجاور و سازه های همسایه حین اجرای روش قابل ملاحظه است، بعلاوه زمانی كه درصد ریزدانه خاك زیاد باشد، تراكم مشكل است. تراكم لایه خاك بعنوان یك روش اجرای تقویت درمقابل روانگرایی با استفاده از میله فولادی یا غلاف فولادی برای اعمال نیرو به شن و ماسه خاك با قابلیت روانگرایی و اعمال ارتعاشات قوی در این خاكها بكار می رود.

ب) استهلاك فشار آب منفذی

درمقابله با روانگرایی مبتنی بر استهلاك فشار آب منفذی، سرعت كاهش اضافه فشارآب منفذی تولید شده در خاك ماسه ای حین زلزله افزایش یافته و با استفاده از اجرای شمع های زهكشی، اضافه فشار آب منفذی كاهش میابد.

ج) سیمانتاسیون و جامد سازی

سیمانتاسیون از جمله روشهای اجرای تقویت روانگرایی می باشد كه شامل روشهای مخلوط عمیق و روش پیش مخلوط می باشد. روش مخلوط عمیق با اختلاط مواد تثبیت كننده مثل سیمان در خاك ماسه ای و جامد سازی خاك باعث ایجاد مقاومت در برابر روانگرایی می شود. این روش حتی برای مقاوم سازی خاك زیر سازه های موجود نیز بكار می رود. در این روش با مقید كردن تغییرشكلهای برشی، خاك زیر ساختمان از طریق ایجاد دیوار زیرزمین در مقابل روانگرایی تقویت می شود. بعبارت دیگر تقویت روانگرایی در این شرایط امكان خواهد داشت حتی زمانی كه خاك با امكان روانگرایی در زیرسازه های موجود، مثل یك خاكریز وجود داشته باشد. دراینصورت پیرامون سازه یك دیوار بهسازی شده اجرا می شود.
دراین روش مصالح تثبیت كننده مثل سیمان با خاك مخلوط و سخت می شود. دو رویكرد وجود دارد: یكی بهسازی و جامد سازی همه خاك و دیگری بهسازی جزئی، كه یك دیوار جامد در خاك ایجاد می شود. تاثیر این روش روی محیط اطراف حداقل می باشد.
روش پیش مخلوط با اضافه كردن مصالح تثبیت كننده به خاك و ماسه از قبل و ریختن خاك بهسازی شده در آب با لوله های ترمی یا بارج های مخصوص انجام می شود. با انجام تقویت در مقابل روانگرایی، بعد از جایگزینی خاك مخلوط ، روشی مثل تراكم مورد نیاز نبوده و دوره زمانی ساخت كاهش می یابد.

د) جایگزینی

روشی است كه درآن خاك محل با مصالحی كه پتانسیل روانگرایی ندارد، جایگزین می شود. شن و خاك مخلوط شده با سیمان، مصالحی بدون قابلیت روانگرایی می باشند كه در روش جایگزینی برای مقابله با روانگرایی استفاده می شوند. در اجرای این روش ارزیابی و كنترل پایداری خاكبرداری در حین جایگزینی ضروری است.

ه) پایین آوردن سطح آب زیرزمینی

تقویت در برابر روانگرایی از طریق پایین آوردن سطح آب زیرزمینی براساس غیراشباع ساختن خاك، پایین آوردن سطح آب زیرزمینی و افزایش تنش موثر در خاك زیرسطح آب زیرزمینی بدست می آید.
دراین روش، سطح آب همواره باید پایین نگهداشته شود. بنابراین هزینه اصلی آن بهره برداری ونگهداری سیستم پمپاژ آب ازعمق چاه می باشد كه باید مد نظر قرار گیرد.

و) مقید كردن كرنش برشی

در روش اجرای تقویت براساس مقید كردن كرنش برشی، با اجرای دیوار زیرزمینی پیوسته زیر سطح زمین، كرنش برشی در حین زلزله مقید می شود.
این روش به سادگی، خاك با قابلیت روانگرایی را با دیوار پیوسته ای احاطه می كند و بنابراین در مورد سازه های موجود، برای خاك در عمق، جائی كه تقویت در برابر روانگرایی با دیگر روشها مشكل است، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

ی) پیش بارگذاری

افزایش مقاومت در مقابل روانگرایی از طریق روش پیش بارگذاری با بیش تحكیم یافته كردن خاك توسط سربار خاكریز امكان پذیر است. این روش را می توان در خاكهای با درصد بالای ریزدانه بكار برد. همچنین می توان پیش بارگذاری را با بیش تحكیم كردن خاك از طریق پایین بردن سطح آب زیرزمینی حتی زیر سازه های موجود اعمال كرد.

از روشهای بهسازی خاک در راستای تقویت خاک در مقابل روانگرایی میتوان به اجرای ریزشمع (میکروپایل)، جت گروتینگ، شمع بتنی مسلح و شمع های ارتعاشی شنی، Deep Soil Mixing (روش اختلاط عمیق) و غیره اشاره نمود.