روانگرایی خاک چیست؟ – تعریف، محاسبه و روش های مقابله

روانگرایی خاک، پدیده‌ای است که معمولا در حوزه مهندسی زلزله مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در این پدیده، خاک به طور موقت از فاز جامد به فاز مایع می‌رود و جریان می‌یابد. در صورت وجود سازه بر روی خاک در حین رخ دادن پدیده روانگرایی، تعادل استاتیکی سازه بهم می‌خورد و در بهترین حالت، به طور یکنواخت نشست می‌کند. اگر تمهیدات لازم برای مقابله با روانگرایی خاک اندیشیده نشده باشند، این پدیده می‌توان منجر به تخریب ساختمان شود. تاثیر مستقیم روانگرایی بر روی ایمنی سازه‌ها، آن را به یک مبحث مهم در مهندسی زلزله، سازه و ژئوتکنیک تبدیل کرده است. در این مقاله، به معرفی پدیده روانگرایی خاک، عوامل موثر، اثرات مخرب، روش‌های مقابله، آزمایش‌های ارزیابی و فرمول‌های محاسبه این پدیده می‌پردازیم.

روانگرایی خاک چیست؟

«روانگرایی خاک» (Soil Liquefaction)، پدیده‌ای است که در حین زمین‌لرزه و بر اثر از بین رفتن مقاومت توده خاک‌های ماسه‌ای اشباع شده رخ می‌دهد. در این پدیده، بارهای جانبی ناشی از زلزله، پیوند بین ذرات را ضعیف می‌کند. به این ترتیب، ظرفیت باربری خاک از بین رفته سازه‌های بالای آن، به درون زمین فرو می‌روند. خاک، ماده‌ای کامپوزیت (ترکیبی از ذرات جامد، مایع و گاز) است. در خاک‌های اشباع، ساختار خاک تنها از ذرات جامع و مایع (اغلب آب) تشکیل می‌شود.

فیلم آموزش مکانیک خاک – مرور و حل سوالات آزمون های استخدامی در فرادرس

کلیک کنید

روانگرایی، ترکیب خاک را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد؛ بلکه با تغییر در ساختار آن، رفتار آن را در یک بازه زمانی کوتاه از جامد

روانگرایی خاک، ارتباط بسیار نزدیکی با زلزله دارد. در سال ۱۹۶۴ میلادی (۱۳۴۳ شمسی)، دو زلزله بزرگ در شهر نیگاتای ژاپن و آلاسکای آمریکا، باعث ایجاد روانگرایی خاک در مقیاس‌های بسیار بزرگ شدند. اثرات مخرب روانگرایی‌های ناشی از این زلزله‌ها، پژوهشگران را به مطالعه بر روی مکانیزم رخ دادن روانگرایی واداشت. واژه «Liquefaction»، برای اولین بار در همین سال مورد استفاده قرار گرفت؛ چراکه طی فرآیند روانگرایی، رفتار خاک از حالت جامد (Solid) به حالت مایع (Liquid) تغییر می‌کند. طی مطالعات صورت گرفته بر روی علل رخ دادن روانگرایی، منشا این پدیده به مفهوم تنش موثر ربط داده شد.

تنش موثر چیست ؟

خاک، مجموعه‌ای از ذرات جامد و ترکیبی از آب و یا هوا است. برخلاف سنگ، خاک‌ها ساختاری نسبتا سست، ریز و متخلخل دارند. با وجود ریز بودن ذرات و سست بودن ساختار خاک‌ها، اجزای آن‌ها به خوبی در کنار یکدیگر باقی می‌مانند. دلیل تعادل ذرات خاک، «تنش موثر» (Effective Stress) است. این تنش، بر اثر وزن و فشار ذرات جامد به وجود می‌آید و اجزای خاک را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد.

در ساختار خاک، تنها ذرات جامد نیستند که به یکدیگر فشار وارد می‌کنند. مایعات درون فضای متخلخل خاک نیز ذرات اطراف خود را تحت فشار می‌گذارند. گسترش امواج لرزه‌ای درون خاک در هنگام زلزله، فشار آب منفذی (فشار مایعات درون حفره‌های توده خاک) را افزایش می‌دهد. به این ترتیب، ذرات جامد خاک از یکدیگر فاصله می‌گیرند. با دور شدن ذرات و از بین رفتن سطح تماس بین آن‌ها، تنش موثر به صفر میل می‌کند.

فیلم آموزش مکانیک خاک – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

در صورت از بین رفتن تنش موثر، دیگر نیرویی برای کنار هم نگه داشتن ذرات وجود ندارد. به همین دلیل، ذرات جامد، برای مدتی درون آب شناور می‌شوند. توده خاک نیز در این حین، رفتاری شبیه به مواد مایع را از خود به نمایش می‌گذارد. این رفتار، جریان یافتن و تغییر شکل خاک را در پی دارد.

مکانیزم رخ دادن روانگرایی خاک چگونه است ؟

به منظور درک مکانیزم رخ دادن روانگرایی خاک، تصویر زیر را در نظر بگیرد. این تصویر، ذرات یک توده خاک ماسه‌ای اشباع را نمایش می‌دهد.

اکنون، ذرات بالا را در معرض نیروی برشی قرار می‌دهیم.

با اعمال نیروی برشی، ذرات نسبت به یکدیگر جابجا می‌شوند و آرایش آن‌ها به شکل زیر درمی‌آید.

رفتار خاک در آرایش جدید ذرات، به شرایط زهکشی آن بستگی خواهد داشت.

شرایط زهکشی شده: تحکیم و تراکم

در شرایط زهکشی شده، ذرات خاک ته‌نشین می‌شوند و با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند.

با ته نشینی ذرات خاک، آب از میان آن‌ها خارج می‌شود. به این ترتیب، پدیده نشست، تراکم یا تحکیم رخ می‌دهد و خاک دوباره مقاومت خود را به دست می‌آورد.

شرایط زهکشی نشده: روانگرایی

برخلاف شرایط زهکشی شده، در شرایط زهکشی نشده، امکان خروج آب منفذی وجود ندارد. به همین دلیل، ته‌نشینی خاک با ممانعت آب همراه می‌شود. در واقع، هنگام ته‌نشینی ذرات، آب درون حفره‌ها، آن‌ها را پس می‌زند. به این ترتیب، در یک بازه زمانی موقت، مقاومت برشی توده خاک به نزدیک صفر می‌رسد. در نهایت، با لغزش ذرات ماسه بر روی آب، پدیده روانگرایی رخ می‌دهد.

پدیده روانگرایی، خاک را وادار به رفتار غیرمعمول در برابر نیروهای وارده می‌کند. برای مشاهده یک فیلم جالب در این زمینه، پیشنهاد می‌کنیم به مطلب «روانگرایی خاک — ویدیوی علمی» سر بزنید.

• برای مشاهده فیلم روانگرایی خاک + اینجا کلیک کنید.

عوامل کنترل کننده روانگرایی خاک چه هستند؟

عوامل کنترل‌کننده روانگرایی خاک، به دو دسته کلی زیر تقسیم می‌شوند:

• مشخصات زلزله
  • شتاب زلزله، بر روی خاک تاثیر مستقیم می‌گذارد. با این وجود، تغییرات بسیار زیاد آن‌ها از زلزله‌ای به زلزله دیگر، پیش‌بینی تاریخچه‌های زمانی را دشوار می‌کند.
• مشخصات خاک
  • زمین‌شناسی
  • لایه‌بندی
  • عمق سنگ بستر
  • سطح آب زیرزمینی و دیگر عوامل محیطی به همراه متغیرهای فصلی نظیر دما و غیره
  • خواص لایه‌ها

در خاک‌های درشت‌دانه، پارامترهای کنترل‌کننده مقاومت تناوبی (معیار روانگرایی) خاک عبارت هستند از:

• چگالی نسبی
• ضریب بیش تحکیمی
• ضریب فشار جانبی زمین
• زمان افزایش‌یافته تحت فشار
• تاریخچه بارهای لرزه‌ای
• روش آماده‌سازی نمونه
• مشخصات دانه‌بندی (ابعاد، شکل و توزیع)
• محتوای نرمه و خواص پلاستیک
• وضعیت اشباع و سطح آب زیرزمینی

اهمیت مطالعه روانگرایی خاک چیست؟

روانگرایی، خاک را به شبکه غیر فعالی از ذرات تبدیل می‌کند. مقاومت و صلبیت خاک روانگرا، به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. در اغلب موارد، این موضوع باعث مشکلات سازه‌ای مختلف می‌شود. به همین دلیل، خاک روانگرا، محیط پایدار و مناسب ساخت سازه نیست. در این شرایط، خاک نمی‌تواند وزن روسازه و حتی وزن خودش را تحمل کند. از این‌رو، سازه‌های ساخته شده بر روی خاک‌های روانگرا، به مرور زمان کج می‌شوند و فرو می‌ریزند.

به دلیل تاثیر غیر قابل انکار روانگرایی خاک بر روی ایمنی سازه، مطالعه آن و اتخاذ اقدامات پیشگیرانه برای مقابله با آن از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. درک احتمال رخ دادن روانگرایی در خاک، به مهندسان کمک می‌کند تا روش مناسب برای تقویت خاک و از بین بردن اثرات مخرب روانگرایی را انتخاب کنند. به این ترتیب، مقاومت و ایمنی سازه تامین می‌شود.

پارامترهای مهم در مطالعه روانگرایی خاک چه هستند ؟

هنگام مطالعه روانگرایی خاک، سه پارامتر مهم مورد ارزیابی قرار می‌گیرند:

• استعداد روانگرایی
• آغاز روانگرایی
• اثرات روانگرایی

فیلم آموزش مکانیک خاک – مرور و تست کنکور ارشد در فرادرس

کلیک کنید

در ادامه، استعداد روانگرایی را تعریف می‌کنیم. دو پارامتر دیگر را نیز در بخش‌های بعدی مورد بررسی قرار می‌دهیم.

استعداد یا پتانسیل روانگرایی خاک چیست ؟

روانگرایی در تمام انواع خاک‌ها رخ نمی‌دهد. برخی از خاک‌ها، مستعد روانگرایی هستند و احتمال رخ دادن این پدیده در آن‌ها بیشتر است. این مسئله، توسط پارامتری با عنوان «استعداد روانگرایی» (Liquefaction Susceptibility) یا «پتانسیل روانگرایی» (Liquefaction Potential) مورد بررسی قرار می‌گیرد. معیارهای متعددی برای ارزیابی استعداد روانگرایی خاک‌ها وجود دارد. برخی از این معیارها عبارت هستند از:

• تاریخچه
• زمین‌شناسی

اگر در یک ناحیه، شواهدی مبنی بر رخ دادن روانگرایی در گذشته وجود داشته باشد، آن ناحیه به احتمال زیاد مستعد روانگرایی خواهد بود. روانگرایی در یک ناحیه مستعد تکرار می‌شود. بنابراین، توجه به تاریخچه رخداد این پدیده از اهمیت بالایی برخوردار است. زمین‌شناسی، یکی از دیگر از معیارهای تشخیص استعداد روانگرایی است. این معیار، معمولا توسط مهندسان مورد استفاده قرار می‌گیرد. انباشت‌های رسوبی، آبرفتی و بادرفتی، معمولا تمایل بیشتری به روانگرایی دارند.