پدیده روانگرایی

sajjad.jm
مقالات

1. پدیده روانگرایی در خاک‌ها

در سال 1978، کمیته دینامیک خاک از بخش مهندسی ژئوتکنیک ASCE تعریف روانگرایی را به این صورت پیشنهاد کرد: “عمل یا فرآیند تبدیل هر ماده به مایع”. تعریف U.C. برکلی از روانگرایی خاک به عنوان “کاهش قابل توجه مقاومت و سختی خاک، عمدتا در نتیجه افزایش فشار منافذ و کاهش متناظر در تنش موثر” گسترده و کلیتر است. بیشتر تعاریف دیگری که در تحقیقات دانشگاهی و عملکرد مهندسی مورد استفاده قرار گرفته‌اند بر اساس معیارهای فشار منفذی، مقاومت برشی یا معیارهای کرنش برشی/تغییر شکل هستند.

روش های ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک‌ها به طور کلی به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند:

روش های آزمایشگاهی
روش های آزمایشگاهی با انجام آزمایشها در آزمایشگاه و محل انجام میشوند که می توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد. دسته اول شامل آزمایشهایی است که روی الگوهای فیزیکی و بزرگ مقیاس خاک انجام می شود و شامل آزمایشهای میز لرزه، سانتریفیوژ و ابزار گذاری در محل میباشد. دسته‌ی دیگر شامل آزمایشهایی است که روی نمونه های کوچک خاک انجام میشود و شامل آزمایشهای سه محوری تناوبی، برش ساده تناوبی، برش استوانه ای تو خالی تناوبی و ستون تشدید می باشد.

روش های تخمین سریع
روش های تخمین سریع نیز به صورت آزمایشهای در محل برای به دست آوردن مشخصات خاکهای روانگرا انجام میشود. با استفاده آزمایشهای در محل میتوان مشخصات خاکهایی را که امکان نمونه برداری دست نخورده در آنها وجود ندارد، نظیر خاکهای دانه‌ای غیرچسبنده و رسوبات کف دریا و ساحل را تعیین کرد. برای تخمین سریع روانگرایی در محل نیز روش‌های بسیاری ارائه شده است.

2. معیارهای ارزیابی پتانسیل روانگرایی یک خاک

معیارهای مبتنی بر مقاومت
هنگامی که روانگرایی بر اساس معیارهای مربوط به فشار منفذی است، روانگرایی خاک اغلب به عنوان حالتی تعریف می شود که در آن نسبت فشار آب حفرهای اضافی r_u برابر با 1 است. این اتفاق زمانی رخ میدهد که افزایش اضافه فشار آب حفره‌ای (Δu) برابر با تنش موثر قائم اولیه در آزمایش‌های برشی ساده و در مطالعات میدانی، یا زمانی که Δu برابر با مقدار تنش مؤثر اولیه تنش اصلی کوچکتر در آزمایش فشاری سه محوری شود. گاهی اوقات، اصطلاحات “روانگرایی اولیه” و “روانگرایی جزئی” برای توصیف وقوع r_u = 1 استفاده می شود. متأسفانه، تعاریف روانگرایی مبتنی بر فشار منفذی از برخی اشکالات عمده رنج میبرند. شاید مهمترین آنها ابهام در مورد این باشد که آیا نسبت فشار منفذ کامل r_u = 1 واقعا در بسیاری از موقعیت ها قابل دستیابی است یا خیر. در حالی که محققان روانگرایی به طور معمول نسبت‌های فشار منفذی واحد را در آزمایش‌های آزمایشگاهی گزارش می‌کنند، این نسبت‌ها ممکن است لزوما دقیقا 1 نباشند. در عوض، آنها می توانند مقادیری تقریباً برابر با 1 باشند. به عنوان مثال، ایشیهارا پیشنهاد کرد که نسبت فشار آب منفذی در ماسه‌های سیلتی یا سیلت‌های ماسهای حاوی مقداری ریزدانه مشاهده می‌شود که به طور کامل توسعه نمی‌یابد، اما در عوض ممکن است زمانی که به مقداری برابر با 90 تا 95 درصد تنش محدود اولیه رسید، ایجاد آن متوقف شود. اگر روانگرایی به طور دقیق به عنوان وقوع نسبت فشار منفذ کامل 1 تعریف می شد، آنگاه این خاک ها با وجود این واقعیت که ممکن است به عنوان مواد قابل روانگرا شدن برای تمام اهداف مهندسی عملی عمل کنند، هرگز “روانگرا” نمی شوند.
با توجه به مطالعات آزمایشگاهی اخیر، به نظر میرسد که نسبت فشار منفذی کامل در ماسه های متراکم و سیلتهای ماسه دار و رس ها قابل دستیابی نیست. به طور مشابه، خاکهایی با تنش های برشی استاتیکی اولیه نمیتوانند به r_u = 1 برسند. در عوض، با نزدیک شدن به نسبت فشار منفذی کمتر تسلیم میشوند که در آن تنش موثر نرمال در بحرانیترین صفحه به اندازه کافی کاهش یافته است و مقاومت برشی اصطکاکی قابل تحرک توسط تنش برشی اولیه استاتیکی محرک برآورده شده یا از آن فراتر رود.
یکی دیگر از اشکالات عمده این نوع تعریف این است که عملکرد لرزه‌ای خاک‌های روانگرا، به‌ویژه خاک‌های متراکم‌تر را منعکس یا ارزیابی نمی‌کند. مدت‌هاست که درک شده است که تشخیص روانگرایی در ماسه‌های شل نسبتا ساده است. توسعه حالت روانگرایی اولیه (ru~1)بلافاصله با تجمع کرنش های برشی بزرگ همراه است. برعکس، خاک‌های متراکم‌تر ممکن است تحت بارگذاری سیکلی شدید، فشار حفره‌ای بالایی ایجاد کنند، اما به دلیل رفتار اتساعی قوی‌شان در هنگام تغییر شکل برشی مداوم، پتانسیل کرنش برشی محدودی دارند. بنابراین، پارامتر فشار منفذی به تنهایی اطلاعات کمی (ناقص) در مورد عملکرد خاک ارائه می دهد، مگر اینکه تغییر شکل ایجاد شده نیز مورد بحث قرار گیرد. معیارهای مبتنی بر فشار آب منفذی نیز از این واقعیت رنج می‌برند که اضافه فشارهای حفرهای ناشی از لرزه تقریبا در اکثر موارد در محل ثبت نمی‌شوند. در نتیجه، در بیشتر زمینههای روانگرایی، محققان به جای استناد، به جلوه وقوع روان‌گرایی قابل مشاهده در سطح زمین (مانند تغییر شکل‌های زمین، جوشش ماسه و غیره) برای تعیین وقوع روان‌گرایی خاک تکیه می‌کنند.
در نهایت، به عنوان یک ملاحظه عملی در آزمونهای آزمایشگاهی، زمانی که نرخ بارگذاری نسبت به سرعتی که فشار منفذی در سراسر نمونه برابر می‌شود، زیاد است، اندازه‌گیری Δu در نزدیکی مرکز نمونه‌های خاک می‌تواند دشوار باشد. این مسئله می‌تواند در نمونه‌هایی با نفوذپذیری نسبتا کم مشکل‌ساز باشد و دلیلی برای پذیرش آستانه تغییر شکل به‌عنوان معیار تعیین‌کننده وقوع روانگرایی در بسیاری از مطالعات آزمایشگاهی اولیه باشد. اگر معیارهای مبتنی بر فشار منفذی برای تعریف روان‌گرایی استفاده شود، در نمونه‌هایی با محتوای ریزدانه قابل توجه، تاخیر فشار منفذی ممکن است به نرخ‌های بسیار آهسته بارگذاری چرخه‌ای نیاز داشته باشد. متأسفانه انواع خاکها نسبت به اثرات نرخ آسیب پذیر هستند، به طوری که آزمایش با نرخ بارگذاری بسیار کندتر از زلزله های واقعی نتایج مغرضانه ای را به همراه دارد.

معیارهای مبتنی بر مقاومت

از دست دادن مقاومت خاک ناشی از لرزه اغلب نگرانی بزرگی برای پایداری کلی سازهها و شیبهای زمین یا خاکریزها است. بنابراین، معیارهای مبتنی بر مقاومت و تعاریف روانگرایی نیز وجود دارد. این نوع تعریف معمولا مستلزم آن است که خاک های روانگرا مانند یک سیال چسبناک رفتار کنند (ویسکوز)، که به این معنی است که آنها باید تقریباً به طور کامل مقاومت برشی خود را از دست بدهند و نتوانند دوباره مقاومت را به دست آورند. از آنجایی که خاک ها در نتیجه یک تنش محصور کننده موثر مقاومت پیدا میکنند، اگر و تنها در صورتی که تنش محصور کننده موثر صفر شود، مقاومت را به طور کامل از دست خواهند داد. بنابراین بدیهی است که این نوع تعریف روانگرایی اساسا معادل تعاریف مبتنی بر معیارهای فشار آب منفذی است. در نتیجه، بسیاری از کاستی‌های مورد بحث در بخش قبل را به ارث می‌برد. به عنوان مثال، همه خاک‌ها به جز سست‌ترین خاک‌ها، زمانی که شروع به ایجاد کرنش‌های برشی (یا تغییر شکل‌های) قابل توجهی می‌کنند، اتساع مییابند، و بنابراین برای مدت طولانی در شرایط برشی مداوم، مقاومت صفر یا حتی ناچیز را حفظ نمی‌کنند.

معیارهای مبتنی بر کرنش/تغییر شکل
معیارهای دیگر موجود برای تعریف روانگرایی خاک، معیارهایی هستند که با کرنش برشی یا تغییر شکل برشی خاک مرتبط هستند. این معیارها در ابتدا به اندازه معیارهای فشار منفذی یا مقاومت برشی محبوب نبودند، تا حدی به این دلیل که بسیاری تمایل داشتند که کرنش برشی/تغییر شکل در خاک را در نتیجه روانگرایی در نظر بگیرند. این تصور غلط به سرعت منسوخ شد زیرا اکنون پذیرفته شده است که تغییر شکل‌های برشی و فشار منفذی (و در نتیجه تنش موثر و مقاومت) همگی ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند.
دوبری و همکاران پیشنهاد کرد که آستانه ای از کرنش برشی وجود دارد که زیر آن هیچ فشار منافذ اضافی دائمی در خاک ایجاد نمی شود. مطالعه آنها نشان داد که این “کرنش آستانه” به اندازه دانههای خاک، تکنیک آماده سازی نمونه و تنش محصور کننده موثر حساس نیست، اما با نوع خاک و شکل پذیری آن (پلاستیسیته) برای تنش های محصور بین 24 تا 192 کیلو پاسکال بین 0.01٪ و 0.04٪ متفاوت است. آنها به این نتیجه رسیدند که دستیابی به کرنش آستانه ممکن است برای ارزیابی پتانسیل تحریک روانگرایی مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، این یک آستانه بیش از حد محافظه کارانه برای اکثر کاربردهای مهندسی است.
شورای ملی تحقیقات (NRC) در سال 1985 در گزارش خود استفاده از اصطلاح روانگرایی را برای در بر گرفتن همه پدیده های مربوط به تغییر شکل بیش از حد خاک های غیرچسبنده اشباع توصیه کرد . در حالی که سید و لی آن پدیده ها را به «روانگرایی» و «تسلیم» تقسیم کردند. آنها پیشنهاد کردند که زمانی که مقاومت یک خاک در برابر تغییر شکل در طیف وسیعی از دامنه کرنش صفر است، ممکن است روانگرا در نظر گرفته شود، و زمانی که تغییر شکل‌های بیش از حد توسط تنش‌های اعمال‌شده ایجاد می‌شود، ممکن است خاک تسلیم شده (failed) در نظر گرفته شود. ایشیهارا بسیاری از آزمایشات سه محوری سیکلی آزمایشگاهی را مورد بررسی قرار داد و استفاده از کرنش محوری با دامنه دوگانه 5 درصد را در آزمایش سه محوری سیکلی به عنوان معیاری برای تعریف وقوع روانگرایی و نرم شدن سیکلی (cyclic softening) برای ماسههای تمیز و ماسه دارای ریزدانه پیشنهاد کرد. برای مطالعات میدانی و آزمایش‌های برشی ساده، ایشیهارا همچنین پیشنهاد کرد که در آزمایش‌های مدل‌سازی زمین مسطح، شرط خرابی در ماسه‌ها با هر چگالی باید به صورت رخ دادن کرنش برشی با دامنه یگانه 3 درصد در نظر گرفته شود.
کرنش برشی و تغییر شکل معیارهای خوبی برای اهداف ارزیابی عملکرد لرزهای هستند. عملکرد لرزهای اکثر سازه های زمینی، شیب ها، سازههای زیرزمینی و خطوط لوله، و ساختمان های معمولی به شدت با عملکرد خاک هایی که در آن سازه، ساخته شده یا بر روی آن ساخته شده اند، مرتبط است. بنابراین، تعاریف روانگرایی مبتنی بر کرنش برشی/تغییر شکل به طور ضمنی اطلاعات حیاتی در مورد سطوح عملکرد خاک در صورت وقوع روانگرایی ارائه می دهد. در حالی که به نظر می رسد معیار کرنش برشی/تغییر شکل مبنای ایده آلی برای مهندسی مبتنی بر عملکرد باشد، متأسفانه دارای محدودیت های بالقوه جدی است. یک محدودیت این است که اندازه گیری کرنش برشی یا تغییر شکل وابسته به حالت تغییر شکلی دارد که خاک تحت آن قرار میگیرد. در نتیجه، معیارهای کرنش متفاوتی باید برای حالت‌های تغییر شکل مختلف انتخاب شوند (به عنوان مثال: سه محوری یا برش ساده). به عنوان مثال، در شرایط زهکشی نشده، کرنش محوری (εa) در آزمایش سه محوری با کرنش برشی γ به صورت γ = 1.5 εa در ارتباط است.
محدودیت دیگر این نوع تعریف، منحصر به فرد نبودن انتخاب یک سطح کرنش معین به عنوان معیار روانگرایی است. ایشیهارا 3 تا 3.5 درصد کرنش برشی یگانه و 5 درصد کرنش محوری دوگانه را بر اساس همبستگی تقریبی بین کرنش‌ها و نسبت‌های فشار منفذی توصیه کرد. برخی دیگر از سطوح مختلف کرنش در محدوده 2 تا 10 درصد استفاده کرده اند. در عمل، معیارهای روانگرایی مبتنی بر کرنش گاهی به جای معیار خرابی مبتنی بر کرنش، مانند 20% دامنه دوگانه پیشنهاد شده توسط سید و لی استفاده می شود.
تأثیر انتخاب سطوح مختلف کرنش بر مقاومت روانگرایی اندازه‌گیری شده یا مقاومت سیکلی از نسبتا ناچیز در خاک‌های سست تا بسیار مهم در خاک‌های متراکم متفاوت است. در نتیجه، مقاومت‌های روان‌گرایی خاک‌های متراکم نسبت به سطح کرنش انتخاب‌شده به‌عنوان معیاری برای «تحریک» یا روانگرایی اولیه بسیار حساس است. تغییرات سطوح کرنش مورد استفاده در تعاریف روانگرایی مشکلات سازگاری را ایجاد می کند و منجر به سردرگمی در کاربرد این تعاریف میشود. مطالعه آزمایشگاهی ارائه شده در اینجا تا حدی به هدف شناسایی معیاری مناسب که به بهترین وجه شروع روان‌گرایی را در خاکهای ماسهای حاوی ریزدانه و رسی مشخص می‌کند، خدمت می‌کند.