گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

مقدمه

 

پدیده گسترش جانبی ناشی از روانگرایی یکی از عوامل شناخته شده آسیب‏های شدید به پی‏های عمیق است. پدیده گسترش جانبی معمولاً در زمین‏های با شیب ملایم که دارای خاک اشباع شل و با چسبندگی کم هستند، رخ می‏دهد.

با وقوع گسترش جانبی سیستم پی‏های قرار گرفته در این زمین‏ها مثل شمع‏های تشکیل‏دهنده پایه پل‏ها در معرض فشارهای جانبی اضافی قابل توجهی قرار می‏گیرد. همچنین این شمع‏ها در حالیکه نیروهای جانبی ناشی از زلزله و خاک جابجاشده را تحمل می‏کنند، اتکای جانبی خود را در اثر روانگرایی ایجاد شده در خاک از دست می‏دهند.

واقعیات ذکر شده نشان می‏دهد که چرا گسترش جانبی یکی از عوامل اصلی ایجاد آسیب‏ها و خسارت‏های قابل توجه به ساختمان‏ها، پل‏ها، خطوط لوله، سازه‏های مجاور دریا و … در طول زلزله‏های گذشته بوده است.

طی این زلزله‏‏ها مثال‏های متعددی ازآسیب به شمع‏ها از جمله‏ ترک‏خوردگی و گسیختگی شمع‏ها در قسمت‏های کم عمق و عمیق، گسیختگی شمع‏ها در محل‏های اتصال به سر شمع، تغییر مکان‏های دائمی جانبی و افقی و حتی چرخش قسمت‏ بالای شمع‏ها و کلاهک شمع‏ها مشاهده شده است.

از آنجایی که وقوع زلزله امری اجتناب‏ناپذیر است با مشاهده خسارت‏های قابل توجه و هزینه‏های بسیار سنگین ایجاد شده طی زلزله‏های گذشته، نیاز فراوانی به مطالعه و تحقیق در مورد پاسخ و رفتار شمع‏ها و درک صحیح اندرکنش خاک- سازه- شمع تحت پدیده گسترش جانبی احساس می‏شود، به گونه‏ای که طی سال‏های اخیر محققین زیادی به این مسئله پرداخته‏اند.

امّا همچنان زوایای مبهم بسیاری در این مورد وجود دارد که روشن‏شدن آنها انجام مطالعات و تحقیقات بسیار بیشتری را طلب می‏کنند.

 

پدیده روانگرایی

 

پدیده روانگرایی یکی از مهمترین و پیچیده‏ترین موضوعات ژئوتکنیکی است. آثار مخرب این پدیده در پی وقوع دو زلزله آلاسکا و نیگاتا در سال ۱۹۶۴ که به فاصله سه ماه از یکدیگر به وقوع پیوستند، توجه مهندسین ژئوتکنیک را جلب کردند.

در هر دو زلزله خسارتهای متعددی ناشی از پدیده روانگرایی مانند گسیختگی‏های شیب‏ها، گسیختگی‏های پی ساختمان‏ها و پل‏ها و تخریب سازه‌های زیرزمینی مشاهده شدند. مفهوم روانگرایی برای نخستین بار توسط Mogami و Kubo (1953) مطرح شد که البته قبل از آن Casagerande (1936) با بیان مفهوم نسبت تخلخل بحرانی، فرضیه ای را مبنی بر اینکه خاک ماسه‏ای با نسبت تخلخل بزرگتر از مقدار بحرانی مستعد پدیده روانگرایی می‏باشد ارائه کرده بود.

روانگرایی فرایندی است که طی آن خاک در نتیجه افزایش فشار آب حفره‏ای از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می‏شود در حالیکه دانسیته اولیه خود را حفظ می‏کند.

(Terzaghi and Peck, 1968) طبق تعریف Kramer و Elgamal (2001) روانگرایی پدیده‏ای است که در آن افزایش فشار آب حفره‏ای به نرم‏شدگی و یا ضعیف‏شدگی قابل توجه یک نهشته خاک و نیز کاهش قابل توجه مقاومت برشی در آن منجر می‏شود.

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

عبارت روانگرایی، یکسری از پدیده‏های فیزیکی مختلف از جمله Flow liquefaction وCyclic mobility را پوشش می‏دهد. پدیده Flow liquefaction هنگامی رخ می‏دهد که روانگرایی در خاکی ایجاد شده باشد که مقاومت پسماند آن کوچکتر از آنچه که برای حفظ تعادل استاتیکی موردنیاز است، باشد.

(به عبارت دیگر تنش‏های محرک استاتیکی بزرگتر از مقاومت پسماند باشند)  flow liquefaction تنها در خاک‏های شل با مقاومت پسماند پایین اتفاق می‏افتد.

این پدیده تغییر شکل‏های فوق‏العاده بزرگی را

می‏تواند ایجاد کند. (برای مثال لغزش‏های جریانی). با این حال این تغییرشکل‏ها در حقیقت توسط تنش‏های برشی استاتیکی ایجاد می‏شوند. موارد عملی ایجاد شده از Flow liquefaction بسیار کم و نادر است اما در صورت وقوع خسارت‏های عظیمی ایجاد می‏کند.

از موارد معدود این پدیده که در زلزله‏های گذشته مشاهده شده می‏توان به گسیختگی ساختمان‏های آپارتمانی Kawagishi-cho در زلزله نیگاتا (۱۹۶۴) اشاره کرد که طی آن مقاومت خاک زیرین پی، از مقدار اولیه‏اش به مقاومت پسماند خاک روانگرا شده کاهش پیدا کرد و چون مقامت پسماند کمتر از تنش‏های برشی اعمالی بر خاک توسط وزن ساختمان بود، گسیختگی ظرفیت باربری به وقوع پیوست و تغییر شکل‏های بسیار بزرگی را ایجاد کرد.

 

 

Cyclic mobility پدیده‏ای است که طی آن تنش‏های برشی تناوبی، فشارهای آب حفره‏ای اضافی را در خاکی ایجاد می‏کنند که مقاومت پسماندش بزرگتر از مقدار موردنیاز برای حفظ تعادل استاتیکی است.

 

پدیده گسترش جانبی

 

گسترش جانبی دربرگیرنده جابجایی‌های محدود و جانبی در زمین‌های با شیب ملایم است که در نتیجه به وجود آمدن فشار آب حفره‌ای اضافی و روانگرایی در نهشته‌های ماسه‌ای شل و اشباع طی وقوع زلزله پدید می‏آیند. در این نوع زمین‏ها فشارهای آب حفره‏ای اضافی ناشی از زلزله باعث کاهش قابل توجه مقاومت برشی خاک می‏شود که در نتیجه آن خاک توسط نیروهای برشی استاتیکی موجود و نیروهای اضافی دینامیکی ناشی از زلزله براحتی جابه‏جا می‏شود.

در سیستم طبقه بندی تغییر شکل­های زمین و گسیختگی شیب‌ها، Varnes (1978) پدیده گسترش جانبی را بصورت زیر تعریف می‌کند:

«حرکت‌های زمین ممکن است شامل ترک خوردگی و ایجاد کشش در مصالح به هم پیوسته باشد که در نتیجه روانگرایی و جریان‌ها و تغییر مکان‌های پلاستیک مصالح لایه‌های زیرین ایجاد شده‏اند. لایه‌های بالایی ممکن است دچار فرونشست، چرخش، انتقال، از هم گسیختگی و یا حتی دچار روانگرایی و جریان شوند. مکانیزم شکست نه تنها شامل المانهایی است که دچار چرخش و انتقال شده­اند، بلکه المانهای جریان یافته را نیز در بر می­گیرد.»

باتوجه به تعریف Bartlett و Youd (1992)، پدیده گسترش جانبی ناشی از روانگرایی می‌تواند بر روی شیب‌های ملایم ۳/۰ تا ۵ درصد که شامل لایه زیرین ماسه شل به همراه سطح آب زیرزمینی کم‌عمق باشد، اتفاق بیفتد.

در چنین شرایطی تنش‏های برشی استاتیکی که تمایل به ایجاد جابجایی در جهت رو به پایین دارند، موجود هستند. چنانکه تنش‏های ناشی از زلزله باعث نرم‏شدگی و تسلیم خاک می‏شوند، تنش‏های برشی استاتیکی کرنش‏های دائمی را ایجاد می کنند که ترجیحاً در یک جهت جمع می‏شوند.

به دلیل آنکه مقاومت پسماند از تنش‏های استاتیکی برشی بزرگتر است، تغییر شکل‏های جریانی بزرگ که بتوانند بعد از پایان زلزله ادامه داشته باشند، بوجود نخواهند آمد.

لازم به ذکر است که روانگرایی در شیب‌های تند و متوسط می‌‌تواند منجر به لغزش‌های جریانی بسیار گسترده شود. در این شرایط لایه‌های از هم گسیخته خاک دچار جابجایی­های بسیار بزرگی می­گردند. با توجه به تعریف پدیده گسترش جانبی که برای شیب‌های ملایم می‌‌باشد، چنین لغزش‌هایی را نمی‌‌توان به عنوان گسترش جانبی تلقی کرد.

چنانکه در شکل ۱-۲ نشان داده شده است حرکت‏های سطحی زمین روی شیب به طرف پایین و به سمت آزاد (مانند ساحل رودخانه یا دریا) ادامه می‏یابند که این حرکت‏ها همراه با تشکیل ترک‏ها و فرورفتگی‏ها می‏باشند.

شرایط زمین‏شناسی مستعد پدیده گسترش جانبی (شیب ملایم سطحی، سطح آب زیرزمینی کم عمق و خا‏ک‏های با چسبندگی بسیار کم) اغلب در راستای سواحل، محل‏ها و نهشته‏های آبرفتی و خاکریزهای ماسه اشباع که به خوبی متراکم نشده‏اند، یافت می‏شوند.

در قسمت بالادست لغزش، درزه‏های سطح زمین و ترک‏های کششی که معمولاً به صورت عمود بر شیب گسترش می‏یابند، دیده می‏شود. ترک‏ها اغلب درحاشیه بالایی ناحیه لغزش یافت می‏شوند که ممکن است منحنی‏وار باشند.

معمولاً فرونشست در قسمت بالای لغزش و بالازدگی در ناحیه پایین‏دست دیده می‏شود. جوشش ماسه که پدیده‏ی رایج ناشی از روانگرایی است، اغلب در ناحیه پایین دست لغزش مشاهده می‏شود.

پدیده گسترش جانبی با توجه به ماهیت آن آسیب‏ها و خسارت‏های شدیدی به ساختمان‏ها، پل‏ها، شبکه خطوط لوله، سازه‏های ساحلی و … وارد می‏کند.

از آنجایی که مناطق ساحلی و نزدیک رودخانه‏ها مناطق مناسبی جهت زندگی و توسعه هستند و از طرف دیگر این مناطق بیشتر مستعد پدیده گسترش جانبی می‏باشند، بنابراین بیشترین آسیب به سازه‏ها و زیربناها در این مناطق رخ می‏دهد که اثرات ناگوار اقتصادی آن بر بنادر، سیستم‏های حمل ونقلی و … طی زلزله‏های گذشته بخوبی مشهود بوده است.

طی این آسیب‏ها، شمع‏ها که به صورت‏های مختلف به عنوان سیستم‏ پی در این سازه‏ها بکار رفته‏اند به شکل های مختلف دچار خسارت، آسیب‏دیدگی و گسیختگی شده‏اند.

 

 

مکانیزم آسیب های وارده به شمع‏ها تحت پدیده گسترش جانبی

 

مکانیزم‏های مختلف آسیب‏های وارده به شمع‏ها تحت پدیده روانگرایی و گسترش جانبی بصورت شماتیک در شکل ۱-۳ نشان داده شده است.

بارهای اینرسی ایجاد شده در اثر شتاب جرم‏های سازه‏ای (از سوی کلاهک شمع‏ها و سازه‏های فوقانی) و بارهای کینماتیکی ایجاد شده در اثر تغییر مکان‏های خاک می‏توانند بطور همزمان حین لرزش‏های زلزله بوجود آیند.

بارهای کینماتیکی در صورتی که گسیختگی تاخیری شیب اتفاق افتد بعد از لرزش‏های زلزله به مقادیر حداکثر خود می‏رسند اما در صورتیکه مولفه‏های گذرا و نوسانی جابجایی‏های زمین قابل توجه باشند، حین زلزله مقادیر حداکثر خود را بدست می‏آورند.

طراحان بایستی ترکیبی از بارهای اینرسی و کینماتیکی را برای فرایند طراحی استاتیکی– لرزه‏ای تخمین بزنند که قضاوت قابل توجهی را از سوی طراح طلب می‏کند چرا که داده‏های کافی ومناسبی برای ارائه یک تئوری کارامد در این خصوص وجود ندارد.

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

 

در برخی موارد قسمت‌ بالایی پی دارای تغییر مکان جانبی مشابه با زمین و خاک است درحالی‌که در موارد دیگر به علت اثر مقید کننده سازه بالای شمع و یا سختی جانبی گروه شمع و یا شمع‌های مایل تغییر مکان شمع نسبت به زمین کمتر می‏باشد.

بسته به میزان سختی نسبی میان خاک و شمع ممکن است که هر یک زودتر از دیگری به تسلیم برسد. در بعضی از موارد خاک لایه سطحی قبل از شمع که تحت تنش‌های خمشی و جابجایی کمتر قرار دارد، تسلیم می‌شود و در موارد دیگر به علت سختی کم شمع، شمع جابجایی‏های بزرگ و تنش‌های خمشی قابل توجهی را تجربه کرده و زودتر از خاک به تسلیم می‌رسد.

خسارت‏های مشاهده شده در شمع‏ها اغلب در قسمت‏ بالایی و پایینی لایه روانگرا در جایی که تغییر ناگهانی در خصوصیات خاک وجود دارد، متمرکز است.

بیشتر خسارت‏ها در محل‏هایی اتفاق می‏افتند که حرکت جانبی شمع تحت تاثیر لایه مقاوم و غیرقابل روانگرای سطحی قرار داشته باشد. علاوه بر مکانیزم‏های نشان داده شده در شکل ۱-۳،  شمع‏های لاغر ممکن است در نتیجه از دست دادن اتکای جانبی طی روانگرایی کمانش کنند.

(Bhattacharya, 2003; Bhattacharya et al., 2004) همچنین نشست لایه‏های خاک حین تحکیم مجدد می‏تواند بارهای کششی رو به پایین برشمع‏ها وارد کند. (Boulanger & Brandenberg, 2004)

 

مهمترین موارد تاریخی پدیده گسترش جانبی در زلزله‏های گذشته

 

طی زلزله‏های گذشته آسیب‏ها و خسارت‏های قابل توجهی به پی‏های عمیق و سازه‏های متکی بر آنها وارد شده است. از این میان می‏توان به موارد زیر اشاره کرد.

– زلزله ۱۹۰۶ سانفراسیسکو، آمریکا (M_W=۷.۹) : طی این زلزله پدیده گسترش جانبی به سوی رودخانه Salinas باعث تغییر مکان‏های جانبی بزرگی در شمع‏های چوبی یک پل راه‏آهن شد که در نتیجه آن پل فرو ریخت.

– زلزله ۱۹۶۴ آلاسکا، آمریکا (۹.۲=M_w) : دراین زلزله پدیده گسترش جانبی عامل اصلی خسارت به بیش از ۲۵۰ پل از جمله پل معروف Million Dollar بود. در بیشتر موارد گسترش جانبی باعث خسارت و آسیب به پی ‏پل‏ها، ستون‏ها، ساختمان‏ها و … شده بود. (شکل ۱-۴)

– زلزله ۱۹۶۴ نیگاتا، ژاپن (۷.۵=M_w): دراین زلزله خسارت‏های بسیاری به ساختمان‏ها، پل‏ها، بنادر، جاده‏ها و سایر تاسیسات و زیربناها وارد شد.

پدیده گسترش جانبی در سطح گسترده در شهر خصوصاً در محدوده رودخانه Shinano که اکثر سازه‏ها در آن بر روی پی‏های شمعی بنا شده بودند بوقوع پیوست و باعث خسارت‏ها و آسیب‏های قابل توجهی شد. از نمونه‏های معروف پدیده گسترش جانبی در این زلزله می‏توان به خرابی پل‏های showa (شکل ۱-۵) و Yachio و ساختمان‏ NHK اشاره کرد.

از آنجایی که شهر نیگاتا از نظر ژئولوژیکی دارای خاک ماسه‏ای شل با سطح تراز آب زیر زمینی کم‏عمق در منطقه‏‏ای نزدیک به دریا بوده، محل مناسبی برای وقوع پدیده گسترش جانبی به شمار می‏رفته است.

 

 

 

– زلزله ۱۹۷۹ Imperial valley ، آمریکا (۶.۵=M_w) : دراین زلزله پدیده گسترش جانبی باعث خسارت‏های زیادی در مناطق مختلف شد که از این جمله می‏توان به خسارت ایجاد شده در جاده Heber اشاره کرد.

– زلزله ۱۹۸۹ Loma Prieta، آمریکا (۷=M_w) : طی این زلزله پدیده گسترش جانبی خسارت‏های گسترده‏ای به جاده‏ها، سازه و پی‏های شمعی تأسیسات موجود در بنادر و سازه‏های دریایی وارد کرد. از جمله این موارد می توان به ساختمان مرکز تحقیقات معدن، جاده Sandholdt و پل بزرگراه شماره (۱) اشاره کرد.

در پل بزرگراه شماره (۱) به دلیل عدم وجود تکیه‏گاه جانبی کافی برای شمع‏ها که ناشی از حرکت جانبی خاک و ایجاد حفره‏ای نسبتاً بزرگ به عرض ۳۰ تا ۴۵ سانتی‏متر بود، شمع‏ها دچار تغییر مکان‏های جانبی و گسیختگی‏های برشی و خمشی در محل اتصال شمع‏ها به سازه شدند.(شکل ۱-۶)

همچنین مورد جاده Sand holdt به دلیل وجود inclinometer های نصب شده در محل اطلاعات ارزشمندی را در خصوص الگوی پدیده گسترش جانبی در زیر سطح زمین بدست داد. 

 

 

– زلزله ۱۹۹۰ Luzon، فیلیپین (۷.۷=M_w): در این زلزله بیشترین خسارت‏های ناشی از روانگرایی و پدیده‏های مرتبط با آن در محدوده شهر Dagupan که در فاصله ۵۰  کیلومتری از منطقه گسل قرار داشت، مشاهده شد. در این شهر تغییر مکان‏های بزرگی به دلیل پدیده گسترش جانبی به خصوص در نزدیکی رودخانه Pantal ایجاد شد که منجر به خرابی و گسیختگی پل‏های بسیاری شد.

– زلزله ۱۹۹۱ Limon، کاستاریکا (۷.۶=M_w): مهمترین آسیب های وارده به شمع‏ها ناشی از پدیده گسترش جانبی در این زلزله مربوط به پل‏های موجود در بزرگراه‏ها و سیستم‏ راه‏آهن می‏شود که از این جمله می‏توان به پل‏های Rio Bananito و Rio Viscaya اشاره کرد.(شکل ۱-۷)

 

 

– زلزله ۱۹۹۵ Kobe، ژاپن (۷=M_w) : در این زلزله خسارت‏ها و آسیب‏های قابل توجهی به شمع‏ها در اثر پدیده گسترش جانبی وارد آمد که متعاقب آن بسیاری از پل‏ها و تأسیسات و زیربناهای بنادر دچار گسیختگی و خرابی‏های گسترده شدند.

Tokimatsu و همکاران (۱۹۹۶) گزارش می‏دهند که بسیاری از دیوارهای ساحلی در بین دو منطقه Kobe و Amagasaki چندین متر به سمت اقیانوس پیشروی کرده‏اند.Mizuno  و همکاران (۱۹۹۶) بیشتر از ۳۰ مورد آسیب‏های وارده به پی‏ها را به صورت ترک‏های برشی و خمشی و نیز چرخش بیش از حد کلاهک شمع‏ها بررسی کردند.

شمع‏های آسیب‏دیده از نوع بتن پیش ساخته، بتن درجا و لوله‏های فولادی بوده‏اند. (شکل‏های ۱-۸ و ۱-۹)

 

 

 

– زلزله ۱۹۹۹ Chi-Chi، تایوان (۷.۶=M_w) : دراین زلزله نیز گسترش جانبی عامل آسیب‏های مخرب و پرهزینه‏ای بوده است که به عنوان مثال می‏توان خرابی و گسیختگی پل‏های متعددی را در اثر جابجایی قابل توجه پایه‏های پل نام برد. (شکل ۱-۱۰)

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

 

– زلزله ۲۰۱۰، هائیتی (۷=M_w) : در این زلزله به علت وجود خط ساحلی طولانی، عمق کم سطح آب زیرزمینی و شرایط زمین‏شناسی مستعد، روانگرایی وگسترش جانبی مهمترین عامل تخریب سازه‏ها و تاسیسات ساحلی بوده‏ است که از این جمله می‏توان به فروریختن یک اسکله متکی بر شمع در شهر Port-au-Prince اشاره کرد.

در مناطق ساحلی ترک‏های ناشی از گسترش جانبی و پدیده جوشش ماسه در وسعت زیادی قابل مشاهده است. چرخش پی ساختمان در اثر روانگرایی لایه زیرین نیز مشاهده شده است. (شکل‏های ۱-۱۱ و۱-۱۲)

 

 

 

درس‏های کلی گرفته شده از موارد تاریخی

 

مکانیزم‏های مختلف زیادی از آسیب‏های وارده به شمع‏ها به عنوان تغییر شکل‏های بیش از حد یا خسارت‏های سازه‏ای در زمین‏های روانگرا شده طی زلزله‏های گذشته مشاهده شده است. وقوع روانگرایی

اغلب باعث تغییر مکان‏های گذرا و دائمی بزرگی در خاک می‏شود. روانگرایی همچنین باعث کاهش ظرفیت باربری شمع در برابر بارهای قائم وجانبی (به عبارت دیگر از دست دادن مقاومت نوک واصطکاکی و نیز از دست دادن اتکای جانبی) می‏شود که می‏تواند منجر به تغییر شکل‏های بزرگ تحت بارهای استاتیکی و اینرسی از سوی سازه بالایی شود.

اهمیت بارگذاری کینماتیکی در مناطق مستعد گسترش جانبی با لایه‏های سطحی نسبتاً غیرروانگرا بخوبی اثبات شده است. به عنوان مثال یک مورد معمول در زلزله ۱۹۹۵ کوبه شمع‏هایی بودند که از یک لایه پوسته‏ای غیرروانگرا به سوی پایین به سمت یک لایه روانگرا و لایه‏های با ظرفیت باربری بیشتر امتداد یافته بودند.

گسترش جانبی درلایه پوسته‏ای بالا باعث ایجاد آسیب به بسیاری از شمع‏ها در بالا و پایین لایه‏های روانگرا شده، شده بود. همچنین موارد متعدد دیگری در سایر زلزله‏ها نیز نشان دادند که آسیب وارد به شمع معمولاً در بالا و پایین لایه روانگرا شده ایجاد می‏شود.

البته الگوهای پیچیده‏تری از صدمه به شمع‏ها نیز مشاهده شدند که در آنها ترک خوردگی در عمق‏های میانی و طرح‏های مختلف ترک‏خوردگی برای شمع‏های قرار گرفته در جوانب مختلف یک ساختمان رخ داده بود.(Tokimatsu et al. 1997) همچنین Ramos et al. (1999) نشان دادند که توزیع بارهای گسترش جانبی بر روی شمع‏ها و در نتیجه لنگرهای خمشی، می‏تواند تحت تاثیر مقاومت سازه بالایی در برابر حرکت کلاهک شمع قرار گیرد.

مشاهده شده است که بارهای اینرسی نیز در وارد آوردن آسیب به شمع‏ دخیل هستند. (Tokimatsuet al., 1996; Fuji et al., 1998) بعضی مواقع تفکیک سهم بارهای اینرسی و کینماتیکی دشوار می‏شود. برای مثال برای ساختمانی در Port Island در کوبه، .Fuji et al نتیجه‏گیری کردند که گسیختگی شمع در نزدیکی انتهای لایه روانگرا شده توسط بارهای کینماتیکی از سوی لایه روانگرا شده ایجاد شده است در حالیکه گسیختگی در نزدیکی سر شمع تحت تاثیر بارهای اینرسی از سوی سازه بالایی

و بارهای کینماتیکی از جانب پوسته کم‏عمق غیرروانگرا قرار گرفته است. هر دو نوع بارگذاری اینرسی و کینماتیکی بایستی با ترکیب بار مناسبی که با گسترش روانگرایی حین لرزش تغییر کند، در نظر گرفته شوند. بارگذاری کینماتیکی با بزرگی تغییر شکل‏های زمین و مقاومت/سختی خاک حین یک سیکلِ بارگذاری داده شده، تغییر می‏کند.

حداکثر تغییرشکل‏های زمین بسته به بزرگی حرکت‏های گذرای زمین حین فرآیند گسترش جانبی، می‏تواند در مدت لرزش یا متمایل به انتهای لرزش رخ دهد. در نظر گرفتن ترکیب مناسبی از بارهای کینماتیکی و اینرسی تا حد زیادی وابسته به قضاوت طراح است.

در انتها نتیجه‏گیری کلی که از موارد تاریخی گرفته می‏شود این است که پی‏های عمیق (شمع‏ها) از انواع مختلف را می‏توان به گونه‏ای طراحی کرد که عملکرد مناسبی در زمین‏های روانگرا داشته باشند، درحالیکه هیچ نوع شمعی در صورتیکه به طور مناسب برای اثرات روانگرایی طراحی نشده باشد از آسیب در برابر گسترش جانبی مصون نیست.

 

تئوری‏های گسیختگی شمع‏ها در خاک‏های روانگرا شده تحت پدیده گسترش جانبی

 

به طور کلی دو مکانیزم گسیختگی محتمل و پذیرفته شده برای شمع‏ها در خاک‏های روانگرا شده وجود دارد که می‏تواند گسیختگی شمع‏ها را در اینگونه خاک‏ها و تحت پدیده گسترش جانبی توضیح دهد.

مکانیزم خمشی که در آن به شمع‏ها به عنوان تیر نگاه می‏شود. بارهای جانبی وارد بر شمع‏ها ناشی از اثرات اینرسی از سوی سازه بالایی و اثرات کینماتیکی ناشی از حرکت زمین هستند.

ناپایداری کمانشی که در آن شمع‏ها به عنوان تیر- ستون تلقی می‏شوند، یا به عبارت دیگر ستون‏های لاغری که تحت بارهای جانبی قرار گرفته و بارهای قائم را نیز تحمل می‏کنند. در این تئوری شمع‏ها به صورت ستون‏های بدون اتکای جانبی در محل‏های روانگراشده رفتار می‏کنند.

در ادامه به طور خلاصه به تئوری‏های حاضر در هر یک از این دو دسته پرداخته می‏شود.

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

۱- گسیختگی شمع بر پایه مکانیزم خمشی

 

– تئوری گسیختگی ارائه شده توسط Tokimatsu et al. (1998)

Tokimatsu et al. مکانیزم اندرکنش خاک- شمع- سازه را در پدیده گسترش جانبی چنانکه در شکل ۱-۱۳ نشان داده شده است، در قالب سه فاز زیر بیان کردند:

1. قبل از ایجاد فشار آب حفره‏ای، نیروی اینرسی وارده از سوی سازه غالب است. (مرحله I در شکل ۱-۱۳)
2. با افزایش فشار آب حفره‏ای نیروهای کینماتیکی از سوی خاک روانگرا شده شروع به عمل می‏کنند. (مرحله II در شکل ۱-۱۳)
3. با رسیدن به انتهای لرزش نیروهای کینماتیکی غالب شده و اثر قابل توجهی بر عملکرد شمع دارند به خصوص زمانی که تغییرمکان‏های جانبی در خاکی که دچار پدیده گسترش جانبی شده است، رخ می‏دهند.(مرحله III در شکل ۱-۱۳)

 

 

– تئوری ارائه شده توسط Ishihara (1997)

Ishihara بارگذاری وارد بر پی را طی پدیده گسترش جانبی با معرفی دو مفهوم زیر بیان می‏کند.

 

Top-down effect

در شروع زلزله نیروهای اینرسی از سوی سازه به بالای شمع و نهایتاً خاک منتقل می‏شوند.

Ishihara فرض می‏کند که طی مدت لرزش اصلی زلزله خاک دانه‏ای به شکل قابل‏توجهی در اثر روانگرایی، نرم نمی‏شود و حرکت جانبی بین شمع و زمین کوچک است.

با این حال وی می‏پذیرد در صورتی که جابجایی زمین به اندازه کافی بزرگ باشد که لنگرهای خمشی ایجاد شده در شمع‏ها از مقدار معینی تجاوز کنند، شمع‏ها دچار گسیختگی می‏شوند.

از آنجایی که بار جانبی از سوی نیروی اینرسی سازه می‏باشد، این حالت “top down effect” نامیده شده است. Ishihara نتیجه‏گیری می‏کند که گسیختگی مشاهده شده در یک شمع در قسمت بالایی بعد از زلزله به دلیل این اثر است.

 

 Bottom-up effect

در زمین‏های شیب‏دار به دنبال آغاز روانگرایی، خاک نرم شده شروع به حرکت در جهت افقی می‏کند.

در این شرایط نیروهای جانبی به بدنه شمع وارد شده و منجر به تغییر شکل شمع در جهت شیب می‏شوند. Ishihara فرض می‏کند که حرکت لرزه‏ای در این حالت از مقدار حداکثر خود عبور کرده است اما لرزش‏ها هنوز با شدت کمتری ادامه دارند و بنابراین نیروی اینرسی انتقال یافته از سوی سازه کوچک خواهد بود.

تحت چنین شرایط بارگذاری حداکثر لنگر خمشی در شمع در قسمت پایینی آن ایجاد می‏شود که از آن به “bottom-up- effect” یاد می‏شود.

 

۲- گسیختگی شمع بر پایه ناپایداری کمانشی

 

Bhattacharya 2003 وBhattacharya et al 2004 مکانیزم دیگری را برای گسیختگی شمع ارائه کردند. مراحل مختلف در نظر گرفته شده در این تئوری در شکل ۱-۱۴ نشان داده شده است.

 

 

همانطور که در شکل ۱-۱۴ دیده می‏شود در ابتدای زلزله و قبل از وقوع روانگرایی شمع همانند یک تیر خمشی رفتار می‏کند که بارهای ناشی از اندرکنش کینماتیکی خاک و شمع و بارهای اینرسی انتقال یافته از سوی سازه را تحمل می‏کند.

با افزایش فشارهای آب حفره‏ای و وقوع روانگرایی خاک مقاومت خود را از دست داده و شمع همانند یک ستون بدون اتکای جانبی عمل می‏کند. در این حالت شمع‏هایی که نسبت لاغری بالایی دارند ممکن است به دلیل بارهای محوری و جانبی دچار گسیختگی کمانش شوند.

در زمین‏های شیبدار حتی اگر شمع تحت شرایط بارگذاری بالا دچار گسیختگی نشود (به عبارت دیگر بارهای محوری و جانبی را در شرایط کاملاً روانگرا شده به طور ایمن تحمل کند)، بارهای کششی ناشی از گسترش جانبی خاک به بارهای قبلی اضافه خواهند شد. در این شرایط شمع همانند یک تیر-ستون (ستون با بارهای جانبی) (مرحله IV در شکل ۱-۱۴) رفتار می‏کند.

 

راهکارهای پیشگیری و کاهش آثار گسترش جانبی

 

در خصوص یک سیستم ‏پی عمیق موجود ابتدا باید کنترل کرد که آیا شمع­ها مقاومت کافی را برای ایستادگی در برابر نیروهای جانبی خاک حین روانگرایی و پدیده گسترش جانبی دارند یا خیر؟

به گونه­ای که جابجایی­ها و چرخش­ها از حد مجاز بیشتر نشده و هیچ­ گونه آسیبی به اجزای شمع و پی وارد نیاید.

اگر از این ارزیابی و بررسی نتیجه شود که پی مقاومت و سختی لازم را نداشته و در برابر روانگرایی و گسترش جانبی آسیب­پذیر تشخیص داده شود، با توجه به خسارات متعدد و اثرات مخربی که طی زلزله­های گذشته در اثر پدیده گسترش جانبی به شمع­ها و سازه­های متکی بر آنها وارد آمده است (در این باره پیشتر در فصل ۱ صحبت شد.)، بایستی راهکارهایی را برای پیشگیری و کاهش اثرات گسترش جانبی به کار برد. طبق نظر Abdoun و همکاران (۲۰۰۵) این راهکارها را می­توان به سه دسته کلی تقسیم کرد:

۱) تقویت و بهبود خاک قابل روانگرای محل به منظور جلوگیری از وقوع روانگرایی و گسترش جانبی

۲) تقویت سیستم شمع­ها با استفاده از راهکارهایی نظیر اضافه نمودن شمع­های جدید، استفاده از دیوارهای حائل زیرزمینی، سپری، ستون­های سنگی، ریزشمع­ها و …

۳) جداسازی شمع­ها و خصوصاً کلاهک شمع از لایه غیرروانگرای سطحی با جایگزین کردن خاک­های سطحی اطراف شمع­ها با خاک نرم یا سایر مصالح مناسب که بدین ترتیب نیروی جانبی وارد بر شمع­ها و کلاهک شمع کاهش یافته و باعث کاهش جابجایی­ها و لنگرهای خمشی در شمع­ها می­گردد.

در ادامه به برخی از مطالعات و مدل‏سازی­های محققین مختلف در خصوص راهکارهای پیشگیری و کاهش اثرات روانگرایی و گسترش جانبی در هر یک از سه دسته ذکر شده که طی سالهای اخیر انجام گرفته­اند، پرداخته می شود.

 

۱- تقویت و بهبود خاک مستعد روانگرایی

ساده­ترین راه برای پیشگیری و کاهش اثرات روانگرایی و گسترش جانبی در زمین­های مستعد روانگرایی متراکم کردن خاک است.

برای مناطق وسیع، باز و توسعه نیافته ساده­ترین و کم­ هزینه­ترین روش بهسازی زمین استفاده از روشهای متداول تراکم خاک نظیر تراکم دینامیکی، تراکم به کمک انفجار و تراکم به کمک لرزش می­باشد.

مطالعاتی در خصوص کارایی و کاربرد عملی این روش­ها توسط Mitchell و همکاران ۱۹۹۵، Adalier 1996 و TC4 2001 گزارش شده است.

از طرف دیگر در مناطق محدود و توسعه یافته شهری بهسازی زمین بوسیله تراکم به دلیل وجود سازه­های حساس به تغییر شکل یا لرزش­های ناشی از تراکم در اطراف زمین مورد نظر و نیز سر و صداهای ایجاد شده در اثر این روش­ها، مناسب نخواهد بود.

علاوه بر این دسترسی به محل موردنظر ممکن است محدود باشد و فعّالیت­های بهسازی زمین با فعالیت­های معمول ساختمانی در حال اجرا در محل تداخل کنند.

در چنین مناطقی معمول­ترین روش­های بهسازی خاک، تزریق دوغاب و underpinning است که روش­های ‏پرهزینه­ای خواهند بود.

این روش­ها به جای کل محل موردنظر سازه­های مشخصی را مورد هدف قرار می­دهند. در روش underpinning، اجزای سازه­ای برای تأمین اتکای اضافی برای سازه به کار می­روند.

در روش تزریق معمول­ترین کار تزریق دوغاب تحت فشار از طریق گمانه­هایی است که در فاصله نزدیکی با یکدیگر قرار گرفته­اند. مصالح معمول برای تزریق شامل سیمان یا ترکیب­های شیمیایی مختلف نظیر سیلیکات سدیم است که زمان ژل بودن کوتاهی دارند.

این مصالح تمایل به داشتن ویسکوزیته بالا دارند، بنابراین از آنها اغلب برای تشکیل ستونهایی از دوغاب استفاده می­شود تا اینکه در کل ناحیه زیر سازه نفوذ کنند.

Gallagher 2000 Gallagher et al. (2007 و Pamuk et al 2007 «تثبیت غیرفعال زمین» را به عنوان روشی جدید برای پیشگیری و کاهش اثرات روانگرایی در مناطق شهری و مستعد روانگرایی ارائه کردند (شکل‏های ۲-۹ و ۲-۱۰). تثبیت غیرفعال زمین با روشهای متداول تزریق متفاوت است.

 

 

در این روش ماده تثبیت­کننده به آرامی در بالادست منطقه مورد نظر تزریق شده و به کمک جریان آب زیرزمینی در سرتاسر محل ‏پخش می­شود. برای تنظیم جریان آب زیرزمینی به منظور توزیع تثبیت کننده در کل محل موردنظر می­توان از چاهک­های استخراج و خروج با فشار کم استفاده کرد.

(شکل ۲-۱۰) ماده تثبیت­کننده بوسیله سیمانی کردن ذرات خاک به یکدیگر و کاهش کلی آبگذری ساختار خاک، باعث تثبیت خاک می­شود. در چنین شرایطی به منظور دست یافتن به نتیجه موردنظر، ماده تثبیت­کننده باید دارای ویسکوزیته اولیه ‏پایین و مدت ژل بودن طولانی (در حدود ۵۰-۱۰۰ روز) باشد و ویسکوزیته آن برای مدت طولانی در حد نسبتاً پایین باقی بماند.

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

مواد متعددی نظیر محلول کلوییدی سیلیکا، دوغاب­های سیمانی با ذرات بسیار ریز و محلول­های شیمیایی مختلف جهت استفاده به عنوان تثبیت­کننده مورد بررسی قرار گرفته­اند.

‏پس از مطالعات گسترده انجام گرفته در این زمینه مشخص شده است که محلول رقیق‏شده کلوییدی سیلیکا را می­توان به عنوان یک تثبیت­کننده ماندگار، با ویسکوزیته اولیه پایین، غیرسمی و کم­هزینه مورد استفاده قرار داد.

محلول رقیق شده کلوییدی سیلیکا (نسبت وزنی %۵) ویسکوزیته اولیه پایینی (حدود ۲۰-۱۵؛ آب= ۱۰) داشته و برای مدت زمان طولانی ویسکوزیته آن در مقدار نسبتاً ‏پایینی باقی می­ماند. همچنین مدت زمان قابل کنترل ژل بودن آن به چند ماه می­رسد.

محلول کلوییدی سیلیکا از نظر زیست­محیطی بی­خطر بوده و توسط FDA جهت استفاده در تماس با محصولات غذایی تأیید شده است.

 

 

.Abdoun et al (2003)، Gallagher et al. (2007) و Pamuk et al. (2007) تأثیر تثبیت غیرفعال زمین با استفاده از محلول کلوییدی سیلیکا را در پیشگیری و کاهش اثرات روانگرایی و گسترش جانبی بر روی گروه شمع به کمک آزمایشات سانتریفیوژ مورد بررسی قرار دادند.

آنها در آزمایشات خود به منظور بکارگیری روش تثبیت غیرفعال زمین، مخلوط آب و محلول کلوییدی سیلیکا (۶ درصد وزنی محلول کلوییدی سیلیکا) را به جای آب برای اشباع کردن مدل فیزیکی خود به کار بردند.

نتایج بدست آمده از آزمایشات نشان داد که با به کارگیری تثبیت غیر فعال زمین، روانگرایی و گسترش جانبی رخ نداده و جابجایی­های میدان آزاد خاک به طرز چشمگیری کاهش یافته­اند. (جابجایی جانبی سطح زمین برای خاک تقویت شده در حدود %۵ مقدار خاک تقویت نشده بود.)

چنانکه در شکل ۲-۱۱ دیده می­شود در مدل با خاک تثبیت شده بر خلاف مدل با خاک معمول، گسیختگی خاک در اطراف گروه شمع رخ نداده است. به دلیل روانگرا نشدن خاک تثبیت شده، تنشهای برشی ایجاد شده در اثر تحریک به سطح زمین انتقال یافته­اند که باعث شده شتاب­های ثبت شده در اعماق کم در میدان آزاد خاک و اطراف گروه شمع افزایش یابند.

 

 

در لنگرهای خمشی شمع­های قرار گرفته در خاک تثبیت شده نیز کاهش چشمگیری مشاهده شده است. همانطور که در شکل ۲-۱۲ نشان داده شده است در مدل با خاک تثبیت نشده لنگرهای خمشی حداکثر در مرز بین لایه­های غیرروانگرا و روانگرا قرار دارند.

از طرف دیگر لنگرهای خمشی ثبت شده در مدل با خاک تثبیت شده کاهش چشمگیری (تا حد %۹۷ نسبت به مدل با خاک تثبیت نشده) را نشان می­دهند. (Pamuk et al., 2007) همچنین گسترش جانبی در خاک تقویت نشده نیروهای کششی قابل توجهی را ایجاد کرده که باعث شده تمایل به بیرون آمدگی در شمع­های بالادست مشاهده شود.

در این‏جا نیز بکارگیری تثبیت خاک منجر به کاهش قابل توجه در نیروهای محوری بوجود آمده در شمع­ها شده است.

 

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

۲- تقویت سیستم شمع‏ها

 

راه حل جایگزین برای تقویت و اصلاح خاک روانگرای محل جهت ‏پیشگیری و کاهش اثرات گسترش جانبی، تقویت سیستم شمع‏ها با استفاده از راهکارهایی نظیر اضافه نمودن شمع به شمع­های موجود، بکارگیری دیوارهای حائل زیرزمینی، سپری، ستون­های سنگی، ریزشمع و … است.

.Kogai et al (2000) تأثیر دیوارهای زیرزمینی را در کاهش اثرات گسترش جانبی با استفاده از آزمایشات میز لرزان بررسی نمودند.

در این آزمایشات دیوارهای زیرزمینی مورد بررسی شامل دیوارهای سپری و دیوارهایی از ماسه متراکم می­شدند. نتایج این آزمایشات نشان دادند که استفاده از این دیوارها تأثیر قابل توجهی در کاهش جابجایی جانبی خاک ناشی از گسترش جانبی دارد (شکل ۲-۱۳).

همچنین با افزایش سختی خمشی سپری و افزایش ضخامت دیوار متشکل از ماسه متراکم، چنانکه انتظار می­رفت مشاهده شد که جابجایی جانبی و قائم خاک کاهش می­یابد.

 

 

Motamed و Towhata (2010) با در نظر گرفتن شمع‏های آسیب‏پذیر موجود که در معرض خطر روانگرایی و گسترش جانبی قرار دارند روش‏هایی را برای بهبود عملکرد لرزه‏ای گروه شمع و دیوار ساحلی ارائه نمودند و کارایی این روش‏ها را با انجام آزمایشات میز لرزان در مقیاس متوسط بررسی کردند.

آنها این راهکارها را با توجه به نتایج آزمایشاتی که پیشتر در خصوص بررسی رفتار گروه شمع ۳×۳ در پشت یک دیوار ساحلی سپری انجام داده بودند، ارائه کردند.

این روش‏ها عبارتند از: ۱- استفاده از سپری شناور (شکل ۲-۱۴، بالا) ۲- استفاده از سپری با انتهای گیردار (شکل ۲-۱۴، وسط) ۳- مهار کردن دیوار ساحلی به ردیف جدیدی از شمع ( شکل ۲-۱۴، پایین). هدف عمده از بکار بردن این روش‏ها، محدود کردن تغییر شکل زمین در پشت دیوار ساحلی و بهبود پاسخ لرزه‏ای گروه شمع و دیوار ساحلی بوده است.

آنها تأثیر هر کدام از این روش‏ها را با توجه به نتایج آزمایشات بصورت زیر بیان نمودند: 

• استفاده از سپری با انتهای گیردار موثرترین نتایج را در کاهش لنگر خمشی در شمع‏ها نشان داد. این نتایج هم برای لنگر خمشی حداکثر و هم لنگر خمشی پسماند بدست آمد. علاوه بر این روش، مهار دیوار ساحلی به یک ردیف جدید از شمع نیز تأثیر قابل‏توجهی در کاهش لنگر خمشی حداکثر داشت. استفاده از سپری شناور کمترین تأثیر را در این خصوص نشان داد (شکل ۲-۱۵).
• تأثیر روش‏های بکار گرفته شده بر روی جابجایی خاک مشابه با نتایج بدست آمده برای لنگرهای خمشی شمع بود. همچنین نتایج مشابهی برای سایر پارامترها از جمله سرعت جریان خاک، جابجایی کلاهک شمع و دیوار ساحلی مشاهده شد. این نتایج روش دوم، استفاده از سپری با انتهای گیردار، را به عنوان موثرترین روش در این مطالعه پیشنهاد می‏دهند.

 

 

• باید توجه نمود اگر چه استفاده از سپری با انتهای گیردار باعث بهبود رفتار لرزه‏ای گروه شمع و دیوار ساحلی می‏شود اما بایستی نسبت به اجرای آن در عمل توجه و دقت کافی اعمال شود چرا که نصب سپرهای بسیار عمیق برای رسیدن به یک لایه سخت امکان‏پذیر نیست. بنابراین ترکیبی از روش دوم و سوم در مواردی که لایه خاک سخت در اعماق بسیار زیاد قرار گرفته است، توصیه می‏شود.
• داده‏های ثبت شده از فشار آب حفره‏ای نشان‏دهنده ایجاد حالت تنش کششی در خاک پشت گروه شمع (به سمت دیوار ساحلی) در نتیجه جابجایی‏های جانبی بزرگ خاک در محدوده بین گروه شمع و دیوار ساحلی و متعاقب آن اتساع در خاک می‏باشد.

 

 

بکارگیری ستون­های سنگی با متراکم کردن خاک اطراف و زهکشی اضافه فشارهای آب حفره­ای باعث کاهش پتانسیل روانگرایی و کاهش اثرات  آن می­شود. از طرف دیگر این ستون­ها خود المان­های سختی هستند که می­توانند مقادیر بیشتری از تنش را تحمل کرده و به عنوان مانعی در برابر جابجایی­های خاک عمل کنند و بدین ترتیب باعث کاهش آسیب­های ناشی از گسترش جانبی بر شمع­ها شوند.

(Priebe, 1991) نقش زهکشی ستون­های سنگی باعث کاهش روند افزایش فشارهای آب حفره­ای و نیز افزایش سرعت کاهش اضافه فشار آب حفره­ای می­شود که منجر به پایین نگه داشتن نسبت اضافه فشار آب حفره­ای () می­گردد. حفظ نسبت اضافه فشار آب حفره­ای در مقادیر پایین از وقوع نشست­های بزرگ که

معمولاً در مقادیر  بالاتر از ۶/۰-۵/۰ اتفاق می­افتد، جلوگیری کرده و باعث می­شود که قسمت بزرگی از مقاومت و سختی خاک حفظ گردد که این خود به مقاومت جانبی و قائم خاک در برابر نیروهای وارده کمک قابل توجهی کرده و از طرف دیگر باعث کاهش جابجایی­های جانبی خاک می­شود.

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

در خصوص عملکرد ستون­های سنگی طی زلزله­های گذشته موارد مستند زیادی وجود ندارد. با این حال همین موارد محدود نشان داده­اند مناطقی که در آنها ستون­های سنگی مورد استفاده قرار گرفته­اند عملکرد مناسبی طی زلزله داشته­اند و کاهش پتانسیل روانگرایی و نیز کاهش چشمگیر خرابی و آسیب به خاک و سازه­های قرار گرفته در این خاک­ها مشاهده شده است.

در این‏باره می­توان به موارد گزارش شده طی زلزله­های Loma Prieta (1991)، Northridge (1994) و Kushiro-Oki (1993) اشاره کرد. (Mitchell and Wentz, 1991; Hayden and Baez, 1994; Mitchell et al, 1995)

Sasaki و Taniguchi (1982) نتایج مجموعه‏ای از آزمایشات میز لرزان بزرگ مقیاس را بر روی زهکش­های شنی ارائه کردند.

مدل­های مورد استفاده در این آزمایشات دارای طول m 12، عرض  m2 و ارتفاع m 3 بودند. در این آزمایشات زهکش­های شنی بصورت دیوارهای پیوسته ساخته شدند (شکل ۲-۱۶). در این مطالعات زهکش­های شنی در محدوده­ای به فاصله قطر زهکش از محور آن از وقوع روانگرایی جلوگیری نمودند.

آنها عملکرد یک جاده را نیز در مدل­های خود بررسی نمودند و مشاهده کردند که با استفاده از زهکش­های شنی، فشار برخاستی (uplift) در مدل به طور قابل توجهی کاهش می­یابد. با این حال نتایج این آزمایشات نشان دادند که زلزله­های قوی با فرکانس بالا (برای مثال g2/0 در Hz 5) که منجر به افزایش سریع فشار آب حفره­ای در خاک می­شود، ممکن است بر قابلیت زهکشی ستون­های شنی غلبه کرده و نقش آنها را به عنوان یک زهکش بی­اثر کند.

 

 

Iai (1988) عملکرد یک زهکش شنی را تحت شرایط تحریک سینوسی بررسی نمود. وی در مطالعات خود یک مدل فیزیکی میز لرزان بزرگ مقیاس (قطر  m2 و ارتفاع  m2) از نوع laminar را به کار گرفت. در این آزمایشات خاک مدل از یک لایه یکنواخت ماسه سست تشکیل شده بود و در مرکز این مدلِ استوانه­ای، یک زهکش شنی به قطر  m6/0 ساخته شد.

تصور می شود که این شرایط آزمایش، شبیه­سازی دقیقی از عملکرد یک زهکش شنی در یک سیستم بزرگ باشد. نتایج این مطالعه بدین‏گونه بودند:

۱) سیستم زهکش شنی در صورتی که مقادیر  زیر مقداری حدود ۵/۰ باقی بماند کاملاً کارآمد خواهد بود.

۲) تئوری تحکیم شعاعی (و تحکیم خطی) ‏پیش­بینی­های قابل قبولی برای ۵/۰> بدست می­دهد.

۳) برای ۵/۰< کارآیی زهکش شنی با افزایش  کاهش می‏یابد. در ۱= زهکشی از طریق ستون شنی به طرز چشمگیری کاهش یافته و نشست­های بزرگی اتفاق می­افتند. بر مبنای این نتایج می­توان گفت که عملکرد

موفقیت­آمیز یک سیستم زهکش شنی از قابلیت آن در ‏پایین نگه داشتن مقدار  پایین­تر از ۵/۰ ناشی می­شود.

در مطالعات Sasaki and Taniguchi و Iai اثر متراکم کردن خاک اطراف ستون­های شنی بدلیل شیوه ساخت بکار رفته در نظر گرفته نشده است. Baez و Martin در سال ۱۹۹۲ تأثیر ساخت ستون­های شنی به روش vibro-replacement را در کاهش اثرات روانگرایی با استفاده از آزمایشات صحرایی تمام مقیاس مورد بررسی قرار دادند.

طی این آزمایشات مشاهده شد که خاک اطراف ستون­ها به دلیل فشار شن به اطراف و نیز روانگرایی ایجاد شده در اثر لرزش­های ناشی از روش ساخت موردنظر، متراکم شده است. نتایج این مطالعه نشان داد که ساخت ستون­های شنی به روش ذکر شده تأثیر چشمگیری در ‏پیشگیری و کاهش اثرات روانگرایی داشته است.

Ashford و همکاران (۲۰۰۰) نتایج یکسری آزمایشات تمام مقیاس روانگرایی به کمک انفجار را به منظور بررسی عملکرد ستون­های سنگی طی روانگرایی گزارش نمودند. در این مطالعه از انفجار برای روانگرا کردن خاک سست بدون چسبندگی در Treasure Island در نزدیکی سانفراسیسکو استفاده شد.

همچنین ۲۴ ستون شنی (با قطر m 8/0 و فاصله حدود m 5/2) در یک الگوی مربع­شکل تا عمق ۶ متری ساخته شدند. نتایج این مطالعه نشان داد که با به کارگیری ستون­های شنی اضافه فشارهای آب حفره­ای کاهش یافته و این فشارها سریعتر از بین می­روند.

Adalier و همکاران (۲۰۰۳) تأثیر ستون­های سنگی را در کاهش اثرات روانگرایی در خاک­های غیر‏پلاستیک سیلتی با استفاده از آزمایشات سانتریفیوژ بررسی نمودند. تمرکز این مطالعه بر روی ویژگی ستون­های سنگی به عنوان اِلمان­های سخت بود تا نقش آن در زهکشی فشارهای آب حفره­ای و متراکم کردن خاک اطراف.

شرایط میدان آزاد خاک و سربار ناشی از پی سطحی مورد مطالعه قرار گرفتند (شکل ۲-۱۷). نتایج بدست آمده از داده­های نشست، شتاب و اضافه فشار آب حفره­ای بیانگر آن بودند که در مدل­های تقویت شده با ستون­های سنگی، پی طی لرزش رفتار کلی سخت­تری از خود نشان می­دهد.

ستون­های سنگی تأثیر چشمگیری در کاهش اضافه فشارهای آب حفره­ای (در خاک اطراف ستون­ها)، افزایش کلی سختی خاک زیر پی و کاهش نشست­ها داشتند. همچنین ستون­های سنگی نقش قابل توجهی در بهبود رفتار خاک زیر پی سطحی داشتند بگونه­ای میزان نشست در زیر پی تا حد %۵۰ کاهش یافت (شکل ۲-۱۸)

. در شرایط میدان آزاد اثر سخت­کنندگی ستون­های سنگی تنها در کاهش اضافه فشارهای آب حفره­ای در اعماق حدود ‏پایین­تر از m 5 (kPa 45) مؤثر بود. (به عبارت دیگر در نزدیکی سطح زمین نقش ستون­های سنگی در کاهش اضافه فشارهای آب حفره‏ای ناچیز بود.)

 

 

 

Elgamal و همکاران (۲۰۰۹) تأثیر ستون­های سنگی را در کاهش تغییر شکل­های جانبی ناشی از گسترش جانبی با استفاده از مدل‏سازی عددی سه­بعدی المان محدود به کمک نرم­افزار OpenSees مورد مطالعه قرار دادند. در این مطالعه یک لایه ۱۰ متری از ماسه یا سیلت غیر‏پلاستیک مستعد روانگرایی با شیب ملایم مدل شد.

نتایج مدل‏سازی­ها نشان داد که ستون سنگی در کاهش تغییر شکل­های جانبی در لایه ماسه­ای تأثیر قابل توجهی دارد. همچنین نفوذپذیری ستون سنگی نقش مهمی در این خصوص دارد. با این حال برای لایه مشابهی از خاک با نفوذپذیری در محدوده سیلت، بدون توجه به نفوذ‏پذیری ستون سنگی به کار رفته، استفاده از ستون سنگی بی­تأثیر است.

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

Mitrani و Madabhushi (2005) اثر ریزشمع­های مایل غیرسازه­ای را به عنوان راهکاری برای کاهش اثرات روانگرایی در زیر ساختمان­های موجود با استفاده از آزمایشات سانتریفیوژ بررسی کردند (شکل ۲-۱۹). در این آزمایشات ریزشمع­ها به وسیله لوله­های آلومینیوم توخالی مدل شدند.

به منظور ایجاد مقاومت اصطکاکی لازم درآنها، سطح خارجی این لوله­ها با چسباندن ماسه پوشانده شدند. همچنین از قاب­های سازه­ای یک و دو درجه آزادی از جنس آلومینیوم برای مدل کردن ساختمان در این آزمایشات استفاده گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که ریزشمع­ها در کاهش اثرات روانگرایی چندان مؤثر نیستند،

چنانکه علیرغم استفاده از ریزشمع­ها، نشست­های بزرگ سازه همچنان اتفاق افتاد. علاوه بر این اضافه فشارهای آب حفره­ای لازم برای ایجاد روانگرایی در داخل ناحیه محصور شده توسط ریزشمع­ها به وجود آمدند.

البته ریزشمع­ها با انتقال شتاب­ها از لایه­های ‏پایین خاک به سمت لایه­های بالایی و سطح زمین اثرات نسبتاً سودمندی هم داشتند. این اثر به افزایش کرنش برشی و اتساع در محدوده خاک اطراف آنها طی زلزله منجر می­شود. می­توان محتمل دانست که قسمتی از این اتساع به دلیل حرکت ماسه در اطراف ریزشمع­ها هنگام روانگرا شدن خاک باشد.

با این حال این اثر با انتقال شتاب­ها از لایه­های عمیق­تر خاک به افزایش شتاب­های سازه­ای نیز منجر می­شود و اثرات سودمند افزایش اتساع در خاک مغلوب اثر مخرب فشارهای آب حفره­ای اضافی می­گردد.

 

 

 McManus و همکاران (۲۰۰۵) تأثیر ریزشمع­های مایل را در جلوگیری و کاهش اثرات روانگرایی با استفاده از آزمایشات میز لرزان مورد مطالعه قرار دادند. مدل فیزیکی به کار رفته در این آزمایشات یک محفظه Laminar به ابعاد m 8/1 طول، m 8/0 عرض و m 2 ارتفاع بود که تحت تحریک سینوسی با فرکانس Hz 1 قرار می­گرفت. ریزشمع­های به کار رفته در مدل­ها لوله­های توخالی فولادی با مقاومت بالا بودند که تحت زاویه  نسبت به محور قائم نصب می­شدند (شکل ۲-۲۰).

همزمان با کوبیدن ریزشمع­ها به داخل خاک، دوغاب نیز با فشار کم به داخل خاک تزریق می­شد تا با خاک اطراف مخلوط گشته و چسبندگی و اصطکاک مناسبی ایجاد کند. نتایج آزمایشات نشان داد که به کارگیری یک ریزشمع مایل در خاک تأثیر کوچکی در پاسخ­های بدست آمده طی لرزش دارد امّا استفاده از دو ریزشمع مایل در جهت مخالف تأثیر قابل توجهی در کاهش کرنش­های برشی تناوبی(سیکلیک) به میزان نصف (شکل ۲-۲۱) و کاهش نشست به میزان  آن نسبت به مدل بدون ریزشمع دارد.

 

 

 

۳- جداسازی شمع‏ها از لایه غیرروانگرای سطحی

رویکرد دسته سوم از راهکارهای ‏پیشگیری و کاهش اثرات گسترش جانبی از این واقعیت ناشی می­شود که لایه غیرروانگرای سطحی چنانکه در زلزله‏های گذشته و مطالعات انجام گرفته توسط محققین مختلف مشاهده شده است، تأثیر قابل توجهی در افزایش لنگر خمشی و نیروی جانبی وارد بر شمع دارد.

در این روش خاک لایه سطحی غیرروانگرا توسط یک ترانشه در اطراف شمع­ها با یک ماده نرم که تحت نیروهای جانبی وارده از سوی خاک به تسلیم برسد، جایگزین می­شود. این کار با کاهش تأثیر گسترش جانبی در لایه سطحی خاک باعث کاهش لنگرهای خمشی و جابجایی شمع­ها می­شود.

این روش از نظر عملی کاربرد بسیار خوبی خواهد داشت چرا که در آن نیازی به نفوذ در اعماق خاک نیست. با این حال به دلیل مصالح نرم مورد استفاده، مقاومت جانبی ‏پی در برابر بارهای اینرسی کاهش می­یابد. به منظور کاهش این اثر و افزایش مقاومت در برابر بارهای اینرسی، ترانشه پر شده با مصالح نرم را می­توان با فاصله مناسبی در اطراف شمع­ها قرار داد.

 

گسترش جانبی در خاک و اثرات آن بر شمع

 

Abdoun و Wang (2002) تأثیر این روش را در کاهش اثرات گسترش جانبی به کمک آزمایشات سانتریفیوژ بررسی نمودند. شکل ۲-۲۲ مدل­های به کار رفته در این آزمایشات که جداسازی شمع­ها از خاک لایه غیرروانگرای سطحی در آنها اعمال شده است را نشان می­دهد. همانطور که مشاهده می­شود در یک مدل ترانشه جداکننده در اطراف شمع قرار گرفته و در مدل دیگر با فاصله­ای از آن حفر شده است.

پروفیل خاک مدل شده در این آزمایشات از دو لایه غیرروانگرا در بالا و پایین و یک لایه روانگرای میانی تشکیل شده است. در این مدل­ها جهت شبیه­سازی بار وارده از سوی سازه و نیروهای ناشی از آن از قرار دادن یک جرم بر روی شمع استفاده گردیده است. به منظور کاهش اثرات گسترش جانبی داخل این ترانشه­ها با رس نرم ‏پر شده است. 

 

 

نتایج بدست آمده از این آزمایشات نشان دادند که مقادیر جابجایی­های جانبی خاک در میدان آزاد در مدل­های با ترانشه جداکننده و بدون آن مشابه هستند. همچنین چنانکه انتظار می­رفت کاهش چشمگیری در لنگرهای خمشی شمع در لایه غیرروانگرای سطحی مشاهده شد.

چنانکه در شکل ۲-۲۳ دیده می­شود، لنگر خمشی حداکثر در بالا که در مرز لایه غیرروانگرای سطحی و لایه روانگرا اتفاق می­افتد از مقدار حدود kN.m 300 در مدل بدون ترانشه جداکننده به مقدار kN.m 10 در مدل با ترانشه جداکننده کاهش یافته است. البته در مورد لنگر خمشی حداکثر در پایین (در مرز لایه غیرروانگرا و لایه روانگرا) کاهش بسیار کمتری مشاهده می­شود.

همچنین جابجایی سر شمع در انتهای لرزش به حدود نصف کاهش پیدا کرد. با این حال علیرغم کاهش در لنگرهای خمشی و جابجایی ماندگار شمع، افزایش در شتاب­ها و جابجایی­های گذرای شمع به دلیل کاهش اتکای جانبی شمع در محدوده لایه غیرروانگرای سطحی مشاهده شد.