روانگرایی خاک چیست؟ عوامل موثر و راهکارها

روانگرایی خاک (soil liquefaction) یکی از مباحث مهم در مهندسی زلزله می‌باشد. در این مقاله آموزشی هدف ما آشنایی با مبحث روانگرایی و حل چند مثال در این زمینه می‌باشد.

تاریخچه

در دهه 1960 پس از زلزله نیگاتای ژاپن (M_W=7.5) زلزله‌ای در آلاسکا (M_W=9.2) رخ داد و منجربه خرابی‌های متعدد مانند گسیختگی شیب‌ها، شناوری سازه‌های مدفون و.. شد. این موضوع باعث شد محققان به فکر افتادند و مطالعات در این زمینه شروع شد.

روانگرایی خاک چیست؟

از درس مکانیک خاک در دوران کارشناسی مهندسی عمران می‌دانیم، یک توده خاک از سه بخش دانه‌های جامد، آب و هوا (فضاهای خالی) تشکیل می‌شود. همچنین ما برای نمایش این سه بخش از دیاگرام سه فازی استفاده می‌کنیم.

باید دقت شود که روانگرایی در خاک‌های اشباع و دانه‌ای رخ می‌دهد. زمانی به یک خاک اشباع گفته می‌شود که تمام فضاهای خالی خاک با آب پرشده باشد.

حال اگر این ماسه شل و اشباع تحت ارتعاش (زلزله) قرار بگیرد تمایل به کاهش حجم خواهد داشت. اگر زهکشی انجام نشود، فشار آب منفذی زیاد می‌شود و تداوم ارتعاش باعث می‌شود فشار آب حفره‌ای زیادتر شود تا جاییکه ماسه از خود مقاومتی نشان نمی‌دهد. بنابراین رفتاری مانند یک مایع خواهد داشت و سازه‌های بنا شده روی آن به راحتی داخل زمین فرو می‌روند.

اگر به جمله بالا دقت کنیم، گفتیم خاک باید در حالت زهکشی نشده باشد تا روانگرایی رخ دهد. زیرا اگر آب اجازه خروج از خاک را نداشته باشد، دانه‌های خاک با تمایلی که به تراکم دارند، خاک را دچار کاهش حجم می‌کنند. زمانی که خاک در حالت زهکشی نشده است، دانه‌های خاک می‌خواهند به هم نزدیک شوند اما به خاطر وجود آب نمی‌توانند و این مسئله باعث افزایش فشار آب حفره‌ای می‌گردد.

حالت‌های مختلف روانگرایی

رونگرایی یعنی وضعیتی که در آن خاک‌های ماسه‌ای مقاومت برشی خود را از دست داده و تنش موثر کاهش یافته است. این کاهش تنش موثر به دلیل افزایش فشار منفذی می‌باشد. (تنش کل =تنش موثر + فشار آب حفره‌ای)

روانگرایی به دو گروه اصلی تقسیم می‌شود

1- روانگرایی جریانی (Flow liquefaction): روانگرایی جریانی هنگامی رخ می‌دهد که تنش برشی لازم برای تعادل استاتیکی توده خاک، بزرگتر از مقاومت برشی خاک در حالت روانگرایی باشد.

برای درک بهتر به تصویر زیر توجه کنید:

2- روانگرایی سیکلی (Cyclic Liquefaction): روانگرایی سیکلی زمانی رخ می‌دهد که تنش برشی لازم برای تعادل استاتیکی کمتر از مقاومت خاک روان شده باشد.

روانگرایی خاک چگونه رخ می‌دهد؟

همانطور که در تعریف پدیده روانگرایی اشاره شد، با افزایش فشار آب منفذی و کاهش تنش موثر روانگرایی رخ می‌دهد. تخلخل بحرانی خاک (e_cr) اولین شاخصی است که برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی مطرح گردیده است. از مکانیک خاک می‌دانیم، ماسه متراک تحت برش افزایش حجم، اما ماسه شل کاهش حجم خواهد داشت. تخلخلی که در آن تراک خاک دچار هیچگونه تغییر حجم نمی‌شود را تخلخل بحرانی می‌گویند.