روش ساده شده برای ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک (نشریه روانگرایی 525)

1-2-5- روش ساده شده

در حدود چهار دهه ی پیش دستورالعملی تحت عنوان روش ساده شده برای ارزیابی مقاومت روانگرایی لرزه ای خاک ها پیشنهاد شد. در پی زلزله های فاجعه بار Niigata و Alaska در سال Seed and Idriss (1971) ،1964 روش ساده شده ی اولیه را پیشنهاد کردند. از آن زمان تا کنون این دستورالعمل چندین بار مورد بازبینی و تکامل قرارگرفته است که از میان آنها می توان به مطالعات Seed and Idriss, 1982; Seed et al., 1985; Youd and Idriss, 1997; Youd et al., 2001 اشاره نمود. شاخص 1985 ، کمیته مهندسی زلزله ی انجمن تحقیقات ملی ،NRC کارگروهی را متشکل از زبده ترین متخصصان روانگرایی برای ارزیابی و به روز نمودن این روش تشکیل داد. این کارگروه تخصصی که توسط پروفسور ،Robert V. Whitman از دانشگاه ،MIT و با حضور 36 تن از متخصصان و ناظران گردآوری شده بود، جدیدترین پیشرفت های علمی و فنی موجود در ارزیابی مخاطرات روانگرایی را به طور جامع مورد بررسی و بازبینی قرار داد. نتیجه ی حاصل از جلسات این کارگروه در قالب گزارشی NRC, 1985 ارایه شد که تا مدت ها به عنوان معتبرترین مرجع ارزیابی روانگرایی مورد استفاده قرار می گرفت. تا سال 1996 هیچ بازبینی کلی و یا بهروز نمودنی از روش شده های ارایه به چاپ نرسید؛ تا آن که در این سال کارگروه دیگری با محوریت پروفسور T. Leslie Youd تشکیل شد. هدف از تشکیل این کارگروه تخصصی، که به وسیله ی مرکز ملی تحقیقات مهندسی زلزله ،NCEER حمایت مالی شد، گردآوری 21 تن از متخصصان برای بازبینی پیشرفت های اخیر و اتفاق نظر در خصوص تصحیح و تکمیل بیشتر روش ساده شده بود. تمرکز اصلی این کارگروه بر روی پیشرفتهای حاصل در 10 سال سپری شده پس از تشکیل کارگروه NRC بود. این گروه در سال 2001 نیز مجددا آخرین پیشرفت های به دست آمده در روش ساده شده را مورد بازبینی قرار داد. به چالش کشیده شدن روش پیشنهادی Seed and Idriss 1971 یا همان روش ساده شده، در طی سال های متمادی و توسط متخصصان خبره ی مبحث روانگرایی شاهدی دیگر بر اهمیت این روش نسبت به دیگر روش های ارزیابی پتانسیل روانگرایی است. روش ساده شده در آغاز برای ارزیابی مقاومت روانگرایی نهشته های خاکی کم عمق در زمین های مسطح و یا با شیب کم ایجاد شد. بنابراین بدیهی است که محدوده ی کاربرد معتبر و قابل اطمینان این روش به شرایط مذکور محدود شود. اگرچه این دستورالعمل توسط برخی مهندسان برای ارزیابی اخم طرات روانگرایی در زمین های با شیب تند، خاکریزهای مصنوعی و یا لایه های عمیق خاک به کار گرفته شده است، اما این چنین برونیابی هایی خارج از محدوده ی داده های تجربیای هستند که روش اولیه بر اساس آنها پایه ریزی شده است. این برونیابی ها باید به وسیله ی متخصصانی که تجربیات قبلی از چنین کاربردهایی را در اختیار دارند، مورد استفاده قرار گیرد. بر این اساس، بررسی های صورت گرفته در کارگروه NCEER تا حد زیادی به نهشته های کم عمق قرار گرفته در زمین های مسطح و یا با شیب کم محدود شده است. در بیشتر ساختگاه های خاکی، تنش های برشی تناوبی وارد شده بر سطوح افقی در اثر بارهای لرزه ای، عمدتا تنش هایی هستند که در اثر انتشار قائم و یا نزدیک به قائم امواج برشی به وجود می آیند. همانطور که در شکل 5-2 به صورت شماتیک نشان داده شده است دستورالعمل ساده شده ی ارزیابی تنش های برشی تناوبی اعمال شده در عمق، بر این مبنا پایه گذاری شده است Seed and idriss 1971. اگر ستون خاکی بالای جزء خاک قرار گرفته در عمق h شکل 5-2 همانند جسمی صلب رفتار کند و بیشبینهی شتاب در سطح زمین برابر amax باشد، کل توده ی خاک (جسم صلب) بالای عمق ،h به جزء خاک قرار گرفته در این عمق به صورت یکپارچه تنش برشی اعمال میکند. با توجه به ثابت بودن شتاب در طول ستون خاک، بیشینه ی تنش برشی اعمال شده روی سطح افقی در عمق h به صورت رابطه 5-1 به دست می آید.

که در آن γ وزن مخصوص کل خاک، amax بیشینه ی شتاب در سطح زمین و g شتاب ثقل می باشند

اما در حقیقت خاک مانند یک جسم صلب عمل نمی کند. در نتیجه مقدار واقعی بیشینه ی تنش برشی در هر عمق کمتر از مقدار پیشبینی شده با معادله ی 5-1 می باشد. معمولا یک توده ی خاک شکل پذیر نسبت به یک جسم صلب، تنش برشی کمتری در عمق h وارد میکند که این کاهش تنش ناشی از عواملی نظیر افت شتاب در عمق، پاسخ غیرخطی خاک و غیره می باشد. بنابراین تنش برشی واقعی در هر عمق را میتوان به صورت معادله ی 5-2 بیان کرد.

که در آن rd ضریب کاهش تنش برشی در عمق که به صورت نسبت تنش برشی واقعی در هر عمق به تنش برشی تئوری جسم صلب (رابطه ی 5-1) تعریف می شود. این ضریب کاهش با ابتکار Seed and Idriss 1971 از آنجایی وارد محاسبات شد که برای انجام تحلیل های پاسخ، اطلاعات کافی در خصوص ساختگاه وجود نداشت و می بایست شتاب در عمق موردنظر از تاریخچه ی شتاب ثبت شده بر روی سطح زمین تخمین زده می شد. در محاسبه ی ضریب کاهش تنش برشی (رابطه ی 5-2) به سبب برابری تنش کل قائم در هر دو حالت واقعی (خاک شکلپذیر) و تئوری (صلب)، نسبت تنشهای برشی به صورت منطقی تبدیل به نسبت شتاب ها در دو حالت مذکور می شود و این در حالی است که در یک جسم صلب، شتاب در سطح و عمق با یکدیگر برابر می باشند.

در راستای اصلاح و تکمیل ضریب کاهش تنش، برنامهی پاسخ معادل خطی ساختگاه SHAKE برای تعیین پاسخ محدوده ی وسیعی از نیمرخ های خاک تحت اثر دامنه ی گسترده ای از شتاب نگاشت ها مورد استفاده قرار گرفت. سپس برای تعیین ضریب کاهش تنش، از توزیع بیشینه ی شتاب در عمق به عنوان خروجی تحلیل استفاده شد. به این ترتیب که مطابق رابطهی 2-5 مقدار شتاب بیشینه درعمق مورد نظر به مقدار شتاب بیشینه در سطح زمین تقسیم شد. از آنجاییکه در اغلب موارد، شتاب در سطح زمین بیشترین مقدار توزیع شتاب در عمق می باشد، حاصل این تقسیم عددی کوچکتر از 1 خواهد بود. در شکل 5-3 مقادیر rd حاصل از مجموعه ای از تحلیل های پاسخ ساختگاه بر روی چندین نیمرخ خاک به عنوان نمونه نمایش داده شده است. در این شکل، هر یک از خطوط خاکستری رنگ نشان دهنده نتایج تنها یک تحلیل خطی معادل می باشد. به منظور تعیین یک مقدار مشخص برای rd در هر عمق، می توان از شیوه ی متوسط گیری از مجموع نتایج در آن عمق استفاده نمود. جزییات بیشتر در خصوص اصلاح و تکمیل ضریب کاهش تنش در بخش 2-1-2 -5 بیان خواهد شد.

در نهایت تنشهای برشی تناوبی در هر عمق با استفاده از روش ساده شده به صورت رابطه 5-3 تخمین زده می شود.

تغییرات تنش برشی ناشی از زلزله با زمان در هر نقطه از توده ی خاک شکل غیرمنظمی شبیه آنچه در شکل 5-4 ترسیم شده است، خواهد داشت که بیشینه ی تنش برشی ایجاد شده در آن برابر τhv,max می باشد.

از آنجا که در زمان ایجاد روش ساده شده تمرکز تحقیق بیش برتر روی آزمون های آزمایشگاهی بود، دامنه ی نامنظم تاریخچه های زمانی زلزله، به دامنه یکنواخت معادل برای سیکل های هماهنگ تبدیل شد که با تجهیزات بارگذاری موجود در آن زمان، اعمال این سیکل های هماهنگ ساده تر بود. این تبدیل مستلزم در نظر گرفتن نسبتی انتخابی از شتاب بیشینه بود. ابه ین نحو که بتوان تاریخچه ی زمانی نامنظم تنش با بیشینه مقدار τ max,hv را معادل N سیکل هماهنگ تنش برشی معادل با بیشینه مقدار βτ max,hv در نظر گرفت (شکل 5-5).

منظور از “معادل” آن است که تاثیر تاریخه ی تنش نشان داده شده در شکل 5-4 بر روی توده ی خاک به لحاظ تولید اضافه فشار منفذی باید مشابه تنش معادل نشان داده شده در شکل 5-5 باشد. Whitman 1971 مقدار ضریب تبدیل تنش نامنظم به تنش یکنواخت معادل را برابر 0/67 فرض نمود؛ Seed and Idriss 1971 این مقدار را برابر 0/65 تخمین زدند. این محققان نسبت های مذکور را تا حد زیادی بر اساس قضاوت های به دست آمده از ارزیابی های آماری اولیه مرتبط با آزمون های آزمایشگاهی انتخاب کردند. Seed et al. 1975 این روابط را به صورت کاملتری مورد بررسی قرار دادند و مقدار 0/65 انتخابی توسط آنها، تا به امروز پا برجا مانده است. بنابراین می توان تنش برشی تناوبی یکنواخت معادل را طبق معادله 5-4 با دقت نسبتا مناسبی برابر 65 درصد تنش برشی بیشینه در نظر گرفت.

هنگامی که تنش برشی تناوبی یکنواخت معادل به وسیله ی تنش سربار موثر اولیه همپایه شود، نسبت تنش یکنواخت معادل CSReq به صورت رابطه 5-5 به دست می آید در شرایطی که اطمینان کافی از تراز آب زیرزمینی وجود ندارد، با توجه به نکات اشاره شده در فصل 3 و به منظور دستیابی به محافظه کارانه ترین حالت، می درتوان محاسبه ی تنشهای کل و موثر تراز آب را بر روی سطح زمین در نظر گرفت با توجه به آن که تعیین شتاب بیشینه ی افقی در سطح زمین به همراه ضریب کاهش شتاب در عمق از مهمترین مولفه ها در روش ساده شده می باشند، در دو بخش بعد با جزییات بیشتر به آنها پرداخته می شود.

آخرین پروژه ها

مطالب بیشتر