پدیده روانگرایی در لایه های ماسه سست اشباع رخ می دهد و آسیب های قابل توجهی به ساختمان های موجود وارد می کند. در چند دهه اخیر، نشست های علمی مهندسی ژئوتکنیک بر روش های مقابله با روانگرایی با استفاده از روش های مختلف بهسازی زمین و بر اساس اصول مختلف بهسازی تمرکز کرده اند. اختلاط عمیق خاک با الگوی شبکه ای در دهه 1990 برای مقابله با روانگرایی ایجاد شد که در آن وظیفه شبکه ای از ستون های موجود محدود کردن فشار آب منفذی اضافی ایجاد شده با محصور کردن ذرات خاک در هنگام زلزله است. در این نوشتار اثر بهسازی به روش ستون اختلاط عمیق خاک با الگوی شبکه ای بر نشست پی و تولید فشار آب حفره ای به صورت پارامتری، با استفاده از یک مدل عددی توسعه یافته در GiD + OpenSees مورد بررسی قرار گرفت. صحت سنجی نتایج مدل با مقایسه نتایج به دست آمده از مدل عددی با نتایج حاصل از یک مطالعه آزمایشگاهی آزمون سانتریفیوژ انجام گرفت. نتایج حاصل از مدلسازی اجزای محدود سه بعدی بیانگر کاهش 75 درصدی نشست برآورد شده پس از اعمال بهسازی نسبت به حالت بدون بهسازی است. همچنین نتایج نشان داد که ابعاد شبکه، قطر ستون ها و نسبت مدول برشی بین ستون های DSM و خاک محصور شده نقش حیاتی در وقوع روانگرایی و کرنش های حجمی دارد.
معرفی
در چند دهه اخیر، وقوع تعداد متعددی روانگرایی باعث تخریب چندین واحد مسکونی، صنعتی و مناطق تجاری در تمام نقاط جهان شده است (مثلا زلزله Kobe در سال 1995 و Christchurch در سال 2011). روانگرایی خاک اغلب در خاک های دانه ای سست اشباع (مانند ماسه) وقتی تحت حرکات شدید زمین قرار می گیرند مشاهده می شود. در چنین شرایطی، برهمکنش خاک و سیال باعث تولید فشار آب حفره ای می گردد و در نتیجه خاک مقاومت برشی خود را از دست می دهد و مانند یک سیال عمل می کند. انواع روش های مرسوم بهسازی جهت مقابله با روانگرایی، مانند روش ستون سنگی، پیش بارگذاری، زهکش های پیش ساخته عمودی و … مورد مطالعه و در عمل به طور گسترده استفاده گردیده است. در میان روش های متعارف در حال ظهور، اختلاط عمیق خاک با مواد سیمانی به دلیل سادگی، مقرون به صرفه بودن و پتانسیل قابل توجه در مقابله با روانگرایی توجه زیادی را به خود جلب کرده است.
هنگام استفاده از بهسازی زمین معمولا شبکه ای از دیوارهای DSM در زمین ایجاد می شود که خاک داخل شبکه را محصور می کند. با این کار کرنش های برشی ایجاد شده در توده خاک توسط دیواره سخت ستون های شبکه محدود شده و جابجایی خاک در محدوده بهسازی شده کاهش می یابد. اثربخشی شبکه های DSM در مقابله با پدیده روانگرایی با استفاده از مدل های فیزیکی درسانتریفیوژ و میزهای لرزه و نیز مدل های عددی توسط افراد زیر مورد مطالعه قرار گرفته است.
Suzuki و Tokimatsu در سال 1996 کارایی و عملکرد روش بهسازی خاک با استفاده از ستون های اختلاط عمیق بر کنترل نشست ساختمانی 14 طبقه در اثر زلزله سال 1995 Hyogo-ken Nanbu نشان دادند. همچنین شبکه ستون اختلاط عمیق در طی زلزله Kobe در سال 1995 عملکرد خوبی در ممانعت از تخریب پی شمع و سازه از خود نشان داد. (Hamada and Wakamatsu 1997)
مطالعات عددی به بررسی نحوه توزیع تنش و کرنش برشی در خاک روانگرای بهسازی شده با شبکه ای از ستون اختلاط عمیق با استفاده از آنالیز مدل اجزای محدود سه بعدی و الاستیک خطی در نرم افزار OpenSeesPL پرداخته اند.2013) (Elgamal et al. 2009; Neguen et al. 2012 and
Tsukuni و Namikawa در سال 2015 به منظور مطالعه کارایی روش بهسازی ستون اختلاط عمیق در جلوگیری از اثرات نامطلوب روانگرایی بر نشست و ایجاد فشار آب حفره ای، مطالعه ای عددی بر روی مدل سانتریفیوژ دینامیکی انجام شده در دانشگاه توکیو در سال 2013 انجام دادند. نتایج بیانگر عملکرد خوب شبکه ستون اختلاط عمیق در کنترل میزان نشست بود.
هاشمی‌نژاد و بهادری در سال ۲۰۱۹ با استفاده از مطالعه عددی به بررسی تاثیر ستون تک و مجموعه‌ای از ستونهای اختلاط عمیق بر کاهش نشست ناشی از روانگرایی در فونداسیون و جلوگیری از گسیختگی خاک پرداختند. مطالعه آنها به بررسی اثر قطر و طول ستون تک و فاصله مرکز به مرکز مجموعه ستون ها می پردازد. آنها همچنین در مطالعه خود اثر مشخصات پی مانند ضخامت، عرض و عمق مدفون را بررسی کردند. آنها نتیجه گرفتند که اگر فاصله مرکز به مرکز ستون های اختلاط عمیق در یک مجموعه ستون از حدی بیشتر گردد، مقدار فشار آب حفره ای به قدری زیاد می شود که ستون به صورت منفرد عمل می کند. آنها همچنین گزارش کردند که افزایش عرض پی منجر به کاهش ناگهانی فشار آب حفره ای اطراف ستون اختلاط عمیق می گردد.
در مطالعه حاضر، به منظور مطالعه تاثیر بهسازی زمین به روش اجرای ستون اختلاط عمیق در مقابله با روانگرایی و کنترل نشست پی، یک مدل اجزای محدود سه بعدی که قادر به در نظر گرفتن رفتار غیر خطی خاک است در GiD + OpenSees توسعه یافته است. صحت سنجی مدل عددی توسط نتایج مطالعه تجربی سانتریفیوژ انجام شده توسط Tsukuni و همکاران در سال 2013 انجام یافته است. این مطالعه به بررسی اثر متغیرهای دیوار مانند فواصل شبکه، قطر ستون اختلاط عمیق و نسبت مدول برشی بین ستون اختلاط عمیق و خاک محصور شده بر نشست پی و نسبت EPWP در سه لایه متمایز از لایه روانگرا می پردازد.
مشخصات آزمایش سانتریفیوژ
به منظور بررسی اثر شبکه ستون اختلاط عمیق بر نشست پی موجود روی خاک روانگرا Tsukuni و همکاران در سال 2013 یک آزمایش سانتریفیوژ دینامیکی انجام دادند. یک مدل فیزیکی با ابعاد 8/31×14×48 به منظور مطالعه رابطه بین فاصله شبکه ستون اختلاط عمیق و نشست پی ساخته شد. در مدل مذکور، لایه خاک روانگرا از ماسه Urayasu از شهر Uyarasu که در زلزله Tohoko سال 2011 در این شهر چندین مورد پدیده روانگرایی مشاهده گردیده بود، تهیه گردید.
مدل فیزیکی از دو لایه خاک روانگرا به ضخامت 8 و 4 متر بر روی یک لایه شنی غیر روانگرا به ضخامت 2 متر تشکیل شده است که سرعت موج برشی در آن بزرگتر از 400 متر بر ثانیه است. دانسیته نسبی ماسه Uyarasu تا عمق 8 متری برابر 50% و از عمق 8 تا 12 متری برابر 70% درصد است که متناظر با مقادیر نفوذ استاندارد 5 و 10 می باشد. مشخصات خاک شامل منحنی دانه بندی و متغیرها در ادامه آورده شده است. درصد ریزدانه ماسه Uyarasu مورد استفاده در آزمایش سانتریفیوژ برابر 25% است. سطح آب زیرزمینی در عمق 1 متری از سطح خاک قرار دارد و مدل توسط روغن سیلیکنی به عنوان سیال اشباع شده است.
شکل 1 منحنی دانه بندی خاک ماسه Uyarasu
جدول ۱متغیرهای لایه های خاک
شکل زیر مقطعی از مدل شبکه ستون بهسازی شده را نمایش می دهد که درون هر شبکه (با ابعاد ۱۳×۱۶) یک عدد سازه وجود دارد.
شکل ۲ مقطع مدل سانتریفیوژ برای مدل با شبکه ۱۳×۱۶
در جدول زیر پلان و مقطع مورد استفاده در دو مطالعه موردی نشان داده شده است. در حالت اول ابعاد شبکه ۱۳×۳۲ بوده و درون هر شبکه ستون اختلاط عمیق ۲ عدد سازه وجود دارد. در در حالت دوم ابعاد شبکه ۱۳×۱۶ بوده و درون هر شبکه ستون اختلاط عمیق ۱ عدد سازه وجود دارد. نسبت بهسازی در حالت اول برابر ۷/۱۸% و در حالت دوم ۱/۲۱% است. ابعاد سازه موجود در جهت حرکت زلزله برابر ۸ متر و در جهت عمود بر آن برابر ۱۱ متر است. سازه ها به اندازه ۲ متر از همدیگر فاصله داشته و فاصله سازه تا دیواره بهسازی شده با روش ستون اختلاط عمیق برابر ۱ متر است.
جدول ۲نمای بالا و مقطع مدل های سانتریفیوژ در مطالعه موردی شماره یک و دو
شبکه ستون اختلاط عمیق توسط آکریلیک به ضخامت ۹۰ سانتیمتر ایجاد شده است. مدول الاستیسیته ستون اختلاط عمیق برابر ۱۰۳× ۴۷/۱ و مقاومت مشخصه ستون اختلاط عمیق برابر ۵/۱ مگاپاسکال است.
مدل با شتاب 60g در دستگاه سانتریفیوژ چرخانده شده و به کف مدل زلزله به بزرگای 9 (زلزله سال 2011 توهوکو) و حداکثر شتاب زمین برابر 0.16g اعمال شده است. لرزه اصلی به مدت 2 دقیقه طول کشید. این شرایط باعث بروز روانگرایی در خاک ماسه ای سست می گردد.
مدلسازی عددی و صحت سنجی
مدلسازی سه بعدی توسط نرم افزار GiD + OpenSees گردید. برای تمامی مصالح مدل رفتاری وابسته به فشار و دارای چند سطح گسیختگی به نام PDMY که توسط Yang در سال 2000 ارائه گردید مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشست مربوط به حرکت زلزله به طول 200 ثانیه هم در مدل فیزیکی و هم در مدل عددی برای سه حالت مختلف بدون بهسازی، بهسازی با شبکه ستون اختلاط عمیق 13×32 و بهسازی با شبکه ستون اختلاط عمیق 13×16 اندازه گیری شد و در شکل زیر ارائه شده است.
شکل ۳ نشست ایجاد شده در حالت بدون بهسازی و بهسازی شده بر حسب زمان
نتایج مدلسازی عددی نشان می دهد که تطابق خوبی میان نتایج با مقادیر اندازه‌گیری شده در مدل فیزیکی وجود دارد. مقدار نشست محاسبه شده در حالت بدون بهسازی با شبکه ستون اختلاط عمیق توسط مدل عددی برابر ۶۸ میلیمتر است که در آزمایش فیزیکی ۵/۸۳ میلیمتر اندازه گیری شده است. همچنین مقدار نشست محاسبه شده در حالت بهسازی با شبکه ستون اختلاط عمیق با ابعاد ۱۳×۳۲ برابر ۳۷ میلیمتر است که مقدار اندازه گیری شده در مدل فیزیکی ۴۵ میلیمتر می باشد. مقدار نشست در حالت بهسازی با شبکه ستون اختلاط عمیق با ابعاد ۱۳×۱۶ نیز ۱۷ میلیمتر است که در مدل فیزیکی ۲۱ میلیمتر اندازه گیری شده است. نتایج حاکی از کاهش ۷۵% مقدار نشست در صورت استفاده از ستون اختلاط عمیق با شبکه ۱۳×۱۶ نسبت به حالت بدون بهسازی است.
مطالعه پارامتری
به منظور بررسی تاثیر متغیرهایی مانند ابعاد شبکه، قطر ستون اختلاط عمیق و نسبت مدول برشی ستون اختلاط عمیق و خاک محصور بر فشار آب حفره ای ایجاد شده و نشست خاک مطالعه پارامتری انجام گردید.
بررسی اثر ابعاد شبکه ستون اختلاط عمیق
به منظور بررسی اثر فاصله شبکه ستون ها بر میزان فشار آب حفره ای و نشست، سه شبکه به ابعاد ۱۳×۳۲، ۱۳×۱۶ و ۱۳×۱۰ به ترتیب با نسبت بهسازی ۷/۱۸، ۱/۲۱ و ۱/۲۴ درصد مطابق جدول زیر مورد بررسی قرار گرفت.
جدول ۳مقدار سیمان مصرفی در واحد حجم برای شبکه ها با ابعاد مختلف
همانگونه که در شکل های زیر مشاهده می گردد با کوچکتر شدن ابعاد شبکه ستون اختلاط عمیق میزان حداکثر نشست رخ داده در خاک کاهش پیدا می کند. همچنین فشار آب حفره ای نیز با کاهش ابعاد شبکه کاهش پیدا می کند. این موضوع به دلیل افزایش سختی و مقاومت برشی خاک محصور اتفاق می افتد. از نتایج می توان استنباط کرد که فاصله بین شبکه ستون اختلاط عمیق بر فشار آب حفره ای و ظرفیت باربری پی تاثیرگذار است. همچنین نتایج نشان می دهد در شبکه با ابعاد کوچکتر در هیچ عمقی روانگرایی رخ نمی دهد ولی در ۲ شبکه دیگر در اعماق پایینی تقریبا خاک روانگرا می گردد. البته این موضوع با نشست زیادی در خاک همراه نبوده و حداکثر میزان نشست در شبکه ۱۳×۳۲ برابر ۳۳ میلیمتر بوده که می تواند در محدوده مجاز قرار گیرد.
شکل ۴ حداکثر نشست ایجاد شده بر حسب سطح مساحت شبکه
شکل ۵ مقدار فشار آب حفره ای ایجاد شده بر حسب عمق در شبکه با ابعاد مختلف
بررسی اثر قطر ستون اختلاط عمیق
به منظور بررسی اثر قطر ستون اختلاط عمیق بر میزان نشست و فشار آب حفره ای ایجاد شده برای شبکه ستون اختلاط عمیق با ابعاد ۱۳×۱۶ تحلیل دینامیکی با قطر ستون ۷۰، ۸۰، ۹۰ و ۱۰۰ سانتیمتر انجام گردید. مقدار فشار آب حفره ای در اعماق ۲، ۷ و ۱۲ متر اندازه گیری شد. مطابق شکل های زیر مشاهده می گردد که با افزایش قطر ستون اختلاط عمیق میزان حداکثر نشست و فشار آب حفره ای ایجاد شده در خاک کاهش پیدا می کند. با افزایش قطر ستون از یک حدی بیشتر اثر افزایش قطر بر کاهش مقدار نشست کاهش پیدا کرده و عملا دیگر تاثیری ندارد و افزایش قطر از ۹۰ سانتیمتر به ۱۰۰ سانتیمتر تاثیر چندانی بر کاهش نشست رخ داده ندارد.
شکل ۶ حداکثر نشست ایجاد شده بر حسب قطر ستون اختلاط عمیق
شکل ۷ مقدار فشار آب حفره ای ایجاد شده بر حسب عمق در قطرهای مختلف
نتایج حاکی از تاثیر کمتر قطر ستون اختلاط عمیق نسبت به ابعاد شبکه ستون اختلاط عمیق بر مقابله با پدیده روانگرایی است. برای مثال مطابق شکل های بالا در بیشترین قطر مورد استفاده نیز کماکان اعماق پایینی مدل تقریبا دچار روانگرایی می گردد و همچنین افزایش قطر از ۷۰ به ۱۰۰ سانتیمتر باعث کاهش ۵ میلیمتری در نشست حداکثر می گردد که در مقایسه با کاهش ۲۵ میلیمتری کاهش نشست هنگام کاهش ابعاد شبکه ناچیز به نظر می رسد.
بررسی اثر نسبت مدول برشی
در این قسمت به منظور بررسی تاثیر نسبت مدول برشی ستون اختلاط عمیق بر خاک چند نسبت مختلف مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش سانتریفیوژ با نسبت مدول برشی ۷۵/۳۸ انجام شد که مدول برشی خاک ماسه سست ۲۴ مگاپاسکال و مدول برشی ستون اختلاط عمیق برابر ۹۳۰ مگاپاسکال بود. در این قسمت علاوه بر نسبت موجود، سه نسبت مدول برشی دیگر به منظور بررسی اثر این متغیر بر نشست بررسی گردید. مقادیر مدول برشی ستون اختلاط عمیق برابر ۵۰۰، ۶۰۰ و ۱۲۴۸ مگاپاسکال انتخاب شد که با توجه به مدول برشی خاک برابر با ۲۴ مگاپاسکال به ترتیب نسبت مدول برشی ۸/۲۰، ۲۵ و ۵۲ به دست می آید. قطر ستون ۹۰ سانتیمتر و ابعاد شبکه ۱۳×۱۶ انتخاب گردید. تاثیر نسبت مدول برشی بر میزان نشست و فشار آب حفره ای ایجاد شده در اعماق ۲،۷ و ۱۲ متر مورد ارزیابی قرار گرفت. مطابق شکل های زیر با افزایش نسبت مدول برشی میزان نشست و فشار آب حفره ای کاهش پیدا می کند. با افزایش سختی ستون های اختلاط عمیق بخش بیشتری از تنش برشی توسط ستون اختلاط عمیق جذب شده و باعث کاهش فشار آب ایجاد شده و نشست می گردد. نتایج نشان می دهد که افزایش نسبت مدول برشی به شدت در مقدار کاهش نشست پی موثر بوده و با ۳۴% افزایش در نسبت مدول برشی مقدار حداکثر نشست پی ۳۶% کاهش پیدا می کند (افزایش مدول برشی ستون اختلاط عمیق از ۹۳۰ به ۱۲۵۰ مگاپاسکال) که این موضوع با افزایش حجم و کیفیت سیمان مصرفی قابل دستیابی است.
شکل ۸ حداکثر نشست ایجاد شده بر حسب نسبت مدول برشی ستون اختلاط عمیق به خاک
شکل ۹ مقدار فشار آب حفره ای ایجاد شده بر حسب نسبت مدول برشی ستون اختلاط عمیق به خاک
نتیجه‌گیری
در این مقاله مطالعه عددی جامعی به منظور بررسی تاثیر متغیرهای مختلف بر عملکرد بهسازی زمین به روش اجرای شبکه ستون اختلاط عمیق انجام شد. این مطالعه توسط مدلسازی عددی با استفاده از GiD + OpenSees انجام گردید. مطالعه عددی با استفاده از نتایج مربوط به یک مدل فیزیکی آزمایش سانتریفیوژ صحت سنجی گردید سپس به بررسی اثر فواصل شبکه ستون اختلاط عمیق، قطر ستون اختلاط عمیق و نسبت مدول برشی ستون اختلاط عمیق خاک به مدول برشی خاک محصور بر میزان نشست فونداسیون و فشار آب حفره ای ایجاد شده در اعماق مختلف پرداخته شد. مشاهده گردید که بهسازی توسط اجرای شبکه ستون اختلاط عمیق عملکرد موثری در مقابله با خطر روانگرایی پی های سطحی با کاهش نشست پی و محدود کردن فشار آب حفره ای ایجاد شده دارا است. نتایج بررسی نشان داد به علت مقاومت در برابر جابجایی افقی که توسط محصورشدگی خاک توسط ستون های اختلاط عمیق ایجاد شده است، میزان نشست پی کاهش و فشار آب حفره ای ایجاد شده کنترل می گردد. همچنین نتایج این بررسی نشان داد که بهسازی با استفاده از شبکه ستون اختلاط عمیق همواره نمی تواند از وقوع روانگرایی جلوگیری کند اما در کنترل میزان نشست فونداسیون به شدت موثر است. برای مثال بر خلاف اینکه نسبت EPWP برای شبکه با ابعاد 13×32 در عمق 12 متری خاک برابر 86/0 است (که می تواند به عنوان سطح خطر برای وقوع روانگرایی تلقی گردد) نشست فونداسیون کنترل گردید. علاوه بر این، ابعاد شبکه کوچکتر باعث کنترل بهتر نشست و فشار آب حفره ای اضافی تولید شده می گردد به نحوی که کوچک‌ترین ابعاد شبکه مورد بررسی (شبکه 13×10) مقدار نشست و فشار آب حفره ای اضافی تولید شده را کاملا کنترل می کند. مطابق انتظار افزایش قطر ستون اختلاط عمیق، میزان نشست و فشار آب حفره ای اضافی تولید شده را کاهش می دهد. نتایج حاکی از کاهش تدریجی میزان نشست با افزایش قطر ستون اختلاط عمیق است طوری که با افزایش قطر از 70 به 80 سانتیمتر کاهش قابل ملاحظه ای در میزان نشست رخ می دهد ولی با افزایش قطر از 90 به 100 سانتیمتر کاهش ناچیزی در میزان نشست مشاهده می گردد. افزایش نسبت مدول برشی نیز در کاهش نشست و کنترل فشار آب حفره ای ایجاد شده موثر است. افزایش مدول برشی ستون اختلاط عمیق با افزایش کیفیت و حجم سیمان مصرفی قابل دستیابی است.
منبع:
Rahmani, Fereshteh, et al. “Effect of grid-form deep soil mixing on the liquefaction-induced foundation settlement, using numerical approach.” Arabian Journal of Geosciences ۱۵.۱۲ (۲۰۲۲): ۱۱۱۲.