روانگرایی (Liquefaction) چیست؟

روانگرایی (Liquefaction) چیست؟

هر گاه ارتعاشات یا فشار آب درون توده ی خاک باعث شود که ذرات خاک تماسشان را با یکدیگر از دست بدهند، روانگرایی اتفاق می افتد. در نتیجه خاک به مانند یک مایع رفتار می کند، در تحمل وزن ناتوان شده و می تواند بر روی شیب های بسیار ملایم روان شود. این شرایط معمولا موقت بوده و اغلب در اثر وقوع زمینلرزه در خاکریزهای اشباع از آب یا خاک های غیر چسبنده (unconsolidated soil) اتفاق می افتد.


 

 

شرایطی باعث ایجاد روانگرایی می شود:

روانگرایی اغلب در اثر محیا شدن سه شرط زیر حادث می شود:

١.     رسوبات یا خاکریزهای دانه ای و سست

٢.     اشباع شده بوسیله ی آب زیرزمینی

٣.     لرزش نیرومند

 

روانگرایی خاک و پدیده های مرتبط با آن در زلزله های سالیان گذشته صدمات زیادی را در سراسر جهان وارد کرده اند.روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد. آب موجود بین ذرات خاک فشاری را به ذرات خاک وارد می کند که این فشار سبب می شود ذرات خاک بطور محکم بهم فشرده شوند. پیش از زلزله فشار آب نسبتآ کم است اما با وقوع لرزش زلزله فشار آب افزایش یافته بطوریکه ذرات خاک بسرعت در کنارهم شروع به حرکت می کنند. هرچند اغلب لرزش زمین سبب افزایش فشار آب منفذی می گردد اما فعالیت های مرتبط ساختمانی همانند انفجار یا آبگیری مخازن و بطور کلی تغییر در تنش ارتجاعی زمین از طریق بارگذاری و باربرداری نیز می تواند سبب روانگرایی در خاک گردد.

 

 

 

همچنین خاک روان شده پشت دیوارهای حائل می تواند سبب نشست و تخریب دیوار حائل گردد.چنانچه افزایش فشار آب منفذی در پشت سدها نیز میتواند سبب زمین لغزش و شکستن سدها گردد. روانگرایی خاک در بسیاری از زلزله های سالیان گذشته مشاهده شده است. به عنوان نمونه می توان به زلزله های آلاسکا (Alaska,USA,1964)، نیگاتا (Niigata,Japan,1964) ، لوماپرییتا (Loma Prieta,USA,1989) و کوبه (Kobe,Japan,1995) اشاره کرد.

بدلیل اینکه روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد این پدیده معمولا در مناطق نزدیک آب همانند رودخانه ها،دریاچه ها ،خلیج هاو اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد. اثرات این پدیده عمده در مناطق نزدیک به آب شامل لغزش عمده خاک بسمت ساحل و فرونشست آن همانند دریاچه مرسید(Lake Merced) در ۱۹۵۷ و یا حرکت زمین و ایجاد ترک در ساحل دریا در اثر تنش اضافی همانند رودخانه موتاگوا (Motagua River) در زلزله ۱۹۷۶ گواتمالا می شود. صدمه به دیوارهای نگهدارنده بنادر و باراندازها با ایجاد فشار به خاک پشت آنها و هل دادن آن به سمت آب از دیگر صدماتی است که روانگرایی در مناطق نزدیک سواحل ایجاد می کند بطوریکه در زلزله ۱۹۹۵ کوبه ژاپن روانگرایی خاک صدمه اصلی را به امکانات و تجهیزات بندر کوبه وارد کرد.


 

پدیده های مشابه روانگرایی خاک  
اصطلاح روانگرایی خاک معمولا برای معرفی تعدادی از پدیده های مشابه نیز بکار میرود. زیرا این پدیده ها اثراتی مشابه دارند و همین مسئله تشخیص آنها را از هم مشکل کرده است .این پدیده های مرتبط عموما به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:     

جریان روانگرایی (flow liquefaction)      
پدیده ای است که در آن تعادل استاتیکی خاکهای رسوبی با مقاومت پسماند در اثر بارهای استاتیکی یا دینامیکی بهم می خورد. مقاومت پسماند مقاومت خاک روان شده است.برای مثال بار استاتیکی می تواند در اثر ساختمان جدیدی که روی شیب ساخته شده است سبب واردآمدن نیروی اضافی به خاک زیر پی گردد. زلزله ها ، انفجارات و شمع کوبی مثالهایی از بارهای دینامیکی هستند که می توانند موجب جریان روانگرایی شوند. همچنین یکبار که پدیده روانگرایی در خاک روی داد، خاک مستعد وقوع جریان روانگرایی است. بطوریکه خاک مقاومت کافی را برای تحمل تنشهای استاتیکی همانند پیش از ناآرامی ندارد.

روانی مجدد (cyclic mobility)       
این پدیده در اثر بارگذاری تکراری در خاکهای رسوبی با تنشهای برشی استاتیکی کمتر از مقاومت خاک روی می دهد. تغییر شکلهای ناشی از روانی دوره ای بطور افزایشی بدلیل تنشهای استاتیکی و دینامیکی در هنگام زلزله گسترش می یابد.         
یکی از نتایج روانی دوره ای پخش جانبی (Lateral spreading) خاک روی نواحی کم شیب و صاف کنار دریاها و رودخانه است. زلزله سال ۱۹۷۶ گواتمالا سبب پخش جانبی خاک در سراسر کناره رودخانه مونتگوا شد. در زمین های صاف بدلیل فشار آب منفذی بالا ایجاد شده در اثر پدیده روانگرایی سبب جریان سریع آب در سطح زمین می گردد. این جریان هم در جریان زلزله و هم بعد از آن اتفاق می افتد. اگر جریان آب منفذی به اندازه کافی و به سرعت بالا بیاید سبب حرکت ذرات ماسه به سمت ترکها و روی دادن پدیده جوشش ماسه می گردد. این پدیده بیشتر در مناطقی که تحت تاثیر پدیده روانگرایی قرارگرفته اند روی می دهد.

 

روانگرایی در زمینلرزه رودبار

در اثر وقوع زمینلرزه رودبار در ٣١ خردادماه سال ١٣۶٩ در برخی نقاط پدیده ی روانگرایی خساراتی را به بار آورد. این پدیده موجب خسارات فراوانی در مناطق آستانه، رودبنه، کوچصفهان و لشت نشاء شد. خرابی منبع آب شهر آستانه و بالا آمدن آب همراه با ماسه در چاههای اطراف این منطقه و خرابیهای ایجاد شده در خانه‌های این شهر بر اثر پدیده روانگرایی بوده است. نمونه‌ای از این خرابیها در آستانه همراه با جوشش ماسه بوده است. خرابیها اکثراً ناشی از نشت نامتساوی و بعضاً بر اثر ناپایداری پی ایجاد شده است. در ابتدای جاده آستانه ـ رودبنه بر اثر پدیده روانگرایی کانالهای آبرسانی کاملاً جابجا و در هم ریخته شده و موجب وارد آمدن خسارات زیادی به این کانالها شد. خاک سطحی موجود در محل ماسه همراه با مقداری شن و قلوه سنگ بود. مشخص نبود که آیا شن و قلوه سنگ سطحی بوده و لایه‌های زیرین که روانگونگی در آن اتفاق افتاده از ماسه ریز تشکیل شده است، یا این پدیده در خاکی متشکل از ماسه، شن و قلوه سنگ اتفاق افتاده است. در همین حوالی و در راستای جاده بازشدگیهایی به ضخامت ٢٠ تا ٣٠ سانتیمتر و عمق یکی دو متر قابل مشاهده است. ترک خوردگی در سطح جاده و در محور طولی آن و نیز ایجاد پستی و بلندی در سطح جاده و در محور طولی آن و نیز ایجاد پستی و بلندی در سطح جاده مشاهده شد. به فاصله ۴ کیلومتری آستانه، روانگرایی خاک به خانه‌ها و مزارع چورکوچان صدماتی زده بود.



 

مشاهدات پس از زلزله در این منطقه به شرح زیر گزارش شده است:
١- خانه‌های مسکونی حدود نیم متر در خاک فرورفته و نشست کرده است. این نشست در ساختمانهایی که دیوارهای باربر و کف سازی آن از سطح زمین شروع شده موجب خرابی در کف سازی و دیوارها شده و ساختمانها را اکثراً از حیز انتفاع خارج نموده است . در صورتیکه در ساختمانهای متداول روستائی منطقه که بر روی پایه‌های آجری یا چوبی ساخته شده و به نحو مناسبی در زیر کلاف بندی شده است و خود سازه از مصالح چوبی ساخته شده است، نشست موجب ترک خوردگی و خرابی ساختمان نشده است.

٢-  سطح آب در چاهها حدود ٢ متر بالا آمده و حفاظ چاهها تا عمق ١ تا ١/۵ متری از سطح زمین از ماسه پر شده است. بنا به اظهار ساکنین این خانه‌ها به هنگام زلزله و مدتی پس از آن آب همراه با ماسه از لبه چاهها سرازیر بوده است. در حال حاضر سطح آب در عمق ۴٠ سانتیمتری از سطح زمین می‌باشد.

٣- آثار جوشش ماسه (Sand boil)، در مجاورت و زیر ساختمانها و مزارع برنج قابل مشاهده است.
۴-
بازشدگی در نقاط مختلف به موازات جاده و عمود بر آن، اطراف سازه‌ها و در میان مزارع دیده می شود. این بازشدگی‌ها تا عمق ١ تا ٢ متری ادامه داشتند.

۵- بالا و پایین رفتن سطوح از جمله قسمت‌های مختلف مزارع که بعضی نشست کرده و برخی برآمده است.
۶- کانالها و لوله‌های زیر گذر اکثراً تخریب شده‌اند.       
٧- نوع خاک موجود در منطقه ماسه ریز همراه با مقدار کمی لای می‌باشد.    
٨- یک کارخانه شالی کوبی در قریه چورکوچان حدود ۶٠ سانتیمتر نشست کرده و اطراف این کارخانه شیارهایی به وجود آمده است. این کارخانه که دارای سقف شیبدار متکی بر دیوارهای جانبی و ستونها میانی است به دلیل محکم بودن پی‌ها تقریباً بصورت یکپارچه عمل کرده و سقف بر روی ستونها باقی مانده است ولی دیوارهای اطراف اکثراً آسیب دیده‌اند. همچنین کف سازی این کارخانه تخریب شده است. در این جا نیز پدیده روانگرایی مسبب اصلی این خرابی‌هاست.

٩- سطح جاده دچار پستی و بلندیهای متعدد شده است.      
  


شاید بتوان مرکز پدیده روانگرایی را رودبنه دانست. ابعاد خرابیها و بازشدگیهای سطح زمین، نشست ساختمانها و غیره در این منطقه بسیار وسیع‌تر از آستانه و چورکوچان است. ساختمانهای یک طبقه تا حدود ١ متر و یا بیشتر نشست کرده‌اند. بعضی از ساختمانها دچار نشست نامتساوی شده و به یک سو تمایل دارند. سطح آب چند متر بالا آمده و چاهها نیز پر از ماسه شده‌اند. بازشدگیهای زمین پهنایی تا حد یک متر و بیشتر دارند و این بازشدگی‌ها چندین کیلومتر ادامه دارند. خرابی در دبستان دولتی شهید مطهری رودبنه، پرشدگی آب در محوطه این مدرسه بازشدگی کنار جاده ایجاد شده است. نقاط پست را آب فرا گرفته، از جمله این موارد زمین فوتبال رودبنه است که به استخری بزرگ و کم عمق تبدیل شده است. بر اثر روانگرایی خاک درختان بسیاری کج شده و یا سرنگون شده‌اند. در مسیر رودبنه به سمت ساحل نیز موارد مشابه بازشدگی سطح زمین به موازات جاده و در مجاورت روسازی راه به پهنای حدود ٠/۵ متر و عمق حدود ٢ متر و کج شدگی درختان مشاهده می‌شود. این بازشدگی‌ها مسلماً ناشی از دوگانگی در سختی و مقاومت جاده و خاک مجاور آن و در نتیجه دوگانگی در عکس العمل جاده و خاک مجاور آن در برابر پدیده روانگونگی خاک زیرشان است.

لازم به تذکر است که در بسیاری از موارد این بازشدگی‌ها توسط ماسه‌های ریز اشباع پر شده‌اند که خود مبین این نظریه است. در سه کیلومتری آستانه در راه آستانه به کیاشهر ترک خوردگیهایی به موازات جاده و پستی و بلندی در سطح جاده مشاهده می‌شود. در این راستا در طولی حدود ۴ کیلومتر لوله‌های آبرسانی آستانه ـ کیاشهر که در عمق حدود ١/۵ متری از سطح زمین مدفون بودند. در مفاصل از یکدیگر جدا شده و حدود ٣٠ تا ۴٠ سانتیمتر در جهت شرقی ـ‌ غربی (عمود بر محور طولی لوله‌ها) و بعضاً حدود ٢٠ سانتیمتر در جهت شمالی ـ جنوبی (در جهت طولی لوله‌ها) حرکت افقی انجام شده است. حداکثر تغییر مکان قائم در مفاصل بین لوله‌ها ۴٠ سانتیمتر گزارش شده است.   در محدوده ناصر کیاده از توابع لاهیجان پدیده روانگرائی به واحدهای مسکونی آسیب رسانده است. حدود ۵٠ واحد مسکونی غیر قابل سکونت شده‌اند که از این تعداد، برخی به کلی فرو ریخته‌اند. آب همراه ماسه از چاهها فوران کرده و ترکهایی در سطح زمین بوجود آمده که از ماسه پر شده است. انبارهای برنج که بصورت سنتی و عمدتاً از پایه‌های چوبی ساخته شده‌اند اکثراً سالم مانده‌اند. در این میان انبار برنجی که بر روی پایه‌های چوبی به ارتفاع حدود ١/۵ متر و پی سازی مناسب قرار گرفته و سالم مانده در کنار یک واحد ساخته شده از بلوک و سیمان که به کلی فرور ریخته جلب توجه می‌نماید.

در برخی از نقاط کوچصفهان تا آستانه و لشت نشا پدیده روانگرایی سبب ویرانی‌هایی شده است در رشت آباد شرایط عمومی اثرات روانگرایی نظیر نقاط دیگر است. فوران آب در هنگام وقوع زمین لرزه مشاهده شده و ظاهراً سطح آب قبل از زلزله در عمق 6 متری بوده است. در این محل نیز سازه‌هایی دچار خرابی شده‌اند. پدیده دیگر قابل توجه مربوط به چاه آب لولمان است. بنا به اظهار مسئول این چاه و منبع مربوطه، سطح آب در این چاه قبل از زلزله بر اثر پمپاژ و به هنگام آن تا عمق ٢۴ متری می‌رسیده است (البته این عمق تا حدی مشکوک است). در حال حاضر در صورتی که پمپاژ آب قطع شود پس از چند دقیقه آب بصورت آرتزین از چاه خارج می‌شود. در رودبارکی (کنار جاده کوچصفهان ـ لشت نشا) نیز اثرات پدیده روانگرایی مشاهده می‌شود. بیرون آمدن آب همراه با ماسه از چاهها و ترکهای ایجاد شده در سطح زمین مشاهده شده است و به واحدهای مسکونی لطماتی وارد کرده است.

 


  
در بخش کوچکی از لشت نشا (شمال جاده عبوری از وسط لشت نشا) نیز اثرات پدیده روانگرایی دیده می‌شود. این پدیده سبب ویرانی برخی از خانه‌ها و غیر قابل سکونت شدن برخی دیگر گشته است و به تأسیسات زیرزمینی به ویژه لوله‌های آب آسیب رسیده و ساختمانها نشست نامتقارن نموده‌اند. تغییرات سطح آب زیرزمینی، پرشدن برخی از چاهها از ماسه و موارد مشاهده شده در نقاط دیگر در این منطقه نیز کم و بیش دیده می‌شود. 
  
پدیده روانگرایی در نصیر محله از توابع فومن نیز بصورت محدود و در عمق بیشتر مشاهده گردید، لکن خرابی و گستردگی در این محل در مقایسه با خرابیها و گستردگی آن در حوالی آستانه بسیار ناچیز بود.   
  

ترجمه و گردآوری: سید مجید میرکاظمیان

منابع:

-          سایت ژئولوژی دات کام

-          سایت عمران ایران

-          سایت پایگاه ملی داده های علوم زمین

   + سید مجید میر کاظمیان - ۱۱:٥٢ ‎ق.ظ ; چهارشنبه ٢٤ فروردین ۱۳٩٠