مبانی زمین شناسی مهندسی

ریشه لغوی
زمین شناسی مهندسی از دو کلمه Engineering به معنی مهندسی و Geology به معنی زمین شناسی گرفته شده است.
دید کلی
زمین شناسی مهندسی ضمن بررسی تاثیر «محیط زمین شناسی» بر سازه‌های مهندسی یا زمین شناسی مهندسی ، راه‌حلهای مناسبی جهت کاهش یا برطرف نمودن خطرات احتمالی ارائه می‌دهد. باید توجه داشت که محیط زمین شناسی اطراف یک سازه به دو صورت با آن در ارتباط است. یکی توسط مصالح زمین شناسی ، یعنی سنگ ، خاک و آب ، دیگری فرآیندها و مخاطرات زمین شناسی مثل سیل ، زمین لرزه ، حرکات دامنه‌ای و مانند آن. برخی از مولفین زمین شناسی مهندسی را سهوا به جای «ژئوتکنیک» به کار می‌برند. بطور کلی زمین شناسی مهندسی به توسط روشهای اکتشافی متنوع تاثیر محیط زمین شناسی اطراف را بر سازه مهندسی یا پروژه عمرانی تعیین می کند. همچنین نقش احداث سازه را در تحریک و تغییر رفتار زمین مشخص می سازد.

تاریخچه و سیر تحولی
 از قرنها پیش معماران و سازندگان بناها بر این نکته معترف بودند که برای جلوگیری از نشست، کج شدن یا فرو ریختن ساختمانشان محتاج آگاهی از شرایط زمین هستند. البته ساختمانهای قدیمی همواره با توجه به تجربیات سازنده بنا و اغلب به روش آزمون و خطا احداث می‌شد. در سال 1776 و زمانی که «کولن» برای اولین بار تئوریهای مربوط به فشار زمین را ارائه داد، استفاده از روشهای تحلیلی در بررسی زمین آغاز شد.

بررسی‌های کولن بر روی دیواره‌های حائل نشان داد که وقتی دیوار حائلی کج می‌شود، گوه‌ای از خاک ناپایدار در پشت آن ایجاد می‌گردد که یک طرف آن ، دیوار و سمت دیگر آن یک سطح گسیختگی است. کولن فشار اولیه وارده به دیوار را به وزن گوه و مقاومت برشی در امتداد سطح برش ، که برحسب اصطکاک داخلی بیان نمود، مربوط کرد. در سال 1871 «اتو مور» فرضیه‌ای عمودی برای مقاومت مصالح زمین شناسی در برابر گسیختگی ارائه داد.



* سالها گذشت تا آنکه «ترزاقی» مکانیک خاک را به صورت شاخه‌ای از مهندسی عمران مطرح نمود. دانش مکانیک خاک با اولین کنفرانس بین المللی در مورد مکانیک خاک و مهندسی پی که در سال 1936 میلادی در دانشگاه هاروارد آمریکا برگزار شد، در سطح جهانی تثبیت گردید.

* از سالهای دور مهندسان و زمین شناسان مفاهیم مربوط به رفتار مکانیکی سنگها را در معدن‌کاری و صنعت نفت به کار می‌گرفتند، ولی این رشته تا اوایل دهه 60 میلادی مخصوصا تا سال 1996 که اولین کنفرانس بین المللی مکانیک سنگ در شهر لیسبون پرتغال برگزار شد، هنوز به طور رسمی به عنوان شاخه‌ای از دانش مهندسی به حساب نمی‌آمد.

* واژه «ژئوتکنیک» اولین بار در سال 1948 میلادی توسط انستیتوی مهندسان ساختمان بریتانیا به کار گرفته شد و به تدریج مفهوم آن غنای بیشتری یافت، تا اینکه در سال 1974 «مهندسی ژئوتکنیک» به عنوان رشته‌ای خاص توسط انجمن مهندسان ساختمان ایالات متحده امریکا نیز به رسمیت شناخته شد. امروزه واژه ژئوتکنیک به مفهوم مجموعه‌ای مشتمل بر سه دانش مکانیک خاک ، مکانیک سنگ و زمین شناسی مهندسی به کار گرفته می‌شود.


مفاهیم کلیدی زمین شناسی مهندسی
زمین و سازه‌های مهندسی :
سازه‌های مهندسی صرفنظر از آن که ما آن را مجموعا «محیط شناسی» می‌نامیم ، تاثیر می‌پذیرند. شاید بتوان عناصر تشکیل دهنده محیط زمین شناسی را به نحو زیر به چهار جز مختلف تقسیم کرد:


* «فرآیندهای زمین شناسی» ، چون فرسایش ، رسوب گذاری ، زمین لرزه و آتشفشان
* «ساختمانهای زمین شناسی» ، چون لایه بندی ، گسلها ، کوه یا دره یک رود
* «مواد زمین شناسی» ، چون سنگ و خاک و آب و هوا
* «زمان» ، که همه چیز در ارتباط با آن در تغییر دائم است.

مواد و مصالح زمین شناسی از دیدگاه مهندسی
مواد جامد و طبیعی تشکیل دهنده ، بخشهای خارجی زمین را به دو گروه اصلی سنگ و خاک تقسیم می‌کنند.


* سنگ :
از نقطه نظر زمین شناسی ، سنگ به موادی از پوسته زمین اطلاق می‌شود که از یک یا چند کانی که با یکدیگر پیوند یافته‌اند، درست شده است.

* خاک :
خاک توده‌ای از ذرات یا دانه‌های منفصل یا دارای پیوند سست است که بر اثر هوازدگی سنگ بطور بر جا تشکیل شده است درجه سخت و سنگ شدگی خاک ناچیز تا صفر بوده و در بسیاری موارد حاوی مواد آلی است و گیاهان می‌توانند بر روی آن رشد کنند.

* ژئودینامیک :
یکی از وظایف مهم زمین شناسی مهندسی تشخیص احتمال وقوع فرآیندهای ژئودینامیکی ، مثل سیل و زمین لرزه ، که شاید بتوان آنها را «بلایای زمین شناسی» نیز نامید، قادرند ضمن ایجاد تلفات جانی ، خسارات جبران ناپذیری نیز به سازه مهندسی وارد آورند. مهندسانی که در پروژه‌های عمرانی و ساختمانی فعالیت دارند، باید از شرایط طبیعی که منجر به بروز این مشکلات می‌شود، آگاهی داشته باشند، تا به این وسیله بتوانند احتمال رخداد هر یک از آنها را در محدوده سازه مورد نظر برآورد نمایند.



نقش زمین شناسی مهندسی و مسئولیت‌های حرفه‌ای
زمین شناسی مهندسی واقعیت‌های علمی مشاهده شده یا اندازه گیری شده را که سرشت فیزیکی یگانه پوسته زمین را توصیف می‌کند به صورت اطلاعات زمین شناسی در می‌آورد و این اطلاعات را بر تشخیص مرز محدودیت‌های مهم فیزیکی که می‌تواند در طراحی ، ساخت و نگهداری هر پروژه مهندسی موثر باشد به دانسته‌های مهندسی تبدیل می‌کند. زمین شناسی مهندسی با ایفای این نقش ویژگیهای زمین شناختی محل اجرای پروژه را که در صورت داشتن شرایط نامطلوب سبب افزایش هزینه و در صورت داشتن شرایط مطلوب سبب کاهش هزینه خواهند شد، مشخص می‌کند. بدین ترتیب زمین شناسی مهندسی را می‌توان صاحب حرفه‌ای دو سویه نگر در نظر گرفت که از یک سو فرآیندهای زمین شناسی را در نظر دارد و از طرفی محصولات مهندسی مورد نظر اوست. بطورکلی مسئولیت‌های حرفه‌ای او را بصورت زیر می‌توان خلاصه کرد:


* توصیف محیط زمین شناختی مربوط به پروژه مهندسی
* توصیف مواد زمین ، توزیع آنها ، و ویژگیهای فیزیکی- شیمیایی آنها
* استنتاج پیشینه رویدادهای موثر در زمین مواد
* پیش بینی رویدادهای آتی و شرایطی که می‌تواند ایجاد شود.
* توصیه مواد معرف برای نمونه برداری و آزمون
* توصیه نحوه‌های کار و عمل با مواد و فرآیندهای گوناگون زمین ، توصیه یا ارائه معیارهای طراحی استخراج بخصوص در مورد زاویه شیبهای برش در موادی که آزمون مهندسی آنها نامناسب بوده است، یا در جاهایی که عناصر زمین شناسی عامل کنترل پایداری هستند.
* وارسی حین کار ساختمانی برای تحقیق شرایط.

مقاله کامل فرسایش خاك

یكی از مشكلاتی كه بشر از آغاز زراعت بر روی زمین با آن مواجه بوده، فرسایش سریع خاكها می باشد.  فرسایش خاك هنوز هم در آمریكا و بسیاری از مناطق حاره ای و نیمه خشك دنیا از معضلات به شمار می رود و در كشورهایی كه آب و هوای معتدل دارند _ از جمله انگلستان، بلژیك و آلمان _ به عنوان یكی از مسایل خطرناك تلقی می شود. این مشكل در ایران كه بخش وسیع آن را كویر ها در بر گرفته اند و خاك از پوشش مناسبی برخوردار نیست بسیار بارز و چشمگیر است.

جلوگیری از فرسایش خاك كه در واقع معنی آن كاهش میزان تلفات است، به حدی كه سرعت فرسایش تقریبا برابر سرعت طبیعی تلفات خاك گردد، بستگی به انتخاب استراتژیهای مناسب در حفاظت خاك دارد.  این امر مستلزم شناخت تمامی فرایند های فرسایش است.  اثر فرسایش تنها به مناطقی كه خاك سطحی آن توسط باد و آب از بین رفته و سنگ مادر یا خاك زیر در معرض دید قرار گرفته و سطح زمین توسط آب بریدگیها چاك چاك شده است مربوط نمی شود، بلكه مناطق پایین باد و كف دره ها را كه در آن سطح زمین پوشیده از نهشته های شن و ماسه بوده و كانالها و نهر هایی كه از رسوب پر شده اند  را نیز در بر می گیرد. شدت فرسایش در زمانها و مكان های مختلف متغیر است.  رسوباتی كه در اثر یك واقعه آب و هوایی معین ایجاد می شود به شرایط توپوگرافی، نوع خاك و نحوه استفاده از زمین بستگی دارد و این امر موجب تغییرات موضعی فرسایش می شود. از آنجایی كه آب و هوا مركب از مجموعه  وقایعی با شدت های مختلف است در نتیجه مهمترین عامل در تغییرات زمانی كوتاه مدت فرسایش را می توان آب و هوا به شمار آورد. در هر حال خصوصیت های اقلیمی، بخصوص مقدار بارندگی، شدت بارندگی و سرعت باد در جاهای مختلف متغیر است.  از این گذشته تغییرات زمانی درازمدت نیز ممكن استدر فرسایش اتفاق افتد. بنابراین، نقش متقابل تغییرات زمانی و مكانی فرسایش تا حد زیادی پیچیده است.  علی رغم بهم پیوستگی این دو بهتر است آنها را به طور مجزا مورد بررسی قرار دهیم.  

فرسایش

فرسایش كه به آلمانی Abtrage و به فرانسه و انگلیسی Erosion گفته می شود، از كلمهلاتینگرفته شده و عبارت است از فرسودگی و از بین رفتن مداوم خاك سطح زمین ( انتقال یا حركت آن از نقطه ای به نقطه دیگر در سطح زمین ) توسط آب یا باد. از آغاز پیدایش كره زمین، باد و باران قشر سطحی آن را شسته یا از جا كنده و اجزای آن را از نقطه ای به نقطه دیگر حمل كرده است.  به این تریتب بستر نهرها، مخروط افكنه ها و دلتای رودخانه ها بعضی از چاله ها و خلاصه تپه های شنی به وجود آورده و در نتیجه سطح زمین تدریجا دچار تغییر شكل شده است.  فقط در سایه حمایت پوشش نباتی ( درختان یا سایر گیاهان انبوه ) بوده كه فرسایش بسیار كند شده و تعادلی در تشكیل و فرسایش خاك ایجاد گردیده است.  این تعادل مساعد كه تحت تأثیر شرایط طبیعی حكمروا شده بود، از زمانی كه بشر زمین را به منظور تهیه محصول و بدست آوردنغذا و دیگر مایحتاج خود، مورد كشت و زرع قرار داد یا از آن به عنوان مرتع استفاده كرد، بر هم خورد و زمینها در معرض فرسایش شدید و سریع قرار گرفت.   Erodere

بنابراین، فرسایش قبل از آن كه زمین مورد بهره برداری انسان قرار گیرد نیز اتفاق می افتاده ( فرسایش طبیعی ) ولی از وقتی كه انسان در آن به كشت و زرع، دامداری و غیره مشغول شده، باعث فرسایش بیش از حد ( فرسایش سریع و شدید ) خاك شده است.  انسان، ابتدا به فرسایش خاك و مسایل ناشی از آن توجهی نداشته است ولی افزایش سریع جمعیت و همچنین عدم توجه به بهره برداری صحیح از زمین، سبب شد كه انسان در روی دامنه های پرشیب و ارتفاعات زیاد نیز كشت و زرع كند و برای سیر كردن احشام خود، مراتع را هم بیش از حد و بی موقع مورد چرا قرار دهد.  این عملیات او سبب شد كه خاك مقاومت خود را از دست بدهد و بر اثر باران های شدید و آبیاری بی رویه و بادهای تند، بشدت فرسایش یابد، به طوری كه زمین بر اثر فرسایش، در بسیاری از موارد حاصلخیزی خود را از دست داده یا بكلی ویران شد.  این وضع سبب شد كه انسان متوجه شود كه چگونه با اعمال بی رویه خود موجب فرسایش و نابودی خاك شده است.  فرسایش خاك، با اینكه در آغاز كمتر احساس می شود، ولی با گذشت زمان اهمیت تخریبی آن بحدی زیاد می شود كه ممكن است پس از چندین سال مثلاً در دوره یك نسل كه سی سال فرض شود، خاكی به عمق حدود 30 سانتیمتر از سطح زمین معدوم گردد.  جبران خاك فرسایش یافته، برای طبیعت بویژه در مناطق خشك كه شرایط برای تشكیل خاك بسیار نامساعد می باشد بسیار دشوار و طولانی است.  از این رو بخصوص ساكنان مناطقخشك باید در حفظ و جلوگیری از فرسایش آن سعی و همت بیشتری مبذول دارند زیرا به طورطبیعی در این مناطق، هم فرسایش شدید تر است و هم همان طور كه ذكر شد، امكانتشكیل خاك كمتر می باشد.  

طبق محاسباتی كه صورت گرفته است، به طور كلی برای تشكیل یك سانتیمتر خاك 500 تا800سال زمان لازم است، و اگر حساب كنیم كه خاك زراعتی 25 سانتیمتر عمق داشته باشد پس این ضخامت خاك، طی 20 هزار سال كار مداوم طبیعت بوجود آمده است.  

با از دست رفتن این خاك به وسیله یك عامل مخرب نظیر سیل یا بی مبالاتی زارع و غیره بهصورت فرسایش، در حقیقت زحمت چندین هزار ساله طبیعت برای بشر هدر می رود و تازههزاران سال دیگر هم وقت لازم است، تا شاید خاك از دست رفته، جبران گردد.  علت عمده اختلافاتی كه از نظر فرسایش بین نقاط خشك و مرطوب وجود دارد، پوشش گیاهی زیاد در نقاط مرطوب است كه نقش عمده ای در حفظ خاك ایفا می نماید.  

در مناطق جنگلی و نقاطی كه نباتات مرتعی سطح خاك را پوشانیده اند عوامل فرسایش كمتر تأثیر می كند.  در این مناطق، آبهای باران و برف توسط گیاهان در زمین نگهداری می شود.  نباتات با حفظ آب و نفوذ دادن آن در خاك، مانع جاری شدن آب در سطح زمین، و در نتیجه مانع از فرسایش خاك می گردند.  پوشش گیاهی، خاك را در مقابل فرسایش بادی نیز حفظ می كند.  

تغییرات مكانی

مطالعاتی كه در زمینه رابطه تلفات خاك و آب و هوا در مقیاس جهانی انجام شده است، نشان می دهد كه فرسایش در جاهایی به حداكثر خود می رسد كه میانگین بارندگی موثر سالانه آن 300 میلی متر باشد.  منظور از بارندگی موثر مقدار بارانی است كه در شرایط مشخص درجه حرارت بتواند مقدار معینی رواناب ایجاد نماید.  در وضعیتی كه مقدار بارندگی كمتر از 300 میلی متر باشد با افزوده شدن بارندگی، فرسایش نیز افزایش می یابد. البته افزایش بارندگی باعث بهتر شدن پوشش گیاهی نیز می شود و این خود سطح خاك را بهتر محافظت می كند.  اما در وضعیتی كه مقدار بارندگی سالانه بیشتر از 300 میلی متر باشد، نقش حفاظتی پوشش گیاهی بر عوامل فرسایش فزونی گرفته، در نتیجه با افزوده شدن بارندگی میزان تلفات خاك كاهش پیدا می كند.  شاهد هایی نیز در دست است، كه اگر نزولات جوی افزایش یابد، بارندگی و رواناب ناشی از آن ممكن است به حدی زیاد باشد كه خود باعث افزایش تلفات خاك گردد.  در 20 ساله اخیر اطلاعات زیادی در زمینه بار رسوب در رودخانه ها جمع آوری شده است.  هر چند این داده ها به دلیل اشكالات فنی در اندازه گیری بار بستر و كمبود اندازه گیریهای املاح محلول آب بیشتر مربوط به مواد معلق می باشد ولی از نظر شناخت معقول الگوی فرسایش آبی در دنیا به خوبی می توان از آنها استفاده كرد.  عمده ترین نتیجه ای كه از این شناخت حاصل شده، آن است كه مناطق نیمه خشك و نیمه مرطوب دنیا بخصوص در چین، هندوستان، غرب آمریكا، روسیه مركزی و نواحی مدیترانه ای ، سخت در معرض فرسایش قرار دارند.  مشكل فرسایش خاك در این مناطق همراه با نیاز شدید به حفاظت آب و موضوع حساس بودن شرایط اكولوژیكی محیط است.  به طوری كه حذف پوشش گیاهی، چه به صورت چرای دام و چه به صورت برداشت محصول، باعث كاهش سریع مواد آلی شده كه خراب شدن خاك و خطر كویری شدن را در پی خواهد داشت.  

از دیگر مناطقی كه با فرسایش شدید روبرو می شوند نواحی كوهستانی مانند آند، هیمالایا قره قوم، بخشی از كوههای راكی، بریدگیهای دره ای آفریقا و مناطق پوشیده از خاكهایآتشفشانی، مانند جاوه، جزیره جنوبی نیوزلند، گینه جدید پایو و قسمتهایی از آمریكای مركزی را می توان نام برد.  

سومین مناطق دنیا كه با خطر فرسایش روبرو بوده، مناطقی هستند كه در آنها شكل زمین و خاك نتیجه اقلیمهای گذشته است.  هر چند این زمینها در حال حاضر ظاهرا پایدار به نظر می رسند ولی كوچكترین كار تخریبی این پایداری را از بین می برد.  باتلر از روی اصول چینه شناسی و كاربرد آن در لایه میانی خاك در دشتها و تپه ماهورهای جنوب شرقی استرالیا شاهدهایی را پیدا كرد كه دلالت بر وجود دوره های ثبات، كه در آن خاك روی زمین تشكیل شده است، و دوره های عدم ثبات، كه در آن خاك فرسایش یافته و یا در آن محل رسوب گذاری شده است، دارد.  از جایی كه فرسایش با شدت زیاد صورت گرفته است و آثار آن امروزه به صورت خندقهایی در حوالی كانبرا یا فرسایش بادی در گندمزارهای سوان هیل در ویكتوریا مشاهده می شود ولی احتمالا این فرسایش، كه نتیجه تغییر شدید در آب و هوا بوده است، قبل از اسكان گرفتن انسان در این نواحی به وقوع پیوسته است.  در تحلیل داده های فرسایش باید دقت كافی به عمل آید.  زیرا سرعت فرسایش بستگی به وسعت منطقه مورد مطالعه نیز دارد.  قسمتی از رسوبات جداشده از تپه ها، خاكریزها، و یا خاكبرداریها، همراه با آب، راهی رودخانه ها می شوند.  اما بخشی از آنها در طول مسیر در دامنه تپه ها و یا دشت ها بجا مانده و موقتا در آن جا ذخیره می شوند.  چون حوضه های بزرگ، نسبتا، زمینهای بیشتری را كه مناسب رسوب گذاری است دارند، لذا میزان فرسایش در واحد سطح در حوضه های كوچك زیاد تر بوده و با افزایش وسعت حوضه از مقدار آن كاسته می شود.  نسبتی از مقدار خاك فرسایش شده كه بصورت رسوب وارد رودخانهمی شود به نام نسبت انتقال رسوب نامیده میشود.  متاسفانه در این مورد مطالعات زیادی انجام نشده است، زیرا غالبا فقط مقدار تولید رسوب مورد نظر بوده است حال آنكه نسبتحمل رسوب بسته به وسعت حوضه بین 3 تا 90 درصد متغیر است.  

تغییرات زمانی

اكثر ژئومورفولیستها معتقدند كه قسمت عمده فرسایش در اثر وقایعی صورت می گیرد كهشدت و فراوانی وقوع آنها متوسط است، زیرا وقایع بسیار شدید بقدری دیر اتفاق می افتند كه نقش آنها در فرسایش خاك در یك دوره زمانی معین عملا ناچیز است.  مفهوم فراوانی " وقوع _ مقدار " توسط ولمن و میلر در مطالعات حمل رسوب رودخانه به كار برده شده است.  این پژوهشگران دریافتند كه عامل اصلی رسوب، بارانهایی است كه شدت آنها از شدت وقایعی كه بالاترین فراوانی را دارند بیشتر است.  

علاوه بر تغییرات فرسایش به دلیل مقدار و فراوانی وقوع بارشها، شدت فرسایش دارای نوسانات فصلی می باشد.   این موضوع را از نحوه اثر رژیم  بارندگی در فصلهای خشك و مرطوب می توان بخوبی درك كرد.  پوشش گیاهی با كمی تاخیر چرخه ای مشابه بارندگی را دنبال می كند.  حساس ترین زمان از نظر فرسایش اوایل فصل مرطوب است.  كه در آن بارندگی زیاد ولی پوشش گیاهی كه بتواند خاك را محافظت كند فقیر است.  بنابراین نقطه اوج فرسایش نسبت به نقطه اوج بارندگیها زودتر اتفاق می افتد.  در مورد زمین های زراعتی و در شرایطی كه رژیم بارندگی نامشخص باشد الگوی تغییرات فصلی فرسایش نیز كم و بیش پیچیده خواهد بود.  معمولاً اگر فاصله بین شخم تا سبز كردن گیاه مواجه با بارندگی ها یا باد شدید باشد، خطر فرسایش افزایش می یابد.  لذا در اروپا و از جمله انگلستان بهار را می توان فصل حداكثر فرسایش به شمار آورد.  نوع بهره وری زمین و فرسایش با یكدیگر رابطه نزدیك دارند.  در صورتی كه از زمین استفاده نامعقول به عمل آید میزان فرسایش به شدت افزایش می یابد.  در چنین شرایطی اثرات وقایع ژیومورفولوژیكی متوسط و شدید بسیار خطرناك خواهد بود.  در هر حال از تحلیل های تاریخی و ژئومورفولوژیكی چنین نتیجه گیری می شود كه فرسایش یك فرایند طبیعی است و اگر انسان از زمین استفاده نامعقول به عمل آورد میزاان آن افزایش می یابد.  لذا در فرسایش خاك هم جنبه های محیطی طبیعی دخالت دارد و هم جنبه های فرهنگی.

انواع فرسایش

الف - تقسیم بندی انواع فرسایش بر اساس انواع عوامل فرسایشی در طبیعت دونیرو، یا دو عامل وجود دارد كه باعث جابجایی خاك یا به عبارت دیگر فرسایش خاك می شود ؛ آب و باد.  بنابراین عامل فرسایش یا آب است یا باد.  ولی امكان دارد كه به علل مختلف از جمله فقر یا عدم پوشش گیاهی، شیب تند، ریزدانه یا یكنواخت بودن خاكدانه ها و غیره، خاك به وسیله باد یا آب بشدت فرسایش یابد و اشكال مختلف فرسایش مانند سطحی، شیاری، خندقی و غیره را بوجود بیاورد.  

ب - تقسیم بندی انواع فرسایش بر اساس تأثیر طبیعت و دخالت انسان قبلا بطور اختصار توضیح دادیم كه فرسایش از آغاز پیدایش كره زمین و قبل از پیدایش بشر اتفاق می افتاده است، ولی از وقتی كه انسان زمینها را مورد كشت و زرع و بهره برداری قرار داده است، با اعمال بی رویه خود، موجب برهم زدن تعادل طبیعت ( از آن جمله، تشكیل خاك به مقدار كم ولی فرسایش خاك به مقدار زیاد ) و در نتیجه باعث فرسایش شدید خاك شده، به حدی كه در بسیاری از نقاط، آن را به ویرانی كشانیده است.  

بنابراین فرسایش را از این نظر كه به طور طبیعی صورت گرفته یا انسان در آن دخالتی داشته است نیز می توان بر دو نوع تقسیم كرد ؛ فرسایش طبیعی یا بطنی و فرسایش سریع یا مخربفرسایش طبیعی یا بطنی كه فرسایش عادی هم نامیده می شود پیوسته در طبیعت بهوسیله آب و باد صورت گرفته و می گیرد و نتیجه تأثیر قوه ثقل، سرازیری دامنه ها، جریان آبسطحی در روی زمین، وجود نهرها و رودها و یخچالها و غیره است.  عمل این نوع فرسایش كند و هماهنگ با تولید خاك است.  

فرسایش سریع یا مخرب همانطور كه ذكر شد نتیجه تأثیر اعمال بشر است.  فرسایش ناشی از اعمال انسان باعث كاهش حاصلخیزی خاك و حتی نابودی آن شده است.  انسان آنچنان باعث فرسایش سریع و شدید و در نتیجه كاهش حاصلخیزی و نابودی خاك شده است كه امروزه وقتی صحبت از فرسایش و راههای مبارزه با آن می شود بیشتر منظور همین فرسایش سریع یا فرسایش ناشی از دخالت انسان است.  

مراحل مختلف فرسایش

فرسایش خاك چه توسط باد صورت بگیرد و چه توسط آب، خواه عادی باشد یا سریع، دارای سه مرحله است ؛

الف - مرحله كنده شدن خاك از جای خود : در این مرحله، ابتدا خاكدانه ها بر اثر از بین رفتن هوموس و كلوییدهای خاك چسبندگی خود را از دست می دهد و از هم می پاشد، در نتیجه خاك آماده فرسایش می گردد.  در چنین وضعی، خاك سطح الارض كه حاصلخیزترین قسمت خاك است، به طور ناگهانی با تدریج به وسیله آب یا باد از جای خود كنده می شود.  پس از فرسایش خاك رویی، خاك غیر حاصلخیز زیری یا سنگ مادر آن ظاهر می گردد.  

ب - مرحله حمل یا انتقال خاك به وسیله آب یا باد : چون ذرات چسبندگی خود را از دست داده است نمی تواند در مقابله جریان های شدید آب ها یا بادهای تند مقاومت كند، درنتیجه از جای خود كنده می شود و به نقطه دیگری منتقل می شود. در مورد فرسایش آبی معمولاً مواد از منطقه مرتفع تر به محل پست تر منتقل می شود.  

ج - مرحله تجمع و انباشته شدن مواد : بادرفتها ( موادی كه توسط باد حمل می شود ) هر جا به مانعی ( گیاه، دیوار، سنگ و غیره ) برخورد كند  فورا بر روی زمین می افتد.  و در همانجا بر روی هم انباشته می شود. این مواد در شرایط فوق العاده تشكیل تپه های بزرگ و حتی توده های عظیم شنی یا ماسه ای شبیه كوه را می دهد، مانند توده های عظیم ماسه ای جنوب شرقی  ایران كه با ارتفاع حدود 200 متر سطحی به طور متوسط 162 كیلومتر در 52 كیلومتر را اشغال كرده است.  آبرفتها ( رسوباتی كه توسط آب حمل می شود ) بتدریج كه از شدت جریان آب و شیب زمین كاسته می شود از حركت باز می ماند و در سطح زمین رسوب می كند.  ( ابتدا ذرات درشت تر و بعد ذرات ریزتر ) در بعضی موارد تجمع مواد آبرفتی بقدری زیاد است كه یك طبقه رسوبی قابل توجهی  را تشكیل می دهد.  همان طور كه قبلا هم ذكر شد فرسایش موجب تخریب و نابودی خاك می شود ولی نباید فراموش كرد كه بسیاری از خاكهای خوب كشاورزی هم رسوبات حاصل از فرسایش است.  و بدیهی است كه برای تشكیل یك چنین رسوبات حاصلخیز، باید خاك هكتارها  زمین كه چندین برابر سطح تشكیل شده می باشد نابود شود.  

اشكال مختلف فرسایش

شكل ظاهری فرسایش آبی با شكل ظاهری فرسایش بادی فرق دارد.  بعلاوه فرسایش آبی یابادی خود بر اثر شدت و ضعف عوامل فرسایشی و مساعد بودن یا نامساعد بودن شرایطمحیطی برای فرسایش به اشكال مختلف در می آید.  روی همین اصول است كه در نقاط مختلفودر شرایط متفاوت، زمین به درجات مختلف و به اشكال مختلف فرسایش یافته است. الف - فرسایش سطحی یا سفره ای : عمل عامل فرسایشی در این فرسایش، در تمام سطح زمین است.  این شكل فرسایش بیشتر منشأ بادی دارد ولی طبیعی است كه فرسایش آبی نیز ابتدا به طور سطحی اتفاق می افتد كه به علت فرسایش یكنواخت در تمام سطح، كمترمحسوس می گردد.  این نوع تخریب با ظهور لكه های سفید و روشن در سطح نمودار می شودكه نشان دهنده تخریب و از بین رفتن سطحی ترین قسمت زمین آن هم به صورت لكه لكهاست.  اختلاف رنگ بین قسمت های فرسایش یافته و فرسایش نیافته علامت این تخریب استزیرا قسمت رویی به علت دارا بودن مواد آلی، غالبا تیره رنگ می باشد.  البته ظهور این لكه های روشن اغلب در نقاطی كه عاری از پوشش گیاهی است یا در نواحی كه تازه شخم زده شده است بیشتر دیده می شود.  در كشور ما این شكل فرسایش بادی در كلیه نواحی بیابانی بویژه دشت لوت و حواشی دشت كویر جلگه سیستان و بلوچستان مشاهده می شود.  علامت دیگر این شكل فرسایش وجود ریگ و سنگریزه های آزاد در سطح زمین است مانند سطح دشتهای سنگی ریگی.  در این نقاط باد ذرات ریز را برده و ذرات درشت تر باقی مانده است.  جمع شدن خاك نرم در پای بعضی از بوته ها و تجمع آن در محل های گود، علامت دیگری از این نوع فرسایش است.  

ب - فرسایش شیاری یا آبراهه ای : منشأ این شكل از فرسایش اغلب باران است و در پیدایش آن عامل شیب بسیار موثر است.  و در دامنه كوهها و حتی در سطح زمینهای كم شیب نیز بسهولت دیده می شود.  این شكل فرسایش، پیشرفته تر از فرسایش سفره ای بوده و ممكن است به صورت خطوط موازی نیز ظاهر شود كه ابتدا كم عمق است ولی به سرعت عمیق تر می شود. این شكل فرسایش تا زمانی كه سنگ مادر ظاهر نشده است به نام فرسایش شیاری خوانده می شود، فرسایش شیاری زمین های لخت، مراتع كم گیاه، اراضی و زمینهای مزروعی بویژه دیمزارها را بیشتر مورد حمله قرار می دهد.  این شكل از فرسایش در اغلب نقاط ایران به عنوان مثال در كوههای هزاردره و در راه لشكرك و كوهپایه های بختیاری در راه بین شوشتر و اهواز زیاد دیده می شود.  در نقاطی از نواحی بیابانی كه تحت تأثیر بادهای شدید قرار می گیرد فرسایش شیاری دیده می شود.  این شكل از فرسایش در اثر بهم پیوستن چاله های ریزی كه خاك آنها را باد برده است، بوجود می آید كه البته به وضوحی شیارهای آبی ، مشخص نیست.  

ج - فرسایش چاله ای : این شكل تخریب بیشتر منشا بادی دارد.  چاله ها در اثر توسعهفرسایش سطحی و بزرگتر شدن چاله های كوچك نخستین، بوجود می آید.  در بسیاری از نقاطدشت لوت و حواشی دشت كویر سطح های وسیعی از زمین دیده می شود كه بر اثر باد بهصورت چاله - چاله در آمده است.  این چاله ها نشان دهنده فرسایش بادی شدید در این نواحیاست. بادهای شدید، موادی را كه از كندن این چاله ها بدست می آورد، كیلومتر ها با خود میبرد.  این شكل فرسایش و انتقال ماسه از نقطه ای به نقطه دیگر نه تنها در ایران بلكه در سایر نواحی خشك و بیابانی جهان نیز دیده می شود.، به عنوان مثال ماسه های سرخ رنگ بیابانلیبی كه به سوی شمال تا سواحل ایتالیا حمل شده است.  

د - فرسایش خندقی یا نهری : منشأ این فرسایش، آب است.  در این فرسایش عمق و عرض زمینهای فرسایش یافته بیشتر از فرسایش شیاری است.  و بر اثر پیشرفت فرسایش شیاری بوجود می آید، به این نحو كه شیارها به هم می پیوندد و در نتیجه زمین بیشتر شسته می شود و نهرها یا خندق هایی در سطح زمین تشكیل می گردد.  در این تخریب سنگ مادر ظاهر می شود و آنقدر عمیق و عریض است كه گاو آهن قادر به عبور از آنها نیست.  عمق خندقها به یك متر یا بیشتر می رسد و بتدریج شكل آنها تغییر می كند.  این عمل در صخره های سست، خاكهای رسی، رسی آهكی  بیشتر دیده می شود.  و بیشتر در محدوده آب و هوای خشك و نواحی كه تغییرات درجه حرارت در فصول مختلف در آنجا شدید است ظاهر می گردد.  این شكل از فرسایش در اكثر نواحی ایران به عنوان مثال در اصفهان، شیراز، كوهپایه های استان خراسان دیده می شود.  بهترین نمونه های آن نواحی كویری و بیابانی ایران بخصوص در سطح كوههای لخت و گنبدهای نمكی مشاهده می گردد.  

ه - فرسایش سیلابی : فرسایش سیلابی یك تخریب ساده نیست.  در مناطق كوهستانی وحتی در زمینهای سست جلگه ای فرسایش شیاری و خندقی ممكن است به فرسایشسیلابی تبدیل گردد.  در این فرسایش جریان آب بویژه آبهای گل آلود، حامل ریگ و شن و غیره،موجب شسته شدن اطراف آن و حمل مواد بیشتر با خود می گردد.  با این عمل، زمین هایدیواره بستر، استحكام و قدرت خود را از دست می دهد و بتدریج در مواقع جاری شدنسیلابهای شدید حتی به طور ناگهانی ریزش می كند.  و امكان دارد كه موجب تخریب و ویرانیمزارع و دهاتی كه در جوار این مسیل ها واقع شده اند بشود.  با افزایش مواد خاكی در آب، وزنمخصوص آن بیشتر و قدرت و نیروی درهم كوبنده آن زیادتر می گردد.  در ایران این شكلفرسایش یبشتر در مواقعی كه آب بر اثر بارندگی ها افزایش می یابد، دیده می شود.  هر سالهبه اكثر رودخانه های ایران، براثر سیلابهای شدید خسارات زیادی وارد می آید.  این شكلفرسایش نه تنها در مناطق كوهستانی و تپه ماهورها زیاد دیده می شود بلكه در جلگه ها ودشتها هم امكان بوجود آمدن آن هست.  از آن جمله لاتها و كوچه ها را می توان نام برد.  لاتها وكوچه ها بیشتر بر اثر جاری شدن سیلابهای شدید در سطح زمینهای رسی و یا آهكی به طوركلی زمینهای ریزدانه بوجود می آید.  فرسایش سیلابی به عنوان مثال در جلگه ها و دشتهایورامین و گرمسار دیده می شود.  مانند لات سوداغلان، لات كردوان، لات شاهبداغ و...  درگرمسار.  و - فرسایش توده ای : این نوع فرسایش در روی زمین اغلب به شكل عوارض زمین كه معرف حركات خاك در گذشته است ظاهر می گردد. این حركات عبارتست از تورم و بالا آمدن خاك،سرخوردگی، خزیدن زمین و ریزش خاك.  در فرسایش توده ای قسمتی از خاك دامنه كوهها بهحركت در می آید كه یا ممكن است بر اثر اشباع شدن خاك طبقه رویی از آب و نفوذناپذیری خاكطبقه زیری، خاك رویی به حركت در می آید یا ممكن است بر اثر لغزش این عمل اتفاق بیفتد. بهاین معنی كه توده ای از كوه از محل اولیه خود جدا می شود و در محل دیگری قرار می گیرد یاممكن است در نتیجه ریزش باشد كه در این حالت قسمتی از كوه ریزش می كند و در سطحهای پایین تر روی هم انباشته می شود.  فرسایش بهمن نیز از این شكل فرسایش محسوبمی شود كه در مناطق كوهستانی بوقوع می پیوندد و علاوه بر این كه خسارات جانی و مالیزیادی ممكن است ببار بیاورد، باعث از بین رفتن خاك هم می شود.

 

مقاله کامل در مورد پی سازی

كلیات
 قبل از اقدام به پی سازی ساختمان باید اطمینان حاصل گردد كه در طرح و محاسبات نكات زیر رعایت شده باشد :
 الف – نشست زمین بر اثر تغییر سطح ایستایی
 ب – نشست زمین ناشی از حركت ولغزش كلی در زمینهای ناپایدار

 پ – نشست ناشی از ناپایداری زمین بر اثر گود برداری خاكهای مجاور و حفر چاه.  

 ت – نشست ناشی از ارتعاشات احتمالی كه از تاسیسات خود ساختمان با ابنیه مجاور آن ممكن است ایجاد شود.  

 تعیین تاب فشاری زمین :

 برای روشن كردن  وضع زمین در عمق، باید چاه های آزمایشی ایجاد گردد این چاهها باید به عمق لازم و به تعداد كافی احداث گردد و تغییرات نوع خاك طبقات مختلف زمین بلافاصله مورد مطالعه قرار گیرد و نمونه های كافی جهت بررسی دقیق به آزمایشگاه فرستاده شود.  برای بررسی و تعیین تاب فشاری زمین در مورد خاكهای چسبنده نمونه های دست نخورده جهت آزمایشگاه لازم تهیه می گردد و برای خاكهای غیر چسبنده آزمایشهای تعیین دانه بندی و تعیین وزن مخصوص خاك و آزمایش بوسیله دستگاه ضربه دار در مح لانجام می گیرد در حین گمانه زنی باید تعیین كرد كه آیا زمین محل ساختمان خاك دستی است یا طبیعی و تشخیص این امر حین عملیات خاكبرداری با مشاهده مواد متشكله جدا محل خاكبرداری و وجود سوراخها ومواد خارجی ( نظیر آجر، چوب، زباله و غیره ) مشخص می شود.   به منظور تعیین تاب مجاز زمین می توان از تجربیات محلی مشروط بر آن كه كافی بوده باشد استفاده كرد.  ابعاد پی ساختمانهای ساخته شده قرینه ای برای تعیین تاب مجاز زمین خواهد بود.   هنگامی كه نتایج  تجربی در دسترس نباشد و از طرف تعیین تاب مجاز زمین با توجه به اهمیت ساختمان مورد نیاز نباشد، می توان تاب مجاز را با تعیین نوع خاك توسط متخصص با استفاده از جدول شماره 2-19 ایران تعیین نمود.   قراردادن پی ساختمان روی خاكریزهایی كه دارای  مقدار قابل توجهی مواد رسی بوده ویا به خوبی متراكم نشده باشد صحیح نبوده و باید از آن خود داری كرد در صورتی كه پی سازی در این نوع زمین به عللی اجباری باشد، باید نوع و جنس زمین مورد مطالعه و آزمایش قرار گرفته و سپس نسبت به پی سازی متناسب با این نوع زمین اقدام گردد.  

 لغزش زمین :

از  احداث ساختمان روی شیبهای ناپایدار و همچنین زمینهای كه دارای لغزش كلی می باشند باید خود داری نمود، زیرا جلوگیری از لغزش این نوع زمینها تقریبا غیر ممكن است و این گونه زمینها غالبا با مطالعات زمین شناسی قابل تشخیص می باشند.  

 چنانچه احداث ساختمان در اینگونه زمینه ضرورت داشته باشد باید تدابیری لازم پیش بینی شود تا حركات لفزشی زمین موجب بروز خرابی در ساختمان نگردد.  

بتن و بتن آرمه

مصالح

 سیمان

 سیمان پرتلند مورد مصرف در بتن باید مطابق ویژگیهای استانداردهای زیر باشد :

 الف – سیمان پرتلند، قسمت دوم تعیین و یژگیها، شماره 389 ایران.  

  ب – سیمان پرتلند، قسمت دوم تعیین نرمی، شماره 390 ایران.  

پ – سیمان پرتلند قسمت سوم تعیین انبساط، شماره 391 ایران.  

ت – سیمان پرتلند، قسمت چهارم تعیین زمان گیرش، شماره 392 ایران.  

 ث – سیمان پرتلند، قسمت پنجم تعیین تاب فشاری و تاب خمشی شماره 393 ایران.  

ج سیمان پرتلند،قسمت سوم تعیین ییدارتاسیون، شماره 394 ایران

سیمان مصرفی باید فاسد نبوده ودركیسه های سالم  و یا  قمرنهای مخصوص سیمان تحویل و در سیلو  و یا محلی محفوظ از بارندگی و رطوبت نگهداری شود.  سیمانی كه بواسطه عدم دقت در نگهداری و یا هر علت دیگر فاسد شده باشد باید فورا از محوطه كارگاه خارج شود.   مدت سفت شدن سیمان پرتلند خالص در شرایط متعارف جوی باید از 45 دقیقه زودتر و سفت شدن نهایی آن از 12 ساعت دیرتر نباشد  در انبار كردن كیسه های سیمان  باید مراقبت شود كه كیسه های سیمان طبقات  تحتانی تحت فشار زیاد كیسه هایی كه روی آن قرار گرفته است واقع نشود در نقاط خشك قرار دادن كیسه ها روی یك دیگر نباید از رده ردیف و در نقاط مرطوب حداكثر از 4 ردیف بیشتر باشد.  محل نگهداری سیمان باید كاملاً خشك باشد تا رطوبت به آن نفوذ ننماید.  

شن و ماسه

شن و ماسه  باید از سنگهای سخت مانند گرانیت، سیلیس و غیره، باشد.  بكار بردن ماسه های شیستی یا آهكی سست ممنوع است.  ویژگیهای شن و ماسه مصرفی باید مطابق با استاندارد های زیر باشد :

 الف – استاندارد شن برای بتن وبتن مسلح شماره 302 ایران.  

ب – استاندارد مصالح سنگی ریز دانه برای بتن و بتن مسلح شماره 300 ایران.  

 مصالح سنگی بتن را می توان از شن وماسه طبیعی و رود خانه ای تهیه نمود.  به جز موارد زیر كه در آن صورت باید مصالح شكسته مصرف گردد :

در مواردی كه بكار بردن مصالح شكسته طبق نقشه و مشخصات و یا دستور دستگاه نظارت خواسته شده باشد.  

 هر گاه مصالح طبیعی و یا رودخانه ای طبق مشخصات نبود ه و یا مقاومت مورد نیاز را دارد.  

 در صورتی كه بتن از نوع مارك 350 و یا بالاتر باشد.  

چنانچه مخلوط دانه بندی شده با ویژگیهای استاندارد مطابقت نكند ولی بتن ساخته شده با آن دارای مشخصات مورد لزوم از قبیل تاب، وزن مخصوص و غیره باشد، دستگاه نظارت می تواند با مصرف بتن مزبور موافقت نماید.  

 شن و ماسه  باید تمیز بوده ودانه های آن پهن و نازك و یا دراز نباشد.  مقامت سنگهایی كه باری تهیه شن وماسه شكسته  مورد استفاده قرار می گیرند نباید دارای مقاومت فشار كمتر از 300  كیلوگرم بر سانیتمتر مربع باشد.  

 دانه بندی ماسه باید طبق اصول فنی باشد. ماسه ای كه برای كارهای بتن مسلح بكار می روند نود وپنج درصد آن باید از الك 76/4 میلیمتر عبور كند و تمام دانه های ماسه باید از سرندی كه قطر سوراخهای آن 5/9 میلیمتر است عبور نماید.  دانه بندی ماسه برای بتن و بتن مسلح باید طبق جدول (4 -1-2  الف ) باشد.  

 

جدول شماره ( 4-1-2 – الف )

اندازه الكهای استاندارد	درصد رد شده از الكهای استاندارد
9500 میگرن 4760 میگرن 2380 میگرن 1190 میگرن 595 میگرن 297 میگرن 149 میگرن	100 95 تا 100 80 تا 100 50 تا 85  25 تا 60 10 تا 30 2تا 10

 

 باقیمانده مصالح بین هر دو الك متوالی  جدول فوق نباید بیش از 45 درصد وزن كل نمونه باشد.  

حداكثر لای و ذرات ریز در ماسه نباید از مقادیر زیر تجاوز نماید :

 الف – در ماسه طبیعی و یا ماسه بدست آمده از شن طبیعی                    3% حجم

ب – در ماسه تهیه شده از سنگ شكسته                                  10% حجم

برای كنترل ارقام فوق باید آزمایش زیر در محل انجام گیرد :

 در یك استوانه شیشه ای مدرج به گنجایش 200 سانتیمتر مكعب مقدار 100 سانتیمتر مكعب ماسه ریخته و سپس آب تمیز به آن اضافه كنید تا مجموع حجم 150 سانتیمتر مكعب برسد، بعد آنرا بشدت تكان داده و برای سه ساعت  به حال خود باقی گذارید.  پس از سه ساعت ارتفاع ذرات ریز كه بر روی ماسه ته نشین شده و بخوبی از آن  متمایز است از روی درجات خوانده می شود و برحسب درصد ارتفاع ماسه در استوانه محاسبه می گردد درصد رس و لای ذرات ریز كه بدین ترتیب بدست می آید نباید از مقادیر مشخص شده در بالا تجاوز نماید.  

 مصرف شن و ماسه ای كه از خرد كردن سنگهای مرغوب و سخت در كارخانه بدست می آید  مشروط بر آنكه ابعاد دانه های  آنها در جدول دانه بندی فوق قرار گرفته باشند، نسبت به شن و ماسه طبیعی ارجحیت دارد.  

 شن وماسه بصورت حجمی و یا وزنی با پیمانه ها ویا ترازوهایی كه بدین منظور تهیه شده اند اندازه گیری می شوند.  مقدار شن و ماسه مصرفی در بتن جدولی كه بعدا خواهد آمد مشخص شده است.  

 ابعاد شن مصرفی برای بتن باید طوری باشد كه 90 درصد دانه های آن بر روی الك 76/4 میلیمتری باقی بماند.  دانه بندی شن نباید از حدود مشخص شده در جدول شماره ( 4-1-2- ب ) تجاوز نماید.  اندازه الك طبق استاندارد شماره 295 ایران خواهد بود.   انبار كردن شن و ماسه باید به نحوی باشد كه موارد خارجی  و زیان آور به آنها نفوذ نكنند.  مصالح سنگی باید بر حسب اندازه دانه ها تهیه و در محلهای مختلف انباشته شوند. مصالح درشت دانه ( شن ) باید حداقل در دو اندازه جداگانه تهیه و انباشته گردد.  مصالحی كه دانه بندی آنها حدودا  بین 76-4 تا 1/38 میلی متر است باید از مرز دانه های 05/19 میلیمتری و مصالحی كه دانه بندی آنها بین 76/4 تا 8/50 یا 5/64 میلیمتر است باید از مرز دانه های 4/25 میلیمتری به دو گروه تقسیم گردند.  

 آب

 آب مصرفی بتن باید تمیز و عاری از روغن و اسید و قلیایی ها واملاح و مواد قندی و آلی و یا مواد دیگر یكه برای بتن و فولاد زیانبخش است، باشد.  منبع تأمین آب باید به تایید دستگاه نظارت برسد.  آب مورد مصرف باید در مخازنی نگهداری شوند كه از آلودگی با مواد مضر محافظت گردد :

 حداكثر مقدار مواد خارجی موجود در آب بشرح زیر است :

 الف – حداكثر مواد اسیدی موجود در آب باید به اندازه ای باشد كه 10 میلیمتر مكعب سود سوز آور سی نرمال بتواند یك سانتیمتر مكعب آب را خنثی كند.  

 ب -   حداكثر مواد قلیایی موجود در آبباید به اندازه ای باشد كه 50 میلیمتر مكعب اسدی كلریدریك دسی نرمال  بتواند یك سانتیمتر مكعب آب را خنثی كند.  

 پ – درصد مواد موجود در آب نباید از مقادیر زیر تجاوز كند :

 مواد آلی – دو دهم در هزار

 مواد معدنی – سه در هزار

 مواد قلیایی – یك درهزار

 سولفاتها – نیم در هزا ر

در حالتی كه كیفیت آب مصرفی مورد تردید باشد در صورتی  می توان از آن استفاده نمود كه تاب فشاری بتن نمونه ساخته شده با این آب حداقل 90 درصد تاب فشاری بتن نمونه ساخته شده با آب مقطر باشد.  بطور كلی مصرف آبهای آشامیدنی تصفیه شده برای ساختن بتن بلامانع است. 

محافظت از پی، منشاء، پیشرفت و توسعه آن

در سال های اخیر، محافظت از پی به شكل فزاینده ای، تبدیل به یك تكنیك طراحی كاربردی در سازه ساختمان ها و پل ها در مناطقی كه در معرض زلزله قرار دارند، گشته است.  انواع گوناگونی از سازه ها با استفاده از این شیوه ساخته شده اند و بسیاری دیگر نیز در فاز طراحی قرار داشته و یا در حال ساخت هستند.  اغلب ساختمان های تكمیل شده و آنهایی كه در حال ساخت هستند، به شكلی از اسباب حفاظتی لاستیكی در سیستم های خود بهره می برند.

تفكر نهفته در پی مفهوم محافظت از پی، بسیار ساده است.  دو دسته سیستم حفاظتی وجود دارند.  سیستمی كه در سال های اخیر به شكل گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است دارای این مشخصه است كه در آن از اسباب الاستومری استفاده شده است، الاستومری كه از لاستیك طبیعی و یا نیوپرن ساخته شده است.  در این شیوه، ساختمان و یا سازه از مولفه های افقی زمین لرزه با استفاده از یك لایه واسط، كه دارای سختی افقی پایینی است و در بین سازه و پی قرار دارد، جدا می گردد. این لایه برای سازه یك بسامد بنیادی ایجاد می كند كه از بسامد پی پایین تر است و همچنین به مراتب از بسامد حاكم بر حركت زمین نیز كمتر است.  نخستین لرزه های ایستای اعمال شده به سازه جداسازی شده، تنها باعث دگردیسی سیستم جداسازی می گردند و سازه ای كه بر روی پی بنا گردیده است، از هر حیث محكم و استوار خواهد ماند. لرزه های دارای قدرت بیشتر كه باعث دگردیسی سازه می گردند، بر زاویه های موجود در وضعیت قبل و در نتیجه بر حركت زمین، عمود هستند. این لرزه های قوی تر بر حركت كلی ساختمان تأثیر گذار نیستند، چرا كه اگر انرژی بالایی در این بسامد های بالا در حركت زمین وجود دارد، این انرژی به سازه منتقل نمی گردد. سیستم محافظت از پی، انرژی موجود در زمین لرزه را جذب نمی كند ؛ بلكه آن را با استفاده از مكانیك حركتی سیستم، منحرف می نماید. این نوع محافظت از پی، تنها زمانی كه سیستم خطی است موثر واقع می گردد ؛ با این وجود، كاهش میزان لرزه به كاهش تشدیدهای احتمالی بوجود آمده در بسامد حفاظتی كمك خواهد كرد.

شكل دوم سیستم های حفاظتی، دارای این مشخصه هستند كه در آن از سیستم لغزش بهره برده شده است.  این امر با استفاده از محدود كردن انتقال لرزه هایی كه در امتداد سیستم حفاظتی قرار دارند، محقق می گردد.  تعداد بسیاری سیستم لغزشی تاكنون پیشنهاد گردیده اند و برخی از آنها نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. در چین، حداقل سه بنا وجود دارند كه در آنها از سیستم لغزشی ای استفاده می گردد كه در آن، از یك شن ویژه در داخل سیستم استفاده می گردد.  یك سیستم حفاظتی كه مبتنی بر یك صفحه از جنس سرب-برنز است كه بر روی فولاد ضد زنگ در مجاورت یك لایه الاستومتریك می لغزد، برای ساخت یك نیروگاه هسته ای در آفریقای جنوبی مورد استفاده قرار گرفته است.  سیستم آونگ اصطكاك، یك سیستم لغزشی است كه در آن از مواد واسط ویژه ای استفاده گشته است كه بر روی فولاد ضد زنگ می لغزند و برای ساخت پروژه های متعددی در آمریكا، هم پروژه های جدید و هم پروژه های بازسازی، مورد استفاده قرار گرفته اند.

تحقیقات در EERC

تحقیقات بر روی توسعه اسباب مبتنی بر لاستیك طبیعی برای سیستم های حفاظتی مورد استفاده در ساختمان ها برای مقابله با زمین لرزه، در سال 1976 در مركز تحقیقات مهندسی زلزله ( EERC )، كه اكنون به PEER  یعنی مركز تحقیقات مهندسی پاسیفیك مشهور است، در دانشگاه كالیفورنیا در بركلی آغاز گردید. برنامه تحقیقاتی اولیه، ثمره تلاش مشتركی از EERC  و اتحادیه تحقیقاتی تولید كنندگان لاستیك مالزی ( MRPRA  ) بود.  این برنامه توسط MRPRA  و از طریق اعطا تعدادی كمك هزینه در خلال چندین سال تحقیق، پشتیبانی مالی گردید كه بعدها توسط بنیاد ملی علوم و موسسه تحقیقات برق قدرت نیز، حمایت مالی شد.  استاد James M.  Kelly  این تحقیقات را كه با كمك های عملی و نظری فراوان دانشجویان كارشناسی ارشد و دكترا همراه بود، در EERC  رهبری نمود.

اگر چه این ایده در دوران خودش ایده كاملا بدیعی نبود – چرا كه پیش از آن، شیوه های مبتنی بر نورد و یا لغزنده ها پیشنهاد شده بودند – و لیكن مفهوم محافظت از پی، توسط بسیاری از صاحبنظران مهندسی سازه، غیر عملی ارزیابی شده بود.  این پروژه تحقیقاتی، با استفاده از مقداری اسباب آلات دست ساز از جنس لاستیك كه در یك مدل 20 تنی، تك منظوره و سه طبقه مورد استفاده قرار گرفته بود، آغاز گردید.  آزمایش های لرزه نگاری حاكی از آن بودند كه اسباب آلات حفاظتی، در مقایسه با طراحی های مرسوم، با ضریبی در حدود ده برابر منجر به كاهش لرزه می گشتند و همانگونه كه انتظار می رفت، مدل دارای ثبات بالایی بود و تمام دگردیسی صورت پذیرفته در مدل، در سیستم حفاظتی آن متمركز می گشت.  آشكار بود كه سیستم تا حدودی، نیاز به كاهش میزان لرزه داشت و مقیاس مدل هم برای این كه امكان استفاده عملی از تركیبات لاستیك فراهم شود، بسیار كوچك می نمود.

در سال 1978، نمود متقاعد كننده ای از مفهوم حفاظت با استفاده از یك مدل واقع گرایانه چند منظوره و پنج طبقه كه دارای وزنی بالغ بر 40 تن بود و با استفاده از اسباب كاهنده ای كه بر اساس تكنیك های تجاری ساخته شده بود، ارایه گردید.  توجه اصلی در خلال این تحقیقات كه در EERC  انجام پذیرفت، بر روی تأثیر این تكنیك بر روی واكنش تجهیزات و سازه بود كه اغلب زمانی كه از شیوه های مرسوم در طراحی های مقاوم در برابر زمین لرزه استفاده می شود، متحمل بیشترین میزان تخریب می گردند و در اكثر غریب به اتفاق ساختمان ها، دارای ارزش بیشتری حتی در مقایسه با خود سازه هم هستند. یك سری آزمایش های جامع بر روی اسكلت 5  طبقه، نشانگر این بود كه حفاظت با استفاده از اسباب لاستیكی می تواند منجر به كاهش قابل توجه لرزه هایی گردد كه بر روی تجهیزات داخلی تأثیر گذار است و میزان این كاهش حاصله، از كاهشی كه سازه موجب آن می گردد نیز، بیشتر است. با این وجود، همین آزمایش ها حاكی از این بودند كه زمانی كه عوامل اضافی ( از قبیل ابزار جاذب انرژی از جنس فولاد، سیستم های اصطكاكی و یا اتصالات سربی ) به منظور كاهش میزان لرزه به سیستم حفاظتی اضافه گردیدند، كاهشی در لرزه منتقل شده به تجهیزات مشاهده نگردید؛ چراكه عوامل اضافه شده در لرزه های شدید، واكنشی را به سازه القاء می كردند كه بر روی تجهیزات تأثیرگذار بود. آشكار گردید كه شیوه بهینه كاهش لرزه این است كه تغییرات لازم، در تركیب لاستیك ایجاد گردد. این شیوه، بعدها به تركیبی كه توسط MRPRA  تولید گشت، اعمال گردید و پس از آن از این تركیب در نخستین ساختمانی در آمریكا كه در آن از سیستم محافظت از پی استفاده شده بود و در زیر بدان اشاره شده است، مورد استفاده واقع گشت.

تولید اسباب لاستیكی نسبتا آسان است ؛ این اسباب آلات قسمت های متحرك ندارند، گذر زمان بر روی آنها تأثیر گذار نیست و نسبت به تغییرات محیطی بسیار مقاومند.

آزمایش های صورت گرفته بر روی اسباب آلات مورد استفاده در ساختمان نمایشگاه مالزی.

این اسباب با استفاده از جوش برقی صفحات لاستیك به صفحات تقویت كننده نازكی از جنس فولاد، ایجاد می گردند.  از آنجا كه این اسباب در جهت عمودی دارای پایداری و استحكام بالا و در جهت افقی دارای انعطاف پذیری بالا هستند، در شرایط زمین لرزه این لایه ساختمان را از مولفه های افقی حركت زمین جدا می سازد، در حالی كه مولفه های عمودی تقریبا به شكل دست نخورده ای به سازه منتقل می شوند. اگرچه حركات عمودی بر اغلب ساختمان ها تأثیری نمی گذارند، این اسباب حتی مانع از وارد شدن لرزه های عمودی ناخواسته ناشی از فركانس های بالا، كه توسط مترو و رفت و آمد خودروها ایجاد می گردد، به ساختمان می شود. این اسباب لاستیكی برای ساختمان های مستحكمی كه دارای هفت طبقه و یا كمتر هستند، مناسب است. برای این نوع از ساختمان ها، جابجا شدن این اسباب لاستیكی رخ نخواهد داد و وزش باد نیز بی اثر خواهد بود.

كاربرد های این شیوه در ایالات متحده            

نخستین ساختمانی در ایالات متحده كه در آن از این شیوه استفاده گردید، مركز حقوقی و قضایی انجمن های فوتهیل است كه مركزی است كه در بخش سن برناردینو و در شهر رانچو كوكامونگا واقع شده است و یك مركز ارائه خدمات حقوقی است كه دارای ارزشی بالغ بر 30  میلیون دلار است و در 97 كیلومتری ( 60 مایلی ) شرق مركز لس آنجلس قرار دارد. این ساختمان كه در سال 1985 كامل گشت، دارای چهار طبقه، یك زیرزمین سراسری و یك شبه-زیرزمین برای سیستم حفاظتی است كه مشتمل بر 98 جداساز چندین لایه از جنس لاستیك طبیعی است كه با صفحات فولادی تقویت شده اند.  ابر-سازه این ساختمان، دارای اسكلتی فولادی است كه در آن، اغلب اتصالات با بست تحكیم شده اند.

مركز حقوقی و قضایی انجمن های فوتهیل

این ساختمان در 20 كیلومتری ( 12 مایلی ) گسل سن آندریاس واقع گردیده است.  بخش سن برناردینو، كه نخستین بخشی از ایالات متحده است كه دارای یك برنامه جامع آمادگی در برابر زمین لرزه است، تقاضا نموده است كه این ساختمان طوری طراحی گردد كه توانایی تحمل 3.  8  ریشتر زلزله را داشته باشد، كه این میزان بیشترین میزان لرزه محتمل برای آن منطقه است. طرح برگزیده برای سیستم حفاظتی، كه در آن بیشترین میزان پیچش نیز لحاظ شده بود، بیشترین تغییر مكان افقی را برای جداساز های نصب شده در چهار گوشه ساختمان 380  میلی متر ( 15 اینچ ) در نظر گرفته بود. آزمایش انجام گرفته بر روی ابزارآلات نمونه كه دارای مقیاس های واقعی بودند موید این ظرفیت بودند.

لاستیك های طبیعی فشرده كه از آنها در ساخت جداساز ها استفاده شده است و در برنامه تحقیقاتی EERC  بر روی آنها بررسی های جامعی صورت گرفته است، دارای خصوصیات مكانیكی هستند كه آنها را برای سیستم محافظت از پی، ایده آل ساخته است.  بیشترین میزان سختی این لاستیك تحت فشار های پایین، بالا است ولی این متغیر با افزایش میزان فشار، با ضریبی در حدود چهار و یا پنج برابر كاهش می یابد تا در نهایت در فشاری در حدود 50 درصد، به حداقل مقدار می رسد. تحت فشارهای بیشتر از 100 درصد، میزان سختی مجددا رو به كاهش می گذارد تا در نهایت تحت فشار بسیار بالا، از لحاظ كاركرد با شكست مواجه می گردد.  میزان كاهش لرزه نیز از همین الگو پیروی می كند؛ ولی میزان كاهش كارآیی آن دارای روند بطیع تری است، یعنی در ابتدا از مقدار اولیه 20 درصد شروع شده و روندی نزولی را طی می نماید تا به كمترین مقدار خود یعنی 10 درصد می رسد و پس از آن رو به افزایش می گذارد.  در طراحی این سیستم چنین فرض می شود كه كمینه مقداری برای سختی و كاهش لرزه وجود دارند و فرایند واكنش سیستم دارای رفتاری خطی است.  بیشینه میزان اولیه سختی، تنها برای طراحی ای كه در آن فشار باد در نظر گرفته شده است و واكنش بیشینه فشار، تنها برای زمانی كه كه كاركرد با شكست مواجه شده است لحاظ می شوند.

سیستم لاستیكی كاهنده لرزه، همچنین در ساختمان كنترل و فرماندهی اداره آتش نشانی بخش لس آنجلس كه در سال 1990 تكمیل گردید، مورد استفاده قرار گرفته است.  (شكل یكسانی از اسباب لاستیكی كاهش دهنده لرزه برای شركت تلفن ایتالیا، S. I. P در آنكونا در كشور ایتالیا مورد استفاده قرار گرفته است، كه نخستین بنایی در اروپا است كه در آن از سیستم محافظت از پی استفاده شده است. ) ساختمان FCCF جایگاه سیستم های رایانه ای است كه برای خدمات اضطراری بخش بكار می روند و از این رو، باید حتی پس از یك رخداد غیرمنتظره نیز قادر به برآورده كردن توقعاتی كه از آنها می رود، باشند.

ساختمان كنترل و فرماندهی اداره آتش نشانی

تصمیم به استفاده از سیستم محافظت از پی از آنجا آغاز گردید كه، مقایسه ای مابین طرح های مرسوم برای حفاظت از ساختمان و سیستم محافظت از پی انجام گرفت.  در برخی پروژه ها، طرح سیستم های حفاظتی پنج درصد هزینه برتر بود.  نه تنها در این مورد طرح محافظت از پی شش درصد ارزان تر تخمین زده شد، بلكه برای تمام بناهای دیگری كه نیازمند همین مقدار حفاظت در برابر لرزه هستند نیز، هزینه ها پایین تر هستند.  علاوه بر این؛ این هزینه ها، هزینه های اولیه هستند.  هزینه های نگهداری این سیستم، آنرا مطلوب تر نیز می نمایند.  شایان توجه است كه،  طراحی های مرسوم تنها دربرگیرنده كمینه میزان حفاظت هستند، یعنی تا آن میزان كه سازه ویران نگردد؛ در حالی كه طرح سیستم محافظت از پی میزان حفاظت بیشتری را برای سازه در نظر می گیرد.

بیمارستان آموزشی دانشگاه كالیفورنیای جنوبی در شرق لس آنجلس، دارای یك اسكلت فولادی هشت طبقه است كه با بست نیز تقویت شده و توسط 68  جداساز لاستیك-سرب و 81  جداساز الاستومری تحكیم گشته است.  این بنا به محض تكمیل شدن در سال 1991، توسط برنامه ابزار دقیق كالیفرنیا برای بررسی حركات شدید، مورد كنكاش قرار گرفت.  سیستم پی، متشكل از پایه های گسترده و تیرهایی است كه در عمق سنگ ها جای گرفته اند.  برای برآورده كردن انتظارات كاركردی، ارزیابی های بعمل آمده از بنا مقید به روال خاصی نبود و طرح ساختمان نیز، در ارتفاع دارای قدری عقب نشینی بود.  دو جناح واقع در دو سمت بنا، با چیزی كه از آن به گردن بنا تعبیر می شود، به یكدیگر متصل می گردند و در طراحی اولیه ساختمان كه در آن از سیستم حفاظتی استفاده نشده بود، پیكره بندی نامنظم بنا منجر به بهم پیوستن لرزه های جانبی و پیچشی می گشت و نیروی بسیار شدیدی به ناحیه ظریف مابین این دو جناح وارد می شد. ( حتی در سیستم محافظت از پی، نیاز به چوب بست های فولادی داریم تا متحمل فشار وارده به منطقه گردن بنا باشند.  ). مسایل مطروحه، دلایل عمده ای بودند كه منتهی به انتخاب سیستم محافظت از پی برای مقاوم سازی بنا در برابر لرزه، برای این سازه گردیدند.

بیمارستان آموزشی دانشگاه كالیفورنیای جنوبی

بیمارستان آموزشی دانشگاه كالیفورنیای جنوبی ( USC) در 36  كیلومتری ( 23 مایلی ) مركز زمین لرزه نرث ریج كه در تاریخ  6 / 8 / 1994  به وقوع پیوست، قرار دارد.  بیشترین میزان لرزه در خارج بنا 49.  0 g  بود و این میزان در داخل بنا در حدود 10.  0 الی 13.  0 g  بود. در این زمین لرزه، این سازه به شكل موثری از حركات زمین كه دارای قدرت كافی برای تخریب شدید سایر ساختمان ها در این مركز پزشكی بود، در امان بود.  مدارك بدست آمده از بیمارستان USC  از آنرو كه بیانگر نتایج شدیدترین آزمایشی هستند كه تا به امروز بر روی بناهای دارای سیستم محافظت از پی انجام گرفته اند، بسیار امیدوار كننده هستند.

كاربردهای هسته ای

در سیستم حفاظتی مرسوم بكار رفته در نیروگاه های هسته ای، با مسایل طراحی های زمانبر و پرهزینه، ارزیابی تجهیزات و لوله كشی ها و تمهیدات در برگیرنده میزان لرزه ای كه بنا با آن روبروست، برخورد ساده انگارانه ای می گردد.  علاوه بر این، زمانی كه برای مثال بعلت كشف یك گسل، حساسیت ها بر روی شاخص های دربرگیرنده تحمل بنا در برابر لرزه افزایش می یابند، نیازی به طراحی مجدد بنا وجود ندارد؛ بهبود بخشیدن سیستم حفاظتی كفایت خواهد كرد.   

در برنامه تجربی صورت پذیرفته در EERC، اسباب بكار رفته در سیستم حفاظتی دو نوع از رآكتورهای فلز مایع طراحی، تولید و آزمایش شدند.  در نخستین رآكتور كه به PRISM  مشهور است، از ابزارآلات حفاظتی دارای اشكال خاص استفاده می گردد كه تنها برای ایجاد استحكام در راستای افقی، كاربرد دارند.  در رآكتور دیگر كه به SAFR  معروف است، رآكتور با ابزارآلاتی حفاظت می گردد كه در هر دو راستای افقی و عمودی، استحكام بنا را افزایش می دهند.  نتایج این مجموعه از آزمایش ها، باعث توسعه محدوده انواع جداساز ها گردید و درك بهتری از خصوصیات آنها را نیز فراهم آورد.  

سیستم محفاظت از پی در ژاپن 

پس از یك آغاز آهسته، تحقیق و توسعه صورت گرفته در ژاپن بر روی این مساله، روند فزاینده ای داشت.  نخستین بنایی كه در آن از این سیستم استفاده شده بود، در سال 1986  تكمیل گردید.  با وجود اینكه بنا به قانون مصوب 30 ژوین 1998، ساخت چنین بناهایی در ژاپن نیاز به مجوز از سوی وزارت ساخت دارد، تا كنون 550 ساختمان این مجوز را دریافت نموده اند.

این سیستم در ژاپن به دلایل متعددی رشد فزاینده ای داشته است.  هزینه تحقیق و توسعه در بخش مهندسی بسیار بالا است و حجم زیادی از این هزینه ها به حفاظت پی اختصاص می یابد ؛ شركت های ساختمانی بزرگ به شكل جدی این فناوری را مورد بررسی قرار داده اند و بازاریابی این سیستم را نیز انجام داده اند؛ فرایند دریافت مجوز برای ساخت یك بنای مبتنی بر این سیستم، یك فرایند استاندارد و سرراست است؛ طبیعت لرزه خیز این كشور، ژاپنی ها را بر آن داشته است كه در تصمیم گیری های خود برای طراحی سیستم های حفاظتی در برابر لرزه، منافع بلندمدت طرح ها را در نظر بگیرند و در این راستا به امنیت بلندمدت این سیستم و هزینه های پایین نگهداری آن، توجه خاصی معطوف نمایند.

سیستمی كه در گذشته از آن استفاده فراوانی می شد، شامل اسبابی از جنس لاستیك طبیعی بود كه دارای كاهش دهنده های مكانیكی و یا ابزاری از جنس لاستیك-سرب بود.  اخیراً، از جداساز هایی استفاده می گردد كه از جنس لاستیك طبیعی هستند و قابلیت كاهش بالای لرزه را دارند.  ساختمان های بسیار دیگری وجود دارند كه در آنها از این اسباب كاهش دهنده لرزه استفاده شده است: یك نمونه برجسته، مركز رایانه شركت برق قدرت توهوكو است كه در شهر سندای از استان میاكو واقع گردیده است.

شركت برق قدرت توهوكو، ژاپن

بزرگترین ساختمانی در جهان كه در آن از این سیستم استفاده شده است، مركز رایانه اداره پست غرب ژاپن است كه در شهر ساندا و در بخش كوبه پریفكچر واقع گشته است.  این سازه شش طبقه، كه دارای 47000 متر مربع ( 500000  فوت مربع ) است، با استفاده از 120 جداساز الاستومتری و تعدادی كاهنده اضافی از جنس سرب و فولاد، مستحكم سازی شده است.  این بنا، كه دارای نرخ حفاظتی 9.  3 ثانیه است، حدوداً در فاصله 30 كیلومتری ( 19 مایلی ) مركز زمین لرزه به تاریخ  1995 در هیوگوكن نانبو ( كوبه ) قرار دارد و لرزه های بسیار شدیدی را شاهد بوده است.  بیشینه میزان لرزه در زیر جداساز ها 400  cm / sec   square ( 0. 41 g )  بود ؛ ولی سیستم حفاظتی این میزان را به 127  cm / sec   square  در طبقه ششم، كاهش داد.  تخمین بعمل آمده در مورد جابجایی جداساز ها در حدود 12  سانتی متر ( 8.  4 اینچ ) بوده است.  ساختمان مجاور همین بنا كه در آن از این سیستم استفاده نشده بود، دچار تخریب گردید؛ ولی این ساختمان از گزند هرگونه تخریبی در امان ماند.

استفاده از این سیستم در ژاپن، خصوصاً پس از زمین لرزه كوبه، روند رو به افزایشی دارد.  در پس كارآیی فوق العاده مركز رایانه اداره پست غرب ژاپن، شمار مجوزهای صادره برای ساختمان هایی كه در آنها از این سیستم استفاده می گردد، برای نمونه آپارتمان ها و مجتمع های مسكونی، افزایش چشمگیری داشته است.

خلاصه      

آزمایش های مداوم، كارآیی جداساز ها را در كاهش مشكلات پایداری بنا، تخریب، خرابی جداساز ها و یا واكنش های غیر منتظره بنا در برابر لرزه و انحراف كاهنده های مكانیكی، بهبود بخشیده است.  علاوه بر این، مشكلات موجود در برابر تولید جداساز های بزرگ نیز، مرتفع گشته است.  امروزه این امكان وجود دارد كه ابزاری با قطری به بزرگی 60 اینچ ( 5.  1  متر )، ساخته شود. 70  عدد از ابزارآلات تولید شده از جنس لاستیك طبیعی كه برای مركز آسیب شناسی M. L.  King / C. R.   در ویلوبروك از بخش های كالیفرنیا ساخته شدند، در زمان تولیدشان بزرگترین ابزارآلات حفاظتی ای بودند كه در ایالات متحده ساخته شدند.  این جداسازها دارای قطری برابر 0.  1 متر ( 40 اینچ ) هستند.  تركیب اندازه بزرگ این ابزار با خواص لاستیك، منتهی به ساخت سیستم های حفاظتی بسیار قابل اطمینانی می گردد.

سیستم های حفاظتی در برابر زمین لرزه، دارای كاربردهای داخلی متعددی هستند.  شهرداری اكلند در پی زمین لرزه لوما پریتا در سال 1989 در كالیفورنیا، با 110 جداساز بزرگ بازسازی گردید.  یك پناهگاه عمومی در بركلی در حال ساخت است و در آن از این جداساز ها استفاده خواهد گردید.  ساختمان مركز اجتماعی مارتین لوتر كینگ در بركلی، مانند بنای یادبود هرست در دانشگاه كالیفورنیا در بركلی، با استفاده از این سیستم حفاظتی بازسازی خواهد گردید.  معماری و اسباب داخلی بنای Classic Beaux Arts  در فرایند بازسازی  بدون تغییر باقی خواهند ماند؛ در حالی كه میزان مقاومت این بنا در برابر زمین لرزه به شكل قابل توجهی بهبود می یابد.

تا امروز، 45 بنا در ایالات متحده، برای ساخت و یا بازسازی، بر اساس این سیستم حفاظتی طراحی شده اند، در حال ساخت هستند و یا ساخت آنها پایان یافته است.  استفاده از این سیستم در ایالات متحده، در حال حاظر در سازه هایی است كه دربرگیرنده محتویات پرارزش و یا گران قیمتی هستند؛ ولیكن تمایل شدیدی به استفاده از این فناوری در ساخت و سازهای مسكونی، مدارس و بیمارستان ها، خصوصاً در كشور های در حال توسعه كه در معرض تخریب های فراوانی بر اثر زمین لرزه قرار دارند و این تخریب ها می توانند دارای خساراتی در حدود كسری از تولید ناخالص ملی باشند، وجود دارد.  تشریك مساعی صورت پذیرفته مابین EERC  و MRPRA  منتهی به تلاش مشتركی گردید كه از طرف سازمان توسعه صنعتی سازمان ملل متحد ( UNIDO) پشتیبانی می شد و باعث ایجاد سیستم های حفاظتی ارزان قیمتی گردید. در این راستا، پروژه های متعددی در اندونزی، جمهوری خلق چین و ارمنستان در حال انجام هستند.  برنامه تحقیقاتی EERC، كه در بدو امر توسط MRPRA  حمایت می گردید، وسیله ای گردید تا شیوه حفاظت پی در طراحی های مقاوم در برابر زمین لرزه، به واقعیت تبدیل شود.

شرح کامل روش اجرای آزمایش نفوذ استاندارد

روش استاندارد آزمایش برای آزمایش نفوذ  (Standard Penetration Test)و نمونه گیری ازخاك ها با لوله شكافدار (نمونه گیر دو كفه ای) این روش آزمایش طرز پیشروی نمونه گیر لوله ای دو كفه ای، برای بدست آوردن نمونه خاك معرف و اندازه گیری مقاومت خاك در مقابل نفوذ نمونه گیر، را شرح می دهد و بطور كلی بعنوان آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) شناخته شده است.

این استاندارد تمام موارد ایمنی مربوط به كاربرد آنرا بیان نمی كند، در مسیولیت استفاده كننده از این استاندارد است تا دستور العمل های تندرستی و ایمنی مناسب را تهیه نماید و قبل از استفاده قابلیت اجرایی محدودیت های تعدیلی را مشخص نماید.  

مقادیر بیان شده برحسب واحدهای اینچ – پوند بعنوان استاندارد در نظر گرفته می شود.

توصیف اصطلاحات ویژه در این استاندارد:

 SPT اختصار برای آزمایش نفوذ استاندارد، اصطلاحی كه با آن معمولاً مهندسین به این روش مراجعه می نمایند.

سندان – آن قسمت از مجموعه وزنه كوب كه با چكش برخورد می نماید و بوسیله آن انرژی چكش به میله های حفاری انتقال می یابد.

لنگرگیر (قرقره) – چرخ استوانه گردان ؛ در سیستم بالابری، قرقره – طناب كه متصدی دور تادور آنرا طنابی می پیچد تا با سفت و شل كردن طناب اطراف استوانه، چكش را بالا برده و پایین اندازد.

میله های حفاری- میله ها در هنگام حفاری گمانه جهت انتقال نیرو و پیچش به مته حفاری، استفاده می شوند.

مجموعه وزنه كوب – وسیله ای شامل چكش، میله هدایت چكش، سندان و هرنوع سیستم سقوط چكش.

چكش – آن قسمت از مجموعه وزنه كوب كه شامل وزنه ضربه زن 2+140 پوند (1+5/63 كیلوگرم) می باشد كه پی در پی بالا برده و پایین انداخته می شود تا انرژی انجام نمونه گیری ونفوذ را فراهم آورد.

سیستم سقوط چكش – آن قسمت از مجموعه وزن كوب كه متصدی بوسیله آن بالا رفتن و پایین افتادن چكش را انجام می دهد تا ضربه ایجاد شود.

میله هدایت سقوط چكش – آن قسمت از مجموعه وزنه كوب كه در هدایت سقوط چكش مورد استفاده قرار می گیرد.

مقدار N- شمارش ضرب، معرف مقاومت خاك در مقابل نفوذ – مقدار N برحسب  ضربه ها در فوتگزارش می شود و برابر با مجموع تعداد ضربه های مورد نیاز می باشد تا نمونه گیر را درعمق مربوطه در فاصله 6 تا 18 اینچ (150 تا 450 میلیمتر) فرو برد.

N- تعداد ضربه های بدشت آمده در فواصل هر 6 اینچ (150میلیمتر) نفوذ نمونه گیر می باشد.

تعداد دوره های طناب – زاویه  تماس كل بین طناب و قرقره در شروع كم شدن طناب متصدی تا سقوط چكش تقسیم بر 360 (شكل 1 رانگاه كنید)

میله های نمونه گیری – میله هاییكه مجموعه وزنه كوب را به نمونه گیر وصل می كنند.  میله های حفاری اغلب برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرند.

اهمیت و كاربرد :

این روش آزمایش نمونه ای را، بمنظور شناسایی وآزمایشهای ازمایشگاهی مناسب مربوط به خاك فراهم نموده و نمونه ای مناسب را كه ممكن است در اثر نمونه گیری تغییر شكل برشی زیاد دستخوردگی در آن موجب گردد، را فراهم می آورد. این روش آزمایش بطور گسترده ای در پروژه های اكتشافی ژیوتكنیكی مورد استفاده قرار می گیرد.  رابطه های محلی زیادی و رابطه های انتشار یافته وسیعی، كه شمارش  ضربه SPT یا مقدار N ورفتار مهندسی كارهای خاكی و پی ها را مرتبط می سازد، موجود می باشد.

دستگاهها

تجهیزات حفاری – هرنوع وسیله حفاری، كه درزمان نمونه گیری حفره غیر ریزشی تمیز مناسبی را قبل از جای گیری نمونه گیر فراهم آورد وانجام آزمایش نفوذ را روی خاك دست نخورده تضمین نماید قابل قبول می باشد.  قطعات تجهیزات بشرح زیر، برای حفاری گمانه در بعضی از شرایط زیر سطح مناسب می باشند.

مته های لاروب، خرد كننده و چرخنده  – با قطر كمتر از 6/5 اینچ (162 میلی متر) و بیشتر از 2/2 اینچ (56 میلیمتر) در ارتباط با روش های حفاری دورانی حفره غیر ریزشی یا حفاری با لوله پیش رو می تواند مورد استفاده قرار گیرد.  به منظور پرهیزاز دستخوردگی خاك زیرین، مته های با تخلیه پایینی مجاز نیست، فقط مته های تخلیه كناری مجاز می باشد.

مته های مخروط – غلطك – با قطر كمتر از 5/6 اینچ (162 میلی متر) و بیشتر از 2/2 اینچ (56 میلی متر) در ارتباط با روش های حفاری دورانی حفره غیر ریزشی یا حفاری با لوله پیش رو هرگاه تخلیه مایع حفاری مایل باشد، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

مته های پرده دار ممتد تنه توخالی – با مجموعه یا بدون مجموعه تیغه مركزی ممكن است در حفاری گمانه مورد استفاده قرار گیرد.  قطر داخلی مته های تنه توخالی باید كمتر از 5/6 اینچ (162 میلی متر) و بزرگتر از 2/2 اینچ (56 میلی متر) باشد.

مته های دستی وسطلی، پرده دار ممتد، یك پارچه- با قطر كمتر از5/6اینچ (162میلی متر) وبزركتر از 2/2 اینچ (56 میلی متر)، اگر در اثنای نمونه گیری خاك در اطراف گمانه روی نمونه گیر یا میله های نمونه گیری فرو نریزد، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

5-2-  میله های نمونه گیری – میله های حفاری فولادی با درز جت آب باید مورد استفاده قرار گیرد تا نمونه گیر دو كفه ای به مجموعه وزنه كوب وصل نماید.  میله نمونه گیری باید سختی (ممان اینرسی)مساوی یا  بیشتر از میله دیوار موازی «A» باشد (میله ای فولادی كه قطر خارجی   اینچ (2/41 میلی متر) و قطر داخلی  (5/28میلی متر) دارد.

توجه 1- پژوهش اخیر وآزمایش مقایسه ای نشان می دهد كه میله نمونه مورد استفاده با سختی حــدود تغییرات از میله اندازه «A» با میله اندازه «N» تا اعماق حداقل 100 فوت (30 متر) معمولاً اثر جزیی بر مقادیر N دارد.

نمونه گیر دو كفه ای– نمونه گیر باید با ابعاد نشان داده شده در شكل 2 ساخته شود.  پاشنه پیشرو (7) باید از فولاد سخت باشد وهنگامیكه داندانه دار یا از شكل طبیعی خارج می شود باید تعمیر یا جایگزین شود.  استفاده از مهره ها د ایجاد قطر داخلی ثابت  اینچ (35 میلی متر) مجاز می باشد اما اگر مورد استفاده قرار گیرد.  باید در گزارش نفوذ ذكر شود.  استفاده از سبد نگهداری نمونه مجاز است اما اگر مورد استفاده قرار گیرد باید در گزارش نفوذ ذكر شود.

توجه 2- وقتیكه مهره ها مورد استفاده قرار می گیرد هم تیوری وهم اطلاعات آزمایش نشان می دهد كه مقدار N ممكن است بین 10 تا 30 درصد افزایش یابد.

مجموعه وزنه كوب :

چكش و سندان – چكش باید دارای 1402پوند (1 5/63 كیلوگرم) وزن و توده فلزی صلب توپر باشد.  چكش باید به سندان برخورد نماید و هنگامی كه رها می شود فولاد با فولاد تماس حاصل نماید.  یك میله هدایت سقوط چكش برای مسیر ساختن سقوط آزاد باید مورد استفاده قرار گیرد.  چكش های مورد استفاده با روش قرقره و طناب باید حداقل 4 اینچ (100 میلی متر) ظرفیت فوق بالابری بدون مانعی دارا باشد.  به دلایل ایمنی، استفاده از یك مجموعه چكش با یك سندان درونی تشویق می شود.

توجه 3- پیشنهاد می شود كه میله هدایت سقوط چكش علامت گذاری دایمی شود تا متصدی یا بازرس را قادر به قضاوت ارتفاع سقوط چكش بنماید.

سیستم سقوط چكش – سیستم های سقوط چكش اتوماتیك و نیمه اتوماتیك، لغزشی، قرقره طنابی می تواند مورد استفاده قرار گیرد مشروط بر اینكه دستگاه بالا بر هنگام دوباره بكار انداختن و بلند كردن چكش باعث نفوذ نمونه گیر نگردد.

تجهیزات فرعی – لوازمی مانند برچسب ها، ظروف نمونه، ورقه های اطلاعات و وسایل اندازه گیری سطح آب زیر زمینی مطابق با مقررات پروژه و سایر استانداردهای ASTM باید تهیه شود.   

روش حفــاری

گمانه زنی باید طوری پیش رود تا نمونه گیری متناوب یا ممتد را ممكن سازد.  نقاط و فواصل آزمایش معمولاً توسط مهندسین پروژه یا زمین شناس قید گردد.  بطور نمونه، فواصل انتخاب شده در لایه های همگن جهت آزمایش 5 فوت (5/1متر) یا كمتر  و مكان های نمونه گیری در هر تغییر لایه می باشد.

هر روش حفاری كه حفره پایدار و تمیز مناسبی را قبل از دخول نمونه گیر فراهم آورد و مطمین سازد كه آزمایش نفوذ واقعاً روی خاك دست نخورده انجام می شود قابل قبول می باشد.  ثابت شده است هریك از روش های زیر برای بعضی از شرایط زیر سطح قابل قبول می باشد.  هنگام انتخاب روش مورد استفاده حفاری شرایط پیش بینی شده زیر سطح باید مورد توجه قرار گیرد.

1-     روش حفاری دورانی حفره غیرریزشی

2-     روش اگر تنه توخالی پرده دار ممتد

3-     روش گمانه زنی شستشویی

4-     روش مته توپر پرده دار ممتد

بعضی از روش های حفاری، گمانه های غیر قابل قبولی را موجب می گردند.  روند بیرون ریختن با فشار از وسط نمونه گیر لوله ای باز وسپس نمونه گرفتن هنگامیكه به عمق مورد نظر رسیده شود مجاز نمی باشد.  روش اگر توپر بره ای ممتد، برای گمانه زنی زیر سطح آب یا زیر بستر محدود كننده فوقانی در لایه غیر چسبنده محدود شده ای كه تحت فشار آرتزین می باشد، نباید مورد استفاده قرارگیرد.  قبل از نمونه گیری لوله نمی تواندزیر سطح نمونه گیری پیش برده گمانه زنی با مته های تخلیه پایینی مجاز نمی باشد.  برای  پیشروی گمانه جهت فقط نمونه گیری با الحاق نمونه گیر قبلی یا نمونه گیر SPT، مجاز نمی باشد. در تمام مدت حفاری، برداشت  میله های حفاری ونمونه گیری، سطح مایع حفاری داخل گمانه یا اگرهای تنه توخالی باید نزدیك یا بالای سطح آب زیر زمینی در محل نگه داشته شود.

نمونه گیری و روش آزمایش

بعد از اینكه گمانه زنی به سطح نمونه گیری مورد نظر رسید و تراشه های اضافی برداشته شد، با ترتیب عملیات زیر برای آزمایش آماده نمایید :

1-     نمونه گیر دو كفه ای را به میله های نمونه گیری وصل نمایید و بداخل گمانه پایین ببرید.  نگذارید نمونه گیر روی خاك مورد نمونه گیری بیفتد.

2-     چكش را در بالا قرار دهید وسندان را به سر میله های نمونه گیری وصل نمایید این عمل میتواند، قبل از اینكه میله های نمونه گیری و نمونه گیر بداخل گمانه پایین روند، انجام شود.

3-     وزن مرده نمونه گیر، میله ها، سندان و وزنه كوب را روی ته گمانه قراردهید و ضربه ای نشاننده اعمال نمایید. اگر تراشه های اضافی در ته گمانه موجود است، نمونه گیر ولوله های نمونه گیری را از گمانه بیرون آورید و تراشه ها را بیرون بیاورید.

4-     میله های حفاری را در سه افزایش متوالی 6 اینچی (15/0 متر) افزایش علامت گذاری نمایید.  بطوریكه جلو رفتن نمونه گیر در اثر ضربه چكش برای هر 6 اینچ (15/0 متر) افزایش به آسانی قابل مشاهده باشد.

نمونه گیر را با ضربه های چكش 140 پوندی 05/63 كیلوگرم) بكوبید و تعداد ضربه های اعمال شده در هر افزایش 6 اینچ (15/0 متر) را شمارش نمایید تا اینكه یكی از موارد زیر اتفاق بیفتد:

1-     جمعاً 50 ضربه در طول هریك از سه افزایش 6 اینچ (15/0 متر) اعمال شده باشد.

2-     جمعاً 100 ضربه اعمال شده باشد.

3-     در اثنای اعمال 10 ضربه متوالی چكش هیچ پیش روی قابل رویت نباشد.

4-     نمونه گیر 18 اینچ (45/0 متر) كامل پیش برده می شود بدون محدود كردن رویداد شماره ضربات شرح داده شده است.

تعداد ضربات مورد نیاز در انجام نفوذ 6 اینچ (15/0متر) یا كسری از آن را یادداشت نمایید.  كوبیدن 6 اینچ نخستین بعنوان نشاننده پیشرو محسوب می گردد.  مجموع تعداد ضربات مورد نیاز برای دومین و سومین 6 اینچ نفوذ، مقاومت نفوذ استاندارد یا مقدار N نامیده می شود.  اگر نمونه گیر مجاز گردیده است، كمتر از 18 اینچ (45/0 متر) نفوذ كند، تعداد ضربات در هر افزایش 6 اینچ كامل و در هر افزایش جزیی باید در گزارش گمانه یادداشت شود.  اگر نمونه گیر در اثر وزن استاتیك میله های حفاری یا وزن میله های حفاری بعلاوه وزن استاتیك چكش به زیر ته گمانه فرو رود.  ایناطلاعات باید در گزارش گمانه یادداشت شود.

بالا بردن و انداختن چكش 140 پوندی (5/63 كیلوگرم) باید با استفاده یكی از دو روش زیر انجام شود. 1- با استفاده از سیستم سقوط چكش لغزنده اتوماتیك یا نیمه اتوماتیك كه چكش 140پوندی (5/63 كیلوگرم) را بلند كنید و بگذارید تا 130 اینچ (میلی متر 25 76/0 متر) بدون مانع سقوط كند.

2- كشیدن طنابی متصل به چكش با استفاده از قرقره وقتی كه روش طناب و قرقره مورداستفاده قرار می گیرد، سیستم و عملیات باید مطابق زیر انجام شود:

»  قرقره باید اساساً عاری از زنگ زدگی، روغن و گریس باشد و دارای قطری در حدود 6 تا 10 اینچ (150تا 250) میلی متر) باشد.

توجه 4- متصدی معمولاً باید یا یا دور طناب مورد استفاده قرار دهد و بستگی به پایان یافتن یا نیافتن طناب بالا (دور) یا پایین ( دور) قرقره دارد.  بطوركلی دانسیته و مورد قبول واقع شده كه دور یا بیشتر بطور قابل ملاحظه ای از سقوط جلوگیری می كند و نباید در انجام آزمایش مورد استفاده قرار گیرد.  طناب قرقره باید در وضعیت نسبتاً خشك، تمیز و بدون ساییدگی نگهداری شود.

 

» برای هر ضربه چكش باید 30 اینچ (76/0 متر) بالا بردن و پایین انداختی توسط متصدی اعمال گردد.  عملیات كشیدن وانداختن طناب باید بطور موزون بدون در دست داشتن طناب در موقع اوج ضربت، اجرا شود.

نمونه گیر را به سطح آورده و باز كنید.  درصد بازیافت نمونه را یادداشت نمایید نمونه های خاك بازیافته را از نظر تركیب، رنگ، چینه بندی، و وضعیت تشریح كنید.  سپس یك یا بیشتر بخش های معرف نمونه را بدون كوبیدن یا از شكل طبیعی انداختن هر چینه بندی ظاهری، داخل ظرف های (شیشه های دهان گشاد) رطوبت ناپذیر قابل درزگیری قراردهید. هر ظرف را درز بندی نمایید تا از تبخیر رطوبت خاك جلوگیری شود.  برچسب های دربردارنده عنوان كار، شماره گمانه، عمق نمونه وتعداد ضربه در هر افزایش 6 اینچ (15/0 متر) به ظروف پیوست نمایید.  نمونه ها را در مقابل تغییرات خیلی زیاد دما محافظت نمایید اگر تغییراتی در خاك داخل نمونه گیر وجود دارد، برای هر لایه ظرفی فراهم آورید و محل آنرا در لوله نمونه گیر یادداشت نمایید.

گزارش

اطلاعات حفاری باید در محل یادداشت  شود و باید شامل موارد زیر باشد :

1-     نام ومحل كار،

2-     اسامی كاركنان،

3-     نوع وساخت ماشین حفاری،

4-     شرایط آب وهوایی،

5-     تاریخ و زمان شروع و پایان حفاری،

6-     شماره گمانه و محل (جا و مختصات، اگر موج ودو قابل اجراء باشد)

7-     ارتفاع سطح، در صورت موجود بودن،

8-     روش پیشروی و تمیز كردن گمانه،

9-     روش نگهداری گمانه غیر ریزشی،

10-  عمق سطح آب وعمق حفاری در زمان كاهش قابل توجهی در مایع حفاری، وزمان و تاریخ وقتیكه قرائت انجام می شود،

11-  محل تغییرات لایه های،

12-  اندازه لوله، عمق بخش لوله گذاری شده گمانه،

13- تجهیزات و روش پیشروی نمونه گیر،

14- نوع نمونه گیر و طول و قطر داخلی لوله (استفاده از مهره ها را یادداشت نمایید)

15- اندازه و طول بخش میله های نمونه گیری،

16- ملاحظات

اطلاعات بدست آمده برای هر نمونه در محل باید یادداشت شود وباید شامل موارد زیر باشد.

1-     عمق نمونه و اگر مورد استفاده قرار گرفته، شماره نمونه،

2-     تشریح خاك،

3-     تغییرات لایه ها در داخل نمونه،

4-     نفوذ نمونه گیر و طول های بازیافت،

5-     تعداد ضربات در هر افزایش 6 اینچ (15/0 متر) یا جزیی از 6 اینچ

دقت وانحراف

1-     دقت-تخمین معتبری از دقت آزمایش تعین نشده است زیرا ترتیب دادن آزمایشهای داخل آزمایشگاهی (محلی) خیلی گران است.  کمیتـه فرعی02-18D  از پیشنهادات مربوط به تعمیم دقت معتبر استقبال میکند.

2-     انحراف- نظر به اینکه مصالح معرف برای این روش آزمایش وجود ندارد،نمی تواند هیچ اظهارانحرافی صورت پذیرد.

3-     هنگام استفاده از دستگاه آزمایش نفوذ و مته های متفاوت برای گمانه های مجاور در همان تشکیلات خاک اختلافات100% یا بیشتر درمقادیرN مشاهده شده است. نظریه حاضر بر پایه تجربه محلی نشان می دهد که هنگام استفاده از همان دستگاه و مته در همان خاک مقادیرN  ممکن است با ضریب تغییراتی در حدود 10% تجدید شود.

4-     استفاده از ابزار معیوب، مانند سندان آسیب دیده یا بسیار سنگین، قرقره زنگ زده، قرقره با سرعت کم، طناب روغنی، کهنه، یا بافه های روغنکاری شده بطور ناقص یا فشرده می تواند نسبت به اختلافات در مقادیرN بدست آمده بین سیستم های دستگاه حفاری عمل کنندهسهیم باشد.

5-     اختلاف بوجود آمده در مقادیر N با دستگاههای حفاری و متصدی های مختلف، با اندازه گرفتن آن قسمت از انرژی چکش انتقال یافته به میله های حفاری از نمونه گیر و تطبیق کردن N بر پایه مقایسه انرژی ها، می تواند کاهش یابد.  روشی برای اندازه گیری انرژی و تطبیق مقدار N  درروش آزمایش D4633 ارایه شده است.

 

پدیده روانگرایی خاک

روانگرایی خاک (Liquefaction) پدیده ای است که بدلیل کاهش سختی و مقاومت خاک در اثر وارد آمدن نیروی زلزله یا یک بارگذاری سریع صورت می گیرد.  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 به سرعت در کنار هم 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.  با وقوع روانگرایی مقاومت خاک کاهش یافته و توانایی خاک زیر پی برای حفظ پایداری ساختمانها و پلها از بین می رود.  

همچنین خاک روان شده پشت دیوارهای حایل می تواند سبب نشست و تخریب دیوار حایل گردد.  چنانچه افزایش فشار آب منفذی در پشت سدها نیز میتواند سبب زمین لغزه 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 معمولاً در مناطق نزدیک آب همانند رودخانه ها،دریاچه ها،خلیج ها و اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد.   اثرات این پدیده عمده این در مناطق نزدیک آب شامل لغزش عمده خاک به سمت 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 روانگرای 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.

استاندارد ASTM در آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک

آزمایش  تعیین درصد رطوبت    (Moisture Test)
الف ـ مقدمه
آزمایش تعیین درصد رطوبت احتمالاً رایجترین و ساده‌ترین نوع آزمایش آزمایشگاهی مكانیك خاك است كه می‌تواند بر روی خاكهای دست خورده یا دست نخورده انجام شود.

ب ـ مراحل آزمایش

1-     به كمك یك ترازو، جرم یك ظرف خشك و تمیز (MC)را اندازه بگیرید.  ظرف محتوی نمونه، غالباً فلزی است.  شماره ظرف و جرم آن باید روی فرم اطلاعات ثبت شوند.

2-     خاك مرطوب را داخل ظرف قرار دهید.  جدول 1 حداقل وزن لازم جهت انجام آزمایش تعیین درصد رطوبت را برحسب بعد بزرگترین دانه تشریح می‌نماید.

بعد بزرگترین دانه (mm)	شماره الك مربوطه	حداقل جرم نمونه خاك مرطوب (gr) برای دقتمحاسباتی
1/0 درصد	1 درصد
2£ 1/4 5/9 19	10 4 اینچ اینچ	20 100 500 2500

 

جدول 1: حداقل جرم لازم نمونه خاك برای آزمایش تعیین درصد رطوبت.

3-      به كمك یك ترازو، جرم ظرف و خاك مرطوب (Mwc) را اندازه گیری نمایید.  سپس ظرف و خاك مرطوب را به مدت 12 تا 16 ساعت در آون ‌قرار دهید و با درجه حرارت 5±110 درجه سانتیگراد آنرا خشك كنید.  درجه حرارت 110 درجه سانتیگراد از آنجایی انتخاب شده است كه كمی از نقطه جوش آب بالاتر است.  

4-      ظرف و خاك را از آون خارج كنید و توسط یك ترازو، جرم ظرف و خاك خشك (Mdc) را اندازه بگیرید.  اكثر ترازوهای جدید نسبت به تغییرات حرارتی غیر حساس هستند، لذا ظرف و خاك خشك را می‌توان مستقیماً روی ترازو قرار داد.  چنانچه ترازوی مورد استفاده، به درجه حرارتحساس باشد قبل از قراردادن نمونه خاك در ترازو میتوان از یك دسیكاتور جهت رساندندمای خاك خشك به دمای اتاق استفاده نمود.

ج ـ محاسبات

درصد رطوبت (w ) خاك به عنوان جرم آب موجود در خاك (Mw) تقسیم بر جرم خشك (Ms) تعریفشده و بر حسب "درصد" بیان می‌شود:

كه در آن

Mw= جرم آب موجود در خاك                      Ms= جرم خاك خشك

Mc= جرم ظرف خالی                               Mwc= جرم ظرف بعلاوه خاك مرطوب

Mdc= جرم ظرف بعلاوه خاك خشك

مقدار درصد رطوبت خاك غالباً‌ بر حسب نزدیكترین 1/0 یا 1 درصد بیان می‏شود.  درصد رطوبت خاك می‌تواند بین 0 تا 1200 درصد متغیر باشد.  درصد رطوبت صفر بیانگر یك خاك خشك است.  نمونه‌ای از یك خاك خشك، شن یا ماسه تمیز در شرایط آب و هوایی بسیار گرم است.  خاكهای آلی بیشترین درصد رطوبت را دارند.

د ـ اشتباهات معمول

بر اساس Rollings and Rollings (1996) اشتباهات معمول آزمایشگاهی در مورد آزمایش درصد رطوبت بشرح زیر است:

1-     استفاده از ترازوی كالیبره نشده یا بد كالیبره شده.

2-     از دست رفتن خاك بین توزین اولیه و ثانویه.

3-     از دست رفتن رطوبت نمونه قبل از توزین اولیه.

4-     اضافه شدن رطوبت به نمونه پس از خشك كردن و قبل از توزین ثانویه.

5-     دمای نامناسب آون، نمونه خیلی كوچك یا وزن غلط ظرف.

6-     خارج نمودن نمونه از آون قبل از دستیابی به وزن خشك ثابت.

7-     توزین نمونه هنگامیكه هنوز داغ است (برای ترازوهای حساس به دما).

اشتباه معمول دیگر لبریز كردن آون با نمونه‌های خاك است.  در چنین شرایطی جریان هوا محدود شده و احتمال اینكه نمونه‌ها بطور كامل خشك نشوند وجود دارد.

ه ـ جامدات محلول

بسیاری از خاكها حاوی جامدات محلول می‌باشند.  برای مثال در مورد خاكهای واقع در كف اقیانوس، آب بین ذرات جامد خاك احتمالاً‌ دارای همان غلظت نمك آب دریا خواهد بود.  مثال دیگر وجود كاتیونهای متمایل به سطوح ذرات رسی می‌باشد.  بهنگام خشك كردن خاك، این كانیها و یونهای محلول، جزیی از جرم جامدات (MS) می‌شوند.  درمورد اغلب خاكها این اثر، حداقل تغییرات را در درصد رطوبت ایجاد می‏كند.

و ـ اثرات دما

چنانكه قبلاً ذكرگردید، دمای استاندارد جهت خشك نمودن خاك 110 درجه سانتیگراد می‌باشد.  شكل شماره 1، درصد رطوبت خاكها را در دماهای مختلف نشان می‌دهد.  داده‌های آزمایش حاصل از پنج آزمایش مختلف در شكل 3-3 نمایش داده شده و ذیلاً هر یك بطور جداگانه مورد بررسی قرار می‌گیرند.

1-     ماسه اوتاوا : درصد رطوبت این خاك حدوداً 24 درصد است.

2-     رس آبی بوستون : درصد رطوبت این خاك حدوداً 33 درصد است.  

3-     رس لدا : درصد رطوبت این خاك بهنگام خشك نمودن در درجه حرارت درجه 110 سانتیگراد، 45 درصد می‌باشد و تحت حرارت 200 درجه سانتیگراد تا 46 درصد افزایش می‌یابد.  حساسیت این خاك تحت دمای آزمایش متجاوز از110 درجه سانتیگراد، به مقدار اندكی افزایش می‌یابد.

4-     رس مكزیكوسیتی : درصد رطوبت این خاك به دمای آزمایش خیلی حساس می‌باشد.  برای مثال، در دمای110 درجه سانتیگراد، درصد رطوبت 345 درصد می‌باشد.  در حالیكه تحت دمای190 درجه سانتیگراد، درصد رطوبت 380 درصد می‌باشد.  (1944) Rutledge خاطر نشان می‌سازد كه رس مكزیكوسیتی دارای ساختار متخلخلی از كانیهای رسی، میكروفسیل‌ها و دیاتوم‌ها می‌باشد.  دیاتومها اساساً پوسته‌های توخالی سیلیسی هستند كه حاوی آب می‌باشند.  بنابراین در دماهای بالاتر آب بیشتری از درون دیاتوم‌ها و میكروفسیل‌ها خارج می‌شود كه منجر به درصد رطوبت بالاتری می‌شود.  

خاك دیاتومه‌ای: درصد رطوبت این خاك نسبت به دمای آزمایش بسیار حساس می‌باشد.  برای مثال، تحت دمای110 درجه سانتیگراد، درصد رطوبت 620 درصد است درحالیكه در دمای 200 درجه سانتیگراد، درصد رطوبت 800 درصد می‌باشد.  خاكهای دیاتومه‌ای معمولاً‌ از پودر سیلیسی ریز و سفید كه عمدتاً از دیاتوم‌ها و بقایای آنها بوجود آمده تشكیل گردیده‌اند.  چنانكه قبلاً ذكر گردید در دماهای بالاتر، آب بیشتری از درون دیاتوم‌ها خارج می‌شود كه منجر به درصد رطوبت بالاتر می‌شود.