روانگرایی خاک چیست؟

«روانگرایی خاک» (Soil Liquefaction)، پدیده‌ای است که در حین زمین‌لرزه و بر اثر از بین رفتن مقاومت توده خاک‌های ماسه‌ای اشباع شده رخ می‌دهد. در این پدیده، بارهای جانبی ناشی از زلزله، پیوند بین ذرات را ضعیف می‌کند. به این ترتیب، ظرفیت باربری خاک از بین رفته سازه‌های بالای آن، به درون زمین فرو می‌روند. خاک، ماده‌ای کامپوزیت (ترکیبی از ذرات جامد، مایع و گاز) است. در خاک‌های اشباع، ساختار خاک تنها از ذرات جامع و مایع (اغلب آب) تشکیل می‌شود.

روانگرایی، ترکیب خاک را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد؛ بلکه با تغییر در ساختار آن، رفتار آن را در یک بازه زمانی کوتاه از جامد

 

تاثیر روانگرایی خاک بر روی ساختار ذرات خاک و سازه
                    تاثیر ساختار ذرات جامد و مایع خاک پیش از روانگرایی (تصویر راست) و پس از روانگرایی (تصویر چپ) بر روی سازه

 

 

روانگرایی خاک، ارتباط بسیار نزدیکی با زلزله دارد. در سال ۱۹۶۴ میلادی (۱۳۴۳ شمسی)، دو زلزله بزرگ در شهر نیگاتای ژاپن و آلاسکای آمریکا، باعث ایجاد روانگرایی خاک در مقیاس‌های بسیار بزرگ شدند. اثرات مخرب روانگرایی‌های ناشی از این زلزله‌ها، پژوهشگران را به مطالعه بر روی مکانیزم رخ دادن روانگرایی واداشت. واژه «Liquefaction»، برای اولین بار در همین سال مورد استفاده قرار گرفت؛ چراکه طی فرآیند روانگرایی، رفتار خاک از حالت جامد (Solid) به حالت مایع (Liquid) تغییر می‌کند. طی مطالعات صورت گرفته بر روی علل رخ دادن روانگرایی، منشا این پدیده به مفهوم تنش موثر ربط داده شد.

 

تنش موثر چیست ؟

خاک، مجموعه‌ای از ذرات جامد و ترکیبی از آب و یا هوا است. برخلاف سنگ، خاک‌ها ساختاری نسبتا سست، ریز و متخلخل دارند. با وجود ریز بودن ذرات و سست بودن ساختار خاک‌ها، اجزای آن‌ها به خوبی در کنار یکدیگر باقی می‌مانند. دلیل تعادل ذرات خاک، «تنش موثر» (Effective Stress) است. این تنش، بر اثر وزن و فشار ذرات جامد به وجود می‌آید و اجزای خاک را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد.

 

تنش موثر و روانگرایی

 

 

در ساختار خاک، تنها ذرات جامد نیستند که به یکدیگر فشار وارد می‌کنند. مایعات درون فضای متخلخل خاک نیز ذرات اطراف خود را تحت فشار می‌گذارند. گسترش امواج لرزه‌ای درون خاک در هنگام زلزله، فشار آب منفذی (فشار مایعات درون حفره‌های توده خاک) را افزایش می‌دهد. به این ترتیب، ذرات جامد خاک از یکدیگر فاصله می‌گیرند. با دور شدن ذرات و از بین رفتن سطح تماس بین آن‌ها، تنش موثر به صفر میل می‌کند.

در صورت از بین رفتن تنش موثر، دیگر نیرویی برای کنار هم نگه داشتن ذرات وجود ندارد. به همین دلیل، ذرات جامد، برای مدتی درون آب شناور می‌شوند. توده خاک نیز در این حین، رفتاری شبیه به مواد مایع را از خود به نمایش می‌گذارد. این رفتار، جریان یافتن و تغییر شکل خاک را در پی دارد.