شبیه سازی عددی آزمایشهای سانتریفیوژ کاهش روان شدن خاکهای ماسه‌ای توسط ستون های سنگی

همانطور که در زلزله‌های گذشته در سرتاسر جهان گزارش شده است، روانگرایی‌ می‌تواند تغییرات عمده‌ای ایجاد کند و سبب تخریب شالوده‌ها و ساختمان‌های مجاور، پل‌ها و دیوارهای خاکی شود (آدالیر و همکاران ۲۰۰۳، بایز و مارتین ۱۹۹۵، میشل ۲۰۰۸). چند روش مانند استفاده از زهکشی‌های شنی و ستون‌های سنگی (SC)، متراکم‌سازی و مستحکم‌سازی روش‌های پرکاربردی‌اند که برای کاهش خطر روانگرایی و تغییر شکل ناشی از آن در خاک بکار‌ می‌روند (بایز ۱۹۹۵، آدالیر و همکاران ۲۰۰۳، میشل ۲۰۰۸). از بین روش‌های موجود، تکنیک SC به جهت تاثیربخشی و ساخت ساده‌اش برای کاهش خطرات روانگرایی روش ممتازی محسوب‌ می‌شود (آدالیر ۲۰۰۳).

سید و بوکر (۱۹۷۷) در ابتدا به سنجش کاربرد ستون‌های سنگی جهت بهبود مقاومت ماسه روانگرا در مقابل روانگرایی پرداختند. به تازگی، تحقیقات گسترده‌ای تاثیربخشی ستون‌های سنگی را برای کاهش روانگرایی ماسه با استفاده از تاریخچه‌های موارد میدانی (میشل و ونتز ۱۹۹۱(، آزمایش‌های سانتریفیوژ و میز لرزان محدود (آدالیر و همکاران ۲۰۰۳، مارتین و همکاران ۲۰۰۳) و شبیه‌سازی عددی (الگامال و همکاران ۲۰۰۹، لوو و همکاران ۲۰۱۱) ارزیابی کرده‌اند.

بطور کلی،‌ می‌توان بهبود مقاومت خاک در برابر تحریک روانگرایی با استفاده از ستون‌های سنگی را با سه مکانیزم بررسی کرد: متراکم‌سازی، زهکشی و مسلح‌سازی (شنتان و همکاران ۲۰۰۴). مکانیزم مسلح‌سازی به دلیل ورود ستون‌های سنگی سخت‌تر روش موثرتری برای ماسه سیلتی عادی و ماسه سیلتی غیر خمیری محسوب‌ می‌شود که در آن استفاده ترکیبی از متراکم‌سازی و زهکشی برای خنثی‌سازی اثر روانگرایی ناشی از زلزله دشوار است (بایز ۱۹۹۵). با این حال، هنوز تحقیقات بطور کامل به بحث اثرات سودمند ستون‌های سنگی روی کاهش روانگرایی ماسه‌های سیلتی نپرداخته‌اند (اولگان و مارتین ۲۰۰۸، رایا ماجهی و همکاران ۲۰۱۴).

علاوه بر این، در شیوه طراحی رایج ستون‌های سنگی فرض‌ می‌شود که ستون‌های سخت در برش تغییر شکل سازگار با خاک پیرامونی دارد (بایز ۱۹۹۵). مفهوم این فرض این است که ستون‌های سنگی که سخت‌تر از خاک موجودند نسبت به خاک موجود تنش برشی بیشتری ناشی از زلزله جذب‌ می‌کنند که به همین دلیل انتظار‌ می‌رود مقاومت خاک در برابر تحریک روانگرایی را بهبود بخشند.

با این حال، مطالعات دیگر به این نتیجه رسیدند که ستون‌های متفاوت ممکن است دچار تغییر شکل برشی و خمشی شوند و در نتیجه در کاهش تنش برشی، نسبت به مقداری که فرضیه سازگاری کرنش برشی به آن اشاره دارد، تأثیر کمتری داشته باشند (گافنور و پستانا ۱۹۹۸). تحقیقات منتشر شده (گرین و همکاران ۲۰۰۸، اولگان و مارتین ۲۰۰۸، رایاماجهی و همکاران ۲۰۱۴) نیز به این موضوع اشاره دارند که ممکن است در نزدیکی سطح زمین پاسخ خمشی مود غالب باشد، در حالیکه، در اعماق بیشتر پاسخ برشی‌ می‌تواند غالب باشد. با این حال، توزیع مقادیر تنش و کرنش برشی در ماسه سیلتی پیرامونی کاملاً مشخص نشده است.

برای بررسی بهتر خصوصیات دینامیکی ماسه‌های سیلتیِ با و بدون اضافه‌بار روی فونداسیون کم‌عمق سری آزمایشات سانتریفیوژ دینامیکی انجام شد (آدالیر و همکاران ۲۰۰۳).

به تازگی، شبیه‌سازی‌های المان محدود سه‌بعدی به عنوان یک ابزار همه‌منظوره روز به روز کاربرد بیشتری برای بررسی این موضوع پیدا‌ می‌کنند. در بخش‌های بعد، آزمایشی که قرار است شبیه‌سازی شود بطور اجمالی توضیح داده‌ می‌شود. سپس، شیوه مدلسازی عددی که برای شبیه‌سازی این آزمایش بکار‌ می‌رود توضیح داده شده و تأثیر مسلح‌سازی، توزیع تنش و کرنش برشی حاصل از نتایج المان محدود تشریح‌ می‌شود. پس از این، جهت نشان دادن اثر نفوذپذیری SC و بار سطحی در ناحیه SC روی کاهش روانگرایی مطالعه‌ای پارامتری انجام‌ می‌شود. در نهایت، درکی که از نتایج بدست خواهد آمد و نتیجه‌گیری‌ها ارائه‌ می‌شوند.