■ خواص دینامیکی خاکها بخش عمران

3-1- مقدمه
اهمیت و نحوه‌ی توزیع خسارت زلزله به مقدار بسیار زیادی وابسته به پاسخ خاک‌ها در برابر بارگذاری سیکلی می‌باشد. در بخش عمده‌ای این پاسخ به وسیله‌ی خواص مکانیکی خاک کنترل می‌گردد. ژئوتکنیک لرزه‌ای محدوده‌ی وسیعی از مسائلی را در بر می‌گیرد که به انواع مختلفی از بار‌ها و مکانیزم‌های شکست مربوط می‌شود. خواص مختلف خاک‌ها رفتار آن‌ها در مسائل مختلف را تحت تاثیر قرار می‌دهد. برای مسائل خیلی مهم، خصوصاً آن‌هایی که تحت الشعاع اثرات انتشار امواج قرار می‌گیرند تنها مقادیر کوچکی کرنش در خاک‌ها مطرح خواهد بود. برای سایر مسائل از قبیل آن‌هایی که به پایداری توده‌های خاک مربوط می‌شوند کرنش‌های بزرگ مطرح می‌باشند. رفتار خاک‌ها تحت اثر بارهای دینامیکی بوسیله‌ی آن‌چه که تحت عنوان خواص دینامیک خاک‌ها شناخته شده‌است قابل ارزیابی می‌باشد.
3-2-اندازه‌گیری خواص دینامیکی خاک ها
اندازه‌گیری خواص دینامیکی خاک‌ها کاری حساس در مسائل ژئوتکنیک لرزه‌ای می‌باشد. دامنه وسیعی از روش‌های صحرایی و آزمایشگاهی موجود است که هر یک از آن‌ها در ارتباط با مسائل مختلف محدودیت‌ها و امتیازات خاصی دارند. تعداد زیادی از آن‌ها مخصوص اندازه‌گیری پارامترهای خاک در کرنش‌های کم و تعداد زیاد دیگری مربوط به اندازه‌گیری خواصی هستند که در کرنش‌های بزرگ بروز پیدا می‌کنند. انتخاب روش‌های مناسب جهت اندازه‌گیری خواص دینامیکی خاک مستلزم توجه دقیق و درک صحیح از مسئله‌ی مورد نظر خواهد بود. همواره باید تلاش شود تا آزمایشات یا مراحل آزمایش به گونه‌ای انجام شوند که شرایط اولیه تنش و شرایط بارهای سیکلی پیش‌بینی شده تا حد امکان نزدیک به واقعیت باشند. خواصی از خاک‌ها که پدیده‌ی انتشار امواج و سایر پدیده‌های کرنش کم را تحت تاثیر قرار می‌دهند شامل سختی، میرایی، ضریب پواسون و چگالی می‌باشد. از این میان سختی و چگالی مهم‌تر بوده و مابقی تاثیر کمتری داشته و معمولا در یک محدوده‌ی کوچک تغییر می‌نمایند. میرایی و سختی خاک‌هایی که به صورت سیکلی بارگذاری می‌شوند نسبت به مسائل ژئوتکنیک لرزه‌ای بسیار حساس می‌باشند. این وضع نه تنها در کرنش‌های کم، بلکه به علت غیرخطی بودن حتی در کرنش‌های متوسط و بزرگ نیز به همین صورت می‌باشد. در کرنش‌های بزرگ اثر سرعت و مقدار سیکل‌ها بر مقاومت برشی نیز ممکن است حائز اهمیت باشد. خصوصیات تغییر حجم مصالح نیز در کرنش‌های بزرگ ممکن است مهم باشد. هر تحقیقی در خصوص خواص دینامیکی خاک‌ها با توجه به شناخت این واقعیت که همواره قدری عدم قطعیت در اندازه‌گیری‌ها وجود دارد باید صورت گیرد. منابع عدم قطعیت می‌توانند شامل تغییر پذیری ذاتی خاک‌ها (نتیجه‌ای از شرایط زمین ساختی که در آن شرایط لایه‌ها شکل گرفته‌اند)، غیر ایزوتروپی ذاتی خاک‌ها (تابعی از ساختار یا بافت خاک)، غیر ایزوتروپی القایی (ایجاد شده توسط شرایط تنش غیرایزوتروپ)، دست‌خوردگی در حین نمونه‌گیری و حفاری، محدودیت‌های تجهیزات صحرایی یا آزمایشگاهی و بالاخره خطاهای آزمایشی و خطاهای تحلیلی باشند. بعضی از این منابع عدم قطعیت می‌توانند با دقت زیاد در اجزاء آزمایش به حداقل برسند، لیکن در خصوص بعضی دیگر امکان چنین امری وجود ندارد. اندازه‌گیری پارامترهای دینامیکی خاک‌ها به دوصورت انجام می‌شود:
آزمایشات صحرایی
مطالعات آزمایشگاهی
3-2-1-آزمایشات صحرایی
آزمایشات صحرایی اجازه می‌دهند که خواص خاک‌ها در محل اندازه‌گیری شوند. اندازه‌گیری خواص دینامیکی خاک‌ها در محل امتیازات خاص دارد. آزمایشات صحرایی نیازمند نمونه‌گیری نمی‌باشد. آزمایشات صحرایی بسیاری خواص خاک‌ها را در محدوده‌ی یک حجم بزرگ اندازه گیری می‌کنند که بدین ترتیب اثر کوچک بودن و معرف نبودن نمونه بر خواص کل خاک را به حداقل کاهش می‌دهند، به عبارت دیگر آزمایشات صحرایی اجازه نمی‌دهند که اثرات دیگری جدا از شرایط محلی در بررسی‌ها به آسانی دخالت نماید. بعضی از آزمایشات صحرایی بر روی سطح زمین و برخی دیگر نیازمند حفاری یا نصب ابزار اندازه‌گیری در داخل خاک می‌باشند. آزمایشات روی سطح زمین غالباً ارزان‌تر بوده و نسبتاً سریع‌تر قابل انجام می‌باشد. آزمایشات صحرایی به دو دسته‌ی آزمایش با کرنش کم وآزمایش با کرنش زیاد تقسیم می‌شود.

3-2-1-1-آزمایشات با کرنش کم
آزمایشات با کرنش کم معمولاً در محدوده‌های کرنشی عمل می‌کنند که به اندازه‌ی کافی بزرگ نیستند تا در خاک رفتار تنش-کرنش غیرخطی ایجاد کند و غالباً در محدوده‌ی کرنش‌های زیر 001/0 درصد قرار دارند. به همین علت اغلب آنها مبتنی بر تئوری انتشار امواج در مصالح خطی می‌باشند. آزمایشات ژئوفیزیک لرزه‌ای معرف گروهی از آزمون‌های مهم صحرایی جهت اندازه‌گیری خواص دینامیکی خاک‌ها می‌باشند. آزمایشات لرزه‌ای به ایجاد امواج تنش گذرا یا یکنواخت وتفسیر رفتار آن‌ها ناشی از اندازه‌گیری در یک یا چند موقعیت مربوط می‌شوند. در اغلب آزمایشات لرزه‌ای، یک منبع، نوسانی از امواج ولید می کند که زمان رسیدن آن‌ها از منبع تا یک نقطه مشخص اندازه‌گیری می‌شود. منابعی که ممکن است در محدوده‌ی ضربه‌ی یک پتک تا انفجار مواد منفجره در خاک قرار گیرند، معمولا امواج P و S و سطحی تولید خواهند کرد. منابع ضربه و ضربات قائم دامنه د تولید امواج P غنی هستند و امواج SH به صورت مشخص با ضربه زدن به انتهای تیری که بر روی سطح زمین قرار گرفته‌است تولید می‌شوند.

از آزمایشات صحرایی با کرنش کم می توان به موارد زیر اشاره نمود:
3-2-1-1-1-آزمایش انعکاس لرزه‌ای
3-2-1-1-2-آزمایش انکسار لرزه‌ای
3-2-1-1-3-آزمایش برداشت شناور
3-2-1-1-5-آزمایش آنالیز طیفی امواج سطحی
3-2-1-1-6-آزمایش امواج عبوری
3-2-1-1-7-آزمایش امواج نزولی (صعودی)
3-2-1-1-9-آزمایش مخروط لرزه‌ای

3-2-1-2-آزمایشات صحرایی با کرنش زیاد
دامنه‌ی آزمایشات صحرایی خاک در خلال 25 سال گذشته با توسعه‌ی تجهیزات و روش‌های جدید آزمون گسترش وسیعی یافته است. در حالی‌که این آزمایشات متداول‌ترین نوع جهت اندازه‌گیری خواص کرنش بالای خاک‌ها از قبیل مقاومت می‌باشند، معذالک نتایج آن‌ها با خواص کرنش پایین خاک‌ها نیز ارتباط داده شده است. برای مسائل ژئوتکنیک لرزه‌ای آزمایشات زیر از کارایی و بهره‌ی ویژه‌ای برخوردار هستند.
3-2-1-2-1-آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)
3-2-1-2-2-آزمایش نفوذ مخروط (CPT)
3-2-1-2-3-آزمایش اتساع سنجی (DMT)
3-2-1-2-4-آزمایش فشار‌سنجی (PMT)

3-2-2-مطالعات آزمایشگاهی (Laboratory Tests)
مطالعات آزمایشگاهی معمولاً بر روی نمونه‌های بالنسبه کوچکی صورت می‌گیرد که فرض می‌شود نماینده‌ی توده‌ای بزرگتر از خاک می‌باشند. این نمونه‌ها به عنوان اجزاء، مورد آزمایش قرار می‌گیرند(بدین معنی که آن‌ها تحت اثر تنش‌های اولیه یکنواخت در شرایط تنش یا کرنش قرار می‌گیرند). در سایر مطالعات آزمایشگاهی، نمونه‌ها به عنوان مدل، مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج بایستی بر حسب شرایط مرزی غیر یکنواخت که بر مدل تاثیر می‌گذارد تفسیر گردند. توانایی مطالعات آزمایشگاهی در اندازه‌گیری دقیق خواص خاک‌ها به میزان قابلیت آن‌ها در بازسازی شرایط اولیه و شرایط بارگذاری حاکم بر مسئله مورد مطالع بستگی دارد. هیچ آزمون آزمایشگاهی نمی‌تواند تمامی مسیر‌های ممکن تنش و کرنش را با دوران عمومی محدوده‌های تنش اصلی، فراهم نماید. در نتیجه برای مسائل متفاوت، آزمایشات مختلف مناسب‌ترین راه خواهد بود.
3-2-2-1-نمونه‌برداری
به منظور اینکه نتایج مطالعات آزمایشگاهی تا حد امکان به رفتار واقعی خاک در محل نزدیک باشد، نمونه های دست نخورده با کیفیت بالا مورد نیاز می‌باشد. بدین منظورجهت تهیه نمونه های آزمایشگاهی با کیفیت بالا با توجه به نوع خاک عمل می شود. برای خاک‌های چسبنده با برش دقیق مصالح از یک کلوخه و یا بوسیله‌ی لوله‌های جدار نازک و برای خاک‌های غیر‌چسبنده (ماسه‌های تمیز و شن) از روش انجماد و مغزه‌گیری برای گرفتن نمونه استفاده می‌شود.
3-2-2-2-آزمایشات با کرنش کم (Low-Strain Element Tests)
تنها تعداد کمی از آزمون‌های آزمایشگاهی وجود دارد که می‌توانند خواص خاک‌ها را در کرنش کم تعیین نمایند. این آزمایشات عبارتند از:
3-2-2-2-1-آزمایش ستون تشدید (Resonant Column Test)
3-2-2-2-2-آزمایش نوسان اولتراسونیک (Ultrasonic Pulse Test)
3-2-2-2-3-آزمایش خمش پیزوالکتریک (Piezoelectric Bender Element Test)

3-2-2-3-آزمایشات با کرنش زیاد (High Strain-Element Tests)
در دامنه‌های کرنش برشی زیاد، خاک‌ها معمولاً از خود تغییر حجم نشان می‌دهند. تحت شرایط بارگذاری زهکشی شده این تغییرات به صورت کرنش حجمی بوده لیکن در شرایط زهکشی نشده منجر به تغییرات فشار آب حفره‌ای(و فشار موثر) خواهد شد. از آنجائیکه رفتار خاک تحت اثر تنش‌های موثر می‌باشد، تمامی روش‌های آزمایش خاک‌ها در کرنش زیاد بایستی قادر به کنترل زهکشی آب حفره‌ای از نمونه و اندازه‌گیری تغییرات حجم یا فشار آب حفره‌ای به طور دقیق باشند. آزمون‌های آزمایشگاهی که می‌توانند خواص خاک‌ها را در کرنش زیاد تعیین نمایند عبارتند از:
3-2-2-3-1-آزمایش سه محوری سیکلی (Cyclic Triaxial Test)
3-2-2-3-2-آزمایش برش ساده سیکلی (Cyclic Direct Simple Shear Test)
3-2-2-3-3-آزمایش برش پیچشی سیکلی (Cyclic Torsional Shear Test)
3-2-2-4- آزمایشات مدلی (Model Tests)
در مقایسه با آزمایشات بر روی یک المان از خاک، آزمایشات مدلی معمولا تلاش می‌کنند تا شرایط مرزی یک مسئله خاص را با اعمال بارگذاری سیکلی بر یک مدل فیزیکی کوچک از سازه‌ی کامل و اصلی، بازسازی کنند. آزمایشات مدلی ممکن است برای ارزیابی کارایی یک سازه‌ی خاص و یا مطالعه پارامتر‌های مختلف بر یک مسئله‌ی عمومی به‌کار روند. در حالی‌که آزمایشات ودلی برای شناسایی پدیده‌های مهم و اثبات تئوری‌های فرضی بسیار مفید می‌باشند، معذالک هنوز در حدی توسعه نیافته‌اند که مستقیماً جهت طراحی تاسیسات یا سازه‌های مهم به‌کار روند. این آزمایشات عبارتند از:
3-2-2-4-1-آزمایشات میز ویبره (Shaking Table Tests)
3-2-2-4-2-آزمایشات سانتریفیوژ (Centrifuge Tests)
3-2-2-4-3-سایر آزمایشات مدلی (Other Model Tests)
3-2-3-تفسیر پاسخ مشاهد شده‌ی زمین (Interpretation of Observed Ground Response)
3-2-4-رفتار تنش-کرنش خاک‌ها تحت بارهای سیکلی
رفتار مکانیکی خاک‌ها که تحت بارهای استاتیکی می‌تواند کاملاً پیچیده باشد، طبعاً در شرایط بارهای لرزه‌ای بسیار پیچیده‌تر خواهد بود. مهندسین ژئوتکنیک مرتبا با تقاضای معرفی مهم‌ترین مفاهیم رفتار سیکلی خاک‌ها با حداکثر دقت و با استفاده از مدل‌های منطقی ساده، مواجه هستند. نقطه‌ای که در آن جدال میان سادگی و دقت به تعادل می‌رسد بستگی به عوامل مختلفی داشته و در این رابطه ترکیب‌های زیادی پیشنهاد داده شده است. به طور کلی برای مدل سازی خاک از سه نوع مدل می توان استفاده نمود که عبارتند از: مدل‌های خطی معادل، مدل‌های غیر خطی سیکلی و مدل‌های رفتاری پیشرفته، که از آن میان مدل خطی معادل، متداول‌ترین و ساده‌ترین بوده لیکن در معرفی مفاهیم زیادی از رفتار خاک‌ها تحت شرایط بارهای سیکلی قابلیت محدودی دارد. از سوی دیگر طیف مدل‌های رفتاری پیشرفته می‌توانند جزئیات بسیاری از رفتار دینامیکی خاک‌ها را معرفی نمایند، لیکن پیچیدگی و دشواری در کالیبره نمودن، آن‌ها را برای مسائل عمومی بسیاری از ژئوتکنیک لرزه‌ای غیر عملی می‌سازد. با این وجود هر گروه از مدل‌های خاک، اطلاعات مهمی از رفتار سیکلی خاک‌ها را آشکار خواهد ساخت.