شناسایی نوع زمین

لازمه طراحی هر سازه‌ای که بر روی زمین (خاک) قرار می گیرد، شناخت کافی از شرایط زیرسطحی و خصوصیات لایه‌های زمین زیر آن است. این شناخت با روش‌های زیر به دست می‌آید:

• مطالعه نقشه‌های زمین شناسی منطقه
• کسب اطلاعات فنی و پی سازی از وضعیت سازه‌های موجود
•  کسب اطلاعات ژئوتکنیکی از برشی های موجود در لایه های خاک (چاهها، خاکبرداریها و ترانشه های موجود)
• اخذ گزارش مطالعات ژئوتکنیکی مرتبط با دو ساختمان در طرفین زمین موردنظر که با فاصله کمی از ان قرار گرفته اند.
• انجام مطالعات ژئوتکنیکی خاصی در زمین مورد نظر، متناسب با اهمیت ساختمان و ارتفاع آن.

 کسب حداقلی شناخت از لایه‌های زمین ضروری می باشد، لکن درجه شناخت مورد نیاز، متناسب با اهمیت ساختمان و شرایط ژئوتکنیکی محلی تعیین می گردد.

 برای ساختمان‌های با اهمیت کم و آن دسته از ساختمانهای با اهمیت متوسط که تا ۴ سقف و یا حداکثر ۱۲ متر از روی شالوده ارتفاع دارند، درصورتی که سطح اشغال آنها از ۳۰۰ متر مربع تجاوز ننماید، با مطالعه نقشههای زمین شناسی (چنانچه موجود باشد) و بررسی نحوه ساخت ساختمانهای مجاور و گزارش ژئوتکنیکی آنها، بررسی مقاطع موجود (مثل) گودبرداری‌ها یا برشی موجود در پل های نزدیک ساختمان مذکور) میتوان در مورد لایههای خاک توسط یک متخصصی با تجربه اظهار نظر نمود. بدیهی است، در این مورد چنانچه شواهدی از وجود نوع زمین غیر از زمینهای نوع IوII و III و IV جدول (۲-۳) در محل وجود داشته باشد انجام مظالعات ژیو تکنیکی در محل الزامی است.

برای سایر ساختمان‌های با اهمیت متوسط (بیش از ۴ سقف، یا ارتفاع از روی شالوده بیش از ۱۲ متر، و یا سطح اشغال بیش از ۳۰۰ متر مربع) و همچنین ساختمانهای با اهمیت زیاد و بسیار زیاد، انجام مطالعات ژئوتکنیکی در محل مورد نظر ضروری می باشد. در هر حالت چنانچه ساختمان مورد نظر (با هر درجه اهمیت و هر تعداد سقف) به صورت انبوه سازی یا شهرک سازی باشد، لازم است مطالعات ژئوتکنیکی در محل مورد نظر انجام شود. چنانچه در مراحل ساخت ساختمان نیاز به گودبرداری، ایجاد دیوار حائل و یا شیب تند باشد و یا مشخصات ژئوتکنیکی لایه زیر سطحی منجر به نشست زیاد، لغزش، سنگ ریزش یا روانگرایی گردد، و همچنین چنانچه خاک خاصیت فروریزشی و یا تورم داشته باشد و یا سطح آب زیرزمینی بالا باشد، لازم است مطالعات ژئوتکنیکی در محلی مورد نظر انجام شود.

مطالعات ژئوتکنیکی شامل حفاری (ماشینی یا دستی)، نمونه گیری دست خورده و دست نخورده، آزمایشهای درجا نظیر آزمایش نفوذ استاندارد و دانسیته برجا، ۀزمایش های فیزیکی و مکانیکی بر روی خاک بدست آمده در آزمایشگاه و تجزیه وتحلیل نتایج و نتیجه گیری در مورد وضعیت ژئوتکنیکی زمین مورد نظر می باشد. بدیهی است کلیه عملیات فوق باید بر اساسی استانداردهای موجود و با دقت کافی انجام شود و در مورد بعضی نتایج مانند نفوذ استاندارد تصحیحات لازم اعمال گردد.

برای زمینهایی که مطالعات ژئوتکنیکی (شامل نفوذ استاندارد، نمونه گیری و آزمایشهای آزمایشگاهی) کافی تشخیص داده نشود، لازم است علاوه بر مطالعات ژئوتکنیکی،مطالعات ژئوفیزیکی نیز به منظور تعیین سرعت موج برشی (Vs) در لایه های مختلف خاک انجام شود.

ناپایداری‌های زمین ناشی از زلزله

 ناپایداریهای زمین ناشی از زلزله می تواند شامل روانگرایی، گسترش جانبی،

زمین لغزشی، فرونشست و گسلشی مطابق ضوابط بندهای (۶-۲-۱) تا (۶-۲-۴) باشد.

روانگرایی

 کاهش مقاومت و یا سختی برشی خاک به دلیل افزایش فشار آب منفذی ناشی از زلزله در خاکهای ماسهای اشباع که باعث ایجاد تغییر شکل های دائمی مهم یا ایجاد شرایطی نزدیک به تنش مؤثر صفر در خاک می شود، به عنوان روانگرایی شناخته می شود.

زمینهایی که حداقلی دارای یکی از شرایط زیر باشند، مستعد روانگرایی تشخیص داده می شوند و لازم است مطالعه خاص آن زمین انجام شود:

 الف – سابقه روانگرایی در آنها وجود داشته باشد.

 ب-زمینهایی که از نوع خاک ماسه ای با تراکم کم، اعم از تمیز، یارسی دار با مقدار رسی کمتر از ۲۰ درصد، یا دارای لای و یا شن بوده و تراز سطح آب زیرزمینی در آنها نسبت به سطح زمین کمتر از حدود ۱۰ متر باشد.

 ج – منحنی دانهبندی خاک داخلی محدوده مستعد روانگرایی باشد.

 در مواردی که لایه خاک مورد نظر دارای حداقل یکی از موارد زیر باشد، می توان از بررسی وقوع روانگرایی صرف نظر کرد.

 الف – ماسه محتوی بیش از ۲۰ درصد رسی با ۲۰ < PI

ب – ماسه محتوی بیش از ۳۵ درصد لای و به طور همزمان N >20

ج – ماسه تمیز با ۳۰N

ضمناً در مواقعی که خاک ماسه ای و اشباع در عمقی بیش از ۲۰ متر از سطح زمین قرار دارد، فقط برای ساختمانهای با شالوده سطحی می توان از ارزیابی استعداد روانگرایی صرف نظر کرد.

ارزیابی استعداد روانگرایی

 به منظور ارزیابی استعداد روانگرایی لازم است مقادیر نسبت تنش برشی تناوبی ناشی از زلزله (CSR) و نسبت مقاومت برشی تناوبی خاک موجود (CRR) محاسبه و مقایسه شود.

 این مقایسه باید با تعیین ضریب اطمینان در برابر روانگرایی (F) به دست آید.

نسبت تنش برشی تناوبی (CSR) ناشی از زلزله در لایههای خاک طبق روابط موجود در آیین نامههای ملی و درصورت موجود نبودن از آیین نامههای معتبر شناخته شده به دست می آید. نسبت مقاومت برشی تناوبی خاک موجود (CRR) برحسب نظر طراح و شرایط پروژه با استفاده از آزمایشهای نفوذ استاندارد، نفوذ مخروطی، سرعت موج برشی و بر اساس ضوابط آیین نامههای ملی یا بین المللی معتبر محاسبه می گردد.

چنانچه ضریب اطمینان به دست آمده کمتر از یک باشد، خاک مستعد روانگرایی است و اثر آن ممکن است موجب ناپایداری پی و سازه متکی بر آن شود. به این دلیل بایستی ایمنی مناسب پی به وسیله روش مناسب بهسازی زمین یا انتقال بار به وسیله پیهای عمیق به زیر لایه روانگرا تأمین گردد. در صورتی که F بین ۱ و ۱/۲۵ باشد نشست ناشی از زلزله در زمین را باید محاسبه و در طراحی منظور نمود.

گسترش جانبی

در زمینهای مستعد روانگرایی که دارای شیب ملایم بوده و یا دارای یک وجه آزاد نظیر زمینهای منتهی به کانالهای زهکشی، نهرها و رودخانهها و یا ساحل دریا باشند، احتمال وقوع گسترش جانبی وجود دارد. گسترش جانبی می تواند موجب جابجاییهای بزرگ در زمین گردد. جهت ارزیابی استعداد و مقدار جابجایی ناشی از گسترش جانبی می توان حداقل از یکی از سه رویکرد تحلیلی، تجربی و یا عددی استفاده نمود.

 طراحی لرزهای پی برای مقاومت در برابر گسترش جانبی باید به گونه ای انجام شود که جابجایی افقی در بالای پی و یا تنش های ناشی از ان از مقادیر مجاز مربوط به هر سازه فراتر نرود. علاوه بر طراحی مقاوم پی ساختمان، طراحی پی باید به گونهای باشد که ساختمان از نظر کلی نیز ایمن باشد. برای این منظور طراحی لرزهای سازه و پی مربوط باید در سه حالت زیر انجام شود و نتایجی که بزرگترین اثر را مشخص می کند، در طراحی پی و سازه اعمال شود:

 حالتی که فرضی می شود گسترش جانبی اتفاق خواهد افتاد

حالتی که فرضی می شود تنها روانگرایی اتفاق خواهد افتاد.

 حالتی که فرضی می شود هیچ کدام از روانگرایی و گسترش جانبی اتفاق نخواهد افتاد. در این صورت بایستی در طراحی ها یا از طیف طراحی برای خاک نوع IV و یا از طیف حاصل از مطالعات ویژه ساختگاهی بدون در نظر گرفتن وقوع روانگرایی استفاده نمود.

در حالاتی که اثر گسترش جانبی، در طراحی پی های سطحی و عمیق در نظر گرفته می شود، برای مطالعه عملکرد لرزهای پی، اثر آن باید به صورت یک فشار افقی منظور گردد. بدیهی است که در این حالت نیازی به اضافه نمودن نیروی اینرسی دینامیکی افقی زلزله ناشی از وزن سازه به نیروهای افقی ناشی از گسترش جانبی برای طراحی بخشهای زیرزمینی سازه نیست.

روش‌های کاهش خطرهای ناشی از روانگرایی و گسترش جانبی

 برای کاهش خطرهای ناشی از روانگرایی و گسترش جانبی می توان سه راهکار را در نظر گرفت: الف) تمهیدات سازهای، ب) تمهیدات ژئوتکنیکی و پ) تغییر محل ساختگاه.

تمهیدات سازه‌ای

مؤثرترین تمهید سازهای برای کاهش خرابی ناشی از روانگرایی یا گسترش جانبی استفاده از پی عمیق است. در طراحی پی های عمیق جهت جلوگیری از خسارات ناشی از روانگرایی باید در نظر داشت که طولی از شمع که در خاک روانگرا قرار می گیرد، فاقد مقاومت اصطکاکی است و چنانچه نوک شمع نیز در لایه روانگرا قرار گیرد، فاقد ظرفیت باربری نوک می باشد. در صورتی که خاک محل در معرضی روانگرایی بوده و پتانسیل گسترش جانبی نیز داشته باشد، در طراحی پی عمیق باید نیروهای جانبی ناشی از گسترش جانبی وارد بر پی را نیز در نظر گرفت.

 اگرچه استفاده از پی های گسترده می تواند از فروپاشی سازه متکی بر آن و وقوع تلفات جانی جلوگیری کند، ممکن است موجب کج شدگی یا واژگونی سازه شود و خسارات قابل توجهی به سازه وارد نماید. در مکانهای دارای پتانسیل روانگرایی و گسترش جانبی، استفاده از پی های تکی یا باسکولی (کلافهای لنگربر) به هیچ وجه توصیه نمی شود.

تمهیدات ژئوتکنیکی

 به طور کلی روش های کاهش مخاطرات روانگرایی، برای ساختگاههای دارای پتانسیل گسترش جانبی نیز قابل استفاده است. تمهیدات ژئوتکنیکی برای جلوگیری از روانگرایی خاکهای ناپایدار می تواند شامل خاک برداری و جایگزین کردن خاک و یا تحکیم خاک در محلی به کمک تراکم دینامیکی، ویبراتورها، شمع کوبی، تزریق تحکیمی، تسلیح خاک، تزریق شیمیایی و نصب زهکشی گردد. قبل از استفاده از هر یک از روشهای پایدارسازی

خاک، برنامه ریزی و طراحی دقیقی مورد نیاز است.

 در مورد گسترش جانبی، در صورت امکان می توان خارج از محدوده اجرای سازه از روشهای مناسب فوق نظیر تراکم دینامیکی یا کوبیدن شمعهای فداشونده بهره گرفت تا مانع گسترش جانبی توده لغزنده خاک روانگرا و رسیدن آن به محدوده سازه مورد نظر گردد.

تغییر محلی ساختگاه

 در صورتی که از نظر فنی و اقتصادی امکان تغییر محلی ساختگاه وجود داشته باشد، می توان از این راه حلی برای پرهیز از خطرهای ناشی از روانگرایی و گسترش جانبی استفاده نمود.

زمین لغزش

 ارزیابی زمین لغزش باید بر اساس برآورد میزان و خطر وقوع آن با استفاده از مطالعات ژئوتکنیک و شناسایی نوع زمینلغزشی احتمالی، صورت گیرد. برای احداث ساختمان در بالا، پایین یا روی شیب، هرگونه خاک برداری و یا خاکریزی بر روی آن باید همراه با تحلیل و بررسی پایداری شیبا در شرایط زلزله باشد. در صورت نیاز با استفاده از مطالعات ویژه شامل بررسیهای زمین شناسی مهندسی، ژئوفیزیکی، حفر گمانه با تعداد و عمق مناسب، آزمایشهای صحرایی و آزمایشگاهی و تحلیل پایداری شیب، تمهیدات لازم برای پایدارسازی شیب و جلوگیری از وقوع زمینلغزش تأمین گردد. در صورت احداث ساختمان در بالا یا روی شیب، ظرفیت باربری پی و پایداری موضعی شیب نیز باید تأمین گردد. جهت انتخاب ساختگاه در مناطق شیب دار باید توجه ویژهای به شرایط نامطلوب زیر در خصوصی پایداری شیب ها معطوف شود.

1.  ریخت شناسی مناطق لغزشی یا مستعد لغزشی شامل توپوگرافی سطحی ناهموار، شیب‌های ناپایدار و مناطقی که در اطراف آن تغییرات شیب قابل توجه وجود دارد؛
2. وجود قله ها و خطالرأس ها، لبه های پرتگاه و کنارههای رودخانه و سواحل در معرض فرسایش و خاکریزهای متراکم نشده؛
3. وجود لایه‌های ضعیف در پنجه شیب ها؛
4. افزایش شیب دامنههای موجود، ایجاد شیبهای جدید و هرگونه خاک برداری ازپنجه شیب ها؛
5. شیب‌های واقع در مناطق دارای رطوبت و بارندگی زیاد،
6. وجود دامنه‌های سنگی با نا پیوستگی های ممتد و نا مطوبی که شیبی کمتر از شیب دامنه دارند دامنه دارند.

ارزیابی پایداری شیب ها به منظور بررسی استعداد زمین لغزش

در مواردی که توپوگرافی سطحی و لایه بندی خاک نامنظمی شدید نداشته باشد، پاسخ زمینهای شیبدار به زلزله طرح می تواند با استفاده از تحلیلی شبه استاتیکی ساده شده محاسبه گردد. در غیر این صورت باید از روشهای تحلیل دینامیکی نظیر المان محدود یا مدل بلوک صلب لغزنده و دیگر روش ها استفاده گردد. در آنالیز شبه استاتیکی، نیروهای اینرسی لرزه ای طرح که بر توده خاک وارد می شوند، باید محاسبه گردند.

A نسبت شتاب مبنای طرح مطابق جدول (۲-۱)

 نیروی افقی ناشی از زلزله

 , ضریب مؤلفه افقی زلزله

 وزن توده لغزشی

 اثر مؤلفه قائم زلزله بجز در شرایط خاصی نظیر میدان نزدیک درنظر گرفته نمی شود. در تحلیلهای شبه استاتیکی، پارامترهای مقاومت برشی خاک در صورت نیاز باید با توجه به کاهش چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی در کرنش های بزرگ و یا افزایش فشار آب حفره ای ناشی از زلزله انتخاب گردد. استفاده از پارامترهای مقاومتی کرنشی بزرگ خاک برای ساختگاههایی که قبلاً دچار لغزش شده و احتمال فعالیت مجدد آنها توسط زلزله وجود دارد، ضروری است. تحلیل شبه استاتیکی باید برای بحرانی ترین سطح لغزشی انجام گیرد.

 طراح باید با توجه به دقت روش تحلیلی و طراحی، تعداد و کیفیت نوع ازمایش های ژئوتکنیکی و دقت در شناخت لایههای زمین، و دقت انتخاب ضریب زلزله مؤثر، ضریب اطمینان مناسب را انتخاب کند.

 چنانچه نتایج تحلیل پایداری شیب نشان دهنده ناپایداری باشد، لازم است از روشهای مناسب و متداول پایدارسازی شیب ها استفاده شود.

فرونشست

 در صورتی که ساختگاه مورد نظر بر روی گشودگی های زیرزمینی بزرگ نظیر غارهای کار ستیک، مغارهای نیروگاهها و ایستگاههای مترو، معادن و تونل هایی با دهانه بزرگ قرار داشته باشد، احتمالی فرو ریزش سقف این فضاهای زیرزمینی بر اثر زلزله وجود دارد و موجب فرونشست زمین و آسیب رسیدن به سازه خواهد شد. در صورت وجود چنین بازشدگی های زیرزمینی در زیر سازه باید مطالعات خاصی برای اطمینان از ایمنی سازه انجام شود و در صورت لزوم، تمهیدات لازم برای جلوگیری از آسیب دیدن سازه ناشی از فرونشست زمین در نظر گرفته شود. حفرات زیر سطحی که امکان ناپایداری آنها در اثر زلزله وجود دارد، می توانند با یکی از موارد زیر مرتبط باشند:

• قناتها
• حفرات و فضاهای زیرزمینی شامل ایستگاههای مترو، تونلهای کم عمق، معادنزیرزمینی، چاهها و کورههای فاضلاب و نظایر آنها
• حفرات و غارهای زیرزمینی طبیعی
• حفرات به وجود امده ناشی از آب شستگی دانههای خاک بر اثر ترکیدگیلولههای آب، نفوذ آبهای سطحی و نظایر آن

شناسایی حفرات زیرسطحی

برای شناسایی حفرات زیرسطحی می توان از روشهای شناسایی مختلف از جمله حفر گمانه و یا روشهای ژئوفیزیکی استفاده کرد. شناسایی قناتهای فعال و تونلهای تاسیسات شهری باید بر اساس مدارک موجود انجام گیرد. تعیین نوع خاک و عمق قرارگیری و قطر حفره زیرسطحی به منظور بررسی پایداری آن الزامی است.

گسلش

جابجایی ناشی از گسلش در سطح زمین می تواند موجب آسیب به سازهها گردد، در پهنههای گسلی به ویژه گسل های اصلی، اجتناب از ساخت ساختمان به ویژه ساختمانهای با اهمیت بسیار زیاد اکیدا توصیه میشود. از این رو، لازم است کلیه سازندگان بنا در این پهنه ها پیش از ساخت اقدام به شناسایی گسلش سطحی کرده و در صورتی که زمین شناسی، گسلش سطحی با جابه جایی عمده ای را تشخیص داد، ضوابط مربوط به پهنه های با جابه جایی عمده بر اساس آیین نامههای ملی یا بین المللی معتبرمصوب رعایت گردد.

کاربری زمین‌های شهری حتی الامکان باید به نحوی انجام شود که محدودههایپهنههای گسلی به ویژه گسل های اصلی به کاربریهای کم خطر و یا کم تراکم نظیرفضای سبز، معابر، فضاهای ورزشی و تفریحی با سازههای سبک اختصاصی یابد. در پهنه گسل های اصلی با جابجایی عمده، احداث ساختمان با اهمیت بسیار زیاد ممنوع است و در مابقی پهنهها احداث آنها با انجام مطالعات و اعمال تمهیدات ویژه مجاز می باشد. همچنین در پهنه گسلی های اصلی با جابجایی عمده احداث ساختمان با اهمیت زیاد صرفاً با انجام مطالعات ویژه و اعمال تمهیدات ویژه مجاز می باشد. پهنه های گسلی دربرگیرنده تغییر شکل های عمده در محدوده اطراف گسل ها می باشد که برای گسل های اصلی، پهنه گسل های اصلی نام گذاری می شوند. گسل های اصلی، گسلهایی هستند که طول آنها بیش از ده کیلومتر است.

 در صورتی که در پهنههای گسل های اصلی، در مواردی جابه جایی عمده وجود داشته باشد، این محدوده با نام پهنه با جابه جایی عمده تعریف می شود.

بزرگ نمایی ناشی از توپوگرافی

افزایش نیروی طراحی لرزهای در بررسی پایداری شیبها و طراحی سازههای واقع بر شیب ها یا نزدیک آنها باید از طریق ضریب بزرگنمایی توپوگرافی (Sr) برای شیبهای با ارتفاع بیش از ۳۰ متر و با زاویه میانگین بیش از ۱۵ صورت گیرد. در تحلیل پایداری شیب ها ضریب بزرگ نمایی توپوگرافی در مقدار K_h  ضرب می گردد. حداقل مقادیر ضریب بزرگ نمایی توپوگرافی در پایداری شیب ها و طراحی سازههای واقع بر یا نزدیک شیبها در جدولی (۶-۲) ارائه گردیده است. این ضریب بزرگ نمایی فقط در ثلث فوقانی ارتفاع شیب ها اعمال می گردد.

دیوار نگهبان خاک

برای تحلیل و طراحی دیوارهای نگهبان زیر زمین اطراف ساختمانها و دیوارهای نگهبان اطراف ساختمان در این استاندارد می توان از روش شبه استاتیکی با انتخاب ضریب زلزلهمناسب استفاده نمود.

 ضریب فشار جانبی لرزهای خاک وارد بر دیوار نگهبان مجاور سازهها با توجه به نحوه اتصال و تغییرشکل پذیری سازهها، باید به صورت یکی از حالات زیر تعیین گردد:

 الف- دیوار نگهبان کاملاً متصل به سازه، و بدون قابلیت جابجایی،

 ب- دیوار نگهبان کاملاً مجزا از سازه و با قابلیت جابجایی جهت فعال شدن فشار خاک

ج- بخشی از دیوار در زیر تراز پایه به صورت متصل به سازه و بخشی از آن مجزا و باقابلیت جابجایی است.

 این شرایط معمولاً در زمینهای شیب دار و یا ساختمانهایی که وجوه مقابل آن نمی توانند به طور متقابل و متعادل در زیر تراز پایه قرار گیرند، پیش می آید. دراین صورت بخش پایین تر از تراز پایه براساس بند الف و بخش فوقانی آن مطابق بند با فوق طراحی می گردند. در صورتی که بنا به عللی بخش فوقانی که نمی تواند با دیوار مقابل خود در ساختمان فشار متقابل و متعادل را داشته باشد، کاملاً متصل به سازه ساخته شود،فشار خاک وارده بر این قسمت از دیوار در حالت وقوع زلزله مطابق بند الف محاسبه خواهد شد.