تحليل عددي تاثير ستون سنگي براي كاهش خطر روانگرايي خاك در حين زلزله

Numerical Modeling effectiveness of Stone Column in Mitigation of Liquefaction During Earthquak

يكي از عوامل خرابي سازه‌هايي كه بر روي بستر‌هاي ريز دانه سيلتي و ماسه‌اي اشباع، قرار گرفته‌اند وقوع پديده روانگرايي و ايجاد نشست و گسيختگي ناشي از آن است. در اين ميان استفاده از ستون هاي سنگي كه همان جاگذاري بخشي از مصالح ريز دانه بستر با ستوني از مصالح سنگي است يكي از روش‌هاي مقرون به صرفه و ساز گار با محيط زيست در بهسازي خاك به شمار مي‌رود. با توجه به طبيعت سه بعدي حاكم بر اندركنش ستون سنگي با محيط پيراموني، به شكل تكي و گروهي در شرايط زلزله، بررسي ميزان تاثيرگذاري اين روش بر كاهش آثار روانگرايي در توده‌هاي ماسه‌اي اشباع، موضوع پژوهش حاضر در نظر گرفته شده است. براي اين منظور در گام نخست وقوع روانگرايي در بسترهاي مستعد روانگرايي به روش عددي تفاضل محدود و به كمك نرم افزار FLAC3D بررسي شده، و نتايج حاصل از اين تحليل با نتايج آزمايش شماره يك پروژه بين المللي VELACS مقايسه و بدين وسيله اعتبار سنجي حل عددي نرم افزار با دقت مناسبي صورت پذيرفته است. در ادامه براي نشان دادن تاثير ستون سنگي تكي با قطرهاي مختلف بر كاهش روانگرايي، مدلسازي مربوطه انجام و نتايج در قالب كاهش اضافه فشار حفره‌اي در سطح و عمق مورد نظر ارزيابي شده است. در پايان نيز با به كارگيري چيدمان مربعي براي ستون‌هاي سنگي دامنه كارايي اين ستون‌ها به فرم گروهي با بررسي هم‌زمان اثر قطر و فاصله بررسي شده است. نتايج به دست آمده بيانگر تاثير ستون سنگي در زهكشي شعاعي و كاهش فشار آب حفره‌اي در منطقه‌اي به اندازه 2 تا 5/2 برابر قطر ستون سنگي در خاك اطراف آن است.

Liquefaction is one of the most essential causes of failure of transportation infrastructures, especially the road and railroad based on saturated fine sand substrates under seismic conditions. Meanwhile, applying stone columns in a group form is considered as one of the methods to control this phenomenon. As no specific numerical study has been carried out on radius and depth of influence of the columns, this research aims at discussing it. To do so, Model No (1) of VELACS project — including NEVADA sand with relative density of %40 — was first evaluated numerically using FLAC3D finite difference and sufficiency of Finn behavioral constitutive model in liquefaction simulation was shown. Then, sensitivity analysis was performed to examine its radius and depth of influence on reducing excess pore water pressure by imposing a stone column in the center of the model and changing its diameter. In the final step, sensitivity analysis was performed on their efficiency to control liquefaction by simulating the group stone column with square layout and changing diameter of columns and their center-to-center distance. The results of numerical analyses show that performance of the single stone column increases in reducing excess pore water pressure by increasing depth so that the stone column performance at 1.25m depth with 150 cm diameter is a circular area with approximate diameter of 430 cm and the stone column performance at 2.5m depth is an area with approximate depth of 580 cm. Generally, it can be stated that at the depth of 1.25m, the effective area of the column is 3 times bigger than the stone column diameter. For the depth of 2.5 m, this area is 4 times bigger than the stone column diameter. Also soil liquefaction occurs in farther distances from the effective area of the column with a 2-6 sec delay as compared with the column-free state. Columns distance proportion to stone columns diameter was evaluated for the group state. The results show that, the group performance were dominant for and on the other hand almost each column acts in a single manner for . Finally, the group state’s performance was better than the one of single column so that maximum efficiency in liquefaction risk reduction is 92%.