1-6 شناسایی نوع زمین

لازمه طراحی هر سازه ای که بر روی زمین (خاک) قرار می‌گیرد، 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 برش‌های موجود در لایه‌های خاک (چاه‌ها، خاکبرداری ها و ترانشه های موجود)

– اخذ گزارش مطالعات ژئوتکنیکی مرتبط با دو ساختمان در طرفین زمین مورد نظر که با فاصله کمی از آن قرار گرفته‌اند.

– انجام مطالعات ژئوتکنیکی خاص در زمین مورد نظر، متناسب با اهمیت و ساختمان و ارتفاع آن

کسب حداقل شناخت از لایه‌های زمین ضروری می‌باشد، لكن درجه شناخت مورد نیاز، متناسب با اهمیت ساختمان و شرایط ژئوتکنیکی محل تعیین می‌گردد.

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 برش موجود در پل‌های نزدیک ساختمان مذکور) می‌توان در مورد لایه‌های خاک توسط یک متخصص با تجربه اظهار نظر نمود. بدیهی است، در این مورد چنانچه شواهدی از وجود نوع زمین غیر از زمین‌های نوع I و II و III و IV جدول (2-3) در محل وجود داشته باشد، انجام مطالعات ژئوتکنیکی در زمین مورد نظر، 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 می‌باشد. 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، سنگریزش 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 محل 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، آزمایش‌های فیزیکی و مکانیکی بر روی خاک به دست آمده در آزمایشگاه و تجزیه و تحليل نتایج و نتیجه گیری در مورد وضعیت ژئوتکنیکی زمین مورد نظر می‌باشد. بدیهی است کلیه عملیات فوق باید بر اساس 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 (V_S) در لایه‌های مختلف خاک انجام شود.

2-6 ناپایداری‌های زمین ناشی از زلزله

ناپایداری‌های زمین ناشی از زلزله می‌تواند شامل روانگرایی، گسترش جانبی، زمین لغزش، فرونشست و گسلش مطابق ضوابط بندهای (۶-۲-۱) تا (۶-۲-۴) باشد.

1-2-6 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 شکل‌های دائمی مهم یا ایجاد شرایطی نزدیک به تنش مؤثر صفر در خاک می‌شود، به عنوان روانگرایی شناخته می‌شود.

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

الف- سابقه روانگرایی در آنها وجود داشته باشد.

ب- زمین‌هایی که از نوع خاک ماسه‌ای با تراکم کم، اعم از تمیز، یا رس دار با مقدار رس 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 دانه بندی خاک داخل محدوده مستعد روانگرایی باشد.

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

الف- ماسه محتوی بیش از ۲۰ درصد رس با ۲۰ < PI

ب- ماسه محتوی بیش از ۳۵ درصد لای و به طور همزمان ۲۰ < N₁₍₆₀₎

ج- ماسه تمیز با ۳۰ < N₁₍₆₀₎

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

1-1-2-6 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_l) به دست آید.

2-1-2-6 گسترش جانبی

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

طراحی لرزه‌ای پی برای مقاومت در برابر گسترش جانبی باید به گونه‌ای انجام شود که جابجایی افقی در بالای پی و یا تنش‌های ناشی از آن 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 می‌کند، در طراحی پی و سازه اعمال شود:

حالتی که فرض می‌شود گسترش جانبی اتفاق خواهد افتاد

حالتی که فرض می‌شود تنها روانگرایی اتفاق خواهد افتاد.

حالتی که فرض می‌شود هیچ کدام از روانگرایی و گسترش جانبی اتفاق نخواهد افتاد. در این صورت بایستی در طراحی‌ها 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 پیهای سطحی و عمیق در نظر گرفته می‌شود، 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.

3-1-2-6 روش‌های کاهش خطرهای ناشی از روانگرایی و گسترش جانبی

برای کاهش خطرهای ناشی از روانگرایی و گسترش جانبی می‌توان سه راهکار را در نظر گرفت:

الف) تمهیدات سازه‌ای، ب) تمهیدات ژئوتکنیکی و پ) تغییر محل ساختگاه.

1-3-1-2-6 تمهیدات سازه‌ای

مؤثرترین تمهید سازه‌ای برای کاهش خرابی ناشی از روانگرایی یا گسترش جانبی استفاده از پی عمیق است. در طراحی پی‌های عمیق جهت جلوگیری از خسارات ناشی از روانگرایی باید در نظر داشت که طولی از شمع که در خاک روانگرا قرار می‌گیرد، فاقد مقاومت اصطکاکی است و چنانچه نوک شمع نیز در لایه روانگرا قرار گیرد، فاقد ظرفیت باربری نوک می‌باشد. در صورتی که خاک محل در معرض 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 پی‌های گسترده می‌تواند 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 پی‌های تکی یا باسکولی (کلاف‌های لنگر بر) به هیچ وجه توصیه نمی‌شود.

2-3-1-2-6 تمهیدات ژئوتکنیکی

به طور کلی روش‌های کاهش مخاطرات روانگرایی، برای ساختگاه های دارای پتانسیل گسترش جانبی نیز قابل استفاده است. تمهیدات ژئوتکنیکی برای جلوگیری از روانگرایی خاکهای ناپایدار می‌تواند شامل خاکبرداری و جایگزین کردن خاک و یا تحکیم خاک در محل به کمک تراکم دینامیکی، ویبراتورها، شمع کوبی، تزریق تحکیمی، تسلیح خاک، تزریق شیمیایی و نصب زهکش 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 می‌توان خارج از محدوده اجرای سازه از روش‌های مناسب فوق نظير 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.

3-3-1-2-6 تغییر محل ساختگاه

در صورتی که از نظر فنی و اقتصادی امکان تغییر محل ساختگاه وجود داشته باشد، می‌توان از این راه حل برای پرهیز از خطرهای ناشی از روانگرایی و گسترش جانبی استفاده نمود.

2-2-6 زمین لغزش

ارزیابی زمین لغزش باید بر اساس برآورد میزان و خطر وقوع آن با استفاده از مطالعات ژئوتکنیک و شناسایی نوع زمین لغزش احتمالی، صورت گیرد. برای احداث ساختمان در بالا، پایین یا روی شیب، هر گونه خاکبرداری و یا خاک ریزی بر روی آن باید همراه با تحلیل و بررسی پایداری شیب 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 وجلوگیری از وقوع زمین لغزش 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 خصوص پایداری شیبها معطوف شود.

۱-ریخت شناسی مناطق لغزشی یا مستعد لغزش شامل توپوگرافی سطحی ناهموار، شیب‌های ناپایدار و مناطقی که در اطراف آن تغییرات شیب قابل توجه وجود دارد؛

۲- وجود قله‌ها و خط الرأس ها، لبه‌های پرتگاه و کناره‌های رودخانه و سواحل در معرض فرسایش و خاکریزهای متراکم نشده؛

٣- وجود لایه‌های ضعیف در پنجه شیبها؛

۴- افزایش شیب دامنه‌های موجود، ایجاد شیب‌های جدید و هرگونه خاکبرداری از پنجه شیبها؛

۵- شیب‌های واقع در مناطق دارای رطوبت و بارندگی زیاد،

۶- وجود دامنه‌های سنگی با ناپیوستگی‌های ممتد و نامطلوبی که شیبی کمتر از شیب دامنه دارند.

1-2-2-6 ارزیابی پایداری شیبها به منظور بررسی استعداد زمین لغزش

در مواردی که توپوگرافی سطحی و لایه بندی خاک نامنظمی شدید نداشته باشد، پاسخ زمین‌های شیب دار به زلزله طرح می‌تواند با استفاده از تحلیل شبه استاتیکی ساده شده محاسبه گردد. در غیر این صورت باید از روش‌های تحلیل دینامیکی نظير المان محدود یا مدل بلوک صلب لغزنده و دیگر روش‌ها استفاده گردد. در آنالیز شبه استاتیکی، نیروهای اینرسی لرزه‌ای طرح که بر توده خاک وارد می‌شوند، باید محاسبه گردند.

در تحلیل‌های شبه استاتیکی، پارامترهای مقاومت برشی خاک در صورت نیاز باید با توجه به کاهش چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی در کرنش‌های بزرگ و یا افزایش فشار آب حفرهای ناشی از زلزله انتخاب گردد. استفاده از پارامترهای مقاومتی کرنش بزرگ خاک برای ساختگاه هایی که قبلاً دچار لغزش شده و احتمال فعالیت مجدد آنها توسط زلزله وجود دارد، ضروری است. تحلیل شبه استاتیکی باید برای بحرانی‌ترین سطح الغزش انجام گیرد.

طراح باید با توجه به دقت روش تحلیل و طراحی، تعداد و کیفیت نوع آزمایش‌های 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 شیب‌ها استفاده شود.

3-2-6 فرونشست

در صورتی که ساختگاه مورد نظر بر روی گشودگی‌های زیرزمینی بزرگ نظیر غارهای کارستیک، مغارهای نیروگاه‌ها و ایستگاه‌های مترو، معادن و تونل‌هایی با دهانه بزرگ قرار داشته باشد، احتمال 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 باز شدگی‌های زیرزمینی در زیر سازه باید مطالعات خاص 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، می‌توانند با یکی از موارد زیر مرتبط باشند:

– قنات‌ها

– حفرات و فضاهای زیرزمینی شامل ایستگاههای مترو، تونل‌های کم عمق، معادن زیرزمینی، چاه‌ها و کوره‌های فاضلاب و نظایر آنها

– حفرات و غارهای زیرزمینی طبیعی

– حفرات به وجود آمده ناشی از آبشستگی دانه‌های خاک بر اثر ترکیدگی لوله‌های آب، نفوذ آبهای سطحی و نظایر آن

1-3-2-6 شناسایی حفرات زیرسطحی

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

4-2-6 گسلش

5-2-6 جابجایی ناشی از گسلش در سطح زمین می‌تواند موجب آسیب به سازه‌ها گردد، در پهنه‌های گسلی به ویژه گسل‌های اصلی، اجتناب از ساخت ساختمان به ویژه ساختمان‌های با اهمیت بسیار زیاد اکیداً توصیه می‌شود. از این رو، لازم است کلیه سازندگان بنا در این پهنه‌ها پیش از ساخت اقدام به شناسایی گسلش سطحی کرده و در صورتی که زمین شناس، گسلش سطحی با جابه جایی عمده‌ای را تشخیص داد، ضوابط  مربوط به پهنه‌های با جابه جایی عمده بر اساس آیین نامه‌های ملی یا بین المللی معتبر مصوب رعایت گردد.

کاربری زمین‌های شهری حتی الامکان باید به نحوی انجام شود که محدوده‌های پهنه‌های گسلی به ویژه گسل‌های اصلی به کاربری‌های کم خطر و یا کم تراکم نظیر فضای سبز، معابر، فضاهای ورزشی و تفریحی با سازه‌های سبک اختصاص یابد.

در پهنه گسل‌های 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 می‌باشد. همچنین در پهنه گسل‌های اصلی با جابجایی عمده احداث ساختمان با اهمیت زیاد صرفاً با انجام مطالعات ویژه و اعمال تمهیدات ویژه مجاز می‌باشد.

پهنه‌های گسلی در برگیرنده تغییر شکل‌های عمده در محدوده اطراف گسل‌ها می‌باشد که برای گسل‌های اصلی، پهنه گسل‌های اصلی نام گذاری می‌شوند.

گسل‌های اصلی، گسل‌هایی هستند که طول آنها بیش از ده کیلومتر است.

در صورتی که در پهنه‌های گسل‌های اصلی، در مواردی جابه جایی عمده وجود داشته باشد، این محدوده با نام پهنه با جابه جایی عمده تعریف می‌شود.

3-6 بزرگنمایی ناشی از توپوگرافی

افزایش نیروی طراحی لرزه‌ای در بررسی پایداری شیبها و طراحی سازه‌های واقع بر شیبها یا نزدیک آنها باید از طریق ضریب بزرگنمایی توپوگرافی (S_T) برای شیب‌های با ارتفاع بیش از ۳۰ متر و با زاویه میانگین بیش از 15º صورت گیرد. در تحلیل پایداری شیبها ضریب بزرگنمایی توپوگرافی در مقدار K_h ضرب می‌گردد. حداقل مقادیر ضریب بزرگنمایی توپوگرافی در پایداری شیبها و طراحی سازه‌های واقع بر یا نزدیک شیبها در جدول (۶-۲) ارائه گردیده است. این ضریب بزرگنمایی فقط در ثلث فوقانی ارتفاع شیبها اعمال می‌گردد.

جدول ۶-۲ ضرایب بزرگ نمایی ناشی از توپوگرافی

ST	میانگین زاویه شیب (β)	شکل شیب
1.2 ≤	15 <
1.2 ≤	15 تا 30
1.4 ≤	30 <

4-6 دیوار نگهبان خاک

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

ضریب فشار جانبی لرزه‌ای خاک وارد بر دیوار نگهبان مجاور سازه‌ها با توجه به نحوه اتصال و تغییر شکل 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 پشت دیوار،

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

این شرایط معمولاً در زمین‌های شیب دار و یا ساختمان‌هایی که وجوه مقابل آن نمی‌توانند به طور متقابل و متعادل در زیر تراز پایه قرار گیرند، پیش می‌آید. در این صورت بخش پایین‌تر از تراز پایه براساس بند الف و بخش فوقانی آن مطابق بند ب فوق طراحی می‌گردند. در صورتی که بنا به عللی بخش فوقانی که نمی‌تواند 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.