آسیب­های سطحی ناشی از آن و نیز نحوه تاثیر روانگرایی بر سازه­های زیرزمینی و راهکارهای مقابله با این اثرات، روش­های مختلف ارزیابی پتانسیل روانگرایی مورد بررسی قرار می­گیرد. در فصل سوم به تئوری روش زمین­آمار و مرور مطالعات موردی صورت گرفته در زمینه استفاده از روش کریجینگ در ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک­ها پرداخته می­ شود.
فصل چهارم به معرفی وضعیت لرزه­خیزی، سطح ایستابی، زمین­ شناسی و نیز داده ­های حاصل از مطالعات ژئوتکنیکی صورت گرفته در مسیر خط دو متروی تبریز اختصاص یافته است.
در فصل پنجم، با ترکیب روش کریجینگ معمولی[9] و رابطه تجربی یود و همکاران[10] مقادیر فاکتور ایمنی در برابر روانگرایی در نهشته خاک واقع در مسیر خط دوی مترو تبریز تخمین زده می­ شود؛
در نهایت در فصل ششم ضمن نتیجه ­گیری از مجموع بررسی­ها و محاسبات انجام شده، پیشنهادهایی جهت ادامه مطالعات ارائه می­ شود.
2-1-پدیده روانگرایی
روانگرایی به معنی پدیده شکل­ گیری لرزه­ای فشارهای آب منفذی بزرگ در خاک­های دانه­ای است که طی آن خاک از یک وضعیت جامد به حالت مایع تبدیل می­ شود [7].

در خاک­های ماسه­ای، قبل از وقوع زلزله ذرات خاک در تماس با یکدیگر قرار دارند (شکل 2-1-الف). این امر موجب می­ شود که مقاومت برشی خاک، τ، پایداری سازه­ای که در سطح زمین قرار دارد را تامین نماید. نهشته­های ماسه­ای نسبتا سست ریزدانه که در زیر سفره آب زیرزمینی قرار گرفته­اند، هنگامی که تحت اثر بارهای لرزه­ای قرار ­گیرند تمایل به کاهش حجم پیدا می­ کنند. در صورتیکه زمان کافی جهت خروج آب منفذی از بین دانه­ های خاک موجود باشد، خاک حالت متراکم­تری گرفته و مقداری آب از آن خارج می­گردد. با توجه به اینکه در حین زلزله و بارگذاری­های سریع زمان کافی جهت زهکشی وجود ندارد، در اثر تمایل به تراکم فشار آب منفذی، u، افزایش می­یابد. با تداوم ارتعاش، بر میزان فشار آب به تدریج افزوده شده و به مقدار تنش کل سربار، σ، نزدیک می­ شود. در نهایت زمانی فرا می­رسد که تنش کل برابر فشار آب منفذی گردد. در این حالت بر اساس رابطه زیر تنش سربار موثر، ، برابر صفر شده و تماس بین دانه­ها از بین می­رود:
 (2-1)                                                                         
از طرف دیگر با توجه به اینکه در خاک­های دانه­ای اشباع، مقاومت برشی با بهره گرفتن از معادله 2-2 بدست می­آید، با از بین رفتن تنش موثر، ماسه ناگهان مقاومت برشی خود را از دست داده و رفتاری شبیه رفتار یک مایع از خود نشان می­دهد. این پدیده روانگرایی نامیده می­ شود (شکل 2-1-ب) .
(2-2)                                                                                                                 τ= σ’ tanφ’  
که درآن،  به معنی زاویه اصطکاک داخلی خاک می­باشد.
پس از وقوع روانگرایی، همزمان با خروج آب، تماس بین ذرات خاک مجددا برقرار شده و حالتی مانند آنچه که در شکل 2-1-ج نشان داده شده است، بوجود می ­آید که همان گیرش مجدد توده خاک، لیکن پس از وقوع مقدار زیادی نشست است. کاهش حجم در خاک نشست کرده، برابر حجم آب حفره­ای است که از خاک خارج شده است. مکانیزم پدیده روانگرایی در خاک­های واقعی بسیار پیچیده­تر هست، زیرا از روی هم قرار گرفتن ذرات با اندازه­ های مختلف تشکیل یافته­اند [8].
شکل2-1- شماتیک رفتار ذرات خاک الف) قبل، ب) بعد، ج) حین روانگرایی [8].
2-3- آسیب­های ناشی از روانگرایی خاک­ها
به طور تقریبی می­توان گفت که در پی تمامی زمین­لرزه­های بزرگ، شواهد روانگرایی وجود داشته است [10]. این پدیده اغلب در عمق اتفاق می­افتد که به دلایل مختلفی ممکن است تا سطح زمین توسعه نیابد. بنابراین شواهد سطحی بیانگر وقوع روانگرایی خاک هستند، اما عدم وجود مشاهدات سطحی الزاما به معنای عدم وقوع آن نیست [11]. آسیب­های ناشی از روانگرایی در حالت کلی شامل دو دسته می­باشد: الف) آسیب­های سطحی، ب)آسیب­هایی که بر سازه­های زیرزمینی وارد می­ شود. با توجه به

اینکه خرابی­های سطحی پس از زمین­لرزه قابل رویت می­باشند، مطالعات گسترده­ای در ارتباط با آن­ها صورت گرفته است. با این وجود به دلیل کمبود شواهد صحرایی حاصل از ابزاربندی و نیز پیچیدگی مدلسازی خسارات ناشی از روانگرایی بر روی سازه­های زیرزمینی، مطالعات صورت گرفته در زمینه دسته دوم آسیب­ها محدود و گاها بحث­برانگیز است [14-12].
در ادامه این بخش، در ابتدا به آسیب­های سطحی ناشی از روانگرایی به اختصار اشاره می­گردد و سپس آسیب­هایی که امکان وقوع آن­ها در سازه­های زیرزمینی وجود دارد، با تفصیل بیشتری مورد بحث قرار می­گیرند.
2-3-1-آسیب­های سطحی
از جمله آسیب­های سطحی ناشی از روانگرایی خاک­ها، می­توان به فوران ماسه، نشست و گسترش جانبی زمین و خسارات ناشی از حرکت رو به بالای سازه­های زیرزمینی اشاره نمود . در شکل 2-2 نمونه واقعی این خرابی­ها نشان داده شده است.
آسیب­های ناشی از روانگرایی بر سازه­های زیرزمینی
تاسیسات زیرزمینی که در اعماق کم در خاک­ها احداث می­گردند، امروزه کاربردهای وسیعی از خطوط لولهکوچک (از قبیل خطوط لوله­ای که برای انتقال گاز طبیعی و ذخیره آب استفاده می­شوند) گرفته تا سازه­های زیرزمینی بزرگ (نظیر مترو، راه­آهن و تونل­های بزرگراه) پیدا کرده ­اند.
از نظر تاریخی، گزارش­های مربوط به خسارات ناشی از روانگرایی خاک­ها در سازه­های زیرزمینی، در مقایسه با سازه­های سطحی، کمتر بوده است. با این وجود گزارش­های متعددی وجود دارد که مبین درجات مختلفی از آسیب­ها در تونل­ها و فضاهای زیرزمینی است. در اثر وقوع زمین­لرزه کوبه در سال 1995 خسارات متعددی به سیستم مترو، نظیر ریزش ایستگاه دایکای، وارد شد. در طی زلزله دوزکه (1999) در ترکیه، یک تونل بزرگراه دچار ریزش شد. زمین­لرزه تایوان (1999) نیز خسارات شدیدی بر تونل­های کوهستانی در مرکز شهر بوجود آورد. خرابی­های ایجاد شده در سازه­های زیرزمینی بزرگ، هم­چنین در زمین­لرزه­های دیگر نظیر تانگشان (1976) در چین و لوما پریتا (1989) در آمریکا نیز مشاهده شده است [16].
مطالعات انجام گرفته در خصوص خرابی­های سازه­های زیرزمینی بزرگ که در

طی بارگذاری زلزله اتفاق می­افتد، عمدتا شامل بررسی رفتار سازه­های محصور شده بوسیله خاک­های غیر روانگرا است [17، 18]. بر اساس این مطالعات، روش­هایی نیز جهت طراحی مقاوم آنها در برابر بارهای لرزه­ای ارائه گشته است [18]. در مقابل، اگرچه روانگرایی خاک­های اطراف ممکن است منجر به آسیب­های جدی گردد، مطالعات عددی [12، 16، 22-19] و آزمایشگاهی [23] کمی در خصوص رفتار لرزه­ای سازه­های زیرزمینی بزرگ محصور با خاک روانگرا می ­تواند یافت شودکه در این میان روش­های عددی تایید شده نظیر روش المان محدود، به طور موفقیت­آمیزی به منظور تحلیل این سازه­ها و مسائل اندرکنش خاک و سازه مورد استفاده قرار گرفته­اند.
بر اساس این مطالعات، به استثنای برکنش سازه در اثر روانگرایی، پاسخ لرزه­ای درون صفحه­ای سازه­های زیرزمینی مشابه عملکرد گزارش شده آن­ها در خاک­های غیر روانگرا است [16].
2-3-2-1- انواع خرابی­های سازه­های زیرزمینی در اثر وقوع روانگرایی
بر اساس مشاهدات به دست آمده، از جمله آسیب­های ناشی از روانگرایی بر سازه­های زیرزمینی می­توان به حرکت رو به بالای سازه در اثر فشار بالا برنده ناشی از افزایش فشار منفذی در خاک­های روانگرا شده، گسترش جانبی زمین و نشست سازه در اثر فرایند تحکیم پس از روانگرایی اشاره نمود [3، 12، 16، 21، 22].
در این میان، حرکت رو به بالای سازه زیرزمینی مورد مطالعات گسترده­ای قرار گرفته است که در ادامه بدان پرداخته می­ شود.
فشار برکنش موثر بر زیر سازه­های زیرزمینی که بوسیله روانگرایی خاک­های اطراف آن ایجاد می­ شود، موجب جابجایی سازه­ها به طرف بالا می­گردد. این جا به ­جایی به سمت بالا آماس سطح زمین را در پی خواهد داشت [3]. برکنش سازه به همراه آماس سطح زمین ناشی از آن، در شکل 2-3 نشان داده شده است. با توجه به این شکل که نمونه ­ای از تحلیل صورت گرفته بوسیله لیو و سونگ[10] [3] است، میزان آماس در سطح زمین با دور شدن از موقعیت سازه به تدریج کاهش می­یابد.
شکل 2-3- وضعیت تونل الف) قبل، ب) پس از وقوع روانگرایی خاک­های اطراف آن [3].
 لیو و سونگ [3]، مکانیزم برکنش سازه را بصورت مراحل زیر بیان نموده ­اند:

• توسعه اضافه فشار منفذی منجر به کاهش سریع میزان سفتی خاک­های اطراف سازه­های زیرزمینی می­ شود؛

• وزن مخصوص موثر کوچک سازه زیرزمینی، به دلیل تفاضل فشارهای قائم موثر بر آن، آن را مستعد برکنش می­سازد و

• تغییر شکل یا جریان خاک­های اطراف ،در اثر کاهش سفتی، منجر به فشرده شدن خاک­های واقع در زیر سازه شده و سازه را به طرف بالا می­راند.

میزان برکنش ناشی از روانگرایی تحت تاثیر عوامل متعددی قرار دارد. برخی از این عوامل عبارتند از:

• دامنه بارگذاری: با افزایش دامنه شتاب افقی زمین­لرزه، میزان برکنش سازه و آماس سطح زمین افزایش می­یابد؛