Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

عندما تهتز الأرض أثناء الزلزال، يمكن للتربة تحت أقدامنا أن تفقد قوتها أحياناً وتتحول إلى مادة سائلة كثيفة تشبه الملاط. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "تمييع التربة"، تمثل تهديداً صامتاً لأساسات الجسور. فخلافاً للأرض الصلبة التي تثبت الهيكل في مكانه بإحكام، توفر التربة المميعة مقاومة ضئيلة، مما يسمح للخوازيق — وهي الأعمدة العميقة التي تثبت الجسر — بالهبوط أو الميل أو الانكسار تحت الوزن الموجود فوقها. ويعد هذا خطيراً بشكل خاص بالنسبة لنوع معين من الجسور يسمى "جسر الأكتاف المتكاملة". تُبنى هذه الهياكل كإطار واحد مستمر دون فواصل التمدد الموجودة في الجسور القديمة، مما يسمح لها بالتحرك بشكل طبيعي مع تغيرات درجات الحرارة. ومع ذلك، فإن هذا التصميم المتصل يعني أن سطح الجسر متصل بصلابة بالخوازيق، مما ينقل كل ذرة من الطاقة الزلزالية مباشرة إلى الأساس. وإذا تميعت التربة، يفقد الجسر تماسكه، ويجب على الخوازيق امتصاص القوة الكاملة للاهتزاز دون أن تنكسر.

إن السؤال الذي يواجه المهندسين ليس فقط كيفية بناء هذه الجسور، بل كيفية بنائها لتصمد أمام أنواع مختلفة من الزلازل. فالزلازل ليست متشابهة؛ فبعضها يحدث بالقرب من خط الصدع، مرسلاً نبضات طاقة قوية ومفاجئة يمكن أن تباغت الهياكل، بينما يحدث بعضها الآخر بعيداً، مما يؤدي إلى اهتزاز أطول وأكثر تموجاً. أراد الباحثون معرفة كيف يؤثر اختيار مادة وشكل الخازوق على بقاء الجسر عند تحول التربة إلى سائل تحت تأثير كلا النوعين من الاهتزاز. ولإيجاد الإجابة، أنشأ فريق من المهندسين من جامعات في الصين وأفغانستان محاكاة حاسوبية دقيقة لجسر ذي بحر واحد. لقد قاموا بنمذجة الجسر وهو يستقر على ستة أنواع مختلفة من الخوازيق: أسطوانات خرسانية كبيرة وصغيرة، وأنابيب فولاذية، وعوارض فولاذية موجهة في اتجاهات مختلفة، وتصميم هجين حيث يتم صب الخرسانة داخل أنبوب فولاذي. ثم أخضعوا الجسور الافتراضية لعشر حركات زلزالية مسجلة، نصفها من أحداث قريبة من الصدع ونصفها من أحداث بعيدة، مع محاكاة تحول التربة إلى سائل.

وكشفت النتائج أن الخيار الأفضل للخازوق يعتمد بشكل كبير على نوع الزلزال والمادة المستخدمة. فعندما تهتز الأرض مع النبضات الحادة والعنيفة لزلزال قريب من الصدع، تميل الخوازيق الخرسانية الصلبة، خاصة الكبيرة منها، إلى الانحناء والتشقق أكثر من الخيارات الفولاذية. فالخرسانة، لكونها صلبة، لم تستطع امتصاص الصدمة المفاجئة بنفس القدر، مما أدى إلى إجهاد أعلى في الهيكل. وفي المقابل، عندما جاء الاهتزاز من مصدر بعيد، تعرضت الخوازيق الفولاذية لحركة وإجهاد أكبر من الخوازيق الخرسانية. وهذا يشير إلى أن مرونة الفولاذ الطبيعية، التي تساعده عادةً على البقاء، يمكن أن تعمل ضده أحياناً خلال الموجات البطيئة والمتموجة لزلزال بعيد. ومع ذلك، برز تصميم واحد كالأكثر صموداً في جميع الحالات: الخازوق الفولاذي المملوء بالخرسانة. لقد جمع هذا الخازوق الهجين بين قوة الخرسانة ومرونة الفولاذ، مما سمح له بالتعامل مع إجهاد كلا نوعي الزلازل باتساق ملحوظ.

كما بحثت الدراسة في مدى حركة الجسر نفسه. وأظهرت عمليات المحاكاة أن الجسور المدعومة بالخوازيق الفولاذية المملوءة بالخرسانة تحركت بشكل أقل من تلك المدعومة بخوازيق فولاذية نقية، وكانت الحركة متقاربة جداً سواء كان الزلزال قريباً أو بعيداً. وهذا الاستقرار أمر بالغ الأهمية لأن الحركة المفرطة يمكن أن تتلف سطح الطريق أو الوصلات مع الطريق السريع. ووجد الباحثون أنه على الرغم من قوة الخوازيق الفولاذية، إلا أنها كانت أكثر عرضة للانبعاج — وهو نوع من الانهيار الهيكلي حيث ينحني العمود خارج شكله الأصلي — خاصة عندما تفقد التربة تماسكها. وفي المقابل، تمكنت الأنابيب المملوءة بالخرسانة من الانحناء والتمدد دون فشل، مما أدى بفعالية إلى تبديد طاقة الزلزال.

وللمهندسين الذين يصممون الجسور في المناطق المعرضة للتمييع، تقدم هذه النتائج مساراً واضحاً للمضي قدماً. تشير الدراسة إلى أن استخدام الخوازيق الفولاذية المملوءة بالخرسانة هو الخيار الأكثر موثوقية لجسر الأكتاف المتكاملة، حيث توفر توازناً بين القوة والمرونة يحمي الهيكل من الصدمات المفاجئة القريبة والاهتزازات البعيدة المتموجة. وإذا كان لا بد من استخدام العوارض الفولاذية، تشير الأبحاث إلى أن مناطق الإجهاد العالي حيث يلتقي الخازوق بالتربة تحتاج إلى تعزيز إضافي لمنع الفشل. ومن خلال اختيار المادة الصحيحة للأساس، يمكن للمهندسين ضمان بقاء الجسر فوق الأرض صامداً حتى عندما تتحول الأرض تحته إلى سائل.