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

जब भूकंप के दौरान जमीन हिलती है, तो हमारे पैरों के नीचे की मिट्टी कभी-कभी अपनी मजबूती खो सकती है और एक गाढ़े, तरल जैसे घोल में बदल सकती है। यह घटना, जिसे लिक्विफैक्शन (द्रवीकरण) कहा जाता है, पुलों की नींव के लिए एक शांत खतरा है। ठोस जमीन के विपरीत जो किसी संरचना को मजबूती से थामे रखती है, द्रवित मिट्टी बहुत कम प्रतिरोध प्रदान करती है, जिससे पाइल्स (गहरी स्तंभ संरचनाएं जो पुल को सहारा देती हैं) ऊपर के भार के कारण धंस सकती हैं, झुक सकती हैं या टूट सकती हैं। यह विशेष रूप से एक विशिष्ट प्रकार के पुल के लिए खतरनाक है जिसे 'इंटीग्रल एबटमेंट ब्रिज' कहा जाता है। ये संरचनाएं पुराने पुलों में पाए जाने वाले विस्तार जोड़ों (एक्सपेंशन जॉइंट्स) के बिना एक एकल, निरंतर फ्रेम के रूप में बनाई जाती हैं, जो उन्हें तापमान परिवर्तन के साथ अधिक स्वाभाविक रूप से हिलने की अनुमति देता है। हालांकि, इस निर्बाध डिजाइन का अर्थ है कि पुल का डेक पाइल्स से मजबूती से जुड़ा होता है, जिससे भूकंपीय ऊर्जा का हर अंश सीधे नींव में स्थानांतरित हो जाता है। यदि मिट्टी द्रवित हो जाती है, तो पुल अपनी पकड़ खो देता है, और पाइल्स को बिना टूटे झटकों के पूरे बल को सहना पड़ता है।

इंजीनियरों के सामने चुनौती केवल यह नहीं है कि इन पुलों को कैसे बनाया जाए, बल्कि यह है कि उन्हें विभिन्न प्रकार के भूकंपों में जीवित रहने के लिए कैसे बनाया जाए। भूकंप सभी एक जैसे नहीं होते; कुछ फॉल्ट लाइन के करीब आते हैं, जो शक्तिशाली, अचानक ऊर्जा के स्पंदन भेजते हैं जो संरचनाओं को अनपेक्षित स्थिति में डाल सकते हैं, जबकि अन्य दूर होते हैं, जो लंबे समय तक चलने वाले, लहरदार कंपन प्रदान करते हैं। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि मिट्टी के तरल में बदलने पर दोनों प्रकार के झटकों के दौरान पाइल की सामग्री और आकार का चयन पुल के अस्तित्व को कैसे प्रभावित करता है। इसका उत्तर खोजने के लिए, चीन और अफगानिस्तान के विश्वविद्यालयों के इंजीनियरों की एक टीम ने एक सिंगल-स्पैन ब्रिज का विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन तैयार किया। उन्होंने छह अलग-अलग प्रकार के पाइल्स पर स्थित एक वर्चुअल ब्रिज का मॉडल बनाया: बड़े और छोटे कंक्रीट सिलेंडर, स्टील पाइप, विभिन्न दिशाओं में व्यवस्थित स्टील बीम, और एक हाइब्रिड डिज़ाइन जहाँ स्टील ट्यूब के अंदर कंक्रीट डाला जाता है। इसके बाद उन्होंने इन वर्चुअल ब्रिजों को दस रिकॉर्ड किए गए भूकंपीय गतियों के अधीन किया, जिनमें से आधे 'नियर-फॉल्ट' (निकट-फॉल्ट) घटनाओं से और आधे 'फार-फॉल्ट' (दूर-फॉल्ट) घटनाओं से संबंधित थे, जबकि मिट्टी के तरल में बदलने की प्रक्रिया का अनुकरण किया गया।

परिणामों से पता चला कि सबसे अच्छा विकल्प भूकंप के प्रकार और उपयोग की गई सामग्री पर बहुत अधिक निर्भर करता है। जब जमीन नियर-फॉल्ट भूकंप के तीव्र, हिंसक स्पंदनों के साथ हिलती है, तो कठोर कंक्रीट पाइल्स, विशेष रूप से बड़ी पाइल्स, स्टील के विकल्पों की तुलना में अधिक मुड़ने और दरारें पड़ने की प्रवृत्ति रखती हैं। कंक्रीट, अपनी कठोरता के कारण, अचानक आए झटके को उतनी अच्छी तरह से नहीं झेल पाता, जिससे संरचना में उच्च तनाव पैदा होता है। इसके विपरीत, जब कंपन किसी दूर के स्रोत से आता है, तो स्टील की पाइल्स कंक्रीट की तुलना में अधिक हलचल और तनाव का अनुभव करती हैं। यह सुझाव देता है कि स्टील का प्राकृतिक लचीलापन, जो आमतौर पर इसे जीवित रखने में मदद करता है, कभी-कभी दूर के फॉल्ट वाले भूकंप की धीमी, लहरदार तरंगों के दौरान इसके विरुद्ध काम कर सकता है। हालांकि, एक डिज़ाइन ऐसा था जो सभी मामलों में सबसे लचीला साबित हुआ: कंक्रीट-फिल्ड स्टील ट्यूब। इस हाइब्रिड पाइल ने कंक्रीट की मजबूती को स्टील के लचीलेपन के साथ जोड़ा, जिससे यह दोनों प्रकार के भूकंपों के तनाव को उल्लेखनीय निरंतरता के साथ संभालने में सक्षम हुआ।

अध्ययन ने यह भी देखा कि पुल स्वयं कितना हिलता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि कंक्रीट-फिल्ड स्टील ट्यूबों द्वारा समर्थित पुल शुद्ध स्टील पाइल्स की तुलना में कम हिलते हैं, और यह हलचल नियर-फॉल्ट या फार-फॉल्ट, दोनों ही स्थितियों में लगभग समान थी। यह स्थिरता महत्वपूर्ण है क्योंकि अत्यधिक हलचल सड़क की सतह या राजमार्ग के कनेक्शनों को नुकसान पहुंचा सकती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि स्टील की पाइल्स मजबूत थीं, लेकिन वे बकलिंग (एक प्रकार का संरचनात्मक पतन जहाँ कॉलम अपना आकार खो देता है) के प्रति अधिक संवेदनशील थीं, विशेष रूप से तब जब मिट्टी ने अपनी पकड़ खो दी। इसके विपरीत, कंक्रीट-फिल्ड ट्यूब बिना विफल हुए मुड़ने और खिंचने में सक्षम थे, जिससे भूकंप की ऊर्जा प्रभावी ढंग से नष्ट हो गई।

लिक्विफैक्शन के प्रति संवेदनशील क्षेत्रों में पुलों का निर्माण करने वाले इंजीनियरों के लिए, ये निष्कर्ष एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि इंटीग्रल एबटमेंट ब्रिज के लिए कंक्रीट-फिल्ड स्टील ट्यूब का उपयोग करना सबसे विश्वसनीय विकल्प है, क्योंकि वे मजबूती और लचीलेपन का एक ऐसा संतुलन प्रदान करते हैं जो संरचना को अचानक लगने वाले निकट-दूरी के झटकों और दूर के लहरदार कंपनों, दोनों से बचाता है। यदि स्टील बीम का उपयोग किया जाना है, तो शोध इंगित करता है कि पाइल के मिट्टी से मिलने वाले उच्च-तनाव वाले क्षेत्रों को विफलता को रोकने के लिए अतिरिक्त सुदृढीकरण की आवश्यकता है। सही फाउंडेशन सामग्री चुनकर, इंजीनियर यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि भले ही पैरों के नीचे की जमीन तरल में बदल जाए, ऊपर का पुल खड़ा रहे।