ژئوتکنیک زیست محیطی (Geoenvironmental Engineering)

ژئوتکنیک زیست محیطی شاخه ای از علم است که شامل مکانیک خاک و سنگ، مهندسی محیط زیست، هیدرولوژی آب های زیر زمینی و تأثیر آن بر سلامت انسان و محیط زیست می شود. ژئوتکنیک زیست محیطی مسائل و مشکلات پیچیده ای از جمله سیستم های نگهدارنده (مثل لندفیل ها)، انتقال آلاینده ها، اصلاح و بازیابی زمین های آلوده و استفاده دوباره از مواد و مصالح را بررسی می کند.

هر پروژه ای که با ارتباط میان محیط زیست، سطح زمین و سطح زیرین آن (خاک، سنگ و آب زیر زمینی) سروکار دارد، در محدوده ژئوتکنیک زیست محیطی به شمار می آید. بنابراین محدوده آن گسترده بوده و نیازمند کسب دانش در شاخه های مختلف مهندسی و علم و تجمیع آنها برای حل مسائل میان رشته ای می باشد. مهندس باید در محدوده گسترده ای از دانش فعالیت کند و همچنین باید برای استفاده از هر مفهوم علمی و مهندسی برای حل موثر مسئله موجود، آغوشی باز داشته باشد. چالشی ترین جنبه ها در مهندسی ژئوتکنیک زیست محیطی، شناسایی طبیعت غیر متعارف مسئله است که ممکن است به عوامل مختلفی وابسته باشد؛ به عنوان مثال، نشت لوله زیرزمینی ممکن است به خاطر ساخت معیوب و ناقص آن نبوده و به دلیل خاصیت خورندگی بالای خاک اطراف آن باشد. این خورندگی ممکن است به یک یا چند عامل انسانی مربوط باشد که نیاز است برای ارائه راه حل جامع برای مسئله مورد نظر به طور واضح شناسایی شود. روش متعارف ارزیابی مقاومت مصالح سازنده لوله، به تنهایی مشکل را حل نخواهد کرد.

برای دست یافتن به محیط زیست سالم، علیرغم تلاش های فراوان انجام شده، از بین بردن اثرات مضر آلاینده های وارد شده به محیط زمین و خاک، کاری بسیار دشوار است. تا به حال آسیب های قابل توجهی به آب های زیر زمینی وارد شده است و استفاده از سیستم های نگه دارنده فاضلاب، راه حلی موثر برای این معضل بوده است. اگر چه این نوع پروژه ها چشم اندازهای اجتماعی- اقتصادی و فنی نیز دارند. تحقق این چنین پروژه ها نیازمند همکاری تخصص هایی به شرح زیر است:

1. متخصصان و مهندسان محیط زیست
2. متخصصان سنجش از راه دور
3. تصمیم گیران
4. عموم مردم در مرحله برنامه ریزی پروژه
5. متخصصان هیدرولوژی
6. مهندسان ژئوتکنیک برای مرحله اجرای پروژه
7. چند متخصص برای مدیریت و نظارت پروژه

کلیت مسئله را می توان در زیر چتر مهندسی ژئوتکنیک زیست محیطی بررسی کرد. چالش واقعی برای مهندس ژئوتکنیک زیست محیطی، ادغام دانش چند رشته ای برای دست یافتن به نگهدارنده فاضلاب موثر است. در بیشتر قسمت های جهان، در حال حاضر آسیب های زیادی به محیط زیست خاکی و مخازن آب زیر زمینی به دلیل تخلیه بی رویه پسماند ها و فاضلاب صنعتی و دیگر مواد خطرناک در آن، وارد شده است. به دلیل تقاضاهای فراوان، بازیابی و احیای محیط خاکی و آب زیر زمینی آلوده شده، این دانش اهمیت شایانی یافته است. مهندس ژئوتکنیک زیست محیطی نقش مهمی در تصمیم گیری برای طرح های بازیابی محیط بازی می کند. ارائه این طرح نیازمند داشتن دانش کافی در مفاهیم فیزیک خاک، شیمی خاک، زیست خاک، جریان چند فازی، علوم مواد و مدل سازی ریاضی است. بنابراین برای مهندس ژئوتکنیک زیست محیطی لازم است که به شکل محدود فکر نکند تا این دانش برای تجسم بهتر مسئله و ارائه راه حل موثر به کمک او بیاید. علاوه بر آن، ارائه راه حل برای این چنین پروژه ها یک فرآیند سعی و خطا یا به جای آن درس گرفتن از اشتباهات و تصحیح روش است.

مسئله مهم دیگر، استفاده دوباره و بازیافت فاضلاب است که از تعدد مسئله زیست محیطی می کاهد. برای این مورد مثالی که می توان ارائه داد امکان استفاده از خاکستر بادی برای کاربردهای ژئوتکنیکی است. برای استفاده از پسماندها، مسائلی مثل اثرات بلند مدت و کوتاه مدت این فرآیندها مطرح است که عاملی کنترل کننده برای گزینش آن به عنوان مواد زیست تخریب پذیر می باشد.

مهندسی ژئوتکنیک زیست محیطی ساده کردن فرآیند درک رفتار و متوسل شدن به راهکارهایی برای پیش بینی ها و تخمین های قابل اطمینان است. این کار نیازمند فهم دقیقی از علوم مواد و شیمی و واکنش اتفاق افتاده در طول زمان می باشد. در واقع این کار دشوار است ولی نیاز به توضیح نیست که این چالش ها موضوع مورد نظر را به اندازه کافی جذاب می کنند. مهندسی ژئوتکنیک زیست محیطی بیشتر تحقیق محور است و هنوز مفاهیم و روش های جدیدی در این زمینه توسعه داده می شود.

رفتار چند فازی خاک

مکانیک خاک مرسوم، محیط خاک را کاملا اشباع از آب یا هوا در نظر می گیرد که مثالی معمول از محیط دو فازی شامل دانه های جامد خاک و آب / هوا است. این فرض دو فازی بودن محیط به طور قابل توجهی روابط ریاضی حاکم بر پدیده های پیچیده به وجود آمده در محیط متخلخل را ساده می کند. مسائل ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیست محیطی اخیر نیازمند مفاهیم واقعی محیط سه یا چند فازی است. به عنوان مثال خاک غیر اشباع یک محیط متخلخل سه فازی است که شامل هوا، آب و خاک می شود. این سه فاز منجر به رفتار پیچیده خاک غیر اشباع می شود. به این موارد در طراحی نگه دارنده فاضلاب برخورد می شود که مشخصات جریان در خاک غیر اشباع نیاز به تعیین پیدا می کند. به شرایط چند فازی نیز در اندرکنش خاک – آب -مواد آلاینده نیاز پیدا می شود. حرکت فاز غیر آبی در محیط متخلخل یک مثال رایج است. مثال هایی از قبیل بستر سیل، جریان پسماند، جریان مواد مایع، نفوذ گاز در محیط خاک غیر اشباع مواردی هستند که رفتار چند فازی اهمیت پیدا می کند. این مطالعات برای طراحی طرح بازیابی برای خاک آلوده و آب زیرزمینی که مسائل بسیار مهمی برای مهندس ژئوتکنیک زیست محیطی به شمار می رود، به کمک می آید.

نقش خاک در کاربردهای مهندسی ژئوتکنیک زیست محیطی

تمام سازه های مهندسی نهایتا روی خاک بنا می شوند بنابراین پایداری آن به مشخصات ژئوتکنیکی خاک وابسته است. در ژئوتکنولوژی متعارف عمدتا خاک را به عنوان عضو باربر بررسی می کنند. جدا از این، خاک را می توان مستقیما به تعدادی از مشکلات زیست محیطی مرتبط کرد که در این شرایط، رویکردها باید تا حدودی تغییر کند.

احیای آب زیرزمینی را در نظر بگیرید. مشخصات نفوذ خاک یکنواخت یا خاک چند لایه بالای سطح آب زیرزمینی نرخ احیای مجدد آن را کنترل می کند. در این مورد، مهندسین ژئوتکنیک باید همکاری تنگاتنگی با مهندسین هیدرولوژی برای تصمیم گیری برای طرح های مختلف احیای آب زیرزمینی داشته باشند.

در حین بارش، آب از میان پسماند های ریخته شده بر روی سطح زمین عبور می کند و به شکل شیرابه جریان می یابد. زمانی که آب به این شکل درون خاک حرکت می کند، خاک به مانند یک تصفیه کننده عمل کرده و از رسیدن این آلاینده های مضر به آب زیرزمینی جلوگیری می کند یا آن را به تعویق می اندازد. این عملکرد تصفیه ای خاک، کاملا به بافت و ساختار خاک بستگی دارد.

خاک در طراحی امکانات نگه داری پسماند نقش به سزایی دارد. خاک درشت دانه با خصوصیاتی به شکل فیلتر، برای جمع آوری شیرابه و خاک ریزدانه برای به حداقل رساندن جریان آن مورد نیاز است. این ها دو عملکرد کاملاً متفاوت هستند که از خاک در یک پروژه انتظار می رود. کلاهکی که برای پسماند استفاده می شود نیز از خاکی با مشخصات به خصوص به دست می آید. نوع ویژه ای از خاک با خاصیت تورمی بالا، به عنوان خاکریز برای نگه داری پسماند رادیواکتیو در مخازن عمیق زمین شناسی، استفاده می شود. مسئله مهم زیست محیطی دیگر، معروف به تجزیه کربن، از ظرفیت ذخیره سازی مربوط به زمین شناسی برای دفع کربن دی اکسید تولید شده توسط بشر استفاده می کند تا از گرمایش جهانی جلوگیری کند. بنابراین، خاک نقشی حیاتی در پروژه های ژئوتکنیک زیست محیطی بازی می کند.

اهمیت مشخصات شیمیایی و فیزیکی خاک، هیدرولوژی و فرآیندهای زیستی

فیزیک خاک، دانشی است که در مورد خصوصیات و فرآیندهای فیزیکی اتفاق افتاده در خاک و ارتباط آن با کشاورزی، مهندسی و محیط زیست، بحث می کند. همچنین با روابط فیزیکی – شیمیایی و فیزیکی – زیستی فازهای جامد، مایع و گاز خاک که تحت تاثیر دما، فشار و دیگر صورت های انرژی هستند، سروکار دارد. مفاهیم فیزیک خاک برای تعیین انتقال آب، مواد محلول و گرما (ماده و انرژی) در محیط متخلخل استفاده می شود که برای حل مشکلات مربوط به هیدرولوژی زیرسطحی، آلودگی آب زیرزمینی، خصوصیات خاک مربوط به نگهداری آب، بهبود ویژگی های محصول تولیدی، لغزش شیب ناشی از بارش باران و دیگر موارد اهمیت دارد. این دانش عمدتا به شکل کمی و ریاضیاتی در طبیعت بررسی می شود و نیازمند مشخصات فیزیکی خاک است.

ظهور بحث شیمی خاک با جی تی وِی (J. T. Way) آغاز شد (پدر علم شیمی خاک) زمانی که متوجه شد خاک قابلیت نگه داری کاتیون هایی مثل NH⁴⁺ و +K را در تبادل با میزان معادلی از Ca²⁺ دارد. داشتن درکی از شیمی خاک برای فهم اندرکنش میان دانه های جامد خاک، رسوبات شیمیایی و آب منفذی از جمله تبادل یون، جذب، هوازدگی، تصفیه، رفتار کلوئیدی خاک، خاک های اسیدی، شوری و مواردی از این دست مهم است.

رسیدن به درکی از فضای زیر زمین برای مسائل ژئوتکنیک زیست محیطی نیازمند درکی وسیع از هیدرولوژی است. پارامترهای این دانش بر چگونگی عملکرد امکانات نگه داری پسماند در طول عمر طراحی آن تاثیر قابل توجهی دارد. در فرآیندهای زیستی اتفاق افتاده در خاک، برخی از گونه های میکروارگانیسم ها مثل Pseudomonas Aeruginosa برای اصلاح محل آلوده شده توسط هیدروکربن به کار می رود. فهم نرخ چنین واکنشی و اثر اصلاح آن بسیار ضروری است.

انواع آلودگی خاک و منابع آن

پسماند های به شکل جامد، مایع و گاز، خاک زیرسطحی و آب زیرزمینی را آلوده می کنند. پسماندهای جامد، منابعی شهری و صنعتی دارند. پسماند های شهری که شامل زباله های خانگی، بیمارستانی و کشاورزی هستند، حدودا 50% کل پسماندها را تشکیل می دهند. بازگرداندن آن به خاک گزینه ای کم هزینه پنداشته شده است. زباله های الکترونیکی رها شده، باتری ها، وسایل نقلیه، لوازم خانگی، نخاله های ساختمانی که در مناطق شهری و حومه آن ایجاد می شود، نیز پسماند جامد در نظر گرفته می شود. توسعه صنعت، مقادیر عظیمی از پسماند های مضر با منابعی از آهن، صنعت فولاد، شرکت های بسته بندی، رنگ، مواد شیمیایی، کارخانه های شیشه، صنایع کود سازی، حفاری معدنی را تولید می کند. معادن ذغال سنگ، معادن سوخت رادیواکتیو، معادن سوخت فسیلی و کارخانه انرژی گرمایی نیز پسماندهای خطرناکی تولید می کنند که نیازمند مدیریتی موثر است.

منابع اصلی پسماند های مایع شامل پسماند های آبی صنعتی موجود در گودال ها، مرداب ها و یا چاله ها می شود. همچنین زباله های جامد شهری و لجن ایجاد شده بر روی زمین نیز می توانند این نوع از پسماند را ایجاد کنند. اگر فاضلاب شهری به خوبی کنترل نشود، به منبع مهمی از پسماند های مایع تبدیل می شود که اثرات نامطلوبی بر محیط زیست می گذارد. کاوش برای یافتن سوخت های فسیلی، محلول های شوری را برجای می گذارد که نیاز است از دسترسی آن به منابع آب زیرزمینی جلوگیری شود.

برخی از پسماند های گازی شامل گازهای NOx، CO، SO₂، هیدروکربن های فرار و مواردی از این دست می شوند. واکنش های شیمیایی احتمالی انجام گرفته در هوا، آلاینده های ثانویه را تولید می کنند. SO₂ با اکسیژن ترکیب می شود و SO₃ را تولید می کند که آن هم با قطرات آب معلق در هوا ترکیب می شود و H₂SO₄ حاصل می شود و به شکل باران اسیدی بر روی زمین می بارد. شکست طبیعی در اورانیوم در محیط زمین، با انتشار گاز رادون در اتمسفر باعث بروز سرطان می شود.

اثر آلودگی بر محیط خاکی

در اکثر موارد، پسماند ها در مناطق پست و هموار بدون اتخاذ طراحی ها و محاسبات مهندسی کافی برای در بر گرفتن آن رها شده اند که منجر به ایجاد محیط هایی به شدت غیر بهداشتی برای رشد آفات، حشرات و تعدادی از میکروارگانیسم های مضر می شود. در حین بارش، یا در شرایطی که آب زیرزمینی در تماس با این پسماند ها قرار بگیرد، شیرابه تولید می کند که می تواند در مناطق گسترده ای جریان یابد و سطح خاک و منابع آب های زیرزمینی را آلوده کند. اگر فکری به حال این شیرابه ها نشود، بسیاری از فلزات سنگین خطرناک نیز می توانند به همراه آن به مناطق دیگر منتقل شوند. یکی از مسائل پیچیده در مورد آلودگی، اثرات خاموش بلند مدت آن است. بسیاری از این اثرات، مدت ها بعد و پس از مطالعات دقیق فهمیده می شوند، زمانی که آسیب ها زیادی به محیط زیست وارد شده است. از این رو، بحث اصلاح، کاری خسته کننده و پرهزینه می شود. این مسئله، مهندسی ژئوتکنیک زیست محیطی را به رشته ای چالشی بدل می کند که به آن نیازهای فراوانی وجود دارد، از این جهت که، بر مسائلی تمرکز کند که برای پیش بینی و به حداقل رساندن اثرات بلند مدت آلودگی ناشی از پسماند مدیریت نشده به کمک جامعه بشری آید.

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
• پدیده زمین لغزش چیست؟ (Landslide)
• سد باطله چیست؟ انواع سدهای باطله و کاربرد آن ها (tailing dams)

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
• فشار جانبی خاک چیست؟ (Lateral earth pressure)

در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار ABAQUS

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)
• پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
• سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)

مطالب مرتبط :

• sciencedirect , Geoenvironmental Engineering