(2015) Geotechnical Engineering Design – Ming Xiao

کتاب طراحی در مهندسی ژئوتکنیک اصول و روش های اساسی طراحی در مهندسی ژئوتکنیک از جمله مقدمه ای بر زمین شناسی مهندسی، اکتشافات زیرسطحی، پی های سطحی و عمیق، تجزیه و تحلیل پایداری شیب و بهسازی آنها، ، سازه های نگهبان، فیلترها و زهکش ها، ژئوسنتتیک و ارزیابی های لرزه ای پایه ای در زمینه پایداری شیروانی ها، فشار جانبی زمین در شرایط مختلف و روانگرایی را ارائه می دهد. این کتاب برای استفاده به عنوان کتاب درسی در دوره های مرتبط با طراحی در زمینه های مختلف ژئوتکنیک برای مقاطع تحصیلی کارشناسی و به ویژه کارشناسی ارشد در نظر گرفته شده است. این کتاب در فصول ابتدایی سعی کرده است تا اصول اولیه مکانیک خاک را به خوبی پوشش دهد چرا که بدون دانش مقدماتی از مکانیک خاک اصولاً نمی توان مفاهیم و نکات طراحی را بیان نمود و حتی اگر ذکر شود نیز فایده ای برای مخاطبین ندارد. اما همان طور که ذکر گردید بخش عمده ای از مباحث بر روش های طراحی در مهندسی ژئوتکنیک تمرکز دارد. انتظار می رود خوانندگان این کتاب یک دوره مکانیک خاک را گذرانده باشند و قبلاً اصول خواص مهندسی خاک، تنش در خاک، تراوش در خاک، مقاومت برشی خاک و تحکیم را درک کرده باشند.

کتاب طراحی در مهندسی ژئوتکنیک پس از تدریس توسط نویسنده به مدت 9 سال به عنوان استاد در دانشکده مهندسی عمران تکمیل شده است. اگرچه کتاب ‌های درسی عالی در مورد اصول مهندسی ژئوتکنیک و کتاب ‌های درسی مهندسی پی در دسترس دانشجویان است، مربیان و دانشجویان گزینه ‌های کمی در انتخاب کتاب‌های درسی دارند که جنبه ‌های طراحی ژئوتکنیک را به جز مهندسی پی در مقاطع کارشناسی و کارشناسی ارشد پوشش می دهند، همین امر در حقیقت سبب شده است تا نویسنده انگیزه لازم برای شروع نوشتن کتاب طراحی در مهندسی ژئوتکنیک درسی را پیدا کند. در حین نوشتن این کتاب، نویسنده به این نکته توجه داشته است که چگونه یک دانش آموز می تواند به بهترین و آسان ترین روش مطالب را درک کند. هر فصل با مقدمه ای در مورد چرایی اهمیت موضوع در علم و کاربرد مهندسی آغاز می شود و تصاویر گرافیکی به طور مناسب برای ارائه تصاویر بصری از موضوعات مهندسی بیان شده گنجانده شده است. تصاویر گرافیکی فراوانی از کاربردهای میدانی و رویکردهای طراحی در سراسر کتاب ارائه شده است. به طور خاص، برای انجام یک طراحی پروژه ژئوتکنیکی دقیق، باید اطلاعات و مشخصات دقیق لایه های خاک به دست آید. اکتشاف زیرسطحی که به عنوان «تحقیقات محلی ژئوتکنیکی» نیز شناخته می‌شود، معمولاً مستلزم حفاری گمانه ها در زمین، بازیابی نمونه ‌های خاک یا سنگ از طریق گمانه‌ ها در عمق ‌های از پیش تعیین شده و انجام آزمایش ‌های میدانی است. میزان اکتشاف زیرسطحی به نوع و اندازه پروژه (جاده ها، پل ها، ساختمان ها و غیره) نیز بستگی دارد. هزینه اکتشاف میدان ژئوتکنیکی معمولاً بین 0/5 تا 1 درصد کل هزینه پروژه ساخت و ساز متغیر است. فصل 2 به طور کلی در مورد بررسی ژئوتکنیکی است و محدوده این فصل شامل جنبه های زیر است:

• تعیین شرایط زیر سطحی مانند لایه های خاک (عمق، ضخامت و انواع خاک)
• بازیابی نمونه های خاک و سنگ برای آزمایشات آزمایشگاهی بیشتر
• تعیین خواص مهندسی مربوطه (مقاومت برشی، تراکم پذیری، پلاستیسیته، نفوذپذیری، پتانسیل انبساط و فروپاشی و حساسیت به سرما)
• آزمایش میدانی برای به دست آوردن خواص درجای خاک یا سنگ
• تعیین تراز سطح آب زیرزمینی
• شناسایی وجود هر گونه خاک مشکل دار، مانند خاک های نرم، روانگرا، منبسط شونده و …

 در فصل ‌های 3 تا 9 که طرح‌ ها ارائه می‌شوند، یک مسئله نمونه و راه‌ حل آن در پایان هر یک گنجانده شده است. علاوه بر مسائل حل شده، دانشجو نیاز دارد تا مسائل مختلف را برای تثبیت مطالب حل کند به همین دلیل نویسنده سعی کرده است تا در پایان هر فصل مسائل مختلفی را قرار دهد تا ذهن مخاطب را به چالش بکشد. ذکر این نکته ضروری است که غالب این مسائل برگرفته از موضوعات رخ داده در پروژه های واقعی است. بنابراین از این طریق مخاطب با مسائل روز دنیای ژئوتکنیک به شکل واقعی تری آشنا می شود.

یکی از جنبه های منحصر به فرد این کتاب گنجاندن یوروکد 7 استاندارد اروپایی طراحی ژئوتکنیکی برای طراحی سازه های ژئوتکنیکی است. روش ها و رویکردهای طراحی بسیاری از موضوعات در این کتاب از طراحی به روش تنش مجاز (در ایالات متحده) و طراحی حالت حدی (در اروپا) استفاده می‌کنند و دو مجموعه راه‌ حل برای بسیاری از مسائل نمونه ارائه شده است تا هر دو روش را توضیح دهند. استانداردهای انجمن آمریکا (ASTM) و هم استانداردهای بریتانیا در فصل 1 (مقدمه ای بر زمین شناسی مهندسی) و فصل 2 (اکتشاف زیرسطحی ژئوتکنیکی) ذکر شده است.

گنجاندن Eurocode به مخاطبان بین‌المللی اجازه می دهد تا ابتدا شباهت ها و تفاوت ‌های طرح‌ های مهندسی ژئوتکنیک را در مقیاس جهانی به ویژه در اروپا و آمریکای شمالی، درک کنند. با توجه به سطح هدف خوانندگان و مدت معمول دوره ای که در آن از این کتاب درسی استفاده می شود، برخی از موضوعات به طور عمیق ارائه نشده است. پی عنصر سازه ای است که عموماً در زیر زمین تعبیه شده و سازه را به زمین متصل می کند و وظیفه اصلی آن انتقال بار از روی سازه به خاک یا سنگ زیرین است به طوری که روبنا به طور ایمن توسط خاک یا سنگ تحمل شود. فصل 3 (طراحی شالوده سطحی) و فصل 4 (مقدمه ای بر طراحی پی های عمیق و شمع ها) تنها اصول اساسی طراحی پی را ارائه می کنند.

گسیختگی شیروانی ها به عنوان جابجایی بخشی از جرم شیروانی به سمت پایین نسبت به جرم زیر سطح لغزش تعریف می شود. مقیاس شکست یک شیب از کمتر از یک متر در ارتفاع شیب تا لغزش بخش بزرگی از یک کوه متغیر است. برای مثال، زمین لغزش ریو مانتارو در سال 1974 در پرو شامل یک توده لغزشی به طول 6 کیلومتر، ارتفاع 2 کیلومتر و حجم 1.5 میلیارد متر مکعب بود (لی و دانکن 1975). گسیختگی های شیب را می توان بر اساس شکل سطوح گسیختگی و ماهیت حرکات شیب به انواع مختلفی دسته بندی کرد. برخی از مهمترین آن ها عبارتند از:

1. گسیختگی سطحی (یا انتقالی) شیروانی (Surficial (or translational) slope failure)

2. گسیختگی چرخشی (Rotational slope failure): گسیختگی چرخشی توده بزرگی از شیروانی در امتداد سطح گسیختگی به شکل یک منحنی که اغلب به صورت منحنی دایره ای یا لگاریتم مارپیچی برای تحلیل ساده شده ساده می شود، می چرخد.

3. لغزش (Landslide): زمین لغزش معمولاً شامل حجم زیادی از توده لغزنده و سطوح گسیختگی متعدد است که ممکن است شامل گسیختگی های انتقالی و چرخشی باشد.

4. گسترش جانبی (Lateral spread): گسترش جانبی به حرکت جانبی توده خاک شکسته اشاره دارد. این حرکت جانبی می تواند چند جهته باشد و می تواند در یک شیب بسیار کم یا زمین کمی شیبدار رخ دهد. این حرکت شبیه شکست شیب انتقالی است و معمولاً توسط زلزله ایجاد می شود.

5. جریان واریزه (Debris flow, or mudslide): این نوع گسیختگی شیروانی شامل حرکت نسبتاً سریع خاک هایی است که توسط جریان آب یا باد به دام می افتند. در این نوع گسیختگی خاک مانند یک مایع جریان می یابد.

فصل ششم کتاب به مبانی طراحی در زمینه فیلترها، زهکشی و خروج آب و کنترل فرسایش خاک می پردازد. دراین فصل مفاهیم مرتبط با تراوش و حرکت آب در خاک، خطوط جریان، رابطه دارسی برای محاسبه سرعت و نهایتاً دبی عبوری آب از میان ذرات خاک نیز بیان شده است. این فصل در طراحی سدها بسیار کاربرد داشته و مخاطب با مطالعه آن می تواند اطلاعات ارزشمندی را به دست آورد.

سازه های نگهدارنده خاک برای حفظ شیب ها، برش های مایل یا عمودی خاک، خاکریزها، گودبرداری های عمیق، تکیه گاه پل ها و غیره استفاده می شود. پنج نوع متداول سازه های نگهبان خاک وجود دارد: دیوار حائل، سپر کوبی، خاک های مقاوم شده با نیلینگ و انکراژ.

در فصل 7 به مبانی طراحی چهار نوع سازه نگهبان پرداخته شده است: طراحی دیوارهای حائل مرسوم، سپرکوبی و نیلینگ و انکراژ.

نکته مهم این است که قبل از طراحی هر سازه نگهدارنده خاک، بررسی ژئوتکنیکی باید به طور کامل انجام شود، به طوری که لایه های خاک و ویژگی های آن ها نظیر چسبندگی و زاویه اصطکاک، اندرکنش بین خاک و سازه تعیین شود. علاوه بر این، بارگذاری عامل مهمی است که باید به درستی محاسبه و لحاظ شود.

فصل 8 (مقدمه ای بر طراحی ژئوسنتتیک) تنها اصول اولیه ژئوسنتتیک و سه کاربرد میدانی رایج با استفاده از ژئوسنتتیک ها را ارائه می دهد: دیوارهای تثبیت شده به صورت مکانیکی، شیروانی های خاکی تقویت شده از جمله مباحث بیان شده در این فصل از کتاب است.

فصل 9 (مقدمه ای بر طراحی زمین لرزه ژئوتکنیکی) لرزه شناسی و ویژگی های اولیه زلزله و سه ارزیابی اساسی لرزه ای: پایداری شیب، فشار های جانبی زمین و روانگرایی را ارائه می دهد. دوره های موضوعی ویژه در مورد این موضوعات  ممکن است به دانشجویان برای آشنایی بیشتر با هر یک از موارد فوق الذکر کمک نماید.