Advanced Geotechnical Engineering (Soil–Structure Interaction Using
Computer and Material Models)

سازه های مهندسی از موادی موجود در کیهان ساخته شده اند. در هر سطح اتمی، نانو، میکرو و ماکرو. اجزای موجود در ماده با یکدیگر تعامل و اندرکنش دارند و با فرض حالت های مختلف به طور مداوم با یکدیگر ترکیب و در بعضی موارد ادغام می‌شوند. بنابراین، برهم کنش یا کوپلینگ می تواند نقش مهمی را در پاسخ مواد و در نتیجه سیستم های مهندسی ایفا نماید و به تبع عواملی نظیر تأثیر نیروهای خارجی در سطح میکرو، بین ذرات سیال، دما و مواد شیمیایی و ارتباط بین پدیده ها در حالت ماکرو و بزرگ مقیاس می تواند بسیار مهم و حائز اهمیت باشد. علم ژئوتکنیک نیز از این قاعده مستثنی نیست و درک و توصیف رفتار مواد برای حل سیستم‌ های ژئوتکنیکی حیاتی است. در کتاب مهندسی ژئوتکنیک پیشرفته به این مسائل و مدلسازی اندرکنش بین خاک و سازه به کمک مدل های رفتاری در خاک و برنامه های عددی در رایانه پرداخته می شود.

اندرکنش خاک و سازه موضوعی است که در حل مسائل مهندسی ژئوتکنیک از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. روش‌ های مرسوم و موقت معمولاً برای درک مکانیسم و مدل ‌سازی رفتار چالش برانگیز ناشی از این اندرکنش به ویژه در محل های اتصال و مفاصل در اکثر سیستم ‌های سازه ‌ای و شالوده کافی نیستند. علاوه بر بارگذاری مکانیکی، رفتار سازه های حاوی فصل مشترک با سازه، می تواند تحت تأثیر عوامل محیطی مانند سیالات، دما و مواد شیمیایی قرار گیرد.

همان طور که در ابتدا ذکر شد درک و تعریف رفتار مواد مهندسی، رابط ها یا اتصالات برای تحلیل و طراحی واقعی و اقتصادی مسائل مهندسی حیاتی است. از این رو، ارائه مدل های رفتاری که رفتار مواد و رابط ‌ها، آزمایش ‌های مرتبط و اعتبارسنجی را تعریف و بررسی نمایند، اهمیت بالایی دارد.

با توجه به پیچیدگی‌ های موجود در بسیاری از مسائل ژئوتکنیکی، روش‌ های مرسوم مبتنی بر فرض ماهیت الاستیک خطی و همسان مواد، و روش های تعادل حدی ناکافی هستند. از این رو، نیاز به استفاده از روش‌ های متکی بر برنامه نویسی و رایانه ای جدید به طور کامل حس می شود تا بتوان عواملی مانند تنش برجا، مسیر تنش، تغییر حجم، ناپیوستگی‌ها و ریز ترک (اولیه و القایی)، نرم شدگی کرنش، و روانگرایی را که در بیشتر موارد در روش های مرسوم به حساب نمی‌آیند، در نظر گرفت. از این رو، هدف کتاب مهندسی ژئوتکنیک پیشرفته ارائه روش‌ های مختلف رایانه‌ ای و مدلسازی اندرکنش بین خاک و سازه به کمک مدل های رفتاری در خاک و برنامه های عددی در رایانه از جمله اجزای محدود، تفاضل محدود و روش های تحلیلی است.

جزئیات این روش ها برای حل مسائل یک، دو و سه بعدی ارائه شده است. مدل ‌های رفتاری مختلفی برای توصیف مناسب رفتار طیف وسیعی از مواد و رابط ‌ها در این کتاب گنجانده شده‌ است.

تا جایی که ممکن است، نویسنده مسائل ژئوتکنیکی ساده ای را که می توان به صورت دستی حل کرد، را نیز در کتاب مهندسی ژئوتکنیک پیشرفته آورده است چرا که درک این مطالب و مفاهیم آن در واقع یک گام اساسی برای درک مشکلاتی است که نیاز به استفاده از رایانه دارند. تعدادی مثال برای مسائل یک، دو و سه بعدی حل شده با استفاده از روش های اجزای محدود، تفاضل محدود و روش تحلیلی نیز ارائه شده است. جهت تمرین بیشتر برای دانشجویان و خوانندگان، تعدادی از مسائل، اغلب با راه حل های جزئی، در پایان بسیاری از فصل ها ارائه شده است.

کتاب مهندسی ژئوتکنیک پیشرفته را می توان برای دوره های تحصیلی در مقاطع کارشناسی و کارشناسی ارشد که دارای پیشینه دروس ژئوتکنیک، مهندسی سازه و مکانیک پایه نظیر جبر ماتریسی و تحلیل عددی هستند، استفاده کرد. پیشینه ای در روش های عددی (اجزای محدود، تفاضل محدود و غیره) برای درک و به کارگیری روش های کتاب، ارزشمند و کارآمد خواهد بود. علاوه براین، متخصصان علاقه مند به تحلیل و طراحی سازه های ژئوتکنیکی می توانند از این کتاب بهره مند شوند و اطلاعات ارزشمندی از آن به دست آورند. جهت کسب اطلاعات بیشتر مخاطبین می توانند از منابع مختلف نظیر آیین نامه ها و کتاب هایی که در بخش مراجع در فصول مختلف ذکر شده است استفاده نمایند. علاوه بر این در پیوست 2 مجموعه ای از برنامه های رایانه ای مختلف مرتبط با موضوعات کتاب در اختیار مخاطب قرار گرفته است. بسیاری از این برنامه ها به راحتی در رایانه های خانگی و لپ تاپ قابل استفاده می باشند. کتاب مهندسی ژئوتکنیک پیشرفته می‌تواند برای محققین نیز مفید باشد تا با پیشرفت‌ های موجود و با پیشرفت ‌هایی فراتر از سطح موضوعات مطرح شده در کتاب آشنا شوند.

کتاب مهندسی ژئوتکنیک پیشرفته با مشارکت تعدادی از نویسندگان سعی کرده است تا طیف وسیعی از مشکلات ژئوتکنیکی را پوشش دهد که در حدود چهار دهه گذشته گسترش یافته است. این کتاب بر استفاده از روش‌ های رایانه ای جدید و قدرتمند و روش ‌های تحلیلی برای حل چنین مشکلات چالش برانگیزی با توجه ویژه به موضوع مهم مدل های رفتاری مواد تاکید می‌کند.

کاربردهای پیشگام روش های عددی برای حل مسائل چالش برانگیز در مهندسی ژئوتکنیک از آغاز عصر رایانه صورت گرفته است. در طول چند دهه گذشته، پیشرفت های چشمگیری در زمینه مدل های رفتاری مواد زمینی و رابط‌ ها/مفاصل رخ داده است. انتظار می رود کاربردهای رایانه ای و مدل های رفتاری برای تحلیل و طراحی ادامه و افزایش یابد. اعتقاد نویسنده بر این است که این کتاب می‌تواند انگیزه‌ ای برای ادامه رشد در این زمینه باشد.

نحوه فصل بندی کتاب مهندسی ژئوتکنیک پیشرفته و محتوای هر فصل چگونه است؟

روش ‌های مرسوم، اغلب قادر به مدیریت بسیاری از عوامل مهمی که بر رفتار سیستم ‌های ژئوتکنیکی تأثیر می‌گذارند، نیستند. به همین دلیل این کتاب بر استفاده از روش ‌های رایانه ای و روش ‌های تحلیلی جدید و قدرتمند برای حل چنین مسائل چالش ‌برانگیزی تاکید دارد. رفتار مکانیکی مواد درگیر در مسائل ژئوتکنیکی نقش حیاتی در ارائه راه حل های قابل اعتماد و اقتصادی برای تجزیه و تحلیل و طراحی ایفا می کند. از این رو استفاده از روش های رایانه ای با مدل های رفتاری مناسب و واقع بینانه موضوع اصلی این کتاب است.

فصل 1 عوامل اصلی و مهم در کاربرد روش های رایانه ای و مدل های رفتاری مواد در زمین شناسی و رابط ها و اتصالات را معرفی می کند.

فصل 2 یک دید جامع از روش های تحلیلی و عددی (FD و FE) را برای حل مسائل به مخاطب ارائه می دهد که می توانند به عنوان راه حلی برای  اجزای یک بعدی (تیرها، شمع ها و دیوار های حائل) ایده آل شوند. مدل ‌های رفتاری ساده‌ شده مانند منحنی‌ های الاستیک خطی، الاستیک غیرخطی و منحنی‌ های مقاومت – تغییر شکل در این فصل استفاده می شوند.

فصل 3 شامل روش FE برای مسائلی است که به صورت دو بعدی و سه بعدی  ایده آل شده اند. کاربردهای دو بعدی که در این فصل گنجانده شده اند عبارتند از پی ها (دایره، مربع و مستطیل)، شمع ها، سدها، خاکریزها، تونل ها، سازه های نگهدارنده، زمین تقویت شده و روسازی. مدل‌  های سازنده مبتنی بر الاستیسیته و پلاستیسیته معمولی، الاستو ویسکوپلاستیسیته، پلاستیسیته تسلیم پیوسته، پلاستیسیته HISS و DSC، که قادر به مدل‌سازی نرم‌ شدگی و انحطاط در مواد هستند، در این فصل و فصل‌ های بعدی استفاده می شوند. متغیرهای مدل‌ های رفتاری مورد استفاده همراه با برنامه‌ های موجود ارائه شده اند، در حالی که جزئیات آنها در پیوست 1 ارائه شده است. کاربرد روش سه بعدی FE و یک روش تقریبی به نام روش چند جزئی در فصل 4 پوشش داده شده است.

در فصل 5، روش‌ های دو بعدی و سه بعدی FE و دو بعدی FD برای تراوش (در محیط ‌های متخلخل) استفاده می شود که یک شکل تخصصی از محیط ‌های با قابلیت تغییر شکل پذیری کم است. با توجه به کاربرد این موضوع در سدها، خاکریزها، سواحل و رودخانه ها نویسنده از چندین مثال در این موارد استفاده کرده است تا مخاطب به نوعی با دید عملی تری به آن نگاه کند و به تبع مطالب مربوطه را یاد بگیرد.

فصل 6 شامل کاربردهای FD و FE برای تجزیه و تحلیل پدیده تحکیم یک بعدی و نشست ناشی از آن می باشد.

فصل 7 به نوعی به ارائه روابطی میان فشار سیال (غالباً آب) در خاک در تحلیل های استاتیکی، شبه استاتیکی و دینامیکی می پردازد. برای بررسی بیشتر این موضوع از برخی از اندازه گیری های میدانی، آزمایش های مدلسازی فیزیکی در میز لرزه و سانتریفیوژ و نتایج آن ها در این فصل استفاده شده است. چنین موضوعات مهمی و تاثیر رابط ها در تحلیل رفتار پدیده ها و سیستم های ژئوتکنیکی نظیر روانگرایی در فصل 7 کتاب مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

پیوست 1 جزئیات مدل های رفتاری مختلف را به همراه متغیرهای آن شرح می دهد. البته تاکید عمده بر مدل های توسعه یافته و مورد استفاده نویسندگان این کتاب است. لازم به ذکر است که مراجع مناسب برای استفاده از مدل های دیگر ذکر شده است. بنابراین، خواننده می تواند برای جزئیات مدل های رفتاری استفاده شده در فصل های مختلف به پیوست 1 مراجعه کند.

 پیوست 2 توضیحات مختصری از برنامه های رایانه ای مختلف ارائه می دهد که توسط نویسندگان، توسعه یافته و برای حل مشکلات در موارد مختلف استفاده می شود.