Advanced Unsaturated Soil Mechanics and Engineering

مهندسان عمران، سازه ها را رو و یا زیر زمین بنا می کنند. بسیاری از قسمت های زمین را خاک های خطرناکی تشکیل داده اند که به خاک غیر اشباع معروفند. این نوع خاک ها خطر بزرگی برای سازه های خاکی یا سازه هایی که بر روی خاک ساخته شده اند محسوب می شود چرا که در صورت خیس شدن، در اثر باران یا دیگر حالات، می توانند متورم و یا گسیخته شوند که پیامدهایی جدی برای امنیت و هزینه های صورت گرفته به همراه خواهد داشت. این کتاب، مکانیک و مهندسی خاک های غیر اشباع را برای تحلیل و طراحی مسائل مهندسی عمران در چارچوبی منطقی قرار می دهد. همچنین آزمون های آزمایشگاهی و محلی و تحقیق هایی که پایه منطقی این روش جدید برای ساخت و ساز در این مصالح خطرناک هستند را توضیح می دهد.
جستجو در وبگاه کتابخانه موسسه مهندسان عمران جمعا 462 عنوان کتاب، کنفرانس و مقاله در ارتباط با مکانیک خاک نشان می دهد. با این حال جستجو در مورد مکانیک خاک غیر اشباع، فقط 66 عنوان یا 14% کل عناوین را شامل می شود که فقط دو تای آن ها کتاب است (البته تا زمان چاپ این کتاب). این مسئله بر خلاف واقعیتی است که اکثر خاک های تشکیل دهنده زمین های این کره خاکی غیر اشباع است. از این رو کم بودن عناوین مربوط به خاک غیر اشباع، شگفت آور است. دلیل آن به مکانیک خاک پساترزاقی بر می گردد که پایه های آن در شمال اروپا و آمریکا بنا نهاده شده بود و خاک هایی که در این مناطق سازه ها بر روی آن ساخته می شوند عمدتا اشباع و یا نزدیک به اشباع است. بنابراین طبیعتا دانش مورد نظر با فرض (ساده شده) اشباع بودن خاک توسعه یافت.

با توسعه سریع چین، هند، آمریکای مرکزی و جنوبی و آفریقا (مناطقی که خاک ها در نزدیکی سطح زمین به ندرت اشباع هستند)، مهندسان ژئوتکنیک دیگر نمی توانستند عوارض خاک های غیر اشباع و چالش هایی که آنها به وجود می آورند را نادیده بگیرند. از این جهت، انجمن جهانی ژئوتکنیک به این خلأ پاسخ داد. پس از هفتمین کنفرانس جهانی که با موضوع خاک های تورم پذیر در دالاس ایالات متحده در سال 1992 برگزار شد، تا به الان بیش از 10 کنفرانس بزرگ یا کارگاه آموزشی از جمله سومین کنفرانس جهانی با موضوع خاک غیر اشباع (UNSAT در سال 2002) در رسیف برزیل و چهارمین کنفرانس جهانی با همین موضوع در کِیرفری آریزونا در سال 2006 برگزار شده است (کنفرانس های جهانی هر چهار سال برگزار می شود). این کنفرانس ها نتایج تحقیقاتی که عمدتا در دانشگاه ها انجام می شوند را به صورت عمومی بیان می کنند. لکن تدریس دانشگاهی مکانیک خاک غیر اشباع نسبتا به ندرت انجام می شود و پرداختن به آن هم عمدتا به واحدهای درسی تحصیلات تکمیلی از جمله واحدهایی کوتاه برای ادامه دادن پیشرفت های حرفه ای محدود می شود. قسمتی از مشکلات مربوط به تدریس این موضوع، به کمبود کتاب های به روز رسانی شده بر می گردد.

همانطور که بالاتر گفته شد، جمعا دو کتاب وجود دارد. کتاب مکانیک خاک برای خاک های غیر اشباع (Soil Mechanics for Unsaturated Soils by Fredlund and Rahardjo, 1993) از مفاهیم آرگونومی و علوم خاک شروع می کند و در ادامه به مکانیک خاک غیر اشباع، عمدتا بر اساس شاخص گسیختگی موهر-کولمب و مسئله شیروانی های تشکیل شده از این خاک ها می پردازد. همچنین، اخیرا کتاب مکانیک خاک غیر اشباع (Unsaturated Soil Mechanics by Lu and Likos, 2004) منتشر شده که بیشتر بر روی جریان در خاک غیر اشباع تمرکز می کند. هر دو کتاب عالی هستند و کمک های بزرگی به تدریس مکانیک خاک غیر اشباع کرده اند.

بر اساس پیشرفت های انجام شده در تدریس، تحقیق و تجهیزات آزمایشگاهی به خصوص در دانشگاه علم و صنعت هنگ کنگ (Hong Kong University of Science and Technology) و در تجهیزات GDS، نیاز برای نوشتن سومین کتاب حس شد – کتابی که در آن آزمون های جدید بررسی رفتار خاک غیر اشباع، از جمله محاسبه منحنی مشخصات آب – خاک وابسته به شرایط (SDSWCC) و سختی غیر همگن خاک برجسته شده باشد؛ جایی که مدل رفتاری که در دل مکانیک خاک جدید قرار دارد و بخش مبنایی در تحلیل عددی است نشان داده شده باشد و در نهایت کتابی که کاربردهای واقعی در کارهای اجرایی شیروانی های خاک غیر اشباع در آن شرح داده شده باشد. از این رو، کتاب مکانیک و مهندسی خاک غیر اشباع با موضوعاتی نوین در چهار بخش به شکل زیر نوشته شده است:

• بخش 1: مشخصات فیزیکی و جریان در خاک غیر اشباع
• بخش 2: گسیختگی، تورم، مقاومت و سختی خاک غیر اشباع
• بخش 3: مدلسازی الاستوپلاستیک وابسته به شرایط خاک غیر اشباع
• بخش 4: اقدامات اجرایی و مطالعات عددی در مهندسی شیروانی ها در خاک غیر اشباع

هر بخش با ارائه عکسی که در بر دارنده مطالب آن بخش است آغاز شده و به دنبال این عکس، خلاصه ای برای هر فصل در آن بخش ارائه شده است. این خلاصه ها مروری از مطالب فصل مربوطه ارائه می دهند و چگونگی نقش آنها در بهبود دانش ژئوتکنیکی را توضیح می دهند. خواننده می‌تواند فوراً از این موضوع قضاوت کند که با نگاه کردن به یک بخش یا فصل خاص، چه نفعی را می تواند به دست آورد.

کتاب مکانیک و مهندسی خاک غیر اشباع پیشرفته منحصر به فرد است، چرا که اهمیت منحنی های مشخصات آب- خاک وابسته به شرایط و چگونگی محاسبه آنها را نشان می دهد، نحوه محاسبه سختی ناهمگن خاک در کرنش های کوچک را توضیح می دهد، مدل رفتاری الاستوپلاستیک وابسته به شرایط و همین طور مدلسازی نفوذ باران توسعه می یابد و رفتار خاکریزهای سست را از حالت غیر اشباع تا اشباع مطالعه می کند. بخش عمده کتاب به مسئله ژئوتکنیکی بسیار چالش برانگیز پایداری شیروانی در خاک غیر اشباع می پردازد.

فصل 1: فیزیک پایه ای، فازها و متغیرهای حالت تنش

خاک های غیر اشباع که اکثر خاک سطحی یا نزدیک به سطح خشکی های زمین را تشکیل می دهد، به همراه مشخصات آنها در حالت اشباع جزئی که باعث ایجاد هوای منفذی و همین طور آب منفذی و در نتیجه تشکیل سطحی ادغام شونده از آب و هوا می شود، توضیح داده شده اند. اهمیت متغیرهای حالت تنش در تعریف رفتار مهندسیِ مقاومت، تغییرشکل پذیری و جریان گذرا مورد بحث قرار گرفته و انتخاب دو متغیر مستقل حالت تنش (تنش قائم خالص و مکش مویینه) توضیح داده شده است. مباحث فیزیکی مربوط به تنش سطحی و کاویتاسیون (و نحوه پرهیز از آن) بررسی شده اند. این گزاره که خاک اشباع یک حالت ساده شده و به خصوص از خاک غیر اشباع است نادرست است چرا که تفاوت های بنیادین در مورد دسته بندی و روش های تحلیل میان این دو مورد وجود دارد. این تمایز مهم، مفهوم زیادی برای مهندسین اجرایی دارد.

فصل 2: اندازه گیری و کنترل مکش: روش ها و کاربردها

در این فصل از کتاب مکانیک و مهندسی خاک غیر اشباع پیشرفته، اندازه گیری و اهمیت مکش خاک برجسته شده است. قواعد و محدودیت های روش های اندازه گیری از جمله انتقال محور و روش های اسمزی و کنترل رطوبت شرح داده شده اند. یک سیستم اندازه گیری تغییرات حجم جدید و دقیق توضیح داده شده است. مثال هایی از استفاده از روش های کنترل متفاوت ارائه شده اند. مقاومت برشی محاسبه شده به روش های انتقال محور و اسمزی مقایسه شده اند. بسیاری از ابزارهای آزمایشگاهی و محلی اندازه گیری مکش در نظر گرفته شده اند. یک مورد مطالعاتی با مقایسه اندازه گیری مکش محلی با حسگرهای متفاوت توضیح داده شده است. امروزه مهندسان عمران حسگرهای پیشرفته بسیاری در دسترس دارند که می توانند مکش را در خاک غیر اشباع اندازه گیری کنند.

فصل 3: قوانین جریان، تراوش و مشخصات آب – خاک وابسته به شرایط

قوانین جریان برای تراوش هوا و آب در خاک های اشباع و غیر اشباع مرور شده است. مشخصات و متغیرهای هیدرولیکی از جمله منحنی مشخصات آب – خاک (SWCC) و همین طور توابع نفوذ برای انجام تحلیل تراوش گذرا در خاک غیر اشباع توضیح داده شده است. یک مفهوم پیشرفته و جدید از منحنی مشخصات آب – خاک وابسته به شرایط (SDSWCC) برای تعریف ظرفیت یک خاک غیر اشباع برای ذخیره و رها کردن آب در شرایط تنش مختلف شرح داده شده است. روش های آزمایشگاهی و نظری از تعریف و اندازه گیری SDSWCC توضیح داده شده است. تاثیر مشخصات هیدرولیکی مختلف و شرایط بارش بر سازوکار نفوذ باران در سیستم خاک غیر اشباع یک لایه و دو لایه به وسیله یک مطالعه پارامتری تحلیلی آشکار شده است. این تحلیل نشان می دهد که فرآیند نفوذ و پاسخ فشار آب حفره ای در درجه اول توسط نرخ نفوذ بارش، ضریب اشباع زدایی و نفوذپذیری خاک اشباع کنترل می شود. همچنین اثر نرخ نفوذ پیشین نیز بررسی شده است.

فصل 4: گسیختگی و تورم ناشی از خیس شدگی

خاک های تورم پذیر و رمبنده توضیح داده شده اند و مشخصات رایج آن ها، یعنی غیر اشباع بودن خاک و عکس العمل آنها در برابر خیس شدگی به لحاظ ساختار پایدار خاک و پایداری کم آن شرح داده شده است. روش های آزمایشگاهی مرور شده است. مفهوم خاکریز های بکر و دست خورده توصیف شده و ظرفیت آنها برای گسیختگی بررسی شده است. اقدامات تعدیلی در مورد خاک های رمبنده در نظر گرفته شده و رفتار خاک های تورم پذیر متراکم شده در کنار طراحی پی ها بر روی خاک های تورم پذیر مرور شده است. این روش بر اساس تجارب اندوخته شده در کنار آزمایش های پیشرفته، پایه و اساس طراحی ژئوتکنیکی به روز شده سازه های ساخته شده بر روی خاک غیر اشباع و همین طور شیروانی های مهندسی شده در خاک غیر اشباع را تشکیل می دهند.

فصل 5: اندازه گیری مقاومت برشی و رفتار برشی خاک غیر اشباع

مقاومت برشی خاک غیر اشباع توضیح داده شده و آزمایش های سه محوری و برش مستقیم مرور شده اند. اهمیت اندازه گیری تغییرات حجم کل (از جمله هوا و آب منفذی) در آزمایش سه محوری توضیح داده شده است و یک روش جدید اندازه گیری با جزئیات توضیح داده شده است. روش های انتقال محور و اسمزی برای آزمایش برش مقایسه شده اند. معیار گسیختگی موهر-کولمب گسترش یافته مرور شده و روش های متفاوت برای تخمین مقاومت برشی خاک غیر اشباع از منحنی مشخصات آب – خاک توضیح داده شده است. رفتار مهندسی خاک غیر اشباع به وسیله مجموعه ای از آزمایش هایی که مسیرهای تنش محلی را در آزمایشگاه شبیه سازی می کنند و اثرات مکش خاک را بر اتساع پوشش می دهند نشان داده می شود. داده های آزمایشگاهی نشان دهنده عملکرد مهندسی خاک آتشفشانی با تراکم کم و خاک گرانیتی اشباع و غیر اشباع سست، با استفاده از مکانیک خاک حالت بحرانی توسعه یافته برای خاک های غیر اشباع تفسیر شده و توضیح داده شده است. نتایج کلیدی مهندسی شامل اتساع ناشی از مکش و همچنین وابستگی تغییرات حجم به شرایط و پاسخ های تنش-کرنش می شود.

فصل 6: اندازه گیری سختی برشی

اهمیت مهندسیِ سختی برشی در کرنش کوچک خاک مورد تاکید است. اثر فشار همه جانبه، نسبت تخلخل، دانه بندی خاک و شکل دانه ها توضیح داده شده است. تجهیزات آزمایشگاهی از جمله دستگاه های سه محوری و ستون تشدید بررسی شده اند و نقش ابزارهای خم کننده پررنگ شده است. معادلات نظری برای توضیح اثر شرایط تنش و مکش خاک بر ناهمگنی سختی به دست آمده اند. محاسبات آزمایشگاهی از سختی برشی ناهمگنِ یک CDT کاملا تجزیه شده ارائه شده و توضیح داده شده است. این روش ترکیبی نظری و آزمایشگاهی، نقش مکش خاک در ناهمگنی سختی ناشی از تنش و همین طور ناهمگنی سختی ذاتی را آشکار می کند.

فصل 7: مدل رفتاری الاستوپلاستیک حالت بحرانی وابسته به شرایط

مدل های رفتاری، قلب مکانیک خاک جدید است چرا که امکان شبیه سازی عددی مسائلی با شرایط مرزی متفاوت را در برنامه هایی که به روش اجزا محدود یا تفاضل محدود کار می کنند فراهم می کند. این کار نه تنها برای انجام مطالعه پارامتری به منظور درک عوامل کلیدی تاثیرگذار بر رفتار خاک ضروری است بلکه کمکی برای طراحی های مهندسی محسوب می شود.

در این قسمت یک مدل الاستوپلاستیک نسبتا ساده وابسته به شرایط برای خاک های اشباع و غیر اشباع توسعه یافت. این مدل که در قالب مکانیک خاک حالت بحرانی گسترش یافته است، برای خاک های غیر اشباع فرمول بندی شده و بر اساس دو متغیر مستقل حالت تنش: تنش قائم خالص و مکش مویینه ارائه شده است. یک اتساع اصلاح شده وابسته به شرایط نیز برای در نظر گرفتن اثرات شرایط داخلی، سطح تنش و مکش خاک توضیح داده شده است. مقایسه میان نتایج مدلسازی عددی و آزمایشگاهی نشان می دهد که مدل رفتاری ارائه شده توانایی پیش بینی برخی جنبه های کلیدی رفتار مهندسی خاک اشباع و غیر اشباع را در مسیرهای تنش مختلف دارد.

فصل 8: ابزارگذاری و عملکرد: مورد مطالعاتی در مهندسی شیروانی

برای کمک به طراحی مسیر میانی پروژه انتقال آب جنوب به شمال در چین (SNWTP)، دو منطقه، هر کدام به عرض 16 متر و طول 31 متر با ارتفاع 11 متر با شیب 22 درجه در رس تورم پذیر با خاصیت خمیری متوسط با تراکم بالایی ابزارگذاری شد و بر عملکرد مهندسی آن نظارت شد. مسیر میانی این پروژه با طول 1200 کیلومتر برای انتقال آب قابل شرب از ناحیه رودخانه یانگ تسه در جنوب به بسیاری از مناطق خشک و نیمه خشک در شمال چین از جمله بیجینگ به کار می رود. یکی از عمده مسائل ژئوتکنیکی، طراحی ایمن و اقتصادی ابعاد برای شیب هایی است که کانال روبازی را با سطح مقطع ذوزنقه ای در خاک تورم پذیر غیر اشباع با پتانسیل تورم و انقباض بالا تشکیل می دهند.

برای در نظر گرفتن اثرات متغیرهای مستقل شرایط تنش از جمله مکش خاک و تنش قائم خالص، ابزارگذاری منحصر به فردی طراحی شده است. ابزارهای استفاده شده شامل کشش سنج، حسگرهای هدایت گرمایی مکش، پروب های رطوبت، سلول های فشار خاک، شیب سنج، باران سنج، جریان سنج و تبخیرسنج می شوند. سازوکار اساسی نفوذ باران در خاک تورم پذیر در طول دو بارش مصنوعی و اندرکنش پیچیده تغییرات مکش خاک (یا درصد رطوبت)، شرایط تنش محلی و تغییرشکل های منجر به گسیختگی شیروانی مطالعه شد. نظارت بر داده ها نه تنها برای طراحی شیروانی ها در رس غیر اشباع تورم پذیر مفید است بلکه برای کالیبره کردن مدل های رفتاری و شبیه سازی های عددی ارزشمند است. بنابراین این مورد مطالعاتی منبعی سودمند برای مهندسان اجرایی و همین طور مدل های عددی می تواند باشد.

فصل 9: کاربردهای مهندسی برای پایداری شیروانی ها

روش های تعادل حدی تحلیل پایداری شیروانی در خاک غیر اشباع با استفاده از معیار گسیختگی موهر-کولمب گسترش یافته توضیح داده شده است. یک مطالعه پارامتری عددی سه بعدی از نفوذ باران در شیروانی خاک غیر اشباع شرح داده شده و اثر الگوهای مختلف بارش بر آب زیرزمینی به دست آمد. اثر بحرانی بارش های پیشین بر توزیع فشار آب حفره ای و در نتیجه بر ناپایداری شیب آشکار شد. دیگر مطالعات پارامتری عددی نشان می دهند که چطور پایداری شیب تحت تاثیر منحنی مشخصات آب – خاک وابسته به شرایط، متحمل خیس شدن و خشک شدن در شرایط تنشی متفاوت می شوند. اثر بحرانی جریان آب زیرزمینی ناشی از سد بر پایداری شیب نیز مدل شده است. یک روش طراحی غیر محافظه کارانه که از SWCC استفاده می کند نیز توضیح داده شده است. دیگر عوامل تاثیرگذار بر پایداری شیب از جمله اثر تراکم مجدد، پوشش سطح و لایه های مانع نیز بررسی شد. نقش میخ کوبی در خاکریز شیب با احتمال روانگرایی استاتیکی، با استفاده از مدل کرنش نرم شونده مطالعه شد. نظریه جدید مدلسازی نفوذ سطحی-زیرسطحی بارش شرح داده شد. این مدل جدید توانایی شبیه سازی نفوذ بارش و جریان آب سطحی را به طور همزمان و تکرارپذیر، بدون دانستن ضریب نفوذ بارش دارد. اهمیت اثرات مدلسازی عطفی در پایداری شیروانی ها مرور شد. بر اساس نتایج مطالعات پارامتری عددی ارائه شده در این فصل، مهندسان طراح می توانند درک خود را از سازوکار نفوذ بارش و جریان گذرا در شیروانی خاک غیر اشباع بهبود بخشند و در نتیجه قادر به پیش بینی پایداری شیب با اطمینان بیشتری باشند.