Computational Geomechanics, Theory and Applications (2022)

مهندس ژئوتکنیک در طراحی پروژه های مختلف نظیر پایدارسازی گودهای عمیق، پی ساختمان ها، خاکریزها و سدها باید بتواند ایمنی این سازه ها را تحت بارگذاری های مختلف در برابر ریزش یا تغییر شکل بیش از حد پیش بینی کند. البته قضاوت مهندسی و پیش بینی او نیز در مراحل مختلف طراحی و اجرا می تواند نقش تاثیر گذاری را ایفا نماید. اشتباه در این زمینه می تواند فاجعه به بار بیاورد. نمونه بارز آن فروریختن فاجعه بار کوه توک است که مخزن Vajont را در بر می گیرد که در 9 اکتبر 1963 در ایتالیا رخ داد. طراحی مطمئن با تکیه بر محاسبات دقیق که شرایط مختلف پروژه را در بر می گیرد، تا حد قابل قبولی از وقوع فاجعه هایی از این دست جلوگیری نماید.
اولین متن نویسنده در مورد موضوع ژئومکانیک محاسباتی با ارجاع ویژه به مهندسی زلزله، 23 سال پیش منتشر شده است. آن کتاب در واقع اولین کتابی بود که موضوع اصلی آن جنبه های دینامیکی محاسباتی ژئومکانیک است که آشکارا شامل استاتیک نیز می شود. در این مدت، گسترش سریعی در تحقیقات و کاربردهای عملی این نوع مسائل صورت گرفته است و این موضوع سبب شده است تا نویسنده تصمیم بگیرد ویرایش جدیدی از کتاب تئوری و کاربرد ژئومکانیک محاسباتی را ارائه دهد.

کتاب تئوری و کاربرد ژئومکانیک محاسباتی نه تنها نتایج تحقیقات انجام شده توسط نویسنده در چند سال اخیر را در بر می گیرد، بلکه گزارش هایی از پروژه ها و تحقیقات انجام شده توسط سایر محققین و شرکت ها نیز در این کتاب گنجانده شده است. فصل‌های ویرایش قبلی به ‌طور گسترده به‌ روزرسانی شده اند و فصل ‌های جدیدی به کتاب اضافه شده اند تا پوشش بسیار گسترده ‌تری از تئوری و کاربرد ژئومکانیک ارائه داده شود.

اگر چه مفهوم تنش موثر در خاک در تمامی کتاب های مکانیک ‌های خاک پذیرفته شده است، پیش‌بینی‌ های اجرایی و محاسبات مهندسی به طور سنتی بر اساس رویکردها و روش های مبتنی بر حاکمیت تنش کل در خاک است. هنگامی که نویسنده، در اوایل دهه هفتاد میلادی، استفاده از روش های عددی در زمینه مکانیک خاک به طور کلی و دینامیک خاک به طور خاص را آغاز کرد، برای او روشن شد که یک پیش‌بینی واقعی از رفتار توده ‌های خاک تنها زمانی به دست می آید که از روش های مبتنی بر حاکمیت تنش موثر در خاک استفاده شود و رویکردهای مبتنی بر تنش کل کنار گذاشته شود. در واقع علت مقبولیت بیشتر حاکمیت تنش موثر می تواند عملکرد بهتر این روش ها در در نظر گرفتن اندرکنش میان آب با خاک باشد. چرا که اهمیت فشار آب حفره ای در بسیاری از مسائل ژئوتکنیکی قابل مشاهده و غیر قابل انکار است. به عنوان مثال پدیده تضعیف و “روانگرایی” در خاک، نمونه ای از پدیده هایی است که روش های مبتنی بر حاکمیت تنش کل نمی توانند به خوبی پوشش دهند. در روانگرایی زمانی که خاک تحت بارگذاری های چرخه ای با ماهیت سریع مانند زلزله قرار می گیرد، فشار آب حفره ای به شکل قابل توجهی در اعماق خاک افزایش می یابد تا جایی که خاک مقاومت برشی خود را از دست داده و مشابه یک سیال جاری و روان می شود. مطالعه این پدیده بدون در نظر گرفتن تغییرات رخ داده در فشار آب حفره ای و تنش موثر تقریباً غیر ممکن است.

روش های محدود ساده که اغلب در استاتیک به کار می روند دیگر مفید نیستند. بنابراین، در حال حاضر ضروری به نظر می رسد که اساس چنین رویکردهای محاسباتی در یک جلد ارائه شود. زیرا مخاطبان وسیع تری از مهندسان ژئوتکنیک و دانشجویان مهندسی به دانشی نیاز دارند که تاکنون فقط از طریق انتشارات علمی پراکنده در بسیاری از مجلات و کنفرانس ها در دسترس بوده است. کتاب حاضر در واقع حاصل یک تلاش دسته جمعی برای پاسخگویی سریع به این نیاز است.

از سال 1975، تعداد زیادی از پژوهشگران، اعم از دانشجویان و همکاران، هم در شهر سوانسی و هم در شهرهای انگلستان و کشور های دیگر در پی ریزی پایه های پیش بینی های عددی که عمدتاً مبتنی بر مفاهیم معرفی شده در اوایل دهه چهل توسط Biot بود، شرکت کرده اند. با این حال، محاسبه تنش کل همچنان توسط برخی مهندسان برای تجزیه و تحلیل پاسخ زلزله، که اغلب با تقریب های خطی معرفی می شود، استفاده می شود. چنین ساده ‌سازی هایی معمولاً مفید نیستند و می توانند منجر به پیش‌بینی‌ های اشتباه شوند. در سال‌ های اخیر، آزمایش ‌های سانتریفیوژ امکان مطالعه برخی پدیده ها در خاک را که ماهیت استاتیکی و یا دینامیکی را شامل می‌شوند، فراهم کرده است. استفاده از مدلسازی های فیزیکی در داخل سانتریفیوژ و میز لرزه در کنار مطالعات عددی، مجموعه ای مفید از پیش بینی های معیار را ارائه می دهند. در این کتاب سعی شده است تا از روش های متکی بر حاکمیت تنش موثر یا به اصطلاح دو فازی استفاده شود. نقطه عطف مهم در استفاده هماهنگ مطالعات عددی و آزمایشگاهی، کارگاهی بود که در سال 1993 در دانشگاه کالیفرنیا بود که گزارش تایید تجزیه و تحلیل های صورت گرفته در زمینه روانگرایی پروژه VELACS در آن مطرح گردید که توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده حمایت شد.

در این کارگاه، نکات مربوط به حاکمیت تنش موثر و رویکردهای دو فازی (اشباع یا خشک) به وضوح بررسی گردید. از همان ابتدا مشخص بود که این مفاهیم مبنای محاسبات مهندسی آینده و پیش‌بینی رفتار خاک برای پروژه ها و مشکلات ژئوتکنیکی خواهند بود. کتاب تئوری و کاربرد ژئومکانیک محاسباتی نمونه هایی از این اعتبار سنجی های صورت گرفته را نشان می دهد و همچنین نمونه هایی از کاربرد اجرایی رویه های شرح داده شده را نشان می دهد.

در طی مطالعات عددی، علاوه بر این آشکار گردید که در بسیاری از موارد ممکن است خاک به شکل سه فازی و نیمه اشباع وجود داشته باشد یعنی بخشی از فضای خالی میان ذرات جامد خاک با آب و بخشی دیگر با هوا پر شده است. در شرایطی که خاک در حالت نیمه اشباع قرار دارد، مفهوم فشار منفی ( مکش) نیز مطرح است که اجازه می دهد تا چسبندگی ظاهری در خاک های غیر چسبنده ایجاد شود. این پدیده ممکن است در ابتدای بارگذاری وجود داشته باشد یا در واقع ممکن است در طول فرآیند دینامیک ایجاد شود. بنابراین نویسنده تصمیم گرفته است تا این موضوع را نیز در کتاب تئوری و کاربرد ژئومکانیک محاسباتی پوشش دهد.

با وجود تعدد نویسندگان، در مجموع تلاش شده است تا رویکردی واحد ارائه گردد.

سه فصل اول از کتاب تئوری و کاربرد ژئومکانیک محاسباتی، تئوری محیط های متخلخل را در حالت های اشباع و غیر اشباع بررسی می کند. مفاهیم این فصل در حقیقت بنیان کلی مسائل موجود در مکانیک خاک را پی ریزی و ایجاد می کند.

به طور کلی می توان گفت که ماهیت بنیادین این فصل تفاوت چندانی با ویرایش قبلی نداشته است. اما بسیاری از فصل های دیگر به طور اساسی به روز شده اند. بخش بعدی کتاب به طور گسترده بازسازی و به روز شده است و فصل ‌های جدیدی اضافه شده است تا اساساً تمام جنبه‌ های مهم مکانیک محاسباتی خاک پوشش داده شود.

ضروری است تا قبل از بیان تقریب های عددی، به موضوع بسیار مهم توصیف کمی رفتار خاک و مدل های رفتاری در خاک ها پرداخته شود چرا که دانش آن برای ارائه محاسبات دقیق و واقعی ضروری است. نکات مربوط به این موضوع در فصل چهارم از کتاب تئوری و کاربرد ژئومکانیک محاسباتی بیان شده است. این فصل به طور اساسی بازنویسی شده است تا پیشرفت های جدیدی را که در این زمینه رخ داده است را معرفی کند. در حقیقت علت طولانی شدن این فصل نیز همین موضوع می باشد. هدف مدل‌های رفتاری این است که برخی از ویژگی ‌های اصلی در رفتار مکانیکی جامدات تحت شرایط داده شده دما، سرعت بارگذاری، سطح کرنش، ماهیت شرایط تنش و غیره را به تصویر بکشند.

به طور کلی، مدل های رفتاری را می توان در دو گروه اصلی طبقه بندی کرد:

1) مدل های میکرومکانیکی یا فیزیکی، بر اساس رفتار دانه ها یا ذرات

2) مدل های ماکرومکانیکی بر اساس شناخت پدیده ها

اکثر مدل های مورد استفاده در برنامه های رایانه ای از دسته دوم هستند. همه مواد پاسخی را ارائه می دهند که تا حد زیادی به زمان بستگی دارد. به عنوان مثال، نمونه ای از خاک رس نرم که تحت تنش عمودی ثابت قرار گرفته است، تغییر شکل عمودی را نشان می دهد که با گذشت زمان به طور یکنواخت افزایش می یابد. با این حال، اکثر ژئو موادها در شرایط معمول مهندسی رفتار مکانیکی دارند که بیشتر به سطح تنش، فشار منفذی، تاریخچه تنش، جهت افزایش بار و ساختار مواد بستگی دارد تا به زمان. در واقع، بخش عمده ای از وابستگی زمانی مشاهده شده به طور کلی با جریان آب منفذی مرتبط است. برای این موارد، نظریه‌ های مبتنی بر انعطاف‌پذیری، چارچوبی سازگار ارائه می‌کنند که در آن رفتار را می‌توان به دقت درک و پیش‌بینی کرد.

هسته اصلی این فصل بخش 4.4 است که به مدل ‌های پلاستیسیته تعمیم یافته می پردازد که از اولین مدل ساده برای رس‌ها و ماسه ها تحت بارگذاری یکنواخت و متناوب که توسط گروه سوانسی به رهبری مرحوم پروفسور  O.C. Zienkiewicz، Pastor et al (1990) به پیشرفت ‌های اخیر برای خاک‌ های غیراشباع منجر شده است، استفاده گردیده است. نویسنده در این فصل بخش زیادی را به تئوری پلاستیسیته تعمیم یافته و مکانیک خاک در حالت بحرانی اختصاص می دهد و همچنین یک مدل پلاستیسیته ساده را نیز به طور کامل معرفی می کند و سپس آن را به مدل پلاستیسیته تعمیم یافته به مکانیک خاک تا حدی اشباع شده گسترش می دهد. این فصل با ارائه مدل‌ های پیشرفته جایگزین مانند مدل های سطوح مرزی و هیپو پلاستیسیته به پایان می رسد.

فصل 5 به برخی از جنبه‌ های خاص تحلیل و روابط در مکانیک خاک می پردازد، مانند راه حل‌ های میدان آزاد در مسائل شبه استاتیک، ورودی های مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل لرزه ای و موضوعات مرتبط نظیر میرایی، الزامات اجزای محدود تطبیقی، ثبت پدیده‌ های موضعی، تحکیم و تثبیت در خاک های تقریباً غیر قابل تراکم، در این فصل از کتاب مورد بحث قرار گرفته است.

در فصل 6 کاربردهایی برای مسائل استاتیکی، تراوش (حرکت آب در خاک)، تحکیم خاک، شکست هیدرولیکی و همچنین نمونه هایی از شکست دینامیکی در محیط های متخلخل اشباع را ارائه می دهد. اعتبار سنجی پیش‌بینی‌ های صورت گرفته در این فصل به کمک نتایج به دست آمده از آزمایش های مدلسازی فیزیکی صورت گرفته در داخل سانتریفیوژ صورت می گیرد. نکات مربوط به این موضوع در فصل هفتم کتاب توسط نویسنده بیان شده است.

فصل 8 از کتاب تئوری و کاربرد ژئومکانیک محاسباتی به طور کامل به خاک های غیر اشباع اختصاص دارد، از جمله مباحث بیان شده در این فصل شامل تجزیه و تحلیل دینامیکی با محلول جریان سیال دو فازی کامل، تجزیه و تحلیل فرونشست زمین ناشی از بهره برداری بیش از حد از مخازن گاز و زمین لغزش می باشد.

فصل 9 به پیش بینی های کاربردی، کاربرد و تحلیل نمونه های مختلف از مهندسی زلزله می پردازد. در نهایت، فصل 10 محدودیت های تجزیه و تحلیل را فراتر از شکست نشان می دهد و مدل سازی مواد ژئو مواد سیال را با کاربرد در زمین لغزش های فاجعه بار سریع نشان می دهد.