Computational Multiphase Geomechanics

به طور کلی بررسی پدیده های ژئوتکنیکی پیش از ساخت سازه ها کمک می کند تا احتمال وقوع حوادث پیش بینی نشده تا حد زیادی کاهش یابد. بررسی پدیده های مختلف در علم ژئوتکنیک به کمک مدل سازی فیزیکی خاک و شرایط حاکم بر آن در آزمایشگاه و آزمون های آزمایشگاهی مختلف و مدلسازی عددی پدیده ها به کمک نرم افزارهای رایانه ای انجام می شود. در بسیاری از موارد نمی توان شرایط خاک و عوامل موثر بر پدیده را به صورت فیزیکی مدلسازی نمود بنابراین در میان مهندسین ژئوتکنیک امروزه تقریباً واضح است که روش های عددی نقش بسیار مهمی در مهندسی ژئوتکنیک و فعالیت مرتبط با آن به نام “ژئوتکنیک محاسباتی” دارند. منطقه ای که توسط ژئوتکنیک محاسباتی تحت پوشش قرار می گیرد، به ویژه آن چیزی که به ماهیت چند فازی ژئو مواد مربوط می شود، در حال پیشرفت است. کتاب ژئومکانیک چند فازی محاسباتی جلد دوم مدل سازی محاسباتی ژئو مواد چند فازی است که در سال 2012 منتشر شده است و پیشرفت ‌های اخیر را در زمینه مدل سازی عددی در مفهوم اولیه مخلوط هوا، آب و خاک، مدل‌ های رفتاری سیکلی، مدل‌های نا همسانگرد، مدل‌های غیرهم محور. مدل‌های گرادیان، محلی ‌سازی کرنش شامل تراکم، محلی‌سازی کرنش دینامیکی و ناپایداری خاک‌های غیراشباع ارائه می‌کند، علاوه بر این، در کتاب ژئومکانیک چند فازی محاسباتی مباحثی در مورد استفاده از مدل سازی محاسباتی برای پایداری شیب، گودبرداری در مقیاس بزرگ زمین، تجزیه و تحلیل روانگرایی در خاک ‌ها در هنگام زلزله، مسائل مربوط به توسعه هیدرات متان و محافظت از آلودگی توسط بنتونیت ذکر شده است. فرسایش مواد ژئومتریال ناشی از تراوش نیز از دیگر موضات بیان شده در این منبع می باشد. در تحلیل های ارائه شده در این کتاب از برنامه های رایانه ای “CONVI2D” برای مسائل دو بعدی و “CONVI3D” برای مسائل سه بعدی و چندین برنامه توسعه یافته مانند CONVI2D-DY برای تحلیل دینامیکی و غیره استفاده شده است که توسط نویسندگان و همکارانشان در آزمایشگاه ژئومکانیک دانشگاه کیوتو توسعه داده شده است.

 فصل 1 کتاب ژئومکانیک چند فازی محاسباتی به روابط محیط متخلخل سه فاز گاز- مایع- جامد و توضیح مفاهیم اساسی آن می پردازد. تنش موثر و تنش کل بر اساس نظریه محیط متخلخل در مکانیک محیط های پیوسته از جمله مباحث بیان شده در این فصل می باشد.

 فصل 2 مدل های رفتاری مختلفی را ارائه می کند، به عنوان مثال، مدل الاستوپلاستیک حلقوی، مدل ویسکوالاستیک حلقوی، مدل ناهمسانگرد، مدل های خاک غیر اشباع، مدل غیر هم محور، مدل غیر محلی وابسته به تغییرات کرنش و مدل نرم شدگی کرنش از جمله مدل های بیان شده در این فصل از کتاب ژئومکانیک چند فازی محاسباتی می باشند. مطالعه این فصل برای تحلیل عددی ژئومتریال های مختلف ضروری است.

 فصل 3 به معادلات حاکم بر ژئومتریال چند فازی و روابط اجزای محدود دینامیکی با رابطه لاگرانژی به روز شده برای تحلیل تغییر شکل های بزرگ می پردازد.

در فصل 4، موضوع ویژه این فصل مسائل موجود در  محلی سازی کرنش ژئومتریال ها است. به طور خاص، نوارهای تراکم به طور مفصل برای سنگ ها توضیح داده شده. علاوه بر این، مسائل محلی سازی دینامیکی خاک غیراشباع به صورت عددی در مقایسه با پاسخ خاک اشباع در این فصل به تفضیل ارائه شده است.

در فصل 5، پایداری خاک و مسئله نفوذ آب در خاک غیر اشباع به همراه یک شبیه سازی عددی ارائه شده است. نتایج تحلیل پایداری خطی مواد غیراشباع الاستو ویسکوپلاستیک نشان می‌دهد که مشخصه های رابطه مکش – اشباع نقش مهمی در شروع ناپایداری یک ماده ویسکوپلاستیک غیراشباع در معرض نفوذ آب بازی می‌کنند. مطالعات پارامتریک شبیه ‌سازی عددی مسئله با اشاره ویژه به رابطه مکش – اشباع با تحلیل ناپایداری خطی سازگار است. مقایسه شبیه سازی عددی و نتایج آزمون نفوذ نیز در این فصل نشان داده شده است.

فصل 6 از کتاب ژئومکانیک چند فازی محاسباتی مطالعه ای را برای روشن شدن اثر بارندگی بر تغییر شکل خاکریزهای غیراشباع با در نظر گرفتن تراوش ارائه می کند. از نتایج عددی مشاهده می شود که تغییر شکل خاکریز به میزان قابل توجهی به نفوذپذیری آب در خاک به ویژه در سطح شیب در حاشیه رودخانه بستگی دارد.

 در فصل 7، پاسخ دینامیکی تغییر شکل بزرگ خاکریزهای رودخانه در معرض تحریکات لرزه ای با استفاده از رابطه u-p ارائه شده در زمینه نظریه متخلخل ارائه شده است. تلاش هایی برای مدل سازی حالت‌ های گسیختگی و الگوهای آسیب خاکریزهای رودخانه مشاهده ‌شده در زلزله توهوکو ۲۰۱۱ انجام شده است که در این فصل به آن پرداخته شده است. اثرات نیم رخ زمین، سطح آب و حرکت زلزله بر پاسخ لرزه ای و الگوی آسیب خاکریزهای رودخانه در این فصل مورد تاکید قرار گرفته است.

 در فصل 8، گودبرداری در مقیاس بزرگ در پروژه ها به صورت عددی با استفاده از روش اجزای محدود جفت شده خاک – آب با مدل الاستو ویسکوپلاستیک که تخریب ناشی از کرنش را در نظر می گیرد، تحلیل می شود. مقایسه بین نتایج عددی و اندازه‌گیری‌ های حفاری نشان می‌دهد که روش شبیه سازی می تواند تغییر شکل کلی زمین نرم و دیوار های حائل زمین از جمله رفتار وابسته به زمان را به تصویر بکشد.

فصل 9 یک مدل الاستو ویسکوپلاستیک برای خاک منبسط شونده غیر اشباع ارائه می کند. یک معادله برای توصیف جذب آب به درون  لایه ‌های رسی بیان شده است. اثر تراکم داخلی ناشی از تورم رس نیز با گسترش سطوح مرزی بیش از حد تحکیم و سطح تسلیم استاتیک در این فصل بیان می شود. در ادامه این فصل تجزیه و تحلیل اجزای محدود برای مطالعه فشار تورم انجام شده است. با مقایسه نتایج تجربی و نتایج مدلسازی در این بخش مشخص شد که مدل پیشنهادی می‌تواند اثرات چگالی خشک و درصد رطوبت آب بر رفتار تورمی را با دقت خوبی ارزیابی کند.

در فصل 10، مدل سازی عددی فرآیند تولید گاز با استفاده از روش کاهش فشار ارائه شده است. شبیه سازی برای مدل زمین بستر دریا با یک لایه هیدرات دار برای بررسی رفتار مکانیکی در حین تفکیک انجام شده است. این روش بر اساس آنالیز جفت شده شیمیایی – ترمو مکانیکی با در نظر گرفتن تغییرات فاز از حالت جامد به سیال یعنی آب و گاز، جریان سیالات، انتقال حرارت و تغییر شکل زمین توسعه یافته است. یک مدل الاستو ویسکوپلاستیک توسعه یافته برای خاک های غیر اشباع با در نظر گرفتن اثر پیوند هیدرات برای رسوبات هیدرات دار استفاده می شود. نتایج عددی زمین بستر دریا در طول تفکیک هیدرات متان نیز مورد بحث قرار می‌گیرد.

در فصل 11، نویسنده روابط مدل های رفتاری حاکم بر فرسایش را با در نظر گرفتن عوامل موثر در آن و البته معادله سرعت انتقال جرم ارائه می کند. فرض نویسنده در این فصل بر این است که نیروی محرکه لازم برای فرسایش از مولفه اندرکنش به عبارتی سرعت نسبی بین دو فاز در معادله حرکت برای یک مخلوط دو فازی به دست می‌آید. سپس معادلات میدانی برای شبیه‌سازی رفتار هیدرو مکانیکی ناشی از فرسایش داخلی در چارچوب نظریه محیط متخلخل چند فازی استخراج می‌شوند. آزمایش‌های فرسایش آزمایشگاهی با استفاده از خاک ماسه ای بد دانه بندی شده توسط مدل پیشنهادی شبیه سازی شده است و اعتبار آن با توجه به میزان جرم خاک فرسایش ‌یافته و توزیع اندازه ذرات اندازه‌گیری شده پس از آزمایش فرسایش مورد بحث قرار می‌گیرد.

کتاب ژئومکانیک چند فازی محاسباتی یکی از کتاب های به روز در زمینه مدلسازی عددی در زمینه ژئوتکنیک است که می تواند برای دانشجویان کارشناسی ارشد و دکتری ژئوتکنیک و علاقه مندان جالب باشد و اطلاعات ارزشمندی را در این زمینه در اختیار آنها قرار دهد.