Critical State of Soil Mechanics – Schofield & Wroth

کتاب حالت بحرانی در مکانیک خاک نوشته اندرو اسکافیلد در مورد مدل های مفهومی است که نشان دهنده خواص مکانیکی خاک اشباع بازسازی (Remolded) شده است. هر مدل شامل مجموعه ای از خواص مکانیکی است و هر کدام را می توان با روش های ریاضیات کاربردی آشنا برای مهندسان دست کاری کرد. مدل ها، کم و بیش دقیق، چندین جنبه فنی مهم از رفتار مکانیکی ماده خاک را نشان می دهند.

کتاب حالت بحرانی در مکانیک خاک اسکافیلد در سطح درک یک دانشجوی سال آخر کارشناسی مهندسی عمران نوشته شده است. همچنین باید مستقیماً مورد توجه دانشجویان تحصیلات تکمیلی و مهندسین عمران شاغل باشد که به آزمایش نمونه های خاک یا طراحی کارهایی که شامل خاک می‌شوند، توجه دارند. هدف نویسنده تمرکز بر مفهوم حالت بحرانی و نشان دادن اهمیت آن در درک صحیح رفتار مکانیکی خاک است. سعی نویسنده بر آن بوده است تا با استفاده از مطالعه مدل‌های مختلف مکانیکی ساده، رفتار آزمایشگاهی خاک‌های مجدد قالب‌گیری شده را (با درجات مختلف دقت) مورد بررسی قرار دهد. نمی توان گفت که این کتاب یک متن استاندارد در زمینه مکانیک خاک است و در نتیجه مباحثی نظیر خاک های غیر اشباع، ساختار، حساسیت، ناهمسانگردی در خاک ها، خواص دینامیکی خاک ها و میرایی آن ها در این کتاب پوشش داده نشده است. عمداً موضوعاتی مانند پیش بینی نشست بر اساس توابع بوسینسک برای توزیع تنش الاستیک حذف شده است. زیرا مستقیماً با هدف کتاب مرتبط نیستند.

مطالب ارائه شده در کتاب حالت بحرانی در مکانیک خاک اسکافیلد عمدتاً از مطالب کلاس های آزمایشگاهی مرتبط است که در سال های 1965 و 1966 به دانشجویان سال آخر کارشناسی مهندسی عمران و دانشجویان پیشرفته ارائه داده شده است. از جمله مراجع استفاده شده در این کتاب می توان به کتاب مکانیک خاک ترزاقی و پک (وایلی1948)، کتاب اصول مکانیک خاک تیلور (وایلی 1948) و اصول مکانیک خاک اسکات (ادیسون – وسلی 1963) اشاره نمود.

در ابتدای کتاب حالت بحرانی در مکانیک خاک اسکافیلد در مورد روش استاندارد فعلی در مهندسی خاک توضیحاتی ارائه می دهد چرا که اکثر مهندسان در عمل، مبنای محاسبات و قضاوت خود را بر اساس مدلی که دویست سال پیش توسط C.A. Coulomb به دست آمده است، ارائه می دهند که در آن از تحلیل مرسوم و کلاسیک در محاسبه فشارهای محرک و مقاوم خاک در برابر دیوار حائل استفاده شده است، قرار می دهند. در آن مدل خاک (یا سنگ) در نظر گرفته شده صلب باقی می ماند تا زمانی که سطحی از بدنه خاک وجود داشته باشد که بر روی آن تنش برشی بتواند بر چسبندگی و اصطکاک داخلی بین ذرات خاک غلبه کند، در نتیجه خاک به دو جسم صلب تقسیم می شود که می توانند نسبت به یکدیگر در طول آن سطح بلغزند. پیوستگی و اصطکاک داخلی از ویژگی های آن مدل است و برای انجام محاسبات لازم است مهندسان مقادیر عددی خاصی را به این ویژگی ها در هر بدنه خاص خاک نسبت دهند. البته بیان این نکته ضروری به نظر می رسد که با وجود مزایای فراوانی که مدل کولمب دارد، وجود برخی از ضعف ها در این مدل غیر قابل انکار است.

به منظور ایجاد پیش زمینه مناسب برای درک بهتر مفهوم حالت بحرانی، لازم است تا ابتدا جنبه های خاصی از مکانیک  محیط های پیوسته مورد بررسی قرار گیرد. به همین دلیل در ارتباط با تنش و کرنش در فصل 2 توضیحاتی ارائه شده است. علاوه بر این توسعه نظریه های شناخته شده در زمینه تراوش و تحکیم یک بعدی در فصل های 3 و 4 مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در فصول 5 و 6 نیز دو مدل رفتاری برای تسلیم خاک ها به عنوان ماده ای همسان و پلاستیک ارائه شده است.

این مدل‌ها Granta-Gravel و Cam-Clay می باشند و نام آن ها از رودخانه ای که قسمت بالایی آن Granta و قسمت پایینی آن Cam نامیده می‌شود، گرفته شده است. این نام ها این مزیت را نیز دارند که هر کدام به یک ماده مصنوعی خاص با ویژگی تنش – کرنش مشخص مربوط می شود. گرانتا گراول یک ماده صلب / پلاستیک ایده‌آل است که مستقیماً به Cam-Clay منتهی می شود که یک الاستیک / پلاستیک ایده‌آل است. هدف مدل رفتاری Granta-gravel قرار نبود از ابتدا مدلسازی تسلیم خاک ماسه ای متراکم در مراحل ابتدایی اعمال تنش قبل از گسیختگی باشد چرا که در این محدوده مدل رفتاریRow تفسیر بهتری را ارائه می دهد. به همین دلیل مدل ساده Granta-gravel تقریبا مدلی صلب باقی ماند. اگر چه ذکر این نکته حائز اهمیت است که در نقطه حداکثر تنش، هنگامی که Granta-gravel تسلیم می شود، این مدل با هدف ما مطابقت دارد. این موضوع مقدمه ای می شود بر معرفی  محاسبات اتساعی تیلور در پایان فصل 5. فصل 6 این کتاب با تفسیری ریشه ای از آزمون های شاخص (شاخص خمیری، شاخص روانی و …) که به طور گسترده برای طبقه بندی خاک استفاده می شود پایان می یابد و فصل 7 شامل یک محاسبه پیشنهادی از داده های آزمایش “سه محوری” است که به دانشجویان اجازه می دهد تا با تفسیر داده های بسیار مهمی که در روش های معمول نادیده گرفته می شوند آشنا شوند. بقیه فصل 7 و فصل 8 به آزمایش ارتباط دو مدل رفتاری ذکر شده و پیشنهاد معیارهای مبتنی بر مفهوم حالت بحرانی برای انتخاب پارامترهای مقاومتی در مسائل طراحی اختصاص دارد.

در فصل 9 نویسنده توجه را به کار واقعی کولمب – که اغلب به صورت نادرستی گزارش می شود – جلب کرده است. این امر مقدمه ای می شود بر آغاز توسعه آن در گوتنبرگ و سپس معرفی محاسبات سوکولوفسکی در زمینه بررسی تنش های محدود کننده در فضای دو بعدی که این موارد از جمله موارد مطرح شده در این فصل از کتاب می باشد. در پایان این فصل نیز پارامترهای مقاومتی حالت بحرانی توسط نویسنده بیان شده و مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در فصل 10، حال با آشنایی خواننده با مفاهیم حالت بحرانی، وقت آن است تا با نشان دادن جایگاه مفاهیم حالت بحرانی در درک ما از رفتار مکانیکی خاک ها، یک نتیجه گیری ارائه شود. با توجه به اینکه ماده خاک به عنوان یک مخلوط مکانیکی دو فازی همگن در نظر گرفته می شود: یک فاز نشان دهنده ساختار ذرات جامد در خاک و فاز دیگر نشان دهنده آب به عنوان سیال موجود در منافذ یا حفره های در بین ذرات خاک است. این موضوع باعث شده است تا درک این ماده نسبت به مواد کاملاً الاستیک یا پلاستیکی ساده از نظر مکانیکی دشوارتر باشد. بنابراین بخش عمده ای از این کتاب به اندرکنش مکانیکی فازها و خواص تنش – کرنش خاک می پردازد.