ایستاسازه
En Ar

خانه - کتابخانه - Fundamentals of Geotechnical Engineering (Third Edition)

در اهداف مهندسی ژئوتکنیک خاک به عنوان ترکیب سیمانی نشده دانه های معدنی و مواد آلی پوسیده (ذرات جامد) و با مایع و گاز در فضاهای خالی بین ذرات جامد تعریف می شود. خاک به عنوان مصالح ساختمانی در پروژه های مختلف عمرانی به کار گرفته شده و پی های یک سازه را نگه می دارد؛ بنابراین، مهندسان عمران باید به مطالعه ویژگی‌ های مختلف خاک مانند منشأ آن، دانه بندی، قابلیت زهکشی آب، تراکم ‌پذیری، مقاومت برشی و ظرفیت باربری بپردازند. مکانیک خاک شاخه ‌ای از علم مهندسی ژئوتکنیک است که به مطالعه خواص فیزیکی خاک و رفتار توده‌ های خاک تحت تأثیر انواع نیروها می ‌پردازد. در واقع، مهندسی کاربرد اصول مکانیک خاک در مسائل عملی است. مهندسی ژئوتکنیک زیرشاخه ای از مهندسی عمران است که در مورد مواد طبیعی نزدیک سطح زمین صحبت می کند. هم چنین، به کاربرد اصول مکانیک خاک و مکانیک سنگ در طراحی پی، سازه های نگهبان و سازه های خاکی می پردازد.

این کتاب شامل 14 فصل است که فصل های آن به صورت زیر است:

  • فصل 1، تاریخچه مهندسی ژئوتکنیک

در واقع، تاریخچه اولین استفاده از خاک به عنوان مصالح ساختمانی در دوران باستان نامعلوم است. درک مهندسی ژئوتکنیک به صورتی که امروزه شناخته می شود در اوایل قرن 18 آغاز شد. برای سال‌ ها، هنر مهندسی ژئوتکنیک تنها بر اساس تجربیات کسب شده از طریق آزمایش ‌ها و کارهای تجربی و بدون هیچ ویژگی علمی واقعی بود. بر اساس همین تجربیات، سازه‌ های بسیاری ساخته شدند که برخی از آن ها فرو ریختند، در حالی که برخی دیگر هنوز نیز پابرجا هستند.

  • فصل 2، رسوبات خاک و تجزیه و تحلیل اندازه-دانه

در طول برنامه‌ریزی، طراحی و ساخت پی‌ ها، خاکریز ها و سازه ‌های نگهبان، مهندسان دانستن منشأ نهشته های خاکی ای که فونداسیون بر روی آن ها ساخته می شود را مفید می دانند چرا که هر نهشته خاکی ویژگی‌های فیزیکی منحصر به فرد خود را دارد. بیشتر خاک هایی که زمین را می پوشانند از هوازدگی سنگ های مختلف تشکیل می شوند. دو نوع کلی هوازدگی وجود دارد: (1) هوازدگی مکانیکی و (2) هوازدگی شیمیایی.

هوازدگی مکانیکی فرآیندی است که طی آن سنگ ها توسط نیروهای فیزیکی از جمله آب جاری، باد، امواج اقیانوس، یخچال های طبیعی، یخبندان و انبساط و انقباض ناشی از گرفتن و از دست دادن گرما به قطعاتی کوچک و کوچک تر شکسته می شوند.

هوازدگی شیمیایی فرآیند تجزیه شیمیایی سنگ اصلی است. در مورد هوازدگی مکانیکی، سنگ بدون تغییر در ترکیب شیمیایی خود به قطعات کوچک تری می شکند. با این حال، در هوازدگی شیمیایی، ماده اصلی ممکن است به چیزی کاملاً متفاوت تغییر کند. به عنوان مثال، هوازدگی شیمیایی فلدسپار می تواند مواد معدنی رسی تولید کند. بیشتر هوازدگی ها در سنگ ها ترکیبی از هوازدگی مکانیکی و شیمیایی است.

خاک حاصل از هوازدگی سنگ ها را می توان با فرآیندهای فیزیکی به مکان های دیگر منتقل کرد. رسوبات حاصله را خاک های انتقال یافته می نامند. در مقابل، برخی از خاک‌ها در جایی که تشکیل شده‌اند باقی می‌مانند و سطح سنگی که از آن ایجاد شده اند را می‌پوشانند. به این خاک ها خاک های باقیمانده می گویند. خاک های انتقال یافته را می توان بر اساس عامل انتقال آن به پنج دسته عمده تقسیم کرد:

  1. خاک منتقل شده توسط نیروی جاذبه
  2. نهشته های دریاچه ای.
  3. خاک آبرفتی یا رودخانه ای که توسط آب جاری رسوب می کند.
  4. نهشته های یخچالی.
  5. نهشته های بادی که توسط باد رسوب می کند.

علاوه بر خاک های انتقال یافته و باقیمانده، پیت ها و خاک های آلی نیز وجود دارند که از تجزیه مواد آلی به وجود می آیند.

  • فصل 3، روابط وزنی-حجمی، پلاستیسیته و طبقه بندی خاک در مهندسی ژئوتکنیک

این فصل شامل اطلاعاتی در مورد روابط وزنی-حجمی، روابط وزن واحد، نسبت تخلخل، درصد رطوبت و وزن مخصوص، چگالی نسبی، انسجام و پیوستگی خاک، شاخص روانی، نمودار پلاستیسیته و طبقه بندی خاک است.

  • فصل 4، تراکم خاک

به طور کلی، تراکم خاک عبارت است از متراکم شدن خاک با حذف هوای بین ذرات که نیازمند انرژی مکانیکی است. درجه تراکم خاک بر حسب وزن خشک واحد آن اندازه گیری می شود. هنگامی که آب در حین تراکم به خاک اضافه می شود، به عنوان یک عامل نرم کننده بر روی ذرات خاک عمل می کند. ذرات خاک روی هم می لغزند و در یک موقعیت فشرده تر قرار می گیرند.

  • فصل 5، هدایت هیدرولیکی و تراوش

خاک ها حفره های به هم پیوسته ای دارند که آب می تواند از آن طریق از نقاط پر انرژی به نقاط کم انرژی جریان یابد. مطالعه جریان آب در محیط های متخلخل خاک در مکانیک خاک اهمیت دارد. برای تخمین مقدار تراوش زیرزمینی تحت شرایط هیدرولیکی مختلف، بررسی مشکلات مربوط به پمپاژ آب برای ساخت و سازهای زیرزمینی و برای انجام تجزیه و تحلیل های پایداری سدهای خاکی و سازه های نگهبان که در معرض نیروهای تراوش هستند، ضروری است.

  • فصل 6، تنش ها در توده خاک

هنگامی که یک پی ساخته می شود، تغییراتی در خاک زیر پی ایجاد می شود. معمولاً تنش خالص افزایش می یابد. این افزایش تنش خالص در خاک به بار در واحد سطحی که پی تحت آن قرار می‌گیرد، عمق زیر پی که در آن برآورد تنش انجام می‌شود و … بستگی دارد. لازم است افزایش خالص تنش عمودی در خاک که در نتیجه ساخت پی اتفاق می افتد برآورد شود تا نشست، قابل محاسبه باشد. هم چنین، اصول برآورد افزایش تنش عمودی در خاک ناشی از انواع بارگذاری بر اساس تئوری الاستیسیته مورد بررسی قرار می گیرد. اگرچه نهشته های طبیعی خاک کاملاً الاستیک، ایزوتروپیک یا همگن نیستند اما محاسبات برای تخمین افزایش تنش عمودی نتایج نسبتاً خوبی برای کار عملی به همراه دارد.

  • فصل 7، تحکیم

 افزایش تنش ناشی از ساخت پی ها یا بارهای دیگر، لایه های خاک را فشرده می کند. فشردگی ناشی از موارد زیر است:

(الف) تغییر شکل ذرات خاک

(ب) جابجایی ذرات خاک

(ج) خروج آب یا هوا از فضاهای خالی

به طور کلی، نشست خاک ناشی از بار را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد:

  1. نشست آنی
  2. نشست تحکیمی اولیه
  3. نشست تحکیمی ثانویه
  • فصل 8 مقاومت برشی خاک

مقاومت برشی یک توده خاک مقاومت داخلی در واحد سطح است که توده خاک می تواند برای مقاومت در برابر شکست و لغزش در امتداد هر صفحه داخل آن نشان دهد. مهندسان باید ماهیت مقاومت برشی را درک کنند تا بتوانند مشکلات پایداری خاک مانند ظرفیت باربری، پایداری شیب و فشار جانبی بر سازه‌های نگهبان را تجزیه و تحلیل کنند.

  • فصل 9، پایداری شیب

در بسیاری از موارد، از مهندسان عمران انتظار می رود که محاسباتی را برای بررسی ایمنی شیب های طبیعی، شیب های حفاری ها و خاکریزهای متراکم انجام دهند. این فرآیند که آنالیز پایداری شیب نامیده می شود شامل تعیین و مقایسه تنش برشی ایجاد شده در امتداد محتمل ترین سطح گسیختگی در خاک است. تجزیه و تحلیل پایداری یک شیب کار آسانی نیست. ارزیابی متغیرهایی مانند طبقه بندی خاک و پارامترهای مقاومت برشی درجای آن ممکن است کار دشواری باشد. تراوش درون شیب و انتخاب سطح لغزش، باعث پیچیده تر شدن موضوع می شود.

  • فصل 10، اکتشاف زیرسطحی

فرآیند شناسایی لایه‌ های نهشته ‌ای که در زیر یک سازه قرار دارند و شناختن ویژگی ‌های فیزیکی آن ‌ها، عموماً به عنوان اکتشافات زیرسطحی شناخته می ‌شود. هدف از اکتشافات زیرسطحی به دست آوردن اطلاعاتی است که در موارد زیر به مهندس ژئوتکنیک کمک می کند:

  1. انتخاب نوع و عمق پی (فونداسیون) مناسب برای یک سازه معین.
  2. ارزیابی ظرفیت باربری پی (فونداسیون).
  3. برآورد نشست احتمالی یک سازه.
  4. تعیین مشکلات احتمالی پی (به عنوان مثال، خاک منبسط شونده، خاک ریزشی، مدفن بهداشتی و غیره).
  5. تعیین محل ایستابی.
  6. پیش بینی فشار جانبی زمین برای سازه هایی مانند دیوارهای حائل، سپرها، برش ها و خاکبرداری های مهاربندی شده.
  7. ایجاد روش های ساخت برای تغییر شرایط خاک زیرسطحی.
  • فصل 11، فشار جانبی خاک

در بیشتر موارد سازه ‌های نگهبان مانند دیوارهای حائل، دیوارهای زیرزمین و سپر (بالک هد) در مهندسی پی استفاده می‌شوند و ممکن است شیب‌ هایی از توده ‌های خاک را حفاظت کنند. طراحی و ساخت مناسب این سازه ها مستلزم آگاهی کامل از نیروهای جانبی است که بین سازه های نگهبان و توده های خاک حفاظت شده وجود دارد. این نیروهای جانبی ناشی از فشار جانبی زمین است.

  • فصل 12، پی های کم عمق – ظرفیت باربری و نشست

در مهندسی ژئوتکنیک معمولاً پایین ترین قسمت یک سازه به عنوان پی شناخته می شود و وظیفه آن انتقال بار سازه به خاکی است که زیر آن قرار دارد. فونداسیونی که به درستی طراحی شده باشد، فونداسیونی است که بار را در سراسر خاک و بدون وارد کردن فشار بیش از حد به خاک منتقل می کند. وارد کردن تنش بیش از حد به خاک می تواند منجر به نشست بیش از حد یا گسیختگی برشی خاک شود که هر دو آن ها باعث آسیب به سازه می شوند؛ بنابراین، مهندسان ژئوتکنیک و سازه ای که پی ‌ها را طراحی می‌ کنند باید ظرفیت باربری خاک را ارزیابی کنند.

بسته به سازه و خاکی که با آن مواجه می‌شویم، از انواع مختلف پی استفاده می‌شود. در واقع، پی های تکی، بزرگ کردن بخش انتهایی دیوار یا ستون باربر را بر عهده دارند که امکان پخش بار سازه را در سطح وسیع تری در خاک فراهم می کند. در خاک با ظرفیت باربری کم، اندازه پی های مورد نیاز به طور غیر عملی بزرگ است. در این صورت، ساخت کل سازه روی یک پد بتنی مقرون به صرفه تر است که به این فونداسیون، پی گسترده می گویند.

زمانی که در سازه های سنگین تر برای تحمل بار، عمق زیادی نیاز است، شمع و شفت حفاری شده استفاده می شود. شمع ها اعضای سازه ای از چوب، بتن یا فولاد هستند که بار روسازه را به لایه های زیرین خاک منتقل می کنند. می توان شمع ها را با توجه به نحوه انتقال بار به خاک زیر به دو دسته شمع های اصطکاکی و شمع های اتکایی تقسیم کرد. در مورد شمع های اصطکاکی، تنش های برشی ایجاد شده در امتداد سطح جانبی شمع در برابر بار روسازه مقاومت می کنند. در شمع اتکایی، بار حمل شده شمع توسط نوک آن به یک لایه محکم منتقل می شود.

در مورد شفت های حفاری شده، یک شفت در زیر سطح خاک حفر می شود و سپس با بتن پر می شود. ممکن است در حین حفاری شفت از یک غلاف فلزی (کیسینگ) استفاده شود. غلاف ممکن است در جای خود باقی بماند و یا در حین بتن ریزی بیرون کشیده شود. به طور کلی، قطر یک شفت حفاری شده بسیار بزرگ تر از قطر یک شمع است.

به طور کلی، پی های منفرد و پی های گسترده به عنوان پی های کم عمق شناخته شده و شمع و شفت حفاری شده به عنوان پی های عمیق طبقه بندی می شوند. در یک مفهوم کلی تر، پی های کم عمق، پی هایی هستند که تقریباً نسبت عمق مدفون به عرض آنها کمتر از چهار است. هنگامی که نسبت عمق مدفون به عرض یک فونداسیون بیشتر از چهار باشد، ممکن است به عنوان یک پی عمیق طبقه بندی شود.

  • فصل 13، دیوارهای حائل و برش های مهاربندی شده

 دیوارهای حائل، حفاظت جانبی دائمی از شیب های عمودی یا نزدیک به عمودی خاک را فراهم می کنند. همچنین، گاهی اوقات، کار ساختمانی نیازمند حفاری های زمینی با دیواره های عمودی یا نزدیک به عمودی است؛ برای مثال، زیرزمین ساختمان ها در مناطق توسعه یافته یا تاسیسات حمل و نقل زیرزمینی در اعماق کم در زیر سطح زمین (از نوع ساخت برش و پوشش).

دیواره های عمودی باید توسط سیستم های مهاربندی موقت محافظت شوند تا از گسیختگی که ممکن است با نشست قابل توجه یا کاهش ظرفیت باربری پی های مجاور همراه باشد، جلوگیری شود. به این روش پایدارسازی، دیواره مهاربندی شده گفته می شود.

  • فصل 14، پی های عمیق – شمع ها و شفت های حفاری شده

شمع ها اعضای سازه ای هستند که از فولاد، بتن و یا چوب ساخته شده اند و عمیق تر و پرهزینه تر از پی های کم عمق هستند. با وجود هزینه بالاتر، استفاده از شمع ها اغلب برای اطمینان از ایمنی سازه ضروری است. شفت های حفاری شده شمع های درجا هستند که معمولاً دارای قطری بیشتر از 750 میلی متر و با یا بدون آرماتور فولادی و با یا بدون انتهای بزرگ شده هستند.

سایر مقاله ها

ماشین آلات تراکم خاک (Soil Compaction Equipment)

به مجموعه تجهیزات مورد استفاده برای افزایش چگالی خاک، ماشین [...]


بیشتر بخوانید

تراکم خاک چیست؟ (?What is Soil Compaction)

تراکم خاک (Soil Compaction)، به عنوان یکی از مراحل ثابت [...]


بیشتر بخوانید

دستورالعمل تعیین تنش برجا و ضریب تغییر شکل پذیری با استفاده از روش جک تخت (Flat Jack Method)

با انجام آزمایش جک تخت (Flat Jack)، تنش بر جای [...]


بیشتر بخوانید

میلگرد چیست؟ مشخصات و کاربرد انواع میلگرد چیست؟ (?What is Rebar)

میلگرد مخفف (میله تقویت کننده) است که به پروفیلی با [...]


بیشتر بخوانید