Fundamentals Of Soil Behavior (K Mitchel)

هدف از کتاب اصول بنیادی رفتار خاک ها، ارائه مفاهیم مدرن مهندسی خاک که علم و فناوری خاک و کاربرد آن در مسائل مهندسی عمران است، می باشد. کلمه “خاک” به طور گسترده به گونه ای تفسیر می شود که تمام مواد زمینی با خواص و رفتار آن ها بر ساخت و ساز سازه های عمرانی تأثیرگذار را شامل می شود.

مهندسی خاک بر اساس بسیاری از رشته های اساسی است:

• مکانیک و دینامیک
• زمین شناسی فیزیکی و زمین شناسی مهندسی
• کانی شناسی خاک رس و شیمی کلوئیدی
• مکانیک سیستم های دانه ای و مکانیک سیالات

اصول این رشته های پایه با شواهد تجربی از تحقیقات آزمایشگاهی و میدانی و از مشاهدات روی ساختارهای واقعی پشتیبانی می شود. قضاوت ناشی از تجربه و اقتصاد مهندسی در مهندسی خاک بسیار حائز اهمیت بوده و همواره در مرکز توجه قرار دارد. کتاب‌های این مجموعه عمدتاً برای استفاده در دوره‌ های دانشگاهی، در سطوح کارشناسی و کارشناسی ارشد در نظر گرفته شده اند. ویراستاران همچنین انتظار دارند که همه کتاب‌ها به عنوان مرجع ارزشمندی برای مهندسان شاغل باشد.

در بسیاری از موارد آگاهی از نحوه رفتار خاک برای حل یک مشکل ژئوتکنیکی کافی است و اکثر کتاب های قبلی در زمینه مکانیک خاک بر این جنبه از رفتار تأکید دارند. با این حال، مواردی وجود دارد که درک چرایی رفتار متفاوت خاک ها، می‌تواند برای دستیابی به راه‌حل مناسب مهم باشد. درک اساسی از چرایی رفتار خاک به مهندس ژئوتکنیک کمک می کند. این خدمت دقیقا مشابه کمکی است که دوره های علم مهندسی مواد به مهندسین سازه و مکانیک می نماید.

هدف کتاب اصول بنیادی رفتار خاک ها توسعه درک عوامل تعیین کننده و کنترل کننده خواص مهندسی خاک با تاکید بر چرایی رفتار خاک است. برای دستیابی به این هدف، بررسی ترکیب خاک ها از نظر کانی شناسی، سیال منفذی و برهم کنش این فازها با یکدیگر و محیط اطراف ضروری به نظر می رسد.

طبیعت ذرات خاک یکی از عواملی است که در بررسی بافت و ساختار خاک و نیز ارتباط بین خصوصیات ناشی از تغییر حجم، مقاومت، تغییر شکل و البته پدیده تراوش و جریان آب در خاک همواره مورد توجه ویژه قرار می گیرد.

کتاب اصول بنیادی رفتار خاک ها حاصل یک دوره تحصیلات تکمیلی است که در سال 1959 آغاز شد و از آن زمان به طور مداوم اصلاح شد تا منعکس کننده افزایش مداوم در بهبود هرچه بیشتر دانش بیان شده در بخش های مختلف باشد. اگرچه این کتاب عمدتاً برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی و محققین مهندسی ژئوتکنیک طراحی شده است، اما حاوی مطالب مورد علاقه دانشجویان زمین شناسی و علوم خاک است و همچنین این منبع می تواند مرجع مفیدی برای مهندسین شاغل در مواجهه با مشکلات غیر معمول در زمینه های مربوطه باشد.

مطالب بیشتر از آن است که بتوان به راحتی در یک دوره کوتاه پوشش داده شود، بنابراین ممکن است مقداری گزینش در انتخاب موضوعات بسته به تأکیدات خاص مورد نظر باشد. تعدادی از موضوعات این قابلیت را دارند تا با استفاده از نمایش تصاویر آزمایشگاهی و حل تمرین های تکمیلی به نحوی موثر به مخاطب توضیح داده شوند. برخی از این موضوعات عبارتند از:

• تجزیه و تحلیل ترکیب خاک
• خواص کانی های رسی
• پدیده های کلوئیدی در خاک رس

مهندسی عمران شامل تحلیل، طراحی و ساخت انواع سازه ها و سیستم های عمرانی می شود. همه این امکانات، به عنوان مثال، ساختمان ها، سدها، تونل ها، بزرگراه ها، فرودگاه ها، پل ها، بر رو و یا داخل خاک یا سنگ ساخته شده اند. بنابراین، رفتار خاک و سنگ در محل هر پروژه و فعل و انفعالات مواد زمین در حین و پس از ساخت تأسیسات، تأثیر عمده ای بر موفقیت، صرفه جویی و ایمنی کار دارد.

برخورد صحیح با مواد زمین در هر صورت مستلزم دانش و درک زمین شناسی، علم و آزمایش مواد و مکانیک است. رشته فرعی در مهندسی عمران که با همه این عوامل مرتبط است، مهندسی ژئوتکنیک است، مهندسی ژئوتکنیک گسترده ترین تخصص مهندسی عمران است زیرا به سایر زمینه های مهندسی عمران مربوط می شود. انجام موفقیت آمیز مهندسی ژئوتکنیک مستلزم ادغام دانش از چندین زمینه است.

دانشجویان مهندسی عمران اغلب از اولین دوره خود در مکانیک خاک کاملاً شگفت زده می شوند (و گاهی اوقات گیج می شوند). پس از یک سری دوره های استاتیک و مکانیک مواد، که در آن مسائل کاملاً واضح و مشخص هستند و هر کدام راه حل مشخص خود را دارند، ناگهان با موقعیتی مواجه می شوند که دیگر چنین نیست.

در ادامه چند نمونه از انواع سوالاتی که در کتاب اصول بنیادی رفتار خاک ها به آن ها پاسخ داده می شود ذکر گردیده است:

• خاک ها از چه عناصری و چگونه تشکیل شده اند؟
• خواص خاک چگونه با تاریخ زمین شناسی مرتبط است؟
• خواص مهندسی چگونه به ترکیب خاک مربوط می شود؟
• خاک رس چیست؟ چرا خاک رس خاصیت پلاستیسیته دارد در حالی که برای ماسه چنین نیست؟
• اصطکاک و چسبندگی در خاک چیست؟ چرا برخی از خاک ها منبسط شونده هستند در حالی که برخی دیگر این گونه نیستند؟
• «تنش موثر» چیست و چرا معادله تنش مؤثر ساده ترزاقی، تغییر حجم و رفتار مقاومتی اکثر خاک ها را به خوبی توضیح می دهد؟
• چرا خاک ها خزش از خود نشان می دهند؟
• چرا گاهی اوقات گسیختگی تحت یک تنش پایدار کمتر از مقاومت برشی خاک در حالت عادی رخ می دهد؟
• عوامل محیطی چگونه بر خواص تأثیر می گذارند؟ تأثیر تغییرات این عوامل چیست؟

پاسخ به این سؤالات و سؤالات مرتبط، مستلزم استفاده از اصول اساسی از شیمی، زمین شناسی، علم مواد و فیزیک است. اصولی از این رشته ها برای ایجاد پیش ‌زمینه برای پدیده یا دارایی مورد مطالعه ضروری معرفی می‌شوند. فرض بر این است که خواننده مقداری دانش پایه از مکانیک کاربردی و مکانیک خاک و همچنین آشنایی کلی با خواص مهندسی خاک و تعیین آن ها دارد.

ابهامات و پیچیدگی‌های ناشی از فعل و انفعالات خاک به قدری زیاد است که هنوز توضیحات صحیح، کامل و بدون ابهامی برای همه پدیده‌های مورد بحث در دسترس نیست. برخی از نکات بیان شده ممکن است مورد مناقشه باشد و برخی از بحث ها ممکن است ناقص به نظر برسند. امید است این عدم قطعیت ها به مرور زمان کاهش یابد.

کتاب به دو بخش اصلی تقسیم شده است:

• بخش اول “ماهیت خاک” با در نظر گرفتن ساختار ماده جامد آغاز می شود (فصل 2). کانی شناسی خاک با برخی جزئیات مورد بررسی قرار می گیرد (فصل3) و سپس در مورد تشکیل خاک، فرآیندهای رسوبی و برخی روابط بین تاریخچه زمین شناسی و ویژگی ها و مشکلات ژئوتکنیکی بحث می شود (فصل 4). روش‌های تعیین ترکیب خاک در فصل 5 خلاصه می‌شوند. از آنجایی که آب ممکن است بیش از نیمی از حجم توده خاک را شامل شود، ویژگی‌های آب، فعل و انفعالات بین آب و ذرات خاک و خواص آب جذب شده بررسی می‌شوند (فصل 6). سپس رفتار سیستم خاک رس – آب – الکترولیت از دیدگاه شیمیایی کلوئیدی تحلیل می شود (فصل 7). آرایش ذرات در خاک و روش های تعیین آن ها در فصل 8 برای تکمیل قسمت اول توضیح داده شده است.
• بخش دوم از پیشرفت‌های بخش اول برای ارائه توضیحاتی برای بسیاری از جنبه های رفتار خاک مورد علاقه در مهندسی ژئوتکنیک استفاده می کند. روابط بین ترکیب و خواص مهندسی ابتدا در نظر گرفته می شود (فصل 9) و سپس تجزیه و تحلیل نیروهای بین ذره ای و تنش های موثر در خاک ها در فصل 10 صورت می پذیرد. ساختار خاک و پایداری آن موضوع مورد بررسی در فصل 11 می باشد. روابط بین بافت و جنس خاک، ساختار و خواص با جزئیات در فصل 12 مورد بحث قرار گرفته است. سه فصل پایانی به سه نوع رفتار مکانیکی مورد علاقه در اکثر مسائل مهندسی می پردازد: تغییر حجم (فصل 13)، استحکام و تغییر شکل (فصل 14) و در نهایت توضیح  پدیده تراوش، یعنی جریان آب در خاک در فصل 15 از کتاب اصول بنیادی رفتار خاک ها شرح داده شده است.

برخی از مشتقات و معادلات ممکن است برای تحلیل تا حدودی مستقیم جهت مسائل مهندسی خاص مناسب نباشند. با این وجود، آن ها می توانند برای به دست آوردن بینشی در مورد اهمیت نسبی عوامل مختلف کنترل کننده رفتار مفید باشند. برخی از موضوعات، به عنوان مثال، تعیین اثرات دما بر رفتار خاک، الکترواسمز، با جزئیات قابل توجهی پوشش داده شده است، تا خواننده به صورت یک جا بدون ارجاع به منابع مختلف به نحوی جامع با مکانیک خاک و جزئیات آن آشنا شود.

در پایان نیاز به ذکر است که چندین مرجع برای مطالعه بیشتر در پایان هر فصل کتاب ذکر شده است و علاقه مندان می توانند در موضوع مورد علاقه خود مطالعات بیشتری را انجام دهند.