Geotechnical Correlations for Soils and Rocks

تفاوت زیادی بین یک مهندس سازه و یک مهندس ژئوتکنیک از نظر مواد مورد استفاده وجود دارد. یک مهندس سازه خواص مواد مربوطه مانند بتن یا فولاد را تعریف می کند و تنها تعداد محدودی آزمایش کنترلی را طبق استانداردهای مورد نیاز انجام می دهد. در مقابل، مواد مورد استفاده توسط یک مهندس ژئوتکنیک طبیعی است و بنابراین، طبق تعریف، می‌تواند از نظر فضایی ناهمگن و از نظر ترکیب، چند فازی، ناپیوسته یا حتی ناهمسانگرد باشد. این امر برای مهندس ژئوتکنیک چاره ای باقی نمی گذارد جز اینکه آن را همانطور که هست بپذیرد و خود را با آن تطبیق دهد. علاوه بر این، در حالی که پیشرفت ها در مدل‌سازی عددی به طور فزاینده ای به پارامترهای آزمایشی پیشرفته خاص بستگی دارد، برنامه های آزمایش خاک به دلیل رقابت بین پیمانکاران برای کاهش هزینه ها و زمان، محدود باقی می مانند.
در نتیجه، برنامه های ژئوتکنیکی عمدتاً مبتنی بر آزمایش های معمولی هستند که پارامترهای اساسی را ارائه می دهند اما لزوماً پارامترهای مورد نیاز را ندارند. برای پر کردن این شکاف، طراحان باید از همبستگی ها استفاده کنند. هدف کتاب همبستگی های ژئوتکنیکی برای خاک و سنگ کمک به این طراحان در این عملیات حیاتی است. بنابراین، از آنجا که خواننده یک ژئوتکنسین ماهر در نظر گرفته می شود، در اینجا هیچ جنبه نظری در نظر گرفته نمی شود. همچنین باید تاکید کرد که همبستگی ها هرگز نمی توانند جایگزین یک تحقیق کافی یا یک برنامه آزمایش میدانی یا آزمایشگاهی باشند. این امر به ویژه برای سنگ هایی که ویژگی های آنها به طور قابل توجهی به ناپیوستگی آنها بستگی دارد بسیار مهم است. در نتیجه، همبستگی‌ های بین ویژگی ‌ها کم است و آشکار نیست و باید با احتیاط تفسیر شود. برای سنگ ها، تاکید بر جنبه های “زمین شناسی” خواهد بود تا در ایجاد همبستگی ها در نظر گرفته شود. در کتاب همبستگی های ژئوتکنیکی برای خاک و سنگ به طور کامل به این موضوع پرداخته می شود.

همبستگی های ژئوتکنیکی هم برای خاک ها و هم برای سنگ ها از برنامه های آزمایشی در مناطق تعریف شده، اعم از کوچک مقیاس یا بزرگ مقیاس، حاصل می شود، بنابراین آنها باید به عنوان مکان خاص در نظر گرفته شوند. همچنین باید تاکید کرد که آزمون هایی که بر اساس آنها انجام می شود توسط متخصصان ماهر و با رعایت کامل استانداردها و آخرین مراجع روز دنیا انجام شده است. با توجه به واقعیت فوق، به خوبی شناخته شده است که اندازه گیری پارامترها در آزمایشگاه با اندازه گیری های به دست آمده از مشاهدات میدانی یا آزمایش های درجا متفاوت است. برخی از دلایل رایج این امر به شرح زیر است:

• روش نمونه گیری
•  تفاوت در جهت گیری نمونه و ناهمسانگردی؛
• اثر ابعاد نمونه به دلیل برخی ناپیوستگی ها؛
• میزان آزمایش؛
• سست شدگی یا رفع فشار با حذف بار در اثر حفاری؛
•  درجه اشباع

همبستگی ها مقداری پراکندگی را که تا حد زیادی در نتایج آزمون تجربی ذاتی است، تقویت می کند. دانکن طیف وسیعی از ضرایب تغییرات (V) را برای پارامترهای ژئوتکنیکی پیشنهاد شده توسط نویسندگان مختلف گردآوری کرد که در جدول 1 ارائه شده است. ضرایب تغییراتی که شرایط نمونه برداری و آزمایش برای آنها مشخص نشده است باید به عنوان یک تخمین تقریبی در نظر گرفته شود.

خواننده همچنین باید سخنان رانکین را در کتابچه راهنمای مهندسی عمران خود در نظر داشته باشد: “خواص زمین از نظر چسبندگی و اصطکاک آن قدر متغیر است که مهندس هرگز نباید به جداول یا اطلاعات به دست آمده اعتماد کند. از کتاب هایی که او را در طراحی مرتبط با خاک طراحی می کنند، زمانی که او این اختیار را داشته باشد که داده های لازم را یا با مشاهده کارهای خاکی موجود در همان لایه یا با آزمایش به دست آورد.”

لازم به ذکر است که وقتی چندین همبستگی، پارامترهای یکسانی را به هم مرتبط می کنند، باید مراقب حوزه اعتبار مربوط به آنها باشیم. علاوه بر این، اگر اینها کاملاً یکسان باشند، به این معنی است که هیچ یک از آنها کامل نیستند و تمام ابعاد مربوط به آن پارامتر را در نظر نگرفته اند. اگر چنین باشد، تنها یک همبستگی وجود خواهد داشت. بنابراین، بهترین کار استفاده از همه آنها و مقایسه نتایج آنها با دیدگاه انتقادی بر اساس تجربه مهندس است. این به وضوح نشان می دهد که ترکیبی از تجربه و قضاوت برای انتخاب پارامترهای طراحی مناسب استنتاج شده از همبستگی خارج از کتاب همبستگی های ژئوتکنیکی برای خاک و سنگ کاملاً ضروری است. اشتباه نویسندگان است که امیدوار باشند تقریباً تمام همبستگی های منتشر شده در این کتاب ارائه شده است، اگرچه تکمیل آن زمان زیادی را از نویسندگان گرفته است. با این حال، باید تأکید کرد که این تنها بخش بسیار کمی از کل زمان اختصاص یافته به تحقیقات انجام شده توسط همه کسانی است که همبستگی های ارائه شده در کتاب همبستگی های ژئوتکنیکی برای خاک و سنگ را منتشر کرده اند. این کتاب بدون همه آثار آنها ممکن نبود. بنابراین، کار نویسندگان را می توان با جویندگان مقایسه کرد که به دنبال مطالبی هستند که در نشریات ژئوتکنیکی منتشر می شوند.

مقاومت برشی و چسبندگی زهکشی نشده

برای بارگذاری های کوتاه مدت در خاک های چسبنده اشباع، مقاومت برشی زهکشی نشده و چسبندگی زهکشی نشده برابر و معادل هستند. بنابراین، این دو در اینجا بررسی خواهند شد. مورد غیراشباع در فصل 10 مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین باید در نظر داشت که مقادیر این پارامترها به عوامل مهمی مانند روش های آزمایش و دستگاه های مورد استفاده، سطح کرنش، شرایط مرزی، دستخوردگی و مدل نظری مورد استفاده بستگی دارد. برای تفسیر اندازه گیری ها از این رو، مقاومت برشی زهکشی نشده به دست آمده برای یک مکان ممکن است به طور قابل توجهی متفاوت باشد، بسته به آزمایش های درجا یا آزمایشگاهی مورد استفاده، روابط زیادی برای به دست آوردن مقاومت برشی زهکشی نشده رس ها با استفاده از شاخص های فیزیکی یا مکانیکی پیشنهاد شده است.

فشردگی و تورم

شاخص فشردگی

بسیاری از همبستگی‌ های بین شاخص فشردگی اولیه Cc و شاخص های فیزیکی مانند حد مایع، نسبت تخلخل یا درصد رطوبت تعیین شده است. برخی از آنها عمومی هستند، در حالی که برخی دیگر به حالت (بازسازی شده، عادی تحکیم یافته یا پیش تحکیم یافته)، نوع خاک (سیلت، رس یا خاک آلی یا طبیعی) و منشأ (آبرفتی، دریایی، یخچالی یا آلی) اشاره دارند. برخی از این همبستگی ها به طور کلی پراکندگی بزرگ داده تا 30٪ را نشان می دهند. بنابراین اعتبار آنها باید محدود به نوع خاک یا محل استقرار آنها باشد. بهترین نتایج به طور کلی با حد مایع حاصل می شود، زیرا رطوبت، جنبه های کانی شناسی و توزیع اندازه دانه را ادغام می کند.

مدول الاستیسیته زیر لایه

مدول الاستیسیته زیر لایه به طور گسترده در روش تیر وینکلر بر روی پی الاستیک استفاده می شود. این روش ساده این مزیت را دارد که ارزیابی نسبتاً خوبی از فشار زمین و لنگرهای برشی و خمشی ارائه می دهد. با این حال، برعکس، تغییر شکل با واقعیت متفاوت است. خوشبختانه، نتایج محاسبات به مقدار مدول زیرسطح حساسیت چندانی ندارد زیرا ممان خمشی تنها تابعی از ریشه های چهارم آن است. باید در نظر داشته باشیم که مدول الاستیسته لایه بستر، یک ویژگی ذاتی خاک نیست. این بستگی به نوع آزمایشی و عمدتاً به قطر صفحه دارد. بنابراین، مقدار آن برای یک نوع خاک خاص منحصر به فرد نیست و اگر اطلاعاتی در مورد نحوه اندازه گیری آن در دسترس نیست، هنگام استفاده از این متغیر باید مراقب باشیم. برای طراحی، ما باید تفاوت بین قطر صفحه و عرض پی را نیز در نظر بگیریم. از این رو، هیچ ارتباطی برای مدول الاستیسته صفحه در اینجا در نظر گرفته نشده است.

روابط ژئوتکنیکی خاک و سنگ

روابط ژئوتکنیکی یکی از ابزارهای کلیدی در مهندسی ژئوتکنیک هستند که برای تخمین خواص مکانیکی خاک‌ها و سنگ‌ها بر اساس داده‌های محدود آزمایشگاهی یا صحرایی به کار می‌روند. در بسیاری از پروژه‌های عمرانی، امکان انجام تمامی آزمایش‌های لازم وجود ندارد یا هزینه و زمان آن بسیار زیاد است. به همین دلیل، مهندسان از روابط تجربی استفاده می‌کنند تا بتوانند با اتکا به داده‌های ساده‌تر، خصوصیات پیچیده‌تری را با دقت قابل قبول پیش‌بینی کنند.

ایده‌ی اصلی روابط ژئوتکنیکی بر پایه‌ی ارتباط دادن پارامترهای به‌راحتی قابل اندازه‌گیری (مانند نتایج آزمایش نفوذ استاندارد یا SPT، مقاومت مخروطی یا CPT، و ویژگی‌های شاخصی مانند حد خمیری و شاخص خمیری) با پارامترهای مهندسی دشوارتر مانند مقاومت برشی، مدول الاستیسیته یا نفوذپذیری است. برای مثال، روابط زیادی میان عدد SPT و مقاومت برشی زهکشی‌نشده خاک‌های رسی وجود دارد، یا بین مقاومت نوک مخروطی در آزمایش CPT و چگالی نسبی ماسه‌ها. این روابط، پایه‌ی بسیاری از تحلیل‌ها و طراحی‌های اولیه در پروژه‌های عمرانی را تشکیل می‌دهند.

در مورد خاک‌ها، روابط ژئوتکنیکی معمولاً به صورت‌های زیر به کار می‌روند:

• رابطه‌ی بین عدد ضربه SPT (N) و زاویه اصطکاک داخلی (φ) یا مدول الاستیسیته (E).

• ارتباط مقاومت مخروطی CPT (qc) با مقاومت برشی زهکشی‌نشده (Su) یا نسبت تحکیم بیش از حد (OCR).

• استفاده از حدود اتربرگ و دانه‌بندی برای برآورد قابلیت تراکم، تورم‌پذیری یا نفوذپذیری خاک.

در مورد سنگ‌ها، روابط ژئوتکنیکی بیشتر بر پایه‌ی ارتباط بین آزمایش‌های ساده مانند مقاومت بار نقطه‌ای (Point Load Test)، عدد ضربه چکش اشمیت یا سرعت موج P با پارامترهایی مانند مقاومت فشاری تک‌محوره (UCS)، مقاومت کششی و مدول تغییرشکل‌پذیری بنا شده‌اند. همچنین سیستم‌های طبقه‌بندی سنگ مانند RMR یا Q-system نیز بر اساس مجموعه‌ای از روابط تجربی برای تعیین کیفیت توده‌سنگ و پایداری آن توسعه یافته‌اند.

با این حال، باید توجه داشت که این روابط کاملاً تجربی هستند و ممکن است برای همه‌ی مناطق و شرایط زمین‌شناسی صدق نکنند. تفاوت در نوع خاک، روش آزمایش، و شرایط محیطی می‌تواند باعث تغییر چشمگیر در نتایج شود. بنابراین، توصیه می‌شود پیش از استفاده از هر رابطه، منبع، دقت آماری و محدوده کاربرد آن بررسی شود و در صورت امکان، از آزمایش‌های تأییدی در همان سایت نیز استفاده گردد.

در سال‌های اخیر، با گسترش داده‌کاوی و یادگیری ماشین، روابط ژئوتکنیکی جدیدتری توسعه یافته‌اند که با استفاده از بانک‌های داده‌ی گسترده، دقت و انعطاف‌پذیری بیشتری در پیش‌بینی خصوصیات خاک و سنگ ارائه می‌دهند. با این وجود، قضاوت مهندسی همچنان نقش اصلی را در تفسیر و به‌کارگیری این نتایج دارد.

در مجموع، روابط ژئوتکنیکی ابزاری کارآمد و اقتصادی برای برقراری ارتباط میان داده‌های میدانی محدود و پارامترهای ضروری طراحی هستند. استفاده‌ی هوشمندانه از این روابط، ضمن صرفه‌جویی در زمان و هزینه، دقت و قابلیت اعتماد در طراحی سازه‌های ژئوتکنیکی را افزایش می‌دهد.