1.1 چرا کتاب مهندسی ژئوتکنیک (خاک های غیر اشباع و اشباع)؟
«همه چیز باید تا حد امکان ساده باشد، اما نه کمی ساده تر از آن»
آلبرت انیشتین
یافته آستانه بهینه انیشتین برای ساده سازی در یک موضوع، همیشه مورد توجه نویسنده هنگام نوشتن کتاب مهندسی ژئوتکنیک (خاک های غیر اشباع و اشباع) بود (شکل 1.1). اولین نیروی محرکه برای نوشتن آن، توجه بیشتر به مکانیک خاک غیراشباع بود: نیاز بود که مهندسی ژئوتکنیک به عنوان علم بررسی خاک های سه فاز و واقعی معرفی شود نه علمی که تنها به بررسی خاک اشباع (یک حالت خاص) می پردازد. دومین نیروی محرکه این بود که تا حد امکان بسیاری از موضوعات مهندسی ژئوتکنیک را در یک کتاب مقدماتی پوشش دهد تا دامنه وسیعی را که مهندسی ژئوتکنیک پوشش می دهد و کمک های مهم آن به جامعه را نشان دهد. سدها، پل ها، ساختمان ها، روسازی ها، محل های دفن زباله، تونل ها و بسیاری از عناصر زیرساختی دیگر شامل مهندسی ژئوتکنیک هستند. نیروی محرکه برای ویرایش دوم تمایل به گنجاندن تاریخچه موارد برای نشان دادن بیشتر نقش قابل توجه مهندسین ژئوتکنیک در جامعه و همچنین به روز رسانی ویرایش اول کتاب مهندسی ژئوتکنیک (خاک های غیر اشباع و اشباع) بود. مخاطب مورد نظر هرکسی است که در رشته مهندسی ژئوتکنیک شروع به کار می کند، از جمله دانشجویان دانشگاه.
2.1 مهندسی ژئوتکنیک
مهندسی ژئوتکنیک یک رشته حرفه ای جوان (حدود 100 سال) است که با خاک تا عمق چند صد متری سطح زمین به منظور تامین پایداری سازه های مهندسی عمران سروکار دارد. برای مهندسان ژئوتکنیک، خاک را می توان به عنوان ماده متلخل و طبیعی که چند صد متر بالای سطح زمین را می پوشاند، تعریف کرد. در مقابل، سنگ یک ماده غیر متخلخل و طبیعی است که در اعماق مشابه یا عمیق‌تر یافت می شود. در مرز بین خاک و سنگ، موادی نیز قرار دارند. آزمایش های طبقه بندی و طیف وسیعی از خواص شرح داده شده در کتاب مهندسی ژئوتکنیک در خاک های غیر اشباع و اشباع به تمایز بین این سه نوع مواد طبیعی کمک می کند. مهندسان ژئوتکنیک باید تصمیماتی را به نفع عموم با توجه به ایمنی و اقتصاد اتخاذ کنند. تصمیمات آنها به موضوعات زیر مربوط است:
- پایه ها
- دامنه ها
- دیوارهای نگهدارنده
- بندها
- محل های دفن زباله
- تونل ها
این سازه ها یا پروژه های ژئوتکنیکی تحت بارهایی قرار می گیرند که عبارتند از:
- بارهای یک سازه
- وزن یک شیب
- فشار وارد بر دیوار حائل
- بارهای محیطی، مانند امواج، باد، رودخانه ها، زلزله، سیل، خشکسالی، و تغییرات شیمیایی و غیره
توجه داشته باشید که روش فعلی مبتنی بر آزمایش بخش بسیار کوچکی از خاک یا سنگ موجود در منطقه پروژه است. یک بررسی معمولی از خاک محل پروژه ممکن است شامل آزمایش 0.0001 ٪ خاک باشد که پایه و اساس سازه را فراهم می کند. با این حال، بر اساس این داده های بسیار محدود، مهندس ژئوتکنیک باید رفتار کل توده ناهمگن خاک را پیش بینی کند. به همین دلیل است که مهندسی ژئوتکنیک یک رشته بسیار دشوار است. با این حال، همانطور که ترزاقی گفته است، هیچ شکوهی در پی ها وجود ندارد. در واقع، بیشتر کارهای ما دفن شده است. به عنوان مثال، همه برج ایفل در پاریس را می شناسند، اما تعداد کمی از پی و فونداسیون آن اطلاع دارند.
3.1 گذشته و آینده
در حالی که عموماً توافق بر این است که مهندسی ژئوتکنیک با کار کارل ترزاقی در آغاز قرن بیستم آغاز شد، تاریخ غنی از مواردی است که در آن مهندسی خاک و خاک نقش مهمی در تکامل نوع بشر ایفا کرده است. در دوران ماقبل تاریخ (قبل از 3000 سال قبل از میلاد) از خاک به عنوان مصالح ساختمانی استفاده می شد. در دوران باستان (3000-300 قبل از میلاد)، جاده ها، کانال ها و پل ها برای جنگجویان بسیار مهم بودند. در زمان رومیان (300 قبل از میلاد 300 پس از میلاد)، سازه ها شروع به بزرگتر شدن کردند و دیگر نمی شد پی ها را نادیده گرفت. قرون وسطی (300-1400 پس از میلاد) عمدتاً دوره ای از جنگ بود که در آن سازه ها حتی سنگین تر شدند، از جمله قلعه ها و کلیساهای جامع با دیوارهای بسیار قطور. سکونت‌گاه ها و بی‌ثباتی های شدیدی تجربه شد. رنسانس (1400-1650 پس از میلاد) دوره ای از پیشرفت عظیم در هنر بود و چندین هنرمند بزرگ نیز ثابت کردند که مهندسان بزرگی هستند. این مورد مثل لئوناردو داوینچی و سپس میکل آنژ بود. دوران جدید (میلادی 1650-1900) با تغییر از مهندسی نظامی به مهندسی عمران شاهد پیشرفت مهندسی قابل توجهی بود. در سال 1776، چارلز کولمب نظریه فشار زمین خود را توسعه داد و پس از آن در سال 1855 هنری دارسی و قانون تراوش او ارائه شد. در سال 1857، ویلیام رانکین نظریه فشار زمین خود را ارائه کرد و کارل کولمن راه حل گرافیکی فشار زمین او را از نزدیک دنبال کرد. در سال 1882، اتو مور نظریه تنش خود و دایره معروف مور را ارائه کرد و در سال 1885 جوزف بوسینسک راه حلی برای مشکل مهم کشش خاک ارائه کرد.
از سال 1900 تا 2000 دوره واقعی توسعه مهندسی ژئوتکنیک جدید با انتشار کتاب Erdbaumechanik اثر کارل ترزاقی (در 1925) بود که به سرعت به انگلیسی ترجمه شد. نسخه های جدید با همکاری رالف پک در سال 1948 شروع شد. پیشرفت در 50 سال گذشته خیره کننده بوده است، با پیشرفت هایی در:
- درک رفتار اساسی خاک و مدل های خاک مرتبط (مانند خاک های غیر اشباع)
- شبیه سازی های عددی توسط انقلاب رایانه ای
- توسعه تجهیزات بزرگ (مانند دکل های حفاری برای شمع های حفاری)
- تعدادی نظریه های مبتکرانه (مانند دیوارهای حائل تقویت شده، تحلیلگر شمع کوبی، ژئوسنتتیک)
مهندسی ژئوتکنیک بسیار پیشرفت کرده است زیرا تمام سازه های ساخته شده بر روی سطح خاک یا سنگ قرار گیرند. در نتیجه، مهندس ژئوتکنیک اینجاست تا امنیت و پایداری این سازه ها را تامین کند و همچنان بخش بسیار مهمی از تکامل بشریت خواهد بود. برج پیزا یکی از معروف ترین نمونه های پروژه ای است که طبق برنامه پیش نرفت، بیشتر به دلیل دانش محدود موجود در حدود 900 سال پیش مربوط می شد. امروزه طراحی یک پی مناسب برای برج پیزا به دلیل پیشرفت ما یک تمرین بسیار ساده است. نمی توان 900 سال دیگر را پیش بینی کرد و متعجب بود که چه پیشرفتی حاصل شده است. آیا خواهیم داشت:
- بررسی کامل کل حجم خاک؟
- طراحی خودکار چهار بعدی (4 بعدی) تولید شده توسط رایانه با تشخیص صدا و بر اساس ریسک هدف؟
- ابزارهای کوچک و آسان نصب شده برای نظارت بر سازه های ژئوتکنیکی؟
- ماشین های روباتیک بدون سرنشین که در عمق زیاد کار می کنند؟
- توسعه قابل توجه سازه های زیرزمینی؟
- گسترش پروژه ها به دریا؟
- تعامل ساختار خاک به مهندسی حرارت و مغناطیس؟
- به حداقل رساندن خرابی ها؟
- سیستم های خبره برای بهینه سازی تعمیر پروژه های معیوب مهندسی ژئوتکنیک؟
- مهندسی خاک در سیارات دیگر؟
- مهندسان ژئوتکنیک با قضاوت مهندسی پیشرفته در دانشگاه ها تدریس می کنند؟
- به دلیل افزایش شدید قابلیت اطمینان پروژه، دیگر وکیلی وجود ندارد؟
4.1 مهندسی ژئوتکنیک می تواند سرگرم کننده باشد
مهندسی ژئوتکنیک می تواند سرگرم کننده باشد، همانطور که کتاب التون (1999) در زمینه جادوی جغرافیایی نشان می دهد مثل پدیده جوشش ماسه.
این پدیده که ماسه در حال جوشیدن است و به نوعی روانگرا می شود، افراد ناآگاه را متحیر می کند. مهندسی ژئوتکنیک به ندرت خسته کننده است. در واقع: پیچیدگی رسوبات خاک و رفتار خاک همیشه می تواند ما را با نتایج پیش بینی نشده غافلگیر کند. بهترین کار مهندسی ژئوتکنیک همیشه شامل ملاحظاتی در مورد زمین شناسی، خصوصیات مناسب سایت، اصول صحیح مکانیک خاک، دانش پیشرفته از تمام ابزارهای موجود، مشاهده دقیق و قضاوت مهندسی خواهد بود. این واقعیت که مهندسی ژئوتکنیک بسیار پیچیده است، این رشته را به یک فرآیند کشف بی پایان تبدیل می کند که علاقه متخصصان آن را در طول عمر خود حفظ می کند.
