Geotechnical modelling – David Muir Wood

شبیه سازی (مدل‌سازی) بخشی ضمنی از تمام طراحی‌ های مهندسی را تشکیل می‌دهد، اما بسیاری از مهندسان از حقیقت بسیاری از مفروضات لحاظ شده در فرآیند طراحی و یا از ماهیت و پیامد های آن مفروضات آگاه نیستند. بسیاری از مهندسان از مدل‌ سازی عددی استفاده می‌کنند، اما ممکن است به تقریب‌ ها و مفروضاتی که در آن مدل‌ سازی مستتر هستند (نظیر انواع مدل های رفتاری در خاک ها) فکر نکرده باشند، بسیاری از مهندسان احتمالاً از مفاهیم، امکانات و پیامدهای مدل‌ سازی فیزیکی در شرایط 1g و در شرایطی که از سانتریفیوژ ژئوتکنیکی و استفاده از شتاب Ng استفاده می شود به اندازه کافی آشنا نباشند. بسیاری از مطالب کتاب مدل سازی ژئوتکنیکی در طول دوره های ارائه شده به دانشجویان سال آخر کارشناسی و کارشناسی ارشد در دانشگاه بریستول و جاهای دیگر توسعه یافته است. فرض بر این است که خواننده با مکانیک پایه خاک و با روش های سنتی طراحی ژئوتکنیک آشنایی دارد. مقداری توانایی ریاضی متوسطی نیز انتظار می رود: هدف این موضوع این نیست که خواننده را به نوعی از مطالعه کتاب باز دارد، بلکه برای نشان دادن ماهیت درک نظری است که برای مدلسازی ژئوتکنیکی ایمن لازم است.

فصل اول

همانطور که ممکن است تعجب کنیم که نثر آن چیزی است که ما در تمام زندگی خود صحبت می کنیم، بنابراین دانشمندان و مهندسان اغلب غافل هستند که تقریباً هر کاری که انجام می دهند می تواند به نحوی به مدل سازی مرتبط شود.کتاب مدل سازی ژئوتکنیکی به کاربرد اصول مدلسازی در مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک می پردازد. یک مدل، در واقع ساده سازی مناسب واقعیت است. مهارت در مدل‌ سازی این است که سطح مناسب ساده‌سازی شناسایی شود تا ویژگی‌های مهم و بی‌ اهمیت تشخیص داده شود. اغلب مهندسان از ساده‌سازی‌هایی که انجام داده‌اند بی‌اطلاع هستند و ممکن است مشکلاتی دقیقاً به دلیل نامناسب بودن فرضیات در یک برنامه خاص ایجاد شود. مهندسی اساساً با مدل سازی سر و کار دارد. مهندسی به یافتن راه حل برای مشکلات واقعی می پردازد. نگاهی ساده به اطراف بدون شناسایی و پیدا کردن مشکلاتی قابل حل امکان پذیر نیست. ابتدا باید به اصل مسئله پی برد و ویژگی های کلیدی در طراحی را که نیاز به مدلسازی دارد را شناسایی نمود. البته یکی دیگر از جنبه های قضاوت مهندسی، شناسایی آن ویژگی‌هایی است که به اعتقاد نویسنده نادیده گرفتن آن ها بی‌خطر است. در این فصل خواننده با کلیت موضوع مدل‌سازی با اشاره به فعالیت‌های در زمینه مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک آشنا می گردد.

فصل دوم

به طور خلاصه در فصل 1 از کتاب مدل سازی ژئوتکنیکی نشان داده شده است (و در فصل 5 به طور گسترده تر نشان داده خواهد شد) که استفاده از روش های مدل سازی ژئوتکنیکی فیزیکی مستلزم استفاده صحیح از قوانین مقیاس است تا بتوان رفتار مشاهده شده در مدل فیزیکی کوچکتر را برون یابی نمود. استفاده صحیح از قوانین تشابه و مقیاس، مستلزم درک عواملی است که بر رفتار مواد موجود در مدل‌ سازی تأثیر می‌گذارند. مدلسازی عددیِ پدیده های ژئوتکنیکی با تکیه بر قوانین تعادل نیروها و سازگاری تغییرشکل ها به کمک روابط حاکم بر مدل های رفتاری، تغییرات ایجاد شده در بارهای وارده بر اعضای مختلف را به تغییرشکل ها مرتبط می سازد. در این فصل نویسنده در تلاش است تا برخی از ویژگی های مکانیکی مواد ژئوتکنیکی، به ویژه خاک ها را که باعث جالب تر شدن و چالش برانگیز شدن مدلسازی ها می شود را شرح دهد.

فصل سوم

در بحث مدل‌ سازی عددی در فصل 4 مشاهده می‌شود که تجزیه و تحلیل هر مشکلی به گزاره های تعادل، سینماتیک یا سازگاری (تعریف کرنش) نیاز دارد، اما ارتباط بین این‌ موارد توسط برخی از گزاره های بسیار نامطمئن‌تر ارائه می‌شود.
مجلات و کنفرانس های ژئوتکنیکی با مدل های سازنده فراوان است. انتخاب مدل تا حدودی به زیبایی شناسی ریاضی و قضاوت ذهنی بستگی دارد. بیان تمامی جزئیات همه مدل رفتاری ها در یک فصل به نظر غیرممکن می رسد. با این حال، برخی از مدل‌ها وجود دارند که به قدری به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند که به طور کلی در تمام برنامه‌های تحلیل عددی که برای کاربرد در مسائل ژئوتکنیکی در نظر گرفته می شوند، در دسترس هستند: مدل های الاستیک همسان، الاستیک-پلاستیک کامل، موهر کولمب و Cam Clay چهار مدل رفتاری رایج در خاک ها هستند. در این فصل به این مدل های رفتاری و برخی از پیشرفت های صورت گرفته در آن پرداخته می شود. طرز فکر نویسنده در این فصل این است که مهندسان به احتمال زیاد از مدل هایی استفاده می کنند که می توانند به وضوح و به مقدار قابل توجهی متفاوت از مدل هایی باشند که با آن ها آشنایی دارند تا اینکه از مدل هایی استفاده کنند که زبان کاملاً متفاوتی دارند. بنابراین یک مدل پلاستیسیته سخت شونده ارائه خواهد شد که در واقع مدل تعمیم یافته پلاستیک کامل موهر کولمب می باشد. انتخاب مدل مورد استفاده برای تحلیل در دست مدل ساز است. پیشنهاد منطقی دوم این است که مدل ساز باید کمی از ویژگی های خاص تاریخ خاک و واکنش خاک که احتمالا در یک کاربرد خاص مهم می باشد را بداند و اطمینان حاصل شود که مدل سازنده ای که اتخاذ می شود واقعاً قادر به بازتولید این ویژگی ها است. مانند همه مدل‌سازی‌ها، باید به دنبال پیچیدگی کافی بود. کشف اینکه عناصر کلیدی پاسخ توسط عناصر غیر ضروری و جداشدنی مدل سازنده پنهان شده اند بسیار آسان است.

فصل چهارم

در این فصل از کتاب نویسنده در نظر دارد تا صرفاً مقدمه‌ای کوتاه بر مدل‌ سازی عددی ارائه شود: برای خواننده کافی است تا بتواند برخی از زبان مدلسازی عددی را درک کند، موضوعاتی که در این فصل بیان می شود، شامل برخی از مسائلی است که باید در هنگام تنظیم مدل‌ سازی عددی یک مسئله ژئوتکنیکی به آن ها توجه نمود. و برخی از مشکلاتی که ممکن است مدلساز با آن مواجه شود تا اطمینان حاصل شود که مدل رفتاری که اتخاذ شده است واقعاً قادر به پوشش ویژگی های خاک مدل شده می باشد.

فصل پنجم

مدل‌سازی فیزیکی به منظور مطالعه جنبه های خاصی از رفتار نمونه های اولیه خاک انجام می شود. آزمایش در مقیاس کامل به نوعی نمونه ای از مدل سازی فیزیکی است که در آن تمام ویژگی های نمونه اولیه مورد مطالعه مشابه با نمونه با مقیاس یک به یک می شوند. با این حال، بیشتر مدل‌های فیزیکی در مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر از نمونه اولیه ساخته می‌شوند، دقیقاً به این دلیل که می‌خواهند اطلاعات مربوط به الگوهای پاسخ مورد انتظار را با سرعت بیشتری و با کنترل دقیق‌تری بر جزئیات مدل نسبت به آزمایش در مقیاس کامل به دست آورند. این امر معمولاً به این معنی است که مطالعات پارامتری باید به گونه ای انجام شود که در آن پارامترهای کلیدی مدل با پروتوتایپ با یکدیگر برابر باشد. این خود افزایش آزمایش های مدل را توجیه می کند. به طور کلی از مزیت های عمده مدلسازی فیزیکی با مقیاس کوچکتر این است که اولا این امکان برای محقق وجود دارد تا با هزینه کمتر تاثیر عوامل مختلف را بر روی پدیده های مختلف بررسی کند و ثانیا در صورت بروز خطا و یا کسب اطمینان از نتایج به دست آمده نیز امکان تکرار آزمایش نیز وجود دارد. در این فصل نویسنده به کلیات مدلسازی فیزیکی اشاره نموده است.

فصل ششم

در بحث انتخاب فاکتورهای مقیاس‌بندی مورد نیاز برای حفظ شباهت بین نمونه های اولیه و مدل‌های کوچک، در فصل 5 نشان داده شده است که اگر تنش‌ها در نقاط متناظر در مدل وجود داشته باشد، می‌توان از بسیاری (اما نه همه) مشکلات مرتبط با مقیاس‌ اجتناب کرد. از طرفی چون رفتار خاک ها به مقدار قابل توجهی به سطح تنش وابسته است. بنابراین اگر بتوان پدیده های ژئوتکنیکی را در شرایطی مدل نمود که تنش در مدل با پروتوتاپ برابر باشد فرآیند مدلسازی و نتایج آن به واقعیت نزدیک تر است. یکی از راه هایی تحقق این امر، استفاده از سانتریفیوژ ژئوتکنیکی برای افزایش میدان گرانشی به شکل مرکزگرا می باشد که در حال حاضر بهترین گزینه پیش رو می باشد. در این فصل، مفاهیم پایه ای مدل‌سازی سانتریفیوژ، برخی از ماشین‌هایی که برای ایجاد شتاب مصنوعی ساخته شده اند و برخی از دستگاه‌های جانبی بیان شده است.

فصل هفتم

همواره مهندسین برای ارائه تخمین های مختلف از برخی راه حل های تئوری استفاده می کنند یکی از مزیت های استفاده از این تئوری ها آنالیز رفتار سازه های ژئوتکنیکی بدون دردسر و پیچیدگی مدلسازی های عددی و فیزیکی می باشد. البته همواره بر این نکته نیز تاکید شده است که در ادامه برای حصول اطمینان بیشتر باید از ابزارهای مدلسازی استفاده نمود. چرا که درک مناسب یک پدیده با استفاده از این مدلسازی و نتایج آن حاصل می شود. با استفاده از محاسبات ساده برخی از این تئوری های موجود همچنین می‌توان برای انجام مطالعات پارامتری سریع به منظور آشکار نمودن پارامترهای غیر ضروری و در نتیجه کارآمدتر کردن مدل‌سازی دقیق عددی یا فیزیکی بعدی استفاده نمود. در این فصل نویسنده به برخی از این تئوری ها می پردازد. برای درک بهتر برخی مسائل، مثال هایی نیز در این فصل اشاره شده است.

فصل هشتم

در بخش های قبل مشاهده شد که بر اساس آنالیز ابعادی و نکات مربوط به مدلسازی فیزیکی در خاک ها باید سختی نسبی بین پروتوتایپ و مدل حفظ شود. در این فصل نویسنده در برخی از مسائل ژئوتکنیکی به بررسی موضوع برهم کنش خاک و سازه می پردازد. در شرایطی که عناصر مختلف کاملا صلب و یا کاملا انعطاف پذیر باشد، فرآیند تحلیل ساده است. اما در بقیه موارد تحلیل مسئله برهم کنش بین خاک و سازه قدری مشکل است.