Groundwater and Seepage – Harr 1990

حرکت آب های زیر زمینی یکی از بخش های اساسی مکانیک خاک است. تأثیر پدیده تراوش را می توان تقریباً در هر زمینه ای از مهندسی ژئوتکنیک مشاهده نمود. علاوه بر این، ظرافت و ساختار منطقی نظریه حرکت آب در خاک، سبب شده است تا مورد توجه دانشمندان مهندسی و البته برخی از ریاضیدانان کاربردی قرار گیرد.
اولین هدف کتاب آب های زیرزمینی و تراوش ارائه یک رویکرد تحلیلی سازمان یافته برای حل مشکلات مرتبط با پدیده تراوش به مهندس است. سیستم ‌های جریان فیزیکی که مهندس باید با آنها سر و کار داشته باشد، به‌طور فزاینده ای نیاز به استفاده از ریاضیات مهندسی پیشرفته – به‌ویژه، نظریه متغیرهای پیچیده، نگاشت همدیس و توابع بیضوی دارد. به همین دلیل، ضمیمه هایی در کتاب گنجانده شده است که تلاش می کند تا بر کاربرد این مفاهیم به جای زیبایی های ریاضی آنها در پدیده حرکت آب در خاک تأکید کند. در چیدمان متن تلاش شده است تا این مفاهیم ریاضی به تدریج و همراه با ذکر کاربرد کافی معرفی شوند تا شالوده محکمی برای چارچوب نظریه تراوش شکل بگیرد. بنابراین، برای مثال، بسیاری از روش های تحلیلی برای حل مسائل دو بعدی آب های زیر زمینی مربوط به تعیین تابعی است که یک مسئله را از یک حوزه هندسی که در آن یک راه حل جستجو می شود به چیزی که در آن راه حل شناخته شده است، تبدیل می کند. در فصل 4 و قسمت اول فصل 5 به این موضوع پرداخته شده است و تبدیل شوارتز- کریستوفل قبل از معرفی توابع بیضوی به طور گسترده بیان شده و مثال هایی در این زمینه حل شده است.

برای کسب اطلاعات بیشتر منابع اصلی در سراسر متن ارائه و ذکر شده است و علاقه مندان می توانند برای کسب اطلاعات و جزئیات مختلف در مباحث بیان شده در کتاب به آن منابع مراجعه کرده و اطلاعات سودمندی را به دست آورند.

کتاب آب های زیرزمینی و تراوش، برای پاسخگویی به نیازهای دانشجوی کارشناسی و کارشناسی ارشد مهندس عمران و مهندسین شاغل در این زمینه طراحی شده است. بیشتر مطالب توسط نویسنده در دوره های انتخابی و کارشناسی ارشد مکانیک خاک در دانشگاه پردو ارائه شده است. دانش آموزانی که در دوره های تحصیلی ثبت نام کرده اند دارای پیشینه مهندسی عمران و با مبانی مکانیک خاک آشنا هستند. آگاهی از این زمینه های کلی از جانب خواننده این کتاب از مفروضات نویسنده است.

دانش‌آموزان دریافته اند که مطالعه مفاهیم ریاضی بسیار ارزشمند است: با این حال، با رعایت یک فلسفه فایده گرایانه، تلاشی آگاهانه برای کاهش راه‌حل ‌ها به نمودارها یا نمودارهای ساده انجام شده است. تعدادی از نمونه های موردی کاملاً اجرا شده ارائه شده است و بیش از 200 مسئله و مثال در درجه های مختلف دشواری گنجانده شده است تا دانشجو با حل این مسائل ضمن تثبیت اطلاعات دریافتی از هر بخش با چالش های مختلف در این زمینه آشنا شوند. این مسائل از اثبات ماهیت یک پدیده تا کاربردهای عملی موارد بیان شده در متن را شامل شود.

در نوشتن چنین متنی مشکل اجتناب ناپذیر انتخاب، مطرح می شود. اولین انگیزه نویسنده بیان نظریه کلی حرکت آب های زیر زمینی و پدیده تراوش شامل هر دو حالت پایدار و گذرا بوده است. با این حال، با توجه به محدودیت موجود در حجم مطالب، نویسنده تصمیم گرفته است تا فقط جریان آب در خاک در حالت پایدار در نظر گرفته شود و مفاهیم حالت گذرا به کتاب دیگری موکول شود. هدف این کار در درجه اول ارائه ابزارهای پیش بینی شرایط ضروری ناشی از جریان آب زیرزمینی به مهندس عمران است.

به طور کلی مسائل خاصی که باید به آنها پرداخته شود را می توان به سه بخش تقسیم کرد:

1. برآورد مقدار تراوش

2. تعریف حوزه جریان

3. تجزیه و تحلیل پایداری

هنگام نوشتن در مورد موضوعی به وسعت آب های زیر زمینی و تراوش لازم است حداقل سطحی از یادگیری مفاهیم از طرف خواننده توسط نویسنده در نظر گرفته شود. از این رو فرض می شود که خواننده هم از محاسبات و هم از مبانی مکانیک خاک تا حدودی آگاهی دارد. به عنوان مثال، مشکل پایداری یک شیب خاکی که در معرض نیروهای تراوش قرار دارد زمانی حل شده در نظر گرفته می شود که موقعیت خط جریان بالایی تعیین شده و فشار منفذی در تمام نقاط خط جریان تعیین شود. در این کتاب به تعیین هر یک از این موارد پرداخته می شود اما نحوه برآورد ضریب اطمینان شیروانی خاکی در این موقعیت به خود خواننده واگذار خواهد شد. متون متعددی در مورد مکانیک خاک در مراجع یافت می شود. با این حال، عواملی مانند تعیین فشار بالا برنده (uplift) در زیر سازه، تعیین گرادیان هیدرولیکی و دبی جریان و محاسبه مقدار تراوش از جمله مواردی است که در چارچوب کتاب آب های زیرزمینی و تراوش گنجانده شده است.

اگرچه اصول جریان آب در خاک بیش از یک قرن پیش ایجاد شده است، اما تنها در سال‌های اخیر است که این موضوع در مجامع علمی مورد بررسی قرار گرفته است. در نتیجه در ادبیات فنی این موضوع تعداد قابل توجهی آزمون و خطا نظری و روابط تجربی در مورد جریان آب زیر زمینی یافت می شود. طرفداران رویکرد تجربی مدت ‌ها استدلال کرده اند که ماهیت ناهمگون خاک ‌ها به گونه ای است که تحلیل های دقیق عملی نیستند. این چنین نیست؛ همانطور که مشاهده خواهد شد، بسیاری از موضوعات به آسانی به تجزیه و تحلیل نظری می پردازند.

پیشرفت ‌های اخیر در علم مکانیک خاک همراه با روش‌ های دقیق‌تر اکتشافات زیرسطحی خاک، بینش بیشتری را در مورد رفتار سازه‌ های خاکی در معرض جریان آب زیر زمینی به مهندسان ارائه کرده است. ریاضیات نظری توابع متغیرهای مختلط نیز اکنون به مهندس اجازه می‌دهد تا مسائلی را با پیچیدگی فوق العاده حل کند.

مهندس اکنون می تواند راه حل های کاربردی مختلف را در روابط ریاضی نشان دهد که نه تنها برهم کنش عوامل جریان مختلف را منعکس می کند، بلکه به او اجازه می دهد تا اندازه ای از عدم قطعیت های طراحی خود را کاهش دهد.

ماهیت جسم خاک

در مسائل تراوش و حرکت آب در خاک، بدنه خاک به عنوان یک محیط پیوسته که از بسیاری از حفره های به هم پیوسته در نظر گرفته می شود، به عنوان حامل سیال عمل می کنند. ماهیت سیستم منافذ درون خاک را می توان با استنباط از نظریه مرزهای نفوذ ناپذیر به بهترین وجه تجسم کرد.

برای سادگی در کتاب آب های زیرزمینی و تراوش از خاک های درشت دانه، ماسه و از خاک های ریز دانه، رس در نظر گرفته شده است. به طور کلی ماسه ها از ذرات ماکروسکوپی تشکیل شده اند که به شکل گرد (حجیم) یا زاویه دار هستند. آنها به آسانی تخلیه می شوند، متورم نمی شوند، دارای ظرفیت مویینگی ناچیز هستند و هنگامی که خشک می شوند انقباض ندارند. از طرف دیگر خاک رس از ذرات میکروسکوپی به شکل صفحه تشکیل شده است. آنها بسیار غیر قابل نفوذ هستند، تورم قابل توجهی از خود نشان می دهند، ظرفیت مویینگی بالایی دارند و پس از خشک شدن کاهش حجم قابل توجهی را نشان می دهند.

ماسه‌ها تقریباً به محیط متخلخل ایده‌ آل نزدیک می شوند و نماینده خاک‌ هایی هستند که در این کتاب باید به آنها پرداخته شود. در ابتدا به نظر می رسد که این موضوع محدودیت های جدی ایجاد کند. با این حال، در بسیاری از مسائل مهندسی، نفوذپذیری کم رس ها، آن ها را در مقایسه با خاک های درشت دانه، نسبتاً غیر قابل نفوذ می کند.

مطالعات گسترده ای توسط بسیاری از محققین برای محاسبه نفوذپذیری و تخلخل خاک های طبیعی بر اساس تجزیه و تحلیل دانه بندی آن ها و دسته بندی های مختلف دانه های ماسه ای که از نظر شکلی تقریباً کره های یکنواخت می باشند، انجام شده است. در حالی که در حالت کلی نمی‌توان تخمین ‌های نفوذپذیری قابل توجهی را از اندازه‌گیری تخلخل به دست آورد، ویژگی‌ های منفذی این دسته بندی‌ های ایده آل برخی از ویژگی ‌های برجسته خاک‌ های طبیعی را نشان می‌دهند. باید توجه داشت که حتی در محیط متخلخل ایده آل، فضای منفذی منظم نیست، بلکه شامل سلول های غاری است که توسط کانال های باریک تر به هم متصل شده اند. خاک های طبیعی حاوی ذراتی هستند که می توانند به طور قابل توجهی از حالت ایده آل کروی منحرف شوند. علاوه بر این، اندازه حفرات که در حقیقت محل عبور سیال هستند نیز یکسان و یکنواخت نمی باشد. ماهیت واقعی کانال های منفذی در توده خاک با توصیف منطقی مخالفت می کند. به همین دلیل است که جریان آب زیر زمینی تا زمان پیدایش قانون دارسی در حقیقت قابلیت بیان شدن در محافل علمی را نداشت و پیچیدگی های این پدیده و بیش از حد تجربی بودن ماهیت استفاده ها و کاربردهای آن نیز مزید بر علت شده است. نحوه فصل بندی کتاب آب های زیرزمینی و تراوش که یکی از مراجع ناشناخته شده در مکانیک خاک است، به گونه ای می باشد که مخاطبین در طی 10 فصل با مبحث تراوش و حرکت آب در خاک آشنا شوند.