Introductory Geotechnical Engineering (An Environmental Perspective)

در حال حاضر موضوع مهندسی ژئوتکنیک بر سر دوراهی قرار دارد. یک راه هنوز از مفهوم کلاسیک توسعه یافته توسط ترزاقی پیروی می کند و دیگری رویکردی چند رشته ای را اتخاذ می کند. انگیزه دومی، به عنوان تأکید این متن، از موقعیت‌ هایی است که مکرراً با آنها مواجه می‌شوند، ناشی می‌شود که مفاهیم و روش های کلاسیک برای تجزیه و تحلیل رفتار خاک تحت شرایط محیطی متنوع را به چالش می‌کشد. به بیان ساده، مکانیک خاک به تنهایی نمی تواند به اندازه کافی همه پدیده های خاک – آب – محیط و اندرکنش میان خاک و سازه موجود در دنیای مدرن را توضیح دهد. در حالی که مفاهیم کلاسیک همیشه به عنوان “پایه” مهندسی ژئوتکنیک عمل می کنند، باید تنظیماتی انجام شود تا این حرفه به حرفه ای تبدیل شود که بتواند بهتر با موقعیت های پیچیده تر روبرو شود. برای رویارویی با این موضوع، یک روش و رویکرد جدید که تئوری ذرات – انرژی – میدان که اخیراً توسعه‌یافته را در بر می‌گیرد، در کتاب درسی مهندسی ژئوتکنیک مقدماتی معرفی شده است. به عبارت دیگر، این کتاب درسی جدید در چارچوب کلاسیک با اطلاعات جدید آمیخته شده است.

اکتاب مهندسی ژئوتکنیک مقدماتی (با اتخاذ یک دیدگاه زیست محیطی) به عنوان یک کتاب درسی برای دانشجویان کارشناسی ارشد مهندسی ژئوتکنیک در نظر گرفته شده است. در تمام موارد، اطلاعات ضروری و متعارف در متن گنجانده شده است. به عنوان مثال، طبقه بندی استاندارد خاک همراه با شناسایی و طبقه بندی خاک آلوده گنجانده شده است. خواص خاک مانند مقاومت برشی، دینامیک خاک، تحکیم و نشست، ظرفیت باربری، فشارهای جانبی زمین، و پایداری شیب تحت تأثیر هر دو اثر استاندارد و محیطی گنجانده شده است. دو فصل جدید، خواص حرارتی و الکتریکی خاک و رفتار ترک خوردگی، شکستگی و کششی خاک اضافه شده است. داده های تجربی برای شرایط آزمایشگاهی و درجا، همراه با مثال های عددی، نیز گنجانده شده است.

وضعیت بحرانی مفاهیم و روش های مکانیک خاک فعلی

از سال 1925، مفهوم مکانیک خاک گام های سریع تری را برای تبدیل شدن به یک رشته اصلی در زمینه مهندسی عمران برداشته است. زمانی که ترزاقی مفهوم مکانیک خاک را وارد رشته مهندسی عمران کرد، به یکی از موضوعات اصلی در برنامه های آموزشی تبدیل شد. مفاهیم و قضایای اساسی ایجاد شده است که تا حد زیادی تکنولوژی طراحی و ساخت و ساز مدرن را در مهندسی عمران بهبود بخشید. این رویکرد ها به شرح زیر است:

(الف) ثابت های خاک مانند حدود آتربرگ (فصل 2) و وزن مخصوص (فصل 3) برای خاک معین تحت هر شرایطی ثابت فرض می شوند.

(ب) مدل های رفتاری مبتنی بر رابطه تنش-کرنش خاک (فصل 10) اغلب در توصیف دقیق رفتار واقعی خاک شکست می‌خورند. در برخی موارد، این فرض ممکن است به ترجیحات فرد بستگی داشته باشد، نه بر اساس رفتار خاک.

(ج) مفاهیم رایج مورد استفاده عبارتند از نسبت پوکی یا تخلخل (فصل 3) به عنوان شاخص تغییر شکل تحت بارگذاری.

(د) محتوای آب در توده خاک عمدتاً بر اساس آب گرانشی (آب آزاد) است، در حالی که سایر انواع آب در فضای منافذ مانند آب محیطی (فصل 3) را شامل نمی شود.

(ه) جریان از طریق توده خاک فقط پتانسیل هیدرواستاتیک را در نظر می گیرد. دلایل دیگری مانند تغییرات حرارتی، الکتریکی، فاز در آنالیز و طراحی در نظر گرفته نشده است.

از جمله مشاهدات دیگر می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. تلاش های تحقیقاتی و آموزشی فعلی در مهندسی ژئوتکنیک، تلاش بسیار کمی را بر روی سایر عوامل علاوه بر بار و بررسی های کوتاه مدت انجام می دهد. از آنجایی که ژئوتکنیک یک علم میان رشته ای است، نه یک سیستم مکانیکی ساده، رویکرد های مکانیکی کنونی ممکن است به مسیر اشتباهی منتهی شود.
2. خود مکانیک خاک هیچ نظریه یا مفاهیم یکپارچه ای برای تجزیه و تحلیل همه خاک ها در شرایط مختلف محیطی ندارد. به عنوان مثال، مفاهیم ظرفیت باربری بر اساس نظریه پلاستیسیته است. با این حال، هنگام بررسی توزیع فشار عمودی خاک، نظریه الاستیک اعمال می شود. برای نشست محاسباتی، از نظریه تثبیت ترزاقی استفاده شده است که از مفاهیم رسانش گرما پیروی می کند. برای تجزیه و تحلیل پایداری شیب، اکثر محققین از مفهوم تعادل حدی (بخش 12.2) پیروی می کنند، اما برخی از آنالیز حد استفاده می کنند (بخش های 12.2 و 14.8).
3. تاکید زیادی بر دستکاری ریاضی برای نشان دادن اینکه چگونه یک خاک می تواند در یک مدل ریاضی قرار گیرد، به جای اینکه به این پرداخته شود که چگونه ریاضیات می تواند در درک رفتار خاک کمک کند. به این دلیل بسیاری از مدل های قانون اساسی خاک فقط به درد مباحث دانشگاهی میخورد و برای کاربرد های عملی چندان قابل استفاده نیستند.
4. بسیاری از گسیختگی های زودرس یا پیشرونده اغلب رخ می دهد. بسیاری از این موارد را نمی توان با مفاهیم یا روش های فعلی توضیح داد. به عنوان مثال، تئوری تثبیت ترزاقی فقط بار را در نظر می گیرد، عوامل دیگری مانند عوامل شیمیایی، فیزیکوشیمیایی و میکروبیولوژیکی در این نظریه گنجانده نشده و قابل تخمین نیستند.
5. اکثر طرح ها برای پروژه های ژئوتکنیکی به شرایط بارگذاری بستگی دارد. از آنجایی که بارگذاری تنها عامل کنترل کننده نیست، معیارهای طراحی بر اساس ضریب بار به تنهایی تصویر کلی را ارائه نمی دهد و از یک عامل مهم که پایداری کلی تمام سازه های مهندسی عمران را کنترل می کند – معیارهای طراحی فاکتور محیطی – غفلت می کند. بار یک پارامتر مستقل است، اما خاک زمین یک متغیر وابسته است که با شرایط محیطی محلی در نوسان است.
6. تاکید بیش از حد بر جنبه های مکانیکی رفتار خاک و تلاش بسیار کمی بر روی عوامل محیطی همانطور که بحث شد انجام می شود.

با وجود بحث فوق، روند تلاش در آموزش ژئوتکنیک صرفاً در نظر گرفتن رفتار فیزیکی و مکانیکی خاک بوده است. در واقع در برخی از مؤسسات دروس مکانیک خاک به بخشی از رشته مکانیک مهندسی تبدیل شده است که به این معنی است که جنبه های اساسی رفتار خاک نادیده گرفته شده است. از آنجایی که خاک بسیار حساس به شرایط محیطی است، مطالعه آن باید حوزه های خاک‌شناسی، شیمی فیزیک، کانی‌شناسی، زمین‌شناسی، میکروبیولوژی و غیره را در بر گیرد. در سال 1980 دامنه مکانیک خاک گسترش یافت و شامل سنگ ها، رسوبات دریایی و عنوان مکانیک خاک شد. تغییر به ژئوتکنولوژی؛ با این حال، رویکرد تجزیه و تحلیل هنوز تحت سلطه انرژی مکانیکی است، که به تنهایی بارگذاری است. در کتاب مهندسی ژئوتکنیک مقدماتی (با اتخاذ یک دیدگاه زیست محیطی)، نویسندگان سعی می‌کنند با استفاده از تئوری ذرات-انرژی-میدان، ویژگی های خاک و سنگ را در شرایط محیطی متنوع تعمیم دهند که به شرایط محیطی اجازه می‌دهد به پنج میدان انرژی اساسی تقسیم شوند، یعنی مکانیکی، حرارتی، الکتریکی، مغناطیسی، تابش، و رفتار آب در خاک در محیط های خاکی. میدان مکانیکی (بارگذاری) رفتار خاک بخش عمده مکانیک فعلی خاک است و سایر زمینه ها به دلیل شرایط محیطی متغیر (مانند دما، رطوبت، سیال منفذی) در نظر گرفته می شوند. با استفاده از چارچوب کلی ایجاد شده توسط ترزاقی داده های جدید با توضیحات مفصل و مقایسه با نظریه ها و/یا مفاهیم موجود ارائه می شوند.

نحوه سازماندهی متن کتاب مهندسی ژئوتکنیک مقدماتی (با اتخاذ یک دیدگاه زیست محیطی)

همانطور که در مقدمه گفته شد، هدف اصلی این کتاب ارائه مهندسی ژئوتکنیک با رویکرد ترکیبی است که بر اساس یک چارچوب کلاسیک با اطلاعات جدید در صورت لزوم در آن ترکیب شده است. به همین دلیل است که نظریه ذرات-انرژی-میدان در این کتاب درسی معرفی شده است. کتاب مهندسی ژئوتکنیک مقدماتی (با اتخاذ یک دیدگاه زیست محیطی) شامل شانزده فصل است و می توان آن را در سه گروه دسته بندی کرد:

• مفاهیم اساسی هر دو مکانیک کلاسیک خاک و نظریه ذره-انرژی-میدان پیشنهادی ارائه شده است. در روش های تحلیلی، هر دو تکنیک های تعادل حدی و تحلیل حد مورد بحث قرار می گیرند. علاوه بر این، دو مبحث جدید یعنی خصوصیات حرارتی-الکتریکی-مغناطیسی و ترک خوردگی-کششی-شکستگی خاک به مکانیک سنتی خاک اضافه شده است. این موضوعات عوامل محیطی اولیه هستند که بر سیستم خاک-آب در محیط تاثیر می گذارند.

•  مقایسه هایی که اهمیت اثرات محیطی بر خاک و سنگ را به عنوان مرتبط با مفاهیم مختلف مکانیک خاک مانند تراکم، تحکیم، مقاومت برشی، خواص دینامیکی، ظرفیت باربری و فشارهای جانبی زمین نشان می دهد.

• تصویرسازی این جنبه های زیست‌محیطی با استفاده از روش های مختلف بهسازی خاک مانند ژئوسنتتیک، دیوار خاک مسلح، نیلینگ، شمع و انکراژ. مشکلات ژئوتکنیکی زیست‌محیطی مانند تالاب ها، حاشیه های دریایی، فرسایش، آلودگی‌ زدایی خاک و همچنین اقدامات ضد بیابان زدایی مورد بحث قرار می‌گیرد. کنترل پسماند و استفاده مجدد از پسماندها موضوع مهمی است و به عنوان فصلی جداگانه ارائه شده است.

• مثال ها و مسائل عددی نیز در هر فصل ارائه شده است. کتاب مهندسی ژئوتکنیک مقدماتی (با اتخاذ یک دیدگاه زیست محیطی) به عنوان یک کتاب درسی استاندارد سال اول کارشناسی در نظر گرفته شده است. در همه موارد، مبانی اصلی در متن گنجانده شده است. به عنوان مثال، طبقه بندی استاندارد خاک همراه با شناسایی و شناسایی خاک آلوده گنجانده شده است. خصوصیات خاک مانند هدایت هیدرولیکی (فصل 5)، تراکم (فصل 7)، تحکیم، توزیع تنش و نشست (فصل 9)، مقاومت برشی (فصل 10)، دینامیک خاک (فصل 11)، ظرفیت باربری ( فصل 12)، فشار زمین (فصل 13)، و پایداری شیب زمین (فصل 14) تحت هر دو جنبه استاندارد و محیطی ارائه شده است. دو فصل جدید اضافه شده است، با توجه به ویژگی های حرارتی-الکتریکی (فصل 6) و رفتار ترک خوردگی-شکستگی-کششی خاک (فصل 8) نیز گنجانده شده است.

• به منظور پوشش مواد درسی استاندارد ترم اول، برخی از فصول مانند رفتار ترک خوردگی-شکستگی-کششی خاک ها (فصل 8)، ویژگی های دینامیکی خاک (فصل 11)، مشکلات در ژئوتکنولوژی محیطی (فصل 16) نیز برای آشنایی بیشتر دانشجویان آورده شده است.