مدلسازی و محاسبات در حال حاضر اغلب در مهندسی ژئوتکنیک استفاده می شود. بسته های رایانه ای اغلب در دسترس برای تجزیه و تحلیل مسائل ژئوتکنیکی دنیای واقعی استفاده می شوند و نتایج حاصل از آنها، همراه با روش های سنتی که توسط قضاوت مهندسی پشتیبانی می شوند، مبنای طراحی ایمن و اقتصادی سیستم های مهندسی ژئوتکنیک را تشکیل می‌دهند. کتاب مدلسازی و محاسبات برای مهندسی ژئوتکنیک در درجه اول برای معرفی جنبه های اساسی “مدل سازی و محاسبات” برای مسائل ژئوتکنیکی برای کسانی که پیشینه کافی در این زمینه ندارند نوشته شده است. این کتاب بر اساس یادداشت های سخنرانی تهیه شده در طول آموزش دوره های تحصیلات تکمیلی سطح پایین با همین عنوان در گروه مهندسی عمران، ساخت و محیط زیست در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی است و همچنین با نام کمی تغییر یافته در موسسه مهندسی زلزله و مدیریت بلایا در دانشگاه فنی استانبول تدریس می شود.
ما معتقدیم که کتاب مدلسازی و محاسبات برای مهندسی ژئوتکنیک برای دانشجویان، فارغ التحصیلان و مهندسان ژئوتکنیک که می خواهند دانش اولیه مدل سازی و محاسبات را به دست آورند و از آنها در حل مسائل مهم استفاده کنند بسیار مفید خواهد بود. همچنین یادگیری موضوعات پیشرفته را تسهیل می کند و آنها را برای تطبیق چنین موضوعاتی در محاسبات معمول خود، یا از طریق استفاده از نرم افزارهای رایانه ای مختلف که معمولاً در عمل در دسترس هستند یا با اجرای مستقیم نظریه های اساسی در برنامه های رایانه ای، تشویق می کند. سه بخش اصلی در این کتاب وجود دارد که عناصر لازم مدلسازی و محاسبات را برای یک مسئله مهندسی ژئوتکنیک ارائه می کند. بخش اول با عنوان “مکانیک پایه” مروری بر مبانی مکانیک پیوسته شامل حالات تنش ها و کرنش ها و همچنین قوانین فیزیکی معادلات حاکم بر پاسخ استاتیکی سیستم های مهندسی ژئوتکنیک را ارائه می دهد.
در بخش اصلی دوم با عنوان «پاسخ اجزا: مدل های رفتاری»، چهار نوع از این مدل ها مورد بحث قرار می گیرد: فصل 4 (الاستیسیته)، فصل 5 (پلاستیسیته) و فصل 6 (ویسکوالاستیسیته و ویسکوپلاستیسیته). در بخش سوم، «پاسخ سیستم: روش‌های تحلیل» و در ادامه چهار فصل وجود دارد: فصل 7 (روش های تحلیلی)، فصل 8 (روش های نیمه تحلیلی)، فصل 9 (روش‌های تفاضل محدود) و فصل 10 (روش اجزای محدود) ). تمرکز در این بخش آخر بر روی روابط مدل های ریاضی برای برخی از مسائل مهندسی ژئوتکنیکی که اغلب با آن ها مواجه می شوند و همچنین روش های تحلیلی و عددی مورد استفاده برای حل معادلات حاکم است. روش های حل متعاقباً در تعدادی از برنامه های رایانه ای پیاده سازی می شوند که با استفاده از بسته های نرم افزاری توسعه یافته اند. MAPLE® و MATLAB® هر دو بسته به طور فزاینده ای در بسیاری از مؤسسات مهندسی و همچنین در عمل مورد استفاده قرار می گیرند، بنابراین ما معتقدیم که بسیاری از خوانندگان، این برنامه ها را بسیار مفید خواهند یافت. لطفاً توجه داشته باشید که برنامه های قرار داده شده در کتاب ممکن است متفاوت به نظر برسند و به دلیل حاشیه ها نیاز به تنظیم برخی از خطوط را داشته باشند. امیدواریم کتاب مدلسازی و محاسبات برای مهندسی ژئوتکنیک برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی، مهندسان شاغل در این رشته و جامعه مهندسی ژئوتکنیک به طور کلی مفید واقع شود.
معرفی
مدلسازی و محاسبات به بخش مهمی از تحلیل و طراحی سیستم های مهندسی تبدیل شده اند. این موضوع برای «سیستم های ژئوتکنیکی» مانند پی، سدهای خاکی، تونل ها، دیوارهای حائل و دیگر سیستم های ساختاری خاک نیز در حال تبدیل شدن است. در یک مفهوم تعمیم یافته، هدف اساسی “مدل سازی و محاسبات” یک سیستم مهندسی، درک و پیش بینی رفتار یک سیستم تحت شرایط / سناریوهای ممکن (با توجه به محرک های خارجی و پارامترهای سیستم) است و زمینه را برای طراحی منطقی فراهم می کند. چنین درک با توسعه یک مدل برای سیستم واقعی و سپس حل / محاسبه برای پاسخ سیستم تحت مجموعه ای از شرایط مختلف (یعنی شبیه سازی) به دست می آید. ماهیت این امر پیش بینی پاسخ مجموعه ای از محرک های خارجی (یعنی نیروها) است که با نگاشت متغیرها (نماینده نیروهای خارجی و مشخصه های سیستم) در فضای ورودی به مجموعه ای از متغیرهای پاسخ در فضای ورودی به دست می آید. فضای خروجی یک نمایش کلی از تمام سیستم های شناسایی شده نشان داده می شود. مدل سازی (و محاسبات) یک سیستم فیزیکی شامل مراحل زیر است:
1. ایده آل کردن مشکل فیزیکی واقعی که باید با در نظر گرفتن جنبه های مهم و نادیده گرفتن مواردی که ممکن است چندان مهم نباشند مورد مطالعه قرار گیرد.
2. تدوین یک مدل ریاضی بر حسب مجموعه ای از معادلات حاکم بر پاسخ جهانی سیستم ایده آل و تعیین شرایط اولیه و مرزی آن توسط:
(الف) شامل تمام قوانین و محدودیت های فیزیکی مربوطه
ب) استفاده از قوانین اساسی حاکم بر رفتار سیستم در سطح اجزا
3. ارزیابی پاسخ سیستم توسط:
الف) ایجاد یک راه حل برای معادلات حاکم
(ب) محاسبه متغیرهای پاسخ کلیدی از طریق پیاده سازی طرح های راه حل در یک برنامه رایانه ای
ج) نمایش و تجسم نتایج به صورت گرافیکی
هر سه مرحله ذکر شده در بالا در توسعه مدل های عددی چندین مسئله در مهندسی ژئوتکنیک و ژئومکانیک ضروری هستند. تجزیه و تحلیل این چالش ها را می توان به پیش بینی پاسخ شامل جریان و تغییر شکل خاک های اشباع یا نیمه اشباع یا سیستم های خاک – سازه تحت بارهای خارجی (از جمله شکست) مدلسازی کرد. در این کتاب تمرکز بر روی روابط مدل های ریاضی برای برخی مسائل رایج ژئوتکنیکی است. قوانین و مدل های فیزیکی مرتبط برای مدل های رفتاری معرفی شده اند. طرح هایی برای حل معادلات حاکم مورد استفاده برای توسعه مدل های عددی نیز ارائه شده اند. با توجه به روش حل، سه دسته کلی از روش ها در نظر گرفته می شوند:
(1) روش های تحلیلی
(2) روش های نیمه تحلیلی
(3) روش های عددی
روش‌های حل آنها متعاقباً در تعدادی از برنامه های رایانه ای پیاده سازی می شوند که در نرم افزارهای محاسباتی MAPLE® و MATLAB® توسعه یافته اند.
کتاب مدلسازی و محاسبات برای مهندسی ژئوتکنیک در سه بخش اصلی سازماندهی شده است که عناصر ضروری مدلسازی و محاسبات را برای یک مسئله مهندسی ژئوتکنیک ارائه می کند. در بخش اول با عنوان «مکانیک پایه» که دو فصل دارد، با بیان مبانی مکانیک بر حسب حالات تنش ها و کرنش ها و همچنین قوانین فیزیکی و معادلات حاکم بر تجزیه و تحلیل یک سیستم مهندسی ژئوتکنیک شروع می کنیم. حفظ تکانه و جرم در دومین بخش اصلی با نام «پاسخ اجزا: مدل های رفتاری»، چهار نوع مدل در این فصل ها مورد بحث قرار می‌گیرد: فصل 4 (الاستیسیته)، فصل 5 (پلاستیسیته) و فصل 6 (ویسکوالاستیسیته و ویسکوپلاستیسیته). در بخش سوم با عنوان «پاسخ سیستم: روش‌های تحلیل»، چهار فصل وجود دارد: فصل 7 (روش های تحلیلی)، فصل هشتم (روش های نیمه تحلیلی)، فصل نهم (روش های تفاضل محدود) و فصل 10 (روش اجزای محدود). ). این کتاب مقدماتی دو مبحث بسیار مهم اما نسبتا پیشرفته (1) تحلیل پاسخ دینامیکی و (ب) تحلیل پاسخ غیرخطی مسائل در مهندسی ژئوتکنیک را پوشش نمی دهد. هدف نویسندگان این است که این دو مفهوم را همراه با موضوعات پیشرفته دیگر در موضوع کتاب دومی که در حال نگارش است، پوشش دهند. مطمئناً چنین پروژه ای ادامه این کتاب اول خواهد بود.
مقدمه فصل دوم
در این فصل، ابتدا مفاهیم اساسی از مکانیک پیوسته را خلاصه می کنیم و سپس انطباق آنها را بر مکانیک ذرات پر از سیال (متخلخل) محیط متخلخل (خاک) که به عنوان محیط پیوسته فرض می کنیم بررسی می کنیم. بسیاری از مفاهیم اساسی استفاده شده در این کتاب شامل برخورد با خاک به عنوان یک محیط پیوسته است. فرض پیوسته، بدون توجه به ماهیت گسسته در مقیاس کوچک، دلالت بر این دارد که هر صفت مادی به طور پیوسته در تمام نقاط یک جسم مادی توزیع و تعریف شده است.
