Physical and Geotechnical Properties of Soils bowles 1979

کتاب مشخصات فیزیکی و ژئوتکنیکی خاک ها یکی از شناخته شده ترین مراجع موجود در زمینه مکانیک خاک است که در طی 16 فصل سعی دارد خواننده را با زوایای مختلف مکانیک خاک آشنا سازد. این متن در واقع مجموعه ای به روز از موضوعات مورد نیاز برای درک اولیه مهندسی ژئوتکنیک است. با توجه به اینکه تقریباً تمامی پروژه های عمرانی بر روی زمین احداث می شود، شناخت رفتار خاک ها در محدوده پروژه ضروری به نظر می رسد. مهندسی ژئوتکنیک در واقع شاخه ای از مهندسی عمران است که در آن ابتدا علم ژئوتکنیک و مفاهیم حاکم بر محیط های زمین شناسی و به طور کلی خاک و سنگ بررسی می شود و سپس ارتباط متقابل خاک با سازه مورد بررسی قرار می گیرد. در بخش بعدی با تکیه بر مفاهیم بیان شده بحث های عملی و اجرایی در زمینه های مرتبط بیان می شود. محدوده مباحث بیان شده در این کتاب شامل خصوصیات فیزیکی خاک ها، منشا خاک ها و گروهی از خواص مهندسی خاک ها که در تجزیه و تحلیل جریان آب در خاک، مقاومت و البته تحلیل پایداری کاربرد دارد، می شود. نظر نویسنده بر این است که بیان این اصول بنیادی در یک دوره به نحوی که بتواند درک مناسبی از مطالب را در ذهن دانشجو ایجاد کند دستاوردی قابل توجه است.

با اینکه مرور ادبیات فنی از اهداف نویسنده در این متن نبوده است با این حال مراجع مختلفی که مورد استفاده قرار گرفته است، در بخش منابع و مآخذ ذکر شده است تا دانشجویان علاقه مند بتوانند از آن ها در جهت کسب اطلاعات بیشتر و پیشبرد علاقه خود استفاده نمایند.

تعداد بسیار قابل توجهی از مثال ها و مسائل مختلف برای ارائه تکلیف به دانشجویان در بخش های مختلف کتاب گنجانده شده است. بسیاری از این مسائل شامل پاسخ کامل و یا پاسخ جزئی است. علاوه بر این در برخی از مسائل راه حل های جایگزین نیز ارائه شده است تا یک مسئله به طور دقیق و از جنبه های مختلف بررسی شود.

فصل اول

مکانیک خاک به رفتار و عملکرد خاک به عنوان یک مصالح ساختمانی یا به عنوان پشتیبان ساخت و ساز مهندسی می پردازد. مهندس ژئوتکنیک با به دست آوردن نمونه های معرف از خاک پروژه و انجام آزمایش های آزمایشگاهی، ابتدا توده خاک را شناسایی نموده و در ادامه مناسب بودن آن برای استفاده در پروژه های مختلف در جاده ها، فرودگاه ها، سدها و کارهای دیگررا مورد بررسی قرار می دهد. از آنجایی که نمونه گیری و آزمایش بر روی نمونه های کوچک ضروری است، برای بررسی قابلیت اطمینان نتایج به نوعی روش آماری نیاز است. که در فصل اول کتاب مشخصات فیزیکی و ژئوتکنیکی خاک ها مورد بحث قرار گرفته است. یکی دیگر از نگرانی های مهندسین ژئوتکنیک مسئله تغییر شکل در توده خاک در شرایط مختلف زمین و البته نحوه اثرگذاری آب بر روی رفتار خاک و مسئله تراوش است که باید به طور کامل بررسی شود. به طور خلاصه، علم مکانیک خاک به پایداری خاک، تغییر شکل و جریان آب در خاک و خطرات مرتبط با آن می پردازد. در فصل اول نویسنده سعی کرده است تا مقدمه ای از مکانیک خاک را شرح داده و برخی از مشکلات رایج در زمینه ژئوتکنیک را بیان کند.

فصل دوم

در سراسر متن نویسنده از اصطلاحات مختلف ژئوتکنیکی استفاده می کند. در فصل دوم کتاب مشخصات فیزیکی و ژئوتکنیکی خاک ها خواننده با برخی از تعاریف و اصطلاحاتی که برای توصیف مشخصات فیزیکی خاک ها نظیر حدود اتربرگ، نسبت تخلخل، وزن مخصوص و درجه اشباع خاک و… استفاده می شود، آشنا می شود.

فصل سوم

این فصل آزمایشاتی را که معمولاً برای به دست آوردن خصوصیات فیزیکی خاک مورد استفاده قرار می گیرد، ارائه کرده است. از جمله این آزمایش ها می توان به آزمایش های موجود برای محاسبه حدود اتربرگ، آزمایش دانه بندی به کمک الک و آزمایش هیدومتری جهت به دست آوردن منحنی دانه بندی، آزمایش تعیین وزن مخصوص اشاره نمود. در بخش های دیگری از این فصل نویسنده به طور خلاصه به برخی از آزمایش های برجا نظیر SPT پرداخته است.

فصل چهارم

در این فصل سه سیستم طبقه بندی خاک و آزمایش ‌های شناسایی میدانی که به طور گسترده در مهندسی پی مورد استفاده قرار می گیرند، ارائه شده است. اولین سیستم طبقه بندی، متحد(The Unified System)  می باشد که در ایالات متحده و بسیاری از کشورهای دنیا استفاده می شود. دومین سیستم، سیستم AASHTO می باشد که توسط اکثر ادارات بزرگراه ایالتی در ایالات متحده و برخی از کشورها استفاده می شود. سومین و آخرین سیستم طبقه بندی، سیستم FAA می باشد برای طراحی روسازی فرودگاه ها در ایالات متحده استفاده می شود.

فصل پنجم

این فصل از کتاب مشخصات فیزیکی و ژئوتکنیکی خاک ها به تبیین نکات زمین شناسی و منشا پیدایش خاک ها اشاره می کند. خواننده باید مطالب این فصل را با یک کتاب درسی خوب در زمین شناسی تکمیل کند.

فصل ششم

در این فصل، تعریف متداول خاک برای اهداف مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. برای توصیف خاک ها به طور کلی بافت خاک ها و البته ساختار آن ها مورد توجه است. برای توصیف خاک های چسبنده، بافت آن ها می تواند بسیار کمک کننده باشد. این در حالی است که ساختار، به طور خاص ساختار تک دانه، در توصیف آرایش هندسی خاک های بدون چسبندگی ارجح است. در این فصل از کتاب، کانی های تشکیل دهنده خاک های رسی نظیر کائولینیت، ایلیت و مونت موریلونیت، عناصر تشکیل دهنده آن ها و البته نحوه چینش عناصر در کانی های رسی به خوبی توسط نویسنده مورد بررسی قرار گرفته است.

فصل هفتم

مبحث تثبیت خاک ها به کمک تراکم یکی از مهم ترین مباحث مکانیک خاک است. در این فصل مفاهیم تراکم و البته روابط موجود در این زمینه برای محاسبه درصد رطوبت بهینه ذکر شده است. علاوه بر این آزمایش های برجا و آزمایشگاهی در موضوع تراکم نیز از دیگر مباحث مطرح شده در این فصل است.

فصل هشتم

این فصل مفهوم گرادیان هیدرولیکی را به عنوان اتلاف انرژی که هنگام جریان آب در یک توده خاک رخ می دهد، توسعه داده است. جریان آب در خاک به روشی مشابه با هر جریان سیال دیگری تجزیه و تحلیل شده است و از معادله برنولی همراه با ضریب نفوذپذیری دارسی برای به دست آوردن کمیت جریان استفاده شده است. ابزارهای به دست آوردن ضریب نفوذپذیری و در نظر گرفتن جریان آرام در مقابل آشفته و تأثیر این جریان ها بر اعتبار قانون دارسی در این فصل مورد ارزیابی انتقادی قرار گرفته است. علاوه بر این در این فصل مبحث موئینگی به خوبی توضیح داده شده است.

فصل نهم

در فصل 8 نکات مربوط به مفهوم نفوذپذیری خاک ها به عنوان عاملی کنترل کننده در جریان سیال از میان محیط متخلخل مطرح شد. این فصل از کتاب به موضوع تراوش آب در خاک، نحوه ترسیم شبکه جریان و تحلیل و بررسی آن پرداخته می شود. این فصل ابزاری برای به دست آوردن مقادیر دبی تراوش و نیروهای تراوش برای پیکربندی ‌های هندسی مختلف را ارائه کرده است.

فصل دهم

در این فصل از کتاب مشخصات فیزیکی و ژئوتکنیکی خاک ها مقدمه ای از موارد زیر ارائه شده است:

(1) تئوری الاستیسیته

(2) مفهوم تنش هشت وجهی (اکتاهدرال)

(3) تنش های اصلی

(4) دایره مور برای شرایط تنش مسطح

(5) عناصر رئولوژی و مدل های رئولوژیکی ساده

(6) جفت انتخاب شده از مدل های رئولوژیکی ساده

به طور خاص، خواننده باید این موارد را برای توصیف یک سیستم ذرات با استفاده از مدل‌ های پیوسته در نظر بگیرد. علت آن نیز می تواند محدودیت ‌های کلی مرتبط با دانه بندی لنزها، طبقه‌ بندی، تغییرات درصد رطوبت، نسبت تخلخل و سایر عوامل باشد.

فصل یازدهم

هنگامی که یک خاک ریزدانه اشباع تحت تنش فشاری ناشی از بارگذاری قرار می گیرد، اسکلت خاک دچار تغییر شکل یا کرنش می شود. این کرنش منجر به کاهش نسبت تخلخل یا حجم حفره ها که با سیال پر شده است، می شود. از آنجایی که خاک های ریزدانه دارای ضرایب نفوذپذیری پایینی هستند (فصل 8)، جابجایی سیال منفذی یک فرآیند وابسته به زمان است. با این حال، کرنش ‌ها در اثر تنش‌های مؤثر ایجاد می‌شوند. در اثر پدیده تحکیم، آب از میان حفرات خاک خارج شده و دانه های جامد خاک به هم نزدیک می شوند. در طی فرآیند تحکیم، خاک نشست می کند. نشست تحکیم در خاک های ریز دانه مطرح می شود و به دو قسمت نشست اولیه و نشست ثانویه تقسیم می شود. نشست اولیه به علت زهکشی و خروج آب است. اما خزش خاک یا تحکیم ثانویه پدیده ای است که در آن کرنش‌ های خاک برای مدتی پس از کاهش فشار آب منفذی ادامه می یابد و منجر به کاهش بیشتر نسبت تخلخل می شود. خزش خاک بخش عمده ای از نشست کل بسیاری از خاک های آلی یا پیت دار است و می تواند برای سایر خاک ها قابل توجه باشد. پیش بینی خزش خاک نیز در این فصل مورد توجه قرار خواهد گرفت.

فصل دوازدهم

مطابق با نظریه تحکیم یک بعدی در اثر بارگذاری ابتدا میزان فشار آب حفره ای افزایش یافته و در ادامه با گذشت زمان، با وقوع زهکشی، فشار آب حفره ای اضافی کاهش یافته و تنش موثر افزایش می یابد. این فصل از کتاب به مسئله سرعت تحکیم می پردازد و روابط و پارامترهای موجود در این زمینه نظیر ضریب تحکیم C_v، درصد تحکیم U را با ذکر مثال های متعدد توضیح می دهد.

فصل سیزدهم

فصل های 10، 11 و 12 به ابزارهای تعیین تنش در توده خاک و تأثیر این تنش ها در ایجاد نشست های بلند مدت (نشست های تحکیمی) پرداخته اند. این فصل و فصل بعدی به ارزیابی پارامترهای مقاومت برشی خاک و ملاحظات تنش-کرنش می پردازد.

فصل چهاردهم

این فصل از کتاب به نکات مربوط به سختی خاک ها می پردازد و آزمایش های موجود جهت تعیین مدول الاستیسیته، مدول برشی و البته ضریب پواسون در خاک در انواع بارگذاری های استاتیکی و دینامیکی را شرح می دهد.

فصل پانزدهم

مبحث فشار جانبی خاک ها یکی از مهمترین بخش هایی است که همواره مورد توجه مهندسین ژئوتکنیک قرار دارد. نمود مسئله فشار جانبی خاک ها را می توان در مسئله پایدارسازی گود مشاهده نمود که یکی از اصلی ترین زمینه های فعالیت شرکت هایی ژئوتکنیکی است در این فصل مفاهیم موجود در این زمینه و البته روش محاسبه فشار جانبی در حالت سکون، حالت محرک و حالت مقاوم در شرایط مختلف شرح داده شده است.

فصل شانزدهم

آخرین فصل کتاب مشخصات فیزیکی و ژئوتکنیکی خاک ها به بحث در مورد مبانی پایداری شیروانی ها می پردازد. در تحلیل پایداری شیروانی ها همواره 2 مشخصه، نقش کلیدی را ایفا می کند:

1. مشخصات خاک ها
2. شکل شیروانی ها و مرکز جرم آنی آن در حالات گسیختگی (مودهای گسیختگی) محتمل