Soil Mechanics Fundamentals

هدف و انگیزه نویسنده از نگارش کتاب مبانی مکانیک خاک

این کتاب یکی از مراجع به روز و شناخته شده در زمینه مکانیک خاک است که در بسیاری از دانشگاه های معتبر دنیا و البته دانشگاه های کشور به عنوان منبعی برای تدریس، توسط اساتید محترم استفاده می شود. هدف نویسنده از نگارش این کتاب درسی، ارائه محتوای درسی قابل دسترس، واضح، مختصر و مدرن برای اولین دوره مکانیک خاک است تا نیازهای دانشجویان مقطع کارشناسی را نه تنها در رشته های مهندسی عمران، بلکه در زمینه های ساخت و ساز، معدن، مهندسی زمین شناسی و رشته های مرتبط برآورده سازد. با این حال، کتاب درسی مبانی مکانیک خاک قرار نیست یک کتابچه راهنما ی طراحی مهندسی باشد و نه یک کتاب آشپزی. ساختار کتاب به گونه ای است که یادگیری مخاطب بر پایه اصول کلیدی مکانیک خاک صورت می گیرد. این امر سبب می شود یک پی و اساس محکم برای دوره های بعدی نظیر پی سازی و البته اجرا برای مخاطب فراهم شود. دانش آموزان با مطالعه کتاب درسی مبانی مکانیک خاک به درک امروزی از خواص فیزیکی و مکانیکی خاک خواهند رسید. آن ها به مهارت های حل مسئله و دانش زمینه ای دست خواهند یافت که آن ها را برای تفکر انتقادی، تصمیم گیری خوب و مشارکت در یادگیری مادام العمر آماده می کند.

پیش نیاز ها:

انتظار می رود دانش آموزانی که از کتاب درسی مبانی مکانیک خاک استفاده می کنند اطلاعات زمینه ای در زمین شناسی، مکانیک مهندسی (استاتیک) و مکانیک مواد داشته باشند.

مکانیک خاک چیست و چرا مهم است؟

مکانیک خاک مطالعه واکنش خاک به بارگذاری است. این بارها ممکن است از سازه های ساخته شده توسط انسان ( به عنوان مثال، ساختمان ها)، گرانش (جاذبه زمین) و پدیده های طبیعی (مانند زلزله) ناشی شوند. خاک ها مواد طبیعی و پیچیده ای هستند که از جامدات، مایعات و گازها تشکیل شده اند.

برای مطالعه رفتار خاک، باید مفاهیم مکانیک جامدات (به عنوان مثال، استاتیک) و مکانیک سیالات را با هم به صورت هماهنگ استفاده نمود. با این حال، این مکانیک ها برای به دست آوردن درک کامل از رفتار خاک به دلیل عدم قطعیت بارهای اعمال شده، تغییرات نیرو های طبیعی و توزیع پیچیده و طبیعی انواع مختلف خاک کافی نیستند. به همین دلیل باید از این مکانیک ها با مفروضات ساده کننده استفاده شود و از تجربه برای تصمیم گیری (قضاوت) در مورد رفتار خاک بهره گرفت.

اهداف کتاب مبانی مکانیک خاک

این کتاب در نظر گرفته شده است تا درک مقدماتی از خواص و رفتار خاک را برای کاربردهای بعدی در تجزیه و تحلیل و طراحی پی به خواننده ارائه دهد.

آنچه خواننده از مطالعه کتاب به دست می آورد:

پس از مطالعه کتاب مبانی مکانیک خاک، خواننده اطلاعات مفیدی را در زمینه های زیر به دست خواهد آورد:

• توصیف خاک ها و مشخصات فیزیکی آن ها مانند اندازه دانه، درصد رطوبت، وزن مخصوص، نسبت تخلخل.
• طبقه بندی خاک ها با سیستم های رایج نظیر سیستم آشتو و سیستم طبقه بندی متحد.
• تعیین درصد تراکم خاک ها، آزمایش های تراکم و روابط موجود در این زمینه.
• درک اهمیت تحقیقات در زمینه خاک و کسب بینش و برخی از توانایی های لازم برای برنامه ریزی و انجام تحقیقات.
• درک مسئله مهم تراوش و جریان یک و دو بعدی آب در خاک و آشنایی با موضوع هدایت هیدرولیکی و نحوه تعیین فشار آب منفذی و تنش های تراوش.
• درک نحوه توزیع تنش ها در خاک از بارهای سطحی و محدودیت های محاسبه این تنش ها.
• درک مفهوم تنش موثر و آشنایی با روش محاسبه تنش کل و تنش موثر و فشار آب حفره ای.
• قادر به تعیین متغیرهای تحکیم و محاسبه نشست تحکیم یک بعدی.
• قابلیت تمایز بین شرایط «زهکشی شده» و «زهکشی نشده».
• درک پاسخ تنش-کرنش در خاک.
• درک پارامترهای مقاومت برشی خاک و آشنایی با نحوه به دست آوردن آن ها از آزمایش های خاک، به عنوان مثال، زاویه اصطکاک داخلی و مقاومت برشی زهکشی نشده.

یکی از ویژگی های این کتاب این است که فصل ها نسبت به یکدیگر مستقل نیستند بلکه تفهیم مناسب یک فصل نیاز به برخی مفاهیم پیش نیاز دارد. به همین دلیل نویسنده چیدمان فصول را به گونه ای تعیین نموده است تا مخاطب ابتدا آگاهی لازم نسبت به مفاهیم پیش نیاز برای آن فصل را به دست آورد. این موضوع یعنی عدم استقلال فصول نسبت به یکدیگر که بر سختی مکانیک خاک و تدریس آن می افزاید. در زیر شرح خلاصه ای از فصول کتاب جهت آشنایی کلی خواننده با موضوعات ارائه شده، بیان شده است.

• فصل 1 ترکیب خاک و اندازه ذرات را پوشش می دهد و از این منظر انواع خاک را توصیف می کند و تفاوت بین خاک های ریزدانه و درشت دانه را توضیح می دهد.

• فصل 2 مشخصه های فیزیکی خاک را معرفی می کند و توضیح می دهد که چگونه این متغیرها از آزمایش های استاندارد به دست می آید. در ادامه فصل، با استفاده از پارامترهای بیان شده خاک ها را طبقه بندی و نامگذاری می کند. در این فصل طبقه بندی خاک ها بر اساس سیستم آشتو و سیستم طبقه بندی متحد است.

• فصل 3 هدف، برنامه ریزی و اجرای مطالعات ژئوتکنیکی و تحقیقات محلی را را مورد بحث قرار می دهد. در این فصل، انواع آزمایش های برجا و آزمایش‌ های آزمایشگاهی رایج برای تعیین مشخصه های فیزیکی و مکانیکی خاک را شرح می دهد.

• فصل 4 هر دو جریان یک بعدی و دو بعدی آب در خاک و مسئله حائز اهمیت تراوش را مورد بحث قرار می دهد. در این فصل نویسنده ابتدا نشان می دهد که چگونه آب در توده خاک جریان می یابد و در ادامه روش آنالیز جریان با استفاده از قانون دارسی و معادله لاپلاس توسط نویسنده مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. روش ‌های کشیدن شبکه های جریان و تفسیر دبی، فشار آب منفذی و شرایط تراوش از دیگر مواردی است که در این فصل پوشش داده شده اند.

• فصل 5 تراکم خاک را تشریح می کند و توضیح می دهد که چرا تعیین و نظارت بر تراکم خاک امری مهم و تاثیر گذار است.

• فصل 6 در مورد میزان و نحوه توزیع تنش ها در عمق خاک تحت بارگذاری های مختلف است. راه‌حل‌های بوسینسک (Boussinesq) برای بارهای سطحی رایج بر روی یک توده خاک نیمه نامتناهی ارائه شده و محدودیت های استفاده از آن ها توضیح داده شده است. مفهوم تنش مؤثر با و بدون تأثیر تنش‌های ناشی از تراوش توضیح داده شده است.

• فصل 7 به بحث نشست خاک می پردازد. نحوه تخمین نشست خاک های درشت دانه را بر اساس فرض رفتار الاستیک توضیح می دهد. محدودیت های استفاده از فرض رفتار الاستیک برای خاک و سختی های ارائه یک پیش‌بینی قابل اعتماد برای نشست را پوشش می دهد. علاوه بر این، مفاهیم اصلی پدیده تحکیم خاک ها، تعیین پارامترهای تحکیم و روش‌های محاسبه نشست اولیه و ثانویه از مباحث اصلی این فصل می باشد.
• فصل 8 کتاب مبانی مکانیک خاک بحث مقاومت برشی خاک ها را بیان می کند. در این فصل به جای ایده آل سازی مرسوم رفتار خاک ها به عنوان ماده ای چسبنده – اصطکاکی، ایده آل سازی مدرن خاک به عنوان یک ماده منبسط شونده – اصطکاکی ارائه شده است. علاوه بر این پاسخ‌های تنش-کرنش خاک‌های درشت دانه و ریزدانه ارائه و مورد بحث قرار می گیرند. در این فصل مفاهیم مربوط به شرایط زهکشی شده و زهکشی نشده، چسبندگی، مکش خاک و تاثیر سیمانتاسیون بر مقاومت برشی خاک مورد بحث قرار می گیرد. تفاسیر و محدودیت های استفاده از معیارهای شکست Coulomb، Mohr– Coulomb و Tresca نیز در این بخش از کتاب در نظر گرفته شده است.

• پیوست A استخراج راه حلی را برای نظریه تحکیم یک بعدی که توسط کارل ترزاقی (1925) ارائه شده است را ارائه می کند.
• پیوست B روش تعیین وضعیت تنش را با استفاده از دایره Mohr شرح می دهد. این موضوع به عنوان یک مرور مختصر در نظر گرفته شده است تا به دانش آموز در ترسیم دایره های Mohr کمک کند تا شکست خاک را با استفاده از معیار شکست Mohr-Coulomb تفسیر کند.

• پیوست C مجموعه ای از جداول پرکاربرد را ارائه می دهد که در فصول مختلف استفاده شده است. این امر صورت گرفته است تا دسترسی آسان به جداول فهرست مقادیر مشخصات خاک معمولی به همراه خلاصه اطلاعات امکان پذیر باشد.

• پیوست D مجموعه ای از معادلات مورد استفاده در کتاب مبانی مکانیک خاک درسی را ارائه می دهد. می توان آن را کپی کرد و برای تکالیف و امتحانات استفاده نمود.