The Mechanics of Soils and Foundations

این کتاب در مورد رفتار خاک های مهندسی و سازه های ساده ژئوتکنیکی مانند پی ها و شیب ها است و بیشتر محتوای نظری مهندسی ژئوتکنیک که یک مهندس عمران به آن نیاز دارد را در طی 27 فصل در بر می گیرد. هدف کتاب مکانیک خاک و پی در درجه اول دانشجویان در حال تحصیل در رشته مهندسی عمران می باشند. اما محتوای این کتاب برای مهندسین زمین شناسی و دانشجویان تحصیلات تکمیلی که تمایل دارند به شکلی ساده و سرراست با نظریه های فعلی مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک آشنا شوند، می تواند جذاب باشد.

فصل اول:

در این بخش ابتدا با مقدمات علم ژئوتکنیک آشنا می شوید. در ادامه این فصل خواننده با اصول مهندسی و پایه های علم مکانیک و به طور مختصر با رفتار های مختلف مواد و به ویژه خصوصیات ابتدایی خاک ها آشنا می شود. در پایان نیز با معرفی مقدماتی شکل سازه های ژئوتکنیک به مفهوم ضریب اطمینان و برخی از آیین نامه های موجود در ژئوتکنیک اشاره می شود.

فصل دوم و فصل سوم:

این فصل و فصل بعدی از کتاب مکانیک خاک و پی روش‌های اساسی برای تجزیه و تحلیل تنش و کرنش با استفاده از ساختارهای دایره مور و ویژگی‌های کلی رفتار مواد را پوشش می‌دهد. این تکنیک ها برای درک رفتار خاک و برای تجزیه و تحلیل ساختارهای خاک ضروری هستند و به طور گسترده در سراسر کتاب استفاده خواهند شد. این مباحث باید در دروس دیگری در مورد مقاومت مصالح پوشش داده شود، اما در اینجا آنها در زمینه مکانیک خاک قرار داده شده اند. به خوانندگان توصیه می شود که این دو فصل را مرور کنند و به آنها مراجعه کنند تا در صورت لزوم جزئیات را بررسی کنند.

فصل چهارم:

به عنوان یک مهندس ژئوتکنیک آشنایی با زمین شناسی ضروری به نظر می رسد چرا که بسیاری از خصوصیات خاک ها تا حد قابل توجهی به منشا آنها بستگی دارد. در این فصل از کتاب مکانیک خاک و پی خواننده با برخی از نکات مهم و جالب از زمین شناسی که در ژئوتکنیک دخیل است آشنا می شود.

فصل پنجم:

در این فصل از کتاب مکانیک خاک و پی ابتدا یک تعریف و سپس طبقه بندی بر اساس اندازه دانه ها ارائه شده و برخی ویژگی های فیزیکی خاک ها نظیر حدود اتربرگ مورد تعریف و بررسی قرار گرفته است. در انتها نیز روابط وزنی- حجمی در خاک ها ذکرشده است.

فصل ششم:

در خاک های اشباع، تنش ناشی از بارهای خارجی، توسط آب حفره ای موجود در بین ذرات جامد خاک و نیز دانه های جامد تحمل می شود. اینکه چه سهمی از این بار توسط دانه های جامد تحمل می شود و چه سهمی از آن موجب افزایش فشار آب حفره ای بین ذرات می گردد از مباحث این فصل از کتاب بوده و مبانی به دست آوردن تنش موثر و فشار آب حفره ای در توده خاک بررسی می شود.

فصل هفتم:

آزمایش نمونه های خاک در آزمایشگاه نقش مهمی در تحقیقات مکانیک خاک و عملکرد مهندسی عمران دارد. تقریباً تمام آنچه در مورد رفتار خاک می دانیم از داده های آزمایشگاهی به دست آمده است. ممکن است آزمایش‌هایی بر روی نمونه های کوچک خاک برای بررسی ویژگی های خاک یا مدل‌های رفتاری خاک برای بررسی نحوه تغییر شکل و گسیختگی شیب‌ها، دیوارها و پی ها انجام شود. در این فصل به برخی از آزمایش های رایج در مکانیک خاک اشاره شده است.

فصل هشتم:

رفتار خاک های دانه ای و خاک های رسی در اثر بارگذاری و باربرداری همسان و غیر همسان متفاوت است. تغییرات حجمی در خاک های اشباع شامل بازارایی دانه ها همراه با شکستن ماسه ضعیف است. در حالیکه تورم یا فشرده شدن دانه های رسی همراه با تراوش آب از توده خاک رسی می باشد. تغییرات حجمی در خاک های غیر اشباع با خروج هوا رخ می دهد. در این فصل نمودارهای بارگذاری و باربرداری در شرایط همسان در خاک های دانه ای و خاک های رسی عادی تحکیم یافته و پیش تحکیم یافته بررسی شده است.

فصل نهم:

در بیشتر خاک ها، فرآیند گسیختگی با تغییر شکل های زیاد همراه است در حالیکه خاک همچنان کمی مقاومت دارد . این نقطه در خاک ها به عنوان حالت بحرانی یا Critical state شناخته می شود. در خاک ها در کرنش های زیاد، در حالیکه مقدار حجم ثابت است، همچنان خاک تغییر شکل می دهد. در این حالت خاک در حالت بحرانی قرار دارد. در این فصل نویسنده سعی دارد تا خواننده را با حالت بحرانی در خاک های مختلف در شرایط زهکشی شده و زهکشی نشده آشنا سازد.

فصل دهم:

در این فصل مشخصات و ویژگی خاک ها در نقطه ای از نمودار تنش-کرنش که در آن مقدار تنش برشی حداکثر است، مورد بررسی قرارگرفته است. این نقطه در ازای مقادیر مختلف تنش موثر نرمال، نسبت پیش تحکیمی و نسبت تخلخل در محدوده بالاتری نسبت به محدوده حالت بحرانی قرار می گیرد. به طور کلی استفاده از:

1. روابط موهر کولمب
2. برازش یک خط در منحنی موجود در نقطه حداکثر
3. ارزیابی نقطه حداکثر به کمک اتساع در حین انجام برش در خاک

سه روشی است که نویسنده به طور کامل در این فصل توضیح داده است.

فصل یازدهم:

در این فصل مسیر تنش خاک ها پیش از گسیختگی در شرایط زهکشی شده و زهکشی نشده مورد ارزیابی قرار گرفته است. در واقع این فصل مقدمه ای است برای شناخت مدل رفتاری Cam Clay یکی از مدل های رفتاری شناخته شده در ژئوتکنیک که در فصل بعدی بیان شده است.

فصل دوازدهم:

یکی از مدل های رفتاری شناخته شده در تئوری پلاستیسیته در جوامع ژئوتکنیک مدل Cam Clay می باشد. این مدل رفتاری ترکیبی از تئوری های حالت بحرانی در مکانیک خاک می باشد. در این فصل از کتاب ابتدا معادلات حاکم بر سطوح مرزی به ویژه منحنی های تسلیم در این سطوح مرزی در این مدل ارائه شده است و سپس منحنی های مربوط به این مدل به طور کامل شرح داده شده است. در پایان فصل نیز برخی از کاربردهای این مدل رفتاری نیز ذکر شده است.

فصل سیزدهم:

یکی از پارامترهای مورد نیاز در علم ژئوتکنیک جابه جایی می باشد تا در اثر بارگذاری های مختلف در سازه هایی نظیر دیوار حائل راهکارهایی را برای حل مسائل به وجود آمده در این زمینه ارائه دهند. برای به دست آوردن جابه جایی در خاک نیاز است تا مهندسین با ماتریس سختی در داخل خاک در مدل های رفتاری آشنا شوند. به این موضوع در این فصل پرداخته شده است.

فصل چهاردهم:

به عنوان مهندس عمران احتمالا با بحث جریان آب در کانال های باز در درس هیدرولیک آشنا شده اید. در این فصل از کتاب مکانیک خاک و پی نکات مربوط به تراوش و جریان آب در خاک اشاره شده است. با توجه به اینکه در بیشتر پدیده ها تاثیر آب در خاک مورد ارزیابی قرار می گیرد، مطالعه تراوش و جریان آب در خاک برای مهندسین ژئوتکنیک ضروری به نظر می رسد.

فصل پانزدهم:

در بخش های قبل مشاهده گردیده است که در فرآیند بارگذاری و باربرداری شرایط زهکشی نشده اضافه فشار آب حفره به شکل مثبت یا منفی (رخ دادن مکش در خاک) به وجود می آید. این اضافه فشار سبب ایجاد گرادیان هیدرولیکی در دراز مدت شده و جریان آب در خاک و پدیده تراوش را شکل می دهد. پدیده تراوش، سبب تغییر حجم در خاک و متعاقبا تغییر تنش موثر می شود. با گذشت زمان مقدار اضافه فشار آب حفره ای مستهلک شده و جریان آب متوقف می شود به این پدیده تحکیم گفته می شود. این پدیده به طور معمول در یک بعد بررسی می شود که بخش ابتدایی این فصل را در بر می گیرد. اما در بخش عمده این فصل تئوری تحکیم به شکل کلی و در سه بعد بررسی شده و روابط حاکم بر تحکیم سه بعدی ذکر شده است.

فصل شانزدهم:

در فصل های قبل تا حدودی مفاهیم مقدماتی مکانیک خاک ذکر گردید. در فصل های بعد از این تئوری های ساده برای شناخت بهتر رفتار خاک در شرایط مختلف ارائه گردیده است برای بررسی عملکرد سازه های ژئوتکنیکی نظیر دیوار های حائل، شیب ها و… استفاده می شود. البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که اغلب این تئوری ها ساده سازی شده و رفتار خاک های طبیعی از برخی جنبه های مهم با موارد ذکر شده تفاوت دارد. از دیگر موارد ذکر شده در این فصل می توان به اثرات هوازدگی، تاثیر لایه بندی و رسوب گذاری در ویژگی های خاک، خزش و تاثیر شوری آب اشاره نمود.

فصل هفدهم:

مهندسان طراح سازه ها و ماشین‌ها معمولاً مواد را انتخاب می‌کنند و استحکام و سختی آنها را مشخص می‌کنند و اغلب مواد را به صورت ترکیبی استفاده می کنند (مانند فولاد و بتن در بتن مسلح). به طور مشابه، مهندسان حمل و نقل می توانند خاک ها و سنگ هایی را که در ساخت جاده ها استفاده می شود، مشخص کنند. با این حال این محدودیت برای مهندسان ژئوتکنیک وجود دارد که آنها نمی توانند مصالح را برای کار انتخاب کنند و باید با مصالح موجود در زمین کار کنند. بنابراین شناسایی ژئوتکنیکی و کاوش صحرایی نقش بسیار مهمی را در این زمینه برای این گروه از مهندسین ایفا می کند. هدف این شناسایی های ژئوتکنیکی شناسایی نوع و خواص خاک می باشد. این مطالعات همچنین به مهندسین کمک می کند تا برخی از پارامترهای موردنیاز برای طراحی نظیر زاویه اصطکاک داخلی خاک، چسبندگی خاک و… را به دست آورده و در مراحل مختلف طراحی از آنها استفاده نمایند.

تکنیک های اساسی در شناسایی های ژئوتکنیکی از حفاری، نمونه برداری و آزمایش، در محل و آزمایشگاه است، اما این تکنیک ها باید با اطلاعات زمین شناسی و درک صحیح از اصول مکانیک خاک مربوطه تکمیل شوند. بنابراین می توان گفت که مهندسین ژئوتکنیک و زمین شناسی در بسیاری از موارد باید با یکدیگر هماهنگ باشند تا به روند پیشرفت پروژه کمک نمایند.

فصل هجدهم:

در فصل‌های قبلی از کتاب مکانیک خاک و پی تئوری‌های ساده‌ای در مکانیک خاک برای ارزیابی مقاومت، سختی و نفوذپذیری توضیح داده شد. در این فصل و فصل های بعدی، تحلیل‌هایی برای رفتار شیب‌ها، پی‌ها، دیوارهای حائل و تونل‌ها شرح داده می شود. برخی از این تحلیل ها ممکن است بر مبنای داده های تجربی باشد و با محاسبه دستی حل شود اما برخی دیگر ممکن است با تجزیه و تحلیل عددی پیچیده حل شوند، اما در هر صورت نیاز مبرمی به ورودی مقادیر عددی برای پارامترهای مختلف طراحی، برای بارهای اعمال شده و نیز پارامترهای خاک وجود دارد. برخی از پارامترها نظیر ضریب اطمینان نیز جزئی از پارامترهای طراحی محسوب می شوند. به طورمعمول برای طراحی شیب ها، پی ها و دیوارهای حائل مقدار پارامترهای خاک در روش های مختلف تحلیل متفاوت است. بنابراین مقدار هر پارامتر را باید با توجه به شرایط مسئله تعیین نمود. در این فصل پارامترهای مورد نیاز برای طراحی مورد بحث و بررسی قرارمی گیرد.

فصل نوزدهم:

در فصل‌های قبلی رفتار خاک، چه در زمین و چه در آزمایش‌های آزمایشگاهی مورد بررسی قرارگرفت و نظریه های ساده‌ای برای مقاومت خاک و معادلات ساده مربوط به تنش و کرنش از تئوری های مختلف استخراج گردید. حال در این فصل با به کار گیری نظریه های تدریس شده در فصول قبل به حل مسائل مختلف در پی ها، شیب ها و دیوارهای حائل پرداخته می شود. البته تقریبا بدیهی است که حتی با به کارگیری این تئوری ها ارائه یک راه حل کامل با در نظر گرفتن همه شرایط بسیار سخت و مشکل خواهد بود. در هر یک از مسائل مکانیک راه حل مناسب  باید سه شرط تعادل، سازگاری و خواص مواد را برآورده سازد.

فصل بیستم:

روش تعادل حدی تا حد زیادی رایج ترین تحلیل مورد استفاده برای پایداری سازه های ژئوتکنیکی است. نویسنده در این فصل باذکر مثال های متعدد، سعی در آموزش نحوه استفاده از روش تعادل حدی در حل مسائل مختلف ژئوتکنیکی را دارد.

فصل بیست ویکم:

سطح زمین به ندرت صاف است و بنابراین تقریباً در همه جا شیب هایی وجود دارد. منشا برخی از این شیب ها طبیعی بوده و برخی دیگر توسط بشر ایجاد می شود. برخی از این شیروانی ها دائمی بوده نظیر آنچه برای جاده ها و بزرگراه ها استفاده می شود. درحالیکه در گودبرداری ها نیز برخی از این شیروانی های موقت احداث می شود. در این فصل موضوع پایداری شیروانی ها و مسائل مربوط به آن مورد بررسی قرار گرفته است.

فصل بیست ودوم:

بار ناشی از سازه های مختلف به کمک پی ها به زمین منتقل می شود. در مهندسی عمران، پی ها به دو دسته سطحی و عمیق تقسیم بندی می شود. در این بخش از کتاب خواننده با ظرفیت باربری پی های سطحی به عنوان یکی از مباحث مهم در ژئوتکنیک آشنا می شود.

فصل بیست وسوم:

شمع ها ستون های بلند و باریکی هستند که اغلب به صورت گروهی روی زمین نصب می شوند. هدف اصلی شمع بندی انتقال بارها به خاک یا سنگ قوی تر و سفت تر در عمق، افزایش اندازه موثر پی و مقاومت در برابر بارهای جانبی است. به طور معمول شمع ها از فولاد یا بتن مسلح و برخی موارد از چوب ساخته می شوند. ممکن است آنها رانده شده یا به داخل زمین هل داده شوند یا شمع های بتنی درجا ممکن است در محل با ریختن بتن در یک سوراخ حفر شده درست شوند.

فصل بیست و چهارم:

دیوارهای حائل برای پایداری شیب‌ها و برش‌های عمودی استفاده می‌شوند که بیش از حد شیب‌دار یا عمیق هستند و در صورت عدم پشتیبانی نمی‌توانند پایدار بمانند. دیوار یک عضو سازه ای است که به عنوان یک تیر با بارهای مختلف بر روی آن عمل می کند. دیوارهای گرانشی سنگین ضخیم مقاومت خود را عمدتاً از تنش های برشی بین خاک و پایه دیوار به دست می آورند. در این بخش از کتاب ابتدا به توضیح نحوه محاسبه فشار جانبی خاک در حالت محرک و مقاوم و تبیین پارامترهای مختلف خاک در هر یک از شرایط محتمل پرداخته شده است.

فصل بیست و پنجم:

در این فصل از کتاب مکانیک خاک و پی مبانی طراحی تونل های سطحی در زمین نرم بیان می شود. روش طراحی این تونل ها بسیار شبیه به طراحی پی سطحی و دیوار حائل می باشد. در این فصل ابتدا به شناخت حالت حدی نهایی در تونل ها پرداخته می شود و سپس حالت حدی سرویس دهی مورد بررسی قرار می گیرد.

فصل بیست و ششم:

در بیشتر بخش های این کتاب رفتار خاک های خشک و یا اشباع مورد بررسی قرار گرفته است. رفتار خاک غیر اشباع بسیار پیچیده است و در حال حاضر، هیچ نظریه ساده ای وجود ندارد که به اندازه کافی رفتار مهندسی خاک های غیر اشباع را توصیف کند. در این فصل از مکانیک خاک و پی نویسنده سعی دارد تا خصوصیات اساسی خاک های غیر اشباع را بیان نموده تا خواننده تا حدودی با آن آشنا شود.

فصل بیست و هفتم:

یکی از بهترین راه ها برای شناخت رفتار پدیده های مختلف در ژئوتکنیک استفاده از مدلسازی فیزیکی این پدیده ها می باشد. با مدلسازی فیزیکی در مقیاس کوچکتر این پدیده ها می توان تاثیر عوامل مختلف در موضوع مورد آزمایش را ارزیابی نمود و تاثیر پارامترهای مختلف را با یکدیگر مقایسه کرد. یکی از ابزارهای مدلسازی در ژئوتکنیک، استفاده از سانتریفیوژهای ژئوتکنیکی است. این فصل به اصول مدلسازی فیزیکی در سانتریفیوژ پرداخته است.