Unsaturated Soil Mechanic in Engineering Practice

مکانیک خاک غیر اشباع در عمل مهندسی

مکانیک خاک یک علم کاربردی نسبتاً جوان است. کارل ترزاقی نسخه انگلیسی خود از مکانیک نظری خاک را در سال 1943 منتشر کرد. این کتاب مفاهیم مبتنی بر علم را برای تحلیل رفتار فیزیکی خاک­ های اشباع شده فراهم کرد.

  مهندسی ژئوتکنیک از دهه 1940 به طرق مختلف تغییر کرده است. رویه‌های انجام تحقیقات زیرسطحی دستخوش تغییراتی شده است، اما روش‌های تحقیق کاملاً مشابه هستند. گمانه ها همچنان با نمونه ­های خاک دست خورده و غیر دست خورده در فواصل زمانی برای تست­ های آزمایشگاهی بعدی حفر می­ شوند. با این حال، نحوه به دست آوردن راه حل­ های مهندسی ژئوتکنیکی به طور چشمگیری تغییر کرده است. ترزاقی و معاصرانش مفهوم مکانیک خاک را در زمانی گردآوری کردند که ابزارهای حل مسائل ریاضی با ابزارهایی که امروزه در دسترس هستند تفاوت چشمگیری داشتند.

در دهه 1940، نویسندگان کتاب‌های درسی مکانیک خاک تلاش کردند تا مسائل پیچیده سه‌بعدی و دنیای واقعی را در نظر بگیرند و آنها را به راه‌حل‌های ساده و بسته تقلیل دهند. فلونتز یک راه حل گرافیکی برای حرکت آب از طریق یک زنجیره متخلخل همسانگرد، همگن و دوبعدی ارائه کرد. روش‌های قطعات (عمودی) راه‌حلی برای محاسبه ضریب اطمینان یک شیب دو بعدی ارائه کردند. روش‌های لایه‌های (افقی) راه‌حلی برای محاسبه نشست یک خاک رسی یک‌بعدی و قابل تراکم ارائه کردند. دنیای مکانیک خاک شامل یک سری از ثابت‌های ویژگی خاک (مانند k، c’ و φ’) بود، و آن خواص خاک که ثابت نبودند به شکل خطی تبدیل شدند تا به صورت ثابت نشان داده شوند (مثلاً C_c و C_s).

در دهه‌های 1960 و 1970 مشخص شد که ویژگی‌های خاک غیر اشباع باید به عنوان توابع خصوصیات غیر اشباع خاک غیرخطی تعریف شوند. مکانیک خاک غیراشباع به یک حوزه پر جنب و جوش از تحقیقات ژئوتکنیکی تبدیل شد و آشکار بود که ما در حال ورود به عصر جدیدی هستیم که به یک پارادایم جدید برای حل مسائل مکانیک خاک اشباع و غیراشباع نیاز دارد. اگر قرار بود مکانیک خاک غیراشباع راه خود را در مهندسی ژئوتکنیک پیدا کند، باید روش‌های قابل اعتمادی برای به دست آوردن توابع ویژگی‌های خاک غیراشباع با هزینه و تلاش معقول وجود داشته باشد. در نتیجه، طیف گسترده‌ای از روش‌های برآورد از تحقیقات در بسیاری از کشورها پدید آمدند. روش‌های تخمین به شدت بر ویژگی‌های خاک اشباع و درک منحنی خواص آب – خاک (SWCC)، یعنی رابطه بین محتوای آب و مکش خاک متکی بود.

دهه‌های 1960 و 1970 دهه‌هایی بودند که شاهد رشد سریع توانایی ما در حل فرمول‌های پیچیده ریاضی بودند. کامپیوتر می ­تواند برای حل فرمول­های ریاضی جدید که رفتار فیزیکی مسائل مکانیک خاک غیراشباع و اشباع شده را توضیح می­ دهد، استفاده شود. روش‌های عددی حل برای همه حوزه‌های رفتار مواد پدید آمدند، زمینه ­هایی که فراتر از مکانیک کلاسیک خاک بودند. در مسائل مکانیک خاک 4 جنبه مهم، جهت بررسی وجود دارد: (1) هندسه و چینه شناسی، (2) شرایط اولیه و شرایط مرزی، (3) خواص خاک، و (4) تکنیک­های حل. فیزیک رفتار خاک برای حجم عنصری مرجع (REV) از زنجیره خاک اشباع-غیراشباع تعریف شد و فرمول­بندی ریاضی توصیف کننده فیزیک رفتار خاک به شکل یک معادله دیفرانسیل جزئی (PDE) در آمد. به طور کلی، PDEها به دلیل توابع غیرخطی ویژگی خاک غیراشباع مورد نیاز به عنوان بخشی از فرمول­بندی، غیرخطی هستند.

مهندسان ژئوتکنیک از تحقیقات انجام شده در دو حوزه اصلی بهره ­مند شده ­اند: (1) مشخصات خاک و (2) فناوری کامپیوتر و ریاضیات. به ویژه، این رشد سریع در قابلیت محاسباتی (یعنی سخت افزار و نرم افزار کامپیوتر) بود که حل مشکلات خاک غیر اشباع را ممکن کرد.

این ناگفته نماند که بگوییم رایانه دیجیتال روشی را که اکنون مکانیک خاک در عمل مهندسی پیاده سازی می­شود را متحول کرده است. به جرات می­توان گفت که مدل سازی و حل مسائل مکانیک خاک اشباع – غیراشباع در چارچوب علمی بدون قدرت کامپیوتر دیجیتال امکان پذیر نخواهد بود. مهندسی ژئوتکنیک به یک پارادایم جدید منتقل شده است، یک محیط حل مسئله که شامل SWCCها، USPFها و PDEها است. این دنیایی است که در آن چالش به همگرایی و منحصر به فرد بودن راه حل مکانیک خاک تبدیل می­شود. دنیایی است که در آن نرم افزارهای کامپیوتری دیگر یک مورد لاکچری به حساب نمی ­آیند، بلکه یک ضرورت برای تمرین مهندسی دقیق هستند.

مثال ­های این کتاب به‌ عنوان منابع مرتبط با فرآیند یادگیری مرتبط با مکانیک خاک غیر اشباع به‌صورت رایگان توزیع شده‌اند. دستورالعمل برای به دست آوردن این نمونه ­ها را می­توان در www.soilvision.com/usmep یافت.

ادواردو آلونسو و آنتونیو گنس (2011) آن را به خوبی در مقدمه پنجمین کنفرانس بین‌المللی خاک‌های غیر اشباع، بارسلون، اسپانیا بیان کردند، زمانی که نوشتند: «توسعه مکانیک خاک غیر اشباع در دهه‌های اخیر قابل توجه بوده است و به دستاوردهای مهمی در پیشرفت در دانش بنیادی، روش‌های آزمایش، روش‌های محاسباتی، روش‌های پیش‌بینی و عملکرد ژئوتکنیکی منجر شده است. نویسندگان اعتقاد دارند که کتاب مکانیک خاک غیراشباع، استفاده از علم رفتار خاک غیر اشباع را در اجرای پروژه های مهندسی ارتقاء خواهد داد.

مکانیک خاک غیر اشباع در مهندسی شامل یک افزودن اساسی و سازماندهی مجدد اطلاعات قابل توجهی از آنچه در کتاب مکانیک خاک برای خاک­های غیر اشباع نوشته D.G. Fredlund و H. Rahardjo ترکیب شده است را تشکیل می­دهد. مکانیک خاک غیراشباع در مهندسی دانش کنونی ما از رفتار خاک غیر اشباع را به طور کامل­تری پوشش می­دهد و روشی را که در آن مسائل مهندسی خاک غیر اشباع عملی حل می­شود را بهتر منعکس می­کند. فیزیک بنیادی رفتار خاک غیر اشباع ارائه شده در کتاب مکانیک خاک برای خاک ­های غیراشباع در نسخه حاضر حفظ شده است در حالی که تاکید بیشتری بر اهمیت استفاده از SWCC هنگام حل مسائل مهندسی شده است. همچنین تاکید بیشتری بر کمی سازی شرایط مرزی حرارتی و رطوبتی بر اساس استفاده از داده­ های آب و هوایی صورت گرفته است. در پایان، خواننده باید کتاب مکانیک خاک غیراشباع در مهندسی را به عنوان کتابی کاربردی بیابد که مهندسان ژئوتکنیک را به سمت پیاده‌سازی مکانیک خاک غیراشباع در اجرای پروژه های مهندسی هدایت می‌کند.

خاک غیر اشباع چیست؟

خاک غیر اشباع معمولاً دارای سه فاز است: (1) جامد، (2) آب و (3) هوا. با این حال، تشخیص وجود فاز چهارم، یعنی سطح مشترک هوا و آب یا پوسته انقباضی، صحیح­تر است. وجود حتی کمترین مقدار هوای آزاد، خاک را غیراشباع می­کند. حتی مقدار کمی از هوا که احتمالاً به صورت حباب­های هوا مسدود شده است، باعث تراکم مایع منفذی می­شود. این امکان وجود دارد که خاک اساساً اشباع باقی بماند در حالی که فشار آب-منفذ نسبت به فاز هوا منفی می­شود.

متغیر حالتی که بیشترین ارتباط را با مکانیک خاک غیراشباع دارد مکش خاک است. مکش خاک یک اصطلاح کلی است که ممکن است در مورد مکش ماتریکی، مکش اسمزی یا مکش کل استفاده شود. همچنین متغیرهای حالت دیگری در ارتباط با خاک­های غیر اشباع وجود دارد که ممکن است نیاز به اندازه گیری یا تخمین داشته باشند، یعنی مقدار آب در خاک یا محتوای آب طبیعی آن.

پیشینه مکانیک خاک غیر اشباع

مطالعات اولیه مکانیک خاک (به عنوان مثال، دهه 1930 و 1940) عمدتاً بر رفتار خاک­های اشباع با فشار آب حفره ای مثبت متمرکز بود. نمونه‌های متداول مهندسی ژئوتکنیک شامل کاربرد مکانیک خاک در پی‌ها و سازه‌های عمیق است که در آن فشار آب حفره ای مثبت درگیر است. با گذشت زمان، نادیده گرفتن فشار آب حفره ای منفی و فرض بر این که در نظر گرفتن فشار آب حفره ای مثبت، طراحی محافظه کارانه و ایمن را تضمین می­کند، یک عمل رایج شد. بسیاری از مناطق توسعه در مناطق مرطوب قرار داشتند که سطح آب زیرزمینی بالا بود. موفقیت‌های مرتبط با کاربرد مکانیک خاک اشباع، توجه به خاک‌های اشباع را بیشتر ارتقا داد. توانایی توصیف وضعیت تنش خاک‌های اشباع از نظر تنش مؤثر و توانایی مدل‌سازی رفتار وابسته به زمان (به عنوان مثال، فرآیند تثبیت) ابزارهای فنی را ارائه می‌دهد که موفقیت‌آمیز و از نظر مالی سودآور بودند.

هدف کتاب

هدف این کتاب به حوزه مکانیک خاک غیر اشباع محدود می­شود. تلاش شده است تا تمام جنبه هایی که معمولاً با مکانیک‌خاک مرتبط است پوشش داده شود. هنگامی که از اصطلاح “مکانیک خاک غیر اشباع” استفاده می­شود، نویسندگان به خاک­هایی اشاره می­کنند که دارای فشار آب حفره ای منفی هستند.

هدف اصلی این کتاب ترکیب نظریه‌های مرتبط با رفتار خاک‌ های غیر اشباع و نشان دادن چگونگی کاربرد این نظریه‌ها در مهندسی ژئوتکنیک است. مشتقات نظری با جزئیات قابل‌توجهی ارائه شده‌اند، زیرا رفتار خاک غیراشباع یک حوزه مطالعه نسبتاً جدید است و بسیاری از مشتقات به آسانی برای مهندسان در یک زمینه آشنا در دسترس نیستند. تئوری، اندازه‌گیری، و تخمین منحنی خواص خاک-آب برای اجرای مکانیک خاک غیراشباع بسیار مهم است. به همین دلیل در سراسر کتاب به آنها توجه ویژه ­ای شده است. نیاز مداوم به تاریخچه موارد وجود دارد و پیش‌بینی می‌شود که این موارد در دهه‌های آینده بیشتر گزارش شوند. امیدواریم، همانطور که تحلیل‌های نشا‌ن داده ‌شده در این کتاب در مهندسی قرار می‌گیرند، تاریخچه‌های موردی پدید خواهند آمد که زمینه نظری منسجم ارائه ‌شده در این کتاب را تأیید کند.