مهندسی ژئوتکنیک – چشم انداز تاریخی

از دیدگاه مهندسی، خاک عبارت است از سنگدانه های سیمانی نشده ای از دانه های معدنی و مواد آلی پوسیده (ذرات جامد)همراه با سیال و گاز موجود در فضاهای خالی میان ذرات جامد. در پروژه های مختلف مهندسی عمران از خاک به عنوان مصالح ساختمانی استفاده می شودو خاک تکیه گاه  پی های سازهای را فراهم می سازد. بنابر این مهندسین عمران باید خصوصیات خاک مانند منشآ، دانه بندی، قابلیت زهکشی، تراکم پذیری، مقاومت برشی و ظرفیت باربری را مورد بررسی و مطالعه قرار دهند. مکانیک خاک شاخه ای از علم است که به بررسی خصوصیات فیزیکی خاک و رفتار توده های خاک تحت تآثیر نیروهای مختلف می پردازد.مهندسی خاک کاربرد اصول مکانیک خاک در مسایل عملی است.مهندسی ژئوتکنیک زیر شاخه مهندسی عمران است که به مصالح طبیعی نزدیک سطح زمین مربوط می شود. این رشته شامل کاربرد اصول مکانیک خاک و مکانیک سنگ در طراحی پی ها ، سازه های حایل و سازه های خاکی است.

۱-۱مهندسی ژئوتکنیک پیش از قرن هجدهم

سابقه نخستین فردی که از خاک به عنوان مصالح ساختمانی استفاده کرد، در عهد باستان ناپدید شده است.به معنای واقعی مهندسی، درک مهندسی ژئوتکنیک به صورت شناخته شده امروزی از اوایل قرن هجدهم آغاز شد.( skempton،۱۹۸۵). سال ها حرفه مهندسی ژئوتکنیک تنها بر اساس تجربیات گذشتهء حاصل از آزمایش های پی در پی بدون هیچگونه ویژگی علمی واقعی استوار بود.بر اساس این تجربیات سازه های بسیاری ساخته شد –برخی از آنها دچار فروریزی شدند و برخی دیگر هنوز پا بر جا  مانده اند.

تاریخ نگاشته برای ما بازگو میکند که تمدن های گذشته در امتداد کرانه رودخانه هایی همچون نیل (مصر)،دجله و فرات (بین النهرین)، هوانگ هو(رودخانه زرد در چین)و سند (هند) شکوفا شدند. در حوضه سند برای حفاظت شهر Mohenjo Dara (واقع در پاکستان فعلی پس از سال ۱۹۴۷)بند هایی خاکی ساخته شد که تاریخچه آنها به حدود ۲۰۰۰سال پیش از میلاد باز می گردد. در زمان سلسه chan در چین (۱۱۲۰ تا ۲۴۹ پیش از میلاد)، بندهای خاکی زیادی به منظور آبیاری احداث شد. شواهدی در مورد تدابیر اتخاذ شده برای تثبیت پی ها یا جلوگیری از فرسایش ناشی از سیل ها در دست نیست(kerisel، ۱۹۸۵). در تمدن یونان باستان برای سازه های ساختمانی از شالوده های منفرد و پی های نواری و گسترده استفاده می شد. در حدود سال ۲۷۵۰ پیش میلاد ،پنج هرم مهم مصر در زمانی کمتر از یک قرن ساخته شدند. این سازه ها در ارتباط با پی ها ،پایداری شیروانی های خاکی و ساخت تالارهای زیر زمینی چالش های دشواری را تحمیل کردند  . با رسیدن بودیسم به چین در سال ۶۸ پس از میلاد، هزاران معبد ساخته شد. بسیاری از این سازه ها بر روی لای ولایه های رس نرم ساخته شدند. در برخی موارد فشار پی از ظرفیت باربری خاک تجاوز میکرد وبدین ترتیب آسیب های سازهای بزرگی را موجب می شد.

یکی از مشهورترین نمونه مشکلات مربوط به ظرفیت باربری خاک در ساخت سازه های پیش از قرن هجدهم،برج کج pisa در ایتالیا است ساخت این برج در سال ۱۱۷۳ پس از میلاد در زمان شکوفایی جمهوری pisa آغاز شد و در طی بیش از ۲۰۰ سال در مراحل مختلف ادامه یافت. وزن این سازه در حدود ۱۵۷۰۰ تن متریک است وبر روی یک پی دایرهای به قطر ۲۰ متر قرار دارد برج در گذشته به سمت شرق ،شمال ،غرب و در نهایت جنوب کج شده است. تحقیقات اخیر نشان داده است که تراکم لایه رس ضعیف موجود در عمق ۱۱ متری زیر سطح زمین دلیل کج شدن برج بوده است. این برج با ارتفاع m 54 اکنون بیش از m 5 از حالت شاقولی خود خارج شده است. در سال ۱۹۹۰ به دلیل ترس از واژگونی یا فروریزی برج ،بازدید از آن ممنوع شد به تازگی با حفاری خاک زیر سمت شمالی برج آن را تثبیت کرده اند. در ۴۱ عملیات حفاری جدا گانه حدود ۷۰ تن متریک خاک استخراج شد که در عرض برج گسترش داشت. با نشست تدریجی زمین فضای خالی حاصل پر شد و کج شدگی برج کاهش پیدا کرد. .اکنون تمایل برج ۵ درجه است..تغییر نیم درجهای قابل توجه نیست ،اما این باعث تثبیت قابل توجه سازه می شود.

۱-۲ دوره پیش از کلاسیک مکانیک خاک

تحقیقات این دوره بر روی شیب طبیعی و وزن مخصوص انواع مختلف خاک ها و همچنین نظریه های نیمه تجربی فشار خاک متمرکز بوده است .در سال ۱۷۱۷ یک مهندس فرانسوی به نام Henri Gautier شیب طبیعی خاک ها را در زمان تخلیه آنها به صورت یک توده برای تدوین روند طراحی دیوارهای حایل مورد بررسی قرار داد. امروزه به شیب طبیعی زاویه قرار گفته می شود. نخستین نتایج آزمایش مدل آزمایشگاهی بر روی دیوار حایلی به ارتفاع mm  ۷۶ همراه با خاکریز ماسه ای در سال ۱۷۴۶و توسطFrancois Gadroy گزارش شد که بیانگر مشاهدات وی از وجود صفحات لغزش درون خاک در زمان گسیختگی بود. بعدها در سال ۱۸۰۸ تحقیقات Gadroy توسط J.J. Mayniel خلاصه شد.

۱-۳ مکانیک خاک کلاسیک- مرحله اول

بیشتر پیشرفت های انجام شده در عرصه مهندسی در طول این دوره مدیون مهندسین و دانشمندان فرانسوی است.در دوره پیش کلاسیک،در عمل تمامی ملاحظات نظری مورد استفاده در محسبه فشار جانبی خاک بر روی دیوار های حایل بر اساس سطح گسیختگی اختیاری درون خاک بود.یک دانشمند فرانسوی در یکی از مقالات خود در سال ۱۷۷۶ برای تعیین مکان واقعی سطح لغزش درون خاک پشت دیوار حایل از اصول حساب دیفرانسیل برای مقادیر بیشینه و کمینه استفاده کرد.در سال ۱۸۲۰ یک مهندس فرانسوی ویک پروفسور فرانسوی در مکانیک کاربردی ،حالت ویژه ای از کار Coulomb را مورد بررسی قرار دادند. این حالتهای ویژه به خاکریزهای شیب دار و خاکریزهای دارای سربار مربوط می شدند.در سال ۱۸۴۰ یک مهندس ارتش ویک پروفسورمکانیک با ارائه یک روش نموداری جهت تعیین مقدار فشار جانبی خاک بر روی دیوارهای حایل قائم و مایل به کمک سطوح چند ضلعی شکسته اختیاری ،نظریه coulombo را گسترش داد. همچنین poncelet  نخستین نظریه ظرفیت باربری نهایی را برای پی های سطحی ارائه نمود. بر اساس نظریه Collin ،تمامی حالتهای گسیختگی زمانی روی میدهند که چسبندگی برانگیخته شده از چسبندگی موجود خاک تجاوز کند. وی همچنین مشاهده کرد که سطوح گسیختگی واقعی را می توان به صورت قوس های سیکلوئیدی تقریب زد.

۱-۴ مکانیک خاک کلاسیک مرحله دوم

در آثار این چند نتیجه تجربی از آزمونهای آزمایشگاهی بر روی ماسه به چشم می خورد. یکی از نخستین و مهم ترین آثار انتشار یافته به یک مهندس فرانسوی مربوط می شود وی در سال ۱۸۵۶ تحقیقات خود را بر روی نفوذپذیری صافی ها یا فیلترهای ماسهای را به چاپ رساند، او بر اساس این آزمایشها،اصطلاح ضریب نفوذپذیری (یا ضریب هدایت آب) خاک را معرفی کرد که امروزه پرامتر بسیار مفیدی در مهندسی ژئوتکنیک محسوب وی شود.

Sir George Howard Darvin  پروفسور ستاره شناسی ،برای تعیین گشتاور واژگونی بر روی دیوار مفصلی نگهدارنده ماسه در حالت های سست و متراکم ،آزمون هایی آزمایشگاهی را به انجام رساند. مقاله برجسته دیگری که در سال ۱۸۸۵ توسط Joseph Valentin Boussinesq انتشار یافت ، باعث شکل گیری نظریه توزیع تنش در زیر سطوح تکیه گاهی بارگذاری شده در محیط همگن ، نیمه نامتناهی ، الاستیک و همگشت (Isotropic) شد.

  ۱-۵ مکانیک خاک جدید

در این دوره نتایج پژوهشهای انجام شده بر روی رس ها به چاپ رسید که در آن خصوصیات و پارامتر های پایه ای رس تعیین شده بودند.

در حدود سال ۱۹۰۸،یک شیمیدان و دانشمند خاک سوئدی بخش هم اندازه با رس را به صورت درصد وزنی ذرات کوچکتر از ۲ میکرون تعریف کرد.وی به نقش پر اهمیت ذرات رس در خاک وبنابراین خصوصیت خمیری پی برد.وی در سال ۱۹۱۱ سفتی خاک های چسبنده را با تعریف حد روانی ،حد خمیریو حد جمع شدگی شرح داد.وی همچنین نشانه خمیری را به صورت تفاوت میان حد روانی و حد خمیری تعریف کرد.

در اکتبر ۱۹۰۹ سد خاکی charmes در فرانسه به ارتفاع m 17 دچار شکست شد.یک مهندس فرانسوی برای تعیین دلیل این شکست بررسی هایی انجام داد. دراین ارتباط وی برای تعیین پارامترهای مقاومت برشی بر روی نمونه های رس و در زیر تنش قائم ثابت،آزمایشهای برش مضاعف زهکشی نشده انجام داد .زمان گسیختگی این نمونه ها ۱۰ تا ۲۰ دقیقه بود.

یک مهندس عمران انگلیسی بر روی طراحی و ساخت دیوار ساحلی خارجی درRosyth dockyard کار کرد.وی بر اساس کار خود روابطی را برای فشار و مقاومت جانبی در خاک رس و همینطور ظرفیت باربری پی های سطحی در خاک رس بدست آورد. وی همچنین برای اندازه گیری مقاومت برش زهکشی نشده نمونه های دست نخورده رس از آزمایش های برش مستقیم استفاده کرد.

یک مهندس سوئدی با این فرض که سطح بحرانی لغزش یک قوس دایرهای است،تحلیل پایداری شیروانی های خاک رس اشباع را انجام داد. پاسخ های عددی صحیح اعداد پایداری سطوح لغزش دایره ای گذر از پای شیروانی ارائه شد.

۱-۶ مهندسی ژئوتکنیک پس از سال ۱۹۲۷

انتشار کتاب Karl Terzaghi در سال  ۱۹۲۵ به تولد عصر جدیدی در تکامل مکانیک خاک منجر شد. او بدرستی به عنوان پدر خاک جدید شناخته می شود، وی در سال ۱۸۸۳ در شهر پراگ بدنیا آمد که در آن زمان پایتخت ایالت اتریشی  Bohemia بود.وی در سال ۱۹۰۴ با مدرک کارشناسی در مهندسی مکانیک در اتریش فارغ التحصیل شد. وی در ۱۹۱۲ مدرک دکترای علوم فنی خود را از محل تحصیل خود در شهرGraz دریافت کرد.پس از پایان جنگ جهانی اول به عنوان مربی در کالج مشغول کار شد. در آنجا بود که وی تحقیقات خود را بر روی رفتارخاک ها و نشست رس ها و گسیختگی ناشی از رگاب در ماسه زیر سدها آغاز کرد . وی در اکتبر سال ۱۹۲۹ برای پذیرش رتبه پروفسوری در دانشگاه فنی وین به اروپا بازگشت و به سرعت به کانون مهندسین عمران علاقمند به مکانیک خاک تبدیل شد. وی در سال وی در سال ۱۹۳۹ به ایالات متحده آمریکا بازگشت تا در دانشگاه Harvard به عنوان پروفسور مشغول کار شود.

در طول ربع قرن بعدی Terzighi روح هدایتگر در تکامل مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک در سراسر جهان بود .

در اوایل دهه ۱۹۵۰ روش های تفاوت های محدود و اجزای محدود کامپیوتری برای حل انواع مختلف مسایل مهندسی ژئوتکنیک به کار گرفته شد.هزاران مهندس عمران بر این عقیده اند که مهندسی ژئوتکنیک عرصه ترجیحی تخصص آنهاست.

۱-۷ پایان یک عصر

آخرین مغز متفکر اولیه این حرفه یعنی Raph B peck در سال ۲۰۰۸ درگذشت.دکتر Peck در سال های ۱۹۳۹ تا ۱۹۴۳ به عنوان دستیار Karl Terzighi  پدر مکانیک خاک جدید بر روی پروژه متروی شهر شیکاگو کار کرد.او از سال ۱۹۴۸ تا زمان بازنشستگی خود در سال ۱۹۷۴ به عنوان پروفسور مهندسی پی مشغول کار بود. وی پس از بازنشستگی در کار مشاوره فعال بود که پروژه های زمین شناسی مهمی را در ۴۴ ایالت کشور آمریکا و ۲۸ کشور دیگر از پنج قاره جهان را در بر می گرفت.

آخرین پروژه وی Rion-Antirion در یونان بود.دکتر Peck بیش از ۲۵۰ اثر فنی برجسته را تدوین کرد. از سال ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۳ ریاست ISSMGE را بر عهده داشت وی در سال ۱۹۷۴ نشان ملی علم را از رئیس جمهور دریافت کرد و در واقع این پایان یک عصر محصوب می شود.