تاريخچه پيدايش علم ژئوتکنيک ( مکانيک خاک )

تاريخچه پيدايش علم ژئوتکنيک ( مکانيک خاک )

مهندسي ژئوتکنيک - چشم انداز تاريخي

از ديدگاه مهندسي، خاک عبارت است از سنگدانه هاي سيماني نشده اي از دانه هاي معدني و مواد آلي پوسيده (ذرات جامد)همراه با سيال و گاز موجود در فضاهاي خالي ميان ذرات جامد. در پروژه هاي مختلف مهندسي عمران از خاک به عنوان مصالح ساختماني استفاده مي شودو خاک تکيه گاه  پي هاي سازهاي را فراهم مي سازد. بنابر اين مهندسين عمران بايد خصوصيات خاک مانند منشآ، دانه بندي، قابليت زهکشي، تراکم پذيري، مقاومت برشي و ظرفيت باربري را مورد بررسي و مطالعه قرار دهند. مکانيک خاک شاخه اي از علم است که به بررسي خصوصيات فيزيکي خاک و رفتار توده هاي خاک تحت تآثير نيروهاي مختلف مي پردازد.مهندسي خاک کاربرد اصول مکانيک خاک در مسايل عملي است.مهندسي ژئوتکنيک زير شاخه مهندسي عمران است که به مصالح طبيعي نزديک سطح زمين مربوط مي شود. اين رشته شامل کاربرد اصول مکانيک خاک و مکانيک سنگ در طراحي پي ها ، سازه هاي حايل و سازه هاي خاکي است.

1-1مهندسي ژئوتکنيک پيش از قرن هجدهم

سابقه نخستين فردي که از خاک به عنوان مصالح ساختماني استفاده کرد، در عهد باستان ناپديد شده است.به معناي واقعي مهندسي، درک مهندسي ژئوتکنيک به صورت شناخته شده امروزي از اوايل قرن هجدهم آغاز شد.( skempton،1985). سال ها حرفه مهندسي ژئوتکنيک تنها بر اساس تجربيات گذشتهء حاصل از آزمايش هاي پي در پي بدون هيچگونه ويژگي علمي واقعي استوار بود.بر اساس اين تجربيات سازه هاي بسياري ساخته شد –برخي از آنها دچار فروريزي شدند و برخي ديگر هنوز پا بر جا  مانده اند.

تاريخ نگاشته براي ما بازگو ميکند که تمدن هاي گذشته در امتداد کرانه رودخانه هايي همچون نيل (مصر)،دجله و فرات (بين النهرين)، هوانگ هو(رودخانه زرد در چين)و سند (هند) شکوفا شدند. در حوضه سند براي حفاظت شهر Mohenjo Dara (واقع در پاکستان فعلي پس از سال 1947)بند هايي خاکي ساخته شد که تاريخچه آنها به حدود 2000سال پيش از ميلاد باز مي گردد. در زمان سلسه chan در چين (1120 تا 249 پيش از ميلاد)، بندهاي خاکي زيادي به منظور آبياري احداث شد. شواهدي در مورد تدابير اتخاذ شده براي تثبيت پي ها يا جلوگيري از فرسايش ناشي از سيل ها در دست نيست(kerisel، 1985). در تمدن يونان باستان براي سازه هاي ساختماني از شالوده هاي منفرد و پي هاي نواري و گسترده استفاده مي شد. در حدود سال 2750 پيش ميلاد ،پنج هرم مهم مصر در زماني کمتر از يک قرن ساخته شدند. اين سازه ها در ارتباط با پي ها ،پايداري شيرواني هاي خاکي و ساخت تالارهاي زير زميني چالش هاي دشواري را تحميل کردند  . با رسيدن بوديسم به چين در سال 68 پس از ميلاد، هزاران معبد ساخته شد. بسياري از اين سازه ها بر روي لاي ولايه هاي رس نرم ساخته شدند. در برخي موارد فشار پي از ظرفيت باربري خاک تجاوز ميکرد وبدين ترتيب آسيب هاي سازهاي بزرگي را موجب مي شد.

يکي از مشهورترين نمونه مشکلات مربوط به ظرفيت باربري خاک در ساخت سازه هاي پيش از قرن هجدهم،برج کج pisa در ايتاليا است ساخت اين برج در سال 1173 پس از ميلاد در زمان شکوفايي جمهوري pisa آغاز شد و در طي بيش از 200 سال در مراحل مختلف ادامه يافت. وزن اين سازه در حدود 15700 تن متريک است وبر روي يک پي دايرهاي به قطر 20 متر قرار دارد برج در گذشته به سمت شرق ،شمال ،غرب و در نهايت جنوب کج شده است. تحقيقات اخير نشان داده است که تراکم لايه رس ضعيف موجود در عمق 11 متري زير سطح زمين دليل کج شدن برج بوده است. اين برج با ارتفاع m 54 اکنون بيش از m 5 از حالت شاقولي خود خارج شده است. در سال 1990 به دليل ترس از واژگوني يا فروريزي برج ،بازديد از آن ممنوع شد به تازگي با حفاري خاک زير سمت شمالي برج آن را تثبيت کرده اند. در 41 عمليات حفاري جدا گانه حدود 70 تن متريک خاک استخراج شد که در عرض برج گسترش داشت. با نشست تدريجي زمين فضاي خالي حاصل پر شد و کج شدگي برج کاهش پيدا کرد. .اکنون تمايل برج 5 درجه است..تغيير نيم درجهاي قابل توجه نيست ،اما اين باعث تثبيت قابل توجه سازه مي شود.

1-2 دوره پيش از کلاسيک مکانيک خاک

تحقيقات اين دوره بر روي شيب طبيعي و وزن مخصوص انواع مختلف خاک ها و همچنين نظريه هاي نيمه تجربي فشار خاک متمرکز بوده است .در سال 1717 يک مهندس فرانسوي به نام Henri Gautier شيب طبيعي خاک ها را در زمان تخليه آنها به صورت يک توده براي تدوين روند طراحي ديوارهاي حايل مورد بررسي قرار داد. امروزه به شيب طبيعي زاويه قرار گفته مي شود. نخستين نتايج آزمايش مدل آزمايشگاهي بر روي ديوار حايلي به ارتفاع mm  76 همراه با خاکريز ماسه اي در سال 1746و توسطFrancois Gadroy گزارش شد که بيانگر مشاهدات وي از وجود صفحات لغزش درون خاک در زمان گسيختگي بود. بعدها در سال 1808 تحقيقات Gadroy توسط J.J. Mayniel خلاصه شد.

1-3 مکانيک خاک کلاسيک- مرحله اول

بيشتر پيشرفت هاي انجام شده در عرصه مهندسي در طول اين دوره مديون مهندسين و دانشمندان فرانسوي است.در دوره پيش کلاسيک،در عمل تمامي ملاحظات نظري مورد استفاده در محسبه فشار جانبي خاک بر روي ديوار هاي حايل بر اساس سطح گسيختگي اختياري درون خاک بود.يک دانشمند فرانسوي در يکي از مقالات خود در سال 1776 براي تعيين مکان واقعي سطح لغزش درون خاک پشت ديوار حايل از اصول حساب ديفرانسيل براي مقادير بيشينه و کمينه استفاده کرد.در سال 1820 يک مهندس فرانسوي ويک پروفسور فرانسوي در مکانيک کاربردي ،حالت ويژه اي از کار Coulomb را مورد بررسي قرار دادند. اين حالتهاي ويژه به خاکريزهاي شيب دار و خاکريزهاي داراي سربار مربوط مي شدند.در سال 1840 يک مهندس ارتش ويک پروفسورمکانيک با ارائه يک روش نموداري جهت تعيين مقدار فشار جانبي خاک بر روي ديوارهاي حايل قائم و مايل به کمک سطوح چند ضلعي شکسته اختياري ،نظريه coulombo را گسترش داد. همچنين poncelet  نخستين نظريه ظرفيت باربري نهايي را براي پي هاي سطحي ارائه نمود. بر اساس نظريه Collin ،تمامي حالتهاي گسيختگي زماني روي ميدهند که چسبندگي برانگيخته شده از چسبندگي موجود خاک تجاوز کند. وي همچنين مشاهده کرد که سطوح گسيختگي واقعي را مي توان به صورت قوس هاي سيکلوئيدي تقريب زد.

1-4 مکانيک خاک کلاسيک مرحله دوم

در آثار اين چند نتيجه تجربي از آزمونهاي آزمايشگاهي بر روي ماسه به چشم مي خورد. يکي از نخستين و مهم ترين آثار انتشار يافته به يک مهندس فرانسوي مربوط مي شود وي در سال 1856 تحقيقات خود را بر روي نفوذپذيري صافي ها يا فيلترهاي ماسهاي را به چاپ رساند، او بر اساس اين آزمايشها،اصطلاح ضريب نفوذپذيري (يا ضريب هدايت آب) خاک را معرفي کرد که امروزه پرامتر بسيار مفيدي در مهندسي ژئوتکنيک محسوب وي شود.

Sir George Howard Darvin  پروفسور ستاره شناسي ،براي تعيين گشتاور واژگوني بر روي ديوار مفصلي نگهدارنده ماسه در حالت هاي سست و متراکم ،آزمون هايي آزمايشگاهي را به انجام رساند. مقاله برجسته ديگري که در سال 1885 توسط Joseph Valentin Boussinesq انتشار يافت ، باعث شکل گيري نظريه توزيع تنش در زير سطوح تکيه گاهي بارگذاري شده در محيط همگن ، نيمه نامتناهي ، الاستيک و همگشت (Isotropic) شد.

  1-5 مکانيک خاک جديد

در اين دوره نتايج پژوهشهاي انجام شده بر روي رس ها به چاپ رسيد که در آن خصوصيات و پارامتر هاي پايه اي رس تعيين شده بودند.

در حدود سال 1908،يک شيميدان و دانشمند خاک سوئدي بخش هم اندازه با رس را به صورت درصد وزني ذرات کوچکتر از 2 ميکرون تعريف کرد.وي به نقش پر اهميت ذرات رس در خاک وبنابراين خصوصيت خميري پي برد.وي در سال 1911 سفتي خاک هاي چسبنده را با تعريف حد رواني ،حد خميريو حد جمع شدگي شرح داد.وي همچنين نشانه خميري را به صورت تفاوت ميان حد رواني و حد خميري تعريف کرد.

در اکتبر 1909 سد خاکي charmes در فرانسه به ارتفاع m 17 دچار شکست شد.يک مهندس فرانسوي براي تعيين دليل اين شکست بررسي هايي انجام داد. دراين ارتباط وي براي تعيين پارامترهاي مقاومت برشي بر روي نمونه هاي رس و در زير تنش قائم ثابت،آزمايشهاي برش مضاعف زهکشي نشده انجام داد .زمان گسيختگي اين نمونه ها 10 تا 20 دقيقه بود.

يک مهندس عمران انگليسي بر روي طراحي و ساخت ديوار ساحلي خارجي درRosyth dockyard کار کرد.وي بر اساس کار خود روابطي را براي فشار و مقاومت جانبي در خاک رس و همينطور ظرفيت باربري پي هاي سطحي در خاک رس بدست آورد. وي همچنين براي اندازه گيري مقاومت برش زهکشي نشده نمونه هاي دست نخورده رس از آزمايش هاي برش مستقيم استفاده کرد.

يک مهندس سوئدي با اين فرض که سطح بحراني لغزش يک قوس دايرهاي است،تحليل پايداري شيرواني هاي خاک رس اشباع را انجام داد. پاسخ هاي عددي صحيح اعداد پايداري سطوح لغزش دايره اي گذر از پاي شيرواني ارائه شد.

1-6 مهندسي ژئوتکنيک پس از سال 1927

انتشار کتاب Karl Terzaghi در سال  1925 به تولد عصر جديدي در تکامل مکانيک خاک منجر شد. او بدرستي به عنوان پدر خاک جديد شناخته مي شود، وي در سال 1883 در شهر پراگ بدنيا آمد که در آن زمان پايتخت ايالت اتريشي  Bohemia بود.وي در سال 1904 با مدرک کارشناسي در مهندسي مکانيک در اتريش فارغ التحصيل شد. وي در 1912 مدرک دکتراي علوم فني خود را از محل تحصيل خود در شهرGraz دريافت کرد.پس از پايان جنگ جهاني اول به عنوان مربي در کالج مشغول کار شد. در آنجا بود که وي تحقيقات خود را بر روي رفتارخاک ها و نشست رس ها و گسيختگي ناشي از رگاب در ماسه زير سدها آغاز کرد . وي در اکتبر سال 1929 براي پذيرش رتبه پروفسوري در دانشگاه فني وين به اروپا بازگشت و به سرعت به کانون مهندسين عمران علاقمند به مکانيک خاک تبديل شد. وي در سال وي در سال 1939 به ايالات متحده آمريکا بازگشت تا در دانشگاه Harvard به عنوان پروفسور مشغول کار شود.

در طول ربع قرن بعدي Terzighi روح هدايتگر در تکامل مکانيک خاک و مهندسي ژئوتکنيک در سراسر جهان بود .

در اوايل دهه 1950 روش هاي تفاوت هاي محدود و اجزاي محدود کامپيوتري براي حل انواع مختلف مسايل مهندسي ژئوتکنيک به کار گرفته شد.هزاران مهندس عمران بر اين عقيده اند که مهندسي ژئوتکنيک عرصه ترجيحي تخصص آنهاست.

1-7 پايان يک عصر

آخرين مغز متفکر اوليه اين حرفه يعني Raph B peck در سال 2008 درگذشت.دکتر Peck در سال هاي 1939 تا 1943 به عنوان دستيار Karl Terzighi  پدر مکانيک خاک جديد بر روي پروژه متروي شهر شيکاگو کار کرد.او از سال 1948 تا زمان بازنشستگي خود در سال 1974 به عنوان پروفسور مهندسي پي مشغول کار بود. وي پس از بازنشستگي در کار مشاوره فعال بود که پروژه هاي زمين شناسي مهمي را در 44 ايالت کشور آمريکا و 28 کشور ديگر از پنج قاره جهان را در بر مي گرفت.

آخرين پروژه وي Rion-Antirion در يونان بود.دکتر Peck بيش از 250 اثر فني برجسته را تدوين کرد. از سال 1969 تا 1973 رياست ISSMGE را بر عهده داشت وي در سال 1974 نشان ملي علم را از رئيس جمهور دريافت کرد و در واقع اين پايان يک عصر محصوب مي شود.

                                                                                                          تهیه و تنظیم : فنی و مهندسی شرکت افرا آزما

جهت ثبت سفارش یا ارسال پیام ، لطفا فرم زیر را تکمیل و ارسال نمائید

نام و نام خانوادگی

شماره تلفن

شماره همراه

ایمیل

موضوع پیام

متن پیام