تماسك التربة

يشير مصطلح تماسك التربة إلى العملية الميكانيكية التي يتغير فيها حجم التربة تدريجيًا استجابةً لتغير الضغط . يحدث هذا لأن التربة مادة ثلاثية الأطوار. يتكون الطور الأول من حبيبات التربة، بينما يتكون الطوران الثاني والثالث من مزيج من الفراغات (الهواء) أو سوائل أخرى (عادةً المياه الجوفية). عندما تتعرض التربة المشبعة بالماء لزيادة في الضغط، فإن الصلابة الحجمية العالية للماء مقارنةً بمصفوفة التربة تعني أن الماء يمتص في البداية كل التغير في الضغط دون تغيير حجمه، مما يُحدث ضغطًا زائدًا في مسام التربة . ومع انتشار الماء بعيدًا عن مناطق الضغط العالي نتيجةً للتسرب ، تمتص مصفوفة التربة تدريجيًا تغير الضغط وتتقلص في الحجم. ولذلك، يرتبط الإطار النظري للتماسك ارتباطًا وثيقًا بمفهوم الإجهاد الفعال والتوصيل الهيدروليكي . وقد طُرحت النماذج النظرية الحديثة الأولى قبل قرن من الزمان، وفقًا لنهجين مختلفين، من قِبل كارل تيرزاجي وبول فيلونجر . ويُعد نموذج تيرزاجي حاليًا الأكثر استخدامًا في الممارسة الهندسية، وهو قائم على معادلة الانتشار . ^{[ 1 ]}

بالمعنى الضيق، يشير مصطلح "التصلب" تحديدًا إلى الاستجابة الحجمية المتأخرة لتغير الضغط نتيجة الحركة التدريجية للماء. وتستخدم بعض المنشورات مصطلح "التصلب" أيضًا بالمعنى الواسع، للإشارة إلى أي عملية يتغير فيها حجم التربة نتيجة لتغير الضغط المطبق. ويشمل هذا التعريف الأوسع المفهوم العام لانضغاط التربة ، والهبوط ، والارتفاع . وتُظهر بعض أنواع التربة، وخاصة تلك الغنية بالمواد العضوية ، زحفًا ملحوظًا ، حيث يتغير حجم التربة ببطء عند إجهاد فعال ثابت على مدى زمني أطول من التصلب الناتج عن انتشار الماء. وللتمييز بين الآليتين، يُشير "التصلب الأولي" إلى التصلب الناتج عن تبدد ضغط الماء الزائد، بينما يُشير "التصلب الثانوي" إلى عملية الزحف.

تظهر آثار التصلب بوضوحٍ أكبر عندما يُقام مبنى فوق طبقة من التربة ذات صلابة ونفاذية منخفضتين، مثل الطين البحري ، مما يؤدي إلى هبوط كبير على مدى سنوات عديدة. تشمل أنواع مشاريع البناء التي غالباً ما يُشكل فيها التصلب خطراً تقنياً: استصلاح الأراضي ، وبناء السدود ، وحفر الأنفاق والأقبية في التربة الطينية.

يستخدم مهندسو الجيوتقنية أجهزة قياس الانضغاط لتحديد تأثيرات الانضغاط. في اختبار جهاز قياس الانضغاط، تُطبق سلسلة من الضغوط المعروفة على قرص رقيق من عينة التربة، ويُسجل تغير سمك العينة مع مرور الوقت. وهذا يسمح بتحديد خصائص انضغاط التربة من حيث معامل الانضغاط.${\displaystyle C_{v}}$) والتوصيل الهيدروليكي (${\displaystyle K}$).

تخضع التربة الطينية لعملية هبوط التماسك ليس فقط بفعل الأحمال الخارجية (أحمال التحميل الزائد) ولكن أيضًا تحت وزنها الخاص أو وزن التربة الموجودة فوق الطين.

كما تتعرض الطينات للهبوط عند تجفيفها (ضخ المياه الجوفية) لأن الإجهاد الفعال على الطين يزداد.

لا تتعرض التربة الخشنة الحبيبات للهبوط الناتج عن التصلب بسبب نفاذيتها الهيدروليكية العالية نسبياً مقارنة بالتربة الطينية. وبدلاً من ذلك، تتعرض التربة الخشنة الحبيبات للهبوط الفوري.

طُرحت أولى النماذج النظرية الحديثة لتصلب التربة في عشرينيات القرن الماضي على يد تيرزاجي وفيلونجر ، وفقًا لنهجين مختلفين جوهريًا. ^{[ 1 ]} اعتمد الأول على معادلات الانتشار باستخدام الترميز الأويلري ، بينما اعتمد الثاني على قانون نيوتن المحلي لكل من الطورين السائل والصلب، حيث أُدخلت متغيرات رئيسية، مثل الضغط الجزئي والمسامية والسرعة المحلية، باستخدام نظرية الخلط . اتّبع تيرزاجي منهجًا هندسيًا في معالجة مشكلة تصلب التربة، وقدّم نماذج مبسطة لا تزال تُستخدم على نطاق واسع في الممارسة الهندسية حتى اليوم. في المقابل، اتّبع فيلونجر منهجًا دقيقًا في معالجة المشكلات المذكورة، وقدّم نماذج رياضية دقيقة أولت اهتمامًا خاصًا لأساليب المتوسط ​​المحلي للمتغيرات المعنية. كان نموذج فيلونجر مجردًا للغاية، وتضمّن متغيرات يصعب رصدها تجريبيًا، ولذلك لم يكن قابلًا للتطبيق في دراسة الحالات الواقعية من قِبل المهندسين والمصممين. ومع ذلك، فقد شكّل هذا أساسًا لدراسات نظرية متقدمة لمشاكل بالغة التعقيد. ونظرًا لاختلاف منهج العالمين في معالجة مشكلة التصلب، نشب بينهما خلاف علمي حاد، انتهى للأسف بمأساة عام ١٩٣٧. بعد انتحار فيلونجر، طُويت نتائجه النظرية في غياهب النسيان لعقود، بينما لاقت الطرق التي اقترحها تيرزاجي رواجًا واسعًا بين العلماء والمتخصصين. وفي العقود اللاحقة، طوّر بيوت نظرية التصلب ثلاثية الأبعاد للتربة بشكل كامل، موسعًا النموذج أحادي البعد الذي اقترحه تيرزاجي سابقًا ليشمل فرضيات أكثر عمومية، ومُدخلًا مجموعة المعادلات الأساسية للمرونة المسامية . واليوم، لا يزال نموذج تيرزاجي أحادي البعد هو الأكثر استخدامًا من قِبل المهندسين لبساطته المفاهيمية، ولأنه يستند إلى بيانات تجريبية، مثل اختبارات الأودومتر ، التي تُعدّ بسيطة وموثوقة وغير مكلفة نسبيًا، والتي تُعرف حلولها النظرية بصيغة مغلقة. بحسب كارل فون تيرزاجي ، "أبو ميكانيكا التربة "، فإن التصلب هو "أي عملية تتضمن انخفاضًا في محتوى الماء في التربة المشبعة دون استبدال الماء بالهواء". وبشكل أعم، يشير التصلب إلى العملية التي يتغير بها حجم التربة استجابةً لتغير الضغط ، ويشمل ذلك كلاً من الانضغاط والتورم. ^{[ 2 ]}

التصلب هو العملية التي يحدث فيها انخفاض في الحجم عن طريق الطرد التدريجي أو امتصاص الماء تحت تأثير الأحمال الساكنة طويلة الأمد. ^{[ 3 ]}

عند تطبيق ضغط على التربة، تتراص جزيئاتها بإحكام أكبر. وعندما يحدث هذا في تربة مشبعة بالماء، يُضغط الماء خارجها. ويمكن التنبؤ بمقدار التصلب باستخدام طرق عديدة. في الطريقة الكلاسيكية التي طورها تيرزاجي، تُختبر التربة بجهاز قياس الانضغاط لتحديد قابليتها للانضغاط. في معظم الصيغ النظرية، يُفترض وجود علاقة لوغاريتمية بين حجم عينة التربة والإجهاد الفعال الذي تتحمله جزيئاتها. يُعرف ثابت التناسب (التغير في نسبة الفراغات لكل رتبة مقدارية من التغير في الإجهاد الفعال) بمعامل الانضغاط، ويُرمز له بالرمز α.${\displaystyle \lambda }$عند حسابها باللوغاريتم الطبيعي و${\displaystyle C_{C}}$عند حسابها باللوغاريتم العشري. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

ويمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة التالية، والتي تُستخدم لتقدير التغير في حجم طبقة التربة:

${\displaystyle \delta _{c}={\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{z0}'}}\right)\ }$

أين

δ _c هو الهبوط الناتج عن التماسك.

C _c هو مؤشر الانضغاط.

e _{0 هي} نسبة الفراغات الأولية .

يمثل H ارتفاع التربة القابلة للانضغاط.

σ _zf هو الإجهاد الرأسي النهائي.

σ _z0 هو الإجهاد الرأسي الأولي.

عند إزالة الضغط عن التربة المتماسكة، تعود التربة إلى وضعها الأصلي، مستعيدةً جزءًا من الحجم الذي فقدته أثناء عملية التماسك. وإذا أُعيد تطبيق الضغط، فإن التربة ستتماسك مرة أخرى وفقًا لمنحنى إعادة الضغط، والذي يُحدده مؤشر إعادة الضغط. غالبًا ما يُفترض أن ميل خطي التورم وإعادة الضغط على رسم بياني لنسبة الفراغات مقابل لوغاريتم الإجهاد الفعال متساوي القيمة، ويُعرف هذا المنحنى باسم "مؤشر التورم" (ويرمز له بالرمز μ).${\displaystyle \kappa }$عند حسابها باللوغاريتم الطبيعي و${\displaystyle C_{S}}$(عند حسابها باللوغاريتم العشري) .

يمكن استبدال C _{_c بـ C_r} (مؤشر إعادة الضغط) عند استخدامه في التربة المتماسكة حيث يكون الإجهاد الفعال النهائي أقل من إجهاد ما قبل التماسك. أما عندما يكون الإجهاد الفعال النهائي أكبر من إجهاد ما قبل التماسك، فيجب استخدام المعادلتين معًا لنمذجة كل من جزء إعادة الضغط وجزء الضغط الأولي لعمليات التماسك، كما يلي:

${\displaystyle \delta _{c}={\frac {C_{r}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zc}'}{\sigma _{z0}'}}\right)+{\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{zc}'}}\right)\ }$

حيث σ _zc هو إجهاد ما قبل التصلب للتربة.

تفترض هذه الطريقة أن التصلب يحدث في بُعد واحد فقط. تُستخدم بيانات المختبر لرسم مخطط بياني يوضح العلاقة بين الانفعال أو نسبة الفراغات والإجهاد الفعال ، حيث يكون محور الإجهاد الفعال على مقياس لوغاريتمي . ميل المخطط هو معامل الانضغاط أو معامل إعادة الانضغاط. ومن ثم، يمكن تحديد معادلة هبوط التصلب لتربة متماسكة طبيعيًا على النحو التالي:

تُعتبر التربة التي أُزيل عنها الحمل "مُفرطة التماسك". وينطبق هذا على التربة التي كانت مغطاة بالأنهار الجليدية أو التي تأثرت بهبوط الأرض . ^{[ 5 ]} يُطلق على أعلى إجهاد تعرضت له التربة اسم " إجهاد ما قبل التماسك ". تُعرَّف "نسبة التماسك الزائد" (OCR) بأنها أعلى إجهاد تعرضت له التربة مقسومًا على الإجهاد الحالي. تُوصف التربة التي تتعرض حاليًا لأعلى إجهاد بأنها "متماسكة بشكل طبيعي" وتكون نسبة التماسك الزائد فيها تساوي واحدًا. يمكن اعتبار التربة "غير متماسكة" أو "غير متماسكة" مباشرةً بعد تطبيق حمل جديد ولكن قبل أن يتبدد ضغط ماء المسام الزائد . في بعض الأحيان، قد توجد طبقات التربة المتكونة بفعل الترسيب الطبيعي في الأنهار والبحار بكثافة منخفضة للغاية يستحيل تحقيقها في جهاز قياس التماسك ؛ تُعرف هذه العملية باسم "التماسك الذاتي". ^{[ 6 ]}

يفترض النموذج النظري أعلاه أن التغير الحجمي لوحدة التربة مع مرور الوقت يعتمد فقط على التغيرات في الإجهاد الفعال نتيجةً للاستعادة التدريجية لضغط ماء المسام إلى حالة الاستقرار. وينطبق هذا على معظم أنواع الرمل والطين ذات المحتوى المنخفض من المواد العضوية. مع ذلك، في التربة الغنية بالمواد العضوية، مثل الخث ، تحدث ظاهرة الزحف ، حيث يتغير حجم التربة تدريجيًا عند إجهاد فعال ثابت. وينتج زحف التربة عادةً عن السلوك اللزج لنظام الطين والماء وانضغاط المادة العضوية.

تُعرف عملية الزحف هذه أحيانًا باسم "التصلب الثانوي" أو "الانضغاط الثانوي" لأنها تتضمن أيضًا تغيرًا تدريجيًا في حجم التربة استجابةً لتطبيق الحمل؛ وتميزها تسمية "الثانوي" عن "التصلب الأولي"، الذي يشير إلى تغير الحجم الناتج عن تبدد ضغط ماء المسام الزائد. ويحدث الزحف عادةً على مدى زمني أطول من التصلب (الأولي)، بحيث أنه حتى بعد استعادة الضغط الهيدروستاتيكي، يحدث بعض الانضغاط للتربة بمعدل بطيء.

من الناحية التحليلية، يُفترض أن معدل الزحف يتناقص أُسّيًا مع مرور الوقت منذ تطبيق الحمل، مما يعطي الصيغة التالية:

${\displaystyle S_{s}={\frac {H_{0}}{1+e_{0}}}C_{a}\log \left({\frac {t}{t_{95}}}\right)\ }$

حيث H ₀ هو ارتفاع وسط التماسك؛ e ₀ هي نسبة الفراغات الأولية؛ Ca _هو مؤشر الضغط الثانوي؛ t هو طول الوقت بعد التماسك المعتبر؛ و t ₉₅ هو طول الوقت اللازم لتحقيق 95٪ من التماسك.

معامل الانضغاطية${\displaystyle a_{v}={\frac {\Delta e}{\Delta \sigma _{'}}}}$ تزداد قابلية انضغاط عينات المعادن الطينية المشبعة بالترتيب التالي: الكاولينيت < الإيليت < السميكتيت . ويتراوح معامل الانضغاط (C_{_c)} ، الذي يُعرَّف بأنه التغير في نسبة الفراغات لكل زيادة عشرة أضعاف في ضغط التصلب، بين 0.19 و0.28 للكاولينيت، وبين 0.50 و1.10 للإيليت، وبين 1.0 و2.6 للمونتوموريلونيت، وذلك باختلاف الأشكال الأيونية. ^{[ 7 ]} وكلما زادت قابلية انضغاط الطين، ازداد تأثير نوع الكاتيون وتركيز الإلكتروليت على قابلية الانضغاط.

معامل انضغاط الحجم${\displaystyle m_{v}={\frac {\Delta V/V}{\Delta \sigma _{'}}}={\frac {a_{v}}{\Delta \sigma _{'}}}}$

• التراص (الجيولوجيا)
• التسوية (الهيكلية)
• ميكانيكا التربة
• التصليد بالتفريغ

• كودوتو، دونالد (2001)، تصميم الأساسات ، برنتيس هول، رقم ISBN 0-13-589706-8
• كيم، ميونغ مو (2000)، ميكانيكا التربة (باللغة الكورية) (  الطبعة الرابعة)، سيول : مونوندانغ، ISBN 89-7393-053-2
• تيرزاجي، كارل (1943)، ميكانيكا التربة النظرية ، جون وايلي وأولاده، ص  265