الجيولوجيا الهندسية

الجيولوجيا الهندسية هي تطبيق علم الجيولوجيا على الدراسات الهندسية لضمان مراعاة العوامل الجيولوجية المتعلقة بموقع وتصميم وبناء وتشغيل وصيانة المنشآت الهندسية. ^{[ 1 ]} يقدم الجيولوجيون الهندسيون توصيات وتحليلات وتصاميم جيولوجية وجيوتقنية مرتبطة بالتنمية البشرية وأنواع مختلفة من المنشآت. ^{[ 2 ]} يختص الجيولوجي الهندسي أساسًا بدراسة تفاعلات الأرض مع المنشآت، أو بحث كيفية تأثير الأرض أو عملياتها على المنشآت والأنشطة البشرية.

قد تُجرى دراسات الجيولوجيا الهندسية خلال مراحل التخطيط، وتحليل الأثر البيئي، والتصميم الهندسي المدني أو الإنشائي، وهندسة القيمة، والإنشاء في مشاريع الأشغال العامة والخاصة، وكذلك خلال مراحل ما بعد الإنشاء والتحقيقات. تشمل أعمال الجيولوجيين الهندسيين: تقييم المخاطر الجيولوجية ، والخصائص الجيوتقنية ، وخصائص المواد، ودراسة الانهيارات الأرضية واستقرار المنحدرات، والتعرية ، والفيضانات ، ونزح المياه ، والتحقيقات الزلزالية ، وغيرها. ^{[ 3 ]} يُجري دراسات الجيولوجيا الهندسية جيولوجي أو جيولوجي هندسي مُؤهل ومدرب ولديه خبرة في التعرف على العمليات الطبيعية وتفسيرها، وفهم كيفية تأثير هذه العمليات على المنشآت البشرية (والعكس صحيح)، ومعرفة طرق التخفيف من المخاطر الناجمة عن الظروف الطبيعية أو البشرية المعاكسة. الهدف الرئيسي للجيولوجي الهندسي هو حماية الأرواح والممتلكات من الأضرار الناجمة عن مختلف الظروف الجيولوجية. ^{[ 4 ]}

ترتبط ممارسة الهندسة الجيولوجية ارتباطًا وثيقًا بممارسة الهندسة الجيولوجية والهندسة الجيوتقنية . وإذا وُجد اختلاف في محتوى هذه التخصصات، فإنه يكمن أساسًا في تدريب الممارس أو خبرته.

على الرغم من أن دراسة الجيولوجيا موجودة منذ قرون، على الأقل بشكلها الحديث، فإن علم وممارسة الجيولوجيا الهندسية لم يبدأ كتخصص معترف به إلا في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. نُشر أول كتاب بعنوان "الجيولوجيا الهندسية" عام 1880 بقلم ويليام بينينغ. في أوائل القرن العشرين، عمل تشارلز بيتر بيركي ، وهو جيولوجي أمريكي مُدرَّب يُعتبر أول جيولوجي هندسي أمريكي ، في العديد من مشاريع إمدادات المياه لمدينة نيويورك، ثم عمل لاحقًا في سد هوفر والعديد من المشاريع الهندسية الأخرى. كُتب أول كتاب مدرسي أمريكي في الجيولوجيا الهندسية عام 1914 بقلم ريس وواتسون. في عام 1921، بدأ ريجينالد دبليو بروك ، أول عميد للعلوم التطبيقية في جامعة كولومبيا البريطانية ، أول برامج دراسية في الهندسة الجيولوجية على مستوى البكالوريوس والدراسات العليا، مشيرًا إلى أن الطلاب الحاصلين على أساس هندسي يُصبحون جيولوجيين ممارسين من الطراز الأول. في عام ١٩٢٥، نشر كارل تيرزاجي ، المهندس والجيولوجي النمساوي، أول كتاب في ميكانيكا التربة (باللغة الألمانية). يُعرف تيرزاجي بأنه رائد ميكانيكا التربة، ولكنه كان مهتمًا أيضًا بالجيولوجيا؛ إذ اعتبر ميكانيكا التربة فرعًا من فروع الجيولوجيا الهندسية. وفي عام ١٩٢٩، نشر تيرزاجي، بالاشتراك مع ريدليش وكامبي، كتابهم الخاص في الجيولوجيا الهندسية (باللغة الألمانية أيضًا).

برزت الحاجة إلى الجيولوجيين في المشاريع الهندسية على مستوى العالم عام 1928 مع انهيار سد سانت فرانسيس في كاليفورنيا ووفاة 426 شخصًا. كما حفزت المزيد من الإخفاقات الهندسية التي وقعت في السنوات اللاحقة الحاجة إلى الجيولوجيين الهندسيين للعمل في المشاريع الهندسية الكبرى.

في عام 1951، تم تقديم أحد أقدم تعريفات "جيولوجي الهندسة" أو "جيولوجي الهندسة المحترف" من قبل اللجنة التنفيذية لقسم جيولوجيا الهندسة في الجمعية الجيولوجية الأمريكية .

يُعدّ تفسير التضاريس والعمليات الأرضية لتحديد المخاطر الجيولوجية المحتملة والمخاطر البشرية المنشأ، التي قد تؤثر بشكل كبير على المنشآت المدنية والتنمية البشرية، من أهم أدوار الجيولوجي الهندسي. تُمكّن الخلفية الجيولوجية الجيولوجي الهندسي من فهم كيفية عمل الأرض، وهو أمر بالغ الأهمية للحدّ من المخاطر المرتبطة بها. كما يحمل معظم الجيولوجيين الهندسيين شهادات عليا في تخصصات ميكانيكا التربة ، وميكانيكا الصخور ، والجيوتقنية ، والمياه الجوفية ، والهيدرولوجيا ، والتصميم المدني. يُتيح هذان الجانبان من تعليم الجيولوجي الهندسي لهم قدرة فريدة على فهم المخاطر المرتبطة بتفاعلات الأرض مع المنشآت والتخفيف من آثارها.

يمكن إجراء التحقيقات والدراسات في مجال الجيولوجيا الهندسية:

• للمشاريع السكنية والتجارية والصناعية؛
• للمنشآت الحكومية والعسكرية ؛
• للأشغال العامة مثل نظام تصريف مياه الأمطار، ومحطة توليد الطاقة ، وتوربينات الرياح ، وخطوط النقل ، ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي ، ومحطات معالجة المياه ، وخطوط الأنابيب ( القنوات المائية ، ومجاري الصرف الصحي ، ومصبات المياه )، والأنفاق ، والإنشاءات بدون حفر ، والقنوات ، والسدود ، والخزانات ، وأساسات المباني، والسكك الحديدية ، والنقل العام ، والطرق السريعة ، والجسور ، والتحديثات الزلزالية ، والمطارات والحدائق؛
• لتطوير المناجم والمحاجر ، وسدود مخلفات المناجم، واستصلاح المناجم ، وحفر أنفاق المناجم ؛
• لبرامج استعادة الأراضي الرطبة والموائل الطبيعية ؛
• لمواقع معالجة النفايات الخطرة الحكومية أو التجارية أو الصناعية؛
• لأغراض الهندسة الساحلية ، وتجديد الرمال ، واستقرار المنحدرات أو الجرف البحري ، وتطوير الموانئ والأرصفة والواجهات البحرية؛
• للمصبات البحرية ، ومنصات الحفر ، وخطوط الأنابيب والكابلات تحت سطح البحر؛ و
• لأنواع أخرى من المرافق.

تشمل المخاطر الجيولوجية النموذجية أو الظروف المعاكسة الأخرى التي يقوم مهندس جيولوجي بتقييمها والتخفيف من آثارها ما يلي:

• تمزق الصدع على الصدوع النشطة زلزالياً ؛
• المخاطر الزلزالية (اهتزاز الأرض، والتسييل ، والاندفاع، والانتشار الجانبي ، والتسونامي ، وأحداث التذبذب ) ؛
• مخاطر الانهيارات الأرضية ، والتدفقات الطينية ، وسقوط الصخور ، وتدفقات الحطام ، والانهيارات الثلجية ؛
• المنحدرات غير المستقرة واستقرار المنحدرات ؛
• التعرية ؛
• انزلاق وتمدد التكوينات الجيولوجية، مثل تمدد الصقيع ؛
• هبوط الأرض (مثل الهبوط الناتج عن سحب المياه الجوفية ، وانهيار البالوعات ، وانهيار الكهوف ، وتحلل التربة العضوية، والحركة التكتونية )؛
• المخاطر البركانية ( الانفجارات البركانية ، والينابيع الساخنة ، والتدفقات البركانية الفتاتية ، وتدفق الحطام ، وانهيار الحطام ، وانبعاثات الغازات البركانية ، والزلازل البركانية )؛
• صخور غير قابلة للتكسير أو قابلة للتكسير بشكل هامشي تتطلب تكسيرًا أو تفجيرًا كثيفًا ؛
• التربة الضعيفة والقابلة للانهيار، وفشل تحمل الأساسات؛
• المياه الجوفية الضحلة/التسرب؛ و
• أنواع أخرى من القيود الجيولوجية.

قد يُطلب من الجيولوجي الهندسي أو الجيوفيزيائي تقييم قابلية الحفر (أي قابلية التفتيت ) لمواد الأرض (الصخور) لتقييم الحاجة إلى التفجير المسبق أثناء أعمال الحفر، بالإضافة إلى الآثار المرتبطة بالاهتزاز أثناء التفجير في المشاريع.

ميكانيكا التربة هي فرع من فروع الهندسة الميكانيكية يطبق مبادئ الهندسة الميكانيكية، مثل علم الحركة، وعلم الديناميكا، وميكانيكا الموائع ، وميكانيكا المواد، للتنبؤ بالسلوك الميكانيكي للتربة. أما ميكانيكا الصخور فهي العلم النظري والتطبيقي للسلوك الميكانيكي للصخور والكتل الصخرية؛ وهي فرع من فروع الميكانيكا يهتم باستجابة الصخور والكتل الصخرية لقوى بيئتها الفيزيائية. وترتبط العمليات الأساسية جميعها بسلوك الأوساط المسامية. وتشكل ميكانيكا التربة والصخور معًا أساسًا لحل العديد من مشاكل الهندسة الجيولوجية.

تشمل الأساليب التي يستخدمها الجيولوجيون الهندسيون في دراساتهم ما يلي:

• رسم الخرائط الجيولوجية الميدانية للهياكل الجيولوجية والتكوينات الجيولوجية ووحدات التربة والمخاطر؛
• مراجعة الأدبيات الجيولوجية، والخرائط الجيولوجية، والتقارير الجيوتقنية، والخطط الهندسية، والتقارير البيئية ، والصور الجوية المجسمة ، وبيانات الاستشعار عن بعد ، وبيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والخرائط الطبوغرافية، وصور الأقمار الصناعية ؛
• التنقيب وأخذ العينات وتسجيل مواد الأرض/الصخور في الحفر المحفورة، وحفر اختبار الحفارات، والخنادق، وحفر الخنادق الصدعية، وحفر الجرافات؛
• المسوحات الجيوفيزيائية (مثل المسوحات الزلزالية الانكسارية ، ومسوحات المقاومة ، ومسوحات الرادار المخترق للأرض ، ومسوحات المغناطيسية ، والمسوحات الكهرومغناطيسية ، والتصوير عالي الدقة لطبقات ما تحت القاع، وغيرها من الطرق الجيوفيزيائية)؛
• مراقبة التشوه هي القياس والتتبع المنهجي للتغير في شكل أو أبعاد جسم ما نتيجة لتطبيق إجهاد عليه يدويًا أو باستخدام نظام مراقبة تشوه آلي ؛
• طرق أخرى.

تُختتم الأعمال الميدانية عادةً بتحليل البيانات وإعداد تقرير جيولوجي هندسي، أو تقرير جيوتقني، أو موجز تصميم، أو تقرير مخاطر الصدوع أو المخاطر الزلزالية، أو تقرير جيوفيزيائي، أو تقرير موارد المياه الجوفية ، أو تقرير هيدروجيولوجي . ويمكن إعداد التقرير الجيولوجي الهندسي بالتزامن مع التقرير الجيوتقني، ولكنه عادةً ما يتضمن نفس التحليل الجيوتقني وتوصيات التصميم التي تُقدم في التقرير الجيوتقني. ويصف التقرير الجيولوجي الهندسي الأهداف والمنهجية والمراجع المذكورة والاختبارات التي أُجريت والنتائج والتوصيات المتعلقة بتطوير وتصميم الأعمال الهندسية بالتفصيل. كما يُقدم الجيولوجيون الهندسيون بيانات جيولوجية على الخرائط الطبوغرافية والصور الجوية والخرائط الجيولوجية وخرائط نظم المعلومات الجغرافية (GIS) أو غيرها من قواعد البيانات الخرائطية.