الهندسة الجيوتقنية

الهندسة الجيوتقنية ، والمعروفة أيضًا باسم الجيوتكنيك ، هي فرع من فروع الهندسة المدنية التي تهتم بالسلوك الهندسي لمواد الأرض . وهي تستخدم مبادئ ميكانيكا التربة وميكانيكا الصخور لحل مشاكلها الهندسية . كما تعتمد على معرفة الجيولوجيا وعلم المياه والجيوفيزياء وغيرها من العلوم ذات الصلة.

للهندسة الجيوتقنية تطبيقات في الهندسة العسكرية وهندسة التعدين وهندسة البترول وهندسة السواحل والبناء البحري . تتداخل مجالات الهندسة الجيوتقنية والجيولوجيا الهندسية في مجالات المعرفة. ومع ذلك، في حين أن الهندسة الجيوتقنية هي تخصص من تخصصات الهندسة المدنية ، فإن الجيولوجيا الهندسية هي تخصص من تخصصات الجيولوجيا .

استخدم البشر التربة تاريخيًا كمواد للتحكم في الفيضانات وأغراض الري ومواقع الدفن وأساسات المباني ومواد البناء للمباني. توفر السدود والقنوات التي يعود تاريخها إلى عام 2000 قبل الميلاد على الأقل - والتي وجدت في أجزاء من مصر القديمة وبلاد ما بين النهرين القديمة والهلال الخصيب والمستوطنات المبكرة في موهينجو دارو وهارابا في وادي السند - دليلاً على الأنشطة المبكرة المرتبطة بالري والتحكم في الفيضانات . مع توسع المدن، تم تشييد الهياكل ودعمها بأساسات رسمية. قام الإغريق القدماء بشكل ملحوظ ببناء قواعد مبطنة وأساسات شريطية وطوافات. ومع ذلك، حتى القرن الثامن عشر، لم يتم تطوير أي أساس نظري لتصميم التربة، وكان التخصص فنًا أكثر من كونه علمًا، ويعتمد على الخبرة. ^[1]

دفعت العديد من المشاكل الهندسية المتعلقة بالأساسات، مثل برج بيزا المائل ، العلماء إلى البدء في اتباع نهج أكثر علمية لفحص باطن الأرض. حدثت أقدم التطورات في تطوير نظريات ضغط الأرض لبناء الجدران الاستنادية . تعرف هنري غوتييه، وهو مهندس ملكي فرنسي، على "الميل الطبيعي" للتربة المختلفة في عام 1717، وهي الفكرة التي عُرفت لاحقًا باسم زاوية سكون التربة . وفي نفس الوقت تقريبًا، تم أيضًا تطوير نظام تصنيف بدائي للتربة بناءً على وزن الوحدة للمادة، والذي لم يعد يُعتبر مؤشرًا جيدًا لنوع التربة. ^{[1] [2]}

تم توثيق تطبيق مبادئ الميكانيكا على التربة في وقت مبكر يعود إلى عام 1773 عندما طور تشارلز كولومب ، وهو فيزيائي ومهندس، طرقًا محسنة لتحديد ضغوط الأرض ضد الأسوار العسكرية. لاحظ كولومب أنه عند الفشل، سيتشكل مستوى انزلاق مميز خلف جدار احتجاز منزلق واقترح أن أقصى إجهاد قص على مستوى الانزلاق، لأغراض التصميم، كان مجموع تماسك التربة، و والاحتكاك ، حيث هو الإجهاد العمودي على مستوى الانزلاق و هي زاوية احتكاك التربة. من خلال الجمع بين نظرية كولومب وحالة الإجهاد ثنائية الأبعاد لكريستيان أوتو مور ، أصبحت النظرية تُعرف باسم نظرية مور-كولومب . على الرغم من أنه من المعترف به الآن أن التحديد الدقيق للتماسك أمر مستحيل لأنه ليس خاصية أساسية للتربة، إلا أن نظرية مور-كولومب لا تزال مستخدمة في الممارسة العملية اليوم. ^[3]${\displaystyle c}$${\displaystyle \sigma \,\!}$ ${\displaystyle \tan(\phi \,\!)}$${\displaystyle \sigma \,\!}$${\displaystyle \phi \,\!}$${\displaystyle c}$

في القرن التاسع عشر، طور هنري دارسي ما يُعرف الآن بقانون دارسي ، الذي يصف تدفق السوائل في وسط مسامي . طور جوزيف بوسينسك ، عالم الرياضيات والفيزياء، نظريات توزيع الإجهاد في المواد الصلبة المرنة التي أثبتت فائدتها في تقدير الإجهادات في العمق في الأرض. طور ويليام رانكين ، المهندس والفيزيائي، بديلاً لنظرية ضغط الأرض لكولومب. طور ألبرت أتيربيرج مؤشرات اتساق الطين التي لا تزال تستخدم حتى اليوم لتصنيف التربة. ^{[1] [2]} في عام 1885، أدرك أوزبورن رينولدز أن القص يسبب تمددًا حجميًا للمواد الكثيفة وانكماشًا للمواد الحبيبية السائبة .

يقال إن الهندسة الجيوتقنية الحديثة بدأت في عام 1925 بنشر كتاب Erdbaumechanik بواسطة كارل فون تيرزاجي ، وهو مهندس ميكانيكي وجيولوجي. يعتبره الكثيرون أبا ميكانيكا التربة الحديثة والهندسة الجيوتقنية، حيث طور تيرزاجي مبدأ الإجهاد الفعال ، وأثبت أن قوة القص للتربة يتم التحكم فيها بواسطة الإجهاد الفعال. ^[4] كما طور تيرزاجي إطارًا لنظريات قدرة تحمل الأساسات، ونظرية التنبؤ بمعدل ترسيب طبقات الطين بسبب التماسك . ^{[1] [3] [5]} بعد ذلك، طور موريس بيو نظرية تماسك التربة ثلاثية الأبعاد بالكامل، ووسع النموذج أحادي البعد الذي طوره تيرزاجي سابقًا إلى فرضيات أكثر عمومية وقدم مجموعة المعادلات الأساسية لمرونة المسام .

في كتابه الصادر عام 1948، اعترف دونالد تايلور بأن تشابك وتمدد الجسيمات المعبأة بكثافة يساهم في قوة الذروة للتربة. ومع نشر كتاب " حول خضوع التربة" في عام 1958، أسس روسكو وسكوفيلد وروث العلاقات المتبادلة بين سلوك التغير في الحجم (التمدد والانكماش والتماسك) وسلوك القص باستخدام نظرية اللدونة باستخدام ميكانيكا التربة في الحالة الحرجة. تشكل ميكانيكا التربة في الحالة الحرجة الأساس للعديد من النماذج التكوينية المتقدمة المعاصرة التي تصف سلوك التربة. ^[6]

في عام 1960، أجرى أليك سكيمبتون مراجعة موسعة للصيغ المتاحة والبيانات التجريبية في الأدبيات حول صحة الإجهاد الفعال في التربة والخرسانة والصخور من أجل رفض بعض هذه التعبيرات، وكذلك توضيح التعبيرات المناسبة وفقًا للعديد من فرضيات العمل، مثل سلوك الإجهاد أو القوة، والوسائط المشبعة أو غير المشبعة، وسلوك الصخور أو الخرسانة أو التربة.

يقوم مهندسو الجيوتقنية بفحص وتحديد خصائص الظروف والمواد الموجودة تحت السطح. كما يقومون بتصميم أعمال الحفر والهياكل الداعمة والأنفاق وأساسات الهياكل المقابلة ، وقد يشرفون على المواقع ويقيمونها، الأمر الذي قد يتضمن أيضًا مراقبة الموقع بالإضافة إلى تقييم المخاطر والتخفيف من المخاطر الطبيعية . ^[7] [ ^8]

يقوم مهندسو الجيوتقنية وعلماء الجيولوجيا الهندسية بإجراء تحقيقات جيوتقنية للحصول على معلومات حول الخصائص الفيزيائية للتربة والصخور الموجودة أسفل الموقع أو بجواره لتصميم أعمال الحفر والأساسات للهياكل المقترحة ولإصلاح الضيق الذي يلحق بالأعمال الترابية والهياكل بسبب الظروف تحت السطحية. تتضمن التحقيقات الجيوتقنية استكشاف السطح وتحت السطح للموقع، وغالبًا ما يشمل ذلك أخذ عينات من باطن الأرض واختبار عينات التربة المسترجعة في المختبر. في بعض الأحيان، تُستخدم أيضًا الأساليب الجيوفيزيائية للحصول على البيانات، والتي تشمل قياس الموجات الزلزالية (الضغط والقص وموجات رايلي )، وطرق الموجات السطحية وطرق الحفر، والمسوحات الكهرومغناطيسية (مقياس المغناطيسية، والمقاومة ، والرادار الأرضي ). يمكن استخدام التصوير المقطعي الكهربائي لمسح خصائص التربة والصخور والبنية التحتية تحت الأرض الموجودة في مشاريع البناء. ^[9]

يمكن أن يشمل استكشاف السطح المسوحات سيرًا على الأقدام، ورسم الخرائط الجيولوجية ، والطرق الجيوفيزيائية ، والتصوير الفوتوغرامتري . يتم إكمال رسم الخرائط الجيولوجية وتفسير أشكال الأرض عادةً بالتشاور مع جيولوجي أو جيولوجي هندسي . يتضمن استكشاف باطن الأرض عادةً اختبارات في الموقع (على سبيل المثال، اختبار الاختراق القياسي واختبار اختراق المخروط ). يمكن أيضًا استخدام حفر حفر الاختبار والخنادق (خاصة لتحديد الأعطال والمستويات المنزلقة ) لمعرفة المزيد عن ظروف التربة في العمق. نادرًا ما يتم استخدام عمليات الحفر ذات القطر الكبير بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة والتكاليف. ومع ذلك، تُستخدم أحيانًا للسماح لجيولوجي أو مهندس بالنزول إلى البئر لإجراء فحص بصري ويدوي مباشر للتربة وطبقات الصخور .

توجد أجهزة أخذ عينات تربة مختلفة لتلبية احتياجات المشاريع الهندسية المختلفة. يعد اختبار الاختراق القياسي ، الذي يستخدم جهاز أخذ عينات ذو جدار سميك ومقسم بملعقة، الطريقة الأكثر شيوعًا لجمع العينات المضطربة. تُستخدم أجهزة أخذ العينات المكبسية، التي تستخدم أنبوبًا رقيق الجدار، بشكل شائع لجمع عينات أقل اضطرابًا. تعد الطرق الأكثر تقدمًا، مثل جهاز أخذ العينات الكتلي شيربروك، متفوقة ولكنها باهظة الثمن. يوفر أخذ عينات من الأرض المتجمدة عينات عالية الجودة غير مضطربة من ظروف الأرض، مثل الحشو والرمل والمورين ومناطق كسر الصخور. ^[10]

النمذجة الجيوتقنية باستخدام أجهزة الطرد المركزي هي طريقة أخرى لاختبار النماذج الفيزيائية للمشاكل الجيوتقنية. إن استخدام أجهزة الطرد المركزي يعزز من تشابه اختبارات النماذج الفيزيائية التي تتضمن التربة لأن قوة التربة وصلابتها عرضة للضغط الحابس . يسمح التسارع الطردي للباحث بالحصول على إجهادات كبيرة (على نطاق النموذج الأولي) في نماذج فيزيائية صغيرة.

ينقل أساس البنية التحتية للهيكل الأحمال من الهيكل إلى الأرض. يصمم مهندسو الجيوتقنية الأساسات بناءً على خصائص الحمل للهيكل وخصائص التربة والصخور الأساسية في الموقع. بشكل عام، يقدر مهندسو الجيوتقنية أولاً حجم وموقع الأحمال التي يجب دعمها قبل وضع خطة تحقيق لاستكشاف باطن الأرض وتحديد معلمات التربة اللازمة من خلال الاختبارات الميدانية والمعملية. بعد ذلك، قد يبدأون في تصميم الأساس الهندسي. الاعتبارات الأساسية لمهندس الجيوتقنية في تصميم الأساس هي القدرة على التحمل والهبوط وحركة الأرض أسفل الأساسات. ^[11]

ويشارك المهندسون الجيوتقنيون أيضًا في تخطيط وتنفيذ الأعمال الترابية ، والتي تشمل تحسين الأرض، ^[11] وتثبيت المنحدر، وتحليل استقرار المنحدر.

يمكن استخدام طرق هندسية جيوتقنية مختلفة لتحسين التربة، بما في ذلك المواد الجيوسينثتيكية المقواة مثل الخلايا الجيولوجية والشبكات الجيولوجية، والتي تعمل على توزيع الأحمال على مساحة أكبر، مما يزيد من قدرة التربة على تحمل الأحمال. ومن خلال هذه الطرق، يمكن لمهندسي الجيوتقنية تقليل التكاليف المباشرة وطويلة الأجل. ^[12]

يستطيع مهندسو الجيوتقنية تحليل وتحسين استقرار المنحدر باستخدام الأساليب الهندسية. يتم تحديد استقرار المنحدر من خلال توازن إجهاد القص وقوة القص . قد يتأثر المنحدر المستقر سابقًا في البداية بعوامل مختلفة، مما يجعله غير مستقر. ومع ذلك، يمكن لمهندسي الجيوتقنية تصميم وتنفيذ المنحدرات الهندسية لزيادة الاستقرار.

يُعد تحليل الاستقرار ضروريًا لتصميم المنحدرات الهندسية وتقدير مخاطر فشل المنحدرات الطبيعية أو المصممة من خلال تحديد الظروف التي ستنزلق فيها الكتلة العلوية من التربة بالنسبة لقاعدة التربة وتؤدي إلى فشل المنحدر. ^[13] إذا كانت الواجهة بين الكتلة وقاعدة المنحدر ذات هندسة معقدة، فإن تحليل استقرار المنحدر يكون صعبًا وتكون هناك حاجة إلى طرق حل عددية . عادةً ما تكون الهندسة الدقيقة للواجهة غير معروفة، ويُفترض وجود هندسة واجهة مبسطة. تتطلب المنحدرات المحدودة تحليل نماذج ثلاثية الأبعاد، لذلك يتم تحليل معظم المنحدرات على افتراض أنها واسعة بلا حدود ويمكن تمثيلها بنماذج ثنائية الأبعاد.

المواد الجيوسينثتية هي نوع من منتجات البوليمر البلاستيكية المستخدمة في الهندسة الجيوتقنية والتي تعمل على تحسين الأداء الهندسي مع تقليل التكاليف. ويشمل ذلك الجيوتكستايل والشبكات الجيوتقنية والأغشية الجيولوجية والخلايا الجيولوجية والمركبات الجيولوجية . الطبيعة الاصطناعية للمنتجات تجعلها مناسبة للاستخدام في الأرض حيث تكون هناك حاجة إلى مستويات عالية من المتانة. وتشمل وظائفها الرئيسية الصرف والترشيح والتعزيز والفصل والاحتواء.

تتوفر المواد الجيوسينثتيكية في مجموعة واسعة من الأشكال والمواد، كل منها يناسب استخدامًا نهائيًا مختلفًا قليلاً، على الرغم من استخدامها معًا بشكل متكرر. وقد أظهرت بعض المواد الجيوسينثتيكية التعزيزية، مثل الشبكات الجيوتقنية ومؤخرًا أنظمة الاحتواء الخلوية ، أنها تعمل على تحسين القدرة على التحمل وعوامل المرونة وصلابة التربة وقوتها. ^[14] تتمتع هذه المنتجات بمجموعة واسعة من التطبيقات وتُستخدم حاليًا في العديد من تطبيقات الهندسة المدنية والجيوتقنية بما في ذلك الطرق والمطارات والسكك الحديدية والسدود والسدود المكدسة والهياكل الاحتجازية والخزانات والقنوات والسدود ومكبات النفايات وحماية البنوك والهندسة الساحلية. ^[15]

تهتم الهندسة الجيوتقنية البحرية بتصميم الأساسات للمنشآت التي صنعها الإنسان في البحر ، بعيدًا عن الساحل ( على النقيض من الهندسة البرية أو القريبة من الشاطئ ) . منصات النفط والجزر الاصطناعية وخطوط الأنابيب البحرية هي أمثلة على هذه الهياكل. [ ^16]

هناك عدد من الاختلافات الهامة بين الهندسة الجيوتقنية البرية والبحرية. ^{[16] [17]} والجدير بالذكر أن التحقيق في الموقع وتحسين الأرض في قاع البحر أكثر تكلفة؛ وتتعرض الهياكل البحرية لمجموعة أوسع من المخاطر الجيولوجية ؛ والعواقب البيئية والمالية أعلى في حالة الفشل. تتعرض الهياكل البحرية لأحمال بيئية مختلفة، ولا سيما الرياح والأمواج والتيارات . قد تؤثر هذه الظواهر على سلامة أو قابلية خدمة الهيكل وأساسه خلال عمره التشغيلي ويجب أخذها في الاعتبار في التصميم البحري.

في الهندسة الجيوتقنية تحت سطح البحر ، تعتبر مواد قاع البحر مادة من مرحلتين تتكون من جزيئات صخرية أو معدنية وماء. ^{[18] [19]} قد تكون الهياكل ثابتة في مكانها في قاع البحر - كما هو الحال بالنسبة للأرصفة والمراسي وطواحين الهواء ذات القاع الثابت - أو قد تتكون من هيكل عائم يظل ثابتًا تقريبًا بالنسبة لنقطة تثبيته الجيوتقنية. تشمل عمليات ربط الهياكل العائمة المصممة بواسطة الإنسان تحت سطح البحر عددًا كبيرًا من منصات النفط والغاز البحرية ، ومنذ عام 2008، عدد قليل من توربينات الرياح العائمة . هناك نوعان شائعان من التصميم الهندسي لرسو الهياكل العائمة يشملان أنظمة ربط الساق المشدودة والسلسلة . ^[20]

تم اقتراح هذه الطريقة لأول مرة بواسطة كارل تيرزاجي وتم مناقشتها لاحقًا في ورقة بحثية بواسطة رالف ب. بيك ، وهي عملية مُدارة للتحكم في البناء ومراقبته ومراجعته، مما يتيح دمج التعديلات أثناء وبعد البناء. تهدف الطريقة إلى تحقيق اقتصاد إجمالي أكبر دون المساس بالسلامة من خلال إنشاء تصميمات تستند إلى الظروف الأكثر احتمالية بدلاً من الظروف الأكثر سوءًا. ^[21] باستخدام طريقة المراقبة، يتم سد الفجوات في المعلومات المتاحة من خلال القياسات والتحقيق، مما يساعد في تقييم سلوك الهيكل أثناء البناء ، والذي بدوره يمكن تعديله وفقًا للنتائج. وصف بيك هذه الطريقة بأنها "تعلم أثناء التنفيذ". ^[22]

يمكن وصف طريقة المراقبة على النحو التالي: ^[22]

1. استكشاف عام كافي لتحديد طبيعة الرواسب ونمطها وخصائصها .
2. تقييم الظروف الأكثر احتمالا والانحرافات الأكثر سلبية التي يمكن تصورها.
3. إنشاء التصميم بناءً على فرضية عمل للسلوك المتوقع في ظل الظروف الأكثر احتمالية.
4. اختيار الكميات التي يجب مراعاتها أثناء تنفيذ أعمال البناء وحساب قيمها المتوقعة بناءً على فرضية العمل في ظل أكثر الظروف غير المواتية.
5. الاختيار المسبق لمسار العمل أو تعديل التصميم لكل انحراف كبير يمكن التنبؤ به عن النتائج الرصدية من تلك المتوقعة.
6. قياس الكميات وتقييم الظروف الفعلية.
7. تعديل التصميم وفقا للظروف الفعلية

الطريقة الرصدية مناسبة للبناء الذي بدأ بالفعل عندما يحدث تطور غير متوقع أو عندما يلوح فشل أو حادث أو حدث بالفعل. وهي غير مناسبة للمشاريع التي لا يمكن تغيير تصميمها أثناء البناء. ^[22]

• بيتس وجاكسون، 1980، مسرد الجيولوجيا: المعهد الجيولوجي الأمريكي.
• كرينين وجود، 1957، مبادئ الجيولوجيا الهندسية والجيوتقنية: ماكجرو هيل، نيويورك.
• فينتورا، بييرفرانكو، 2019، مؤسسة، المجلد 1، Modellazioni statiche e sismiche، Hoepli، ميلانو

• قاعدة بيانات الأدبيات الجيوتقنية العالمية