الهندسة الجيوتقنية

الهندسة الجيوتقنية ، والمعروفة أيضاً باسم الجيوتقنية ، هي فرع من فروع الهندسة المدنية يهتم بدراسة السلوك الهندسي لمواد الأرض . وتستخدم مبادئ ميكانيكا التربة وميكانيكا الصخور لحل المشكلات الهندسية . كما تعتمد على معرفة الجيولوجيا ، والهيدرولوجيا ، والجيوفيزياء ، وغيرها من العلوم ذات الصلة.

تُستخدم الهندسة الجيوتقنية في الهندسة العسكرية ، وهندسة التعدين ، وهندسة البترول ، والهندسة الساحلية ، والإنشاءات البحرية . وتتداخل مجالات المعرفة في الهندسة الجيوتقنية والجيولوجيا الهندسية . ومع ذلك، فبينما تُعدّ الهندسة الجيوتقنية تخصصًا من تخصصات الهندسة المدنية ، تُعدّ الجيولوجيا الهندسية تخصصًا من تخصصات الجيولوجيا .

استخدم البشر التربة تاريخيًا كمادة للتحكم في الفيضانات، ولأغراض الري، ومواقع الدفن، وأساسات المباني، ومواد البناء. وتُعدّ السدود والقنوات التي يعود تاريخها إلى 2000 قبل الميلاد على الأقل - والتي عُثر عليها في أجزاء من مصر القديمة ، وبلاد ما بين النهرين القديمة ، والهلال الخصيب ، والمستوطنات المبكرة في موهينجو دارو وهارابا في وادي السند - دليلًا على الأنشطة المبكرة المرتبطة بالري والتحكم في الفيضانات . ومع توسع المدن، شُيّدت المباني ودُعمت بأساسات مُنظّمة. ومن الجدير بالذكر أن الإغريق القدماء بنوا أساسات مُسطّحة وأساسات شريطية. ومع ذلك، وحتى القرن الثامن عشر، لم يكن هناك أساس نظري لتصميم التربة، وكان هذا المجال أقرب إلى الفن منه إلى العلم، معتمدًا على الخبرة. ^{[ 1 ]}

دفعت العديد من المشكلات الهندسية المتعلقة بالأساسات، مثل برج بيزا المائل ، العلماء إلى تبني نهج علمي أكثر دقة لدراسة باطن الأرض. وقد ظهرت أولى التطورات في مجال نظريات ضغط التربة لبناء الجدران الاستنادية . في عام 1717، أدرك هنري غوتييه، المهندس الملكي الفرنسي، "الميل الطبيعي" لأنواع التربة المختلفة، وهي فكرة عُرفت لاحقًا بزاوية استقرار التربة . وفي نفس الفترة تقريبًا، طُوّر نظام تصنيف بدائي للتربة يعتمد على وزنها النوعي، والذي لم يعد يُعتبر مؤشرًا دقيقًا لنوع التربة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تم توثيق تطبيق مبادئ الميكانيكا على التربة في وقت مبكر من عام 1773 عندما طور تشارلز كولومب ، الفيزيائي والمهندس، طرقًا محسنة لتحديد ضغوط التربة على الأسوار العسكرية. لاحظ كولومب أنه عند الانهيار، يتشكل مستوى انزلاق واضح خلف الجدار الاستنادي المنزلق، واقترح أن أقصى إجهاد قص على مستوى الانزلاق، لأغراض التصميم، هو مجموع تماسك التربة.${\displaystyle c}$والاحتكاك${\displaystyle \sigma \,\!}$${\displaystyle \tan(\phi \,\!)}$، أين${\displaystyle \sigma \,\!}$يمثل الإجهاد الطبيعي على مستوى الانزلاق و${\displaystyle \phi \,\!}$هي زاوية احتكاك التربة. وبدمج نظرية كولوم مع حالة الإجهاد ثنائية الأبعاد لكريستيان أوتو مور ، أصبحت النظرية تُعرف باسم نظرية مور-كولوم . على الرغم من أنه من المسلّم به الآن أن التحديد الدقيق للتماسك مستحيل لأن${\displaystyle c}$على الرغم من أن هذه الخاصية ليست خاصية أساسية للتربة، إلا أن نظرية مور-كولوم لا تزال مستخدمة عمليًا حتى اليوم. ^{[ 3 ]}

في القرن التاسع عشر، وضع هنري دارسي ما يُعرف اليوم بقانون دارسي ، الذي يصف تدفق السوائل في الأوساط المسامية . كما وضع جوزيف بوسينسك ، عالم الرياضيات والفيزياء، نظريات توزيع الإجهاد في المواد الصلبة المرنة، والتي أثبتت جدواها في تقدير الإجهادات على أعماق الأرض. وطوّر ويليام رانكين ، المهندس والفيزيائي، بديلاً لنظرية ضغط التربة لكولوم. أما ألبرت أتربيرغ، فقد وضع مؤشرات قوام الطين التي لا تزال تُستخدم حتى اليوم في تصنيف التربة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وفي عام 1885، أدرك أوزبورن رينولدز أن القصّ يُسبب تمددًا حجميًا للمواد الكثيفة وانكماشًا للمواد الحبيبية الرخوة .

يُقال إن الهندسة الجيوتقنية الحديثة بدأت عام 1925 مع نشر كتاب "ميكانيكا التربة" (Erdbaumechanik) لكارل فون تيرزاجي ، المهندس الميكانيكي والجيولوجي. يُعتبر تيرزاجي، الذي يُنظر إليه على نطاق واسع كأبٍ لميكانيكا التربة والهندسة الجيوتقنية الحديثة، قد وضع مبدأ الإجهاد الفعال ، وأثبت أن مقاومة القص للتربة تتحكم بها هذه المقاومة. ^{[ 4 ]} كما وضع تيرزاجي إطارًا نظريًا لنظريات قدرة تحمل الأساسات، ونظرية التنبؤ بمعدل هبوط طبقات الطين نتيجةً للتصلب . ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 5 ]} بعد ذلك، طور موريس بيو نظرية تصلب التربة ثلاثية الأبعاد بشكل كامل، موسعًا النموذج أحادي البعد الذي طوره تيرزاجي سابقًا ليشمل فرضيات أكثر عمومية، ومقدمًا مجموعة المعادلات الأساسية للمرونة المسامية .

في كتابه الصادر عام ١٩٤٨، أقرّ دونالد تايلور بأنّ تشابك وتمدد الجزيئات المتراصة بكثافة يُسهم في بلوغ التربة أقصى مقاومة لها. وفي عام ١٩٥٨، وضع روسكو وسكوفيلد وورث، من خلال نشر كتابهم " حول خضوع التربة" ، أسسًا للعلاقات المتبادلة بين سلوك تغير الحجم (التمدد والانكماش والتصلب) وسلوك القص، وذلك باستخدام نظرية اللدونة وميكانيكا التربة في الحالة الحرجة. وتُعدّ ميكانيكا التربة في الحالة الحرجة أساسًا للعديد من النماذج التكوينية المتقدمة المعاصرة التي تصف سلوك التربة. ^{[ ٦ ]}

في عام 1960، أجرى أليك سكيمبتون مراجعة شاملة للصيغ المتاحة والبيانات التجريبية في الأدبيات حول صلاحية الإجهاد الفعال في التربة والخرسانة والصخور من أجل رفض بعض هذه التعبيرات، بالإضافة إلى توضيح التعبيرات المناسبة وفقًا للعديد من الفرضيات العملية، مثل سلوك الإجهاد والانفعال أو القوة، والوسائط المشبعة أو غير المشبعة، وسلوك الصخور أو الخرسانة أو التربة.

اقترح كارل تيرزاجي لأول مرة ، ثم ناقش رالف ب. بيك لاحقًا ، أسلوب الملاحظة، وهو عملية مُدارة للتحكم في البناء ومراقبته ومراجعته، تُمكّن من إدخال تعديلات أثناء البناء وبعده. يهدف هذا الأسلوب إلى تحقيق اقتصاد إجمالي أكبر دون المساس بالسلامة، وذلك من خلال تصميمات تستند إلى الظروف الأكثر ترجيحًا بدلًا من الظروف الأكثر سوءًا. ^{[ 21 ]} باستخدام أسلوب الملاحظة، تُسدّ الثغرات في المعلومات المتاحة بالقياسات والدراسات، مما يُساعد في تقييم سلوك الهيكل أثناء البناء ، والذي بدوره يُمكن تعديله وفقًا للنتائج. وصف بيك هذا الأسلوب بأنه "التعلم أثناء العمل". ^{[ 22 ]}

يمكن وصف أسلوب الملاحظة على النحو التالي: ^{[ 22 ]}

1. استكشاف عام كافٍ لتحديد الطبيعة التقريبية والنمط وخصائص الرواسب .
2. تقييم الظروف الأكثر احتمالاً والانحرافات الأكثر سلبية التي يمكن تصورها.
3. إنشاء التصميم بناءً على فرضية عمل للسلوك المتوقع في ظل الظروف الأكثر احتمالاً.
4. اختيار الكميات التي سيتم مراقبتها أثناء سير عملية البناء وحساب قيمها المتوقعة بناءً على فرضية العمل في ظل أسوأ الظروف.
5. اختيار مسار العمل أو تعديل التصميم مسبقًا لكل انحراف كبير متوقع للنتائج الرصدية عن تلك المتوقعة.
6. قياس الكميات وتقييم الظروف الفعلية.
7. تعديل التصميم وفقًا للظروف الفعلية

تُعدّ طريقة الرصد مناسبةً للمشاريع الإنشائية التي بدأت بالفعل، عند حدوث تطور غير متوقع، أو عند توقع حدوث عطل أو حادث ، أو عند وقوعه بالفعل. وهي غير مناسبة للمشاريع التي لا يمكن تعديل تصميمها أثناء الإنشاء. ^{[ 22 ]}

• بيتس وجاكسون، 1980، معجم الجيولوجيا: المعهد الجيولوجي الأمريكي.
• Krynine and Judd, 1957, Principles of Engineering Geology and Geotechnics: McGraw-Hill, New York.
• بييرفرانكو فينتورا، مؤسسة، Modellazioni: Verifiche Statiche e Sismiche Strutture-Terreni، المجلد. أنا ميلانو هوبلي، 2019، ص  770، ISBN 978-88203-8644-3
• بييرفرانكو فينتورا، مؤسسة، تطبيقات: Verifiche Statiche e Sismiche Strutture-Terreni، vol. II، ميلانو، هوبلي، 2019، ص  749، ISBN 978-88-203-8645-0 https://www.hoeplieditore.it/hoepli-catalogo/articolo/fondazioni-modellazioni-pierfrancventura/9788820386443/1451

• قاعدة بيانات الأدبيات الجيوتقنية العالمية