مقالة بعنوان (أساسيات ميكانيك التربة)

تاريخ النشر: 18/09/2020
عدد المشاهدات: 103
تم نشر الموضوع بواسطة: اعلام قسم هندسة تقنيات البناء والانشاءات
أساسيات ميكانيك التربة
إعداد
المهندسة لينا حسين علي
ميكانيكا التربة هو علم التوازن وحركة أجسام التربة. تُفهم التربة هنا على أنها المادة التي تعرضت للعوامل الجوية في الطبقات العليا من قشرة الأرض. يُشار إلى المادة غير المتأثر في هذه القشرة على أنها صخور ، ويسمى هذا الميكان بميكانيكا الصخور. بشكل عام ، الفرق بين التربة والصخور هو تقريبًا أنه في التربة يمكن حفر خندق باستخدام أدوات بسيطة مثل الأشياء بأسمائها الحقيقية أو حتى باليد. أما في الصخور، يجب أولاً أن يتم شطرها بمعدات ثقيلة مثل إزميل أو مطرقة أو جهاز حفر ميكانيكي. عملية التجوية الطبيعية للصخور هي أنه تحت التأثير طويل المدى للشمس والمطر والرياح، فإنه يتحول إلى أحجار (Verruijt, 1994).
يتم تحفيز هذه العملية عن طريق تكسير الأجسام الصخرية عن طريق تجميد وإذابة الماء في شقوق صغيرة في الصخر. يتم نقل الأحجار الخشنة التي يتم إنشاؤها في المناطق الجبلية في اتجاه مجرى النهر عن طريق الجاذبية ، وغالبًا مع المياه في الأنهار. عن طريق الاحتكاك الداخلي ، يتم تقليل حجم الأحجار تدريجيًا ، بحيث تصبح المادة أدق تدريجيًا: الحصى والرمل وفي النهاية الطمي. في الأنهار المتدفقة ، يمكن أن تترسب المادة ، وهي المادة الأكثر خشونة بسرعات عالية ، ولكن المواد الدقيقة فقط بسرعات صغيرة جدًا. هذا يعني أنه سيتم العثور على الحصى في الروافد العليا لقاع النهر ، والمواد الدقيقة مثل الرمل والطمي في الروافد السفلية (Verruijt, 2001).
أهمية علم ميكانيكا التربة
تم تطوير ميكانيكا التربة في بداية القرن العشرين. نشأت الحاجة إلى تحليل سلوك التربة في العديد من البلدان ، غالبًا نتيجة حوادث مروعة ، مثل الانهيارات الأرضية وفشل الأساسات. كانت العديد من المبادئ الأساسية لميكانيكا التربة معروفة جيدًا في عام 1918. أصبحت ميكانيكا التربة فرعًا متميزًا ومنفصلًا عن ميكانيكا الهندسة لأن التربة لها عدد من الخصائص الخاصة التي تميز المادة عن المواد الأخرى. كما تم تطويرها ، من خلال مجموعة واسعة من تطبيقات هندسة التربة في الهندسة المدنية ، حيث تتطلب جميع الهياكل أساسًا سليمًا ويجب أن تنقل أحمالها إلى التربة (Verruijt, 2017).
في ميكانيكا التربة ندرس الخصائص المختلفة للتربة لاستخدامها في أعمال البناء الهندسية المختلفة. هناك العديد من الأسباب التي تجعل المرء كمهندس مدني يدرس هذا الفرع من العلوم الهندسية (Smith, 2013).
(1) الأساسات: جميع هياكل الهندسة المدنية ، ترتكز في النهاية على التربة. إنهم ينقلون حمولتهم الكاملة إلى التربة ، لذلك علينا بناء الأسس للاحتفاظ بهذه الهياكل. في حالة التربة الصلبة / القوة الكافية يمكننا توفير الأساسات الضحلة. إذا عرفنا قوة التربة ، فيمكننا تحديد نوع الأساس الذي يجب استخدامه. إذا كانت التربة ضعيفة القوة ، فعلينا توفير الأساسات العميقة مثل الأساسات ، والأساس الجيد وما إلى ذلك. من المهم معرفة طريقة حساب الطريقة لمعرفة قوة التربة.
(2) السدود الترابية: هناك الكثير من السدود الترابية التي شيدت للاحتفاظ بالمياه. يجب أن تكون التربة التي سيتم استخدامها لبناء هذه السدود الترابية مناسبة بما يكفي لاستخدامها في بنائها. يتم فحص خصائص التربة المختلفة ، مثل النفاذية والقوة والكثافة على أساس منتظم لمعرفة ما إذا كانت التربة مضغوطة إلى الكثافة المطلوبة أم لا. السدود الترابية هي هيكل مكلف كما أنها معرضة بشكل كبير للفشل ، لذلك يجب أن يتم بناؤها بعناية كبيرة ، لذلك من المهم للغاية دراسة خصائص التربة.
(3) السدود: توجد سدود شيدت لرفع منسوب الطرق السريعة على السهول لوجود فرص لفيضانات وغيرها ، كما أنه مطلوب للحفاظ على أساس الرصيف فوق منسوب المياه. يتم بناء السدود بشكل عام من التربة ، والتي يتم اختبارها لخصائصها المختلفة. هناك حاجة لتصميم جسر اقتصادي لا يمكن تحقيقه إلا من خلال دراسة خصائص التربة المختلفة.
(4) القنوات أو غيرها من الهياكل المحتجزة وتحت الأرض: تتشكل القنوات أيضًا من التربة التي سيتم بناؤها لتكون غير منفذة وذات قوة كافية. تم إنشاء الهيكل الاستنادي مثل الجدران الاستنادية للاحتفاظ بالأرض. من المهم معرفة خصائص الأرض. تمنحنا الخصائص مثل ضغط الأرض وقوة القص وما إلى ذلك فكرة تصميم هيكل الاستبقاء. يقوم الجيولوجي بفحص طبقات التربة باستمرار لإعطاء فكرة عن نوع البناء الذي سيتم تنفيذه في حالة حفر الأنفاق.


تطبيقات ميكانيكا التربة
إن الممارسات الهندسية التي تقوم على تطبق مبادئ ميكانيك-التربة على تصميم الهندسي للمنشآت والهياكل تسمى هندسة التربة و تعتمد على اختيار نوع الأسس وكيفية تنفيذها من خلال دراسة الأمور التالية (Fredlund, 2006):
• الإجهادات و الضغوط التى تقوم بنقلها الأسس.
• عمق الأساس المقترح وإمكان تنفذه على سطح التربة.
• الهبوط المحددة المسموح بها في الابنية والهياكل.
• الحاجة إلى دعم الحفريات أثناء الإنشاء.
• خفض منسوب المياه الجوفية للقيام بأعمال الحفر والأساسات وخطرها على الأبنية المجاورة.
• القيام بمعالجة التربة التي تقام عليها الأسيس من أجل تحسين خواصها.
• تعويم المنشأة واستعمال أساسات عائمة بزيادة عمق التأسيس بحيث يكون وزن التربة المزاحة معادلاً لوزن المنشأ.
• استعمال الأوتاد أو الركائز أو القيسونات وتحديد عمق استنادها أو غرسها ونوعها والحمولة القصوى المسموحة للوتد.
يلعب الحدس الهندسي دورًا مهمًا في ممارسة هندسة الأساسات ، وهذا يتطلب من مهندس الأساس الحصول على مقطع عرضي للموقع ، وبيانات عن خصائص التربة ، ومعلومات جيولوجية كافية للوصول إلى قرار عملي واقتصادي وصادق.
في حالات إنشاءات الجدران الحاملة من طابق واحد ، وعندما تكون التربة متجانسة نسبيًا ، قد تكون المعلومات من 4-5 أقسام ممتدة كافية لإجراء مسح ضحل ، بينما بالنسبة للمبنى المكون من 10 طوابق ، يجب أن تكون المعلومات الضرورية أكبر. عندما تكون المنشأة المعنية عبارة عن مبنى مكون من 100 طابق ، فإن المعلومات المطلوبة ستكون كبيرة وقد تكلف 0.5 إلى 1 في المائة من إجمالي تكاليف البناء. من المفيد لمهندس التأسيس الاطلاع على توصيات وتصميمات المشاريع السابقة في مكان قريب من موقع المشروع المدروس.
مشاكل الترب
التربة ذات المشاكل : هى التربة التى تسبب مشاكل اضافية نتيجة ظروف تكوينها او التغيير فى البيئة المحيطة للمنشآت المقامة عليها (Mohamad, et al., 2016).
انواعها:
1. التربة المنتفخة: هى التربة التى يحدث لها زيادة ف الحجم عند وصول المياة لها و تنكمش بطريقة واضحة عند خروج المياة منها (Aihua, et al., 2010).
مواصفاتها:
1. كثافتها عالية.
2. بها نسبة كبيرة من الطين و تحديدا معدن المنتموريونت المتسبب فى زيادة فعالية الطين.
3. تفقد قدرة تحملها العالية بوصول المياة و يزداد حجمها.
الاساسات على التربة المنتفخة:
1. ازلة الطبقات المنتفخة و عمل احلال اسفل الاساسات.
2. اذا كانت التربة المنتفخة عميقة :
I. عمل احلال اسفل الاساسات مباشرة.
II. التاسيس المفضل يكون على قواعد منفصلة لتقليل حمل الانتفاخ حتى لا يتسبب جهد الانتفاخ فى حدوث انهيار للاساسات.
III. زيادة جهد التاسيس نسبيا حتى يقاوم ضغط الانتفاخ.
IV. الاساسات جاسئة حتى تقاوم الهبوط المتفاوت و يفضل استخدام الاساسات الشريطية ذات العصب الجاسئ (rigid strip).
التربة الانهيارية: هى التربة التى يحدث بها نقصان حجمى كبير عند وصول المياة اليها (Makusa, 2012).
مواصفاتها:
1. نسبة فراغات كبيرة.
2. وجود مواد لاحمة كالطمى و الطين و تقوم بلصق الزلط و الرمل.
3. تعتمد درجة الانهيارية على محتوى الطين و الطمى بها و شكل توزيع الحبيبات الخشنة و نسبة الرطوبة الطبيعية و الكثافة الجافة ووجود عناصر لاحمة اخرى مثل الجبس و كربونات الكالسيوم او اكسيد الحديد.
الاساسات على التربة الانهيارية:
1. يتم ازالة التربة الانهيارية و عمل احلال اسفل الاساسات
2. اذا كانت التربة الانهيارية ذات سمك كبير او عميقة:
I. يتم غمر التربة قبل وضع طبقات الاحلال و دمكها على عدة مرات
II. عمل احلال اسفل الاساسات مباشرة
III. يفضل التاسيس على لبشة عادية و مسلحة مع زيادة جساءة اللبشة بدرجة كبيرة
IV. جهد التاسيس ضعيف نسبيا حتى لا يحدث هبوط متفاوت
V. استخدام اساسات شريطية ذات عصب جاسئ
3. التربة الطينية اللينة مشكلة التربة الطينية اللينة انها ذات قدرة تحمل ضعيفة بالاضافة الى حدوث هبوط كبير بها و حدوث تصلد دائم بالاضافة الى ال(secondary consolidation) الناتج عن عملية الزحف (creep).
الاساسات على التربة الطينية اللينة:
يتم عمل معالجة للتربة (Makusa, 2013):
1. عمل تعجيل لعملية التصلد عن طريق استخدام المصارف الرملية الراسية (sand drains)
2. استخدام خوازيق ركامية(حجارة-زلط)
3. عملية الحقن (grouting) باستخدام الرماد المتطاير او مواد اسمنتية
4. استخدام عمليات التجميد (freezing).
(1) التثبيت الميكانيكي
الضغط هو الشكل الأساسي للاستقرار الميكانيكي للتربة. يمكننا استخدام بعض المواد الإضافية للتثبيت الميكانيكي ، ويمكن تغيير الاحتمال المادي ولكن لا يمكن تغيير الخصائص الكيميائية عن طريق الخواص الميكانيكية ، وستكون النسبة المئوية للمواد الإضافية من 10 إلى 15٪ من الثبات الميكانيكي اقتصاديًا للتربة ذات التصنيف السيئ.
(2) تثبيت الأسمنت
يعتبر OPC مفيدًا جدًا لتثبيت التربة باستخدام الانحناء OPC بين جزيئات المواد بسبب استقرار هذه التربة. الأسمنت الرطب هو السبب الرئيسي لتثبيت الأسمنت في التربة. إذا زاد محتوى الأسمنت ، يزداد أيضًا تثبيت التربة.
(3) تثبيت الجير
الجير مادة يمكن استخدامها في تثبيت التربة. الجير والحجر هو مصدر الجير. في بناء الطرق ، يتم استخدام الجير الحي والجير المطفأ في شكل صلب.
(4) تثبيت البيتومين
يتميز البيتومين أو القطران بخاصية اللزوجة عند درجة حرارة كافية. يحدث ترسب البيتومين عندما يتبخر المذيب من مستحلب البيتومين. تشبه وظيفة البيتومين مثل الصمغ الذي يساعد في ربط المادة. في بعض الحالات ، يعمل البيتومين كسطح متحرك أو طبقات.
(5) التثبيت الكيميائي
هذه بعض المواد الكيميائية التي تستخدم في تثبيت التربة مثل كلوريد الكالسيوم وكلوريد الصوديوم وما إلى ذلك. قد تكون هذه المواد الكيميائية باهظة الثمن بسبب المزيد من الأموال المطلوبة. انها ليست اقتصادية. يمكننا تقليل تكلفة تثبيت التربة باستخدام بعض المواد المضافة التي تكون متاحة بسهولة وفعالة من حيث التكلفة. على سبيل المثال ، GGBS هو مزيج اقتصادي ، وهناك بعض الخصائص مثل ثبات الحجم ، والقوة ، والنفاذية ، والإجهاد ، وخصائص الإجهاد ، والمتانة. يمكن السيطرة على الانتفاخ والانكماش عن طريق استبدال الكالسيوم والمغنيسيوم والألمنيوم والحديد GGBS.

المصادر
• Verruijt, A., 2001. Soil mechanics (p. 315). Delft: Delft University of Technology.
• Verruijt, A., 1994. Offshore soil mechanics. Delft University of Technology.
• Verruijt, A., 2017. An Introduction to Soil Mechanics (Vol. 30). Springer.
• Fredlund, D.G., 2006. Unsaturated soil mechanics in engineering practice. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 132(3), pp.286-321.
• Smith, M.J., 2013. Soil mechanics. Routledge.
• Mohamad, N.O., Razali, C.E., Hadi, A.A.A., Som, P.P., Eng, B.C., Rusli, M.B. and Mohamad, F.R., 2016, July. Challenges in construction over soft soil-case studies in Malaysia. In IOP conference series: materials science and engineering (Vol. 136, No. 1, pp. 1-8).
• Aihua, L., Hong, L. and Rongwu, L., 2010. Application of the Space-Time Effect Theory in the Soft-Soil Foundation Construction [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 3.
• Makusa, G.P., 2012. Soil stabilization methods and materials. Lulea University of Technology.
• Makusa, G.P., 2013. Soil stabilization methods and materials in engineering practice: State of the art review. Luleå tekniska universitet.