ژئوتکنیک-مکانیک خاک و زمینه های وابسته(1)

چکيده
 

هدف از ارائه ي اين مقاله، بيان مطالبي درباره ي مبحث ژئوتکنيک و زمينه هاي وابسته به آن، حوزه ي کاربرد و اهميت آن، ابزارهاي مورد نياز، تاريخچه اي از آغاز و تکامل آن مي باشد؛ ضمن اين که به وضعيت آموزش مباحث در اين زمينه اشاره خواهد شد.

موضوع و حوزه ي کاربرد
 

تعريف و توضيح
 

مبحث ژئوتکنيک را مي توان مجموعه اي از زمينه هاي کاربردي مکانيک خاک و مکانيک سنگ (اصولاً مصالح زميني، مشتق از واژه ي Geo) دانست. در عين حال بايد توجه داشت که در بسياري موارد هنوز هم اصطلاح هاي مکانيک خاک و ژئوتکنيک به صورت توأم به کار برده مي شوند و اشاره بر اين است که واژه ي ژئوتکنيک (به عنوان يک فن آوري) و واژه ي مکانيک خاک (به عنوان يک شاخه از دانش) الزاماً مفهومي مترادف و کاملاً يکسان را بيان نمي کنند؛ هر چند وجوه مشترک بسياري دارند و در بسياري از موارد هم به جاي يکديگر قرار گرفته اند. به هر صورت، واژه ي ژئوتکنيک به مفهوم فن آوري مصالح خاکي و سنگي ست، به طوري که در تکميل آن واژه هايي چون ژئوتکنولوژي و ژئومکانيک نيز کاربرد يافته اند. با وجود اين، با درنظر گرفتن تنوع واژه ها در حوزه ي شناخت ويژگي هاي مهندسي مصالحي چون سنگ و خاک، اگر به منظور تلخيص و ايجاز قرار باشد اصطلاحي فراگير به کار برده شود که همه ي مفاهيم مذکور را (اعم از نظري، تجربي و آزمايشگاهي در مقياس اجرايي و يا محدود) در يک واژه بيان کند، به احتمال زياد همين واژه ي ژئوتکنيک مناسب ترين است. نگاهي به کاربرد اين واژه و مشتقات آن در نام گذاري مجلات و همايش هاي مرتبط با آن، مي تواند اين توجيه را تأييد نمايد. براي مثال، نخستين و معتبرترين مجله در زمينه ي مسائل مهندسي خاک که چاپ و انتشار آن از سال 1948م. در انگلستان آغاز شده است و هنوز هم ادامه دارد، «مجله ي بين المللي ژئوتکنيک» (International Journal of Geotechnique) نام دارد. علاوه بر اين توضيحات و در تکميل آن ها مناسب است ترجمه ي تعريفي که در مقدمه ي کتاب «مهندسي ژئوتکنيک» تاليف B. M. Das (1993)، آمده است. عيناً در اين جا نقل شود:
«مهندسي ژئوتکنيک زيرشاخه اي از مهندسي عمران است که خواص مهندسي مصالح طبيعي سطح زمين را بررسي مي کند و نقش آن کاربرد اصول مکانيک خاک و مکانيک سنگ در طراحي پروژه هايي چون پي ها، سازه هاي حايل و سازه هاي خاکي ست».
بنابراين، با توجه به اين که مصالح مورد مطالعه ي دانش ژئوتکنيک، مصالح زميني (و طبيعي) يعني خاک و سنگ است، اين مطالعه و بررسي ها به بخش هايي اساسي تقسيم مي شود که هر کدام حاوي تئوري ها و ابزارهاي خاصي ست. اين بخش ها تحت عناويني چون فيزيک خاک يا سنگ، مکانيک خاک يا سنگ، ديناميک خاک يا سنگ، آزمايش هاي آزمايشگاهي براي خاک يا سنگ، آزمايش هاي صحرايي و ابزارهاي مرتبط با آن ها توضيح داده شده و در سال هاي اخير به نحو چشمگيري توسعه يافته است و به موازات آن کتاب ها و تأليفات متعددي تحت همين نام ها به چاپ رسيده و انتشار يافته است.
از طرفي، به علت ماهيت طبيعي مصالح خاکي و سنگي که غالباً (تقريباً هميشه) «درجا» هستند، مطالعات ژئوتکنيکي ارتباط تنگاتنگي با مبحث «زمين شناسي مهندسي» (Engineering Geology) پيدا مي کند و به همين علت در پروژه هايي اجرايي - مخصوصاً پروژه هايي که در يک مساحت بزرگ (مانند پروژه هاي سدسازي) يا در يک راستاي طويل (مانند راه ها و تونل ها) صورت مي گيرند - مبحث زمين شناسي مهندسي بنياد اوليه ي مطالعات و تصميم گيري ها را تشکيل مي دهد، و به اين دليل، در مواردي بين مبحث زمين شناسي مهندسي، مکانيک خاک و مکانيک سنگ و ژئوتکنيک، نوعي تعامل متقابل و ضروري وجود دارد.

حوزه ي کاربرد دانش ژئوتکنيک
 

هرگونه فعاليت عمراني که بر سطح خشکي هاي زمين (و همچنين در زير سطح آب) صورت مي گيرد، تکيه گاه آن را بستري از سنگ يا خاک تشکيل مي دهد و بنابراين، به ناچار در ارتباط با خواص آن هاست. ساختمان هاي مسکوني و اداري، سيلوها، برج ها، راه ها، ورزشگاه ها، فرودگاه ها، نيروگاه ها، تونل هاي راه و راه آهن و زير گذرها، متروها و پارکينگ ها، پل ها، انبارها، تونل ها و کانال هاي آبرساني، سدها، تصفيه خانه ها، و پالايشگاه ها و ... همه به نحوي بر تکيه گاهي يا بستري از خاک يا سنگ قرار دارند. اين که تا چه اندازه دقت و چه خواص و ويژگي هايي از خاک يا سنگ بايد در هر کدام از اين پروژه ها مورد مطالعه قرار گيرد، بستگي به عوامل مختلفي دارد که اهم آن عبارت اند از: استحکام يا مقاومت محل اجراي پروژه در برابر نيروهايي که قرار است بر آن وارد آيد، عوامل مؤثر دروني آن محل، مثل وجود آب، شکستگي ها، پوکي ها، ناهمگني ها، و ناهمساني ها، اهميت اقتصادي و ميزان ايمني لازم براي حفظ ايمني و امنيت کاربران، عمر مفيد آن پروژه و چگونگي دوام خواص آن محيط در رابطه با زمان، عوامل مؤثر بر پايداري يا آسيب رساني به پروژه و زير ساخت آن و بعضي عوامل ديگر. از اين رو، شناخت خواص ژئوتکنيکي محل اجراي آن پروژه بايد به عنوان نخستين مرحله ي بررسي زيربناي مهندسيِ آن موضوع تلقي گردد؛ گرچه ميزان شناخت و چگونگي ارزيابي و دقت هاي لازم در شناسايي ها و گزارش ها خود بستگي به موارد مذکور دارد. بر اين اساس مي توان پذيرفت که اين گونه شناسايي ها ممکن است از ساده ترين حالت تا مشکل ترين حالت را شامل گردد. به همين دليل بسياري از ساختمان ها و راه ها ساخته شده اند و ده ها سال و حتي صدها سال هم پابرجا مانده اند، بدون اين که مطالعات دقيقي هم صورت گرفته باشد. در مقابل، مواردي از کارهاي عمراني هم بايد طراحي شود که نياز به ماه ها مطالعه و تحليل و اندازه گيري هاي دقيق دارد تا اطمينان کافي از عملکرد رفتاري مناسب و رضايت بخش آن پروژه حاصل گردد.
از ديدگاهي ديگر، خاک و قطعات سنگ به عنوان بخشي از مصالح مورد کاربرد در بسياري از پروژه هاي عمراني نقش مبنايي و حياتي دارد. مثلاً بخش عمده اي از سدها را در حال حاضر انواع سدهاي خاکي و سنگ ريزه اي تشکيل مي دهند، و به ناچار شناخت دقيق خواص مهندسي اين مصالح بسيار با اهميت است که خود جايگاهي در حوزه ي ژئوتکنيک دارد.

نگاهي به تاريخچه و مسير توسعه ي دانش مکانيک خاک - ژئوتکنيک
 

مقدمه
 

پايان يافتن سده ي بيستم و آغاز سده ي بيست و يکم مقطعي ست که در آن بسياري از دانش پژوهان به اين انديشه ي کنجکاوانه رهنمون مي شوند که با يک بررسي اجمالي يا حتي تفصيلي، نگاهي به وضعيت پيشرفت و تحولات هر يک از رشته هاي دانش و فن در قرن گذشته داشته باشند و به نواقص آن بينديشند؛ به مسير تحولات آينده ي آن نگاه کنند و در اين راستا، مسير پيشرفت را در راستاي بهبود و سهولت کاربرد آن حوزه از دانش تنظيم نمايند. با همين ديدگاه و در يک حوزه ي بسيار تخصصي مانند شاخه ي مکانيک خاک و ژئوتکنيک، و با توجه به اهميت روزافزون آن در پروژه هاي مختلف عمراني، بررسي تاريخچه ي تحولات و رشد آن در قرن گذشته و نگاهي به وضعيت موجود آن، مي تواند براي علاقه مندان مفيد و درخور توجه باشد. از طرفي، هنگامي که صحبت از تاريخچه ي يک مبحث علمي ست، انتظار مي رود که علاوه بر اشاره به تعريف و حوزه ي کاربرد آن مبحث، در محدوده ي زمينه هايي مانند: مجلات معتبر مربوط به آن، همايش هاي مهم آن، اسامي شماري از دانشمندان معروف، اشاره اي به مباحث آن، ابزارها و دستگاه ها، وضعيت آموزش آن در حال و آينده، و مقاطع تحصيلي و دروس مرتبط با آن نيز اطلاعاتي ارائه گردد. در بخش هاي بعدي مقاله ي حاضر، در همين راستا مطالبي عرضه مي گردد.

آغاز شکل گيري دانش مکانيک خاک
 

دانش مکانيک خاک و پس از آن مکانيک سنگ و زمينه هايي تحت عنوان ژئوتکنيک نسبت به ساير رشته هاي علمي، نسبتاً جوان تر هستند و فعاليت هاي مدون در راستاي گسترش اين رشته ها از دهه ي چهارم قرن گذشته آغاز شد؛ گرچه بعضي از بخش هاي منفرد آن قبلاً در لابه لاي علوم ديگر مورد بحث قرار گرفته بود، به طوري که نام افرادي چون کولمب (1806-1736)، دارسي (1858-1803)، رانکين (1872-1820)، اتربرگ (1927-1846) بوسينسک (1929-1842)، فلنيوس (1863-1876) و چند تن ديگر از جمله نام هايي است که در مباحث مکانيک خاک و سنگ کاملاً آشنا هستند. اما مشهورترين نام در تاريخچه ي مکانيک خاک، نام کارل ترزاگي (1963-1883) (Karl Terzaghi) است که به دليل خدمات متعدد و گسترده ي نامبرده در گسترش و تدوين دانش مکانيک خاک، به نام «پدر مکانيک خاک» ناميده شده است. «کولمب» گرچه يک مهندس خاک نبود، رابطه ي مقاومت برشي خاک را مطرح نمود که قاعده اي ساده، ولي بسيار بنيادي ست. «دارسي»، قانون نفوذپذيري؛ «رانکين»، فشار جانبي خاک در ديوارهاي حايل؛ «اتربرگ» طبقه بندي خاک ها و خواص خاک هاي ريزدانه، «بوسينسک»، تئوري هاي محاسبه ي تنش ها؛ و «فلنيوس» بحث محاسبه ي پايداري شيب ها را نشان داد. نخستين کتاب مدون در مکانيک خاک توسط «ترزاگي» در سال 1943 م. به نام "Theoretical soit Mechanics" در آمريکا به چاپ رسيد. از کشورهاي شرقي، اطلاعات دقيقي در دسترس نگارنده نيست، اما کتابي تحت عنوان Soil Mechanics در سال 1943 توسط N.A. Tsytovich در روسيه منتشر شده است. اشاره مي شود که ترجمه ي فارسي اين کتاب توسط نگارنده از متن انگليسي آن در سال 1365 توسط دانشگاه صنعتي اصفهان به چاپ رسيده است.
بعد از «ترزاگي» درغرب و «سيتوويچ» در شرق، دانش مکانيک خاک روز به روز گسترده تر و مدون تر گرديد. البته بايد متذکر گرديد که از آن زمان تا کنون، آن قدر تحولات بنيادي با اهميت و تعيين کننده در بخش هاي مختلف و ديدگاه هاي گوناگون دانش مکانيک خاک به وقوع پيوسته است که بحث در مورد هر کدام از آن ها نياز به مقاله اي مستقل دارد. مثلاً ايجاد و تکميل و تصحيح و توسعه ي مدل هاي رفتاري براي محيط خاکي، که از سال 1960 با ارائه ي مدل "Cam clay" در دانشگاه کمبريج آغاز گرديد، راه را براي رفتارشناسي خاک - به سمت ديدگاه واقعي آن باز نمود؛ به طوري که از آن دوره تاکنون چندين مدل رفتاري اصلي و تعداد زيادي مدل هاي فرعي منشعب از آن ها مطرح شده و توسعه يافته است. کاربرد مفهوم شبکه هاي عصبي مصنوعي و روش هاي مبتني بر آن در حال حاضر بخش ديگري از تکنيک هاي بررسي و پيش بيني رفتار محيط خاکي ست که مي تواند بسياري از ابهام ها را در تفسير نتايج آزمايشگاهي و يا ناحيه اي پيش بيني و يا تبيين و توجيه نمايد. از آن رو که نمونه هايي از اين گونه پيشرفت ها و نقاط عطف در سير تحول دانش مکانيک خاک بسيار متعددند، به منظور طولاني نشدن بيش تر مطلب در اين مقاله از ارائه ي آن ها صرف نظر مي گردد.
بديهي ست آنچه در حال حاضر تحت عناوين مختلف مرتبط با علم ژئوتکنيک يا مکانيک خاک و ساير زمينه هاي وابسته به آن ها مطرح و ناميده مي شود، مجموعه اي بسيار گسترده و متنوع از تئوري ها و تجربيات، آزمايش ها و محاسباتي ست که توسط هزاران نفر محقق و صدها دانشمند در دانشگاه ها و مراکز تحقيقاتي کشورهاي متعدد به تدريج مدون و تکميل شده است؛ از اين رو، ارزيابي روند تحول اين مبحث با يک ديد تخصصي نه تنها از عهده ي يک فرد و يا چند فرد معمولي - مانند راقم اين سطور - ساخته نيست، بلکه تهيه و تکميل چنين مبحثي که مي تواند منجر به تدوين کتاب مفصلي گردد، نيازمند همکاري چند صاحب نظر و علاقه مند در اين زمينه است. با توجه به اين توضيح، آنچه در مقاله ي حاضر مورد نظر است، ارائه ي فهرستي ست که بتواند سيمايي کلي از اين شاخه از دانش را نشان دهد.
لازم به يادآوري ست که نخستين کوشش در زمينه ي شناسايي و معرفي تاريخچه ي تحولات علم مکانيک خاک، در سال 1985 در يازدهمين کنفرانس بين المللي مکانيک خاک و مهندسي پي صورت گرفت و يکي از مجلدهاي مجموعه ي مقالات آن کنفرانس، به اين امر اختصاص يافت. در اين مجلد، «کري زل» (Kerizel) وضعيت دانش مکانيک خاک را تا پيش از سال 1700، «پک» (Peck) دوره ي سال هاي از 1717 تا 1927 و «اسکمپتن» (Skemton) دوره ي 1927 تا 1985 را شرح داده اند.

مجلات علمي بين المللي در زمينه ي ژئوتکنيک و مباحث مرتبط با آن
 

يکي از روش هاي مشاهده ي اجمالي تاريخچه ي يک مبحث علمي، بررسي و ارزيابي سير تحول و گسترش مجلات علمي در آن مبحث است. در حال حاضر بيش از 30 عنوان مجله ي تخصصي بين المللي در زمينه هاي مرتبط با موضوع ژئوتکنيک در سطح جهاني منتشر مي گردند که قابل استفاده و استناد مهندسان، پژوهشگران و دانشمندان در اين حوزه مي باشد. عناوين عمده ترينِ اين نشريات و تاريخ آغاز انتشار آن ها در جدول زير ارائه شده است:
انتشار از سال : نام مجله
1930 : Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, ASCE
اين ژورنال در ابتدا به نام Soil Mechanics منتشر شده است
1948 : International Journal of Geotechnique
1957 : Marine Geotechnoligy
1961 : Soils & Foundations (Translated from Japanese)
1961 : Rock Mechanics and Rock Engineering
1961 : Soil Mechanics & Foundation Eng (Translated from Russian)
1963 : Canadian Geotechnical Journal
1968 : Int. j. of Engineering Geology
1968 : Ground Engineering
1969 : Tunnel and Tunneling
1970 : Geotechnical Engineering Journal
1971 : Australian Geotechnical Journal
1971 : Indian Geotechnical Journal
1976 : Marine Resources and Geotechnoligy
1977 : International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics
1978 : ASTM Geotechnical Testing Journal
1982 : Computers & Geotechnics
1982 : Int. j. of soil Dynamics and Earthquake Engineering
1983 : Geotechnical & Geological Engineering Journal
1996 : Ground Improvement Journal
2007 : International Journal of Geoengineering Case Histories
در دست اقدام Iranian Geotechnical Journal
نگاهي اجمالي به عناوين اين مجلات و سال انتشار آن ها مي تواند تا حدي مباحث اصلي و مبنايي مربوط به حوزه ي ژئوتکنيک و مکانيک خاک - و نيز تاريخچه ي پيدايش و تکامل هر مبحث را نشان دهد.

همايش هاي بين المللي
 

نخستين همايش بين المللي در زمينه ي مکانيک خاک، تحت عنوان کنفرانس بين المللي مکانيک خاک و مهندسي پي (ICSMFE) در سال 1936 در ايالات متحده تشکيل گرديد و از آن تاريخ به بعد تا به امروز هر چهار سال يک بار (به استثناي دوران جنگ جهاني دوم) ادامه يافته است. به طوري که هفدهمين آن در سال جاري (16 مارچ سال 2009) تحت عنوان زير در کشور مصر برگزار گرديد:
7th Int. Conference on Soil Mechanic and Geotechnical Engineering (ICSMGE)
همايش هاي ديگر در همين زمينه يا در مباحث مرتبط با آن تاکنون به صورت منظم چهار ساله يا بعضاً سه ساله و بعضي به صورت سمپوزيم هر سال يک بار تشکيل شده است؛ مثلاً کنفرانس مکانيک خاک و مهندسي پي استراليا - نيوزيلند (از سال 1952)، کنفرانس اروپايي مکانيک خاک و مهندسي پي (1954)، کنفرانس آفريقايي مکانيک خاک و مهندسي پي (از 1955)، کنفرانس آسيايي مکانيک خاک و مهندسي پي (از 1960 و يازدهمين در 1999)، کنفرانس پان آمريکن مکانيک خاک و مهندسي پي (از 1960)، سمپوزيم آمريکايي مکانيک سنگ (از 1956)، کنفرانس بين المللي مکانيک سنگ (از 1966 و هر چهار سال يک بار)، کنفرانس آسياي جنوب شرقي ژئوتکنيک (از سال 1967 و چهاردهمين در 2001)، کنفرانس بين المللي روش هاي عددي در ژئومکانيک (از سال 1972 و هر 4 سال) و ... .
بديهي ست کنفرانس هاي منطقه اي، کشوري و محلي با عناوين تخصصي بسيار متعدد کراراً تشکيل شده و مي شوند که نام بردن آن ها باعث اطاله ي کلام مي شود.
در عين حال، همان طور که از عناوين مجلات، کنفرانس ها و سال نخستين دوره ي آن ها مشخص مي شود، با پيشرفت جنبه هاي مختلف تئوري، تجربي و انباشته شدن اطلاعات جديدتر در زمينه هاي مرتبط با مکانيک خاک و توسعه ي مباحث و ديدگاه ها، نياز به شکل گيري مجلاتي با عناوين جديد و برگزاري همايش هاي متعدد و تخصصي تر احساس شده است؛ که براي مثال مي توان به ظهور مجله ي روش هاي عددي و تحليلي در ژئومکانيک از سال 1977، مجله ي رايانه ها و ژئوتکنيک و مجله ي ديناميک خاک و مهندسي زلزله از سال 1982 اشاره کرد. با وضعيتي مشابه، اولين کنفرانس روش هاي عددي در ژئومکانيک نيز از سال 1972 مطرح مي شود. در سال هاي اخير نيز زمينه هاي جديدتر و تخصصصي تر مطرح شده است. مثلاً «کارگاه بين المللي زيرساخت هاي ژئوتکنيکي براي کلان شهرها و پايتخت هاي جديد»
Intenational Workshop on Geotechnical Infrastucture for Mega Cities and New Capital که در سال 2008 در کشور برزيل برگزار گرديد، بيانگر اين حقيقت است که اين دانش و فن آوري نه تنها در حوزه هاي ريزتر گسترش يافته است، بلکه در حوزه هاي کلان تر نيز ضرورت توسعه داشته است.

درس هاي رانکين
 

رانکين، دانشمندي انگليسي (1870-1820 م.) است که تخصص و تحقيق وي عمدتاً در زمينه ي مکانيک و ترموديناميک و يکي از صاحب نظران در اين گرايش هاست و در طول عمرش که 52 سال بوده است، حدود 150 مقاله ي علمي در مجلات آن زمان منتشر نموده است. يکي از مقالات وي با عنوان «پايداري خاک هاي سست» در سال 1857 در يکي از مجلات انگليس به چاپ رسيد. به همين علت و به علت تئوري هاي وي در مورد فشار جانبي خاک، نام وي در کتاب هاي مکانيک خاک نيز شهرت يافته است.
در سال 1957 در کميته ي ملي بريتانيايي کنفرانس بين المللي مکانيک خاک تصميم گرفته شد که هر ساله يک جلسه ي سخن راني به افتخار نامبرده برگزار گردد و سخن رانان در اين زمينه، به طور متناوب از کشور انگلستان و ديگر کشورها باشند. از سال 1963 تا به حال متن اين سخن راني ها (درس ها) که توسط مشهورترين دانشمندان در زمينه هاي مختلف ارائه شده اند، در مجله ي ژئوتکنيک (Geotechnique) به چاپ رسيده اند. مطالعه و بررسي اين درس ها (Rankine Lectures) مي تواند حاوي سه نتيجه باشد: نخست اين که چه عناوين و موضوعاتي از چه سالي اهميت يافته و مطالب مربوط به آن تدوين شده است؛ ثانياً فهرستي از زيربخش هاي مربوط به حوزه ي مکانيک خاک و ژئوتکنيک در آن جا ديده مي شود؛ ثالثاً اسامي صاحب نظران معروف جهاني را مي توان از فهرست آن استنباط کرد.
از ذکر عناوين و مشخصات آن درس ها که حدود 40 مورد است، در اين جا چشم پوشي مي شود. علاقه مندان مي توانند به مأخذ شماره ي 1 مراجعه نمايند.
بر اين اساس مي توان اسامي دانشمنداني چون کاساگرانده، اسکمپتون، نيومارک، بيشاپ، پک، روسکو، رو، لمب، کري زل، سيد،هوک، هنکل، اي شي هارا، گودمن، مرگنشترن، ژانبو و ... را مشاهده نمود که هر کدام در بخش از تحليل ها، تئوري ها و فرمول هاي مکانيک خاک و تا حدي مکانيک سنگ سهم اساسي داشته اند.
به موازات درس هاي رانکين که منشاء انگليسي دارد، در ايالات متحده نيز درس هايي تحت عنوان درس هاي ترزاگي (Terzaghi Lecture) مطرح شده است که متن آن ها در شماره هايي از مجله ي Journal of $ Geoenvironmental Engineering, ASC Geotechnical به چاپ رسيده است و از توضيح بيش تر در نوشتار حاضر صرف نظر مي گردد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- عضو هيأت علمي دانشکده ي مهندسي عمران، دانشگاه صنعتي اصفهان، عضو انجمن بين المللي ژئوتکنيکف، عضو انجمن بين المللي مکانيک سنگ، mahmood@cc.iut.ac.ir.
 

منبع:ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.