ژئوتکنیک-مکانیک خاک و زمینه های وابسته(2)
نويسنده: دكتر مسعود ميرمحمدصادقي (1)
نگاهي کلي به مبحث ژئوتکنيک - مکانيک خاک و زمينه هاي وابسته (1)
نگارنده در يک مطالعه ي آماري بيش از 300 مورد گردهمايي بين المللي يا منطقه اي در زمينه ي ژئوتکنيک، مکانيک خاک، مکانيک سنگ و ديناميک خاک را مربوط به سال هاي 1961 تا سال 2000 مورد بررسي قرار داده است. نتيجه ي اين بررسي از ديدگاه ترتيب درصد مقالات به شرح زير به دست آمد:
آمريکا (36)، انگلستان (29)، ژاپن (23)، کانادا (17)، استراليا (15)، هند (12)، فرانسه (11)، چين (10)، تايلند (10)، آلمان (9) و کشورهاي ديگر در حد 8 تا 6.
در يک ارزيابي ديگر، شمار مقالات از کشورهاي مختلف در همايش هاي بين المللي مکانيک خاک و مهندسي پي شمارش شد. بعضي از نتايج به دست آمده به اين شرح است:
براي نخستين کنفرانس بين المللي (سال 1936): از 181 مقاله، آمريکا (70)، اتريش (26)، هلند (18)، روسيه (14)، آلمان (9) و بقيه ي کشورها از 7 تا صفر.
در چهاردهمين کنفرانس بين المللي که در سال 1997 در کشور آلمان برگزار گرديد، حدود 1100 نفر از متخصصان و پژوهشگران از 55 کشور شرکت کردند و طي آن، باارائه ي حدود 465 مقاله، مباحث زير مورد بحث قرار گرفته است:
1) آزمايش هاي خاک و مشخصات خواص مهندسي زمين
2) پيشرفت هاي اخير در تکنيک هاي مهندسي پي ها
3) سازه هاي نگهبان و شيرواني هاي حفاري شده
4) کارهاي زيرزميني در ناحيه ي شهري
5) بهبود خواص خاک و تسليح آن
6) دفع مواد زايد و زمين هاي آلوده شده
7) کارگاه آموزشي و بازآموزي در مهندسي ژئوتکنيک
آمار مقالات نشان مي دهد که از 465 مقاله ي ارائه شده در اين کنفرانس، آلمان با 47 مقاله داراي بيش ترين تعداد مقالات، آمريکا با 43؛ ژاپن با 33؛ فرانسه با 24؛ انگلستان، برزيل و کانادا هر کدام با 20 تا 18 مقاله؛ ايتاليا، روسيه، لهستان و هلند هر کدام با 13 مقاله، اسپانيا، چين، سوئد و مکزيک هر کدام با 11 مقاله، هند و استراليا هر کدام با 10 مقاله و بلژيک، کره و پرتغال هر کدام با 8 تا 6 مقاله، رديف هاي بعدي را تشکيل داده اند و ساير کشورها از 5 تا 1 مقاله ارائه داده اند که از جمله از ايران 3 مقاله در آن کنفرانس (سال 1997) ارائه شده بوده است.
نتيجه اي که از اين آمار حاصل مي شود، عبارت است از اين که معمولاً تعداد شرکت کنندگان از کشور يا ناحيه اي که کنفرانس در آن جا تشکيل شده است، به نحو چشمگيري قابل توجه است (به مأخذ شماره ي 1 مراجعه شود) و نکته ي دوم اين است که تعداد شرکت کنندگان از کشورهاي مختلف معمولاً به طور متوسط از کشورهاي: آمريکا، فرانسه، ژاپن، انگلستان، ايتاليا، کانادا و گاهي برزيل و هند رديف هاي بالا را به خود اختصاص مي دهند.
از سوي ديگر، بخش مهمي از مباحث ساختگاهي، مربوط به مسايل مکانيک سنگ است که خود در حوزه ي ژئوتکنيک قلمداد مي گردد و به اين دليل، بخش هايي از زمينه ي ژئوتکنيک را بايد در کنفرانس هاي مکانيک سنگ (که در ايران تشکيل شده است) جست و جو نمود و نيز مباحث ژئوتکنيکي تونل ها، زيرگذرها و متروها را طبعاً مي توان در همايش هاي تونل سازي پي گيري نمود که سومين آن در سال 1366 و هفتمين در سال گذشته (88/2/28) در دانشگاه تربيت مدرس برگزار شد. بخشي از مسائل مکانيک خاک و ژئوتکنيک طبيعتاً مربوط به صنعت سدسازي ست، زيرا طراحي و اجراي سدها داراي ارتباط بنيادي و حياتي با مباحث مذکور مي باشد، و به همين علت انتظار مي رود در همايش هاي سدسازي نيز بخش مهمي به زمينه هاي ژئوتکنيکي اختصاص داده شود. نمونه اي از اين همايش ها، نخستين سمينار سدسازي ايران در سال 1366، و نخستين همايش سدهاي خاکي در ايران است که در سال 1376 برگزار گرديد.
در زمينه ي مجلات تخصصي مکانيک خاک، متأسفانه تاکنون مجله ي مهندسي مستقلي در حوزه ي مکانيک خاک يا ژئوتکنيک در ايران منتشر نگرديده است، ولي خوشبختانه مجله (فصل نامه) ي ژئوتکنيک و مقاومت مصالح وابسته به آزمايشگاه مکانيک خاک وزارت راه از سابقه ي ارزشمندي برخوردار است، به طوري که تاکنون حدود 110 شماره ي آن منتشر شده است. البته بايد توجه داشت که مجلاتي از اين قبيل، در طبقه بندي و ارزيابي مقالات آن در زمره ي مجلات پژوهشي - ترويجي قرار دارند و اين نوع مجلات معمولاً در کدبندي هاي ISI قرار نمي گيرد.
در اين جا تذکر اين مطلب نيز ارزشمند است که گرچه هنوز مجله ي خاصي مختص مباحث ژئوتکنيک و مکانيک خاک در ايران منتشر نشده است در تمام مجلات مهندسي کشور که از انتشارات دانشگاه ها يا وزارت علوم، تحقيقات و فناوري هستند، درج اين گونه مقالات کاملاً معمول است و تقريباً در بيش از 70 درصد شماره هاي اين گونه مجلات، دست کم يک يا دو مقاله مربوط به مباحث ژئوتکنيکي تاکنون به چاپ رسيده است؛ ضمن اين که اميد مي رود به زودي مجله اي مختص مباحث مورد نظر در اين حوزه توسط انجمن ژئوتکنيک ايران به منصه ي چاپ و انتشار برسد.
در زمينه ي مبحث ژئوتکنيک نيز، غالباً در همايش هاي بين المللي به لزوم بازنگري و ارزيابي برنامه هاي آموزشي آن توجه شده است؛ از جمله، به طور خاص کنفرانسي تحت عنوان «همايش بين المللي آموزش در مهندسي ژئوتکنيک» (Education & Training International Conference on Geotechnical Engineering) در سال 2000 در کشور روماني تشکيل گرديد. در اين کنفرانس 84 مقاله در 520 صفحه در زمينه هاي مختلف ولي مرتبط با آموزش اين شاخه از علوم مهندسي ارائه گرديد؛ که 6 مقاله ي اول از سخن رانان مدعو بوده است. در بخشي از مجموعه ي مقالات آن ها، مقالاتي ارائه شده است که نشان دهنده ي وضعيت آموزش اين رشته در 19 کشور از سراسر جهان است. يکي از سخن رانان مدعو در اين همايش، پرفسور «پراکاش» (Prakash) است که حدود 50 سال در امر آموزش درس هاي مختلف ژئوتکنيک نقش داشته و تجربه اندوخته است. نامبرده درس هاي مکانيک خاک را به سه گروه (سه مرحله)، يعني: مقدماتي، متوسطه و عالي تقسيم نموده و در مورد مباحث مربوط به هر گروه توضيح مفيدي ارائه مي دهد (به مآخذ 2 و 3 و 4 مراجعه شود).
در بعضي کشورهاي با سابقه ي بيش تر در زمينه ي ژئوتکنيک (مانند آلمان) حتي براي مهندسان و کارشناسان مهندسي عمران که مشغول فعاليت هستند، دوره هاي بازآموزي و آموزش هاي تخصصي برگزار نموده اند. براي نمونه، به مبحث هفتم از چهاردهمين کنفرانس بين المللي مکانيک خاک، 1997- مآخذ شماره ي 5 ارجاع داده مي شود.
خوشبختانه وضعيت آموزش و تربيت نيروي انساني لازم در زمينه هاي مرتبط با ژئوتکنيک و مکانيک خاک، در حال حاضر در کشور ايران در حد قابل قبول و در حال گسترش چشمگير است، به طوري که هم اکنون در حدود بيست و پنج دانشگاه دولتي (در مقايسه با سال 1368 که فقط 4 دانشگاه در اين زمينه دانشجو مي پذيرفتند) در مناطق مختلف کشور در دوره هاي کارشناسي ارشد مکانيک خاک دانشجو مي پذيرند؛ ضمن اين که در حال حاضر حداقل در 5 دانشگاه دوره هاي کارشناسي ارشد مکانيک سنگ برقرار است و بيش از شش دانشگاه در مقطع دکتراي مکانيک خاک نيز فعال هستند. علاوه بر اين، در حال حاضر در 5 واحد از دانشگاه هاي آزاد نيز مقطع کارشناسي ارشد مکانيک خاک داير است.
برنامه ي مفصل دروس ژئوتکنيک در دوره هاي کارشناسي، کارشناسي ارشد و دکترا در بعضي از کشورها در مآخذ شماره 2 به صورت نسبتاً مفصل آمده است و در اين جا از تکرار آن صرف نظر مي شود، ضمن اين که توصيه مي شود علاقه مندان آن مقاله را مطالعه نمايند تا به ميزان توجه جدي به اين شاخه ي مهندسي در بعضي از کشورها آگاهي يابند.
در حال حاضر، آزمايشگاه هاي مکانيک خاک و مکانيک سنگ معمولاً مجهز به تعدادي دستگاه هاي اندازه گيري خواص معمولي و مورد نياز سنگ و خاک هستند، که غالباً شامل موارد زيرند:
دستگاه تعيين چگالي، وزن مخصوص، درصد رطوبت، درصد خلوص، دانه بندي، مقاومت برشي، حدود اتربرگ، سي بي آر (CBR)، تحکيم و تورم، نفوذپذيري، تعيين خواص ديناميکي خاک ها و سنگ ها.
يکي از ابزارهاي خاص پژوهش هاي رفتارسنجي در حوزه ي مکانيک خاک، دستگاه هاي مبتني بر تأثير عملکرد سانتريفوژ در اين زمينه است که هدف از آن ايجاد ثقل مصنوعي به منظور مطالعه ي رفتاري خاک در مقياس آزمايشگاهي، ولي در شرايط وزين مي باشد. به علت گستردگي کاربرد اين فرايند و مفيد بودن نتايج آن، تا کنون همايش هاي خاص اين پديده نيز در سطح بين المللي برگزار گرديده است، که اولين آن ها در سال 1991 در کلرادو تحت عنوان "Centrifuge91" برگزار شد.
از طرفي آزمايش هاي صحرايي يا در محل (in situ) به وسيله ي دستگاه هايي اجرا مي گردد که معمول ترين آن ها عبارت اند از:
دستگاه بارگذاري صفحه اي (PLT)، دستگاه نفوذ استاتيکي (CPT)، دستگاه آزمايش برشي مستقيم در محل؛ دستگاه نفوذ ضربه اي (SPT)، فشارسنجي (Pressuremeter) ديلاتومتري، و دستگاه هاي تعيين نفوذپذيري در محل (آزمايش هاي لوژن و لوفران).
از ابزارهاي ديگري که در مطالعات و پروژه هاي ژئوتکنيکي مورد استفاده قرار مي گيرند، ابزارهاي ژئوتکنيکي ست که کاربرد آن ها خاص حوزه ي مطالعه ي خاک و ژئوتکنيک نيست؛ بلکه اصولاً به منظور شناسايي لايه هاي زير سطحي، تغييرات آن ها، وجود آب زيرزميني و شناخت مناطق زيرسطحي در مقياس وسيع و طولاني ست، ولي به طور جنبي نيز از آن ها در اهداف ژئوتکنيکي و شناخت صحرايي براي پروژه هاي عمراني استفاده مي گردد.
در اين مبحث بايد توجه داشت که چگونگي نصب اين گونه ابزارها، انتخاب نوع مناسب آن ها، انتخاب محل مناسب براي نصب، زمان مناسب نصب آن ها و زمان هاي مناسب قرائت آن ها، فاصله ي زماني و تناوب قرائت ها، و ساير مسائل وابسته به اين فعاليت ها، نيازمند مهارت و اطلاعات تخصصي و دانش ويژه اي است که اين مجموعه، تحت عنوان مبحث ابزاربندي (Instrumentation) و رفتارنگاري (Monitoring) به طور مفصل در کتاب هاي خاص آن شرح داده شده است.
قابل ذکر است که ابزاربندي و رفتارنگاري پروژه ها - معمولاً سدها (اعم از خاکي، پاره سنگي يا بتني)، تونل ها و متروها، نيروگاه ها، ديوارهاي حايل، برج هاي ساختماني، بعضاً اجباري و آيين نامه اي است و در بسياري موارد مبتني بر تشخيص و علاقه ي کارفرما يا مشاور است. آنچه توضيح آن در اين مقاله مناسب است، فوايدحاصل از ابزار بندي و رفتارنگاري ست که عمدتاً در 4 بخش قابل بحث مي باشد.
1- مشاهده ي رفتار و عملکرد يک پروژه و ثبت زماني رفتار آن (يا حتي مقطعي) مي تواند نشان دهنده ي وضعيت رفتاري طبيعي و قابل انتظار آن پروژه باشد که در اين صورت به معناي موفق بودن آن بدون احساس نگراني ست؛ درعين حال ممکن است نشان دهنده ي رفتار غير قابل انتظار و پيش بيني نشده باشد که در اين حال نيازمند بررسي فوري کليه ي جنبه هاي طراحي، اجرا، شرايط موجود و حتي کنترل کردن ابزارها مي باشد. مثلاً نشست هاي بيش از حدِ يک پي در يک ساختمان بلند، دگرشکلي هاي جانبي يک گودبرداري يا يک برج، نشست هاي بيش از حدِ بدنه ي يک سد، افزايش فشار آب بيش از حد پيش بيني شده در بدنه ي يک سد خاکي، تغيير شکل هاي جانبي زياد در بدنه ي يک سد خاکي، ايجاد ترک هاي ناگهاني در بدنه ي سد، رفتار پيش بيني نشده در سدهاي بتني يا تکيه گاه هاي آن ها، رفتار تغيير شکلي و فشاري در دهانه ي تونل ها (مترو، تونل راه يا راه آهن) و نيروگاه ها وساير موارد متعددي که کراراً اتفاق افتاده است، مي تواند زنگ خطري باشد که موجب نگراني مجموعه ي مسئولان پروژه (اعم از کارفرما، پيمانکار، مشاور و ناظر) گردد و گاه نياز به اقدامات بسيار سريع دارد.
2- مطالعه ي رفتار يک پروژه ي اجرايي و مقايسه ي آن با آنچه در طراحي پيش بيني شده است، يک تجربه و درس فوق العاده باارزشي ست که طراح و مشاور از ديدگاه اطمينان به روش ها و اندازه گيري هاي مربوط به مصالح و ارزيابي هاي ساختگاه به دست مي آورند؛ به طوري که مي توانند براساس آن ها نکات مهم را شفاف کنند و براي پروژه هاي مشابه از روش هاي به کار برده شده با رضايت خاطر و اعتماد به نفس بيش تري بهره بگيرند.
3- همين نتيجه گيري و فايده - که در بالا به آن اشاره گرديد - مي تواند مفيد فايده در پيشبرد مرزهاي دانش در آن زمينه نيز باشد، زيرا پژوهشگران و دانشمندان واضع تئوري ها، با مشاهده ي آن اطلاعات حاصل از اندازه گيري ها، در حقيقت با يک آزمايشگاه واقعي در مقياس اجرايي مواجه اند و بر اساس آن نتايج مي توانند تئوري ها و تحليل هاي ارائه شده را تصحيح، تدقيق و تکميل کنند.
4- در صورتي که پروژه اي ناموفق باشد و با مشکلاتي مواجه گردد يا - در نهايت - تخريب گردد يا ريزش کند، معمولاً انتظار مي رود که همه ي عوامل دست اندرکار، يعني: مشاور، پيمانکار و ناظر و بعضي عوامل ديگر پاسخ گو باشند. در چنين مواردي تشخيص حقوقي و دادگاهي قصور يا تقصير معمولاً بسيار مشکل و در يک فرآيند طولاني مورد حل و بحث قرار مي گيرد. يکي از مواردي که انتظار مي رود بسياري قضايا را شفاف سازي کند، همين نتايج ابزاربندي و رفتارنگاري ست، مشروط به آن که ابزارها سالم و مناسب، در محل مناسب، و با عملکرد مناسب و با اپراتور مطمئن و با قرائت هاي در زمان هاي مناسب و پيش بيني نشده به نتيجه رسيده باشند.
با توجه به 4 مورد مذکور مي توان با اعتماد کامل پذيرفت که به فرآيند «ابزاربندي و رفتارنگاري» در حوزه ي ژئوتکنيک نبايد به صورت يک فرآيند غيرضروري و تفنني نگريست؛ بلکه اگر منظور از آن 4 هدف ذکر شده باشد، فعاليتي بسيار تخصصي و حساب شده و هدفمند است؛ به طوري که نصب ابزارها و کاربرد آن ها در محل هاي مناسب و يا بدون مطالعه و بدون توجه به ديدگاه تخصصي آن، نه تنها موجب نتيجه گيري مناسب و مفيد نمي گردد، بلکه ممکن است به نتايج گمراه کننده نيز منجر گردد، ضمن اين که خود ابزارها نوعي مزاحمت فيزيکي هم مي توانند داشته باشند.
در اين جا تذکر نکته ي مناسب ديگري نيز مناسب به نظر مي رسد که بسياري از کاربران تازه کار با يادگيري يک نرم افزار و با داشتن اطلاعات اوليه ي آزمايشگاهي از مشخصات سنگ و خاک احساس مي کنند که به تحليل واقعي رفتار خاک دست مي يابند و نتايج حاصل را به عنوان وضعيت رفتاري واقعي تلقي کرده و بر اساس آن طراحي را ارائه مي دهند، در حالي که ممکن است به هيچ کدام از موارد ذکر شده توجهي نداشته باشند، گرچه خوشبختانه در بيش تر موارد، ضريب اطمينان طراحي آن قدر بالاست که مي تواند همه ي اشکالات مذکور را - هر چقدر هم نامعلوم باشد - در خود هضم کند. از طرفي (خوشبختانه) طراحي پروژه هاي مهم و متضمن مسائل ايمني و اقتصادي درجه بالا، منحصراً به عهده ي کاربران تازه کار و يا به عهده ي يک فرد گذاشته نمي شود. از اين رو، آن نگراني حاصل از خوش بيني بيش از حد به نتايج نرم افزاري تا کنون منجر به مشکلاتي نشده است.
در همين بحث، کاربران نتايج آزمايشگاهي کم و بيش اطلاع دارند که بسياري از نتايج اندازه گيري ها با تقريب هاي نامعلومي همراه است که يا به علت عدم دقت در نمونه گيري و نمونه سازي است، يا به علت عدم دقت در انجام آزمايش (چه در آزمايشگاه و چه در محل) است و يا به علت عدم احساس مسئوليت در تحليل و اعلام واقعيت هايي که در ضمن انجام آزمايش مشاهده شده است، مي باشد و يا به علت تقريب هايي است که مختص مصالحي چون خاک و سنگ است. علاوه بر اين، لازم به يادآوري ست که بعضي از خواص اندازه گيري شده در مورد خاک ها تا حد زيادي تابع عوامل ديگري از قبيل اندازه ي نمونه، بزرگي تنش وارد بر آن، شرايط و نوع آزمايش هم مي باشد. در عين حال و با وجود همه ي موارد ذکر شده، خوشبختانه بسياري از نتايج اندازه گيري آزمايشگاهي با همان وضعِ به دست آمده و گزارش شده در تحليل ها به کار برده نمي شود و کاربرد آن ها با توجه به درنظر گرفتن يک حاشيه ي اطمينان اوليه است.
1) گودبرداري هايي که در مناطق شهري به منظور احداث ساختمان ها انجام مي گيرد تاکنون تلفات جاني قابل توجهي داشته است و معمولاً همراه با ريزش و آسيب رساني به ساختمان هاي مجاور نيز بوده است، بنابراين دقت هاي بيش از حد معمول حتي در حد وسواس در اين گونه موارد منطقي است.
2) وجود خاک هاي دستي در بعضي مناطق به طرق مختلف (مثل وجود بارندگي و نفوذ آب باغچه و مشابه آن، خاک برداري درمجاورت آن، ارتعاشات و موارد مشابه) موجب سستي شالوده و عدم اطمينان مي گردد، از اين رو شناسايي و استحکام دادن به آن ها ضروري است؛ ضمن اين که اين گونه خاک ها تابع هيچ گونه از روابط و قوانين مکانيک خاک نيستند.
3) در حفاري هاي زيرزميني در مناطق شهري براي ايجاد مترو، زيرگذر، نصب لوله هاي آب و فاضلاب، لوله هاي گاز و مشابه آن ها، امکان تأثيرگذاري بر سطح زمين اعم از سطح خيابان، ساختمان ها و حتي احتمال فروريزش زمين نيز مي باشد، لذا لازم است شناخت و تحليل هاي لازم در اين گونه موارد به نحو مناسب و بيش از حد معمول انجام گيرد.
4) نتايج و گزارش هاي آزمايشگاه ها خالي از تقريب و خطا و گاه حتي خالي از اشتباه نيست، بنابراين در پروژه هاي بزرگ و مهم استفاده از دو آزمايشگاه متفاوت و مقايسه ي نتايج ضرورت مي يابد.
5) کاربرد مدل هاي رفتاري در محاسبات تحليلي، هرچند ظاهري زيبا و دقيق دارد - در صورتي که تطابق واقعي با رفتار محل مورد نظر نداشته باشد (يا منطبق بر شرايط مورد نظر آن مدل رياضي نباشد) خطاي تحليل حاصل از آن ها نامعلوم است و لذا نتايج تحليلي مبتني بر آن ها ممکن است فريبنده، غيرواقعي و حتي خطرناک باشد؛ از اين رو توصيه مي شود براي کاربرد اين گونه نتايج حاصل از کاربرد مدل هاي رفتاري حتماً از مشورت متخصصان آشنا به روش هاي عددي و صاحب نظر در مدل هاي رفتاري خاک استفاده گردد.
6) کاربرد نرم افزارهاي معمول (اعم از اين که براساس اجزاي محدود يا براساس تفاضل هاي محدود باشد) براي مهندسان تازه کار ممکن است در ابتدا فريبنده و آسان به نظر برسد، و به همين علت نتايج حاصل از آن ها ممکن است گمراه کننده و غيرقابل اعتماد باشد، لذا توصيه مي شود در اين موارد نيز کاربرد نتايج بعد از اطمينان کامل مورد استفاده قرار گيرد.
1) وفائيان، م.؛ «معرفي دانش ژئوتکنيک و ارزيابي کارنامه ي آن تا سال 2000»؛ مجله ي آموزش مهندسي ايران، شماره ي 2، سال دوم، ص 87 تا 107، تابستان 1379.
2) وفائيان، م.؛ «آموزش در مهندسي ژئوتکنيک»؛ مجله ي آموزش مهندسي ايران، شماره ي 3، سال سوم، ص 87 تا 102، پاييز 1380.
3) وفائيان، م.؛ «نگاهي اجمالي به دانش ژئوتکنيک و آموزش آن (مقدمه اي بر ارزيابي فراگير)»، مجموعه ي مقالات سومين همايش بين المللي ژئوتکنيک و مکانيک خاک ايران؛ آذر 1381؛ جلد سوم، ص 347 تا 358.
4) Prakash S.; Teaching Geotechnical Engineering 1950-2000 and beyond, Proc. ICGEET, 2000, pp25-33.
5) Workshop Educations in Geotechnical Engineering; pp 1991-2014; 14th ICSMFE, Hamburge, Germany, 1997.
ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.
سهم نسبي کشورها در توسعه ژئوتکنيک
نگارنده در يک مطالعه ي آماري بيش از 300 مورد گردهمايي بين المللي يا منطقه اي در زمينه ي ژئوتکنيک، مکانيک خاک، مکانيک سنگ و ديناميک خاک را مربوط به سال هاي 1961 تا سال 2000 مورد بررسي قرار داده است. نتيجه ي اين بررسي از ديدگاه ترتيب درصد مقالات به شرح زير به دست آمد:
آمريکا (36)، انگلستان (29)، ژاپن (23)، کانادا (17)، استراليا (15)، هند (12)، فرانسه (11)، چين (10)، تايلند (10)، آلمان (9) و کشورهاي ديگر در حد 8 تا 6.
در يک ارزيابي ديگر، شمار مقالات از کشورهاي مختلف در همايش هاي بين المللي مکانيک خاک و مهندسي پي شمارش شد. بعضي از نتايج به دست آمده به اين شرح است:
براي نخستين کنفرانس بين المللي (سال 1936): از 181 مقاله، آمريکا (70)، اتريش (26)، هلند (18)، روسيه (14)، آلمان (9) و بقيه ي کشورها از 7 تا صفر.
در چهاردهمين کنفرانس بين المللي که در سال 1997 در کشور آلمان برگزار گرديد، حدود 1100 نفر از متخصصان و پژوهشگران از 55 کشور شرکت کردند و طي آن، باارائه ي حدود 465 مقاله، مباحث زير مورد بحث قرار گرفته است:
1) آزمايش هاي خاک و مشخصات خواص مهندسي زمين
2) پيشرفت هاي اخير در تکنيک هاي مهندسي پي ها
3) سازه هاي نگهبان و شيرواني هاي حفاري شده
4) کارهاي زيرزميني در ناحيه ي شهري
5) بهبود خواص خاک و تسليح آن
6) دفع مواد زايد و زمين هاي آلوده شده
7) کارگاه آموزشي و بازآموزي در مهندسي ژئوتکنيک
آمار مقالات نشان مي دهد که از 465 مقاله ي ارائه شده در اين کنفرانس، آلمان با 47 مقاله داراي بيش ترين تعداد مقالات، آمريکا با 43؛ ژاپن با 33؛ فرانسه با 24؛ انگلستان، برزيل و کانادا هر کدام با 20 تا 18 مقاله؛ ايتاليا، روسيه، لهستان و هلند هر کدام با 13 مقاله، اسپانيا، چين، سوئد و مکزيک هر کدام با 11 مقاله، هند و استراليا هر کدام با 10 مقاله و بلژيک، کره و پرتغال هر کدام با 8 تا 6 مقاله، رديف هاي بعدي را تشکيل داده اند و ساير کشورها از 5 تا 1 مقاله ارائه داده اند که از جمله از ايران 3 مقاله در آن کنفرانس (سال 1997) ارائه شده بوده است.
نتيجه اي که از اين آمار حاصل مي شود، عبارت است از اين که معمولاً تعداد شرکت کنندگان از کشور يا ناحيه اي که کنفرانس در آن جا تشکيل شده است، به نحو چشمگيري قابل توجه است (به مأخذ شماره ي 1 مراجعه شود) و نکته ي دوم اين است که تعداد شرکت کنندگان از کشورهاي مختلف معمولاً به طور متوسط از کشورهاي: آمريکا، فرانسه، ژاپن، انگلستان، ايتاليا، کانادا و گاهي برزيل و هند رديف هاي بالا را به خود اختصاص مي دهند.
مجلات و همايش هاي در ايران
از سوي ديگر، بخش مهمي از مباحث ساختگاهي، مربوط به مسايل مکانيک سنگ است که خود در حوزه ي ژئوتکنيک قلمداد مي گردد و به اين دليل، بخش هايي از زمينه ي ژئوتکنيک را بايد در کنفرانس هاي مکانيک سنگ (که در ايران تشکيل شده است) جست و جو نمود و نيز مباحث ژئوتکنيکي تونل ها، زيرگذرها و متروها را طبعاً مي توان در همايش هاي تونل سازي پي گيري نمود که سومين آن در سال 1366 و هفتمين در سال گذشته (88/2/28) در دانشگاه تربيت مدرس برگزار شد. بخشي از مسائل مکانيک خاک و ژئوتکنيک طبيعتاً مربوط به صنعت سدسازي ست، زيرا طراحي و اجراي سدها داراي ارتباط بنيادي و حياتي با مباحث مذکور مي باشد، و به همين علت انتظار مي رود در همايش هاي سدسازي نيز بخش مهمي به زمينه هاي ژئوتکنيکي اختصاص داده شود. نمونه اي از اين همايش ها، نخستين سمينار سدسازي ايران در سال 1366، و نخستين همايش سدهاي خاکي در ايران است که در سال 1376 برگزار گرديد.
در زمينه ي مجلات تخصصي مکانيک خاک، متأسفانه تاکنون مجله ي مهندسي مستقلي در حوزه ي مکانيک خاک يا ژئوتکنيک در ايران منتشر نگرديده است، ولي خوشبختانه مجله (فصل نامه) ي ژئوتکنيک و مقاومت مصالح وابسته به آزمايشگاه مکانيک خاک وزارت راه از سابقه ي ارزشمندي برخوردار است، به طوري که تاکنون حدود 110 شماره ي آن منتشر شده است. البته بايد توجه داشت که مجلاتي از اين قبيل، در طبقه بندي و ارزيابي مقالات آن در زمره ي مجلات پژوهشي - ترويجي قرار دارند و اين نوع مجلات معمولاً در کدبندي هاي ISI قرار نمي گيرد.
در اين جا تذکر اين مطلب نيز ارزشمند است که گرچه هنوز مجله ي خاصي مختص مباحث ژئوتکنيک و مکانيک خاک در ايران منتشر نشده است در تمام مجلات مهندسي کشور که از انتشارات دانشگاه ها يا وزارت علوم، تحقيقات و فناوري هستند، درج اين گونه مقالات کاملاً معمول است و تقريباً در بيش از 70 درصد شماره هاي اين گونه مجلات، دست کم يک يا دو مقاله مربوط به مباحث ژئوتکنيکي تاکنون به چاپ رسيده است؛ ضمن اين که اميد مي رود به زودي مجله اي مختص مباحث مورد نظر در اين حوزه توسط انجمن ژئوتکنيک ايران به منصه ي چاپ و انتشار برسد.
آموزش در مهندسي ژئوتکنيک
اهميت دادن به مسأله ي آموزش
در زمينه ي مبحث ژئوتکنيک نيز، غالباً در همايش هاي بين المللي به لزوم بازنگري و ارزيابي برنامه هاي آموزشي آن توجه شده است؛ از جمله، به طور خاص کنفرانسي تحت عنوان «همايش بين المللي آموزش در مهندسي ژئوتکنيک» (Education & Training International Conference on Geotechnical Engineering) در سال 2000 در کشور روماني تشکيل گرديد. در اين کنفرانس 84 مقاله در 520 صفحه در زمينه هاي مختلف ولي مرتبط با آموزش اين شاخه از علوم مهندسي ارائه گرديد؛ که 6 مقاله ي اول از سخن رانان مدعو بوده است. در بخشي از مجموعه ي مقالات آن ها، مقالاتي ارائه شده است که نشان دهنده ي وضعيت آموزش اين رشته در 19 کشور از سراسر جهان است. يکي از سخن رانان مدعو در اين همايش، پرفسور «پراکاش» (Prakash) است که حدود 50 سال در امر آموزش درس هاي مختلف ژئوتکنيک نقش داشته و تجربه اندوخته است. نامبرده درس هاي مکانيک خاک را به سه گروه (سه مرحله)، يعني: مقدماتي، متوسطه و عالي تقسيم نموده و در مورد مباحث مربوط به هر گروه توضيح مفيدي ارائه مي دهد (به مآخذ 2 و 3 و 4 مراجعه شود).
در بعضي کشورهاي با سابقه ي بيش تر در زمينه ي ژئوتکنيک (مانند آلمان) حتي براي مهندسان و کارشناسان مهندسي عمران که مشغول فعاليت هستند، دوره هاي بازآموزي و آموزش هاي تخصصي برگزار نموده اند. براي نمونه، به مبحث هفتم از چهاردهمين کنفرانس بين المللي مکانيک خاک، 1997- مآخذ شماره ي 5 ارجاع داده مي شود.
خوشبختانه وضعيت آموزش و تربيت نيروي انساني لازم در زمينه هاي مرتبط با ژئوتکنيک و مکانيک خاک، در حال حاضر در کشور ايران در حد قابل قبول و در حال گسترش چشمگير است، به طوري که هم اکنون در حدود بيست و پنج دانشگاه دولتي (در مقايسه با سال 1368 که فقط 4 دانشگاه در اين زمينه دانشجو مي پذيرفتند) در مناطق مختلف کشور در دوره هاي کارشناسي ارشد مکانيک خاک دانشجو مي پذيرند؛ ضمن اين که در حال حاضر حداقل در 5 دانشگاه دوره هاي کارشناسي ارشد مکانيک سنگ برقرار است و بيش از شش دانشگاه در مقطع دکتراي مکانيک خاک نيز فعال هستند. علاوه بر اين، در حال حاضر در 5 واحد از دانشگاه هاي آزاد نيز مقطع کارشناسي ارشد مکانيک خاک داير است.
دروس وابسته به مکانيک خاک و ژئوتکنيک در دانشگاه ها
برنامه ي مفصل دروس ژئوتکنيک در دوره هاي کارشناسي، کارشناسي ارشد و دکترا در بعضي از کشورها در مآخذ شماره 2 به صورت نسبتاً مفصل آمده است و در اين جا از تکرار آن صرف نظر مي شود، ضمن اين که توصيه مي شود علاقه مندان آن مقاله را مطالعه نمايند تا به ميزان توجه جدي به اين شاخه ي مهندسي در بعضي از کشورها آگاهي يابند.
ابزارهاي مورد استفاده در زمينه هاي مرتبط با ژئوتکنيک
دستگاه هاي آزمايشگاهي و «در محل»
در حال حاضر، آزمايشگاه هاي مکانيک خاک و مکانيک سنگ معمولاً مجهز به تعدادي دستگاه هاي اندازه گيري خواص معمولي و مورد نياز سنگ و خاک هستند، که غالباً شامل موارد زيرند:
دستگاه تعيين چگالي، وزن مخصوص، درصد رطوبت، درصد خلوص، دانه بندي، مقاومت برشي، حدود اتربرگ، سي بي آر (CBR)، تحکيم و تورم، نفوذپذيري، تعيين خواص ديناميکي خاک ها و سنگ ها.
يکي از ابزارهاي خاص پژوهش هاي رفتارسنجي در حوزه ي مکانيک خاک، دستگاه هاي مبتني بر تأثير عملکرد سانتريفوژ در اين زمينه است که هدف از آن ايجاد ثقل مصنوعي به منظور مطالعه ي رفتاري خاک در مقياس آزمايشگاهي، ولي در شرايط وزين مي باشد. به علت گستردگي کاربرد اين فرايند و مفيد بودن نتايج آن، تا کنون همايش هاي خاص اين پديده نيز در سطح بين المللي برگزار گرديده است، که اولين آن ها در سال 1991 در کلرادو تحت عنوان "Centrifuge91" برگزار شد.
از طرفي آزمايش هاي صحرايي يا در محل (in situ) به وسيله ي دستگاه هايي اجرا مي گردد که معمول ترين آن ها عبارت اند از:
دستگاه بارگذاري صفحه اي (PLT)، دستگاه نفوذ استاتيکي (CPT)، دستگاه آزمايش برشي مستقيم در محل؛ دستگاه نفوذ ضربه اي (SPT)، فشارسنجي (Pressuremeter) ديلاتومتري، و دستگاه هاي تعيين نفوذپذيري در محل (آزمايش هاي لوژن و لوفران).
از ابزارهاي ديگري که در مطالعات و پروژه هاي ژئوتکنيکي مورد استفاده قرار مي گيرند، ابزارهاي ژئوتکنيکي ست که کاربرد آن ها خاص حوزه ي مطالعه ي خاک و ژئوتکنيک نيست؛ بلکه اصولاً به منظور شناسايي لايه هاي زير سطحي، تغييرات آن ها، وجود آب زيرزميني و شناخت مناطق زيرسطحي در مقياس وسيع و طولاني ست، ولي به طور جنبي نيز از آن ها در اهداف ژئوتکنيکي و شناخت صحرايي براي پروژه هاي عمراني استفاده مي گردد.
ابزارهاي رفتارنگاري
در اين مبحث بايد توجه داشت که چگونگي نصب اين گونه ابزارها، انتخاب نوع مناسب آن ها، انتخاب محل مناسب براي نصب، زمان مناسب نصب آن ها و زمان هاي مناسب قرائت آن ها، فاصله ي زماني و تناوب قرائت ها، و ساير مسائل وابسته به اين فعاليت ها، نيازمند مهارت و اطلاعات تخصصي و دانش ويژه اي است که اين مجموعه، تحت عنوان مبحث ابزاربندي (Instrumentation) و رفتارنگاري (Monitoring) به طور مفصل در کتاب هاي خاص آن شرح داده شده است.
قابل ذکر است که ابزاربندي و رفتارنگاري پروژه ها - معمولاً سدها (اعم از خاکي، پاره سنگي يا بتني)، تونل ها و متروها، نيروگاه ها، ديوارهاي حايل، برج هاي ساختماني، بعضاً اجباري و آيين نامه اي است و در بسياري موارد مبتني بر تشخيص و علاقه ي کارفرما يا مشاور است. آنچه توضيح آن در اين مقاله مناسب است، فوايدحاصل از ابزار بندي و رفتارنگاري ست که عمدتاً در 4 بخش قابل بحث مي باشد.
1- مشاهده ي رفتار و عملکرد يک پروژه و ثبت زماني رفتار آن (يا حتي مقطعي) مي تواند نشان دهنده ي وضعيت رفتاري طبيعي و قابل انتظار آن پروژه باشد که در اين صورت به معناي موفق بودن آن بدون احساس نگراني ست؛ درعين حال ممکن است نشان دهنده ي رفتار غير قابل انتظار و پيش بيني نشده باشد که در اين حال نيازمند بررسي فوري کليه ي جنبه هاي طراحي، اجرا، شرايط موجود و حتي کنترل کردن ابزارها مي باشد. مثلاً نشست هاي بيش از حدِ يک پي در يک ساختمان بلند، دگرشکلي هاي جانبي يک گودبرداري يا يک برج، نشست هاي بيش از حدِ بدنه ي يک سد، افزايش فشار آب بيش از حد پيش بيني شده در بدنه ي يک سد خاکي، تغيير شکل هاي جانبي زياد در بدنه ي يک سد خاکي، ايجاد ترک هاي ناگهاني در بدنه ي سد، رفتار پيش بيني نشده در سدهاي بتني يا تکيه گاه هاي آن ها، رفتار تغيير شکلي و فشاري در دهانه ي تونل ها (مترو، تونل راه يا راه آهن) و نيروگاه ها وساير موارد متعددي که کراراً اتفاق افتاده است، مي تواند زنگ خطري باشد که موجب نگراني مجموعه ي مسئولان پروژه (اعم از کارفرما، پيمانکار، مشاور و ناظر) گردد و گاه نياز به اقدامات بسيار سريع دارد.
2- مطالعه ي رفتار يک پروژه ي اجرايي و مقايسه ي آن با آنچه در طراحي پيش بيني شده است، يک تجربه و درس فوق العاده باارزشي ست که طراح و مشاور از ديدگاه اطمينان به روش ها و اندازه گيري هاي مربوط به مصالح و ارزيابي هاي ساختگاه به دست مي آورند؛ به طوري که مي توانند براساس آن ها نکات مهم را شفاف کنند و براي پروژه هاي مشابه از روش هاي به کار برده شده با رضايت خاطر و اعتماد به نفس بيش تري بهره بگيرند.
3- همين نتيجه گيري و فايده - که در بالا به آن اشاره گرديد - مي تواند مفيد فايده در پيشبرد مرزهاي دانش در آن زمينه نيز باشد، زيرا پژوهشگران و دانشمندان واضع تئوري ها، با مشاهده ي آن اطلاعات حاصل از اندازه گيري ها، در حقيقت با يک آزمايشگاه واقعي در مقياس اجرايي مواجه اند و بر اساس آن نتايج مي توانند تئوري ها و تحليل هاي ارائه شده را تصحيح، تدقيق و تکميل کنند.
4- در صورتي که پروژه اي ناموفق باشد و با مشکلاتي مواجه گردد يا - در نهايت - تخريب گردد يا ريزش کند، معمولاً انتظار مي رود که همه ي عوامل دست اندرکار، يعني: مشاور، پيمانکار و ناظر و بعضي عوامل ديگر پاسخ گو باشند. در چنين مواردي تشخيص حقوقي و دادگاهي قصور يا تقصير معمولاً بسيار مشکل و در يک فرآيند طولاني مورد حل و بحث قرار مي گيرد. يکي از مواردي که انتظار مي رود بسياري قضايا را شفاف سازي کند، همين نتايج ابزاربندي و رفتارنگاري ست، مشروط به آن که ابزارها سالم و مناسب، در محل مناسب، و با عملکرد مناسب و با اپراتور مطمئن و با قرائت هاي در زمان هاي مناسب و پيش بيني نشده به نتيجه رسيده باشند.
با توجه به 4 مورد مذکور مي توان با اعتماد کامل پذيرفت که به فرآيند «ابزاربندي و رفتارنگاري» در حوزه ي ژئوتکنيک نبايد به صورت يک فرآيند غيرضروري و تفنني نگريست؛ بلکه اگر منظور از آن 4 هدف ذکر شده باشد، فعاليتي بسيار تخصصي و حساب شده و هدفمند است؛ به طوري که نصب ابزارها و کاربرد آن ها در محل هاي مناسب و يا بدون مطالعه و بدون توجه به ديدگاه تخصصي آن، نه تنها موجب نتيجه گيري مناسب و مفيد نمي گردد، بلکه ممکن است به نتايج گمراه کننده نيز منجر گردد، ضمن اين که خود ابزارها نوعي مزاحمت فيزيکي هم مي توانند داشته باشند.
نرم افزارهاي محاسباتي
در اين جا تذکر نکته ي مناسب ديگري نيز مناسب به نظر مي رسد که بسياري از کاربران تازه کار با يادگيري يک نرم افزار و با داشتن اطلاعات اوليه ي آزمايشگاهي از مشخصات سنگ و خاک احساس مي کنند که به تحليل واقعي رفتار خاک دست مي يابند و نتايج حاصل را به عنوان وضعيت رفتاري واقعي تلقي کرده و بر اساس آن طراحي را ارائه مي دهند، در حالي که ممکن است به هيچ کدام از موارد ذکر شده توجهي نداشته باشند، گرچه خوشبختانه در بيش تر موارد، ضريب اطمينان طراحي آن قدر بالاست که مي تواند همه ي اشکالات مذکور را - هر چقدر هم نامعلوم باشد - در خود هضم کند. از طرفي (خوشبختانه) طراحي پروژه هاي مهم و متضمن مسائل ايمني و اقتصادي درجه بالا، منحصراً به عهده ي کاربران تازه کار و يا به عهده ي يک فرد گذاشته نمي شود. از اين رو، آن نگراني حاصل از خوش بيني بيش از حد به نتايج نرم افزاري تا کنون منجر به مشکلاتي نشده است.
در همين بحث، کاربران نتايج آزمايشگاهي کم و بيش اطلاع دارند که بسياري از نتايج اندازه گيري ها با تقريب هاي نامعلومي همراه است که يا به علت عدم دقت در نمونه گيري و نمونه سازي است، يا به علت عدم دقت در انجام آزمايش (چه در آزمايشگاه و چه در محل) است و يا به علت عدم احساس مسئوليت در تحليل و اعلام واقعيت هايي که در ضمن انجام آزمايش مشاهده شده است، مي باشد و يا به علت تقريب هايي است که مختص مصالحي چون خاک و سنگ است. علاوه بر اين، لازم به يادآوري ست که بعضي از خواص اندازه گيري شده در مورد خاک ها تا حد زيادي تابع عوامل ديگري از قبيل اندازه ي نمونه، بزرگي تنش وارد بر آن، شرايط و نوع آزمايش هم مي باشد. در عين حال و با وجود همه ي موارد ذکر شده، خوشبختانه بسياري از نتايج اندازه گيري آزمايشگاهي با همان وضعِ به دست آمده و گزارش شده در تحليل ها به کار برده نمي شود و کاربرد آن ها با توجه به درنظر گرفتن يک حاشيه ي اطمينان اوليه است.
توصيه هايي اجرايي
1) گودبرداري هايي که در مناطق شهري به منظور احداث ساختمان ها انجام مي گيرد تاکنون تلفات جاني قابل توجهي داشته است و معمولاً همراه با ريزش و آسيب رساني به ساختمان هاي مجاور نيز بوده است، بنابراين دقت هاي بيش از حد معمول حتي در حد وسواس در اين گونه موارد منطقي است.
2) وجود خاک هاي دستي در بعضي مناطق به طرق مختلف (مثل وجود بارندگي و نفوذ آب باغچه و مشابه آن، خاک برداري درمجاورت آن، ارتعاشات و موارد مشابه) موجب سستي شالوده و عدم اطمينان مي گردد، از اين رو شناسايي و استحکام دادن به آن ها ضروري است؛ ضمن اين که اين گونه خاک ها تابع هيچ گونه از روابط و قوانين مکانيک خاک نيستند.
3) در حفاري هاي زيرزميني در مناطق شهري براي ايجاد مترو، زيرگذر، نصب لوله هاي آب و فاضلاب، لوله هاي گاز و مشابه آن ها، امکان تأثيرگذاري بر سطح زمين اعم از سطح خيابان، ساختمان ها و حتي احتمال فروريزش زمين نيز مي باشد، لذا لازم است شناخت و تحليل هاي لازم در اين گونه موارد به نحو مناسب و بيش از حد معمول انجام گيرد.
4) نتايج و گزارش هاي آزمايشگاه ها خالي از تقريب و خطا و گاه حتي خالي از اشتباه نيست، بنابراين در پروژه هاي بزرگ و مهم استفاده از دو آزمايشگاه متفاوت و مقايسه ي نتايج ضرورت مي يابد.
5) کاربرد مدل هاي رفتاري در محاسبات تحليلي، هرچند ظاهري زيبا و دقيق دارد - در صورتي که تطابق واقعي با رفتار محل مورد نظر نداشته باشد (يا منطبق بر شرايط مورد نظر آن مدل رياضي نباشد) خطاي تحليل حاصل از آن ها نامعلوم است و لذا نتايج تحليلي مبتني بر آن ها ممکن است فريبنده، غيرواقعي و حتي خطرناک باشد؛ از اين رو توصيه مي شود براي کاربرد اين گونه نتايج حاصل از کاربرد مدل هاي رفتاري حتماً از مشورت متخصصان آشنا به روش هاي عددي و صاحب نظر در مدل هاي رفتاري خاک استفاده گردد.
6) کاربرد نرم افزارهاي معمول (اعم از اين که براساس اجزاي محدود يا براساس تفاضل هاي محدود باشد) براي مهندسان تازه کار ممکن است در ابتدا فريبنده و آسان به نظر برسد، و به همين علت نتايج حاصل از آن ها ممکن است گمراه کننده و غيرقابل اعتماد باشد، لذا توصيه مي شود در اين موارد نيز کاربرد نتايج بعد از اطمينان کامل مورد استفاده قرار گيرد.
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.
1) وفائيان، م.؛ «معرفي دانش ژئوتکنيک و ارزيابي کارنامه ي آن تا سال 2000»؛ مجله ي آموزش مهندسي ايران، شماره ي 2، سال دوم، ص 87 تا 107، تابستان 1379.
2) وفائيان، م.؛ «آموزش در مهندسي ژئوتکنيک»؛ مجله ي آموزش مهندسي ايران، شماره ي 3، سال سوم، ص 87 تا 102، پاييز 1380.
3) وفائيان، م.؛ «نگاهي اجمالي به دانش ژئوتکنيک و آموزش آن (مقدمه اي بر ارزيابي فراگير)»، مجموعه ي مقالات سومين همايش بين المللي ژئوتکنيک و مکانيک خاک ايران؛ آذر 1381؛ جلد سوم، ص 347 تا 358.
4) Prakash S.; Teaching Geotechnical Engineering 1950-2000 and beyond, Proc. ICGEET, 2000, pp25-33.
5) Workshop Educations in Geotechnical Engineering; pp 1991-2014; 14th ICSMFE, Hamburge, Germany, 1997.
ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.
/ج
