ژئوتکنیک

افرادی که به مطالعه و کاربرد ژئوتکنیک می‌پردازند، مهندسان ژئوتکنیک نامیده می‌شوند. آنها نه تنها در اصول بنیادی هیدرولیک، مکانیک و ژئوفیزیک بلکه در زمین شناسی و در فرآیندهای طبیعی ایجاد و رسوب سنگ‌ها و همچنین طبقه بندی آنها نیز تخصص دارند. بنیانگذار ژئوتکنیک، مهندس آمریکایی کارل فون ترزاقی است که پدر علم مکانیک خاک نیز می‌باشد.

کار ترزاقی به متخصصانی مانند رالف بی پک آمریکایی، غلامرضا مصری ایرانی و آرتور کاساگراند اتریشی اجازه داد تا پایه‌های مهندسی ژئوتکنیک را توسعه دهند؛ اما به عنوان یکی از جوان‌ترین شاخه‌های زمین شناسی، ژئوتکنیک به تکامل خود ادامه می‌دهد. دانش آموختگان بسیاری در سرتاسر جهان در این رشته تحصیل می‌کنند و وارد بازار کار می‌شوند.

مهندسی ژئوتکنیک چیست؟

مهندسی ژئوتکنیک شاخه‌ای تخصصی از مهندسی عمران است که به رفتار مواد خاکی و کاربرد مکانیک خاک و سنگ می‌پردازد. مهندسان ژئوتکنیک برای طراحی پی، سازه‌های نگهدارنده و کارهای خاکی، خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی خاک و سنگ را تعیین می‌کنند. شالوده‌ها بسته به شرایط زمینی که با آن مواجه می‌شوند، ممکن است کم عمق یا عمیق باشند. سازه‌های حائل، شامل سدهای پر از خاک و دیوارهای حائل هستند.

عملیات خاکی شامل خاکریزها، تونل‌ها، کانال‌ها، مخازن و باندها هستن که نیاز به بررسی ژئوتکنیکی دارند. پارامترهای مهندسی خاک و سنگ و نحوه تعامل آنها با ساختمان در مهندسی ژئوتکنیک انجام می‌شود. هدف از تحقیقات زمینی، ارزیابی خطرات ژئوتکنیکی، زمین شناسی و هیدرولوژیکی برای انسان، منابع و محیط زیست است.

طیف وسیعی از خدمات مهندسی ژئوتکنیک به شرح زیر هستند:

• ارزیابی و طراحی محل پروژه
• خصوصیات زمین شناسی و هیدرو زمین شناسی
• مهندسی خاک برداری و شیب
• اصلاح زمین و تثبیت خاک
•  تثبیت حفره و معدن طبیعی و مصنوعی
• طراحی شمع بندی و سیستم‌های پشتیبانی
• مهندسی پی و دیوار حائل
•  آزمایش زیرسازی برای جاده‌ها و روسازی‌های خارجی
• ابزار دقیق و نظارت زمینی
•  مطالعات امکان سنجی حفاری
• مهندسی فرونشست و مشاوره زیربنایی
• ارزیابی و پایش ریسک

یک گزارش ژئوتکنیکی معمولی شامل گزارش‌های اکتشافی دقیق و نتایج آزمایش‌های درجا (در محل) و آزمایشگاهی است. این اطلاعات برای ارائه توصیه‌ها و پارامترهای طراحی برای اهداف فونداسیون و ساخت و ساز استفاده می‌شوند. محتویات هر گزارش ژئوتکنیکی برای پاسخگویی به نیازهای خاص پروژه تنظیم شده‌اند. این گزارش ممکن است حاوی بحث و توصیه در مورد نوع فونداسیون، دیوارهای حائل، کارهای خاکی و زیرشاخه‌های مورد نیاز برای ساخت سازه‌های ساخت بشر باشد.

رشته ژئوتکنیک چیست؟

رشته ژئوتکنیک به بررسی خصوصیات فیزیکی، مکانیکی، هیدرولیکی و سایر خاک، محیط و مصالح به کار رفته در ساخت و ساز در پیشگیری از حوادث و بلایای طبیعی می‌پردازد. در این رشته تحصیلی، فارغ التحصیلان می‌توانند در حوزه‌های زیر مهارت کسب کنند:

• مهندسی زمین شناسی که به نیازهای انسانی در تعامل با زمین که در آن زندگی می‌کند، می‌پردازد.
• مکانیک صخره که رفتار سنگ‌ها و توده‌های سنگی و نیز توصیف نظری و کاربردی آنها است.
• مطالعه موردی خاک برای درک واکنش این ماده به تنش و سایر شرایط فیزیکی و شیمیایی بسته به ماهیت خاص‌شان است.
• مکانیک خاک‌ که به کاربرد قوانین فیزیک و سایر علوم طبیعی برای مطالعه نیروهای وارد بر لایه سطحی زمین اختصاص دارد.

وظیفه یک مهندس ژئوتکنیک این است که اطمینان حاصل کند که یک ساختمان در بستری مستحکم از زمین استوار شده است. همه ما با برج کج پیزا آشنا هستیم اما آیا می‌دانستید ساختمان‌های معروف دیگری نیز وجود دارند که کج هستند؟ 10 ساختمان کج دنیا که بدون مطالعات ژئوتکنیکی معروف عبارتند از:

• برج هزاره: سانفرانسیسکو، کالیفرنیا
• بیگ بن: لندن، انگلستان
• برج کلیسای سورهوسن: سورهوسن، آلمان
• دو برج بولونیا: بولونیا، ایتالیا
• بتکده تایگر هیل: سوژو، چین
•  اود کرک: دلفت، هلند
•  کلیسای سنت مریم و تمام مقدسین: چستر فیلد، انگلستان

مطالعه خواص مواد زمین شناسی در یک پروژه عمرانی می‌تواند از عواقب زیر جلوگیری کند:

•  نشت زمین
•  تغییر شکل یا ترک 
•  خرابی فونداسیون و ریزش سازه

مهم نیست که چه نوع ساختمانی را طراحی می‌شود، اولین قدم این است که زمینی که روی آن ساختمان ساخته می‌شود، مورد بررسی قرار گیرد. شما با آموزش مهندسی ژئوتکنیک می‌توانید در این رشته تحصیلی خود را به یک متخصص تمام عیار تبدیل کنید.

دانش آموختگان همچنین باید انواع نرم افزار ژئوتکنیک به شرح زیر را فرا بگیرند:

•  آباکوس (Abaqus): ابزار مشترک در تحلیل سازه‌های ساختمانی و مسائل ژئوتکنیکی
• پلکسیس (PLAXIS): تحلیل تغییر شکل، پایداری و جریان سیالات در مهندسی ژئوتکنیک
• فلک (FLAC): تحلیل تفاضل محدود خاک، سنگ و سیستم‌های نگهداری حفریات سطحی و زیرزمینی
• ژئواستودیو (GeoStudio): برای مدلسازی پایداری شیب، تغییر شکل زمین، انتقال حرارت و جرم به خاک و سنگ
•  ژئو5 (Geo5): برای طراحی حفریات، طراحی فونداسیون‌های سطحی و عمیق، تحلیل پایداری شیب و تحلیل نشست زمین

اصول مهندسی ژئوتکنیک

مهندسی ژئوتکنیک مطالعه رفتار خاک‌ها، تحت تأثیر نیروهای بارگذاری و برهمکنش آب و خاک است. این دانش در طراحی فونداسیون‌ها، دیوارهای حائل، سدهای خاکی، آسترهای سفالی و ژئوسنتتیک‌ها برای مهار زباله به کار می‌رود. اهداف مهندسان ژئوتکنیک می‌توانند از طراحی فونداسیون و پشتیبانی موقت حفاری، از طریق انتخاب مسیر برای راه‌ آهن و بزرگراه تا مناطق مهم دفن زباله‌ها و آلودگی آب‌های زیرزمینی باشند.

به این ترتیب، مهندس ژئوتکنیک در تحقیقات میدانی و آزمایشگاهی برای تعیین خواص مهندسی خاک و سایر مواد ژئومتریال و استفاده بعدی از آنها در مطالعات تحلیلی مورد نظر شرکت می‌کند. پیشرفت‌های محاسباتی و رایانه‌ای اخیر، توانایی مهندسان ژئوتکنیک را برای پیش‌بینی رفتار خاک و سیستم‌های آب و خاک تحت شرایط مختلفی افزایش داده‌اند.

در سال‌های اخیر، فعالیت مهندسان ژئوتکنیک، مهندسی ژئو محیط زیست را نیز در برگرفته است. مهندسان ژئو محیط زیست، استراتژی‌هایی را برای پاکسازی خاک‌های آلوده و آب‌های زیرزمینی طراحی می‌کنند و سیستم‌های مدیریتی را برای سایت‌های آلوده توسعه می‌دهند. فرصت‌های شغلی شامل مشاوران ژئوتکنیک و مهندسی، خدمات عمومی، سازمان‌های دولتی، آژانس‌های محیط زیست، پیمانکاران تخصصی و شرکت‌های صنعت منابع هستند.

به منظور تجزیه و تحلیل مواد زمین شناسی و تعیین ارزش ویژگی‌های مربوطه که سایر طراحان استفاده خواهند کرد، مهندسان ژئوتکنیک از دانش ترکیبی زیر استفاده می‌کنند:

• مهندسی عمران
• مهندسی کشاورزی 
•   زمين شناسی

ژئوتکنیک لرزه‌ای

مهندسی ژئوتکنیک لرزه‌ای و ژئودینامیک، در مورد چگونگی حل مسائل لرزه‌ای در ژئوتکنیک و درک ویژگی‌های دینامیکی سنگ و خاک در شرایط زلزله یا ارتعاش ناشی از انفجار، حمل و نقل و سایر موارد است.

زلزله به عنوان یکی از بدترین بلایای طبیعی، توسعه حمل و نقل و ساخت و سازهای عمرانی را به طور جدی محدود کرده است. مسئله ژئودینامیک و مهندسی زلزله ژئوتکنیکی، یکی از چالش برانگیزترین مسائل در ساخت و ساز زیرساخت‌ها است. اگرچه دستاوردهایی در این زمینه حاصل شده است اما نتایج چندین بررسی (سانحه بعد از زلزله) به ما یادآوری کرده‌اند رشته ژئوتکنیک هنوز در گام‌های ابتدایی خود قرار دارد.

فاجعه ناشی از زلزله همچنان خسارات جانی و مالی زیادی را به همراه دارد. مهندسی ژئوتکنیک با هدف فراهم کردن بستر ارتباطی برای محققان در حوزه زلزله و ژئودینامیک، ارتقای سطح تحقیقات در این زمینه و بهبود بیشتر توانایی پیشگیری از بلایا برای کاهش تلفات ناشی از زلزله یا سایر ارتعاشات است.

موضوعات بالقوه در ژئوتکنیک لرزه‌ای عبارتند از:

• تحلیل لرزه‌ای سازه‌های نگهدارنده و دریایی
•  عملکرد پایداری و جابجایی شیب‌ها، محل‌های دفن زباله و سدهای خاکی تحت زلزله
• تاریخچه موردی مهندسی ژئوتکنیک زلزله
• مدل‌های عددی و فیزیکی لرزه‌ای ژئوتکنیکی
•  تعامل دینامیکی بین خاک و سازه
•   مشخصات دینامیکی سنگ و خاک و روابط سازنده
• تکنیک‌های تست درجا ارتعاشات محیطی
•  انتشار موج و ارتعاشات مهندسی ناشی از زلزله
• حرکت زمین و پاسخ لرزه‌ای محل پروژه
• مشکلات مهندسی ژئوتکنیک ناشی از ریززلزله‌ها
• روانگرایی و نشست ناشی از لرزه (شکست زمین)

ژئوتکنیک دریایی

ژئوتکنیک دریایی شامل تجزیه و تحلیل استاتیکی و دینامیکی شمع‌ها، پایه‌های کم عمق، خطوط لوله و سیستم‌های لنگر است. این گرایش از ژئوتکنیک مجموعه گسترده‌ای از ابزارهای نرم افزاری است که برای بهینه سازی طراحی سازه‌های دریایی مورد استفاده قرارد می‌گیرد.

تحلیل های بنیادی ژئوتکنیک دریایی عبارتند از:

• ظرفیت تحت بارگذاری سه بعدی شامل اثرات مضر بارگذاری چرخه‌ای و مزایای افزایش مقاومت تحکیم خاک
•  سکونت‌گاه‌ها و عملکرد لرزه‌ای برا کاهش ظرفیت پی و نشست‌های پس از لرزه‌ای
• برنامه ریزی، اجرا و تفسیر بررسی‌های سایت برای مسیرهای خطوط لوله
• ارزیابی‌های جاسازی خط لوله برای شرایط و اثرات تحرک رسوب
• مدل‌های پاسخ محوری و لوله‌ای به خاک مانند فاکتورهای اصطکاک
•  راه حل‌های بهینه سازی تثبیت خط لوله برای ثبات در حرکات ناشی از حرارت
•  تفسیر بستر دریا از طریق ادغام داده‌های ژئوفیزیکی، زمین شناسی، درجا و ژئوتکنیک آزمایشگاهی
• مشخصات، نظارت و تفسیر تست‌های آزمایشگاهی پیشرفته
• طراحی پایه برای سازه‌های زیر دریا، سکوها و سیستم‌های پهلوگیری، معمولاً برای پروژه‌های نفت و گاز و پروژه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر
•  طراحی فونداسیون برای سازه‌های نزدیک ساحل از جمله بنادر، اسکله، دفاع دریایی و موج شکن
• مدل‌سازی عددی شمع‌های با قطر بزرگ با بارگذاری جانبی و چرخه‌ای
•  نفوذ پای جک آپ و اسپاد برای ارزیابی پایداری در محل از جمله بار ناشی از طوفان دریایی و لرزه‌ای
•   بررسی هیدرودینامیکی، تحرک رسوب و آبشستگی
•  تحلیل برهمکنش خاک و ساختار
•  ارزیابی خطرات دریایی و تأثیر بالقوه آنها بر زیرساخت‌ها

کلام آخر

مهندسی ژئوتکنیک یک رشته تخصصی از مهندسی عمران است که به رفتار و خواص ساختاری به هم پیوسته مواد زمین شناسی و آب‌های زیرزمینی مربوط می‌شود. مواد زمین شناسی شامل خاک و سنگ طبیعی هستند اما همچنین شامل مواد ساخته دست بشر مانند خاک فشرده، سنگ خرد شده، بتن و سنگ‌های دیگر نیز می‌باشند.

افرادی که در این حوزه کسب دانش می‌کنند، به سرعت وارد بازار کار می‌شوند زیرا اولین قدم در احداث سازه، بررسی مسائل ژئوتکنیک است. از این رو، متقاضیان می‌توانند با آموزش اصولی و کسب مهارت در نرم افزارهای ژئوتکنیک، خود را به یک متخصص تمام عیار تبدیل کنند.