أصبحت طريقة العناصر المحدودة طريقة متأصلة في كل فروع الهندسة و الهندسة الجيوتكنيكية ليست استثناء. غير أن سلوكية التربة تختلف عن سلوكية باقي مواد البناء بسبب لا خطيتها الشديدة التي تظهر حتى عند الحمولات الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك تظهر بعض الترب خصائص أخرى مثل اللاتجانس و الزحف و الانخفاس و الانتفاخ. إن موديلات السلوك التي تأخذ بعين الاعتبار هذه الخصائص تحتاج إلى استراتيجيات برمجة معقدة جدا معتمدة على التكامل التكراري. إن الحاجة لتعريف الشروط الابتدائية و تاريخ تحميل التربة يعقد المسائل الجيوتكنيكية أكثر فأكثر. لكل هذه الأسباب تصبح طريقة العناصر المحدودة مسألة تحدي كبير لمقدرات الكمبيوترات التي كانت حتى زمن غير بعيد غير كافية لهكذا نوع من الطرق.
على كل الأحوال فإن توافر الإمكانيات الحاسوبية حاليا لا يعني بشكل أوتوماتيكي بأن أي مهندس جيوتكنيكي سيكون بمقدوره استخدام العناصر المحدودة. تتطلب هذه الطريقة درجة عالية من التخصص. يمتلك الإحترافيون في فيزي جيوتكنكا خبرة طويلة الأمد في برمجة و استخدام نماذج التربة المتطورة لسنوات عديدة في كل من مجالي البحث العلمي و التطبيق العملي. هذا ما يجعل فيزي جيوتكنكا الشريك الأمثل لمساعدة المهندس المصمم في التحليل الجيوتكنيكي.
يستخدم التحليل الجيوتكنيكي في كل الحالات التي تتطلب تحديدا دقيقا للتشوهات. تمتلك فيزي جيوتكنكا سجلا حافلا من التطبيقات الناجحة للتحليل العددي في مختلف مجالات الهندسة الجيوتكنيكية، من أهم هذه المجالات :
تستخدم الجدران الاستنادية في تأمين الدعم الجانبي للتربة سواء في حالة الحفريات الصناعية أو في حالة التوضعات الطبيعية للتربة. عادة ما يتألف الجدار الاستنادي من جدار بالإضافة إلى عناصر إنشائية أخرى مثل الشدادات ، المسامير و الأظفار الراجعة. حمولات الأساسات يمكن تطبيقها بشكل مباشر على التربة أو نقلها عن طريق الأوتاد. يمكن تصنيف الجدران الاستنادية ضمن صنفين رئيسيين: الجدران الثقالية التي تعتمد بشكل كامل على وزنها الذاتي في تأمين الاستقرار و الجدران الوتدية التي تعتمد في استقرارها على الدفع السلبي للتربة و الناتج عن غرس جزء من الجدار في التربة. عادة في حالة الجدران الوتدية يكون المطلوب ليس فقط تحديد القوى الإنشائية في الجدار و إنما أيضا مقدار و امتداد تشوهات التربة حول الجدار.
طريقة التصميمعادة ما يعتمد تحليل الجدران الاستنادية على طرق الحساب البسيطة مثل طرق التوازن الحدي ، حقول الاجهادات أو الطرق التجريبية. كما تم اعتماد طرق مبسطة للجدران الثقالية ، للجدران الوتدية و الجدران الوتدية المدعومة بشداد واحد أو دعامة واحدة. في بعض الأحيان تفشل هذه الطرق في تزويد المهندس بكل المعلومات المطلوبة نظرا لتبسيطاتها الشديدة. فمثلا هذه الطرق تعطي فقط معلومات جزئية عن انتقالات التربة و لا تعطي أي معلومة عن التفاعل مع المنشآت المجاورة. بالإضافة إلى ذلك فإنها دائما تتطلب مقاطع مستوية للمسألة. عند اعتماد الأبعاد الثلاثية للجدار الإستنادي و باستخدام شروط طرفية ملائمة و نموذج سلوكية مناسب للتربة فإن كل من شروط الاستثمار و الشروط الحدية يمكن التحقق منها على درجة كافية من الدقة و التفصيل. يمكن للطرق العددية أن تعطي تقديرا للسلوك الإنشائي و السلوك الجيوتكنيكي للجمل غير المقررة سكونيا مثل حالة الجدران الوتدية المغروسة مع عدة شدادات أو دعامات.
يقوم الأساس بدور نقل الأحمال من المنشأة إلى التربة. إذا كانت الطبقة السطحية من التربة قادرة على تحمل الأحمال الخارجية فإنه من الممكن أن يتم التأسيس على أساسات منفردة أو على حصيرة و هذا ما يعرف يالأساسات السطحية.
عادة ما تفصل التصاميم التقليدية للأساسات الاعتبارات الخاصة بالمقاومة (الانزلاق أو قدرة التحمل) عن تلك الخاصة بتشوهات التربة (حساب الهبوطات). اعتمادا على هذه الحقيقة فإنه لن يكون من الممكن توليد أي منحني يربط بين الحمولة و الانتقالات. العديد من الطرق تم تضمينها في الكودات (طريقة الاجهادات المسموحة أو الطريقة الحدية) يمكن استخدامها تقليديا للوصول إلى تصميم آمن.
طريقة التصميميعتمد حساب قدرة تحمل التربة تحت الأساسات السطحية على التحليل الحدي حيث يتم الافتراض بأن التربة تسلك سلوكا خطيا-تام اللدونة بالاعتماد على معيار مور-كولومب للإنهيار على المدى الطويل في الحالة المصرفة للتربة و على معيار تريسكا للانهيار على المدى القصير غير المصرف. من جهة أخرى يعتمد تقدير هبوطات الأساسات على اعتماد نظرية المرونة الخطية أو اللاخطية. لقد تم تطبيق هذه الطرق بنجاح لعقود كثيرة و لكن هذه الطرق يمكن تطبيقها فقط في حالة هندسة الأشكال البسيطة للأساسات المستندة إلى تربة متجانسة. التحليل العددي يأخذ بعين الاعتبار حالات أكثر تعقيدا كما أنها تتعامل مع حالات تحميل معقدة مثل الحمولة المحورية مع حمولة القص و عزوم انعطاف مطبقة كلها دفعة واحدة. إن استخدام الطرق العددية يصبح ملحا عند التعامل مع المسائل المتعلقة بالزمن و التي يكون المطلوب فيها تحديد تغيرات قدرة تحمل التربة مع الزمن كحالة الأساسات على الترب الطرية الناعمة طبيعية التشديد. تزودنا الطرق التقليدية بتقديرات معقولة للهبوطات الوسطية للأساسات و لكنها تفشل في تقدير الهبوطات التفاضلية أو التشوهات تحت الأحمال المعقدة. تتيح طريقة العناصر المحدودة حل معظم هذه المشاكل بالإضافة إلى العديد من المشاكل الأخرى المتعلقة بتصميم الأساسات السطحية.
يمثل تحسين التربة حلا ملائما و بديلا للأساسات العميقة في حالة الترب التي تظهر انضغاطية عالية أو التي تمتلك معاملات قص منخفضة. يتم من خلال هذه التقنية تحسين خواص التربة عند السطح مما يسمح للأساسات السطحية بان تصبح حلا جيوتكنيكيا مقبولا. تختلف طريقة تحسين التربة تبعا للإجراءات الهندسية المحلية و المتعهد و نوع التربة المطلوب معالجتها. يعتبر التحسين العميق للتربة عن طريق الرج أو عن طريق الرص الديناميكي الطرق الأكثر شيوعا لتحسين الترب الرملية الناعمة في حين تستخدم الأعمدة الحجرية و المزج العميق كطرق تحسين في حالة الترب الغضارية الناعمة. توجد طرق تصميم خاصة بكل نوع من أنواع التحسين المذكورة سابقا. الهبوطات غالبا ما يتم احتسابها اعتمادا على المرونة الخطية أو الطرق التجريبية.
طريقة التصميميعتبر الحد من تشوه التربة الحافذ الأساسي وراء استخدام تحسين التربة و بعد التعرف على إمكانياتها أصبحت طريقة العناصر المحدودة طريقة التصميم الرئيسية في هذه الحالة. أدى القصور في إمكانيات الكمبيوتر في الماضي إلى إجراء تبسيطات لتخفيض الإمكانيات الحاسوبية المطلوبة. من بين هذه التبسيطات إعطاء نماذج ثنائية البعد مكافئة. من أهم السلبيات المتعلقة بهذه النماذج المبسطة هي كيفية معايرة النموذج خاصة و أن المفاهيم الجيوتكنيكية و الهيدروليكية تكون مهمة جدا في هذه الحالة. في الوقت الراهن و مع زيادة الطاقات الحاسوبية و مع إدخال عناصر محدودة جديدة مثل الأوتاد المطمورة أصبح من الممكن نمذجة المسألة بوضعها ثلاثي الأبعاد الحقيقي. و قد تحول الإهتمام من التركيز على النمذجة إلى التركيز على سلوكية التربة بحد ذاتها و تفاعلها مع العناصر المحيطة. من أجل معايرة خصائص القص و الإحتكاك لا بد من تحريات حقلية و تحديد جيد لخصائص التربة المدروسة. واحدة من الفوائد الإضافية لتحسين التربة يالأعمدة الحجرية هي أن هذه الاعمدة و بالإضافة إلى دورها الداعم تقوم بدور مصارف شاقولية تسرع في عملية التشديد. أخيرا و ليس أخرا توفر موديلات التربة التي تأخذ الزحف بعين الأعتبار أدى إلى تقديرات أكثر دقة للتشوهات النهائية للتربة المحسنة. في بعض الترب تكون التشوهات الناتجة عن زحف التربة أكبر من تلك الناتجة عن التشديد الرئيسي.
المشاريع الرئيسية
في العادة يكون المقطع العرضي للكتف الترابي بسيط للغاية. لكن المواد المشكلة للكتف قد تتغير بشكل يتراوح بين الغضار الطري و الصخر القاسي و بين الغضاريات المرصوصة و مواد الركام الهندسية. كما أن هدف إنشاء الكتف يتغير حيث أن الكتف ممكن أن يستخدم في حجز المياه للوقاية من الفيضانات الصغيرة أو كسد كبير للوقاية من الفيضانات الكبيرة. ممكن أن تستخدم أيضا كدعم للجسور أو المنشآت الطرقية و خطوط السكك الحديدية. الأكتاف المستخدمة في حجز المياه قد تحتوي على نواة غضارية في حين أن الأكتاف الساندة للطرق عادة ما تكون مشكلة من مواد مرصوصة تحتوي في بعض الأحيان على جيو تكستايل عند القاعدة كي تساعد على توزيع الحمولة خاصة عند إنشاء المنشآت على تربة محسنة.
قد تكون آلية سلوك الكتف الترابي بسيطة كما هي حالة الأكتاف الداعمة للمنشأت غير الحاوية على سوائل. أو قد تكون معقدة للغاية كما هي حالة كتف مشكل من مادة قليلة النفوذية مستندة على تربة غضارية و داعمة لمنشأة مائية. إن زمن إنشاء الكتف غالبا ما يكون قصيرا مقارنة مع الحمولة المطبقة و يكون ذلك مترافقا مع تلاشي شبه معدوم لضغط ماء المسام في حالة التربة منخفضة النفوذية. أصبح من الواضح إلى حد ما أن تقييم عمليات مثل التشديد أو جريان المياه في التربة يتطلب استخدام العناصر المحدودة بشكل خاص عن حساب الجريانات غير المستقرة و المتعلقة بالزمن و التي يتناقص فيها ضغط ماء المسام باتجاه قيمة نهائية مستقرة يطلب عندها تحديد مقاومة التربة. تساعد الطرق العددية أيضا في تحري كل مسارات الإجهادات الممكنة متغلبة على القيود الهندسية المفروضة على الطرق التقليدية. باستخدام الطرق العددية أيضا و عن طريق استخدام نموذج ملائم لسلوك التربة يمكن احتساب أثر الزحف في حالة الترب الغضارية الناعمة. إن المعادلة أحادية البعد التي نحصل عليها بمكاملة المعادلة التفاضلية للتشديد الرئيسي و الثانوي لا يمكن بأي حال استخدامها كأداة تصميم. ففي معظم الحالات فقط النمذجة المستوية أو الثلاثية الأبعاد وحدها تكون كفيلة بإعطاء تقديرات موثوقة للهبوطات و التشوهات طويلة الأمد. إن الفشل في هذه الإجرائية قد يقود إلى أخطاء تصميمية خطيرة كمثال حالة مطار كانساي الدولي في اليابان.
يتم استخدام الأوتاد أو أي شكل آخر من الأساسات العميقة مثل القيسونات عند عدم كفاية قدرة تحمل التربة السطحية. حيث تقوم هذه الأساسات بنقل الأحمال إلى أعماق كبيرة إلى طبقات تربة أكثر تحملا أو إلى الصخر مباشرة. يمكن تصنيف الأوتاد حسب طريقة تشيدها التي تعتمد على مقدار انتقال التربة عند انشاء الأوتاد أو مقدار الاضطراب الحاصل بها. تقليديا يتم تحديد قدرة تحمل الأوتاد إما بطرق تحليلية أو بطرق نصف تجريبية. الشواهد التجريبية في الموقع تبين أنه عند تحميل الوتد فإن معظم الحمولة عند بدء تطبيقها يتم مقاومتها بالاحتكاك على أطراف الوتد مع التربة المحيطة. و لكن بعد مرحلة كافية من التحميل و انتقال الوتد مسافة كافية يبدأ رأس الوتد بالمشاركة بتحمل الاحمال. المصممون غالبا ما يستخدمون معاملات أمان مختلفة للمقاومة على الإحتكاك عن تلك لمقاومة رأس الوتد. نفس المنهجية يتم استخدامها عند تحليل مجموعة الأوتاد حيث يتم تقدير قدرة تحمل المجموعة انطلاقا من قدرة تحمل الوتد المنفرد في المجموعة.
طريقة التصميمتحليل مجموعة الأوتاد هو مسألة ثلاثية الأبعاد. الطرق المتوفرة حاليا في تحليل مجموعة الأوتاد إما قائمة على فرض السلوك الخطي المرن للتربة أو على المشاركة بين السلوك اللاخطي للوتد المفرد و من ثم الخطي للمجموعة بأكملها.
أثبتت هذه الطرق على أنها مبسطة جدا و غير متناسقة بطريقة نمذجة سلوك الوتد و التربة. مع زيادة قدرة الكمبيوترات حاليا يمكننا اجراء تحليل ثلاثي الأبعاد بشكل كامل لمجموعة الأوتاد. هذه الإمكانية هي ضرورية جدا عندما تكون الحمولة على قبعة الأوتاد غير شاقولية حيث لا يمكن اعتماد شروط التناظر لتبسيط الحل. في طريقة العناصر المحدودة التفاعل بين الوتد و التربة المحيطة يمكن نمذجته بشكل ملائم عن طريق اعتماد العنصر المحدود البيني الذي يتيح إمكانية تحديد تطور نقل الأحمال عن طريق الوتد إلى التربة مع العمق. بشكل عام من المفضل على الدوام معايرة تجربة تحميل وتد منفرد بواسطة العناصر المحدودة مع تجربة فعلية حقلية.
غالبا ما يعتبر الانهيار الانشائي و تشوهات الأرض كمعايير رئيسية عند تصميم الأنفاق بالطرق التقليدية. في الوقت الراهن تقدم الهندسة المدنية حلولا و بدائل مختلفة للأنفاق. إن التدعيم الدائم يتم تأمينه بعدة وسائل و كذلك التدعيم المؤقت عند الحاجة إليه. إن تخطيط عملية إنشاء النفق مرتبط إلى حد كبير بجيولوجية المنطقة المدروسة و على شكل و أبعاد الحفرة المطلوبة. طريقة التصميم التقليدية يتم اختيارها اعتمادا على طريقة الفتح المختلفة، على نوعية بطانة النفق الدائمة و المؤقتة و على سلوكية الأرض.
طريقة التصميميوجد العديد من الطرق التقليدية في الواقع العملي الهندسي المستخدمة لإيجاد تقدير معقول لاستجابة الأرض لحفرية النفق و القوى المحتملة المتولدة في العناصر الداعمة. قد تبدو هذه الاجراءات التصميمية كأنها مباشرة التطبيق أثناء مرحلة التصميم. لكن في الحقيقة هذه الاجرائيات منفصلة حيث يتم تحديد القوى باستخدام الحلول المرنة في حين تشوهات الأرض يتم تحديدها اعتمادا على طرق تجريبية. أكثر من ذلك فإن المعلومات التي توفرها الطرق التقليدية تكون محدودة و تتضمن تبسيطات كثيرة للنموذج الجيوتكنيكي. فمثلا إن التقديرات تكون لحالة منظومة منعزلة و غير متأثرة بالمنشآت المحيطة أو الانتقالات الناتجة عن المنشآت القائمة. على العكس من ذلك تأخذ الطرق العددية كل هذه الأمور في الحسبان حيث يستطيع المحلل باستخدام طريقة العناصر المحدودة التعامل مع شروط أرضية معقدة مثل السطوح المائلة و المنشآت ثلاثية الأبعاد. كما انه يمكن اعتماد سلوك التربة الحقيقي مثل حالة اللدونة و الشروط الطرفية الهيدروليكية المعقدة و السلوك على المدى القصير و الطويل. يتضمن التطبيق أيضا معالجة الأرض (مثل الحقن). إن الفتحات و منشأت الدعم لها أثر كبير على تقدير تشوهات الأرض و القوى المتولدة في بطانة النفق و بالتالي فإن طرق الإنشاء المختلفة يمكن نمذجتها تبعا لطريقة فتح النفق عن طريق تعريف صحيح للتفاعل بين الأرض و بطانة النفق.
تتسبب قوى الجاذبية و القوى الهيدروديناميكية في عدم توازن المنحدرات الطبيعية و الصناعية. من أهم آليات الانهيار هي اليات الانهيار الدائرية و غير الدائرية الدورانية بالإضافة إلى الانزلاق . تركز التصاميم التقليدية على التوازن أكثر من التركيز على دراسة الانتقالات. في معظم الحالات يمكن اعتبار المنحدرات ثنائية البعد. غالبا ما يتم استخدام طريقة التوازن الحدي في تحليل توازن المنحدرات عن طريق فرض مجموعة من سطوح الانهيار الممكنة. إن سطح الانهيار الذي يعطي أقل معامل أمان يعتبر هو السطح الحرج للتصميم.
طريقة التصميمإن التمييز بين السلوك على المدى الطويل (المصرف) و على المدى القصير (غير المصرف) هو الأساس عند استخدام طرق التوازن الحدي. عادة نفترض الشروط غير المصرفة عند التحليل على المدى القصير مستخدمين الاجهادات الكلية و الشروط المصرفة عند التحليل على المدى الطويل مستخدمين الاجهادات الفعالة. لسوء الحظ الطرق التقليدية لا تسمح بالحسابات في المرحلة الانتقالية بين المدى القصير و المدى الطويل و ما يتخللها من تصريف لماء المسام. تتيح طريقة العناصر المحدودة حساب التشديد الحاصل في المرحلة الانتقالية و التصريف التدريجي لماء المسام. و هي تسمح في حال الحاجة بتقدير الانهيار التدريجي عن طريق استخدام نموذج سلوك خاص بذلك. كل هذه الحسابات يمكن أن تقوم بها الطرق العددية بدون الإفتراض المسبق لسطح انهيار محدد متفوقة بذلك على طرق التوازن الحدي التي تتطلب التحديد المسبق لسطح انهيار معين ليتم حسابه. تبدو الفائدة كبيرة جدا عند دراسة الإنشاء على مراحل حيث تسمح الطريقة بتحديد تغيرات المقاطع الحرجة دون الحاجة لحساب معاملات الأمان .
WeSI Geotecnica Srl
Piazza de Gasperi, 15/11
54100 Massa (MS) - Italy
Tel. +39 0585 44824
Via Sottoripa, 1A/121
16124 Genova (GE) - Italy
Tel. +39 010 0981550
email: info@wesigeotecnica.it
__large-watermark.jpg){kind=link}
__large-watermark.jpg){kind=link}
__large-watermark.jpg){kind=link}
__large-watermark.jpg){kind=link}
consolid__large-watermark.jpg){kind=link}
__large-watermark.jpg){kind=link}
