ایده سازنده
ژئوتکنیک چگونه در خدمت صنعت معدن و صنایع معدنی درآمد؟
اهمیت این دانش (که در صنعت بیشتر با نام آزمایش خاک شناخته می‌شود) در پی افزایش ساخت‌وسازها در مناطق شهری و همچنین مقاوم‌سازی ساختمان‌ها در برابر خطراتی مانند زلزله بیش از پیش مشهود است. در آزمایش‌های ژئوتکنیکی، متخصصان مربوطه داده‌های مربوط به زمین محل پروژه را بررسی و در فرآیند برنامه‌ریزی، طراحی و احداث سازه‌ها در متراژ متفاوت ایده‌های سازنده‌ای را به منظور بهبود عملکرد، افزایش ایمنی و اجرای بهینه پروژه پیشنهاد می‌کنند. علاوه بر اهمیت مطالعات ژئوتکنیک در ساخت سازه‌های شهری مسکونی و تجاری می‌توان کاربردهای زیر را نیز برشمرد:
پروژه‌های نفت و گاز و ساخت سازه‌های تخصصی
پروژه‌های مربوط به احداث خطوط انتقال نیرو
احداث سد و نیروگاه‌های آبی
مشاوره پروژه و طرح‌های آبرسانی و سیستم‌های فاضلاب صنعتی و شهری
پروژه‌های ساخت‌وساز شهری، مسکونی، تجاری
اکتشاف و حفر معدن
مطالعات ژئوتکنیک
به‌طور کلی کاوش‌های ژئوتکنیک برای جمع‌آوری اطلاعات از وضعیت زیر سطحی زمین صورت می‌پذیرد و هدف نهایی آن تعیین مشخصات پی از لحاظ مقاومت، نفوذپذیری، شرایط هندسی لایه‌ها، دانه‌بندی و سایر مشخصات فیزیکی خاک و سنگ برای طراح است.
بر همین اساس باید آن دسته از مشخصاتی که به کار طراحی می‌آید مورد کاوش قرار گیرد و از شناسایی غیرضروری خودداری شود. به‌طور معمول در پروژه‌های عمرانی موارد زیر به عنوان اهداف کاوش‌های صحرایی ژئوتکنیک در نظر گرفته می‌شود:
تعیین ضخامت و جنس لایه‌های خاک و عمق سنگ بستر
تعیین عمق سطح آب زیرزمینی و احتمالاً تعیین ترکیبات شیمیایی آب زیرزمینی
مشخصات مصالح و استخراج مولفه‌های طراحی از طریق آزمون‌های صحرایی
نمونه‌گیری برای مطالعات تکمیلی و انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی
تعیین موقعیت حفره‌ها یا قنات‌های موجود در پی و همچنین سایر عوارض طبیعی و مصنوعی.
تعداد و نوع کاوش‌ها و آزمایش‌هایی که در صحرا باید صورت پذیرد تابع شرایط زمین، مشخصات سازه و سطح مطالعات است. با این حال، همان‌گونه که پیشتر بیان شد، زمین یک محیط طبیعی است و شناخت طبیعت همواره مشکل‌تر از شناخت محصولات مصنوعی است.
بر همین اساس برای شناسایی مشخصات پی هر سازه لازم است کاوش‌های مستقلی صورت پذیرد و عدم توجه به مطالعات صحرایی معمولاً به طرح سازه‌های غیراقتصادی یا غیرایمن منجر می‌شود. باید یادآوری شود که انجام کاوش‌های صحرایی نیز مستلزم صرف هزینه و زمان است و لازم است احجام حفاری‌ها، تعداد آزمایش‌ها و نوع کاوش‌هایی که صورت می‌پذیرد به لحاظ اقتصادی توجیه‌پذیر باشد. بر همین اساس پیش از انجام مطالعات لازم است برنامه‌ریزی کلی و تحلیل سود به هزینه به صورت مستند ارائه شده و هر مرحله‌ای از مطالعات که انجام آن به‌صرفه نیست و توجیه کافی ندارد از برنامه حذف شود.
اهداف مطالعات ژئوتکنیک
اهداف و نتایجی که از مطالعات ژئوتکنیک به دست می‌آید بی‌شمار هستند اما مهم‌ترین آنها را می‌توان به صورت زیر نام برد. شناسایی کامل لایه‌های زیرزمینی، تعیین مشخصات فیزیکی و مکانیکی لایه‌ها، مشخص کرد نوع پی ساختمان و نحوه استقرار آن، عمق مناسب برای پی، برآورد ظرفیت باربری فونداسیون و تعیین ضریب مربوطه، وزن مخصوص خاک، زاویه اصطکاک داخلی موثر و مدول الاستیسیته، دسته‌بندی نوع زمین براساس آیین‌نامه ۲۸۰۰ ایران. همچنین مناسب‌ترین نوع سیمان و تست بتن، بررسی آب‌های زیرزمینی منطقه، مشخص شدن وضعیت لرزه‌خیزی منطقه، استخراج اطلاعات دقیق از سنگ بستر، مطالعات زمین‌شناسی و لرزه‌خیزی، موقعیت مکانی لرزه‌های پیشین احتمالی، تعیین فاصله گسل‌های نزدیک به پروژه، هیدرومتری، آزمایش دانه‌بندی خاک، حدود اتربرگ، تعیین دانسیته، رطوبت خاک، تعیین جنس و نوع خاک منطقه توسط آزمایش‌های ژئوتکنیک به دست خواهد آمد.
مشاوره در زمینه انتخاب و طراحی بهترین نوع فونداسیون، آزمایش‌های میزان پایداری خاک در برابر حوادث طبیعی مثل زلزله، برآورد صحیح ظرفیت باربری پی سازه بر مبنای اطلاعات حاصل از آزمایش خاک، محاسبه تنش و فشار جانبی خاک براساس روش‌های نوین، تعیین مصالح مناسب و مشاوره در زمینه گودبرداری و ارائه راهکاری بهینه‌سازی فونداسیون سازه، تعیین نتایج مربوط به تست‌های مکانیک خاک و سنگ، آزمایش‌های کنترل کیفی خاک و بتن، مطالعات و اجرای عملیات مقاوم‌سازی و کنترل جوش از دیگر نتایج بررسی‌های ژئوتکنیک است.
آزمایش‌های مربوط به ژئوتکنیک
مطالعات ژئوتکنیک در دو حوزه صحرایی (میدانی) و آزمایشگاهی انجام می‌شود. ابتدا متخصصان با بررسی دقیق محل احداث پروژه اطلاعات و داده‌های لازم را جمع‌آوری می‌کنند و سپس در آزمایشگاه خاک تمامی آزمایش‌های مربوطه شامل تست‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیک خاک را انجام خواهند داد و در نهایت با گزارش مکتوب و رسمی وضعیت موجود را به کارفرما ارائه می‌دهند. مطالعات ژئوتکنیک خود شاخه‌ها و فرآیندهای گوناگونی را شامل می‌شود که هرکدام نیازمند تخصص و دستگاه‌های مختص به خود است. در ادامه مهم‌ترین بخش‌های مربوط به مطالعات و بررسی‌های ژئوتکنیکی را بیان می‌کنیم.
الف- آزمایش دانسیته: یکی از بخش‌های مطالعات ژئوتکنیک که در ساختمان‌سازی، راه‌سازی و سدسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد آزمایش‌های مربوط به تعیین دانسیته خاک است که براساس استاندارد ASTMD۶۹۸ در آزمایشگاه اجرا می‌شود. ب- حفاری در مطالعات ژئوتکنیک: در آزمایش‌های ژئوتکنیک، فرآیند حفاری نقش کلیدی را به منظور استخراج داده‌های زیرزمینی ایفا می‌کند. پ- آزمایش برش برجا: از این روش به منظور سنجش پارامترهای مقاومتی مانند چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک به صورت برجا در مطالعات ژئوتکنیک استفاده می‌شود. تعیین شرایط گودبرداری و برآورد دقیق ضریب اطمینان و ظرفیت باربری فونداسیون‌های خاکی از نتایج آزمایش برش برجاست. ت- آزمون بارگذاری صفحه هدف از آزمون بارگذاری صفحه، تحلیل خاصیت نشست‌پذیری در خاک و سنگ منطقه احداث پروژه است که بر روی مصالح با بهره‌گیری از صفحات مربعی یا دوار به صورت بارگذاری تدریجی مرحله‌ای در عمق مورد نظر اجرا می‌شود و در تعیین مدول الاستیسیته و خاصیت نشست‌پذیری نقش کاربردی دارد.
ث- آزمایش‌های ژئوفیزیکی در مطالعات ژئوتکنیک: در آزمایش‌های ژئوتکنیک می‌توان با توجه به سرعت و سهولت روش‌های ژئوفیزیکی نسبت به روش‌های حفاری و هزینه به‌صرفه‌تر این روش‌ها، از این نوع آزمایش‌ها در ترسیم پروفیل خاک و تفسیر نتایج حاصله استفاده کرد. ج- آزمایش‌های لرزه‌نگاری درون‌گمانه‌ای: در مطالعات و آزمایش‌های ژئوتکنیک به منظور شناخت لایه‌بندی خاک و مقاومت لایه‌ها از این دست از تست‌ها استفاده می‌شود. در آزمایش درون‌گمانه‌ای براساس سنجش سرعت انتشار امواج فشاری و برشی، اطلاعات کاملی از زمین محل پروژه به دست می‌آید. چ- مطالعات لرزه‌نگاری در ژئوتکنیک: یکی از شاخه‌های مهم ژئوفیزیک لرزه‌نگاری است که در جهت بررسی و مطالعات مربوط به امواج الاستیک در زمین بحث می‌کند. لرزه‌نگاری برای مطالعه تخصصی علت وقوع زلزله و امواج ناشی از آن است که در مطالعات ژئوتکنیک نقش اساسی دارد. ح- آزمایشGPR: یکی از روش‌های ژئوفیزیکی، رادار نفوذی زمین یا GPR است که برای به دست آوردن اطلاعات تصویری از سطوح زیرزمینی از سیگنال‌های الکترومغناطیسی بهره می‌برد. از نتایج این روش می‌توان به تعیین موقعیت تاسیسات زیرزمینی، تعیین ضخامت بتن و وضعیت شکستگی‌های آن، سنجش تراکم و بسیاری از موارد دیگر اشاره کرد. خ- آزمایش ژئوالکتریک: در این فرآیند با انتقال جریان الکتریکی به زمین، اطلاعات دقیقی از وضعیت خاک و سنگ احداث و ساخت پروژه به دست می‌آید. مشاوران ما با بهره‌گیری از جدیدترین دستگاه‌های تست و بررسی آماده ارائه دقیق‌ترین تحلیل‌ها هستند.
جایگاه کاوش‌های صحرایی ژئوتکنیک در پروژه‌های مختلف
شناخت مشخصات و وضعیت زمین در بسیاری از پروژه‌های عمرانی و صنعتی به عنوان مرحله اول مطالعات طرح به حساب می‌آید. بر همین اساس کاوش‌های صحرایی ژئوتکنیک که عمده‌ترین روش‌شناسایی جنس پی و جمع‌آوری اطلاعات زمین مستند در پروژه‌های مذکور کارایی داشته و از جایگاه ویژه‌ای برخوردار هستند. در اینجا برخی از عناوین مطالعاتی مرتبط با مطالعات ژئوتکنیک عنوان شده و کاربرد کاوش‌های صحرایی در این مطالعات مورد بحث واقع می‌شود.
الف- انتخاب ساختگاه مناسب
برای احداث برخی از سازه‌ها ساختگاه‌های متعددی وجود دارد و یکی از معیارهای انتخاب ساختگاه بهینه وضعیت ژئوتکنیکی پی است. در این موارد علاوه بر برآورد مشخصات زمین لازم است مزایا و معایب ساختگاه‌های مختلف مورد ارزیابی و مقایسه قرار گیرد. بر همین اساس ممکن است مطالعات ژئوتکنیک در دو فاز مقدماتی و تکمیلی انجام شود. در فاز مقدماتی صرفاً مشخصاتی از زمین که برای مقایسه ساختگاه‌ها یا ترسیم طرح اولیه سازه مورد نیاز است برآورد می‌شود و این عملیات ممکن است برای چندین ساختگاه انجام شود. در فاز تکمیلی ضمن تدقیق مشخصات زمین در ساختگاه منتخب، آزمایش‌های تکمیلی و خاص نیز انجام می‌شود.
برای انتخاب محور مناسب برای ساخت سدها معمولاً به همین نحو عمل می‌شود. همچنین برای انتخاب محل مناسب برای جانمایی سیلوی سنگین یک کارخانه سیمان علاوه بر محدودیت‌های طرح صنعتی لازم است مشخصات زمین پی در گزینه‌های مختلف ساختگاه سیلو مورد ارزیابی و مقایسه واقع شود.
ب- طراحی پی سازه‌ها
پس از آنکه محل سازه قطعی شد، معمولاً مهندس سازه برای آنکه بتواند ابعاد و نوع پی‌ها را طراحی کند به داده‌های ژئوتکنیکی کافی نیاز دارد. علاوه بر این در برخی از سازه‌ها طراحی پی‌ها به‌طور معمول با وضعیت اولیه زمین مقدور نیست. در این‌گونه موارد معمولاً اصلاح زمین و بهبود مشخصات آن در دستور کار قرار می‌گیرد. در مورد اخیر ممکن است لازم باشد آزمون‌های صحرایی تکمیلی پیش از اصلاح زمین یا در حین آن صورت پذیرد. به عنوان مثال، در صورتی که اصلاح مشخصات آبگذری یا مقاومت از طریق عملیات تزریق یا شمع‌کوبی در دستور کار باشد لازم است در حین اجرا با آزمون‌های صحرایی ژئوتکنیک کفایت اصلاحات مذکور بررسی شود.
پ- طراحی سازه‌های موقت
اجرای برخی سازه‌ها مستلزم انجام پاره‌ای کارهای موقتی نظیر گودبرداری پی، پایدارسازی موقت جدار حفاری‌شده و آب‌بندی گودال پی است. در این موارد ممکن است لازم باشد کاوش‌های ویژه‌ای برای طرح سازه‌های موقت صورت پذیرد. به عنوان مثال اطلاع از نفوذپذیری زمین در مطالعه پی ساختمان‌ها ضرورتی ندارد. با این حال اگر پی‌ها در زیر سطح آب زیرزمینی اجرا می‌شوند، لازم است گودال پی به صورت موقت آب‌بندی شده یا آب‌های نفوذی به آن توسط سیستم پمپاژ تخلیه شوند. در این موارد اطلاع از نفوذپذیری زمین و میزان نشت آب‌های ورودی به پی اهمیت پیدا می‌کند.
ت- مطالعه اثرات زیست‌محیطی پروژه‌ها
بررسی اثرات زیست‌محیطی پروژه‌های صنعتی و عمرانی در کنار سایر مطالعات پایه و طراحی‌های پروژه صورت می‌پذیرد. برای آنکه یک پروژه مجوز اجرا دریافت کند، لازم است علاوه بر شاخص‌های اقتصادی و اجتماعی، شاخص‌های ارزیابی زیست‌محیطی پروژه نیز در مجموع وضعیت مناسبی داشته باشد. انجام برخی مطالعات زیست‌محیطی مستلزم کاوش‌های صحرایی ژئوتکنیک است. از جمله موارد مذکور می‌توان به بررسی آلودگی‌های زیرسطحی، میزان نشت شیرابه‌ها، ترکیب شیمیایی املاح موجود در آب‌های سطحی و زیرسطحی و اثرات آن در انحلال خاک اشاره کرد. ژئوتکنیک زیست‌محیطی شاخه‌ای از مهندسی ژئوتکنیک است که در سال‌های اخیر از کاربردهای فراوانی برخوردار شده است.
ث- طرح علاج‌بخشی سازه‌های آسیب‌دیده
برای سازه‌هایی که در معرض خرابی کلی یا موضعی قرار می‌گیرند معمولاً طرح علاج‌بخشی و مقاوم‌سازی ارائه می‌شود. ارائه طرح علاج‌بخشی مستلزم اطلاع از مشخصات زمین و مولفه‌های معرف مصالح است. معمولاً برای جمع‌آوری این اطلاعات از آزمون‌های صحرایی ژئوتکنیک استفاده می‌شود.
ج- بررسی عملکرد سازه‌های موجود
سازه‌های موجود بر مبنای اطلاعات علمی زمان ساخت سازه طراحی شده‌اند. با توجه به آنکه دانش مهندسی ژئوتکنیک و مطالعه رفتار زمین در دهه‌های اخیر با پیشرفت‌های چشمگیری مواجه بوده است لازم است پایداری پی این سازه‌ها مورد بازبینی واقع شود. کاوش‌های صحرایی ژئوتکنیک برای تخمین مشخصات زمین در این طرح‌ها کارایی دارد. در این موارد ممکن است محاسبه نشست‌های آنی و تحکیمی اهمیت نداشته باشد، زیرا عملکرد استاتیکی این سازه‌ها با گذشت زمان تایید شده است. با این حال به دلیل عدم وقوع زلزله‌های شدید در منطقه مورد نظر، ممکن است مطالعه رفتار لرزه‌ای پی و سازه اهمیت داشته باشد.
