مبانی زمین شناسی مهندسی

ریشه لغوی

زمین شناسی مهندسی از دو کلمه Engineering به معنی مهندسی و Geology به معنی زمین شناسی گرفته شده است.

 

دید کلی

زمین شناسی مهندسی ضمن بررسی تاثیر «محیط زمین شناسی» بر سازه‌های مهندسی یا زمین شناسی مهندسی، راه‌حل‌های مناسبی جهت کاهش یا برطرف نمودن خطرات احتمالی ارائه می‌دهد. باید توجه داشت که محیط زمین شناسی اطراف یک سازه به دو صورت با آن در ارتباط است. یکی توسط مصالح زمین شناسی، یعنی سنگ، خاک و آب، دیگری فرآیندها و مخاطرات زمین شناسی مثل سیل، زمین لرزه، حرکات دامنه‌ای و مانند آن. برخی از مولفین زمین شناسی مهندسی را سهوا به جای «ژئوتکنیک» به کار می‌برند. بطور کلی زمین شناسی مهندسی توسط روش‌های اکتشافی متنوع تاثیر محیط زمین شناسی اطراف را بر سازه مهندسی یا پروژه عمرانی تعیین می‌کند. همچنین نقش احداث سازه را در تحریک و تغییر رفتار زمین مشخص می‌سازد.

 

تاریخچه و سیر تحولی

از قرن‌ها پیش معماران و سازندگان بناها بر این نکته معترف بودند که برای جلوگیری از نشست، کج شدن یا فرو ریختن ساختمانشان محتاج آگاهی از شرایط زمین هستند. البته ساختمان‌های قدیمی همواره با توجه به تجربیات سازنده بنا و اغلب به روش آزمون و خطا احداث می‌شد. در سال 1776 و زمانی که «کولن» برای اولین بار تئوری‌های مربوط به فشار زمین را ارائه داد، استفاده از روش‌های تحلیلی در بررسی زمین آغاز شد.

بررسی‌های کولن بر روی دیواره‌های حائل نشان داد که وقتی دیوار حائلی کج می‌شود، گوه‌ای از خاک ناپایدار در پشت آن ایجاد می‌گردد که یک طرف آن، دیوار و سمت دیگر آن یک سطح گسیختگی است. کولن فشار اولیه وارده به دیوار را به وزن گوه و مقاومت برشی در امتداد سطح برش، که برحسب اصطکاک داخلی بیان نمود، مربوط کرد. در سال 1871 «اتو مور» فرضیه‌ای عمودی برای مقاومت مصالح زمین شناسی در برابر گسیختگی ارائه داد.

– سال‌ها گذشت تا آنکه «ترزاقی» مکانیک خاک را به صورت شاخه‌ای از مهندسی عمران مطرح نمود. دانش مکانیک خاک با اولین کنفرانس بین المللی در مورد مکانیک خاک و مهندسی پی که در سال 1936 میلادی در دانشگاه هاروارد آمریکا برگزار شد، در سطح جهانی تثبیت گردید.

• از سال‌های دور مهندسان و زمین شناسان مفاهیم مربوط به رفتار مکانیکی سنگ‌ها را در معدن‌کاری و صنعت نفت به کار می‌گرفتند، ولی این رشته تا اوایل دهه 60 میلادی مخصوصا تا سال 1996 که اولین کنفرانس بین المللی مکانیک سنگ در شهر لیسبون پرتغال برگزار شد، هنوز به طور رسمی به عنوان شاخه‌ای از دانش مهندسی به حساب نمی‌آمد.

واژه «ژئوتکنیک» اولین بار در سال 1948 میلادی توسط انستیتوی مهندسان ساختمان بریتانیا به کار گرفته شد و به تدریج مفهوم آن غنای بیشتری یافت، تا اینکه در سال 1974 «مهندسی ژئوتکنیک» به عنوان رشته‌ای خاص توسط انجمن مهندسان ساختمان ایالات متحده امریکا نیز به رسمیت شناخته شد. امروزه واژه ژئوتکنیک به مفهوم مجموعه‌ای مشتمل بر سه دانش مکانیک خاک، مکانیک سنگ و زمین شناسی مهندسی به کار گرفته می‌شود.

 

مفاهیم کلیدی زمین شناسی مهندسی

زمین و سازه‌های مهندسی: سازه‌های مهندسی صرف نظر از آن که ما آن را مجموعا «محیط شناسی» می‌نامیم، تاثیر می‌پذیرند. شاید بتوان عناصر تشکیل دهنده محیط زمین شناسی را به نحو زیر به چهار جز مختلف تقسیم کرد:

• «فرآیندهای زمین شناسی»، چون فرسایش، رسوب گذاری، زمین لرزه و آتشفشان
• «ساختمان‌های زمین شناسی»، چون لایه‌بندی، گسل‌ها، کوه یا دره یک رود
• «مواد زمین شناسی»، چون سنگ و خاک و آب و هوا
• «زمان»، که همه چیز در ارتباط با آن در تغییر دائم است.

 

 

مواد و مصالح زمین شناسی از دیدگاه مهندسی

مواد جامد و طبیعی تشکیل دهنده، بخش‌های خارجی زمین را به دو گروه اصلی سنگ و خاک تقسیم می‌کنند.

– سنگ:

از نقطه نظر زمین شناسی، سنگ به موادی از پوسته زمین اطلاق می‌شود که از یک یا چند کانی که با یکدیگر پیوند یافته‌اند، درست شده است.

– خاک:

خاک توده‌ای از ذرات یا دانه‌های منفصل یا دارای پیوند سست است که بر اثر هوازدگی سنگ بطور برجا تشکیل شده است درجه سخت و سنگ شدگی خاک ناچیز تا صفر بوده و در بسیاری موارد حاوی مواد آلی است و گیاهان می‌توانند بر روی آن رشد کنند.

 

– ژئودینامیک:

یکی از وظایف مهم زمین شناسی مهندسی تشخیص احتمال وقوع فرآیندهای ژئودینامیکی، مثل سیل و زمین لرزه، که شاید بتوان آنها را «بلایای زمین شناسی» نیز نامید، قادرند ضمن ایجاد تلفات جانی، خسارات جبران ناپذیری نیز به سازه مهندسی وارد آورند. مهندسانی که در پروژه‌های عمرانی و ساختمانی فعالیت دارند، باید از شرایط طبیعی که منجر به بروز این مشکلات می‌شود، آگاهی داشته باشند، تا به این وسیله بتوانند احتمال رخداد هر یک از آنها را در محدوده سازه مورد نظر برآورد نمایند.

 

نقش زمین شناسی مهندسی و مسئولیت‌های حرفه‌ای

زمین شناسی مهندسی واقعیت‌های علمی مشاهده شده یا اندازه گیری شده را که سرشت فیزیکی یگانه پوسته زمین را توصیف می‌کند به صورت اطلاعات زمین شناسی در می‌آورد و این اطلاعات را بر تشخیص مرز محدودیت‌های مهم فیزیکی که می‌تواند در طراحی، ساخت و نگهداری هر پروژه مهندسی موثر باشد به دانسته‌های مهندسی تبدیل می‌کند.

زمین شناسی مهندسی با ایفای این نقش ویژگی‌های زمین شناختی محل اجرای پروژه را که در صورت داشتن شرایط نامطلوب سبب افزایش هزینه و در صورت داشتن شرایط مطلوب سبب کاهش هزینه خواهند شد، مشخص می‌کند. بدین ترتیب زمین شناسی مهندسی را می‌توان صاحب حرفه‌ای دو سویه نگر در نظر گرفت که از یک سو فرآیندهای زمین شناسی را در نظر دارد و از طرفی محصولات مهندسی مورد نظر اوست. بطورکلی مسئولیت‌های حرفه‌ای او را بصورت زیر می‌توان خلاصه کرد:

• توصیف محیط زمین شناختی مربوط به پروژه مهندسی
• توصیف مواد زمین، توزیع آنها، و ویژگی‌های فیزیکی- شیمیایی آنها
• استنتاج پیشینه رویدادهای موثر در زمین مواد
• پیش‌بینی رویدادهای آتی و شرایطی که می‌تواند ایجاد شود
• توصیه مواد معرف برای نمونه برداری و آزمون
• توصیه نحوه‌های کار و عمل با مواد و فرآیندهای گوناگون زمین، توصیه یا ارائه معیارهای طراحی استخراج بخصوص در مورد زاویه شیب‌های برش در موادی که آزمون مهندسی آنها نامناسب بوده است، یا در جاهایی که عناصر زمین شناسی عامل کنترل پایداری هستند.
• وارسی حین کار ساختمانی برای تحقیق شرایط.