موقع المهندس موقع المهندس بيت كل مهندس 
ميكانيكا التربة Soil Mechanics
وهو العلم المتعلق بميكانيكا الأجسام الطبيعية المشتتة (المؤلفة من أجزاء دقيقة أو ناعمة) ويعتبر فرعا من فروع علم ميكانيكا الأرض العام الذي تدخل ضمنه العلوم الخاصة التالية : ديناميكا الأرض في المجالين العالمى والمناطقى ، ميكانيكا الصخور الصلدة أو المصمتة ، ميكانيكا الصخور الرخوة أو الهشة (التربة الطبيعية) وميكانيكا الكتل العضوية والعضوية المعدنية (الطمى ، الفحم وغير ذلك).ويعتبر علم ميكانيكا التربة في نفس الوقت ، فرعا من فروع علم الميكانيكا الإنشائية المبنى على أساس قوانين الميكانيكا النظرية (ميكانيكا الأجسام الصلبة الغير قابلة للإنضغاط مطلقا) وكذلك على أساس قوانين الأجسام القابلة للتشوه أيضا ، أي القابلة للإنضغاط وتغير الشكل (قوانين اللدونة ، المرونة ،الزحف) ، التي ستكون بالنسبة لتكوين وصياغة علم ميكانيكا التربة – كعلم مستقل – بمثابة قوانين ضرورية فقط ولكنها ليست من الشروط الكافية بحد ذاتها . وإذا اضفنا إلى علاقات (معادلات) الميكانيكا النظرية والميكانيكا الإنشائية للأجسام المصمتة القابلة للتشوه ، إذا اضفنا لهم القوانين التي تشرح الخواص المتعلقة بتفتت التربة (الإنضغاطية ، النفاذية ، مقاومة القص التماسية ، التشوه التركيبى الطورى) عندئذ ببحثنا للتربة باعتبارها اجساما طبيعية مشتتة وثيقة الاتصال بظروف تكوينها وتامة التفاعل مع البيئة الطبيعية الجيولوجية المحيطة بها ، يمكن في هذه الحالة صياغة أو تكوين ميكانيكا التربة كعلم من العلوم .
نشوء و تاريخ علم ميكانيكا التربة
قام المهندس الفرنسى كولون عام 1773 بأول بحث أساسي في مجال ميكانيكا التربة وهو المتعلق بنظرية الأجسام أو المواد السائبة الذي كان يعتبر على مدى سنوات طويلة بمثابة النظرية الهندسية الوحيدة في هذا المجال التي استخدمت أو طبقت بنجاح عند حساب ضغط التربة على الجدران الساندة أو المحتجزة .
وفي عام 1885 نشر في فرنسا أيضا بحث العالم بوسينسك حول ” توزيع الأجهادات الناجمة عن تأثير القوة المركزة في التربة المرنة ” الذي أصبح فيما بعد أساسا لتحديد الأجهادات في التربة عند تعرضها لمختلف أنواع الأحمال . وفي عام 1923 وضع العالم السوفييتي بوزيرفسكى ” النظرية العامة لإجهاد التربة الأرضية ” باستخدامه لنظرية المرونة في حساب القواعد الأرضية.
أهمية علم ميكانيكا التربة
إن ميكانيكا التربة هي عبارة عن نظرية قواعد التربة الطبيعية ، وإن دور ميكانيكا التربة كعلم هندسى هو دور عظيم ، ولا يمكن مفارنته إلا بعلم ” مقاومة المواد ” Strengh of Materials ، وبدون معرفة مبادىء ميكانيكا التربة ، لا يمكن تصميم المنشأت الصناعية الحديثة ، العمارات السكنية (لا سيما المتعددة الطوابق) ، إنشاءات إصلاح الأرض وإنشاءات الطرق ، الإنشاءات الترابية ، إنشاءات الهندسة الهيدروليكية (مثل السدود الترابية ، سدود المياه مبانى المحطات الهيدروليكية لتوليد الطاقة وغيرها ) ، كل هذا لا يمكن إنشاءه بصورة سليمة بدون معرفة مبادىء ميكانيكا التربة .
إن استخدام ميكانيكا التربة يساعم على الاستفادة أكثر ما يمكن من السعة الحملية للتربة ، الحساب الدقيق لتشوهات قواعد التربة أو القواعد الترابية تحت تأثير الأحمال الناجمة عن الإنشاءات الأمر الذي يعتمد ليس على وضع الحلول الأكثر سلامة فحسب ، بل وعلى الحلول الأكثر اقتصادية أيضا. وفي المستقبل ستزداد أهمية علم ميكانيكا التربة في الأعمال الهندسية وذلك بمساعدته في الحصول على أوسع وأحسن استفادة من المنجزات العلمية لهذا العلم في التطبيقات الإنشائية الهندسية .
الخواص الأساسية للتربة
– انضغاطية التربة : تتلخص هذه الخاصية في قابلية التربة (إلى درجة كبيرة أحيانا) لتغيير بنيتها تحت تأثير المؤثرات الخارجية إلى بنية أكثر دموجا أو تراصا على حساب تقليل مسامية التربة .
ويرتبط بهذه الخاصية قانون مهم هو قانون الدموج أو التراص
– انفاذية التربة للماء : الخاصية الثانية للتربة هي خاصية إنفاذية الماء ، أي قابلية ترشيح الماء والترشيح في التربة يعتمد على درجة الدموج أو التراص للتربة ، وفي الأطيان شديدة اللدونة وشبه الصلبة يعتمد الترشيح على وجود التدرج الابتدائي للضغط ، الذي تبدأ حركة الماء عند التغلب عليه فقط .
ويرتبط بهذه الخاصية قانون الترشيح الطبقى .
– مقاومة التربة للقص أو الزحزحة : تحت تأثير الحمل الخارجى ، يمكن للضغوط القعالة في بعض النقاط أن تتفوق على الأربطة الداخلية بين دقائق التربة ، وتنشأ إنزلاقات (زحزحات) لبعض الدقائق ويمكن هنا أن يختل اتصال التربة في إحدى المناطق أي يتم التغلب على مقاومة التربة في تلك المنطفة .
إن المقاومة الداخلية ، المعارضة أو المانعة لإزاحة أو زحزحة الدقائق الصلبة في الأجسام السائبة المثالية تكمن فقط في الاحتكاك الناشىء في نقاط تلامس أو اتصال الدقائق ، اما في التربة المتماسكة المثالية مثل الأطيان اللزجة ستقوم بقاومة زحزحة الدقائق فيها الأربطة البنيوية الداخلية ولزوجة ألغلفة الغروانية المائية للدقائق فقط وليس في الاحتكاك الناشىء في نقاط تلامس أو اتصال الدقائق .
طبيقات ميكانيكا التربة
إن الممارسة الهندسية التى تطبق مبادىء ميكانيكا التربة على تصميم المنشآت الهندسية تدعى بهندسة التربة التي تعتمد لاختيار نوع الأساسات وطريقة تنفيذها على دراسة المسائل الآتية:
ـ الضغوط والإجهادات التى تنقلها الأساسات.
ـ عمق التأسيس المقترح وإمكان الاستناد إلى التربة السطحية.
ـ الهبوطات المسموحة في المنشآت.
ـ ضرورة تدعيم الحفريات أثناء الإنشاء.
ـ تخفيض منسوب المياه الجوفية لتنفيذ أعمال الحفر والأساسات وخطره على الأبنية المجاورة.
ـ معالجة تربة التأسيس وتحسين خواصها.
ـ تعويم المنشأة واستعمال أساسات عائمة بزيادة عمق التأسيس بحيث يكون وزن التربة المزاحة معادلاً لوزن المنشأ.
ـ استعمال الأوتاد أو الركائز أو القيسونات وتحديد عمق استنادها أو غرسها ونوعها والحمولة القصوى المسموحة للوتد.
وللحدْس الهندسي دور مهم في ممارسة هندسة الأساسات، ويتطلب ذلك من مهندس الأساسات الحصول على مقطع للموقع ومعطيات عن خواص التربة ومعلومات جيولوجية كافية للتوصل إلى قرار عملي واقتصادي وأمين.
فى حالات إنشاءات الجدران الحاملة من طابق واحد وحين تكون التربة متجانسة نسبياً فقد تكفي معلومات من مقاطع 4-5 سبور استطلاعية غير عميقة، بينما لبناء من 10 طوابق فإنه يتوجب أن تكون المعلومات اللازمة أكبر. عندما تكون المنشأة المعنية هي مبنى من 100 طابق فإن المعلومات اللازمة حينئذ ستكون كبيرة وقد يكلف الحصول عليها من 0.5 إلى 1 بالمئة من تكاليف الإنشاء الإجمالية. من المفيد لمهندس الأساسات أن يطلع على توصيات وتصاميم مشروعات سابقة في موقع قريب من موقع المشروع المدروس.
التصدعات الناشئة عن الهبوطات التفاضلية في التربة
يمكن تصنيف تشققات عناصر المنشآت الناتجة عن الهبوطات التفاضلية إلى:
ـ تشققات معمارية تظهر في الجدران غير الحاملة والأرضيات والدهان.
ـ تشققات إنشائية تظهر في العناصر الإنشائية الحاملة كالجسور والأعمدة.
يحدث الهبوط التفاضلي نتيجة لأسباب كثيرة منها:
ـ اختلاف تربة التأسيس.
ـ اختلاف الإجهادات المطبقة على الأساسات.
ـ اختلاف زمن تنفيذ أجزاء المنشأة.
ـ اختلاف شروط تحميل التربة.
ـ اختلاف منسوب المياه الجوفية أو اختلاف ترطيب التربة تحت قواعد الأساسات المختلفة.
إن الترب الحاوية على معادن المونتموريللونيت والكاولين الحساس للمياه هي ترب قابلة للانتفاخ عند زيادة رطوبتها، وتظهر فعالية الانتفاخ حين تكون نسبة المواد الناعمة (المارة من المنخل رقم 200) أكثر من نصف الوزن، وعند تناوب فترات زمنية طويلة من الرطوبة والجفاف وحين تكون ثخانة طبقة التربة القابلة للانتفاخ كافية لتتولد داخلها إجهادات وتشوهات محسوسة، وتكون درجة الانتفاخ عالية جداً عندما يكون تغير الحجم من الجاف إلى المشبع أكبر من 30 ٪، وحيثما يتوضع البازلت تتشكل بفعل عوامل التعرية ترب غضارية قابلة للانتفاخ.
المعلومات المطلوبة لدراسة تربة تحت منشأة
يجب التعرف على التربة ووصفها واختبارها في الحقل واستخراج عينات منها لدراسة خواصها الفيزيائية والميكانيكية في المختبر ولتحديد قدرة تحملها المسموحة ومقدار الهبوط المتوقع حصوله فيها تحت قواعد الأساسات، بحيث يمكن تصميم أساسات اقتصادية وآمنة في مدة استثمار المنشأة.
أعمال السبور وتحديد عددها وأعماقها
تستكشف القاعدة الترابية الحاملة للمنشأة لتحديد طبقات التربة وطبقة التأسيس المناسبة ومنسوب المياه الجوفية وتأثيرها في قواعد الأساسات، ودراسة تأثير أساسات المنشأة المطلوبة أو طريقة تنفيذها على المباني المجاورة وطريقة حماية هذه المباني إذا لزم الأمر.
تتم أعمال التحريات الحقلية غالباً بآلات السبر الدورانية، أو بوساطة حفر الاختبار trial pits حين لا يسمح الموقع بالسبر الآلي، ويرافق ذلك ما يلزم من تجارب بسيطة للتعرف على أنواع الترب مع إجراء بعض التجارب الحقلية.
إن هدف أي برنامج تحريات للتربة هو معرفة طبيعة طبقات التربة التحتية التي تؤثر في المنشأة المراد إقامتها, وذلك كما يأتي:
ـ تحديد ثخانات الطبقات التحتية للتربة أو الصخر وطبيعتها.
ـ تحديد منسوب المياه الجوفية المؤثرة على المنشأة.
ـ تحديد المشكلات الجيولوجية، مثل الفوالق، أو الطبوغرافية، مثل المنحدرات غير المستقرة، أو المشكلات الخاصة، مثل انتفاخ التربة أو تقلصها، وتحديد تأثير الزلازل والحمولات الديناميكية.
ـ أخذ عينات من التربة من أجل الوصف العيني لها وإجراء اختبارات حقلية ومخبرية لتحديد الخصائص الهندسية لها.
ـ تحديد منسوب التأسيس لأنواع الأساسات المحتملة.
ـ تحديد قدرة تحمل التربة.
ـ تحديد نوع الأساسات وطريقة تنفيذها.
يحدد عدد السبور لتتم تغطية مساحة موقع البناء بكاملها على أن لا يزيد التباعد بينها على 15م ولا يقل عدد السبور عن 3 سبور وأن لا تقع على استقامة واحدة، وتحدد أعماق السبور ابتداء من منسوب التأسيس المتوقع على أن لا يقل عن ضعف عرض أكبر الأساسات المستمرة أو المنفردة، ولا يقل عن عرض الحصيرة العامة.
تدرس في بعض الحالات تربة تأسيس الأبنية القائمة اعتماداً على حُفَر اختبار تنفّذ في الأقبية أو في الوجائب، على أن يصل عمقها حتى الطبقة التى وُضعت الأساسات فوقها.
فى حال التأسيس فوق طبقات صخرية يجب التأكد من استمراريتها وتجانس خواصها ومن عدم وجود فجوات أو كهوف فيها.
التجارب الحقلية
بسبب صعوبة أخذ عينات للترب حقلياً لاختبارها فقد طورت طرائق الاختبار الحقلية (في الموقع). إن التجارب الحقلية ذات فائدة كبيرة لتقدير مقاومة التربة وحساسيتها، إضافة إلى أنها تمكننا من تقدير الحاجة لزيادة عدد السبور وأعماقها، وأهم هذه التجارب الحقلية هي الآتية:
آ ـ تجربة الاختراق النظامية standard penetration test: يجرى في هذه التجربة تحديد عدد الضربات اللازمة لتخترق آخذة عينات التربة مسافة 30 سم، وتنجز هذه التجربة بجهاز السبر ذاته حيث تستعمل مطرقة بوزن 63.5 كغ تسقط من ارتفاع 76 سم ويمكن من نتائج هذه التجربة ومن علاقات خاصة تقدير كثافة التربة النسبية وزاوية احتكاكها الداخلي ووزنها الحجمي وذلك بالنسبة للترب الرملية، كما يمكن تقدير قوة الانضغاط غير المحصور qu وكثافة التربة بالنسبة للترب الغضارية المتماسكة cohesive soils، ومنها تحسب قدرة تحمل هذه التربة.
ب ـ تجربة التحميل بالصفيحة plate-load testing: ويتم بهذه التجربة محاكاة تحميل قواعد الأساسات، وذلك باستعمال صفيحة بقطر 30 سم تطبق فوقها حمولات متزايدة ويقاس الهبوط الحاصل تحتها من تأثير هذه الحمولات, وتستمر هذه التجربة إلى أن يحصل هبوط قدره 25 مم، وبرسم منحني الهبوط ـ لوغاريتم الزمن يمكننا منه تحديد الهبوط الأعظمي من زيادة حمولة معينة، وبرسم منحني الحمولة ـ الهبوط يمكننا تقدير ضغط التصميم الأعظمي وعامل مرونة التربة.
ج ـ تجربة القص بالمروحة vane-shear testing: ويتم في هذه التجربة غرس مروحة عيارية ضمن الترب المتماسكة إلى عمق محدد ويتم تدويرها لقص أسطوانة من التربة حولها ويقاس العزم اللازم لذلك، إذ يمكن أن نستخرج قوة القص المغلقة للتربة.
د ـ تجربة الضغط بالبالون borehole pressuremeter testing: تعتمد هذه التجربة على مبدأ توسيع أسطوانة ضمن جذع سبر محفور في التربة، وبملاحظة مقدار التوسع والضغط اللازم للحصول على هذا التشوه، وباستعمال نظرية أسطوانة ثخينة لا نهائية خاضعة لضغط داخلى يمكن الحصول على الثوابت المرنة للتربة مثل معامل الإجهاد ـ التشوه E وعامل دفع التربة في حالة الراحة K0.
هـ ـ تجربة الاختراق بالمخروط أو اختبار الاختراق الساكن conepenetration test: يغرس في هذه التجربة مخروط في طبقة التربة التى يُهتم بمعرفة خواصها ويُقام بقياس المقاومة المقابلة لذلك الغرس، ولما كانت هذه التجربة سريعة نسبياً كان لابد أن تتولد شروط قص تربة من دون تصريف الماء المسامي، ومن ثم ترتبط مقاومة التربة لاختراق المخروط بقوة القص المغلقة، إضافة للتجارب الحقلية المذكورة أعلاه هناك تجارب أخرى لتحديد الكثافة في الموقع بمخروط الرمل أو بالبالون أو بالطرائق النووية.
