معادلات حاکم بر جریان سیال در محیط متخلخل در ژئوتکنیک

جریان آب زیرزمینی بین دو نقطه ی با فشار یا پتانسیل هیدرولیکی مختلف برقرار می شود.

لذا در تحلیل جریان آب زیرزمینی، می بایست مرزها و یا نقاط دارای پتانسیل مختلف شناسایی شوند.

اما گاهی با داشتن سرعت جریان آب زیرزمینی و جهت آن نیز می توان در خصوص برهم کنش جریان و خاک اظهار نظر نمود چرا که نیروی وارد بر المان های خاک در صورت برقرار قانون دارسی، تنها به سرعت جریان یا به عبارتی به گرادیان هیدرولیکی بستگی دارد.

متخلخل سیال به طور کلی تابعی از درجه حرارت محیط است.

در اینجا فرض بر این است که دمای محیط تغییر محسوسی نداشته و بنابراین ویسکوزیته سیال ثابت خواهد ماند.

لذا در روابط مربوط به در نظر گرفتن اثرات فشار (تنش) تعیین حرارت و چگالی نیاز نبوده و ترکیب معادله پیوستگی و معادله اندازه حرکت N-S، دستگاه معادله بسته ای برای حل کامل مسایل جریان در محیط متخلخل با شرایط مرزی و اولیه مشخص تشکیل می دهد.

معادلات فوق معمولاً به شکل عددی حل می گردند برای کنترل نتایج تحلیل عددی میتوان از روشهای ترسیمی کمک گرفت.

به طور کلی مسایل جریان سیال و تراوش در محیط متخلخل به دو دسته کلی جریان محصور و جریان غیر محصور طبقه بندی می شوند.

دسته ای از مسایل که در آن هد کل سیال در کلیه مرزهای خارجی معلوم و پایدار است به تراوش پایدار محصور مرسوم است.

برای مثالی از این حالت میتوان به جریان در پی یک سد نفوذ ناپذیر اشاره کرد. اما مسایلی که شامل یک سطح آزاد و یا سطح ایستایی باشند تحت عنوان تراوش غیر محصور نامیده می شوند. در اینجا مرز آزاد در ابتدای مسئله مشخص نبوده و مکان آن با حل روابط غیر خطی به دست می آید.

گرادیان هیدرولیکی ژئوتکنیک

هدایت هیدرولیک افقی یکی از مهمترین مشخصه های هیدرودینامیکی خاک است که در محاسبه فاصله های زهکشی زیر زمینی مورد نیاز بوده و در مطالعات زهکشی مورد توجه قرار میگیرد

روش های متعددی برای اندازه گیری صحرایی هدایت هیدرولیک اشباع خاک وجود دارد که اساس کلیه آنها بر اندازه گیری سرعت جریان افقی آب در خاک استوار است.

بر حسب اینکه اندازه گیری سرعت جریان آب در خاک در زیر سطح ایستابی یا در بالای سطح ایستابی صورت گیرد روش های تعیین هدایت هیدرولیک نیز متفاوت خواهد بود.

برای اندازه گیری در شرایط زیر سطح ایستابی دو روش بیش از سایر روش ها متداول و معمول است که یکی به روش چاهک و دیگری به روش حفره زیر لوله با روش پیزومتری موسوم است.

وقتی آب در محیط اندازه گیری نباشد، روش های چاهک معکوس یا پورشه تزریق چاهک و روش موسوم به نفوذ سنج گلف به کار برده می شود.

هدایت هیدرولیک قائم نیز در زهکشی اهمیت داشته و برای انداز هگیری آن از روش تیوب با روش استوانه استفاده می شود.

هر چند مبانی علمی و روشهای فنی اندازه گیری هدایت هیدرولیکی در حدود متعارف خود شناخته شده و در مآخذ مختلف توضیحاتی کلی در مورد آن داده شده است ولی تجربه نشان داده که افراد مختلف متناسب با برداشت ها و استنباط هایی که از مآخذ به دست می آورند

روش هایی را به کار می برند که بالقوه می تواند به نتیجه های متفاوتی از یکدیگر منجر شود.

در چنین شرایطی در عمل قضاوت درباره نتیجه های به دست آمده از اندازه گیری، اشکال به وجود خواهد آورد.

مدل سازی در مهندسی ژئوتکنیک

نقش و اهمیت تحلیل و مدل سازی عددی در مهندسی ژئوتکنیک بی بدیل می باشد پروفسور Burland اعتقاد داشت که مهندسی ژئوتکنیک از سه جزء اصلی تشکیل میشود پروفیل زمین ، رفتار خاک و مدل سازی او این اجزاء را مثل رئوس یک مثلث نشان داد این مثلث معروف به مثلث بورلند می باشد.

بخش رفتار خاک از آزمایش های آزمایشگاهی آزمایشهای درجا و اندازه گیری های صحرایی به دست می آید.

پروفیل زمین اساسا توصیف محلی را شامل میشود که یک نوع تعریف و توصیف از شرایط و عوارض زمین می باشد و مدل سازی نیز ممکن است مفهومی ، تحلیلی و یا فیزیکی باشد.

عمده ترین مفهوم این مثلث از دید Burland‏ این است که این سه جزء از روی تجربه و سابقه باید به هم مرتبط باشند.

که این بخش داخل مثلث قرار دارد. امروزه نظریه مثلث Burland به طور گسترده مورد توجه قرار گرفته است و همچنین گفته م یشود که تعریف او از موضوع مدل سازی خاک از اولین تعاریف بوده است.

امروزه مثلث Burland رشد یافته که در ذیل نشان داده شده است. یکی از ویژگی های مهم مثلث ارتقاء یافته Burland این بود که تمام پیکان های متصل کننده بین اجزاء را به صورت دو طرفه در نظر بگیریم.

این ویژگی ساده روشن میکند که در حقیقت هر قسمت به طور جداگانه با تمام بخش های دیگر در ارتباط است.

مثلث Burland اهمیت مدل سازی را به طور واضح در مهندسی ژئوتکنیک شرح می دهد.

معمولا اطلاعات در مورد فاکتورهای شرایط زمین و همچنین اندازه گیری و ارزیابی رفتار خاک کافی نمی باشد،

در نهایت لازم است که مقداری تحلیل در مورد اطلاعات زمین و خصوصیات مصالح برای کامل کردن مثلث انجام دهیم.

همچنین مثلث Burland متذکر میشود، مدل سازی میتواند مفهومی ، تحلیلی و یا فیزیکی باشد.

هر چند که امروزه با توجه به توان بالای محاسباتی و ابزارهای نرم افزاری در دسترس غالبا مدل سازی ها به مدل سازی عددی تبدیل شده اند.

باید بپذیریم که مدلهای اولیه حالا جای خود را با مدل سازی عددی عوض کرده اند. مثلث Burland اهمیت مدل سازی عددی را در مهندسی ژئوتکنیک نشان می دهد.

اندازه گیری و توصیف کردن شرایط محل اغلب وقت گیر و گران می باشد.

در مقابل به وسیله مدل سازی این کارها آسان می شود به شرطی که به طور صحیح انجام گیرد یک فرض متداول این است که مدل های عددی فقط قسمت کوچکی باشد.

که در انتهای یک پروژه باید در نظر گرفته شود و بتواند به سادگی و به سرعت انجام شود. این تفکر تا حدى نادرست است

مدل سازی های عددی خوب مانند سایر رئوس مثلث Burland زمان بر هستند و نیاز به برنامه ریزی دقیقی از ابتدای کار دارند

• مدل سازی می کنیم برای این که بتوانیم پیش بینی های کمیتی بکنیم
• راه کارها را مقایسه کنیم
• پارامترهای مؤثر را شناسایی کنیم
• ماهیت پدیده ها را بفهمیم و اندیشه های خود را تعلیم بدهیم
• روند مسایل را بهتر درک کنیم تا بتوانیم دید و نحوه تفکر خود را در مورد مسایل اصلاح نمائیم.

فرآیند مدل سازی یک سفر اکتشافی است و روشی برای یادگیری مسایل جدید در مورد رفتار پیچیده دنیای فیزیکی اطراف است که میتواند به ما در فهم فرآیندهای فیزیکی بسیار پیچیده واقعی کمک کند تا بتوانیم قضاوت مهندسی خود را با اعتماد به نفس بیشتری به کار بندیم.

/ ژئوتکنیک / ژئوتکنیک