إن الممارسة الهندسية التى تطبق مبادىء ميكانيكا التربة على تصميم المنشآت الهندسية تدعى بهندسة التربة التي تعتمد لاختيار نوع الأساسات وكيفية تطبيقها 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 لتطبيق أعمال الحفر والأساسات وخطره على الأبنية المجاورة.

ـ معالجة تربة التأسيس وتحسين خواصها.

ـ تعويم المنشأة واستعمال أساسات عائمة بزيادة عمق التأسيس بحيثقد يكون وزن التربة المزاحة معادلاً لوزن المنشأ.

ـ استعمال الأوتاد أوالركائز أوالقيسونات وتحديد عمق استنادها أوغرسها ونوعها والحمولة القصوى المسموحة للوتد.

وللحدْس الهندسي دور مهم في ممارسة هندسة الأساسات، ويتطلب ذلك من مهندس الأساسات الحصول على مبتر للمسقط 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 منعشرة طوابق فإنه يتوجب حتى 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 حتى يطلع على توصيات وتصاميم مشروعات سابقة في مسقط قريب من مسقط المشروع المدروس.

التصنادىت 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 تطبيق أجزاء المنشأة.

ـ اختلاف شروط تحميل التربة.

ـ اختلاف منسوب المياه الجوفية أواختلاف ترطيب التربة تحت قواعد الأساسات المتنوعة.

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 عندماقد يكون تغير الحجم من الجاف إلى المشبع أكبر من 30 ٪، وحيثما يتوضع البازلت تتشكل بعمل عوامل التعرية ترب غضارية قابلة للانتفاخ.

المعلومات المطلوبة لدراسة تربة تحت منشأة

يجب التعهد على التربة ووصفها واختبارها في الحقل واستخراج عينات منها لدراسة خواصها الفيزيائية والميكانيكية في المخبر ولتحديد قدرة تحملها المسموحة ومقدار الهبوط المتسقط 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 أوكيفية تطبيقها على المباني المجاورة وطريقة حماية هذه المباني إذا لزم الأمر.

تتم أعمال التحريات الحقلية غالباً بآلات السبر الدورانية، أوبوساطة حفر الاختبار trial pits حين لا يسمح المسقط بالسبر الآلي، ويرافق ذلك ما يلزم من تجارب بسيطة للتعهد على أنواع الترب مع إجراء بعض التجارب الحقلية.

إن هدف أي برنامج تحريات للتربة هوفهم طبيعة طبقات التربة التحتية التي تؤثر في المنشأة المراد إقامتها, وذلك كما يأتي: ـ تحديد ثخانات الطبقات التحتية للتربة أوالصخر وطبيعتها.

ـ تحديد منسوب المياه الجوفية المؤثرة على المنشأة.

ـ تحديد المشكلات الجيولوجية، مثل الفوالق، أوالطبوغرافية، مثل المنحدرات غير المستقرة، أوالمشكلات الخاصة، مثل انتفاخ التربة أوتقلصها، 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 وكيفية تطبيقها.

يحدد عدد السبور لتتم تغطية مساحة مسقط البناء بكاملها على حتى لا يزيد التباعد بينها على 15م ولا يقل عدد السبور عن ثلاثة سبور وأن لا تقع على استقامة واحدة، وتحدد أعماق السبور ابتداء من منسوب التأسيس المتسقط على حتى لا يقل عن ضعف عرض أكبر الأساسات المستمرة أوالمنفردة، ولا يقل عن عرض الحصيرة العامة.

تدرس في بعض الحالات تربة تأسيس الأبنية القائمة اعتماداً على حُفَر اختبار تنفّذ في الأقبية أوفي الوجائب، على حتى يصل عمقها حتى الطبقة التى وُضعت الأساسات فوقها.

فى حال التأسيس فوق طبقات صخرية يجب التأكد من استمراريتها وتجانس خواصها ومن عدم وجود فجوات أوكهوف فيها.

التجارب الحقلية

بسبب صعوبة أخذ عينات للترب حقلياً لاختبارها فقد طورت طرائق الاختبار الحقلية (في المسقط). إذا 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 ازدياد 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 حتى 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 حتى 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 أواختبار الاختراق الساكن conepenetration test: يغرس في هذه التجربة مخروط في طبقة التربة التى يُهتم بفهم خواصها ويُقام بقياس المقاومة اللقاءة لذلك الغرس، ولما كانت هذه التجربة سريعة نسبياً كان لابد حتى 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 المسقط بمخروط الرمل أوبالبالون أوبالطرائق النووية.

وصف التربة

إن تعرُّف التربة أثناء الأعمال الحقلية يستلزم إجراء عملية وصف للعينات، ويتم ذلك بلغة مناسبة لكل مسألة هندسية، ولما كانت الخواص الهندسية للتربة محكومة إلى حد كبير بخواصها وسلوكها الفيزيائي، لذلك كان يمكن الحصول على التقييم الأولي لهذه التربة من فحص بصري لطبيعتها وهجريبها بمساعدة بعض التجارب الأولية، ويقدم الوصف المنهجي معلومات أساسية وفق مصطلحات محددة، ويمكن حتى تشكل هذه المعلومات صورة عقلانية لدى القارئ كما يمكن حتى تستخرج منها معلومات مناسبة.

يمكن حتى تجزأ التربة إلى أنواع بحسب هجريب حبيباتها رئيسية كما يأتي: آ ـ الترب الخشنة جداً: وتكون أبعاد الحبيبات فيها من 60 مم أوأكثر وتصنف كحجارة (حتى 200 مم) أوحصى.

ب ـ الترب الخشنة: وتكون أبعاد الحبيبات من 0.06-60 مم وترى جزيئاتها إفرادياً بالعين المجردة وتضم البحص والرمل، ونسبة هذه المواد الخشنة، بعد استبعاد الأجزاء الخشنة جداً، تزيد على50٪.

ج ـ الترب الناعمة: وهى السيلت إضافة إلى معادن الغضار، ولا ترى جزيئاتها بالعين المجردة، ويلتصق بعضها مع بعض لتكون بتراً كاللدائن تتحكم فيها قوى الشد السطحي ما بين الذرات.

د ـ المواد العضوية: وتنتج من تفسخ النباتات عموماً.

هـ ـ مواد الردميات: وهى الترب المشكلة صناعياً وتعالج كحالة خاصة.

التجارب المخبرية

يمكن تصنيف التجارب المخبرية بحسب المجموعات الآتية: آ ـ التجارب الفيزيائية: وتضم التجارب الآتية: 1 ـ الوزن الحجمي الطبيعي: لتحديد وزن وحدة حجم التربة الطبيعية.

2 ـ الرطوبة الطبيعية: وتحدد الرطوبة كنسبة مئوية من الوزن الجاف للتربة المجففة في الفرن في درجة حرارة 105 مئوية.

3 ـ التحليل الحبيبي: يرتبط بمسائل جريان المياه الجوفية والنفوذية والحقن بالإسمنت والحقن بالمواد الكيميائية واختيار مواد الردم للسدود ومواد أساسات الطرق, ويحدد التدرج ونسبة البحص ـ الرمل ـ النواعم (السيلت والغضار) بالمناخل العيارية بالنخل الجاف أوبالغسل. يُميز نوعا النواعم السيلت والغضار بتجارب الترسيب أوالهيدرومتر حيث يسمح لتربة مشبعة بالترسب ويقاس تغير الوزن النوعي للمعلق مع الزمن وتحسب الأقطار المكافئة من قانون ستوك.

4 ـ حدود أتربرغ: وتعين هذه الحدود تغير قوام الترب الغضارية السيلتية بتغير رطوبة الجزء المار من المنخل رقم 40، وبإضافة الماء إلى التربة الجافة تزداد ثخانة الأغشية المائية المحيطة بالجزيئات الغضارية وتبقى التربة في حالة صلبة دون زيادة في الحجم إلى حتى تصل رطوبتها إلى حد معين، حد الانكماش، وبإضافة المياه يبدأ ظهور الانتفاخ في التربة وتدخل التربة في الفترة نصف الصلبة إلى حتى تأخذ بعده خاصية اللدونة، حد اللدونة، ومع زيادة الرطوبة تظل التربة في الحالة اللدنة إلى حتى تبدأ التربة بفقدان خاصية اللدونة، حد السيولة، وأي زيادة بالرطوبة بعد هذا الحد تدخل التربة في الطور السائل، ومن ثم لا تعود التربة تمتلك قوة قص.

5 ـ الوزن النوعي: هووزن وحدة حجم الجزيئات الصلبة فقط ويقاس في زجاجة كثافة مع احتياطات خاصة لمنع دخول الهواء.

6 ـ عامل النفاذية K يستعمل في دراسة جريان المياه عبر الكتل الترابية، ويقاس في أجهزة ذات ضاغط ثابت أوأجهزة ذات ضاغط متغير حيث يقاس الجريان وفاقد الضاغط عند مرور الماء عبر التربة.

ب ـ التجارب الميكانيكية: تنفذ هذه التجارب لتحديد وسائط التربة المستخدمة في حساب قدرة تحمل التربة والهبوط المتسقط فيها، وتضم التجارب الرئيسية الآتية:

1 ـ تجربة القص ثلاثي المحاور triaxial لدراسة سلوك الحمولة ـ التشوه لعينة تربة، وتتم في جهاز الانضغاط الثلاثي إذ تخضع عينة أسطوانية من التربة مغلفة في غشاء مطاطي وموضوعة في خلية مملوءة بالسائل (الماء الذى يوفر الضغط الجانبي) لضغط σ ثلاثة أي حالة إجهاد هوالضغط الهيدروستاتيكي σ 3، بينما يطبق محورياً إجهاد شاقولي إضافي (σ 1-σ 3) يدعى إجهاد الفرق deviator stress، وتستخرج منها أيضا تماسك التربة C وزاوية احتكاكها الداخلي لحساب قدرة تحمل التربة.

2ـ تجربة القص المباشر: بسبب صعوبة استعمال جهاز الاختبار الثلاثي لاختبار عينات الترب غير المتماسكة يستعمل لها اختبار القص المباشر, ويتألف من نصفي علبة أبعادها الأفقية هى 6×6سم وارتفاعها 2سم ويتباعد النصفان مسافة صغيرة ويطبق الإجهاد الناظمي عن طريق حامل hanger ويطبق إجهاد القص T ليسبب انهيار العينة على سطح أفقي، ومن عيوب هذا الاختبار ـ هجريزات الإجهاد ـ عدم فهم قيمة σ 2 صعوبة التحكم بالصرف، التعهد السيئ على حالة الإجهاد أثناء الاختبار، عدم تناظر الجهاز عند حدوث تشوهات كبيرة. بإنجاز ثلاثة اختبارات أوأكثر على ضغوط ناظمية مختلفة يمكن استخراج مغلف لقوة القص نستطيع منه حتى نقيم زاوية مقاومة القص. إذا هذا الاختبار في الواقع هواختبار «زاوية الاحتكاك angle of friction»، يستعمل هذا الاختبار في أبسط أشكاله لقياس زاوية مقاومة القص للرمال النظيفة، ويمكن منه فهم تماسك التربة C وزاوية الاحتكاك الداخلى Φ ومن هذين الوسيطين وباستعمال عدد من العلاقات الهندسية المعروفة (تيرزاكي مثلا أومايرهوف) يمكننا حساب قدرة تحمل التربة إضافة إلى حساب عامل مرونتها E.

3 ـ تجربة الضغط البسيط unconfined compression test: تنفذ هذه التجربة على جميع أنواع الترب بقص عينة ارتفاعها ضعف قطرها بتطبيق ضغط محوري ونحصل منها على قوة قص التربة q التي يمكن منها أيضاً، باستعمال بعض العلاقات، استخراج قدرة تحمل التربة.

4 ـ تجربة الانضغاط مع الزمن (التشديد) consolidation: يتم في هذه التجربة صرف قليل من الماء الموجود في المسامات بين الجزيئات الصلبة للتربة بتأثير تطبيق الضغط المستمر، ويتناقص حجم التربة تدريجياً من إعادة تنظيم جزيئاتها عندما ينتقل تدريجياً تطبيق الحمولة من الماء المسامي إلى الهيكل الصلب لجزيئات التربة وتستمر هذه العملية إلى حتى يصير ضغط الماء المسامي مساوياً للصفر.

تنفذ التجربة على الترب الغضارية بوجه رئيسي إذ يُلاحظ التغير الحجمي لعينة تربة عند إخضاعها لحمولات متزايدة بين حجرين مساميين مع قياس الحركة الشاقولية، وتستعمل ثوابت التربة المستخرجة منها، مثلاً مرشد الانضغاطية compressibility index Cc، في حساب الهبوط المتسقط للأبنية.

ج ـ التجارب الكيميائية: إذا احتواء التربة على مواد عضوية تتفسخ يولد هبوطات تفاضلية قد تؤدي لحدوث تصنادىت في المنشأة، ومن الضروري أحياناً فهم احتواء التربة على مركبات كيماوية ذات تأثير مخرب أوضار على البيتون والأساسات، ومن هذه التجارب: 1 ـ تحديد احتواء المواد العضوية: إذا وجود المواد العضوية يسبب هبوطات عالية في المنشأت عند تفسخ المادة العضوية، وإذا كان هناك شك بوجود نسبة ذات أهمية من المادة العضوية نحدد نسبتها بتحطيم المادة العضوية بالعوامل المؤكسدة ونقيس خسارة الوزن.

2 ـ تحديد احتواء الكبريتات SO3: مثل كبريتات المغنسيوم والصوديوم، وبذوبانها بالمياه الجوفية أوالسطحية تتفاعل مع الإسمنت في بيتون قواعد الأساسات لتتشكل مركبات مثل كبريتات الكلسيوم مع زيادة في الحجم تؤدى إلى تخريب البيتون ونخره، وتتم تجربة تحديد نسبة الكبريتات بترسيبها بمركب كبريتات الباريوم ثم الوزن لتقدير خسارة الوزن.

تحليل نتائج التجارب والتوصيات الفنية

يتضمن التقرير الفني عادة معلومات عن المشروع الذي يتم سبر التربة من أجله والوظيفة المطلوبة له، كما يتحدث عن التحريات والمشاهدات الحقلية وعن منسوب المياه الجوفية وعن التجارب المخبرية للتربة بما يوضح خصائصها الفيزيائية والميكانيكية، كما تحدد الوسائط الهندسية التي تستعمل في التصميم والعلاقات والصيغ المستعملة في الحساب لاستخراج قدرة تحمل التربة والهبوط المتسقط مع جميع العوامل اللازمة وخاصة عامل الأمان المقترح.

يجب أيضاً تحديد تأثير المياه السطحية والمياه الجوفية، طالما وجودها، على القاعدة الترابية مع الحلول الفنية المناسبة إذا لزم الأمر، وتحدد التوصيات الفنية لكل نوع من أنواع الأساسات كما يأتي:

ا ـ فيما يتعلق بالأساسات السطحية: يجب تحديد طبقة التأسيس وعمقه وقدرة تحمل التربة والهبوط المتسقط والهبوط التفاضلي.

ب ـ فيما يتعلق بالأساسات العميقة (الأوتاد والركائز): يجب تحديد طول الوتد ونوعه والأقطار المقترحة والحمولات التصميمية للوتد والهبوط المتسقط وكيفية التطبيق، وتحدد بشكل مشروح طريقة إجراء تجارب التحميل من حيث الحمولات ومراحلها ومددها وغيره.

ج ـ فيما يتعلق بالجدران الاستنادية: تحدد المعلومات اللازمة لتصميم الجدران الاستنادية مثل خصائص التربة خلف الجدار التي تضم: زاوية الاحتكاك الداخلي ـ التماسك ـ الوزن الحجمي ـ وزاوية احتكاك التربة مع وجه الجدار الخلفي، وعامل الدفع الفعال لكتلة التربة خلف الجدار واحتكاك قاعدة الجدار مع تربة التأسيس وتماسك قاعدة الجدار مع تربة التأسيس، كذلك بالنسبة لكتلة التربة أمام قدم الجدار التي تضم: زاوية الاحتكاك الداخلي والوزن الحجمي وعامل دفع التربة المنعمل لهذه الكتلة، إضافة التوصيات اللازمة لصرف المياه من كتلة التربة خلف الجدار، كما تحدد الوسائط المستخدمة في تصميم الجدران الاستنادية مع التحقيقات اللازمة لتأمين توازنها ضد الانقلاب والانزلاق وضغط التربة في مستوى القاعدة.

د ـ فيما يتعلق بتوازن المنحدرات: تحدد الحلول المناسبة لتأمين استقرار المنحدرات.

المصادر

• محمد شحرور، عبد العزيز حجار. "تطبيقات ميكانيكا التربة". الموسوعة العربية.