ميكانيكا التربة

ميكانيكا التربة Soil mechnics هو فرع من العلوم الهندسية وهو مختص بدراسة التربة وطريقة تصرفها عند تعرضها للأحمال والإجهادات .

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).

The Tower of Pisa -- an example of a problem due to deformation of soil.

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 .

Slope instability issues for a temporary flood control levee in North Dakota, 2009

Earthwork in Germany

Fox Glacier, New Zealand: Soil produced and transported by intense weathering and erosion.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 نشوء و تاريخ علم ميكانيكا التربة

Example soil horizons. a) top soil and colluvium b) mature residual soil c) young residual soil d) weathered rock.

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

•  مقالة مفصلة: انضغاطية التربة

• 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 .

 Sieve analysis

Sieve

 Mass-volume relations

A phase diagram of soil indicating the masses and volumes of air, solid, water, and voids.

There are a variety of parameters used to describe the relative proportions of air, water and solid in a soil. This section defines these parameters and some of their interrelationships . The basic notation is as follows:

$V_{a}$, $V_{w}$, and $V_{s}$ represent the volumes of air, water and solids in a soil mixture;

$W_{a}$, $W_{w}$, and $W_{s}$ represent the weights of air, water and solids in a soil mixture;

$M_{a}$, $M_{w}$, and $Ms$ represent the masses of air, water and solids in a soil mixture;

$\rho _{a}$, $\rho _{w}$, and $\rho _{s}$ represent the densities of the constituents (air, water and solids) in a soil mixture;

Note that the weights, W, can be obtained by multiplying the mass, M, by the acceleration due to gravity, g; e.g., $W_{s}=M_{s}g$

Specific Gravity is the ratio of the density of one material compared to the density of pure water ($\rho _{w}=1g/cm^{3}$).

Specific gravity of solids, $G_{s}={\frac {\rho _{s}}{\rho _{w}}}$

Note that unit weights, conventionally denoted by the symbol $\gamma$ may be obtained by multiplying the density instead of $\rho$ by the acceleration due to gravity, $g$.

Density, Bulk Density, or Wet Density, $\rho$, are different names for the density of the mixture, i.e., the total mass of air, water, solids divided by the total volume of air water and solids (the mass of air is assumed to be zero for practical purposes):

$\rho ={\frac {M_{s}+M_{w}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{t}}{V_{t}}}$

Dry Density, $\rho _{d}$, is the mass of solids divided by the total volume of air water and solids:

$\rho _{d}={\frac {M_{s}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{s}}{V_{t}}}$

Buoyant Density, $\rho '$, defined as the density of the mixture minus the density of water is useful if the soil is suberged under water:

$\rho '=\rho \ -\rho _{w}$

where $\rho _{w}$ is the density of water

Water Content, $w$ is the ratio of mass of water to mass of solid. It is easily measured by weighing a sample of the soil, drying it out in an oven and re-weighing. Standard procedures are described by ASTM.

$w={\frac {M_{w}}{M_{s}}}={\frac {W_{w}}{W_{s}}}$

Void ratio, $e$, is the ratio of the volume of voids to the volume of solids:

$e={\frac {V_{V}}{V_{S}}}={\frac {V_{V}}{V_{T}-V_{V}}}={\frac {n}{1-n}}$

Porosity, $n$, is the ratio of volume of voids to the total volume, and is related to the void ratio:

$n={\frac {V_{v}}{V_{t}}}={\frac {V_{v}}{V_{s}+V_{v}}}={\frac {e}{1+e}}$

Degree of saturation, $S$, is the ratio of the volume of water to the volume of voids:

$S={\frac {V_{w}}{V_{v}}}$

From the above definitions, some useful relationships can be derived by use of basic algebra.

$\rho ={\frac {(G_{s}+Se)\rho _{w}}{1+e}}$

$\rho ={\frac {(1+w)G_{s}\rho _{w}}{1+e}}$

$w={\frac {Se}{G_{s}}}$

 Effective stress and capillarity: hydrostatic conditions

Spheres immersed in water, reducing effective stress.

المقالة الرئيسية: Effective stress

 تطبيقات 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 المخبر 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.

 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 وتركيبها بمساعدة بعض التجارب الأولية، ويقدم الوصف المنهجي معلومات أساسية وفق مصطلحات محددة، ويمكن أن تشكل هذه المعلومات صورة عقلانية لدى القارئ كما يمكن أن تستخرج منها معلومات مناسبة.

يمكن أن تجزأ التربة إلى أنواع بحسب تركيب حبيباتها رئيسية كما يأتي:

آ ـ الترب الخشنة جداً: وتكون أبعاد الحبيبات فيها من 60 مم أو أكثر وتصنف كحجارة (حتى 200 مم) أو حصى.

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 قطعاً 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 أو بالغسل. يُميز نوعا النواعم السيلت والغضار بتجارب الترسيب أو الهيدرومتر 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 أن تصل رطوبتها إلى حد معين، حد الانكماش، وبإضافة المياه يبدأ ظهور الانتفاخ في التربة وتدخل التربة في المرحلة نصف الصلبة إلى أن تأخذ بعده خاصية اللدونة، حد اللدونة، ومع زيادة الرطوبة تبقى التربة في الحالة اللدنة إلى أن 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: هو وزن 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 أو أجهزة 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 المتوقع 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 3 أي حالة إجهاد هو الضغط 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 تركيزات الإجهاد ـ عدم معرفة قيمة σ 2 صعوبة التحكم بالصرف، التعرف السيئ على حالة الإجهاد أثناء الاختبار، عدم تناظر الجهاز عند حدوث تشوهات كبيرة. بإنجاز ثلاثة اختبارات أو أكثر على ضغوط ناظمية مختلفة يمكن استخراج مغلف لقوة القص نستطيع منه أن نقيم زاوية مقاومة القص. إن هذا الاختبار في الواقع هو اختبار «زاوية الاحتكاك angle of friction»، يستعمل هذا الاختبار في أبسط أشكاله لقياس زاوية مقاومة القص للرمال النظيفة، ويمكن منه معرفة تماسك التربة C وزاوية الاحتكاك الداخلى Φ ومن هذين الوسيطين وباستعمال عدد من العلاقات الهندسية المعروفة (تيرزاكي مثلا أو مايرهوف) 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 أن 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 دليل الانضغاطية compressibility index Cc، في حساب الهبوط المتوقع للأبنية.

ج ـ التجارب الكيميائية: إن احتواء التربة على مواد عضوية تتفسخ يولد هبوطات تفاضلية قد تؤدي لحدوث تصدعات في المنشأة، ومن الضروري أحياناً معرفة احتواء التربة على مركبات كيماوية ذات تأثير مخرب أو ضار على البيتون والأساسات، ومن هذه التجارب:

1 ـ تحديد احتواء المواد العضوية: إن 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 المغنزيوم والصوديوم، وبذوبانها بالمياه الجوفية أو السطحية 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 المتوقع مع جميع العوامل اللازمة وخاصة عامل الأمان المقترح.

يجب أيضاً تحديد تأثير المياه السطحية والمياه الجوفية، في حال 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 المتوقع والهبوط التفاضلي.

ب ـ فيما يتعلق بالأساسات العميقة (الأوتاد والركائز): يجب تحديد طول الوتد ونوعه والأقطار المقترحة والحمولات التصميمية للوتد والهبوط المتوقع وطريقة التنفيذ، وتحدد بشكل مفصل 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 تشمل: 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 تشمل: زاوية الاحتكاك الداخلي والوزن الحجمي وعامل دفع التربة المنفعل 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.

 انظر أيضاً

• Critical state soil mechanics
• Earthquake engineering
• Engineering geology
• Geotechnical engineering
• Geotechnics
• Rock mechanics
• Slope stability analysis
• Hydrogeology, aquifer characteristics closely related to soil characteristics
• Wiktionary seepage

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .