نشت

۱-پيشگفتار
جريان آ ب در خاک يکي از بنيادي ترين موضوعات در علم ژئوتکنيک و مهندسي زمين است در حقيقت اگر آب در خاک جريان نداشت نيازي به مهندسي ژئوتکنيک نبود. به هر حال اهميت آب در کار با خاک و سنگ يک ادعاي برجسته است .
مقدار جريان اغلب با پارامتر کليدي در محاسبه نشت آب يا مقدار تعيين شده از آب موجود براي مصارف صنعتي يا خانگي مطالعه مي شود . در مهندسي ، فشار آب در هنگام عبور از خلل و فرج مهمترين پيامد جريان آب در خاک مي با شد . نبايد بر روي ميزان عبور آب از داخل زمين تاکيد شود

، بلکه بايد بر روي شرايط فشار آب در خلل و فرج زمين تاکيد شود . فشار آب در خاک چه مثبت باشد چه منفي ، ارتباط مستقيم با مقاومت برشي و اندازه ذرات خاک دارد . تحقيقات در چند دهه اخير نشان داده است حتي عبور باران در خاک غير اشباع نزديک زمين مستقيماً با مکش خاک ارتباط دارد (فشار منفي آب) . همچنين ، حتي هنگامي که جريان آب کشش زياد دارد مهم است که دقيقاً جايگزين فشار آب در خاک شود .

در گذشته محاسبات در رابطه با آب و خاک ، بر روي جريان اشباع متمرکز شده بود . در نتيجه مساله جريان آب در خاک عموماً به دو دسته محدود شده و نشده ، مانند لايه ي شن و ماسه آب دار که محدود شده يا نشده است ، طبقه بندي مي شد. جريان زير سطحي يک سازه ، يک جريان محدود شده است در حالي که جريان عبوري از يک خاکريزي يکنواخت يک جريان محدود نشده

مي آورد ، زيرا شخص آناليزگر نياز به مشخص کردن تراز سطح آب دارد . سطح تراز آب به عنوان يک کران بالا حساب مي شود و هر جرياني که در ناحيه موئينه وجود دارد داشته باشد يعني بالاتر از خط تراز آب ناديده گرفته مي شود .

اي قابل قبول نيست که براي ساده کردن روش ، جريان هاي غير اشباع بالاي سطح تراز آب را ناديده بگيريم . نه تنها ناديده گرفتن قسمت مرطوب خاک ها اهميت دارد بلکه اين بزرگترين محدوده مساله آميز است که مي تواند آناليز شود . بررسي کردن جريان غيراشباع در موقعيت هاي معمولي همچون مدل کردن نفوذ باران اجباري است . مساله جريان موقت مثال خوب ديگري است . مدل کردن حالتي که رطوبت از ساختمان هاي زمين بدون در نظر گرفتن عبور جريان آب از جرء غير اشباع خاک عبور کند تقريباً غير ممکن است .

خوشبختانه ناديده گرفتن ناحيه غير اشباع خيلي مهم نيست . با رجوع به منابع و مرتبط کردن آن با نرم افزار ، جريان غير اشباع را مي توان با مدل عددي محاسبه کرد . مدل عددي براي محاسبه تقريباً هر نوع نشت مشکل آفرين راه را باز مي کند .

لغت نشت معمولاً به نيروهاي محرک اوليه که در جهت گرانش هستند اشاره دارد ، همچون پايين رفتن سطح آب ، فشار هاي هيدروليکي محرک بين نقاط ورود و خروج که نيروهاي محرک هستند . دليل ديگر حرکت آب در خاک وجود فشار حفره اي متناسب با بار خارجي است . اين نوع جريان آب معمولاً مربوط به نشت نمي شود ، بلکه روابط اصلي رياضي تعريف شده حرکت آب اساساً يکسان هستند . به عنوان يک نتيجه ، نرم افزار مسائل نشت را براي آناليز فرموله مي کند و همچنين مي

تواند براي آناليز اتلاف بيش از حد فشار آب حفره اي ناشي از تنش هاي موجود استفاده شود . در بطن مباحث و مثال های موجود در منابع و نرم افزار SEEP/W ، در تعريف انواع حرکت هاي آب در خاک بدون توجه به منشا توليد نيروهاي محرک در جريان موجود در خاک اشباع و غير اشباع اصلاح نشت استفاده شده است .

مدل کردن جريان آب در خاک با يک راه حل عددي مي تواند خيلي دقيق باشد . خاک طبيعي معمولاً از خاک هاي بسيار ناهمگن و غير ايزوتروپ تشکيل شده است به علاوه شرايط مرزي اغلب با گذشت زمان تغيير مي کند و نمي تواند به صورت قطعي تعيين شود تا زماني که آناليز انجام شود. در حقيقت تصحيح کردن شرايط مرزي اغلب قسمتي از راه حل است . علاوه بر اين وقتي يک خاک از حالت اشباع خارج مي شود ، ضريب نفوذپذيري هدايت هيدروليکي تابعي از فشار منفي آب حفره اي در خاک مي شود . فشار آب حفره اي اولين مجهولي است که نياز به مقدار دقيق آن

داريم ، همچنين روش هاي تکرار عددي به يکسان سازي محاسبه فشار آب حفره اي و خصوصيات مواد نياز دارند تا قادر به حل معادلات غير خطي باشد . نياز استفاده از برخي از تحليل هاي عددي براي تحليل همه مسائل نشت پيچيدگي هايي را ايجاد مي کند ، که ساده نيست . يک پيشنهاد رايج استفاده از فرموله کردن المان هاي محدود و SEEP/W مي باشد . موضوع اين کتاب مثالي از ابزارهاي عددي نرم افزار است .

بخشي از اين منبع در رابطه با استفاده از نرم افزار SEEP/W براي محاسبه نشت و در عين حال در رابطه با تکنيک هاي معمولي مدل کردن عددي است . مدل عددي مانند اغلب اشياء در زندگي است که احتياج به نوعي از آموزش دارد. اين تقريباً غير ممکن است که ابزاري مثل SEEP/W را

برگزينيم و فوراً يک مدلگر حقيقي شويم . مدل کردن عددي واقعي به تفکر دقيق و برنامه ريزي ، درک خوب و مفاهيم بنيادي علمي نياز دارد . ديدگاه هايي همچون روش هاي تقسيم کردن المان هاي محدود و به کار بردن محدوده هاي مرزي مساله در ابتدا کاملاً به هم وابسته نيستند . به زمان و روش براي راحت کردن ديدگاه مدل عددي نياز داريم .

قسمت اعظمي از اين کتاب بر روي دستورالعمل عمومي چگونگي مديريت مدل عددي متمرکز شده است . در فصل دوم ، مدل کردن عددي چه ، چرا و چگونه ، بر روي موضوع ، قائده کلي محاسبه نشت که در تمام مدل هاي عددي به کار مي رود بحث مي شود .
به طور کلي سه جزء اصلي در تحليل هاي عناصر محدود وجود دارد . اولين بخش تجزيه : يعني تقسيم محدوده به بخش ها ي کوچکتري که المان ناميده مي شوند . بخش دوم : مشخص کردن

و دادن ويژگي هاي ماده . بخش سوم : اعمال حالت هاي مرزي بخش هاي مجزايي درباره هر يک از اين قطعات کليدي تشريح شده است . مدل سازي عددي نشت اشباع و غير اشباع يک مشکل غير خطي است که نياز به تکنيک هاي تکراري جهت حل مساله است . همگرايي عددي باعث ايجاد يک موضوع کليدي مي شود و همچنين شماهاي تلفيقي موقتي ملزوم مي باشد توسط اندازه هاي زمان بندي شده مربوط به سايز المان ها و ويژگي هاي مواد متاثر مي شوند . اين ها و بررسي هاي عددي ديگر در فصل هفتم بررسي شده است .
فصل يازدهم و دوازدهم جهت ارائه و بحث درباره مثال ها اختصاص

يافته است . در فصل يازده تصاوير تلفيقي حاصل از حل مثال هايي که از راه حل هاي ژئوتکنيک بوسيله ترکيب بيش از يک نوع آناليز بدست آمده آورده شده اند . در فصل دوازده مثال هاي تصويري مشخص مي کنند که چگونه يک سري از مشکلات ژئوتکنيک مي تواند حل شود . در فصل سيزدهم : به موضوعات نظري که متناسب با راه حل هاي المان هاي محدود و نمودارهاي مختلف بخش براي خاک هاي اشباع و غير اشباع مي پردازد . توضيحات عددي المان هاي محدود درباره توابع درونيابي

و المان هاي نا محدود در زمينه آن تحت عنوان توابع دروني گنجانده شده اند . فصل دهم : نکته ها و شيوه هاي مدلسازي بايد مورد مشورت قرار گرفته تا تکنيک هاي ساده اي جهت بهبود متد طراحي عمومي تان مورد استفاده قرار گيرد . شما همچنين مي توانيد مسائل ريزتر را بدست آوريد و نيز درک عميق تري از متد هاي المان هاي محدود از کنگره هاي SEEP/W و نتايج داده ها بدست آوريد .

به طور کلي اين يک کتاب دستورالعمل چگونه به کار بردن نيست بلکه درباره چگونگی مدل سازي مي باشد. همچنین توصیف می کند که چگونه یک مهندس از ماشین های قدرتمند نظیر SEEP/W برای حل مسائل نشت استفاده می کند . توضيحات چگونگي به کار گيري دستورات مختلف برنامه و دستورات مختلف برنامه و خصوصیات برجسته SEEP/W در Help Online داخل نرم افزار داده شده است.
مدل کردن : چگونه ، چرا و چطور
قدرت بي سابقه محاسبه در نرم افزارهاي پيشرفته مهندسي ودر آناليزهاي علمي حال حاضر نتايجي داشته است. آمادگي توانايي و استفاده آسان از اين محصولات ، استفاده قدرتمند فني از آناليز المان هاي محدود در مسائل مهندسي را ممکن مي سازد . اين روش هاي آناليز مي توانند وسايل تحقيق و وسايل کاربردي را متحول کنند . اي مي تواند براي ايجاد راه جديدي در مدلينگ راهگشا باشد .

نرم افزارهايي از قبيل SEEP/W نمي توانند راهنمايي اساسي براي رسيدن به نتايج خوب باشند تا وقتي که اين نرم افزارها به عنوان يک ماشين حساب خيلي قدرتمند نتايج اصلي و مفيد که وابسته به اطلاعات وارد شده توسط کاربر هستند را به ما مي دهند . فهم کاربر از اطلاعات وارد شده و توانايي او براي تفسير نتايج يک ابزار قوي مي باشد . به طور خلاصه نرم افزار نمي تواند مدلينگ کند تا وقتي که کاربر نتواند مدلينگ کند . نرم افزار فقط مي تواند توانايي محاسبات پيچيده اي که از

توانايي بشر خارج است را فراهم کند . به عبارت ديگر ، در عصر حاضر برگه هاي محاسبات نرم افزار ها مي تواند خيلي مفيد واقع شود ولي بدست آوردن نتايج خوب از اين برگه هاي محاسبه به کاربر بستگي دارد . اين توانايي کاربر براي هدايت انجام محاسبات مي تواند يک ابزار قوي باشد

. برگه هاي محاسبه مي توانند همگي به صورت معادلات رياضي باشند اما توانايي کاربر هست که ميتواند محاسبات پيشرفته را براي رسيدن به جزئيات اصلي فراهم کند . اين درست است که محاسبات المان هاي نامحدود توسط نرم افزارهايي مثل SEEP/W صورت مي گيرد ولي مدل کردن عددي يک مهارت است که با سعي و کوشش و گذشت زمان و تجربه بدست مي آيد . صرفاً تلاش اين نرم افزار نمي تواند فوراً نتايجي همانند نتايج يک انسان متبحر در مدلينگ را بدست آورد

. زمان و تمرين ، نيازمند فهم مسائل تکنيکي وآموزشي براي تفسير نتايج هستند . مدلينگ عددي شاخه اي از شيوه نسبتاً جديد در مهندسي ژئوتکنيک است بنابراين کمبودهايي درباره چگونگي مدل کردن مدل هاي عددي وجود دارد . بايد نحوه مدل کردني پيشنهاد کرد که بتوان از آن انتظاراتي داشت . يک فهم خوب از مسائل اساسي ، مقدمه اي براي تاثير گذاري بر مديريت مدل کردن مي باشد . سوال هاي اساسي از قبيل اينکه ، ماهيت اصلي آناليز ها چيست ؟ ،

چرا بايد سوالات اساسي مهندسي پاسخ داده شود ؟ و چرا بايد نتايج قابل پيش بيني باشند ؟ اين مسائل بايد قبل از شروع به استفاده از نرم افزار مشخص شوند . استفاده از نرم افزار فقط قسمتي از مدلينگ مي باشد . جمع بندي اطلاعات يک مسئله مهم براي کليک کردن روي دکمه هاي نرم افزار يا به عبارتي شروع کار با نرم افزار مي باشد . اين قسمت درباره چه ، چرا و چگونگي اجراي مدلينگ عددي و دستورالعمل هاي موجود در فرآيندها بايد توسط تمرين مدل کردن عددي خوب دنبال شود .

مدل کردن عددي چيست ؟
يک مدل عددي ، يک شبيه سازي رياضي از فرآيند فيزيکي واقعي است . SEEP/W يک مدل عددي است که مي تواند شبيه سازي رياضي را بر روي فرآيند هاي فيزيکي واقعي از جريان آب بين ذرات متوسط انجام دهد . مدل کردن عددي به طور کلي وابسته به رياضيات است و در اين قسمت از نظر مقياسي تفاوت زيادي بين مدل کردن فيزيکي در آزمايشگاه و مدل واقعي وجود دارد .

Rolun در سال ۱۹۸۵ يک مدل با مقياس متناسب از خاکي شيب دار ساخت که نفوذ پذيري لايه هاي آن از خاک بدون شيب کمتر بود . در ميان خاک در دو طرف ديوارها وسايلي گذاشته شد تا فشار آب حفره اي در نقاط مختلف اندازه گيري شود . نتايج آزمايشات او در شکل ۲-۱نشان داده شده است

. مدل آزمايشگاهي Rolun بوسيله SEEP/W آزمايش شد که نتايج آن در شکل ۲-۲ نشان داده شده است که تقريباً با مشخصات آزمايشگاه اصلي مطابقت داشت .

نقاط روي خطوط هم پتانسيل در مکان هاي مختلف ، اختلاف هاي نا چيزي با هم دارند اما بر روي تراز آب همه نقاط يکسان هستند . در هر دو حالت دو راه براي نشت آب بر روي سطوح شيب دار وجود دارد هر کدام که مهمتر باشد نشان داده مي شود . (ديتايل هاي جزئيات محاسبات SEEP/W در اين مورد در بخش دوازده مورد بحث قرار مي گيرد .

در حقيقت رياضيات مي تواند براي شبيه سازي واقعي عمليات فيزيکي که يکي از عجايب جهان است مورد استفاده قرار گيرد . شايد عمليات فيزيکي از قوانين رياضي پيروي کند يا اينکه رياضيات بتواند اعمال فيزيکي را تشريح کند . آشکار است که ما نمي توانيم تشخيص دهيم که کداميک اول آمده است البته اي اشکال زيادي نيست . بي توجه به اينکه چطور روابط گسترش پيدا کرده اند .در حقيقت ما مي توانيم از رياضيات براي شبيه سازي عمليات فيزيکي براي پيشرفت در فهم عميق علمي استفاده کنيم . اين موضوع ممکن است براي فهم مسايل ناشناخته قبلي کمک کند . مدلسازي عددي خيلي پيشرفته تر از مدل سازي فيزيکي است . برخي از اين مشاهدات عبارتند از :
• مدل هاي عددي مي توانند نسبتاً سريعتر از مدل هاي فيزيکي ايجاد شوند . ساخت مدل هاي فيزيکي ممکن است ماهها به طول انجامد در حالي که مدل سازي عددي مي تواند در چند دقيقه ، چند ساعت يا چند روز ساخته شود.

• يک مدل فيزيکي معمولاً يک وضعيت کوچک شده از مدل واقعي را نشان مي دهد . يک مدل سازي عددي مي تواند براي بررسي تنوع زيادي از خلاصه سازي ها ي مختلف استفاده شود.
• مدل هاي عددي محاسبات سختي براي محاسبه گرانش ندارند . نيروي گرانش نمي تواند به ابعاد مدل آزمايشگاهي کوچک شود . اغلب براي غلبه بر اين محدوديت به يک دستگاه گريز از مرکز نياز داريم .
• به وسيله مدلينگ عددي خطر فيزيکي زيادي براي نيروي انساني وجود ندارد . مدل سازي عددي گاهي وابسته به ايمني زياد تجهيزات و نيروي انساني مي باشد.
مدلسازی عددی اطلاعات و نتایج هر محلی را با مقطع عرضی فراهم می کند در صورتی که مدلسازی فیزیکی فقط یکسری آثار بصری و اطلاعات نقاط منفصل را به ما می دهد .
مدلسازی عددی می تواند وضعیت های مرزی مختلف و وسیعی را اصلاح بسازد در حالیکه مدلسازی فیزیکی معمولاٌ انواع وضعیت های مرزی ممکن را محدود می سازد .

این اشتباه است که فکر کنیم مدلهای عددی محدودیت ندارد ، با پیوستن جریان تراوش طبیعی می تواند باعث تغییرات دما ، تغییرات حجمی و شاید هم باعث تغییرات شیمیایی گردد . قرار گرفتن همه ی این فرآیند ها در یک فرمول سازی یکسان و مشابه امکان پذیر نیست همانطور که مفاهیم ساده ریاضیات ، بسیار پیچیده می باشند . به علاوه این ممکن نیست یک نسبت متکله را با توجه به پیچیدگی اش به صورت ریاضی شرح دهیم .بعضی از این مشکلات توسط قدرت داده پردازی کامپیوترهای بزرگتر و سریعتر ، برطرف خواهد شد . فهمیدن این موضوع بسیار اهمیت دارد که

محصولات مدلسازی عددی مانند SEEP/W دارای محدودیت هایی خواهند بود که قابلیت معمول سخت افزاری مربوط می گردد و یا لازمه فومول سازی نرم افزاری می باشد پس از آن برای در نظر داشتن وضعیت خاص ، گسترش پیدا کرده . SEEP/W فقط برای جریانی که به قانون Darcy مربوط می شود تنظیم شده و به صورت فرمول درآمده در نزدیک سطح زمین رطوبت می تواند به صورت

بخار از زمین جدا شود این ترکیبات شامل فرمولسازی SEEP/W نمی شود ، این در محصول دیگری به نام VADOSE/W است . بنابراین SEEP/W وقتی برای سیستم خروجی رطوبت در سطح زمین بکار می رود ، دارای محدودیتهایی می باشد . یک مدل فیزیکی واقعی این نوع محدودیت را ندارد .
نکته مهم که باید یادآوری شود این است که فرمولسازی ریاضی در نرم افزار مانند SEEP/W انجام می گیرد از یک وسیله شبیه سازی جریان فیزیکی واقعی قدرتمند و چند منظوره نتیجه می شود .

۲٫۳ – مدلسازی در مهندسی زمین
نقش و اهمیت تحلیل و مدلسازی عددی در مهندسی زمین به طور روشن توسط پرفسور جان برلند در دانشگاه امپراتوری شهر لندن (انگلستان) شرح داده شد . در سال ۱۹۸۷ پرفسور برلند چیزی را که به عنوان سخنرانی Nash شناخته ارائه کرد . موضوع سخنرانی این بود (( تدریس مکانیک خاک از دید شخصی )) در یک کنفرانس او معتقد بود که مهندسی ژئوتکنیک از سه جزء بنیادی تشکیل شده مقطع عرضی یا نیمرخ زمین ، وضعیت خاک و مدلسازی . ا. این اجزا را به صورت رئوس یک مثلث نشان داد که در شکل ۲-۳ نشان داده شده است که این به عنوان مثلث برلند شناخته شد . (برلند ۱۹۸۷-۹۶ )

مثلث مکانیک خاک
بخش وضعیت خاک شامل تستهای آزمایشگاهی ،تست های insitu و اندازه گیری های صحرایی می باشد . بخش نیم رخ زمین (مقطع عرضی) به طور اساسی شامل مکان ویژه ای می باشد : توصیف و معرفی وضعیت مکانی . مدلسازی ممکن است مفهوم تجربی و یا فیزیکی باشد . مهمترین مسئله این است که در نظریه برلن هر سه جزء باید با یکدیگر توسط تجربه و سابقه ارتباط محکمی داشته باشند . این جزء داخلی مثلث است . مفهوم مثلث برلند از وقتی که برای اولین بار ارائه شد بسیار مورد بحث قرار گرفته و توسط دیگران مورد استفاده قرار گرفتند . مقاله ای با این موضوع در یک انتشار از مهندسی زمین ارائه شده است (Anon 1999 ) .

همچنین مورجسترن (۲۰۰۰) در مورد این موضوع در مقاله ای با عنوان (زمین مشترک ) در کنفرانس Geo Eng 2000 در ملبورن استرالیا بحث نموده ، با تمام این حرفها مثلث کمی بزرگتر شده و بر اهمیتش افزوده شده است . همانطور که در نمودار شکل ۴-۲ نشان داده شده است .
یک نکته مهم قابل توجه اضافه شده به مثلث این است که ، تمام فلشهای ارتباطی بین اجزاء

همانطور که مشاهده می شود به صورت مستقیم است . این موضوع ساده این حقیقت را روشن می سازد که هر بخش بطور جداگانه است اما با این وجود به سایر اجزاء مثلث مربوط می شود .
مثلث برلند به وضوح اهمیت مدلسازی را در مهندسی ژئوتکنیک نشان می دهد . مشخص نمودن

وضعیت های زمین و سنجش و اندازه گیری رفتار آن کافی نیست و لازم است بررسی هایی در مورد اطلاعات زمین و خواص خاک به منظور تکمیل مثلث صورت بگیرد . همانطور که برلند اشاره می کند مدلسازی می تواند به صورت مفهومی ، تجربه ای یا فیزیکی باشد .هرچند اکنون با قدرت رایانه ای و نرم افزارهای در دسترس اغلب مدلسازی ها به صورت عددی انجام می گیرد . با قبول اینکه مدلسازی اصولاٌ اشاره دارد به مدلسازی عددی ، مثلث برلند اهمیتی را که مدلسازی عددی در مهندسی ژئوتکنیک دارد نشان می دهد .