1-پیشگفتار
جریان آ ب در خاک یکی از بنیادی ترین موضوعات در علم ژئوتکنیک و مهندسی زمین است در حقیقت اگر آب در خاک جریان نداشت نیازی به مهندسی ژئوتکنیک نبود. به هر حال اهمیت آب در کار با خاک و سنگ یک ادعای برجسته است .
مقدار جریان اغلب با پارامتر کلیدی در محاسبه نشت آب یا مقدار تعیین شده از آب موجود برای مصارف صنعتی یا خانگی مطالعه می شود . در مهندسی ، فشار آب در هنگام عبور از خلل و فرج مهمترین پیامد جریان آب در خاک می با شد . نباید بر روی میزان عبور آب از داخل زمین تاکید شود ، بلکه باید بر روی شرایط فشار آب در خلل و فرج زمین تاکید شود . فشار آب در خاک چه مثبت باشد چه منفی ، ارتباط مستقیم با مقاومت برشی و اندازه ذرات خاک دارد . تحقیقات در چند دهه اخیر نشان داده است حتی عبور باران در خاک غیر اشباع نزدیک زمین مستقیماً با مکش خاک ارتباط دارد (فشار منفی آب) . همچنین ، حتی هنگامی که جریان آب کشش زیاد دارد مهم است که دقیقاً جایگزین فشار آب در خاک شود .
در گذشته محاسبات در رابطه با آب و خاک ، بر روی جریان اشباع متمرکز شده بود . در نتیجه مساله جریان آب در خاک عموماً به دو دسته محدود شده و نشده ، مانند لایه ی شن و ماسه آب دار که محدود شده یا نشده است ، طبقه بندی می شد. جریان زیر سطحی یک سازه ، یک جریان محدود شده است در حالی که جریان عبوری از یک خاکریزی یکنواخت یک جریان محدود نشده اشت .اسناد تاریخی بیانگر آن است که جریان محدود نشده مشکلات زیادی برای آنالیز به وجود می آورد ، زیرا شخص آنالیزگر نیاز به مشخص کردن تراز سطح آب دارد . سطح تراز آب به عنوان یک کران بالا حساب می شود و هر جریانی که در ناحیه موئینه وجود دارد داشته باشد یعنی بالاتر از خط تراز آب نادیده گرفته می شود .
ای قابل قبول نیست که برای ساده کردن روش ، جریان های غیر اشباع بالای سطح تراز آب را نادیده بگیریم . نه تنها نادیده گرفتن قسمت مرطوب خاک ها اهمیت دارد بلکه این بزرگترین محدوده مساله آمیز است که می تواند آنالیز شود . بررسی کردن جریان غیراشباع در موقعیت های معمولی همچون مدل کردن نفوذ باران اجباری است . مساله جریان موقت مثال خوب دیگری است . مدل کردن حالتی که رطوبت از ساختمان های زمین بدون در نظر گرفتن عبور جریان آب از جرء غیر اشباع خاک عبور کند تقریباً غیر ممکن است .
خوشبختانه نادیده گرفتن ناحیه غیر اشباع خیلی مهم نیست . با رجوع به منابع و مرتبط کردن آن با نرم افزار ، جریان غیر اشباع را می توان با مدل عددی محاسبه کرد . مدل عددی برای محاسبه تقریباً هر نوع نشت مشکل آفرین راه را باز می کند .
لغت نشت معمولاً به نیروهای محرک اولیه که در جهت گرانش هستند اشاره دارد ، همچون پایین رفتن سطح آب ، فشار های هیدرولیکی محرک بین نقاط ورود و خروج که نیروهای محرک هستند . دلیل دیگر حرکت آب در خاک وجود فشار حفره ای متناسب با بار خارجی است . این نوع جریان آب معمولاً مربوط به نشت نمی شود ، بلکه روابط اصلی ریاضی تعریف شده حرکت آب اساساً یکسان هستند . به عنوان یک نتیجه ، نرم افزار مسائل نشت را برای آنالیز فرموله می کند و همچنین می تواند برای آنالیز اتلاف بیش از حد فشار آب حفره ای ناشی از تنش های موجود استفاده شود . در بطن مباحث و مثال های موجود در منابع و نرم افزار SEEP/W ، در تعریف انواع حرکت های آب در خاک بدون توجه به منشا تولید نیروهای محرک در جریان موجود در خاک اشباع و غیر اشباع اصلاح نشت استفاده شده است .
مدل کردن جریان آب در خاک با یک راه حل عددی می تواند خیلی دقیق باشد . خاک طبیعی معمولاً از خاک های بسیار ناهمگن و غیر ایزوتروپ تشکیل شده است به علاوه شرایط مرزی اغلب با گذشت زمان تغییر می کند و نمی تواند به صورت قطعی تعیین شود تا زمانی که آنالیز انجام شود. در حقیقت تصحیح کردن شرایط مرزی اغلب قسمتی از راه حل است . علاوه بر این وقتی یک خاک از حالت اشباع خارج می شود ، ضریب نفوذپذیری هدایت هیدرولیکی تابعی از فشار منفی آب حفره ای در خاک می شود . فشار آب حفره ای اولین مجهولی است که نیاز به مقدار دقیق آن داریم ، همچنین روش های تکرار عددی به یکسان سازی محاسبه فشار آب حفره ای و خصوصیات مواد نیاز دارند تا قادر به حل معادلات غیر خطی باشد . نیاز استفاده از برخی از تحلیل های عددی برای تحلیل همه مسائل نشت پیچیدگی هایی را ایجاد می کند ، که ساده نیست . یک پیشنهاد رایج استفاده از فرموله کردن المان های محدود و SEEP/W می باشد . موضوع این کتاب مثالی از ابزارهای عددی نرم افزار است .
بخشی از این منبع در رابطه با استفاده از نرم افزار SEEP/W برای محاسبه نشت و در عین حال در رابطه با تکنیک های معمولی مدل کردن عددی است . مدل عددی مانند اغلب اشیاء در زندگی است که احتیاج به نوعی از آموزش دارد. این تقریباً غیر ممکن است که ابزاری مثل SEEP/W را برگزینیم و فوراً یک مدلگر حقیقی شویم . مدل کردن عددی واقعی به تفکر دقیق و برنامه ریزی ، درک خوب و مفاهیم بنیادی علمی نیاز دارد . دیدگاه هایی همچون روش های تقسیم کردن المان های محدود و به کار بردن محدوده های مرزی مساله در ابتدا کاملاً به هم وابسته نیستند . به زمان و روش برای راحت کردن دیدگاه مدل عددی نیاز داریم .
قسمت اعظمی از این کتاب بر روی دستورالعمل عمومی چگونگی مدیریت مدل عددی متمرکز شده است . در فصل دوم ، مدل کردن عددی چه ، چرا و چگونه ، بر روی موضوع ، قائده کلی محاسبه نشت که در تمام مدل های عددی به کار می رود بحث می شود .
به طور کلی سه جزء اصلی در تحلیل های عناصر محدود وجود دارد . اولین بخش تجزیه : یعنی تقسیم محدوده به بخش ها ی کوچکتری که المان نامیده می شوند . بخش دوم : مشخص کردن و دادن ویژگی های ماده . بخش سوم : اعمال حالت های مرزی بخش های مجزایی درباره هر یک از این قطعات کلیدی تشریح شده است . مدل سازی عددی نشت اشباع و غیر اشباع یک مشکل غیر خطی است که نیاز به تکنیک های تکراری جهت حل مساله است . همگرایی عددی باعث ایجاد یک موضوع کلیدی می شود و همچنین شماهای تلفیقی موقتی ملزوم می باشد توسط اندازه های زمان بندی شده مربوط به سایز المان ها و ویژگی های مواد متاثر می شوند . این ها و بررسی های عددی دیگر در فصل هفتم بررسی شده است .
فصل یازدهم و دوازدهم جهت ارائه و بحث درباره مثال ها اختصاص یافته است . در فصل یازده تصاویر تلفیقی حاصل از حل مثال هایی که از راه حل های ژئوتکنیک بوسیله ترکیب بیش از یک نوع آنالیز بدست آمده آورده شده اند . در فصل دوازده مثال های تصویری مشخص می کنند که چگونه یک سری از مشکلات ژئوتکنیک می تواند حل شود . در فصل سیزدهم : به موضوعات نظری که متناسب با راه حل های المان های محدود و نمودارهای مختلف بخش برای خاک های اشباع و غیر اشباع می پردازد . توضیحات عددی المان های محدود درباره توابع درونیابی و المان های نا محدود در زمینه آن تحت عنوان توابع درونی گنجانده شده اند . فصل دهم : نکته ها و شیوه های مدلسازی باید مورد مشورت قرار گرفته تا تکنیک های ساده ای جهت بهبود متد طراحی عمومی تان مورد استفاده قرار گیرد . شما همچنین می توانید مسائل ریزتر را بدست آورید و نیز درک عمیق تری از متد های المان های محدود از کنگره های SEEP/W و نتایج داده ها بدست آورید .
به طور کلی این یک کتاب دستورالعمل چگونه به کار بردن نیست بلکه درباره چگونگی مدل سازی می باشد. همچنین توصیف می کند که چگونه یک مهندس از ماشین های قدرتمند نظیر SEEP/W برای حل مسائل نشت استفاده می کند . توضیحات چگونگی به کار گیری 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 بی سابقه محاسبه در نرم افزارهای پیشرفته مهندسی ودر آنالیزهای علمی حال حاضر نتایجی داشته است. آمادگی توانایی و استفاده آسان از این محصولات ، استفاده قدرتمند فنی از آنالیز المان های محدود در مسائل مهندسی را ممکن می سازد . این روش های آنالیز می توانند وسایل تحقیق و وسایل کاربردی را متحول کنند . ای می تواند برای ایجاد راه جدیدی در مدلینگ راهگشا باشد .
نرم افزارهایی از قبیل SEEP/W نمی توانند راهنمایی اساسی برای رسیدن به نتایج خوب باشند تا وقتی که این نرم افزارها به عنوان یک ماشین حساب خیلی قدرتمند نتایج اصلی و مفید که وابسته به اطلاعات وارد شده توسط کاربر هستند را به ما می دهند . فهم کاربر از اطلاعات وارد شده و توانایی او برای تفسیر نتایج یک ابزار قوی می باشد . به طور خلاصه نرم افزار نمی تواند مدلینگ کند تا وقتی که کاربر نتواند مدلینگ کند . نرم افزار فقط می تواند توانایی محاسبات پیچیده ای که از توانایی بشر خارج است را فراهم کند . به عبارت دیگر ، در عصر حاضر برگه های محاسبات نرم افزار ها می تواند خیلی مفید واقع شود ولی بدست آوردن نتایج خوب از این برگه های محاسبه به کاربر بستگی دارد . این توانایی کاربر برای هدایت انجام محاسبات می تواند یک ابزار قوی باشد . برگه های محاسبه می توانند همگی به صورت معادلات ریاضی باشند اما توانایی کاربر هست که میتواند محاسبات پیشرفته را برای رسیدن به جزئیات اصلی فراهم کند . این درست است که محاسبات المان های نامحدود توسط نرم افزارهایی مثل SEEP/W صورت می گیرد ولی مدل کردن عددی یک مهارت است که با سعی و کوشش و گذشت زمان و تجربه بدست می آید . صرفاً تلاش این نرم افزار نمی تواند فوراً نتایجی همانند نتایج یک انسان متبحر در مدلینگ را بدست آورد. زمان و تمرین ، نیازمند فهم مسائل تکنیکی وآموزشی برای تفسیر نتایج هستند . مدلینگ عددی شاخه ای از شیوه نسبتاً جدید در مهندسی ژئوتکنیک است بنابراین کمبودهایی درباره چگونگی مدل کردن مدل های عددی وجود دارد . باید نحوه مدل کردنی پیشنهاد کرد که بتوان از آن انتظاراتی داشت . یک فهم خوب از مسائل اساسی ، مقدمه ای برای تاثیر گذاری بر مدیریت مدل کردن می باشد . سوال های اساسی از قبیل اینکه ، ماهیت اصلی آنالیز ها چیست ؟ ، چرا باید سوالات اساسی مهندسی پاسخ داده شود ؟ و چرا باید نتایج قابل پیش بینی باشند ؟ این مسائل باید قبل از شروع به استفاده از نرم افزار مشخص شوند . استفاده از نرم افزار فقط قسمتی از مدلینگ می باشد . جمع بندی اطلاعات یک مسئله مهم برای کلیک کردن روی دکمه های نرم افزار یا به عبارتی شروع کار با نرم افزار می باشد . این قسمت درباره چه ، چرا و چگونگی اجرای مدلینگ عددی و دستورالعمل های موجود در فرآیندها باید توسط تمرین مدل کردن عددی خوب دنبال شود .