גאומכניקה

קיר תומך מבטון מזוין

גאומכניקה היא מדע הנדסי העוסק בהתנהגות הפיזיקלית של קרקעות וסלעים. הגאומכניקה עוסקת בסיווג קרקעות על פי תכנותיהן המכניות, דוגמת חוזק, גמישות, יכולת ספיגת מים, משקל סגולי וחדירות. השימוש העיקרי בגאומכניקה הוא בהנדסה אזרחית על ידי אפיון של יחסי הגומלין בין הקרקע והסלע הטבעיים לבין מבנים מלאכותיים דוגמת בניינים, סכרים וגשרים במטרה לתכנן אותם באופן שיוכלו להתמודד עם העומסים העשויים להיות מופעלים עליהם.

תכונות הקרקע

הבסיס לתכנון הנדסי על גבי סוג כלשהו של קרקע הוא הכרת תכונות הקרקע וסיווג סוג הקרקע לפי תכונות אלו, תכונות הקרקע נמצאות בקשר ישיר לכמות המים והאוויר בקרקע וגודל גרגירי הסלע.

מנת החללים

דיאגרמת נפח ומשקל בקרקע.

מנת החללים היא היחס בין נפח המים והאוויר באדמה (V_v) לנפח הקרקע המוצקה (V_S). תכונה זאת נמדדת באחוזים, למשל מנת החללים בקרקע מסוג חרסית היא בין 24 ל-40 אחוזים. מנת החללים מוגדרת בגאומכניקה בסימן e.

$e=Vv/Vs$

נקבוביות

נקבוביות היא היחס בין נפח המים והאוויר באדמה (V_v) לנפח כל מדגם האדמה (V). מסומנת בגאומכניקה בסימן n.

$n=Vv/V=e/(1+e)$

דרגת רוויה

דרגת הרוויה היא החלק היחסי של נפח המים (V_w)מתוך נפח האדמה שהוא לא קרקע (V_v) . בקרקע מוצפת לחלוטין תהיה דרגת הרוויה תהיה שווה ל - 1, ולקרקע שיובשה לגמרי בתנור ממים תהיה 0.

$S=Vw/Vv$

משקל יחסי

משקל יחסי של קרקע מוגדר כיחס בין צפיפות הקרקע המוצקה לצפיפות הנוזל בקרקע (הרוב מים), משקל יחסי של קרקע נע הרוב בין 2.6 (אדמה חולית) ל - 2.9.

$G_{s}=\gamma _{s}/\gamma _{w}$

צפיפות

צפיפות הקרקע מוגדרת כיחס בין משקל הקרקע לנפח שלה. הצפיפות מוגדרת ביחידות כמו גרם לסנטימטר מעוקב, או ק"ג למטר מעוקב. צפיפות הקרקע הטבעית נעה בין 1 ל 3 גרם לסמ"ק.

$\gamma =W/V$

זווית החיכוך הפנימית

ערימת חול. הזווית מהמישור לפיה מסתדר החול באופן טבעי, היא זווית החיכוך הפנימי של החול

זווית החיכוך הפנימית היא הזווית המקסימלית מהמישור שיוצרת ערימה של עפר תחוח. לכל סוג קרקע - זווית חיכוך פנימית משלו. זווית החיכוך הפנימית משמשת לחישוב העומסים האופקיים שמפעיל המשקל העצמי של הקרקע.

בדיקות קרקע

כדי לבצע תכנון דרכים או יסודות מבנים, יש צורך לדעת פרמטרים רבים לגבי הקרקע באזור הבניה. לצורך מציאת הפרמטרים הדרושים, יש לבצע שורה ארוכה של בדיקות קרקע מסוגים שונים. הבדיקות כוללות אפיון שכבות הקרקע באזור, מציאת עומק מי תהום, בדיקות של תכולת אוויר ותכולת רטיבות בקרקע, בדיקת חוזק לגזירה וחוזק ללחיצה ועוד. ככל שהמבנה המתוכנן הוא גדול יותר ומורכב יותר, כך הבחינות של הקרקע בסביבתו נדרשות להיות מדויקות ומפורטות יותר. דגימות של בדיקות אלו מבוצעות על ידי חפירת בורות או קידוח של הקרקע בשיטות שונות התלויות בשיקול הנדסי באזור הבנייה המתוכנן.

מיון קרקע

לצורך הגדרת קרקע וסיווגה, נלקחות דגימות קרקע עליהן מתבצעות בדיקות מעבדה שונות, שבסופן ניתן להגדיר את הקרקע לפי קבוצה מסוימת שלה יותאם התכנון ההנדסי של המבנה

במדינת ישראל משתמשים בעיקר במיון קרקע על פי השיטה של האגודה האמריקאית לכבישי מדינה ותעבורה (AASHTO). בשיטה זאת מעבירים את הקרקע המוצקה דרך מגדל מסננות המורכב ממספר מסננות שגודל רשת הסינון בהם הולך וקטן ככל שיורדים מטה במגדל. לאחר הסינון ניתן לדעת כמה קרקע מכל גודל יש במדגם, למשל אם יש בה יותר גרגירים דקים (חול) או סלעים.

התקן הישראלי העוסק במיון קרקעות הוא ת"י 253 של מכון התקנים הישראלי.

תהליך התכנון הגאומכני

ניתן לחלק את החישובים הגאומכניים לשני סוגים:

תכנון יסודות

נקודת המוצא של תכנון היסודות היא העומסים שמפעיל המבנה על הקרקע. לאחר קבלת העומסים האלו ממהנדס המבנה, יש צורך לאפיין את הקרקע, לבדוק את החוזק האופייני ועל פיו לקבוע את גודל היסודות הדרוש ואת שיטת הביסוס.

תכנון מבני תמך

מבנה תמך הוא מבנה שנועד להפעיל כוחות על הקרקע ולעצב אותה, כמו קיר תומך, קיר כובד, סוללה או סכר. כדי לבנות מבנה כזה, על המתכנן לבדוק קודם כל את הקרקע ולאפיין אותה מבחינת חוזק ותכונות מכניות אחרות כגון צפיפות או ספיגות ולפי הנתונים האלו הוא יכול לתכנן את הגודל הגאומטרי של מבנה התמך.

המאמצים בקרקע

בדיקות הקרקע מאפשרות לבצע אפיון לקרקע והאפיון הזה מאפשר למתכנן לקבוע מהם המאמצים המקסימליים שהקרקע יכולה לספוג בלי לשקוע או להיהרס. בעניין זה יש לציין כי לעיתים קרובות הקרקע מתחת לביסוס מתחלקת למספר רבדים שלכל אחד מהם תסבולת שונה. יש לבצע בדיקות הקרקע של כל רובדי הקרקע הרלוונטיים, כדי להגיע לאפיון קרקע מספיק לתכנון.

התפלגות המאמצים בקרקע

באופן כללי, התפלגות המאמצים בקרקע עקב הפעלת עומס מסוים היא פונקציה של המרחק ממקום הפעלת העומס. זאת אומרת ככל שהמרחק ממקום הפעלת העומס גדל, כן המאמץ פוחת. המודל התאורטי של התפלגות המאמצים בקרקע, תואר לראשונה על ידי החוקר הרוסי בוסינסק והדיאגרמה של קווי התפלגות המאמצים נקראת על שמו דיאגרמת בוסינסק. לפי מודל כזה ניתן לחשב את המאמץ בקרקע עקב עומסי היסודות של מבנה נתון ותכנן את גודל היסודות בהתאם.

התפלגות קווים שווי מאמץ מתחת ליסוד רדיאלי ע"פ בוסינסק

כשל קרקע

כשל קרקע במאמץ הוא מצב בו התפלגות המאמצים הנוספים עקב היסוד ועוד המאמצים בקרקע עקב משקלה העצמי ולחץ הידרוסטטי גדול מתסבולת הקרקע. כאשר נוצר מצב בו עומס היסודות הנתונים של המבנה גורם לכשל קרקע ניתן לתכנן מחדש את ביסוס המבנה או לחלופין להחליף את שכבת הקרקע הבעייתית.

ראו גם

• סוללה
• קיר תומך
• השפלת מי תהום