גאומכניקה

למושגי יסוד נוספים בנושא גאולוגיה, ראו פורטל הגאולוגיה

קיר תומך מבטון מזוין

קיר כובד מבטון

גאומכניקה - מדע הנדסי העוסק בהתנהגות הפיזיקאלית של אדמה וסלעים. הגאומכניקה עוסקת בסיווג קרקעות על פי תכונתיהן המכניות כדוגמת חוזק, גמישות, יכולת ספיגת מים , משקל סגולי וחדירות.השימוש העיקרי בגאומכניקה הוא אפיון של יחסי הגומלין בין הקרקע והסלע הטבעיים לבין מבנים מלאכותיים ,כגון ביניינים , סכרים וגשרים וזאת כדי לתכנן את המבנים באופן שיתאימו להתמודד עם העומסים העשויים להיות מופעלים על ידי הקרקע.

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 לסנות 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.

מיון קרקע

עיקר עיניינה של הגאומכניקה הוא מתן אינפרמציה לגבי סוג הביסוס הדרוש לכבישים או לבניינים . לצורך הגדרת מערכת הביסוס הנדרשת מחלקת הגאומכניקה את הקרקע למספר קבוצות עיקריות:

1. סלע רציף
2. סלע סדוק או מפורר
3. קרקעות גרעיניות
4. קרקעות טיניות
5. קרקעות חרסיתיות או ביולוגיות

לצורך הגדרת קרקע וסיווגה , נלקחות דגימות קרקע עליהן מתבצעות בדיקות מעבדה שונות, שבסופן ניתן להגדיר את הקרקע לפי קבוצה מסוימת ואז ניתן לתכנן את הביסוס המתאים לבמבנה המתוכנן.

בארץ משתמשים בעיקר במיון קרקע על פי שיטת AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials - האגודה האמריקאית לכבישי מדינה ותעבורה). בשיטה מעבירים את הקרקע דרך מסננות בעלות גודל חורים הולך וקטן וכל פעם בודקים את משקל הקרקע שעובר את המסננת לעומת המשקל שנשאר מעליה. בדרך זו ניתן לראות מהם הגדלים השונים של הגרגירים בקרקע ומה היחס בין כמויות של קבוצות הגרגירים השונות.

סלע רציף

נחשב לקרקע ביסוס טובה ויכול לשאת את העומסים של מרבית המבנים ללא צורך בפיתרונות ביסוס מיוחדים.

סלע סדוק

נחשב לקרקע ביסוס בעייתית בגלל שכיחות של בקעים, מערות וכיסי אדמה. ניתן לבסס עליו מבנים אחרי שנבדקת יציבות הסלע ואחרי בניית יסודות מקושרים יציבים שימנעו את תזוזת המבנים , עקב תזוזות סדקים בסלע.

קרקע גרעינית

דוגמה לקרקע כזו היא חול ים או חלוקי נחל. קרקע זו היא הקרקע האידאלית לבנייה , כיוון שהיא בעלת חוזק מכני רב ואינה אוגרת מים. מבנים על קרקע גרעינית דורשים השקעה מועטה ביותר בבניית יסודות.

קרקע טינית

הטין דומה לחול דק מאוד שגרגיריו מורכבים מתחמוצות של מתכות קלות. הוא מצוי בעיקר באגני שקיעה של נחלים ואינו מתאים לביסוס.

קרקע חרסיתית

קרקע זו עשויה מחלקיקים זעירים עד כדי שאינם ניתנים לזיהוי נפרד. בדרך כלל הקרקע החרסיתית נראית כחומר רציף ומתפורר. דוגמאות לקרקע כזו הן אדמת החמרה המשמשת לחקלאות ואדמת הלס המצויה בעיקר בצפון הנגב. הקרקע החרסיתית אינה מסוגלת לשאת עומסים ועשויה לשנות את נפחה ואת מקומה לאחר שהיא נרטבת. מסיבות אלו לא ניתן לבצע עליה כל ביסוס. כאשר בונים מעל אדמה חרסיתית , משתמשים בביסוס כלונסאות ארוכים, החודרים את החרסית עד הגיעם לשכבה יציבה ובמקרים קיצוניים אף מבצעים החלפת קרקע מתחת למבנה בעומק מספר מטרים.

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 ותסבולת ללחיצה ועוד. ככל שהמבנה המתוכנן הינו גדול יותר ומורכב יותר, כך הבחינות של הקרקע בסביבתו נדרשות להיות מדויקות ומפורטות יותר. אלו הם מספר סוגים של בדיקות קרקע המצויים בשימוש נפוץ בגאומכניקה.

בורות בדיקה

חפירת בורות באזור המתוכנן לבניה מספקים אינפורמציה על שכבות הקרקע המקומיות ועל מפלס מי התהום.

קידוחי קרקע

קידוחי קרקע, נפוצים היום יותר מאשר בורות בדיקה, כיוון שהם דורשים שטח קטן יותר ומגיעים לעומק גדול יותר ולכן מספקים מידע רב יותר על מבנה שכבות הקרקע. הקידוח מתבצע על ידי מכונת קידוח מיוחדת, שבדרך כלל נישאת על ידי משאית.

עמיסות בדיקה

ניתן להעמיס משקולות על קטע אדמה באזור המתוכנן לבניה כדי להעריך את השקיעה בקרקע עקב עומס ידוע.

תכונות הקרקע

התוצאות של בדיקות הקרקע מתורגמות לפרמטרים הנדסיים-פיזיקאליים המאפשרים לאבחן את הקרקע הנבדקת מבחינה גאומכנית. הפרמטרים האלו ייחודיים לגאומכניקה ומהווים את הבסיס לתכנון ההנדסי של היסודות או של מבני התמך. להלן פירוט התכונות ההנדסיות של הקרקע.

מנת החללים

דיאגרמת נפח ומשקל בקרקע. מנת החללים מצוינת ב Vv

מנת החללים היא חלק מהנפח הכולל של הקרקע שאינו מלא בחומר ויכול להכיל הן מים והן אוויר.מכונה גם נקבוביות ובדרך כלל נמדדת באחוזים. מנת החללים בקרקע מסוג חרסית היא בין 24 ל40 אחוזים.
מנת החללים מוגדרת בגאומכניקה בסימן Vv כלומר הנפח (באנגלית : volume) שתופסים החללים (באנגלית: void )

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.

מנת רטיבות

מנת רטיבות היא החלק היחסי מתוך נפח הקרקע המכיל מים. בקרקע מוצפת תהיה מנת הרטיבות שווה למנת החללים ואילו בקרקע מיובשת בתנור , לא תהיה מנת רטיבות כלל. מנת הרטיבות מוגדרת בגאומכניקה בסימן Vw כלומר הנפח (באנגלית : volume) שתופסים המים (באנגלית: water )

מנת מוצקים

מסומנת כ Vs והיא מייצגת את החלק בקרקע שמורכב מחומר מוצק. חישוב מנת המוצקים נעשה בדרך כלל על דרך השלילה, כלומר מודדים את נפח הנוזלים והחללים ומפחיתים אותו מהנפח הכולל.

זווית החיכוך הפנימית

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

זווית החיכך 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.

המאמצים בקרקע

בדיקות הקרקע מאפשרות לבצע אפיון לקרקע והאפיון הזה מאפשר למתכנן לקבוע מהם המאמצים המקסימליים שהקרקע יכולה לספוג בלי לשקוע או לההרס. בעניין זה יש לציין כי לעתים קרובות הקרקע מתחת לביסוס מתחלקת למספר ובדים שלכל אחד מהם תסבולת שונה. יש לבצע בדיקות הקרקע של כל רובדי הקרקע הרלוונטיים, כדי להגיע לאיפייון 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