גאומכניקה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
קיר תומך מבטון מזוין
קיר כובד מבטון

גאומכניקה היא מדע הנדסי העוסק בהתנהגות הפיזיקלית של קרקעות וסלעים. הגאומכניקה עוסקת בסיווג קרקעות על פי תכונתיהן המכניות, דוגמת חוזק, גמישות, יכולת ספיגת מים, משקל סגולי וחדירות. השימוש העיקרי בגאומכניקה הוא 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.

תהליך התכנון הגאומכני[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן לחלק את החישובים הגאומכניים לשני סוגים:

תכנון יסודות[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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.

מיון קרקע[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 או קרקעות גרנולריות
  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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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

סלע סדוק[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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

קרקע חרסיתית[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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

קידוחי קרקע[עריכת קוד מקור | עריכה]

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.

ישנם סוגים שונים של קידוחי בדיקה:

  • קידוחי גלעין: קידוח מסוג זה יתבצע בסלע קשה או קרקע חרסיתית קשה. הקידוח יבוצע בעזרת מקדח גלילי פתוח אשר קוטרו נע בין 0.3-0.5 אינץ' ואורכו מטרים ספורים. סיבוב המקדח תוכן את הקרקע מסביבו ומאפשר הוצאת מידגמי קרקע/סלע רציפים ואותם שולחים לבדיקות מעבדה.
  • תעלות מחקר: יעילות במיוחד בקרקעות בהן ניתן לחפור יחסית בקלות. בדיקה זו מוגבלת עד לעומק של מטרים ספורים וממנה ניתן להוציא דגימות קרקע לבדיקות במעבדה ואינפורמציה על מבנה הקרקע באתר עצמו.

עמיסות בדיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

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

תכונות הקרקע[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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.[1]
מנת החללים מוגדרת בגאומכניקה בסימן Vv כלומר הנפח (באנגלית : volume) שתופסים החללים (באנגלית: void )

צפיפות[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ מדריך לאינג'נר בנאות חלק ב' בעריכת שלמה אטינגן הוצאת "מסדה" 1957