مکانیک خاک زیر مجموعه مهندسی ژئوتکنیک است و شامل کاربرد مکانیک خاک،زمین شناسی و هیدرولیک برای تحلیل و طراحی سیستم های ژئوتکنیکی نظیر سدها، خاک ریزها، تونل ها، کانال ها، آبراه ها، پی پل ها، جاده ها، ساختمان ها و سیستم های دفن مواد زائد جامد می باشد. در هر کاربرد مکانیک خاک به علت تغییر خاک ها تغییر لایه های آنها، ترکیبات آنها و خواص مهندسی، عدم اطمینان وجود دارد. لذا مکانیک مهندسی می تواند فقط بخشی از جواب ها را برای مسائل خاک بدهد. تجربه و محاسبات تقریبی برای کاربرد موفق مکانیک خاک در مسائل عملی بسیار اساسی می باشد. [۱]

پایداری و اقتصاد دو باور اساسی طراحی مهندسی هستند. در مهندسی ژئوتکنیک، عدم اطمینان از رفتار خاک ها، عدم اطمینان از بارهای وارده و موارد غیر معمول در نیروهای طبیعی، ما را به طرف انتخاب از بین تحلیل های پیچیده به تحلیل های ساده یا روش های تقریبی سوق می دهد. [۱]
۳
بارهای ناشی از یک ساختمان از طریق پی، به خاک منتقل می گردد. خود پی سازه ای است که اغلب از بتن، فولاد یا چوب ساخته می شود. پی باید دو شرط زیر را برای پایداری داشته باشد:
پی نباید فرو بریزد یا زیر هر بارگذاری قابل تصور ناپایدار شود.
نشت سازه باید در داخل محدوده مجاز باشد.
معمولاً از روش تعادل حدی برای یافتن جواب انواع مسائل از جمله ظرفیت باربری پی ها، پایداری دیوارهای حایل و شیب ها استفاده می کنند. [۱]
۱-۲بیان مسأله
یکی از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک تعیین ظرفیت باربری پی ها برای شرایط مختلف لایه های زیر پی می باشد. ظرفیت باربری خاک مقدار تنش تماسی میانگین بین خاک و شالوده است که به گسیختگی برشی خاک منجر می شود. تنش باربری مجاز مقدار ظرفیت باربری است که به وسیله ضریب اطمینان کاسته شده است. بعضی مواقع در محل‌هایی با خاک نرم، خاک زیر شالوده می‌تواند نشست‌های زیاد بدون گسیختگی برشی حقیقی داشته باشد. در بعضی موارد، تنش باربری مجاز با توجه به حداکثر نشست مجاز محاسبه می‌شود. [۱]
تعیین ظرفیت باربری خاک زیر پی ها از دیر باز مورد توجه پژوهشگران و طراحان حوزه ژئوتکنیک قرار داشته است و به همین علت طرح آن به عنوان یک مسئله جدید تلقی نمی شود اما کاربرد روش های جدید محاسباتی و آزمایش مدلهای پیشنهادی برای خاک و پیشرفت رایانه ها، دیدگاه های جدیدی را در حوزه این موضوع مطرح می سازد که تلاش های جدید را در این زمینه توجیه می نماید.
۴
ظرفیت باربری نهایی پی تابع مقاومت برشی خاک می باشد که توسط ترزاقی، مایرهوف، وسیک و دیگران با بهره گرفتن از روش های مختلف تخمین زده شده است. اخیراً، برای جلوگیری از صرف زمان و هزینه بسیار زیاد و انجام آزمایشات متعدد، گرایش به سمت ابزارهای کامپیوتری که مشابه با سیستم بیولوژیکی (شبه بیولوژیکی) باشند افزایش یافته است.
یکی از اساسی‌ترین مسائل مکانیک خاک حساب‌کردن ضریب اطمینان در مقابل گسیختگی نهایی یک توده ی خاک می‌باشد که در مهندسی پی منجر به تعیین ظرفیت باربری نهایی پی می‌شود. براساس قضایای حالات حدی جواب دقیق هنگامی به دست می‌آید که جواب حد بالا و حد پایین یکسان باشند. برای پایدارکردن حد پایین، یک میدان تنش صحیح که در هیچ نقطه از محدوده ی مسئله معیار تسلیم را نقض ننماید در نظر گرفته می‌شود و براساس آن ظرفیت نهایی محاسبه می‌گردد. حال آنکه، برای پیداکردن حد بالا مکانیزمی قابل قبول برای گسیختگی فرض گردیده و جواب مربوطه با بهره گرفتن از تساوی کار نیروهای داخلی و خارجی تعیین می‌گردد.[۴]
۱-۳ ضرورت و اهمیت موضوع
ظرفیت باربری مجاز یا ظرفیت باربری مطمئن عبارت از فشاری مجازی است که محدوده اطمینانی را در برابر فروریختگی ناشی از گسیختگی برشی برای ساختمان تأمین می کند و معمولاً ظرفیت باربری مجاز کسری ازظرفیت باربری نهایی خالص می باشدکه باربری نهایی خالص نیزحداکثر فشاری است که خاک می تواند علاوه بر فشار حاصل از لایه های فوقانی تحمل کند.[۱] با این توصیف، مبنای اصلی احداث بنا، تعیین دقیق
۵
ظرفیت باربری خاک بوده و باید بطور دقیق مشخص گردد که نوع و میزان مصالح و همچنین نحوه ادامه کار و… برای احداث بنا مشخص گردد.
۱-۴ هدف تحقیق
با توجه به اهمیتی که ظرفیت باربری خاک در احداث هر سازه ایی دارد، تعیین دقیق آن امری اجتناب ناپذیر می باشد و هدف اصلی تحقیق فوق، پیش بینی مکانی ظرفیت باربری خاک به کمک شبکه های عصبی مصنوعی می باشد. و هدف از استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی برای تعیین ظرفیت باربری می تواند، کاهش هزینه ها و کاهش مدت زمان تعیین دقیق ظرفیت باربری و … باشد .
۱-۵ سوال اصلی
آیا با بهره گرفتن از شبکه های عصبی مصنوعی می توان در موقعیت مکانی مشخص ظرفیت باربری خاک را تعیین نمود؟
تا چه اندازه می توان به جوابهای حاصل از شبکه های عصبی مصنوعی در تعیین ظرفیت باربری خاک اطمینان نمود؟
۱-۶ فرضیات پژوهش
پیش بینی مکانی ظرفیت باربری خاک به کمک شبکه های عصبی مصنوعی با دقت بسیار بالایی امکان پذیر می باشد.
با افزایش داده های ورودی (نتایج آزمایشات ژئوتکنیک صورت گرفته) می توان درجه اطمینان به شبکه عصبی طراحی شده را بالاتر برد.
۶
۱-۷ متغیرها
متغیرهای مستقل این مدل سازی شامل مختصات جغرافیایی وعرض پی می باشند. که از بانک اطلاعاتی سازمان نظام مهندسی ساختمان شهرآذرشهر تهیه گردیده است.
متغییر وابسته ظرفیت باربری مجاز بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع است که توسط مدل های شبکه عصبی مصنوعی که در نرم افزار Matlab طراحی خواهند شد، برآورد می گردد.
شکل ۱-۱ محدوده شهری شهرآذرشهر و شکل ۱-۲ موقعیت قرار گیری شهرستان آذرشهر را نمایش می دهد.
۷
شکل ۱-۱ : محدوده شهری مورد مطالعه، شهر آذرشهر
۸
شکل ۱-۲ : موقعیت قرار گیری شهرستان آذرشهر
۹
۱-۸ روش تحقیق
در مدل های آماری و دینامیکی سعی بر آن است که با ایجاد یک رابطه ریاضی، ارتباط بین اطلاعات مفروض به نام ورودی و اطلاعات دیگر یعنی خروجی، بیان شود. در این روابط صریح ریاضی، محدودیتی وجود دارد که یک مدل دینامیکی صریح، اگر بخواهد از دقت بالایی برخوردار باشد، باید پارامترهای ورودی آن زیاد باشد و یا برد زمانی پیش بینی آن کم گردد. اما در شبکه عصبی مصنوعی با پردازش غیرخطی اطلاعات به روش خودسازماندهی در عملیاتی موازی در تعداد زیادی از سلول های عصبی ارتباط بین اطلاعات ورودی و خروجی در سطح بالایی شبیه سازی می شود و بدون ساختن و یا ایجاد رابطه صریح می تواند با آموزشی که دیده است رفتار سیستم را پیش بینی کند. شبکه عصبی مصنوعی به عنوان ابزار بسیار قوی برای پیش بینی یا مسائلی که آنالیز آنها زمان بر و پیچیده است مورد استفاده قرار می گیرد.
در این مطالعه ابتدا شبیه سازی به روش شبکه عصبی مصنوعی برای پیش بینی مکانی ظرفیت باربری به کمک نرم افزار Matlab ارائه شده و نتایج حاصل با نتایج آزمایشات موجود مورد ارزیابی قرار گرفته است.
۱۰
فصل دوم
مبانی نظری و
پیشینه تحقیق
۲-۱ مقدمه
تعیین ظرفیت باربری خاک بدلیل اهمیت آن در طراحی سازه ها اجتناب ناپذیر بوده و با توجه به روش های مرسوم قدیمی یعنی حفر گمانه، نمونه برداری، انجام آزمایشات متعدد(درجا و آزمایشگاهی) و … علی رغم زمان بر بودن مراحل، پر هزینه هم می باشند. شبکه های عصبی مصنوعی اخیراً به طور وسیعی در زمینه های مختلف مهندسی مورد توجه قرار گرفته و نتایج مفیدی را نیز به همراه داشته اند. از خصوصیات جذاب شبکه های عصبی، توانایی آن ها در برقراری ارتباط میان ورودی ها و خروجی های یک فرایند، بدون آگاهی کامل از فیزیک آن مسأله می باشد.
۲-۲ تاریخچه
اطلاعات مربوط به نوع خاک و علی الخصوص ظرفیت باربری خاک و نوع پی برای احداث بنا بسیار لازم و ضروری است. این اطلاعات برای تعیین نوع مواد مصرفی در احداث بنا، و ساخت بنایی مستحکم واقتصادی و … بسیار با ارزش می باشد.
در پیش بینی ها، بالا بودن درصد قابلیت اطمینان تأثیر زیادی در نحوه و استفاده از نتایج دارد. لذا
۱۲
برای بالا بردن در صد قابلیت اطمینان نتایج می توان از پارامترهای ورودی (مثلاً مختصات جغرافیایی، عمق گمانه ها، نوع خاک منطقه در پیش بینی مکانی ظرفیت باربری ) و روش های جدید پردازش اطلاعات (شبکه های عصبی مصنوعی ) استفاده کرد.
شبکه عصبی مصنوعی به عنوان ابزاری بسیار قوی برای پیش بینی یا مسائلی که آنالیز آنها زمان بر و پیچیده است مورد استفاده قرار می گیرد. شبکه های عصبی در مسائل بهینه سازی پایداری شیروانی ها، روند یابی سیلاب و … کاربرد دارند.