A Calculation Model for the Loess Collapse Coefficient Considering Progressive Wetting, Dry Density, and Applied Vertical Pressure Calculation Model for Moisture-Induced Collapse of Loess Considering Three Factors: Overburden Pressure, Water Content and Density

في المناظر الطبيعية القاحلة وشبه القاحلة في شمال وشمال غرب الصين، تغطي مساحة شاسعة من الأرض ذات اللون البني المصفر تُعرف باسم "اللويس" (loess) ما يقرب من 6.6 بالمائة من أراضي البلاد. هذه التربة، التي تشكلت بفعل الغبار الذي حركته الرياح على مدى آلاف السنين، تمتلك طبيعة فريدة وهشة. ففي حالتها الطبيعية الجافة، تتماسك الجسيمات ببعضها عبر روابط ضعيفة، مما يخلق بنية مليئة بالمسام الصغيرة المفتوحة تشبه إسفنجة مصنوعة من الغبار. هذه البنية هي حالة "شبه مستقرة"، مما يعني أنها تحافظ على شكلها طالما ظلت جافة. ومع ذلك، عندما تتسرب المياه إلى هذه التربة بينما هي تحت ثقل المباني أو الأرض فوقها، تذوب تلك الروابط الضعيفة؛ فتنهار بنية التربة فجأة، وتُعيد الجسيمات ترتيب نفسها في تكوين أكثر كثافة، وتغور الأرض. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "الانهيار الناجم عن البلل"، تشكل تهديداً كبيراً للبنية التحتية، حيث تسبب هبوطاً غير متساوٍ للقواعد، وتعرج الطرق، وفشل المنحدرات. ولطالما سعى المهندسون لإيجاد طريقة للتنبؤ بدقة بمدى مقدار الهبوط الذي ستتعرض له بقعة معينة من هذه التربة عند تعرضها للبلل، لكن الإجابة ظلت عصية على الفهم لأن سلوك التربة يعتمد على مزيج معقد من العوامل: مدى رطوبتها الحالية، ومدى إحكام تراص الجسيمات، ومقدار الضغط الواقع عليها.

قام فريق من الباحثين من جامعة "شي جينغ" وجامعة "شانغ لوو" بوضع خطة لفك تشابك هذه العوامل المتفاعلة من خلال دراسة تربة "اللويس" من منطقة "إيلي" في شينجيانغ. بدأوا بجمع عينات من التربة من أعماق تتراوح بين 8 و15 متراً، وهي منطقة غالباً ما تتعرض لثقل عمليات البناء المستقبلية. وفي المختبر، أعادوا محاكاة الظروف التي قد تواجهها تربة "اللويس" في العالم الحقيقي؛ حيث أخذوا التربة الجافة، وسحقوها لتصبح مسحوقاً متجانساً، ثم خلطوها بعناً مع كميات دقيقة من الماء لإنشاء عينات بمستويات متفاوتة من الرطوبة. بعد ذلك، قاموا بضغط هذه الخلطات داخل حلقات لتحقيق كثافات مختلفة، تتراوح من التربة المفككة والهوائية إلى التربة المتراصة والثقيلة. وبمجرد تجهيز هذه العينات، وُضعت تحت سلسلة من الضغوط الرأسية المتزايدة، لمحاكاة وزن مبنى أو الأرض التي تعلوها، بدءاً من 50 كيلوباسكال وصولاً إلى ضغط كبير يبلغ 2000 كيلوباسكال.

جاءت اللحظة الحاسمة في تجربتهم عندما أغرقوا هذه العينات المضغوطة بالماء. ومع تشبع الماء بالعينات، قاس الباحثون بدقة مقدار انكماش التربة. ووجدوا أن مقدار الهبوط، أو "معامل الانهيار"، لم يتبع نمطاً مستقيماً بسيطاً، بل كان رد فعل التربة عبارة عن "رقصة ديناميكية" من السبب والنتيجة. فعندما كانت التربة جافة جداً، تسبب إضافة القليل من الماء في انهيار دراماتيكي. ومع زيادة المحتوى المائي الأولي، أصبحت التربة أقل حساسية لمزيد من البلل، وانخفض مقدار الهبوط الإضافي. وبالمثل، لعبت كثافة التربة دوراً حاسماً؛ فالتربة الأكثر تفككاً والتي تحتوي على مساحات فارغة أكبر بين الجسيمات انهارت بشكل أعنف بكثير من التربة التي تم ضغطها بإحكام بالفعل.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة كان كيفية تفاعل التربة مع الضغط الواقع عليها. لاحظ الباحثون أن الانهيار لم يزد ببساطة مع زيادة الضغط، بل إن ميل التربة للانهيار ارتفع مع زيادة الضغط حتى وصل إلى نقطة معينة، ثم بلغ ذروته، وبدأ بعد ذلك في الانخفاض أو الاستقرار عند الضغوط الأعلى. وهذا يعني أن طبقة من التربة قد تكون عرضة بشدة للهبوط تحت حمل متوسط، ولكنها تكون أقل عرضة لذلك تحت حمل ثقيل جداً، وهو تفصيل دقيق غالباً ما تغفله النماذج البسيطة. وأدرك الفريق أنه للتنبؤ بهذا السلوك بدقة، لا يمكنهم النظر في محتوى الماء والكثافة والضغط كعوامل معزولة، بل يجب عليهم فهم كيفية عمل هذه العوامل الثلاثة معاً كنظام واحد مترابط.

ولاستيعاب هذا التعقيد، طور الباحثون نموذج حسابي جديد. فقد ترجموا قياساتهم الفيزيائية إلى مجموعة من العلاقات التي تصف كيف يتغير معامل الانهيار مع انتقال التربة من حالة جافة مفككة نحو حالة أكثر رطوبة وكثافة. كما استحدثوا طريقة لقياس "معامل البلل"، الذي يتتبع مدى تقدم التربة من حالتها الجافة الأولية نحو التشبع الكامل. ومن خلال اختبار نموذجهم مقابل جميع بياناتهم المختبرية، وجدوا أنه يمكنه التنبؤ بسلوك الانهيار بدرجة عالية من الدقة، حيث نجح في رصد الصعود والهبوط غير الخطي لمعامل الانهيار مع تغير الضغط. وأظهر النموذج أنه كلما زاد تشبع التربة، تناقصت إمكانية الانهيار المتبقية باستمرار، وهو اتجاه ظل ثابتاً عبر مختلف الكثافات التي اختبروها.

جاء الاختبار الحقيقي لهذا النموذج عندما طبقه الباحثون على سيناريو من العالم الحقيقي. فقد أخذوا بيانات من تجربة ميدانية ضخمة أجريت في منطقة "إيلي"، حيث تم إغراق طبقة من "اللويس" بسمك 30 متراً لقياس إجمالي هبوط وزنها الذاتي. وباستخدام نموذجهم الجديد، قاموا بحساب الهبوط المتوقع لكل متر من عمود التربة هذا، طبقة تلو أخرى، بناءً على المحتوى المائي الطبيعي والكثافة الموجودة في كل عمق. وكانت النتيجة هي هبوط إجمالي متوقع قدره 3330.71 ملم. وعندما قارنوا هذه النتيجة بالهبوط الفعلي المقاس من الاختبار الميداني، والذي بلغ 3520 ملم، وجدوا أن الفرق ضئيل للغاية، حيث بلغت نسبة الخطأ النسبي 5.38 بالمائة فقط. وقد أثبت هذا التطابق الوثيق أن النموذج يمكنه بفعالية تحويل خصائص التربة البسيطة والقابلة للقياس إلى تنبؤ موثوق بمدى مقدار هبوط الأساسات.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما تم ضبط هذا النموذج خصيصاً لتربة منطقة "إيلي"، إلا أنه يوفر إطاراً قوياً لفهم ميكانيكا الانهيار الناجم عن البلل. فهو يتجاوز فكرة أن سلوك التربة محكوم بعامل واحد، ليظهر بدلاً من ذلك أن التفاعل بين الرطوبة، وبنية المسام، والضغط يخلق استجابة معقدة ولكنها قابلة للتنبؤ. ومن خلال مراعاة الطبيعة التدريجية للبلل، يقدم النموذج للمهندسين أداة لتقدير مخاطر فشل الأساسات بدقة أكبر، مما قد يمنع حالات الهبوط غير المتساوي المكلفة والخطيرة التي تعاني منها المنشآت المبنية على هذه الأرض الهشة. ويؤكد العمل أنه مع النهج الرياضي الصحيح، يمكن قياس عدم الاستقرار الخفي لتربة "اللويس"، وتحويل هذا الخطر الجيولوجي إلى تحدٍ هندسي يمكن إدارته.