גאולוגיה הנדסית

גאולוגיה הנדסית (באנגלית: Engineering geology) היא היישום של גאולוגיה בלימודי הנדסה, במטרה להבטיח כי הגורמים הגאולוגיים הנוגעים למיקום, תכנון, בנייה, תפעול ותחזוקה של עבודות הנדסיות, מזוהים ומתחשבים בהם. גאולוגים הנדסיים מספקים המלצות גאולוגיות וגיאוטכניות, ניתוחים ותכנון הקשורים להתפתחות אנושית ולסוגים שונים של מבנים. התחום הגאולוגי הנדסי הוא בעיקרו באינטראקציות שבין קרקע למבנים, או חקירת האופן שבו כדור הארץ או תהליכים בכדור הארץ, משפיעים על מבנים מעשה ידי אדם ועל פעילויות אנושיות. מחקרי גאולוגיה הנדסית עשויים להתבצע במהלך שלבי התכנון, ניתוח ההשפעה הסביבתית, תכנון הנדסי אזרחי או מבני, הנדסת ערך ובנייה של פרויקטים ציבוריים ופרטיים, ובמהלך שלבי ה"פוסט-בנייה" ו"פורנזיקה" של פרויקטים. עבודות שמבוצעות על ידי גאולוגים הנדסיים כוללות; הערכת סיכונים גאולוגיים, הערכת תכונות חומריות, יציבות מפולות ומדרונות, סחף, הצפות, סחיפה בדיקות סייסמיות וכיוצא באלה. מחקרי גאולוגיה הנדסית מבוצעים על ידי גאולוג או גאולוג הנדסי בעל השכלה, הכשרה וניסיון הקשור לזיהוי ופירוש של תהליכים טבעיים, הבנה של האופן שבו תהליכים אלה משפיעים על מבנים מעשה ידי אדם (ולהפך), וידע בשיטות להפחתת סיכונים הנובעים מתנאים טבעיים או מעשה ידי אדם רשלניים. המטרה העיקרית של גאולוג הנדסי היא הגנה על חיים ורכוש מפני נזקים הנגרמים על ידי תנאים גאולוגיים שונים.

העיסוק בגאולוגיה הנדסית קשור קשר הדוק גם לעיסוק בהנדסה גאולוגית  ולהנדסה גיאוטכנית . אם יש הבדל בתוכן התחומים, הוא טמון בעיקר בהכשרה או בניסיון של העוסק.

 היסטוריה 
אף על פי שחקר הגאולוגיה בצורתו המודרנית קיים כבר מאות שנים, המדע והפרקטיקה של גאולוגיה הנדסית החלו כדיסציפלינה מוכרת רק בסוף המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20. הספר הראשון שכותרתו "גאולוגיה הנדסית" פורסם בשנת 1880 על ידי ויליאם פנינג. בתחילת המאה ה-20, צ'ארלס פיטר ברקי , גאולוג אמריקאי שהוכשר ונחשב לגאולוג ההנדסי האמריקאי הראשון, עבד על מספר פרויקטים של אספקת מים עבור העיר ניו יורק, ולאחר מכן עבד על סכר הובר ועל מגוון רחב של פרויקטים הנדסיים אחרים. ספר הלימוד האמריקאי הראשון בגאולוגיה הנדסית נכתב בשנת 1914 על ידי היינריך רייס ותומאס ווטסון. בשנת 1921, רג'ינלד וו. ברוק , הדיקן הראשון למדעים יישומיים באוניברסיטת קולומביה הבריטית, החל את תוכניות התואר הראשון והשני בהנדסה גאולוגית, וציין כי סטודנטים בעלי בסיס הנדסי הופכים לגאולוגים מן המניין. בשנת 1925, קרל טרזאגי , מהנדס וגאולוג אוסטרי, פרסם את הטקסט הראשון בספר "מכניקת קרקע" (בגרמנית). טרזאגי ידוע כמקור לתחום מכניקת הקרקע, אך גילה גם עניין רב בגאולוגיה; טרזאגי ראה במכניקת קרקע תת-תחום של גאולוגיה הנדסית. בשנת 1929, טרזאגי, יחד עם רדליך וקמפה, פרסמו טקסט משלהם בנושא גאולוגיה הנדסית (גם הוא בגרמנית). הצורך בגאולוגים לעבודות הנדסיות זכה לתשומת לב עולמית בשנת 1928 עם קריסת סכר סנט פרנסיס  בקליפורניה ומותם של 426 בני אדם. כשלים הנדסיים נוספים שאירעו בשנים שלאחר מכן הובילו גם הם לצורך בגאולוגים הנדסיים לעבודה על פרויקטים הנדסיים גדולים. בשנת 1951, אחת ההגדרות המוקדמות ביותר של "גאולוג הנדסי" או "גאולוג הנדסי מקצועי" סופקה על ידי הוועד המנהל של החטיבה לגאולוגיה הנדסית של האגודה הגאולוגית של אמריקה .

 הלכה למעשה 
ממוזער|קרקע מזוינת בגביונים התומכים בכביש רב-נתיבי, סווטי רוק, קרואטיה - מכניקת סלע .
אחד התפקידים החשובים ביותר של גאולוג הנדסי הוא פירוש צורות נוף ותהליכי קרקע, כדי לזהות מפגעים גאולוגיים פוטנציאליים ומפגעים מעשה ידי אדם, אשר עלולים להשפיע רבות על מבנים אזרחיים ופיתוח אנושי. הרקע בגאולוגיה מספק לגאולוג ההנדסי הבנה של אופן פעולת כדור הארץ, דבר חיוני למזעור מפגעים הקשורים לתהליכים בכדור הארץ. לרוב הגאולוגים ההנדסיים יש גם תארים מתקדמים בהם הם צברו השכלה והכשרה מיוחדים במכניקת קרקע , מכניקת סלעים , גיאוטכניקה, מי תהום, הידרולוגיה ותכנון אזרחי. שני היבטים אלה של השכלתם של הגאולוגים ההנדסיים מספקים להם יכולת ייחודית להבין ולמתן מפגעים הקשורים לאינטראקציות בין קרקע למבנה.

 מיקוד הבדיקות והמחקרים 
הבדיקות והמחקרים בגאולוגיה הנדסית יתמקדו בעיקר בתחומים הבאים:
 פיתוח למגורים, מסחר ותעשייה.
 פיתוח מתקנים ממשלתיים וצבאיים.
 עבודות ציבוריות כגון מערכות ניקוז מי סערה, תחנות כוח, טורבינות רוח, קווי תמסורת, מתקני טיהור שפכים, מתקני טיהור מים, צינורות (אמת מים, ביוב, נגר עילי), מנהרות, בנייה ללא חפירה, תעלות, סכרים, מאגרים, יסודות מבנים, מסילות ברזל, תחבורה ציבורית, כבישים מהירים, גשרים, שיפוץ סייסמי, שדות תעופה ופארקים.
 פיתוח מכרות ומחצבות, שיקום מכרות ומינהור מכרות.
 שיקום ביצות ובתי גידול.
 פיתוח אתרים ממשלתיים לשיקום פסולת מסוכנת.
 הנדסת חופים, ייצוב צוקים, פיתוח נמלים ומזחים לשפכים ימיים, פלטפורמות קידוח וצינורות תת-ימיים, והנחת כבלים תת-ימיים.

 סכנות גאולוגיות ותנאים גאולוגיים קשים 
סכנות גאולוגיות אופייניות או תנאים שליליים אחרים המוערכים ומוקלים על ידי גאולוג הנדסי כולליםHighland, L.M., and Bobrowsky, Peter, 2008, The landslide handbook— A guide to understanding landslides: Reston, Virginia, U.S. Geological Survey Circular 1325, 129 p.:
 קריעת העתק (התרחשות רעידת אדמה) בהעתקים פעילים סייסמית.
 סכנות סייסמיות ורעידות אדמה (רעידות קרקע, התנזלות קרקע, תנודות קרקע חזקות, התפשטות רוחבית, צונאמי ואירועי סייש).
 ממוזער|צוקים - תוצרי סחיפה בחופים.סכנות של מפולות, מפולות בוץ, מפולת סלעים , זרימת פסולת  ומפולות שלגים.
 שיפועים ויציבות מדרונות לא יציבים .
 ארוזיה וסחיפה.
 התרופפות והתרוממות של תצורות גאולוגיות, כגון התרוממות כפור .
 שקיעת קרקע (כגון עקב נסיגת מי תהום, קריסת בולען, קריסת מערות, פירוק קרקעות אורגניות ותנועה טקטונית).
 סכנות געשיות (התפרצויות געשיות, מעיינות חמים, זרימות פירוקלסטיות, זרימת פסולת , מפולת פסולת, פליטות גז געשי, רעידות אדמה געשיות).
 סלע שאינו ניתן לקריסה או שניתן לקריסה שולית הדורש קריעה או פיצוץ כבדים.
 קרקעות חלשות ומתמוטטות, כשלים במסבי יסודות.
 מי תהום רדודים/חלחול.
 סוגים אחרים של אילוצים גאולוגיים.
ייתכן שיידרש גאולוג הנדסי או גיאופיזיקאי להעריך את יכולת החפירה (כלומר, יכולת הקריעה) של חומרי אדמה (סלע) כדי להעריך את הצורך בפיצוץ מקדים במהלך בניית עבודות עפר, כמו גם את ההשפעות הנלוות עקב רעידות במהלך פיצוץ בפרויקטים.
ממוזער|סנדהוג בעיר ניו יורק לחפירת מנהרות מים או רכבת תחתית.

 מכניקת קרקע וסלע 
מכניקת קרקע היא תחום המיישם עקרונות של מכניקת הנדסה, כגון קינמטיקה, דינמיקה, מכניקת זורמים ומכניקת חומרים, כדי לחזות את ההתנהגות המכנית של קרקעות. מכניקת סלעים היא המדע התאורטי והיישומי של ההתנהגות המכנית של סלע ומסות סלע. זהו ענף במכניקה העוסק בתגובתם של סלע ומסות סלע לשדות הכוח של סביבתם הפיזית. התהליכים הבסיסיים קשורים כולם להתנהגות של מדיה נקבוביות. יחד, מכניקת קרקע וסלע מהווה את הבסיס לפתרון בעיות רבות בגאולוגיה הנדסית. מכניקת הקרקע והסלעים נותנת לגאולוג ההנדסי את הכללים הכמותיים לחזות כיצד הקרקע תתעוות ותיכשל, כך שיוכל לשפוט יציבות ולייעץ לגבי תכנון, בנייה וטיפול בטוחים.

 שיטות ודיווח 
עבור גאולוג הנדסי, "שיטות ודיווח" מתייחסים בדרך כלל לאופן שבו מתבצעות חקירות (משרד, שטח, מעבדה)' וכיצד יש לתעד את התוצאות בהתאם לתקנים ותקנות גיאוטכניות/הנדסיות. השיטות בהן משתמשים גאולוגים הנדסיים במחקריהם כוללות:
 מיפוי שדה גאולוגי של מבנים גאולוגיים, תצורות גאולוגיות, יחידות קרקע ומפגעים.
 סקירת ספרות גאולוגית, מפות גאולוגיות, דוחות גיאוטכניים, תוכניות הנדסיות, דוחות סביבתיים , תצלומי אוויר סטריאוסקופיים, נתוני חישה מרחוק, נתוני מערכת מיקום גלובלית (GPS), מפות טופוגרפיות ותמונות לוויין.
 חפירה, דגימה ורישום של חומרי אדמה/סלע בקידוחים, בורות בדיקה ותעלות מחפרון, חפירת שברים ובורות דחפור.
 סקרים גאופיזיים (כגון מעבר שבירה סייסמית , סקרי התנגדות , סקרי מכ"ם חודר קרקע (GPR), סקרי מגנטומטר, סקרים אלקטרומגנטיים, פרופילציה תת-קרקעית ברזולוציה גבוהה ושיטות גיאופיזיות אחרות).
 ניטור דפורמציה  כמדידה ומעקב שיטתיים אחר השינוי בצורה או במידות של עצם כתוצאה מהפעלת מאמץ עליו באופן ידני או באמצעות מערכת ניטור דפורמציה אוטומטית; ושיטות אחרות.
אין "תבנית סטנדרטית" אוניברסלית אחת, אך סוכנויות וגופים מקצועיים רבים מתכנסים למבנה דומה לדוחות חקירה גיאוטכנית: סיכום מנהלים, נתונים עובדתיים, פרשנות והמלצות, כולם בפורמט שניתן לעקוב אחריו יש לייחס חשיבות מיוחדת למסמך זה של רשות ניוזילנדית, בהיות ניו זילנד יחד עם אוסטרליה חלוצות ופורצות דרך בכל נושא הערכת וניהול סיכונים. ההנחיות של NZGS (האגודה הגיאוטכנית של ניו זילנד), כמו תבנית הדו"ח הגיאוטכני של הנדסה בניו זילנד, מדגישות תקשורת תמציתית וספציפית לפרויקט, עם דגש חזק על סכנות סייסמיות וניטור בנייה, בעוד שהתקנים האמריקאיים (FHWA, AASHTO) נותנים עדיפות להצגת נתונים מפורטת, ניתוח עבור תחבורה, ומאפיינים גיאוטכניים רחבים יותר. לדוגמה, לפי ועדת הרגולציה הפדרלית לאנרגיה של ארצות הברית התקנות המדויקות לשיטות ובמיוחד לדיווח, משתנות בין המדינות (של ארצות הברית), אך גאולוגים הנדסיים עובדים בדרך כלל תחת קודי חקירה גיאוטכניים, הנחיות בטיחות סכרים ומדריכים של הסוכנויות השונות המגדירות שיטות מינימליות ודרישות דיווח. אלה כוללים מדריכים הנדסיים לחקירות גאולוגיות הנדסיות (למשל, פארקים לאומיים של "חקירות גאולוגיות הנדסיות" ומדריכים למהנדסי חקירות גיאוטכניות) הקובעים דרישות חקירה מינימליות, סטנדרטים של רישום עצים ופורמט דיווח עבור עבודות ציבוריות וסכרים. תקנות בריאות, בטיחות וסביבה: כללים לעבודה באתר (חפירות, קידוח, קרקע מזוהמת), טיפול וסילוק של דגימות ונוזלים, וחובת ניטור סביבתי; אלה חייבים לבוא לידי ביטוי בהצהרות שיטת העבודה ולעיתים גם בדיווח.

 תפקידו של הגאולוג ההנדסי במסגרות אלה 
 תכנון חקירות בהתאם לתקנים: בחירת שלבי חקירה, שיטות וסוגי בדיקות מתאימים כדי לעמוד בדרישות המינימום של התקנים, אך גם התאמתם למורכבות הגאולוגית ולסיכון הפרויקט.
 הבטחת דיווח בר-מעקב והגנה: הבחנה ברורה בין תוכן עובדתי ופרשני, שמירה על יומני רישום ורישומי בדיקה מלאים, תיעוד שיטות ותקנים שבהם נעשה שימוש, והצגת אופן גזירת הפרמטרים מנתונים וגאולוגיה.
 תמיכה בתכנון ואישור רגולטורי: הכנת דוחות ומודלים בפורמטים הנדרשים כך שמהנדסים גיאוטכניים ומבניים יוכלו לתכנן, ורגולטורים (למשל, רשויות בטיחות סכרים או תשתיות) יוכלו לעיין ולאשר או להגיב.

 סוף דבר 
עבודת השטח מסתיימת בדרך כלל בניתוח הנתונים והכנת דוח גאולוגי הנדסי, דוח גאוטכני או תדריך תכנון, דוח סיכון שבר או סיכון סייסמי, דוח גאופיזי, דוח משאבי מי תהום או דוח הידרוגאולוגי. ניתן להכין את דוח הגאולוגיה ההנדסית גם בשילוב עם דוח גאוטכני, אך בדרך כלל הוא מספק את אותם ניתוח גאוטכני והמלצות תכנון שיוצגו בדוח גאוטכני. דוח גאולוגיה הנדסית מתאר את המטרות, המתודולוגיה, ההפניות המצוטטות, הבדיקות שבוצעו, הממצאים וההמלצות לפיתוח ותכנון מפורט של עבודות הנדסיות. גאולוגים הנדסיים מספקים גם נתונים גאולוגיים על גבי מפות טופוגרפיות, תצלומי אוויר, מפות גאולוגיות, מפות מערכת מידע גאוגרפית (GIS) או בסיסי מפות אחרים. דוח זה מאפשר תכנון ובנייה בטוחים וחסכוניים על ידי גישור בין גאולוגיה להנדסה, לרוב חתום על ידי איש מקצוע מוסמך.

 גאולוגיה הנדסית והנדסה גאולוגית - מקרה פרטי 
ממוזער|סכר קארון III שבאיראן, אחד מני רבים, שאמברייזיס ייעץ על מיקומו ותכנונו.
אחד הגאולוגים ההנדסיים ו/או המהנדסים הגאולוגים הבולטים במאה ה-20 היה ניקולאס אמברייזיס מאוניברסיטת אימפריאל קולג' שבלונדון. הוא היה רב תחומי במחקריו, אך בתחום הגאולוגיה ההנדסית עסק בעיקר בסייסמולוגיה של סכרים וייצוב מדרונות. עבודת הדוקטור של אמברייזיס משנת 1958 עסקה ביציבות סייסמית של סכרים עם מודל לחיזוי הסטה מתמשכת בסכרי עפר אחרי רעידת אדמה, ויצר בכך את הבסיס לשיטת ניומארק הידועה לניתוח גלישת גושים . ניומארק עצמו הודה לו על כך בהקדמה למאמר שהציג את השיטהNewmark, N. M. (1965) Effects of earthquakes on dams and embankments. Geotechnique, 15 (2) 139–160.. עבודתו החלוצית בתחום התגובה הסייסמית של סכרים, הורחבה ליצירת גאומטריית ה"טריז הקטום"  של סכרי עפרAmbraseys, N. N. (1960) On the shear response of a two-dimensional truncated wedge subjected to an arbitrary disturbance, Bulletin of the Seismological Society of America, 50(1), 45–56. מחקריו האחרים בתחום היוו בסיס לפריצת דרך בשיטות מחקר נוספות שבוצעו על ידי עמיתיו בתחום הגאוטכניקה ותלמידו בעבודת הדוקטור סאראדה ק. סארמה  שמחקרו הביא לפיתוח "שיטת סארמה למדידת יציבות סייסמית של מדרונות" Ambraseys, N. N. and Sarma, S. K. (1967) The response of earth dams to strong earthquakes, Geotechnique, 17(2), 181–213.

אמברייזיס שימש יועץ תכנון ומיקום בהקמת סכרים גדולים רבים באזורים סייסמיים המועדים לפורענות בהם: מַנגְלָה  וקאלאבאג'  שבפקיסטן; תוכנית אגירת ואספקת מים בהונג קונג; מיזמי סכרי גשלאג' ו-סאר-ששמה, וסכרי כארון II ו-III באיראן; סכר צ'ירה פִּייוּרה ומיזם ההשקיה מאנטארו בפרו; מיזמי עמק הירמוך וזרקא וסכר אל-מוחייבה  בממלכת ירדן; סכר חמאם גרוז, סכר שליף ומפעל הפלדה ג'יגל באלגיריה; ומיזם ערוץ סטיגלר שבטנזניה.

בשנת 1973 הוא הדריך את קורפוס ההנדסה ויקסבורג  מיסיסיפי של צבא ארצות הברית בתכנון עמיד בפני רעידות אדמה של סכרים ומבנים הנדסיים אחרים באזור נהר המיסיסיפי, שעל הקמתם ואחזקתם הם מופקדים.

אמברייזיס היה עמית באקדמיה המלכותית להנדסה , באקדמיה האירופאית, באקדמיה היוונית  ובעל מדליות ממספר חברות אקדמיות בממלכה המאוחדת ובאירופה. בשנת 1987 הוזמן אמברייזיס לשאת את הרצאת מאלט-מילן  היוקרתית הראשונה של החברה לרעידות אדמה והנדסה אזרחית דינמית. בשנת 1998 הוענקה לאמברייזיס מדליית החירות של סקופיה, מקדוניה (אז חלק מיוגוסלביה) כהוקרה על תרומתו לבנייה מחדש של העיר ש-80% מהמבנים בה נהרסו ברעידת האדמה Mw=6.1 בשנת 1963. בשנת 2004 הוזמן לשאת את הרצאת רנקין  היוקרתית של האגודה הגאוטכנית הבריטית . בשנת 2005 קיבל אמברייזיס את מדליית הארי פילדינג ריד  מהחברה הסייסמולוגית האמריקאית  בזכות תרומה יוצאת דופן למדע הסייסמולוגיה והנדסת רעידות אדמה. מדובר במדליה יוקרתית המוענקת פעם אחת בשנה, על ידי החברה שעורכת את אחד מכתבי העת החשובים בעולם בתחום הסייסמולוגיה: הבולטין של החברה הסייסמולוגית האמריקאית . בין מקבלי מדליה זו בעבר היו צ'ארלס ריכטר וקארל אליין קורנל . האגודה האירופאית להנדסת רעידות אדמה הקימה בשנת 2008 קרן לפרס ההרצאה הטובה ע"ש פרופסור ניקולאס אמברייזיס "לכבוד חלוץ הנדסת רעידות האדמה באירופה". בכנס העולמי להנדסת רעידות אדמה שהתקיים באוקטובר 2008 בביג'ין, נבחר אמברייזיס להיות אחד משלושה עשר "האגדות" של התחום - האירופאי היחידי שברשימה. רק חמישה מדענים שעודם בחיים, נמנו על שלושה עשר "הגדולים", ואמברייזיס היה כאמור אחד מהם. בשנת 2014, לאחר מותו, אורגנו בבריטניה מספר כנסים והרצאות לזכרו, לרבות הוצאת גיליון מיוחד של הבולטין להנדסת רעידות אדמה  לזכרו.

 קישורים חיצוניים 

 ביאורים 

 הערות שוליים 

קטגוריה:גאולוגיה