شماره مدرك
21058
شماره راهنما
2480 دكتري
پديد آورنده
طباطبائي اشناني، اعظم السادات
عنوان
ارزيابي و پيشبيني فروپاشي خاكهاي رمبنده با توجه به مشخصه مكش آب در خاك با استفاده از يادگيري ماشين
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
ژئوتكنيك
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
بيست و چهار، 255 ص.، مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
خاك غيراشباع , پتانسيل رمبندگي , تحكيم هيدروليكي اصلاح شده , مكش ماتريس , منحني مشخصه خاك-آب , يادگيري ماشين
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/29
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي عمران
دانشكده
مهندسي عمران
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/02/30
كد ايرانداك
23220093
چكيده فارسي
پتانسيل رمبندگي در خاكهاي غيراشباع، چالشي حياتي در مهندسي ژئوتكنيك، بهويژه در مناطق خشك و نيمهخشك است كه در آن مكش ماتريس و فشار اشباع نقش تعيينكنندهاي در رفتار خاك ايفا ميكنند. اين پژوهش به بررسي اثرات توأم مكش ماتريس، فشار اشباع، و درصد ماسه بر پتانسيل رمبندگي خاكهاي رمبنده پرداخته است. همچنين، پارامترهاي متداول مانند وزن واحد خشك، رطوبت اوليه و درصد ريزدانه در نظر گرفته شدهاند. با استفاده از دستگاه تحكيم هيدروليكي اصلاحشده كه قابليت اعمال همزمان مكش و فشار اشباع كنترلشده را دارد، پتانسيل رمبندگي در سطوح مكش 0 تا 80 كيلوپاسكال و فشارهاي اشباع 100 تا 400 كيلوپاسكال ارزيابي گرديد. نتايج نشان داد كه مكش ماتريس ميتواند پتانسيل رمبندگي را تا 5/2 برابر افزايش دهد كه ناشي از افزايش تنش مؤثر و از هم گسيختگي پيوندهاي مويين در هنگام اشباع است. فشارهاي اشباع بالاتر، شدت رمبندگي را تشديد كرده و منجر به تغيير پتانسيل رمبندگي خاك بر اساس استانداردهاي ASTM D5333 شد. بهمنظور افزايش قابليت پيشبيني، دو رابطه تجربي پيشنهاد گرديد: يك مدل پيشبينيكننده ريسك رمبندگي بر اساس مكش ماتريس، فشار اشباع، و درصد ماسه؛ و يك معادله تعميميافته براي تخمين پتانسيل رمبندگي در مكشهاي مختلف از مقدار آن در حالت بدون مكش، با در نظر گرفتن اثرات نوع خاك. علاوه بر اين، تحليل حساسيت نشان داد كه مكش ماتريس به تنهايي بيش از 95٪ از تغييرات پتانسيل رمبندگي را توجيه ميكند. در مطالعهاي موازي، پارامترهاي منحني مشخصه خاك-آب (SWCC) بر پتانسيل رمبندگي خاكهاي لسي و آبرفتي-درياچهاي در ايران بررسي شد. آزمايشهاي آزمايشگاهي شامل تعيين SWCC، تستهاي تحكيم اصلاحشده تحت كنترل مكش، و تحليلهاي ريزساختاري (SEM و XRF) انجام شد. نتايج حاكي از آن است كه مكش ماتريس به طور قابلتوجهي بر تحكيم و رفتار رمبندگي تأثير ميگذارد؛ بهطوريكه افزايش مكش و فشار غرقابي باعث افزايش پتانسيل رمبندگي ميگردد. مشاهدات SEM بازآراييهاي ريزساختاري و ساختار متراكمتر ذرات را نشان داد كه با پاسخهاي هيدروليكي و مكانيكي سازگار است. براي بهبود پيشبيني، مدلهاي يادگيري ماشين بر روي مجموعه دادههاي يكپارچه آموزش داده شدند كه در اين ميان، مدل Gradient Boosting بالاترين عملكرد پيشبيني (R² = 0.859, RMSE = 1.273) را از خود نشان داد. تحليل اهميت متغيرها نشان داد كه فشار غرقابي، مكش ماتريس، ودرصد رطوبت حجمي اشباع (θs) مؤثرترين شاخص¬هاي پيشبينيكننده مكانيكي هستند. اين يافتهها ارتباط كمي قوي بين پارامترهاي SWCC تحت كنترل مكش و پتانسيل رمبندگي را نشان ميدهند و تأييد ميكنند كه گنجاندن متغيرهاي هيدروليكي به طور قابلتوجهي دقت پيشبيني را در مقايسه با رويكردهاي سنتي مبتني بر شاخص، بهبود ميبخشد. چارچوب پيشنهادي يكپارچه تجربي–هيدروليكي–يادگيري ماشين، ابزار اوليهاي قابل اعتماد براي ارزيابي رمبندگي فراهم كرده و مبناي مكانيكي طراحي ژئوتكنيكي در خاكهاي غيراشباع رمبنده را تقويت ميكند.
چكيده انگليسي
The collapse potential of unsaturated soils presents a critical challenge in geotechnical engineering, particularly in arid and semi-arid regions where matric suction and inundation pressure significantly govern soil behavior. This study innovatively investigates the combined effects of matric suction, inundation pressure, and sand content on the collapse potential of natural fine-grained soils, alongside conventional parameters such as dry unit weight, initial moisture content, and fines content. Utilizing a modified hydraulic consolidation device capable of simultaneous controlled suction and inundation pressure application, collapse potential was evaluated under suction levels ranging from 0 to 80 kPa and inundation pressures from 100 to 400 kPa. Results revealed that matric suction can amplify collapse potential by up to 2.5 times due to increased effective stress and the breakdown of capillary bonds upon saturation. Higher inundation pressures further intensified collapse severity, leading to classification shifts per ASTM D5333 standards. To enhance predictive capability, two empirical relationships are proposed: an empirical model predicting collapse risk based on matric suction, inundation pressure, and sand content; and a generalized equation for estimating collapse potential at various suctions from its zero-suction value, incorporating soil type effects. Furthermore, sensitivity analysis indicated that matric suction alone accounted for over 95% of the variability in collapse potential. In a parallel investigation, the influence of geological characteristics and Soil–Water Characteristic Curve (SWCC) parameters on the collapse potential (CP) of unsaturated soils from loessic and lacustrine–alluvial deposits in Iran was examined. Laboratory experiments, including SWCC determination, suction-controlled modified consolidation tests, and microstructural analyses (SEM and XRF), were conducted. The findings demonstrate that matric suction significantly affects compressibility and collapse behavior, with higher suction and Pressure at wetting increasing CP. SEM observations revealed microstructural rearrangements and denser particle packing consistent with hydraulic and mechanical responses. For improved prediction, machine learning models were trained on an integrated dataset, with Gradient Boosting achieving the highest predictive performance (R² = 0.859, RMSE = 1.273). Permutation importance analysis identified Pressure at wetting, matric suction, and saturated volumetric water content (θs) as the most influential mechanistic predictors. These findings highlight a strong quantitative association between suction-controlled SWCC parameters and collapse potential, indicating that the incorporation of hydraulic variables significantly improves predictive accuracy compared to conventional index-based approaches. The proposed integrated experimental–hydraulic–machine learning framework provides a reliable preliminary tool for collapse assessment and strengthens the mechanistic basis for geotechnical design in unsaturated collapsible soils.
استاد راهنما
مهدي ابطحي فروشاني , حميد هاشم الحسيني
استاد مشاور
البرز حاجيان نيا
استاد داور
محمود قضاوي , ميثم مشايخي , محمدعلي روشن ضمير