خاک
خاک به عنوان مصالح ساختمانی در طرح‌های مهمی در مهندسی عمران به كار گرفته می‌شود. خاک ماده‌ای است كه گیاه در آن قابل رشد بوده و زندگی آن را تامین می‌نماید. از نقطه نظر یك زمین شناس خاک مفهوم چندان مشخصی نداشته و كلاً به مواد سست و جدا از همی كه از تجزیه سنگ‌ها حاصل شده اتلاق می‌شود. در علوم مهندسی، خاک مخلوط غیر یكپارچه‌ای از دانه‌های كانی‌ها و مواد آلی فاسد شده‌ای است كه فضای خالی بین آنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. لذا بر طبق تعاریف فوق، متخصصین كشاورزی بیشتر به خاکهای ارگانیك (آلی) توجه دارند و مهندسین بیشتر به خاکهای غیر ارگانیک.
از دیدگاه مهندسی، خاک عبارت است از سنگدانه‌های سیمانی نشده‌ای از دانه‌های معدنی و مواد آلی پوسیده (ذرات جامد) همراه با سیال و گاز موجود در فضاهای خالی میان ذرات جامد. در پروژه‌های مختلف مهندسی عمران از خاک به عنوان مصالح ساختمانی استفاده می‌شود و خاک تکیه‌گاه پی‌های سازه‌ای را فراهم می‌سازد. بنابراین مهندسین عمران باید خصوصیات خاک مانند منشآ، دانه بندی، قابلیت زهکشی، تراکم پذیری، مقاومت برشی و ظرفیت باربری را مورد بررسی و مطالعه قرار دهند. مکانیک خاک شاخه‌ای از علم است که به بررسی خصوصیات فیزیکی خاک و رفتار توده‌های خاک تحت تآثیر نیروهای مختلف می‌پردازد. مهندسی خاک کاربرد اصول مکانیک خاک در مسایل عملی است. مهندسی ژئوتکنیک زیر شاخه مهندسی عمران است که به مصالح طبیعی نزدیک سطح زمین مربوط می‌شود. این رشته شامل کاربرد اصول مکانیک خاک و مکانیک سنگ در طراحی پی‌ها، سازه‌های حایل و سازه‌های خاکی است.
آزمایش‌های صحرایی
هدف آزمایش‌های درجای خاک این است که خصوصیات مهندسی خاک را در حالت طبیعی و درجا ارزیابی نماییم و نه در محیط آزمایشگاهی. مهمترین مزیت آزمایش‌های درجا این است که پارامترهای مهندسی خاک بر خلاف آزمون‌های آزمایشگاهی تحت تاثیر دست خوردگی و افت کیفیت خاک قرار نمی‌گیرند. بنابراین خصوصیات خاک‌ها نماینده واقعی‌تری بر مقاومت و سختی درجای خاک بوده و در نتیجه منجر به طراحی‌های فونداسیون اقتصادی‌تری می‌شود زیرا آزمون‌های متداول آزمایشگاهی ممکن است مقاومت‌های پایین‌تری نسبت به آزمون‌های درجا به دست می‌دهند. بدیهی است که ظرفیت باربری باعث صرفه جویی اقتصادی بیشتری به نفع مالک یا کارفرما می‌شود. آزمایش‌های درجا همچنین از نظر ارزیابی سایت و سازه در مقابل زلزله حائز اهمیت است. امروزه کارایی آزمون‌های درجا مخصوصاً آزمایش نفوذ مخروط و آزمایش سرعت موج برشی به عنوان روشی موثر جهت ارزیابی پتانسیل آسیب‌های ناشی از تکان‌های لرزه‌ای به اثبات رسیده است.
آزمایش نفوذ استاندارد SPT
یک روش نسبتاً ساده و استاندارد برای تخمین تراکم یا سفتی خاکهای درجا، آزمایش‌های نفوذ استاندارد یا SPT است. در این روش تعداد ضربات چکش جهت نفوذ نمونه‌گیر قاشقی تا یک عمق مشخص به داخل زمین شمرده می‌شود. ویژگی اساسی آزمایش SPT عبارت است از یک چکش با وزن ۶۴ کیلوگرم که از ارتفاع ۷۵ سانتیمتر بر روی سندانی در بالای میله‌های حفار سقوط می‌کند. و یک نمونه‌گیر قاشقی دو تکه با قطر خارجی ۵ سانتیمتر و قطر داخلی ۳/۵ سانتیمتر و طولی بین ۴۵ تا ۷۵ سانتیمتر.
پس از اینکه نمونه‌گیر در کف گمانه قرار داده شد، تعداد ضربات چکش مورد نیاز برای ۳ نفوذ متوالی هر یک به طول ۱۵ سانتیمتر شمارش می‌شود. تعداد ضربات برای دومین و سومین نفوذ ۱۵ سانتیمتر با یکدیگر جمع می‌شوند تا مقاومت نفوذ استاندارد یا عدد N به دست آید. تعداد ضربات برای اولین ۱۵ سانتیمتر، در نظر گرفته نمی‌شوند. زیرا این مقدار ممکن است تحت تاثیر خاک دست خورده در کف گمانه قرار گیرد. اما همچنان این عدد ثبت می‌شود زیرا کنترل کننده خوبی برای تغییرات لایه‌های خاک است.
مزایای این روش را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد.
- نمونه‌ای از خاکی که آزمایش در آن انجام شده است را به دست می‌دهد و از این طریق طبقه بندی کلی خاک مشخص می‌شود. بسیاری از آزمون‌های نفوذ دارای نوک مخروطی بوده و از این قابلیت برخوردار نیستند. در این مورد طبقه بندی خاک صرفاً بر اساس همبستگی بین نتایج ازمایش و یا از طریق نتایج گمانه و چاله‌های مجاور قابل استخراج است.
- SPT یک آزمون سریع و ارزان است و معمولاً در گمانه‌ای انجام می‌شود که بربای مقاصد دیگر حفاری شده است. بنابراین هزینه اضافی بر طرح تحمیل نمی‌کند.
- تقریباً همه تجهیزات آزمایش همان تجهیزاتی هستند که برای حفاری به کار گرفته می‌شوند و تجهیزات اختصاصی این آزمون در حد محدودی است . این در حالی است که در سایر آزمون‌ها معمولاً تجهیزات اختصاصی گسترده‌ای به کار گرفته می‌شود.
آزمایش نفوذ مخروط CPT
اساس کار نفوذ مخروط این است که یک مخروط با قاعده انتهایی به مساحت ۱۰ سانتیمتر مربع و زاویه راس ۶۰ با سرعت یکنواخت ۲سانتیمتر بر ثانیه در خاک فرو برده می‌شود. در حین فرو ریختن مخروط مقاومت نوک مخروط و اصطکاک جدار غلاف در هر ۲/۵ سانتیمتر اندازه گیری می‌شود. در نوع CPTU فشار آب منفذی نیز در حین فرو ریختن اندازه گیری می‌شود.
بر اساس تجهیزات متداول دو نوع CPT متداول است، مکانیکی و الکتریکی. در هر دو نوع اخیر نیروی لازم برای نفوذ مخروط توسط جک‌های هیدرولیکی تولید می‌شود. ولی اندازه گیری نتایج در نوع مکانیکی توسط گیج‌های روغنی و در نوع الکتریکی توسط ابزارهای الکتریکی صورت می‌پذیرد. از مزایای مکانیکی، قیمت ارزان اولیه لوازم، تجهیزات و سادگی عملکرد آن است. از معایب آن سرعت اجرای کم بوده و در خاکهای نرم کارایی لازم را ندارد و داده‌ها معمولاً در هر ۲۰ سانتیمتر طول اندازه گیری می‌شود و داده برداری ناپیوسته است.
در مقایسه با نوع مکانیکی این روش سرعت بیشتری دارد و رکورد پیوسته‌ای را بر حسب عمق تهیه می‌نماید. دقت و صحت بالای نتایج این روش و نیز تکرار پذیری آن از مزایای مهم دیگر است. علاوه بر مزایای فوق به قسمت انتهای پنترومتر الکتریکی می‌توان سنسورهای دیگری مثل پیزومترهای سنجش فشار حفره‌ای، مقاومت الکتریکی، سنجش دما و امتداد یاب قائم متصل نمود. از معایب این نوع دستگاه قیمت بالای لوازم اولیه و نیز احتیاج به اپراتورهای مجرب و دارای مهارت الکترونیکی است.
آزمون نفوذ مخروط، صرفاً برای مطاله مقاومت رس‌های خیلی نرم تا ماسه‌های متراکم کارایی دارد و در مصالح شنی و رسوبات حاوی قطعات سنگی توصیه نمی‌شود.
آزمایش پره
در این آزمایش یک تیغه برش چهار پره با هندسه‌ای مشخص و استاندارد در خاک مورد نظر با اعمال یک لنگر چرخشی فرو برده می‌شود. با اندازه گیری لنگر پچیشی جهت برش و گسیختگی خاک و همچنین هندسه پره می‌توان مقاومت برشی خاک رس را اندازه گیری نمود. این آزمایش به طور عمده در خاکهای رسی استفاده می‌شود. و در خاکهای دانه‌ای و متراکم کاربردی ندارد. این آزمایش محدود به خاک‌هایی می‌شود که چرخش آرام تیغه‌ها (۶ درجه در دقیقه) بتواند باعث گسیختگی برش زهکشی نشده (چون خاک سریع گسیخته می‌شود) در آنها شود. از آنجا که انجام شدن آزمایش سریع بوده (حدود ۲ تا ۵ دقیقه) بنابراین جهت اندازه گیری مقاومت برشی زهکش نشده کاربرد دارد. بر اساس روابط تعادلی بین لنگر اعمال شده و مقاومت برشی خاک در اطراف ،پره پس از گسیختگی مقاومت برشی زهکش نشده خاک به صورت به دست می‌آید.
شکل پره‌ها معمولاً مستطیلی است، با این حال برای سهولت نفوذ در خاک در برخی موارد لبه پره‌ها را پخ نموده و به صورت نوک تیز می‌سازند.
اصلاح مقدار به دست آمده از آزمایش پره به دلیل آن است که مقدار به دست آمده از آزمایش کمتر از مقدار واقعی خاک است. چون با ورود این پره به خاک مقدار از مقاومت خاک را در برابر گسیختگی از دست می‌دهیم و اصطلاحاً خاک راحتتر گسیخته می‌شود. به همین دلیل باید مقدار به دست آمده از این آزمایش در ضریبی بزرگتر از ۱ ضرب می‌شود. اما با افزایش مقدار خاصیت خمیری خاک، خاک می‌تواند تغییر شکل بیشتری را تحمل نماید نسبت به خاکی که خاصیت خمیری کمتری دارد. در نتیجه این مقدار افزایش باید کمتر لحاظ شود.
آزمایش بارگذاری صفحه
روشی صحرایی برای تعیین ظرفیت باربری خاک، ارزیابی میزان تراکم پذیری و محاسبه مدول عکس العمل بستر در برابر بارهای وارده است. در این روش یک صفحه فلزی تحت بار قائم قرار گرفته و میزان نشست آن ثبت می‌شود. شرایط این صفحه نظیر یک پی منفرد است، بنابراین می‌توان نتایج آن را با اعمال ضرایبی برای مجاسبه میزان نشست پی‌های سطحی به کار گرفت.
نمونه‌های بار تقریباً یک پنجم ظرفیت باربری تخمینی خاک است. فواصل زمانی بارگذاری نباید از یک ساعت کمتر باشد و طول زمان در تمامی نموهای بارگذاری باید تقریباً یکسان باشد. همچنین پس از برداشتن بار باید برجهندگی الاستیک خاک را برای مدت زمانی حداقل معادل با طول زمان یک نمو بار ثبت کرد. ثبت نشست‌ها برای یک ساعت اول هر ۵ تا ۱۰ دقیقه انجام می‌گیرد. نتایج اندازه گیری‌ها، به طور معمول به دو صورت منحنی زمان – نشست و منحنی بار – نشست ارائه می‌شود.
در برخی از آزمایش‌ها به دلیل استقرار نامناسب صفحه نمودار بار – نشست مبدا مختصات را قطع نمی‌کند و با برون یابی نمودار صحرایی ممکن است به ازای تنش صفر اندکی نشست گزارش شود. در این صورت برای جبران این خطا لازم است از تمامی ارقام حاصله برای نشست صفحه رقوم مذکور کاسته شود. این تصحیح به اصلاح نقطه صفر موسوم است.
انجام آزمایش با برزگ کردن صفحه کار ساده‌ای نیست چون صفحه باید صلب باشد و نشست آن در تمام صفحه یکسان باشد به همین دلیل توصیه شده است که یرای صفحات بزرگتر و برای تامین صلبیت از چند صفحه بر روی هم استفاده شود.
