خاکهای رمبنده
در طبیعت خاکهایی یافت میشوند که تحت تنش یکسان، با افزایش درصد رطوبت میزان کاهش حجم بسیار زیادی از خود نشان میدهند. این گونه خاکها به خاکهای رمبنده موسوم هستند. به طور کلی میتوان رمبندگی را ریزش ناگهانی خاک در اثر از دست رفتن مقاومت عامل پیوند دهنده ذراتت خاک تعریف نمود. خاکهای رمبنده بیشتر در نواحی گرم و خشک یافت میشوند و خصوصیات مهم این نوع خاکها تخلخل زیاد، وزن مخصوص کم و چسبندگی صفر و یا ناچیز است.
کشور ایران در زمره کشورهایی قرار گرفته که دارای خاکهای رمبنده است و در صورت عدم شناسایی این نوع خاکها، اگر سازهای روی آنها احداث شود، سازه احداث شده در صورت به اشباع در آمدن خاک، بنا به دلایل مختلف دچار مشکلات و ضرر و زیان خواهد شد. بنابراین نیاز است در درجه اول رفتار و خصوصیات این خاکهای رمبنده تحت شرایط مختلف مورد بررسی قرار گیرد.
خاکهای فروریزشی از لحاظ ترکیب، خصوصیات مکانیکی- فیزیکی، عمق توده ریزشی و تغییر شکل ریزش متفاوت هستند و عموماً توسط ضخامت لایههای کم رطوبت، تخلخل بالا و قابلیت ریزش شناخته میشوند. برای احداث سازه در خاکهای رمبنده، حذف خصوصیات ریزشی خاک در سرتاسر منطقه مورد نظر و در طول و عمق توده ریزشی بوسیله نصب لولههای زهکشی، حذف رطوبت و عوامل مؤثر بر ریزش خاک، ضروری است.
این نوع از خاکها به رطوبت حساس هستند و در اثر افزایش رطوبت محتوی اولیه دچار کاهش حجم شده و مکانیسم ریزش آنها آغاز میشود. خاکهایی که دارای بیشترین پتانسیل فروریزشی هستند، غالباً در شرایط آب و هوایی گرم و خشک و نیمه خشک دیده میشوند و مکانیسمی که تقریباً در تمام تودههای فروریزشی دیده میشود، شامل جریان یافتن خرده سنگها، حرکت تودههای آبرفتی و رمبندگی تودهها (ریزش) است.
مهمترین متغیرهای مؤثر در ارزیابی پتانسیل ریزش شامل وزن مخصوص خشک، آب محتوی اولیه، فشار آب کاربردی، درصد رس محتوی، درصد ماسه محتوی، و ضریب یکنواختی است.
پتانسیل ریزش با افزایش آب محتوی اولیه کاهش و با افزایش وزن مخصوص و فشار در زمان مرطوب شدن خاک، افزایش مییابد. به این ترتیب، چنانچه شناسایی مشخصات تراکم و کنترل کیفیت خاکهای رمبنده به درستی انجام نگیرد، ممکن است این توده از خاکها به رطوبت حساسیت نشان دهند، بطوریکه، چنانچه تراکم خاک تحت چگالی کم و خشکی متوسط صورت گیرد، بیشترین قابلیت برای چگالش تحت رطوبت ایجاد میشود، اما تقریباً در هر خاک فرو ریزشی، اگر فشار حدی به اندازه کافی بالا باشد، دچار ریزش میشود.
پدیده رمبندگی
رمبندگی به ریزش ناگهانی خاک در اثر از دست رفتن مقاومت عامل پیوند دهنده ذرات خاک اطلاق میشود. میزان رمبندگی ایجاد شده وابسته به نسبت تخلخل اولیه خاک است. تعدادی از نهشتههای سیلتی تشکیل یافته تحت شرایط آب و هوایی خشک مستعد کاهش حجم قابل ملاحظه یا رمبندگی در هنگام اشباع شدن (مرطوب شدن) هستند. بنابراین نفوذ آب سطحی، نشت آب از لولهها و بالا آمدن سطح آب زیرزمینی ممکن است موجب به وقوع پیوستن نشستهای زیاد شود.
مکانیزمهای مختلفی برای این پدیده ارائه شده که به دو گروه ساز و کارهای میکرومکانیکی و ماکرومکانیکی تقسیم میشوند. تفاوت دو گروه سازوکار فوق الذکر مربوط به مقیاسس مطالعه است، بطوری که در سازوکار میکرومکانیکی پیوند بین ذرات خاک و اندرکنش آب و ذرات تشکیل دهنده خاک مورد بررسی قرار میگیرد در حالی که سازوکار ماکرومکانیکی تنها به بررسی رفتار خاک در برابر افزایش رطوبت بدون توجه به اندرکنش بین ذرات تشکیل دهنده خاک و آب میپردازد.
عوامل مؤثر بر میزان رمبندگی خاکها
تاکنون در زمینه عوامل مؤثر در میزان رمبندگی خاکها مطالعات فراوانی انجام شده است. از جمله عواملی که میتوان در نظر گرفت به شرح زیر است.
تأثیر نوع خاک
افزایش میزان رس در یک خاک مرکب (رس- ماسه)، باعث افزایش رمبندگی میشود.
تأثیر پارامترهای تراکم
هر چه وزن مخصوص خشک اولیه خاک کمتر و هر چه درصد رطوبت اولیه خاک بیشتر باشد، میزان رمبندگی کمتری اتفاق خواهد افتاد.
تأثیر مواد شیمیایی
در صورتی که به جای آب محلولهای شیمیایی دیگری در خاک وارد شود، پتانسیل رمبندگی عوض خواهد شد.
عمق نمونه گیری
بر اساس مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی انجام شده، بین عمق نمونه مورد مطالعه و میزان رمبندگی خاکها رابطه وجود دارد. بررسیهای مذکور نشان میدهند که در خاکهای رمبنده در اعماق کم، خاک تحت تنش ناچیز و تحت اثر سربار بالای خود و نیز در اثر مرطوب شدن به علل مختلف، دچار رمبندگی میشود.
خاکها را میتوان بر اساس عمق به سه دسته تقسیم کرد.
- نمونههای سطحی و جوانتر که در تنشی کمتر از ۰/۲ مگاپاسکال دچار رمبندگی میشوند و با افزایش تنش مقدار ضریب رمبندگی آنها به سرعت افزایش مییابد و منحنی تا تنشهای ۲-۱ مگاپاسکال سیر صعودی دارد.
- نمونههایی که در تنش معادل ۰/۲ مگاپاسکال دچار رمبندگی میشوند، در این حالت نیز در تنشهای بالاتر، ضریب رمبندگی خاک افزایش مییابد.
- نمونههای عمیقتر که در تنشهای بالاتر از ۰/۴ مگاپاسکال دچار رمبندگی میشوند. پس میتوان نتیجه گرفت که به ازای افزایش عمق قابلیت رمبندگی نمونه خاک کاهش مییابد و امکان رمبندگی تحت تنش بالاتر وجود دارد.
تأثیر چرخه تر و خشک شدن خاک
تر و خشک شدن متوالی خاک، پتانسیل رمبندگی را افزایش خواهد داد.
تأثیر ساختمان کانی رس بر رمبندگی
درصد کانیهای رسی نقش مهمی را در مقدار رمبندگی ایفا میکند، پتانسیل رمبندگی کانیهای رس بستگی به ساختمان شبکه بلوری، ساختمان توده رس و ظرفیت تبادل کاتیون دارد خاکهای رمبنده هرگز دارای یک اسکلت دانهای پیوسته نیستند. هرچه قرارگیری ذرات خاک انبوهتر و متراکمتر باشد پتانسیل رمبندگی آن بیشتر است.
تأثیر ضریب یکنواختی CU
ضریب یکنواختی خاک تأثیر متفاوتی بر میزان رمبندگی خواهد داشت.
تأثیر تنش موجود در هنگام اشباع کردن خاک
خاکهای ماسهای با افزایش میزان تنش، رمبندگی بیشتری خواهند داشت ولی در خاکهای رسی در فشارهای میانی بین ۲۰۰ الی ۴۰۰ کیلوپاسکال رمبندگی بیشتر از سایر فشارها خواهد بود.
ارزیابی پتانسیل رمبندگی خاک
بر مبنای مطالعات مختلف انجام شده تا کنون روابط مختلفی برای ارزیابی پتانسیل رمبندگی پیشنهاد شده است. لازم به یادآوری است که این روابط حالت کلی داشته و ارزیابی دقیق خاک نیاز به بررسی مستقیم به کمک آزمایشات دارد. ارزیابی مستقیم پتانسیل رمبندگی، به معنی اندازه گیری فشار رمبندگی و یا درصد رمبندگی خاک است. این اندازه گیری ممکن است در محل یا در آزمایشگاه انجام شود. اندازهگیری مستقیم رمبندگی در آزمایشگاه معمولاً بوسیله دستگاه تحکیم مضاعف انجام میشود.
آزمایش تحکیم مضاعف
آزمایش تحکیم یک بعدی و بررسی رفتار خاک در مقابل اشباع شدن آزمایشی است که اغلب برای مطالعه خاکهای رمبنده بکار میرود. مزیت این آزمایش ساده این است که تفسیر آزمایش بدلیل توزیع نسبتاً همگن تنش در درون نمونه خاک ساده است و روابط تنش کرنش را میتوان به ازای مقادیر برآورد شده برای نشست حاصل از رمبندگی بسط داد.
بر اساس تحقیقات، هرگاه افزایش رطوبت تا درجه اشباع خاک برسد (برای مثال، مرطوب شدن در اثر صعود سطح آب زیرزمینی) آنگاه در برآورد میزان نشست باید از دادههای آزمایشهای انجام شده در درصد رطوبت اشباع خاک استفاده کرد. در تعدادی از نقاط پیش بینی شده در ناحیه مرطوب شده، تنش کلی ناشی از سربار و بارهای سازهای باید ارزیابی شود.
روشهای مقابله با رمبندگی خاک
روش کنترل تراکم
خاکهای با مقدار رمبندگی تابع وزن مخصوص خشک، روش تراکم و رطوبت تراکم است. لذا باید پتانسیل رمبندگی بالا با حداقل تراکم کوبیده شوند. یعنی هر چه خاک را در رطوبت بالاتر وزن مخصوص کمتر متراکم کنید، رمبندگی آن کمتر خواهد بود. برخی معتقدند که در خاکهای با پتانسیل رمبندگی خیلی بالا، این روش مناسب نیست زیرا برای تعیین دقیق مقدار رطوبت و انرژیی تراکم، باید یک سری آزمایش انجام دهید. عمق تراکم بستگی به خاک دارد ولی عمدتاً تا عمق ۰/۶ تا ۰/۹ متر انجام میشود. ضمناً هر چه روش تراکم، دینامیکیتر باشد رمبندگی خاک کمتر خواهد شد.
روش بالشتک ماسهای
یک روش ساده برای مقابله با رمبندگی خاک، جایگزینی عمق معینی از آن، با خاک بدون پتانسیل رمبندگی است. تجربه نشان داده که اگر ۱/۵ متر خاک دانهای روی خاک رمبنده باشد هیچ مشکلی از لحاظ رمبندگی، هرگز بروز نخواهد کرد. اگر درصد رمبندگی خاک را داشته باشید به نظر میرسد که جایگزینی عمق معینی از خاک رمبنده با خاک دانهای به همان نسبت مقدام رمبندگی را کاهش میدهد.
جایگزینی خاک رمبنده با خاک رس بدون پتانسیل رمبندگی این تأثیر ویژه را ندارد. یکی از ارزانترین روشهای مقابله با رمبندگی خاک بکار بردن یک لایه ماسه بین خاک رمبنده و سازه است، این لایه ماسه مقدار رمبندگی و فشار رمبندگی خاک را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد، لذا برخی این روش را یکی از مطمئنترین راههای مقابله با رمبندگی خاک میدانند و در عین حال به سبب ارزان بودن مصالح دانهای نسبت به مصالح بکار رفته برای تثبیت و عدم نیاز به تجهیزات خاص، قیمت آن کم است. لایه ماسهای را بالشک ماسهای مینامند، ماسه بکار رفته در آن معمولاً ماسه سست نیست زیرا ظرفیت باربری آن کم میشود. لذا بار مجاز در این روش بیش از روش کنترل تراکم با روش بیش مرطوب کردن است.
روش پیش مرطوب کردن
اساس روش پیش مرطوب کردن یا غرقاب کردن، آنست که ابتدا خاک را در معرض آب قرار می دهیم تا کاهش حجم یابد، سپس بنا رااحداث می کنیم. برای این کار دور تا دور محوطه مورد نظر را با خاکریز موقتاً دیوارسازی کرده سپس درون آنرا با آب پر م یکنیم. گاهی هم10 سانتیمتری شن یا ماسه روی خاک ریخته شود تا – آب را درون گودبرداری پی م یریزیم. پس از رطوبت گیری خاک، باید یک لایه 15رطوبت خاک در محل عملیات ساخت حفظ شود. زمان لازم برای این روش طولانی است، زیرا نفوذ آب در خاکهای رس به کندی انجاممی گیرد.
بنابر تحقیقات انجام گرفته در کالیفرنیای جنوبی این نتیجه حاصل شد که این روش برای اعماق بیش از ۳ متر رضایت بخش نیست، همچنین عواملی مثل ترک در رسها باعث میشود که توزیع رطوبت حتی پس از مدت طولانی یکنواخت نباشد لذا مشکل رمبندگی غیریکنواخت بروز میکند. رمبندگی خاک در اثر جذب رطوبت در دو مرحله صورت میگیرد. رمبندگی اولیه سریع است ولی رمبندگی ثانویه بسیار کند است. در خاکهایی که مقدار رمبندگی ثانویه آنها زیاد است این روش مناسب نیست. ضمناً وقتی که این روش را بکار میبرید باید مقاومتت مجاز خاک را خیلی کم در نظر بگیرید. به هرحال این روش فقط در حالت خاصی ممکن است به عنوان بهترین روش باشد.
به طور کلی میتوان رمبندگی خاک را پدیده تدریجی دانست که به طور یکنواخت با افزایش رطوبت، افزایش پیدا خواهد نمود و میزان آن تابع شرایط اولیه خاک مانند درصد رطوبت اولیه و وزن مخصوص خشک و تنش اعمالی در زمان مرطوب کردن و میزان ازدیاد رطوبت است. پدیده رمبندگی باعث تغییر ناگهانی ساختار خاک شده و بطور کلی برگشت ناپذیر است. به عبارت دیگر پس از کاهش حجم خاک، درصورت تقلیل درصد رطوبت رمبندگی مجدد به وجود نخواهد آمد. در این گونه خاکها که در بیشتر مناطق ایران یافت میشود، مسأله نشست خاک خصوصاً در طراحی سازههای سطحی و زیر زمینی حائز اهمیت بوده باید مورد توجه خاص قرار گیرد.