خاک
مصالح دانه‌ای متشکل از کانی‌های مختلف به صورت غیر سیمانته و حاوی آب و هوا درون فضای حفره‌ها هستند. مصالح خاکی به عنوان یکی از مهمترین مصالح در سازه‌ها و ساختارهای مختلف مهندسی عمران همچون پی‌ها، سدهای خاکی ، راهسازی و … مورد استفاده واقع شده و بایستی نسبت به جنبه‌های مختلف مبانی مکانیک خاک همچون مشخصات فیزیکی، نحوه جریان و نفوذ آب در خاک، مقاومت و تراکم پذیری و … شناخت کافی بدست آورد. مبانی مکانیک خاک شاخه‌ای از علوم مکانیک مهندسی بوده که در آن به بررسی نحوه پاسخ مصالح خاک تحت اثر بارگذاری‌های مختلف پرداخته میشود.
خاک‌های در طبیعت به واسطه هوازدگی سنگ‌ها به وجود آمده و رفتار خاک‌ها تابعی از رفتار سنگ‌های مورد تجزیه و کانی‌های مرتبط با آن‌ها هستند.
چرخه سنگ و پيدايش خاک
به طور کلی برای شناخت رفتار خاک‌ها، بایستی منبع شکل گیری آن‌ها همان هوازدگی سنگ‌ها را شناخت. عمده سنگ‌های موجود در طبیعت شامل سه گروه هستند.
- سنگ‌های آذرین
- سنگ‌های رسوبی
- سنگ‌های دگرگونی
سنگ‌های آذرین
منشا پیدایش خاک و دانه بندی سنگ‌های آذرین از سرد شدن مواد ماگما تشکیل میشوند. نتایج محققین مختلف حاکی از تاثیر شگرف نرخ سرد شدن ماگما‌ها بر روی نوع کانی‌های ایجاد شده در سنگ‌های آذرین و به تبع آن خواص سنگ‌های آذرین هستند. هر چه قدر که سنگ آذرین در دمای کمتری تشکیل شود، کانی‌های مقاوم و مستحکم‌تری همچون کوارتز تشکیل میشوند.
هوازدگی
فرایند هوازدگی منحصر به سنگ‌های آذرین نبوده و امکان رخداد آن در سنگ‌های دگرگونی و رسوبی نیز میسر است. به واسطه تجزیه و هوازدگی شیمیایی کانی‌های فلدسپار، فرو منیزیم و میکا، کانی‌هایی جدید شکل گرفته که باعث به وجود آمدن کانی‌های رسی و ایجاد وضعیت خمیری و چسبندگی درون خاک میشوند. از جمله مهمترین کانی‌های رسی شامل کائولینیت، ایلیت و مونت موریلیونیت هستند.
سنگ‌های رسوبی
خاک‌های حاصل از فرایند هوازدگی می‌توانند تحت اثر فشار و به واسطه مواد چسبنده بین دانه‌های آن‌ها به سنگ‌های رسوبی تبدیل شوند. همچنین سنگ‌های رسوبی می‌توانند به واسطه فرایندهای شیمیایی شکل بگیرند، این گونه سنگ‌های رسوبی دارای ساختار clastic و یا nonclastic هستند (همچون سنگ آهک، سنگ نمک، گچ، دولومیت).
سنگ‌های دگرگونی
سنگ‌های دگرگونی با توجه به فرایند دگرگون شدن کانی‌های مختلف به وجود می‌آیند. از جمله سنگ‌های دگرگونی شامل سنگ مرمر، فیلیت، شیست هستند.
اندازه دانه‌های خاک
توده خاک متشکل از دانه‌های مختلف با اندازه‌های مختلف است. دانه‌های خاک را با توجه به اندازه دانه‌های آن به چهار گروه شن، ماسه، لای و رس تقسیم بندی می نمایند. استانداردهای مختلف برای بیان مرز بین دانه‌های شن، ماسه و لای و رس در سالیان گذشته تدوین شده است.
دانه‌های شنی و ماسه‌ای عمدتاً از کانی‌های کوارتز تشکیل شده‌اند. دانه‌های لای نیز از کانی‌های کوارتز یا میکا تشکیل شده‌اند.
رس‌ها نیز متشکل از کانی‌های میکا، کانی‌های رسی و در برخی حالات سایر کانی‌ها هستند. شایان ذکر است که یک دانه خاک با اندازه رسی حتماً دارای کانی‌های رسی نبوده و نبایستی رس (به عنوان اندازه دانه‌های خاک) را با کانی‌های رسی یکسان در نظر گرفت.
منحنی دانه بندی
در یک نمونه خاک، دانه‌های خاک دارای اندازه‌های مختلف بوده و برای بیان نحوه توزیع اندازه دانه‌ها در خاک از منحنی دانه بندی استفاده میشود. منحنی دانه بندی خاک بیانگر میزان درصدی از یک اندازه مفروض دانه‌ها در یک نمونه خاک خشک است. منحنی دانه بندی مصالح خاکی با اندازه بزرگتر از ۰/۰۷۵ میلی متر با عبور از الک‌های مختلف (آزمایش دانه بندی) بدست آمده و برای مصالح خاکی با اندازه کوچکتر از ۰/۰۷۵ میلی متر با استفاده از هیدرومتر و آزمایش هیدرومتری تعیین میشود.
آزمایش دانه بندی
با عبور دانه‌های خاک خشک از یک سری الک با اندازه‌های حفرات استاندارد مختلف، درصد وزنی هر یک از اندازه‌های دانه‌ها را می‌توان بدست آورد.
دانسیته نسبی
دانسیته نسبی برای بیان میزان شل و یا سفت بودن (تراکم) خاک‌های دانه‌ای استفاده شده و دانسیته نسبی را می‌توان بر حسب درصد نیز بیان نمود. در شل‌ترین حالت مقدار دانسیته نسبی برابر ۰درصد و در سفت‌ترین حالت برابر ۱۰۰ درصد است.
مهمترین عوامل موثر بر روی نسبت تخلخل مینیمم و ماکزیمم خاکشامل شکل دانه‌ها، اندازه دانه‌ها، شکل منحنی دانه بندی، روابط وزنی – حجمی، درصد ریزدانه‌ها (دانه‌های کوچکتر از ۰/۰۷۵ میلی متر) است.
به واسطه وجود ذرات و کانی‌های رسی درون یک خاک و جذب آب توسط این ذرات، خاک می‌تواند خاصیت خمیری داشته و به شکل‌های مختلفی متراکم شود. در صورتی که میزان درصد رطوبت خاک کم باشد، رفتار خاک مشابه یک جسم جامد بوده و در صورتی که میزان آب درون حفرات به قدری بوده تا دانه‌های خاک درون آب معلق شوند خاک رفتاری مشابه با یک جسم مایع خواهد داشت. وضعیت خاک را با توجه به میزان رطوبت آن به چهار وضعیت جامد، نیمه جامد، خمیری و مایع تقسیم بندی نمود.
- اتربرگ درصد رطوبت متناظر با مرز تغییر حالت خاک را از وضعیت جامد به نیمه جامد، حد انقباض نامید. به طور مشابه، اتربرگ درصد رطوبت متناظر با مرز تغییر حالت خاک را از وضعیت نیمه جامد به خمیری، حد خمیری و درصد رطوبت متناظر با مرز تغییر حالت خاک از وضعیت خمیری به مایع را حد روانی نامید.
حد خمیری
- حد خمیری (PL) خاک برابر درصد رطوبت خاکی بوده که وقتی آن را به فتیله‌هایی با قطر ۴/۲ میلی متر رسانده، درون خاک ترک‌هایی ایجاد شود. میزان حد خمیری خاک را نیز می‌توان با آزمایش سقوط مخروط و میزان نفوذ یک مخروط سنگین تر به مقدار ۲۰ میلی متر محاسبه نمود.
حد انقباض
- حد انقباض (SL) خاک برابر درصد رطوبتی از خاک بوده که با کمتر شدن درصد رطوبت خاک دچار هیچ گونه تغییر حجم (کاهش حجم) نشود. برای اندازه‌گیری حد انقباض یک خاک مرطوب اولیه با حجم و جرم مفروض را درون یک ظرف چینی پر نموده و آن را درون کوره (اون) خشک کرده سپس وزن خاک خشک را بدست آورده و حجم از دست رفته را با ریختن جیوه درون ظرف بدست میآورند.
ساختار خاک
- به نحوه قرارگیری دانه‌های خاک در کنار یکدیگر اصطلاحاً ساختار خاک اطلاق میشود. عوامل اصلی موثر بر روی ساختار خاک شامل شکل، اندازه دانه‌ها و کانی‌های تشکیل دهنده خاک هستند. بافت خاک‌ها در دو گروه خاک‌های چسبنده و غیر چسبنده (دانه‌ای) بررسی میشود.
بافت خاک‌های چسبنده
شامل دو وضعیت پراکنده و مجتمع (فولکوله‌ای) هستند. نحوه شکل‌گیری بافت خاک‌های چسبنده تابعی از نیروهای جاذبه و دافعه بین ذرات رسی است. سطح ذرات رسی دارای بارهای منفی و گوشه‌های ذرات رسی دارای بار مثبت است.
خواص خمیری و ساختار خاک
در صورتی که برایند نیروهای بین ذرات رسی به ترتیب دافعه و جاذبه باشد، ساختار خاک به ترتیب به صورت پراکنده و مجتمع خواهد بود.
طبقه بندی خاک بر اساس بافت
منظور از بافت خاک سطح قابل مشاهده خاک بوده که تابعی از دانه بندی خاک است. از جمله معروفترین سیستم‌های طبقه بندی بر اساس بافت، سیستم طبقه بندی اداره کشاورزی آمریکا (USDA) است که در آن اندازه‌های دانه‌های ماسه، لای و رس به شرح زیر است.
طبقه بندی خاک‌ها
- ماسه: بین ۲ الی ۰/۰۵ میلی متر
- لای: بین ۰/۰۵ الی ۰/۰۰۲ میلی متر
- رس: کوچک تر از ۰/۰۰۲ میلی متر
طبقه بندی خاک با توجه به رفتار مهندسی
میزان و نوع کانی‌های رسی موجود در یک خاک بر روی ویژگی‌های رفتار مهندسی آن موثر بوده که این مسئله در طبقه بندی‌های بافتی در نظر گرفته نشده است.
در طبقه بندی‌های مهندسی، ویژگی‌های منحنی دانه بندی و خواص خمیری خاک در طبقه بندی خاک‌ها مد نظر واقع میشود.
خواص خمیری
- خاک لای دار: دارای نشانه خمیری کوچکتر و یا مساوی ۱۰
- خاک رس دار: دارای نشانه خمیری بزرگتر از ۱
برای استفاده خاک‌های سست در مقاصد مهندسی همچون ساخت پی‌ها، شیروانی‌های خاکی، سدهای خاکی و … حجم حفرات آن‌ها را با عمل تراکم کاهش داده تا پارامترهای مقاومتی آن‌ها همچون ظرفیت باربری، مقاومت برشی و … افزایش یابد.
- عمل تراکم خاک‌ها با استفاده از ماشین آلات مختلف همچون غلتک‌ها انجام می‌پذیرد.
اصول تراکم
- تراکم در واقع افزایش وزن مخصوص یک خاک و کاهش حجم حفرات آن با اعمال انرژی است. درجه و یا میزان تراکم یک خاک با توجه به وزن مخصوص خشک آن سنجیده میشود.
- وقتی که آب بین دانه‌های خاک اضافه میشود، به عنوان یک ماده لغزنده بین دانه‌ها باعث افزایش تراکم پذیری خاک میشود. در نتیجه به واسطه افزایش میزان رطوبت خاک، تراکم پذیری آن افزایش یافته و وزن مخصوص خشک آن نیز افزایش می‌یابد.
- بعد از یک مقدار درصد رطوبت مفروض، هرچه میزان رطوبت خاک افزایش یابد، وزن مخصوص خشک متناظر با آن دیگر افزایش نیافته و دچار کاهش میشود. این امر به واسطه اشغال فضاهای مربوط به دانه‌های خاک توسط آب اتفاق می‌افتد.
- اصطلاحاً به درصد رطوبت متناظر با بیشترین وزن مخصوص خشک درصد رطوبت بهینه و یا درصد رطوبت اپتیمم اطلاق میشود.
عوامل موثر بر روی تراکم
- به غیر از درصد رطوبت خاک، عوامل دیگری همچون نوع خاک و نیز انرژی تراکم بر روی میزان تراکم یک خاک موثر هستند.
تاثیر انرژی تراکم
- افزایش انرژی تراکم باعث افزایش وزن مخصوص خشک بهینه و کاهش درصد رطوبت بهینه در یک تراکم میشود.
آزمایش تراکم اصلاح شده
- به واسطه استفاده از غلتک‌های سنگین وزن در عملیات‌های تراکم واقعی، آزمایش تراکم (پروکتور) را نیز می‌توان با ارتقا و سنگین‌تر نمودن چکش تراکم آن انجام داد که به آن آزمایش تراکم (پروکتور) اصلاح شده اطلاق میشود.
