مروری بر مکانیک خاک

تعداد صفحات : 20 با فرمت ورد و قابل ویرایش

قسمتی از متن  :

تركیب و طبقه‌بندی خاك

خاك از سه بخش تشكیل شده است، آب، هوا و قسمت جامد، كه مجموع آب و هوا، منافذ گویند. و روابط زیر بین آنها حاكم است:

خاك‌ها از متلاشی شدن سنگ‌ها پدید می‌آیند و فضای خالی بین ذرات خاك از آب یا هوا (سیالات) پر شده است. پیوند ضعیف بین ذرات خاك معمولاً به علت رسوب كربنات‌ها و یا اكسیدها و یا به سبب وجود مواد آلی و یا پیوندهای بین مولكولی است. اگر مواد حاصل از متلاشی شدن سنگ‌ها در محل اصلی خود باقی بمانند، خاك حاصل از نوع برجا و در صورتی كه مواد متشكل به محل دیگری حمل و به جای گذاشته شوند، خاك از نوع انتقالی است. نیروی ثقل، باد، آب و یخچال‌های طبیعی، عوامل جابجا شدن خاك‌ها می‌باشند.

روند تخریبی تشكیل خاك از سنگ ممكن است فیزیكی و یا شیمیایی باشد. روند تخریب فیزیكی به صورت فرسایش حاصل از عمل باد، آب و یخچال‌ها، جاذبه و سقوط و یا خرد شدن ناشی از تناوب ذوب و انجماد آب موجود در حفره‌ها و ترك‌های داخل سنگ صورت می‌گیرد. در این حالت، ذرات خاك پدید آمده همان تركیب شیمیایی سنگ مادر را دارا هستند. مانند ماسه كه از تخریب فیزیكی ماسه سنگ یا كوارتز حاصل می‌شود. خاك‌های بوجود آمده از این طریق دارای شكل‌های گرد، تیز گوشه، ورقه‌ای و یا سوزنی هستند كه می‌توان به خاك‌های درشت دانه شنی و ماسه‌ای در این مورد اشاره نمود.

در روند تخریب شیمیایی نوع كانی سنگ مادر بر اثر عواملی از قبیل آب (به ویژه اگر قدری اسیدی یا قلیایی باشد)، دی اكسید كربن، اكسیژن و سایر عوامل دستخوش تغییر می‌شود و ساختمان خاك حاصل به لحاظ ساختار شیمیایی متفاوت با سنگ مادر است. مثلاً كانی رسی كائولینیت، از تجزیه فلدسپات تحت اثر آب و دی اكسید كربن بوجود می‌آید. غالباً خاك‌های ریزدانه تحت چنین فرآیندی بوجود می‌آیند و دارای بافت صحفه‌ای با باندهای الكتریكی‌اند.

شناسایی و طبقه‌بندی خاك ها

در مهندسی پی و پی‌سازی، خاك‌ها به دو دسته مهم، یعنی ریزدانه و درشت دانه تقسیم می‌شوند كه می‌توان تعبیر خاك‌های چسبنده و غیرچسبنده (اصطكاكی) را نیز به ترتیب برای آنها بكار برد. خاك‌های ریزدانه از تخریب شیمیایی سنگ پدید می‌آیند و ذرات آنها با چشم دیده نمی‌شوند. مقاومت برشی آنها عمدتاً از طریق پارامتر چسبندگی (C) حاصل می‌شود. تراكم آنها دشوار است و عمده نشست ناشی از بارگذاری در آنها وابسته به زمان است. این خاك‌ها دارای قابلیت آبگذری و یا ضریب نفوذپذیری پایینی هستند و غالباً توان باربری و سختی كمتری نسبت به خاك‌های درشت دانه دارند. رفتار خاك‌های ریزدانه با جذب آب تغییر می‌كند. از طرف دیگر، خاك‌های درشت دانه دارای نفوذپذیری و زه‌كشی قابل توجه می‌باشند و از مصالح مناسب جهت كاربرد در صنعت راهسازی، زهكشی و فیلتر، بتن و آسفالت به شمار می‌آیند. به استثنای ماسه‌های شل و غیرمتراكم. این خاك‌ها معمولاً توان باربری و سختی مناسب با قابلیت تغییرات حجمی كم در بارگذاری استاتیكی دارند.

مقاومت برشی این خاك‌ها از طریق اصطكاك داخلی بین ذرات ( ) حاصل می‌شود. نشست این خاك‌ها هنگام بارگذاری به صورت آنی و سریع است. تراكم اینگونه خاك‌ها نیز به سهولت توسط كوبنده‌های ارتعاشی انجام می‌پذیرد. خاك‌ها به دو روش صحرایی و آزمایشگاهی شناسایی و طبقه‌بندی می‌شوند. چگونگی روش‌های متداول طبقه‌بندی خاك‌ها به شرح زیر است:

شناسایی صحرایی خاك‌ها

به عنوان بررسی‌های محلی و شناسایی‌های اولیه گاهی لازم است كه خاك در محل پروژه مورد ارزیابی قرار گیرد كه در این زمینه روش‌های زیر متداول هستند:

·                     شناسایی چشمی

اگر نصف ذرات خاك با چشم دیده شوند، خاك درشت دانه و در غیراینصورت ریزدانه می‌باشند. اگر در خاك درشت دانه بیش از نیمی از ذرات از دانه عدس بزرگتر باشند، خاك درشت دانه از نوع شن و در اینصورت ماسه می‌باشد.

·                     تكان دادن (ارتعاش)

اگر با افزودن آب به یك مشت خاك، گلوله‌ای خمیری به قطر حدود 5 سانتیمتر درست كنیم و در كف‌دست چندین بار تكان دهیم. در صورتی كه خاك موردنظر لای یا به اصطلاح سوئدی باشد «میتا» باشد، سطح خارجی آن با فیلم نازكی از آب شفاف می‌شود و در صورتی كه رس باشد، پدیده قابل توجهی در سطح خارجی آن مشاهده نمی‌شود.

·                     آزمایش مقاومت خشك

مقدار از خاك موردنظر را با آب مخلوط و خمیری می‌سازیم. خمیر حاصل را در گرمخانه (آون) خشك نموده، سپس به كمك انگشتان دست سعی می‌كنیم نمونه را بشكنیم. با افزایش خاصیت خمیری خاك، مقاومت خشك آن افزایش می‌یابد. رس با خاصیت خمیری بالا بیشترین مقاومت خشك را دارا می‌باشد. مقاومت رس با خاصیت خمیری كم و لای با خاصیت خمیری بالا، مقدار كمتر است. كمترین مقاومت را در این بین، خاك‌های آلی و لای با خاصیت خمیری پایین دارند. ماسه‌های ریز، لای‌های ریز و ماسه لای‌دار مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند. این آزمایش را بر روی نمونه‌های خشك شده در محل نیز می‌توان انجام داد.

·                     آزمایش سفتی

نمونه‌ای از خاك را با آب مخلوط و خمیره‌ای می‌سازیم. سپس همانند آزمایش حد خمیری در مكانیك خاك، فتیله كردن خمیر با كف دست روی یك سطح شیشه‌ای انجام می‌شود تا كاهش قطر آن به 3 میلیمتر بالغ گردد. خاك‌های آلی و لای‌دار در دفعات اولیه ترك برمی‌دارند، اما رس‌ها چندین بار قابلیت گلوله و فتیله شدن حتی تا قطر كمتر از 3 میلیمتر را از خود نشان می‌دهند.

·                     آزمایش ته نشینی

حدود 50 گرم (برای خاك‌های شنی مقداری بیشتر) خاك را در یك ظرف یا لیوان شیشه‌ای به عمق 15 سانتیمتر ریخته و آن را با آب پر می‌كنیم. سپس آن را هم می‌زنیم. اگر خاك مورد مطالعه، شن یا ماسه درشت دانه باشد، سریعاً ته‌نشین می‌شود. اگر ماسه ریزدانه باشد، در مدت زمان كمتر از 10 دقیقه و اگر لای باشد از 10 تا 60 دقیقه ته‌نشین خواهد شد. در مورد رس‌ها زمان ممكن است چندین ساعت و حتی شبانه‌روز به طول انجامد.

رنگ، بو و احساس

رنگ‌های تیره مثل قهوه‌ای، خاكستری و سیاه، نشانه وجود خاك‌های آلی است. خاك‌های آلی بوی بدی دارند. ذرات ماسه‌ها و لای‌ها به سادگی توسط دست از هم جدا می‌شود. لای زیر دندان تولید صدا نموده، ولی رس زیر دندان صدا نمی‌دهد.

طبقه‌بندی خاك‌ها در آزمایشگاه

یك سیستم طبقه‌بندی خاك، نشان دهنده وجود یك فرهنگ و ادبیات فنی و استاندارد مشترك بین دست‌اندركاران مهندسی عمران می‌باشد كه علاوه بر تهیه یك روش سیستماتیك دسته‌بندی بر مبنای رفتار محتمل مهندسی خاك‌ها، امكان دسترسی به مجموعه تجارب به دست آمده دیگران را نیز فراهم می‌نماید. یكی از رایجترین سیستم‌های طبقه‌بندی آزمایشگاهی خاك‌ها، سیستم طبقه‌بندی متحد یا یونیفاید می‌باشد كه در سال 1948 توسط كاساگرانده ارائه شد و بعدها اصلاح گردید.

طبقه‌بندی متحد خاك‌ها برای خاك‌های درشت دانه بر اساس توزیع دانه‌بندی ذرات است، در حالی كه رفتار خاك‌های ریزدانه اساساً به پلاستیسیته (خمیری بودن) و درصد رطوبت آنها وابسته است. بنابراین در این سیستم، تعیین دانه‌بندی خاك‌ها به كمك آنالیز الك و نیز تعیین حدود اتربرگ با استفاده از تعیین حدود خمیری و روانی خاك‌ها صورت می‌گیرد. چهار دسته اساسی خاك‌ها در سیستم طبقه‌بندی متحد عبارتند از:

·                     خاك‌های درشت دانه

·                     خاك‌های ریزدانه

·                     خاك‌های آلی

·                     خاك‌های نباتی