مکانیک خاک (soil mechanics) شاخه ای از علم فیزیک خاک و مهندسی عمران بوده که به مطالعه و بررسی رفتار خاک در شرایط بارگذاری می پردازد. خاک ترکیبی غیر یکپارچه از مواد آلی فاسد شده و دانه های کانی ها بوده که در فضای خالی بین آن ها نیز گازها و آب قرار دارد. خاک یکی از اصلی ترین و مهم ترین مصالح جهت ساخت و ساز بوده که از این روی آگاهی از نکاتی چون دانه بندی، مقاومت برشی، مبدا پیدایش، ظرفیت باربری، قابلیت زهکشی و … الزامی است.

تاریخچه مکانیک خاک

پیشینه عملیات خاکی به دوران پیدایش شهر نشینی باز می گردد. با پیدایش شهرهای بزرگ و  افزایش شهرنشینی، بسیاری از مردم اقدام به ساخت کانال های آبرسانی، حفر قنات، ایجاد پل و سدهای محکم کرده که همگی به نحوی با عملیات خاک در ارتباط می باشد. با بررسی آثار به جا مانده در شهرها، متخصصان بر این باورند که مهم ترین رابطه ساده در زمینه مکانیک خاک، توسط یک مهندس ارتشی فرانسوی و در سال 1773 میلادی ارائه شد. علم مکانیک خاک توسط مهندس کارل فون تزراقی  و از سال 1925 به صورت رسمی شناخته شد. جالب است بدانید که کارل فون تزراقی همواره به عنوان پدر علم مکانیک خاک شناخته شده و با ارائه کتاب اصول مکانیک خاک توانست این شاخه از علم را پایه گذاری کند.

علم مکانیک خاک چیست؟

مکانیک خاک یکی از شاخه های مهندسی عمران بوده که به نام مهندسی ژئوتکنیک نیز مشهور است. در این شاخه از مهندسی، روابط ریاضی و اصول مکانیکی خاک مورد بررسی قرار می گیرد. افراد متخصص در این رشته به تحلیل دقیق رفتارهای محیطی خاک پرداخته و المان های سازه را نیز طراحی می کنند.

نکته: مکانیک خاک یکی از دروس تخصصی رشته ی مهندسی عمران نیز می باشد.

خاک چیست و چند نوع دارد؟

خاک یا همان پدوسفر ماده ای تحکیم نیافته بوده که از سنگدانه های سیمانی نشده تشکیل می شود و همچنین متشکل از مواد آلی پوسیده و دانه های معدنی نیز می باشد. به زبان ساده تر خاک لایه بالایی سطح زمین بوده که تحت تاثیر عوامل گوناگون نظیر هوازدگی فیزیکی، شیمیایی و زیستی و یا عوامل مصنوعی چون انفجار سنگ و حفاری تشکیل شده است.

نکته: از جمله عوامل طبیعی موثر در شکل گیری خاک می توان به کربناتاسیون، باد، هیدراتاسیون، تغییرات دمایی، فعالیت گیاهان، باران، اکسیداسیون و فعالیت حیوانات اشاره کرد.

معرفی خواص خاک

قبل از هر چیز لازم است بدانید که خاک از فازهای گوناگون (جامد، مایع، گاز) تشکیل شده و ویژگی های آن نیز متاثر از رفتار متقابل این فازها و تنش اعمال شده می باشد.

• فاز جامد شامل مواد آلی، خاک رس و مواد معدنی غیر رس بوده و بر اساس اندازه خود در دسته های خاک رس، شن و ماسه دسته بندی می شود.
• فاز گاز عموما از هوا تشکیل شده است.
• فاز مایع متشکل از آب با ترکیبات آلی موجود از نشت مواد شیمیایی، آب های زیر زمینی و زباله ها می باشد.

soil specific surface area(سطح مخصوص خاک): سطح خارجی خاک محل بوجود آمدن پدیده های شیمیایی و فیزیکی بوده و بر خواصی چون مقاومت خاک و یا نفوذ پذیری آن نیز تاثیر گذار است.

Friction  (اصطکاک): وجود نیروی اصطکاک بین دو سطح تماس، سبب ایجاد مقاومت در برابر حرکت می شود.

نیروی جاذبه و دافعه: نیروی بین ذرات خاک به دو صورت ذیل می باشد.

• جاذبه بین مولکولی ذرات والانسی van fer waals
• نیروی دافعه الکتروکینماتیکی electrokinetic repulsion

Adhesion  (چسبندگی): چسبندگی خاک مقاومت آن را تشکیل داده و نتیجه نیروی جاذبه الکتروشیمیایی بین ذرات می باشد.

Capillary (مویینگی): به خاصیت بالا رفتن آب در حفره های بین ذرات خاک، خاصیت مویینگی گفته می شود.

Consolidation  (تحکیم): با افزایش فشارهای جانبی بر خاک حجم حفره های آبدار نیز کاهش پیدا کرده که به این پدیده تحکیم می گویند.

Soil collapse (گسیختگی توده خاک):  توده خاک زمانی دچار گسیختگی شده که خاک مقاومت خود را از دست داده و دچار برش نیز می شود.

دانه بندی و انواع خاک

خاک بر اساس ابعاد ذرات تشکیل دهنده به گروه های گوناگونی نظیر ریزدانه و درشت دانه تقسیم بندی شده که هر یک عبارت اند از:

ماسه: این گروه از شن کوچک تر بوده و ذرات آن نیز اندازه ای بین 0.063 تا 2 میلی متر دارد.

شن: ابعاد ذرات تشکیل دهنده ی این نوع خاک، بین 2 تا 63 میلی متر است.

رس: این نوع خاک دارای کوچک ترین ذرات بوده به طوری که ابعاد آن از 0.002 کوچک تر می باشد.

سیلت: اندازه ی سیلت بین 0.002 تا 0.063 میلی متر بوده، بنابراین از شن و ماسه کوچک تراست. بررسی دقیق موارد مذکور از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده زیرا معیاری برای تشخیص های اولیه ویژگی های فیزیکی خاک محسوب می شود.

 دانه بندی خاک

در صورت گسترده تر بودن طیف اندازه های ذرات تشکیل دهنده خاک، مقاومت برشی و تراکم پذیری آن بیشتر و هدایت هیدرولیکی آن کمتر می شود. جهت اندازه گیری توزیع دانه بندی آزمایش های گوناگونی وجود داشته که عموما بر روی منحنی دانه نمایش داده خواهد شد. به کمک نمودار، پارامترهایی نظیر اندازه، یکنواختی و ضریب انحنا بدست آمده که هر یک از مفاهیم مذکور به شرح ذیل است.

ضریب انحنا: ضریب انحنا بر اساس دانه بندی صورت گرفته و معیاری برای تشخیص کیفیت توزیع ذرات خاک می باشد.

اندازه: اندازه موثر قطری بر روی منحنی دانه بندی بوده که 10 درصد ذرات خاک از آن ریزتر می باشد.  این پارامتر برای زهکشی خاک و هدایت هیدرولیکی کاربرد داشته و هم چنین به شکل (D10) نمایش داده می شود.

ضریب یکنواختی: این پارامتر میزان یکنواختی توزیع ذرات خاک را نشان داده جالب است بدانید که خاک با دانه بندی خوب، ضریب یکنواختی بهتری نیز دارد.

برای درک بهتر می توانید به مثال زیر توجه کنید.

نکته: برای این که خاک دانه بندی خوبی داشته باشد، میبایست مقدار Cc بین 1 تا 3 باشد.

بررسی اهمیت دانه بندی خاک

دانه بندی خاک قبل از آغاز پروسه ساخت و ساز مورد بررسی قرار گرفته و همواره به عنوان یکی از مهم ترین مفاهیم در مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک شناخته می شود. دانه بندی خاک در هر سازه نیز متغیر بوده برای مثال به جهت ساخت پل و یا فوندانسیون، از خاک های درشت دانه استفاده می شود. از جمله دیگر کاربرد دانه بندی خاک، می توان به چگونگی انجام بهسازی و انتخاب نوع ماده پر کننده اشاره کرد.

بررسی مشخصات فیزیکی خاک

خاک از لایه های گوناگونی تشکیل شده که به صورت موازی با سطح زمین روی هم قرار گرفته اند. این لایه ها به نام افق خاک نیز شناخته شده و انواع گوناگونی دارد. برای مثال افق O بالاترین لایه خاک بوده که با تجمع مواد آلی و نبود مواد معدنی مشخص می شود و یا افق های B لایه های معدنی هستند که در زیر افق E، Q و یا A تشکیل می شوند. از دیگر ویژگی های فیزیکی خاک می توان به موارد ذیل اشاره کرد.

Texture: بافت یا همان Texture یکی از مهم ترین مبناها به جهت طبقه بندی خاک در سیستم های بین المللی بوده و بر ویژگی های دیگر چون هوای قابل ذخیره، رطوبت، نفوذپذیری و غیره تاثیر گذار می باشد.

Consistency: روانی خاک یا Consistency دارای چهار حالت مایع، خمیری، جامد و نیمه جامد بوده که مقاومت خاک در برابر تنش با توجه به میزان رطوبت موجود در آن توصیف می شود.

Structure: ساختمان خاک از مهم ترین عوامل در زاویه اصطکاک داخلی، چسبندگی و مقاومت برشی بوده که نحوه قرارگیری ذرات ریز و درشت در کنار همدیگر را وصف می کند.

بررسی مشخصات شیمیایی خاک

Ph: پی اچ معیاری برای بررسی میزان باز یا اسیدی بودن خاک است. این نکته تاثیر بسیار زیادی بر دوام سازه های خاکی و مقاومت برشی نیز دارد.

رس سیلیکاته: درصد رس سیسلیکاته در خاک، بر سازگاری آن با افزودنی ها و مصالح ساختمانی تاثیر بسیاری دارد. درواقع رس سیسلیکاته ذرات ریزی از جنس کانی سیلیس با سختی بالا می باشد.

کاربرد مکانیک خاک

تمامی سازه های عمرانی نظیر سد، ساختمان، تونل، کانال، فرودگاه، راه آهن، پل و غیره به نوعی با خاک در ارتباط است از این جهت کسب اطمینان از عدم تخریب، ایمنی سازه و عملکرد مناسب بر عهده ی علم مکانیک خاک و مهندس ژئوتکنیک می باشد.

آزمایش خاک

در ادامه به بررسی دو روش متداول آزمایش خاک خواهیم پرداخت.

آزمایش الک: به جهت بدست آوردن توزیع اندازه دانه های شن و ماسه از آزمایش الک استفاده می شود. این آزمایش با استفاده از تعدادی الک (به همراه سوراخ های منظم و دقیق) انجام شده به طوری که الک ها روی هم قرار گرفته (الک با سوراخ های بزرگ تر در بالا و سوراخ های ریزتر در پایین) و سپس خاک خشک بر روی بالاترین الک ریخته می شود. حال الک ها در مدت زمان معین شده تکان می خورند تا در صورت امکان، دانه های خاک از الک عبور کند. این روش برای دانه ها خیلی کوچک چندان مناسب نبوده زیرا در حین انجام آزمایش دانه های خاک به یکدیگر میچسبند.

آزمایش آب سنجی: در این روش مخلوطی از دانه های خاک را در آب ریخته و سپس مخلوط رقیق دانه های معلق خاک به همراه آب، به یک شیشه ی استوانه ای شکل اضافه شده و به جهت جلوگیری از حرکت دانه ها، شیشه برای مدت طولانی رها می شود.

نکته: جالب است بدانید که دانه های ماسه در تنها چند ثانیه و دانه های رس بعد از چندین ساعت در آب آرام می شود. با انجام آزمایش های دیگر چون رها کردن مخروط، برش مستقیم، سه محوری، برش پره و برش ساده می توان مقاومت خاک را نیز بررسی کرد.

بیشتر بدانید:

اختلاط عمیق خاک چیست؟

بهسازی خاک

اندازه گیری ویژگی های خاک

شناخت خواص شیمیایی و فیزیکی خاک یکی دیگر از مطالعات ضروری بوده که در بسیاری از تصمیم گیری ها تاثیر گذار می باشد. خواص فیزیکی و شیمیایی خاک به عوامل ذیل مربوط است.

وزن خاک: با استفاده از یک ترازوی دقیق و انجام محاسبات از طریق فرمول W=m.g می توان وزن خاک را محاسبه کرد.

نکته: W معادل وزن و g معادل شتاب گرانش زمین می باشد.

حجم خاک: برای محاسبه ی حجم خاک های چسبنده می توان از چندین روش اقدام کرد.

• روش اول: موم اندود کردن نمونه و قرار دادن در استوانه مدرج حاوی آب
• روش دوم: وارد کردن نمونه در استوانه مدرج حاوی جیوه

در هر دو روش اختلاف ارتفاع جیوه یا آب نشان دهنده حجم نمونه خاک می باشد.

درصد رطوبت: نسبت وزن آب موجود در خاک به وزن خشک خاک

پوکی یا تخلخل: نسبت حجم فضاهای خالی به حجم کل خاک

بررسی طبقه بندی خاک

طبقه بندی خاک به هدف پیش بینی رفتار و خصوصیت مکانیکی آن انجام شده و بر اساس خصوصیات مکانیکی مرتبط با فوندانسیون و مصالح ساختمانی انجام می شود.

مشهورترین سیستم های طبقه بندی خاک به شرح ذیل است.

• سیستم طبقه بندی آشتو (برای پروژه های راه سازی)
• سیستم طبقه بندی متحد (برای پروژه های ژئوتکنیکی)
• سیستم طبقه بندی اداره کشاورزی ایالات متحده

از میان موارد مذکور سیستم طبقه بندی متحد به عنوان پرکاربرد ترین سیستم در مهندسی ژئوتکنیک شناخته شده و کیفیت خاک را به پنج دسته ی لای، رس، شن، ماسه و آلی( با خاصیت خمیری زیاد یا کم) تقسیم بندی می کند.

درجه اشباع خاک و فرمول آن

فضای خالی میان ذرات خاک عموما با آب یا خاک پر شده در صورتی که تمام فضای خالی با آب پر شود، خاک به درجه اشباع می رسد. فرمول محاسبه درجه اشباع به شرح ذیل می باشد.

نکته: در فرمول مذکور S معادل درجه اشباع،  معادل حجم آب و  حجم فضای خالی می باشد.

حدود اتربرگ

معیار اتربرگ میزان رطوبت و سفتی خاک های ریز دانه را توصیف کرده و معیاری برای تعیین مرزهای تغییر رفتار خاک بوده است.

نکته: حدود اتربرگ بر اساس حالت های روانی تعیین می شود.

حدود اتربرگ عبارت است از حد مایع (مرز بین حالت خمیری و حالت مایع)، حد انقباض (مرز بین حالت جامد و نیمه جامد) و حد خمیری (مرز بین حالت خمیری و حالت نیمه جامد)

شاخص مایع و شاخص خمیری چیست؟

شاخص مایع: در خاک های چسبناک به جهت توصیف سفتی نسبی، از نشانه مایع استفاده شده که فرمول آن نیز به شرح ذیل است.

نکته: در فرمول مذکور  معادل میزان رطوبت درجا،  PL معادل شاخص پلاستیک و LL معادل حد مایع می باشد.

توجه: درخاک های تحکیم یافته شاخص  LIکمتر از یک و در خاک های تحکیم نیافته بزرگ تر از یک بوده است.

شاخص خمیری: شاخص خمیری به میزان رس موجود در خاک بستگی داشته و نشان دهنده ی اختلاف حد مایع و حد خمیری نیز می باشد.

PI=LL−PL

در فرمول مذکور PI نشان دهنده شاخص خمیری، LL نشان دهنده حد مایع و PL نشان دهنده حد خمیری است.

نکته: در صورتی که PI بالاتر از 17 باشد، میزان رس خاک بالا بوده اگر این مقدار مساوی با صفر باشد، خاک حالت خمیری نخواهد داشت.

معیار شکست خاک

معیار شکست روابط ریاضی بر پایه تئوری های شکست بوده که میزان پایداری و ناپیداری خاک را تعیین می کند. مشهورترین معیارهای شکست خاک نیز به شرح ذیل بوده است.

معیار شکست دراکر-پراگر: برای خاک های حساس به فشار

معیار شکست مور-کولمب: برای خاک های اصطکاکی و چسبنده

معیار شکست ماتسوکا-ناکای: برای خاک های غیر چسبنده

تئوری شکست کم-کلی: برای خاک اشباع دست نخورده

از میان تمامی موارد مذکور، معیار شکست مور-کولمب از محبوبیت بیشتری برخوردار بوده و به جهت تعیین مقاومت برشی خاک در تنش های موثر مختلف نیز کاربرد دارد.

آشنایی با مفهوم نشست خاک

حرکت رو به پایین زمین به دلیل اعمال بار فوندانسیون نشست نام داشته که به دلایل گوناگونی چون تراکم نامناسب، ظرفیت باربری کم خاک، رشد گیاهان و یا ریشه درختان، تغییر در محتوای آب و غیره ایجاد می شود. نشست تحکیم ممکن است بعد از ماه ها و یا سال ها بعد از ساخت سازه رخ دهد برای مثال می توان به برج پیزا واقع در ایتالیا اشاره کرد که پس از 700 سال شکل امروزی را به خود گرفته است. خزش یا نشست تحکیم ثانویه نیز معمولا در رس های آلی و رس های خمیری رخ داده و علت آن تغییر پیوسته آرایش ذرات خاک تحت تنش موثر ثابت می باشد.

فشار جانبی خاک

فشاری که توسط خاک در راستای قائم بر جاذبه به سازه اعمال شود، فشار جانبی خاک نام دارد. فشار جانبی خاک به دلیل داشتن تاثیر مستقیم بر نحوه تحکیم و مقاومت خاک، در طراحی سازه هایی چون فوندانسیون عمیق، گودبرداری، سازه نگهبان، تونل و دیوار حائل استفاده می شود. همچنین فشار جانبی خاک در دیوار حائل سبب ایجاد سه نوع تنش به نام های تنش فعال (تنشی که سبب حرکت دیوار و شکست برشی می شود)، تنش ساکن ( تنشی که بدون تغییر در سازه درون خاک است) و تنش منفعل (تنشی که بر اثر فشار دیوار به سمت خاک پدید می آید) می شود.

تراوش چیست؟

فضای خالی میان ذرات خاک با آب یا هوا پر شده است. آب همواره تمایل داشته تا از نقطه ای با انرژی بالا به نقطه ای با انرژی کم درجریان باشد از این روی در صورت وجود مسیر جابجایی، تراوش یا همان جریان آب در خاک پدید می آید. از کمیت تراوش به جهت اندازه گیری سازه های حائل، مطالعه پایداری سدهای خاکی، تحکیم خاک های رسی، جریان آب زیرزمینی، زهکشی در حین ساخت ساختمان و غیره استفاده می شود.

نکته: جالب است بدانید که فضای خالی میان ذرات سبب شده تا میزان تراوش در خاک با (دانه بندی بد) بیشتر از خاک با (دانه بندی خوب) باشد.

تعریف ظرفیت باربری خاک

به توانایی خاک در تحمل بارهای اعمال شده از جانب سازه (بار مرده و زنده) ظرفیت باربری گفته می شود. به تعریفی دیگر، ظرفیت باربری خاک به عنوان میانگین حداکثر فشار تماسی بین خاک و فوندانسیون بدون رخ دادن شکست برشی نیز شناخته می شود.

• ظرفیت باربری مجاز: (حاصل ظرفیت باربری نهایی تقسیم بر ضریب ایمنی)
• ظرفیت باربری نهایی: (میزان حداکثر فشار تئوری قابل تحمل توسط خاک پیش از رخ دادن شکست)

به یاد داشته باشید که وضعیت باربری به عوامل ذیل بستگی دارد.

• ویژگی های خاک نظیر نفوذ پذیری، مقاومت برشی، چگالی، محتوای آب، تراکم پذیری، اصطکاک داخلی
• نوع بارگذاری نظیر نقطه ای یا یکنواخت
• مشخصات فوندانسیون نظیر عمق، اندازه، نوع فوندانسیون و شکل

تراکم خاک و اهمیت آن

با خروج هوا و نزدیک شدن ذرات جامد، چگالی خاک افزایش پیدا می کند. این فرآیند تراکم خاک نامیده می شود. تراکم خاک در ساخت سازه های خاکی نظیر خاکریز ها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده زیرا سبب افزایش مقاومت و ظرفیت خاک می شود. از جمله دیگر علل انجام تراکم خاک می توان به کم کردن تخلخل، کاهش نفوذ پذیری و غیره اشاره کرد. تحکیم خاک نیز یکی دیگر از مهم ترین عوامل به جهت ساخت و ساز بوده که در دوام سازه ها نیز تاثیر فراوانی دارد. تحکیم خاک روشی است که با اعمال تنش حجم خاک کاهش پیدا کرده و با حذف تنش مقداری از حجم از دست رفته بازیابی می شود.

کلام پایانی:

بررسی ویژگی های گوناگون خاک یکی از اصلی ترین مراحل جهت ساخت و ساز محسوب شده زیرا تاثیر بسیار زیادی در طول عمر بنا می گذارد. در این مقاله به بررسی علم مکانیک خاک پرداخته و مهم ترین نکات آن را بررسی کرده ایم. شما می توانید با مطالعه ی این مقاله اطلاعات مفیدی در رابطه با علم مکانیک خاک و مهندسی عمران کسب کنید.