خاک لایه بالایی سطح زمین و از مصالح پرکاربرد در سازه‌های عمرانی است. در این مقاله، به معرفی خاک،‌ انواع، طبقه‌بندی‌ها، ترکیب شیمیایی، ویژگی‌های فیزیکی، کاربردها، مزایا و معایب آن می‌پردازیم.

فهرست مطالب این نوشته پنهان کردن

تاریخچه مطالعه خاک در مهندسی چیست؟

استفاده از خاک به عنوان ماده تشکیل سازه‌های مهندسی به هزاران سال قبل بازمی‌گردد. پیش از میلاد مسیح، مردم مصر و هند از خاک برای ساخت مسیرهای عبور و مرور مخصوص استفاده می‌کردند. بخشی از نیازهای آبی هند در این دوران نیز با استفاده از سدهای خاکی تامین می‌شد. در طی حفاری‌های اکتشافی صورت گرفته در شهر باستانی «موهن‌جو دارو» (Mohenjo Daro) در کشور پاکستان، نشانه‌های استفاده از خاک به عنوان فونداسیون و مصالح ساختمانی مشاهده شده است.

موهنجو دارو
موهن‌جو دارو

در سال 1773 میلادی (1151 شمسی)، یک مهندس فرانسوی به نام «شارل آگوستن دو کولن» (Charles-Augustin de Coulomb)، نظریه فشار زمین بر روی دیوارهای حایل ارائه داد. کولن، به این نتیجه رسید که مقاومت برشی خاک به دو مولفه چسبندگی و اصطکاک بستگی دارد.

در سال 1856 میلادی (1234 شمسی)، یکی دیگر از مهندسان فرانسوی به نام «هنری دارسی» (Henry Darcy)، قانون دارسی را برای تعیین توزیع جریان در محیط متخلخل ارائه کرد. این قانون برای محاسبه میزان نفوذپذیری خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. قانون دارسی، شروعی بر علم فیزیک خاک بود. همزمان با دارسی، یک دانشمند ایرلندی به نام «جرج گابریل استوکس» (George Gabriel Stokes)، قانون استوکس را برای تعیین سرعت ته‌نشینی ذرات درون سیال ارائه کرد. این قانون، برای تعیین ذرات خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در سال 1871 میلادی (1249 شمسی)، یک مهندس آلمانی به نام «کریستین اتو مور» (Christian Otto Mohr)، تئوری گسیختگی را برای خاک ارائه داد. او از یک روش گرافیکی به نام دایره مور برای تعیین تنش‌های اعمال‌شده بر روی صفحات شیب‌دار استفاده کرد.

در سال 1885 میلادی (1263 شمسی)، یک ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی به نام «جوزف ولنتین بوسینسک» (Joseph Valentin Boussinesq)، تئوری توزیع تنش در محیط نیمه محدود همگن، ایزوتروپ و الاستیک در شرایط بارگذاری خارجی را معرفی کرد. این تئوری برای تعیین تنش‌های ناشی از بارگذاری خارجی بر روی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. «برج کج پیزا» (Leaning Tower of Pisa)، نمونه‌ای از سازه‌های ساخته‌شده بر روی فونداسیون خاکی است. دلیل کج بودن این برج، نشست نامتقارن فونداسیون آن است.

برج پیزا
برج کج پیزا

در سال 1911 میلادی (1289 شمسی)، یک مهندس سوئدی به نام «کرت اتربرگ» (Kurt Magnus Atterberg)، چندین آزمایش را برای تعیین روانی خاک‌های چسبنده پیشنهاد داد. نتایج این آزمایش‌ها که با عنوان حدود اتربرگ شناخته می‌شوند، به منظور تعیین و طبقه‌بندی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند. در سال 1925 میلادی (1303 شمسی)، «کارل ترزاقی» (Karl Terzaghi)، مهندس و زمین‌شناس اتریشی، کتابی را منتشر کرد که شروعی بر عصر جدید مهندسی خاک بود. به دلیل ارائه آثار متعدد در زمینه مهندسی خاک، ترزاقی به عنوان پدر مکانیک خاک شناخته می‌شود.

خاک چیست ؟

«خاک» (Soil)، لایه سطحی زمین است که بر اثر هوازدگی یا حفاری به وجود می‌آید. این لایه، معمولا از مواد غیر آلی (ذرات کانی‌ها)، مواد آلی (موجودات زنده و مرده)، هوا و آب تشکیل می‌شود. از دیدگاه مهندسی، خاک، ماده‌ای است که به عنوان مصالح در ساخت سازه‌ها یا به عنوان فونداسیون (پایین‌ترین بخش) سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

افق خاک
نمایی از افق‌های مختلف خاک

در واقع خاک، یک ماده تحکیم نیافته است که از ذرات جامد می‌شود. به دلیل تحکیم‌نیافته بودن خاک، بین ذرات تشکیل‌دهنده آن فضای خالی وجود دارد. این فضای خالی یا حفره‌ها، توسط آب، هوا یا هر دو پر می‌شوند.

خاک چگونه تشکیل می‌شود؟

خاک‌ها، معمولا بر اثر هوازدگی و فرسایش سنگ به وجود می‌آیند. در طی فرآیند هوازدگی (فیزیکی، شیمیایی، زیستی)، انواع مختلف سنگ (آذرین، دگرگونی، رسوبی) به ذرات کوچک‌تر تبدیل می‌شوند. علاوه بر هوازدگی، فعالیت‌های انسانی نظیر حفاری، انفجار یا باطله‌برداری نیز می‌تواند باعث تشکیل خاک شوند.

  • هوازدگی فیزیکی: سایش، اثرات دمایی، چرخه ذوب و انجماد آب‌های موجود در ناپیوستگی‌ها، باران، باد، ضربه و غیره
  • هوازدگی شیمیایی: هیدراتاسیون، کربناتاسیون، اکسیداسیون، حل و آبکافت مواد تشکیل‌دهنده سنگ
  • هوازدگی زیستی: تخریب سنگ بر اثر فعالیت گیاهان و حیوانات
تشکیل خاک
فرآیند تشکیل خاک بر اثر هوازدگی فیزیکی و زیستی

به طور کلی پنج عامل زیر بر روی تشکیل خاک‌ها تاثیرگذار هستند:

  • مواد منشا: کانی‌های تشکیل‌دهنده
  • مواد آلی زنده: مواد موثر بر نحوه تشکیل
  • شرایط اقلیمی: پارامترهای موثر بر هوازدگی و تجزیه مواد آلی
  • توپوگرافی: عامل موثر بر زهکشی، فرسایش و تجزیه
  • زمان: عامل موثر بر تغییر خواص خاک

افق خاک چیست؟

«افق خاک» (Soil Horizon)، لایه‌ای موازی با سطح زمین است که خواص فیزیکی، شیمیایی و زیستی آن با لایه‌های بالایی و پایینی تفاوت دارد. در اکثر موارد، افق خاک، توسط ویژگی‌های فیزیکی مانند رنگ و بافت تعریف می‌شود.

افق خاک
نمونه‌ای از سطح مقطع و افق‌های خاک

در استانداردهای مختلف،‌ برای لایه‌ها و افق‌های خاک از حروف مخصوص استفاده می‌کنند. حروف و تعریف افق‌های اصلی عبارت هستند از:

  • O: مواد خاکی آلی (غیر آبی)
  • A: ساختار سطحی شامل کانی‌ها به همراه تجمع مواد آلی (گیاه‌خاک)
  • E: کانی‌ها به همراه کاهش مقداری از آهن، آلومینیوم و مواد آلی
  • B: ساختار خاک زیرسطحی شامل تجمع رس، آهن، آلومینیوم، سیلیسیوم، گیاه‌خاک، کلسیم کربنات، کلسیم سولفات به همراه کاهش کلسیم کربنات، تجمع سسکی اکسیدها
  • C: ساختار زیرلایه یا بستر نرم با خاک‌زایی کم یا بدون خاک‌زایی و مواد خاکی تحکیم‌نشده
  • L: مواد خاکی لیمنیک (رسوبات آبی)
  • W: لایه‌ای از آب مایع یا یخ‌زده در میان یا زیر خاک
  • R: سنگ بستر با مقاومت بالا

اهمیت خاک در مهندسی چیست؟

خاک، از اهمیت بالایی برای پروژه‌های عمرانی و ژئوتکنیکی برخوردار است؛ چراکه این ماده در توسعه و ساخت سازه‌های مختلفی نظیر آزادراه، فرودگاه، فونداسیون، تونل، دیوار حایل، خاکریز، سد، کانال‌ها و ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین دلیل، برداشت‌های زمین‌شناسی و مطالعه خواص خاک، به فعالیت‌های اجتناب‌ناپذیر در تمام مسائل مهندسی عمران و ژئوتکنیک تبدیل شده‌اند.

خاکریز جاده
خاکریز جاده

حوزه های مطالعه خاک در مهندسی عمران کدام هستند؟

خاک، در حوزه‌ها و شاخه‌های مختلفی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. از حوزه‌های اصلی مطالعه خاک‌ها در مهندسی عمران می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • «فیزیک خاک» (Soil Physics): علمی است که به مطالعه خواص فیزیکی خاک‌ها و فرآیندهای مرتبط با آن‌ها می‌پردازد.
  • «مکانیک خاک» (Soil Mechanics): یکی از شاخه‌های فیزیک خاک و مکانیک کاربردی است که رفتار خاک‌ها را در به صورت تئوری فرمول‌های ریاضی توصیف می‌کند.
  • «مهندسی ژئوتکنیک» (Geotechnical Engineering): از گرایش‌های مهندسی عمران است که با استفاده از مکانیک خاک، رفتار خاک‌ها را برای حل و طراحی مسائل مرتبط با سازه‌های ژئوتکنیکی مورد ارزیابی قرار می‌دهد.
  • «شیمی خاک» (Soil Chemistry): علمی است که به مطالعه خصوصیات و ترکیبات شیمیایی خاک می‌پردازد. شیمی خاک از گرایش‌های مهندسی عمران نیست اما به دلیل تاثیر خواص شیمیایی بر روی رفتار مکانیکی خاک، اهمیت زیادی در پروژه‌های عمرانی دارد.

طبقه بندی خاک چگونه انجام می‌شود؟

خاک، دارای انواع مختلف با خواص متفاوت است. روش‌های متنوعی برای طبقه‌بندی خاک وجود دارند. در ساده‌ترین روش می‌توان خاک‌ها را بر اساس اندازه ذرات جامد موجود در آن‌ها طبقه‌بندی کرد. در دسته‌بندی کلی، خاک‌های درشت‌دانه با عنوان شن و خاک‌های ریزدانه با عنوان ماسه شناخته می‌شود. بر اساس استانداردهای بین‌المللی، انواع خاک‌ها با توجه به ابعاد عبارت هستند از:

  • «شن» (Gravel): ذراتی با ابعاد 2 تا 63 میلی‌متر
  • «ماسه» (Sand): ذراتی با ابعاد 0.063 تا 2 میلی‌متر
  • «لای یا سیلت» (Silt): ذراتی با ابعاد 0.002 تا 0.063 میلی‌متر
  • «رس» (Clay): ذراتی کوچک‌تر از 0.002 میلی‌متر

ذرات بزرگ‌تر از شن (ابعاد بیشتر از 63 میلی‌متر)، به عنوان سنگ در نظر گرفته می‌شوند. اندازه ذرات معمولا برای تشخیص اولیه خواص خاک‌ها نظیر نفوذپذیری، تراکم‌پذیری، مقاومت برشی و غیره مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. با این وجود، ابعاد ذرات، معیار دقیقی برای تعیین خواص خاک‌ها نیست. در صورت بررسی این معیار در کنار شکل، آرایش و توزیع ابعاد ذرات، دید بهتری از کیفیت خاک فراهم می‌شود.

شن و ماسه
مقایسه شن و ماسه

طبقه‌بندی‌های دیگری نیز برای تشخیص انواع خاک‌ها وجود دارد. مبنای این طبقه‌بندی‌ها، بافت خاک و نسبت ذرات ریزدانه موجود در آن است. در بخش‌های بعدی، به معرفی کمیت‌های دانه‌بندی و انواع طبقه‌بندی‌های خاک‌ها خواهیم پرداخت.

ترکیب شیمیایی خاک چیست؟

ترکیب شیمیایی خاک، با توجه به سنگ مبدا و نحوه تشکیل آن‌ها مشخص می‌شود. ترکیب شیمیایی، یکی دیگر از معیارهای تشخیص انواع مختلف خاک‌ها و خواص فیزیکی آن‌ها است. شن و ماسه معمولا از کانی‌های مشابه به وجود می‌آیند. کانی تشکیل‌دهنده این خاک‌ها به جنس سنگ مبدا آن‌ها بستگی دارد. از مهم‌ترین سنگ‌های تشکیل‌دهنده شن و ماسه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • «کوارتز» (Quartz)
  • «فلدسپات» (Feldspar)
  • «میکا» (Mica)

امکان تشکیل خاک‌های ریزدانه با کانی‌های یکسان نیز وجود دارد. با این وجود، این خاک‌ها معمولا به همراه کانی‌های رسی و بر اثر فرسایش شیمیایی تشکیل می‌شوند. اصلی‌ترین کانی‌های رسی عبارت هستند از:

  • «کائولینیت» (Kaolinite)
  • «مونتموریونیت» (Montmorillonite)
  • «ایلیت» (Illite)

ماهیت فعل و انفعالات بین ذرات در رس با ذرات بزرگ‌تر متفاوت است. به عنوان مثال، تغییر شکل رس به زمان بارگذاری ارتباط دارد. اگر ماسه تحت بارگذاری قرار بگیرد، به سرعت تغییر شکل می‌دهد و در صورت ثابت ماندن مقدار بار، هیچ تغییر شکل اضافی در آن رخ نمی‌دهد. در شرایط مشابه، رس به طور مداوم تغییر شکل خواهد داد. این ویژگی با عنوان خزش شناخته می‌شود. خزش، ارتباط مستقیمی با ترکیب شیمیایی و کانی‌شناسی رس دارد.

یکی دیگر از تفاوت‌های رفتاری رس با خاک‌های درشت‌تر، تورم پذیری آن است. در صورت بالا بودن میزان مونتموریونیت، وجود رطوبت باعث تورم قابل توجه رس خواهد شد.

رس متورم
افزایش حجم رس در مواجهه با رطوبت

برخی از خاک‌ها از بقایای گیاهان و درختان به همراه ترکیبات آلی تشکیل می‌شوند. این خاک‌ها به دلیل وزن پایین، ترکم‌پذیری بالا و احتمال آتش‌سوزی، گزینه مناسبی برای ساخت فونداسیون سازه نیستند. توجه داشته باشید که برخی از مواد رسی نیز دارای مقداری ا ین ترکیبات آلی هستند. بررسی وجود این ترکیبات در خاک‌ها از اهمیت بالایی در کنترل کیفیت آن برخوردار است.

یکی دیگر از ویژگی‌های شیمیایی مهم خاک، میزان خاصیت اسیدی یا بازی بودن ترکیبات یا PH آن است. PH خاک، بر روی مقاومت برشی خاک‌های شنی و دوام سازه‌های بتنی مجاور تاثیر دارد. این کمیت باید پیش از اجرای سازه مورد آزمایش قرار بگیرد تا از رخ دادن مشکلات مربوطه جلوگیری شود.

در مهندسی عمران، ترکیب شیمیایی و کانی‌شناسی خاک به منظور پیش‌بینی رفتار و مقایسه با داده‌های به دست‌آمده از پروژه‌های قبلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگرچه، تحلیل شیمیایی نمی‌تواند اطلاعات کمی زیادی را در مورد خواص مکانیکی در اختیار مهندسان قرار دهد. خواص مکانیکی خاک، با استفاده از آزمایش‌های مخصوص اندازه‌گیری می‌شود.

دانه بندی خاک چیست؟

«دانه بندی خاک» (Gradation of Soil)، معیاری است که نحوه توزیع ابعاد ذرات در نمونه‌های خاک را نمایش می‌دهد. به طور کلی، خاک‌ها بر اساس دانه‌بندی به سه نوع خوب دانه‌بندی‌شده، بددانه‌بندی‌شده و دانه‌بندی گسسته تقسیم می‌شوند.

  • «دانه‌بندی خوب» (Well Grade): تمام ابعاد، درون خاک وجود دارد.
  • «دانه‌بندی بد» (Poor Grade): اکثر ذرات خاک، دارای ابعاد نزدیک به هم هستند.
  • «دانه‌بندی گسسته» (Gap Graded): حداقل یکی از ابعاد درون خاک وجود ندارد. این دانه‌بندی نیز به عنوان یک دانه‌بندی بد در نظر گرفته می‌شود.

دانه‌بندی ذرات نسبتا درشت (مثلا بزرگ‌تر از 0.05 میلی‌متر) با استفاده از آزمایش الک انجام می‌شود. به این منظور، معمولا مجموعه‌ای از الک‌ها با ابعاد مش (حفره) متفاوت بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند. مش‌های درشت در بالا و مش‌های ریز در پایین قرار دارند. پس از ریختن نمونه بر روی الک بالایی، مجموعه الک‌ها توسط دست یا دست مخصوص لرزانده می‌شوند. به این ترتیب، امکان رسم نمودار توزیع دانه‌بندی فراهم خواهد شد.

دانه‌بندی ذرات کوچک‌تر از 0.05 میلی‌متر با استفاده از الک امکان‌پذیر نیست؛ چراکه در این حالت، به الک‌هایی با حفره‌های بسیار کوچک نیاز خواهد بود. به علاوه، در هنگام لرزش الک‌ها، امکان پخش شدن ذرات در هوا و از دست رفتن نمونه نیز وجود دارد. برای این خاک‌ها، دانه‌بندی با اندازه‌گیری سرعت رسوب‌گذاری در یک ظرف آب (آزمایش هیدرومتری) تعیین می‌شود. رابطه تعیین سرعت رسوب‌گذاری برابر است با:

$$
v=\frac{\left(\gamma_{p}-\gamma_{f}\right) D^{2}}{18 \mu}
$$

  • γp: وزن حجمی ذره
  • γf: وزن حجمی سیال
  • D: اندازه ذرات
  • μ: سرعت دینامیکی سیال (آب)

به دلیل ابعاد بسیار کوچک ذرات، سرعت آن‌ها نیز بسیار پایین خواهد بود. به این ترتیب، فرآیند اندازه‌گیری نسبتا طولانی می‌شود.

منحنی دانه بندی خاک چیست؟

منحنی دانه‌بندی، یک ابزار گرافیکی برای نمایش توزیع ابعاد ذرات درون خاک‌ها است. ابعاد ذرات تشکیل‌دهنده خاک، معمولا در منحنی دانه‌بندی آن رسم می‌شود. این نمودار، درصد وزنی ذرات کوچک‌تر از یک اندازه خاص را نمایش می‌دهد. شیب منحنی، معرف میزان یکنواختی خاک است.

منحنی دانه بندی
منحنی دانه‌بندی یک خاک که تمام ذرات آن کوچک‌تر از 5 میلی‌متر هستند.

در منحنی دانه‌بندی، نقاطی وجود دارند که برای نمایش ویژگی‌های کیفی دانه‌بندی به صورت کمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نقاط عبارت هستند از:

  • D10: قطری که ابعاد ۱۰ درصد از ذرات الک‌شده از آن کوچک‌تر است. در واقع، 90 درصد ذرات از این اندازه بزرگ‌تر هستند. D10، به عنوان «اندازه موثر» (Effective Size) شناخته می‌شود.
  • D30: قطری که ابعاد ۱۰ درصد از ذرات الک‌شده از آن کوچک‌تر است.
  • D60: قطری که ابعاد ۶۰ درصد از ذرات الک‌شده از آن کوچک‌تر است.

منحنی دانه‌بندی یک ابزار مفید با امکان تفسیر آسان است. به عنوان مثال، شیب تند منحنی دانه‌بندی، بیانگر وجود ذرات یکنواخت و شیب ملایم آن، نشان‌دهنده وجود ذرات با ابعاد بسیار متفاوت است. کمیت‌های مختلفی با استفاده از منحنی دانه‌بندی برای تشخیص توزیع ابعاد ذرات تعیین می‌شوند. در ادامه، مهم‌ترین کمیت‌های دانه‌بندی را معرفی می‌کنیم.

ضریب یکنواختی خاک چیست؟

ضریب یکنواختی،‌ معیاری است که برای اندازه‌گیری یکنواختی ابعاد ذرات خاک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. ضریب یکنواختی خاک، حاصل تقسیم D60 بر D10 است.

$$
C_{u}=\frac{D_{60}}{D_{10}}
$$

منحنی دانه بندی

هر چه ضریب یکنواختی به عدد 1 نزدیک‌تر باشد، توزیع دانه‌بندی خاک کم‌تر خواهد بود. در نمودار بالا، نسبت D60 به D10 برابر با 8.5 است. این عدد، بیانگر یکنواخت بودن و توزیع مناسب است.

ضریب انحنای خاک چیست؟

ضریب انحنای خاک، معیاری برای در نظر گرفتن تاثیر شکل منحنی در کیفیت دانه‌بندی آن است. این ضریب با استفاده از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
C_{c}=\frac{\left(D_{30}\right)^{2}}{D_{10} \times D_{60}}
$$

با محاسبه ضریب یکنواختی و انحنا، کیفیت دانه‌بندی شن و ماسه با توجه به شرایط زیر مورد بررسی قرار می‌گیرد:

  • شن: ضریب یکنواختی بیشتر از ۴ و ضریب انحنای بین ۱ تا ۳
  • ماسه: ضریب یکنواختی بیشتر از ۶ و ضریب انحنای بین ۱ تا ۳

در صورت برقرار نبودن هر یک از شرایط بالا، شن یا ماسه به عنوان خاک بددانه‌بندی‌شده در نظر گرفته می‌شود.

اهمیت دانه بندی خاک در چیست؟

دانه‌بندی خاک، از اهمیت بالایی در مهندسی عمران و ژئوتکنیک برخوردار است. این ویژگی، معیاری برای تشخیص خواصی نظیر تراکم‌پذیری، مقاومت برشی و هدایت هیدرولیکی است. دانه‌بندی، تراوش آب زیرزمینی را کنترل می‌کند. به دلیل وجود حفره‌های بیشتر در خاک‌های بددانه‌بندی‌شده، عبور آب از آن‌ها راحت‌تر انجام می‌شود. این مسئله در سازه‌هایی آب‌بند (نظیر سد)، اهمیت بالایی خواهد داشت.

دانه بندی خاک
تعیین دانه‌بندی خاک با استفاده از نرم افزارهای مبتنی بر پردازش تصویر

دانه‌بندی خاک، به عنوان یکی از معیارهای انتخاب ماده پرکننده برای خاکریز کنار جاده یا سدهای خاکریزی (خاکی یا سنگریزه‌ای) مورد استفاده قرار می‌گیرد. خاک با دانه‌بندی خوب، بیشتر از خاک با دانه‌بندی بد متراکم می‌شود. علاوه بر این موارد، دانه‌بندی به عنوان یک عامل کنترل‌کننده در هنگام انتخاب روش‌های بهسازی به شمار می‌رود.

در رابطه با مکانیک خاک و اصول تحلیل سازه‌های خاکی، یک فیلم آموزشی در مجموعه فرادرس تهیه شده است که می‌تواند در فراگیری این مبحث به شما کمک کند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

خواص فیزیکی خاک چه هستند؟

خواص فیزیکی خاک، به ویژگی‌هایی نظیر رنگ، تخلخل، وزن مخصوص، محتوای آب، روانی، نفوذپذیری، تراکم‌پذیری، بافت، ساختمان و دیگر مشخصات ظاهری و ساختاری خاک گفته می‌شود. در ادامه، به معرفی هر یک از خواص فیزیکی خاک‌ها می‌پردازیم.

رنگ خاک چیست و به چه عواملی بستگی دارد؟

رنگ، یکی از ویژگی‌های فیزیکی خاک‌ها است که بر روی رفتار و کاربری آن تاثیری ندارد. با این وجود، رنگ، یک دید کلی از ترکیبات و شرایط فعلی را فراهم می‌کند. خاک‌ها می‌توانند دارای رنگ‌های مختلفی نظیر خاکستری، سیاه، سفید، قرمز، قهوه‌ای، زرد و سبز باشند. در اکثر موارد، رنگ‌های مختلف لایه‌های خاک، افق‌های خاص را نمایش می‌دهند.

رنگ خاک
تغییر رنگ خاک در عمق‌ها و شرایط مختلف

رنگ خاک، توسط کانی‌های تشکیل‌دهنده و مواد عالی موجود در آن ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، اگر رنگ خاکی سبز یا زرد بود، احتمال وجود اکسیدهای آهن در آن بالا است.

تخلخل چیست؟

خاک، ماده‌ای است که از ذرات جامد، آب و هوا تشکیل می‌شود. به منظور توصیف ویژگی‌های خاک، نسبت اجزای تشکیل‌دهنده و میزان مشارکت هر یک از اجزا در ترکیب آن، می‌توان از پارامترهای مختلفی استفاده کرد. یکی از این پارامترها، «تخلخل» (Porosity) یا پوکی است. تخلخل، نسبت حجم فضای متخلخل به کل حجم را نمایش می‌دهد.

$$
n=V_{p} / V_{t}
$$

  • n: تخلخل
  • Vp: حجم فضای متخلخل
  • Vt: حجم کل
تخلخل خاک
نمایش حفره‌های درون خاک

برای اکثر خاک‌ها، تخلخل بین 0.30 تا 0.45 (30 تا 45 درصد) است. کوچک بودن تخلخل، بیانگر تراکم بالا و بزرگ بودن آن، نشان‌دهنده تراکم پایین ذرات است. میزان حفره‌های موجود در خاک‌ها را می‌توان با پارامتر دیگری به نام «نسبت پوکی» (Void Ratio) نیز مورد ارزیابی قرار داد. رابطه نسبت پوکی برابر است با:

$$
e=V_{p} / V_{s}
$$

  • e: نسبت پوکی
  • Vs: حجم فضای پر (ذرات)

از آنجایی که $$V_{t}=V_{p}+V_{s}$$، تخلخل و نسبت پوکی با استفاده از روابط زیر به یکدیگر تبدیل می‌شوند:

$$
e=n /(1-n), \quad n=e /(1+e)
$$

محتوای آب خاک چیست؟

«محتوای آب» (Water Content)، نسبت وزن آب به وزن ذرات جامد درون خاک‌ها را نمایش می‌دهد. این کمیت، یکی از پارامترهای مفید برای ارزیابی خاک‌ها به ویژه خاک‌های رسی است.

$$
w=W_{w} / W_{p}
$$

  • w: محتوای آب
  • Ww: وزن آب
  • Wp: وزن ذرات جامد

البته توجه داشته باشید که محتوای آب، یک پارامتر مستقل نیست؛ چراکه می‌توان آن را به صورت زیر بازنویسی کرد:

$$
w=S \frac{n}{1-n} \frac{\rho_{w}}{\rho_{p}}=S e \frac{\rho_{w}}{\rho_{p}}
$$

درجه اشباع خاک چیست؟

حفره‌های موجود در خاک ، توسط آب، هوا یا هر دو پر شده می‌شوند. به منظور نمایش نسبت آب و هوا به یکدیگر، می‌توان از کمیتی به نام «درجه اشباع» (Degree of Saturation) استفاده کرد:

$$
S=V_{w} / V_{p}
$$

  • Vw: حجم آب
  • Vp: حجم کل فضای متخلخل

اگر S برابر با ۱ باشد، خاک کاملا اشباع است. اگر S برابر ۰ باشد، خاک کاملا خشک است. در صورتی که S بین 0 تا 1 باشد، حجم هوا (یا هر گاز دیگری) بر واحد حجم فضای متخلخل از اختلاف عدد 1 با S به دست می‌آید.

وزن مخصوص اجزا خاک چیست؟

چگالی یک ماده، نسبت وزن به حجم آن است. برای آب، این مقدار حدودا برابر با 1000 کیلوگرم بر متر مکعب خواهد بود. چگالی خاک، به جنس ذرات تشکیل‌دهنده آن بستگی دارد. این مقدار برای ماسه‌های کوارتزی برابر با 2650 کیلوگرم بر متر مکعب است. به طور کلی، وزن مخصوص ذرات جامد از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
\rho_{p}=W_{p} / V_{p}
$$

  • ρp: چگالی ذرات جامد
  • Wp: وزن ذرات جامد
  • Vp: حجم ذرات جامد

وزن حجمی یا وزن مخصوص مرطوب خاک چیست؟

وزن حجمی خاک، چگالی تمام ذرات تشکیل‌دهنده آن (جامد و مایع) است. برای تعیین این پارامتر، ابتدا باید وزن توده خاک را به دست آورد. وزن توده خاک، با استفاده از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
W=\left[\operatorname{Sn} \rho_{w} g+(1-n) \rho_{p} g\right] V
$$

  • W: وزن توده خاک
  • S: درجه اشباع
  • n: تخلخل
  • ρw: چگالی آب
  • g: شتاب گرانش برابر با 9.8 نیوتن بر کیلوگرم
  • V: حجم توده خاک

به این ترتیب، وزن حجمی خاک برابر خواهد بود با:

$$
\gamma=W / V=\operatorname{Sn} \rho_{w} g+(1-n) \rho_{p} g
$$

وزن مخصوص خشک خاک چیست؟

در صورتی که خاک کاملا خشک باشد، وزن حجمی به صورت زیر محاسبه خواهد شد:

$$
\gamma_{d}=W_{d} / V=(1-n) \rho_{p} g
$$

البته در خاک‌های کاملا خشک، وزن حجمی به راحتی و با اندازه‌گیری وزن حجم مشخصی از خاک به دست می‌آید.

وزن مخصوص نسبی یا تراکم نسبی خاک چیست؟

«وزن مخصوص نسبی» (Relative Density) یا تراکم نسبی، معیاری برای نمایش میزان خاک یا سستی آن است. مقدار این کمیت توسط رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$
R D=\frac{e_{\max }-e}{e_{\max }-e_{\min }}
$$

  • RD: وزن مخصوص نسبی
  • emax: تخلخل خاک در شل‌ترین حالت (بیش‌ترین حفره)
  • emin: تخلخل خاک در متراکم‌ترین حالت (کم‌ترین حفره)

مقدار تراکم نسبی خاک از ۰ تا ۱ تغییر می‌کند. پایین بودن مقدار این کمیت (مثلا کمتر از 0.5)، قابلیت تراکم‌پذیری بالای خاک را نمایش می‌دهد. در این شرایط، لرزش‌های ناگهانی (مانند زلزله) می‌تواند باعث افزایش تراکم خاک و پیامدهای ناگوار شود.

روانی خاک چیست؟

«روانی» (Consistency)، کمیتی برای توصیف رفتار ذرات خاک در برابر نیروهای اعمال شده است. این کمیت به رطوبت موجود در خاک یا محتوای آب بستگی دارد. روانی، برای خاک‌های ریزدانه نظیر لای و رس بسیار مهم است. با توجه به میزان محتوای آب خاک، روانی آن به چهار حالت زیر تقسیم می‌شود:

  • «حالت مایع» (Liquid State): محتوای آب زیاد است؛ ذرات جامد درون آب غوطه‌ور هستند و خاک می‌تواند مانند یک سیال جریان پیدا کند.
  • «حالت خمیری» (Plastic State): در این حالت، مقاومت خاک به جریان یافتن افزایش می‌یابد. با این وجود، محتوای آب به اندازه‌ای است که احتمال تغییر شکل خاک وجود دارد.
  • «حالت نیمه جامد» (Semi-Solid State): در این حالت،‌ سفتی ذرات ریز خاک، بیشتر از حالت خمیری بوده اما شکل‌پذیری آن به اندازه قابل‌توجهی کم‌تر است.
  • «حالت جامد» (Solid State): محتوای آب بسیار پایین بوده و خاک از سختی بالایی برخوردار است.
روانی خاک
ارزیابی نمونه‌ای از خاک با دست برای تخمین روانی آن

حدود اتربرگ چه هستند؟

بین حالت‌های خاک (مایع، خمیری، نیمه جامد و جامد)، مرزهایی وجود دارد که با عبور از آن‌ها، رفتار و خواص خاک تغییر می‌کند. این مرزها با عنوان «حدود اتربرگ» (Atterberg limits) شناخته می‌شوند. حدود اتربرگ عبارت هستند از:

  • «حد مایع» (Liquid Limit): حدی که با افزایش محتوای آب، رفتار خاک رسی از حالت خمیری به مایع تغییر می‌کند. البته تغییر رفتار از حالت خمیری به مایع به صورت آنی نیست و در بازه‌ای از محتوای آب به صورت تدریجی رخ می‌دهد. به علاوه، مقاومت برشی خاک در حد مایع واقعا برابر با صفر نیست.
  • «حد خمیری» (Plastic limit): حدی که در آن، با کاهش محتوای آب، رفتار خاک از حالت خمیری به حالت نیمه جامد تغییر می‌کند. حدود مایع و خمیری مطابق با استاندارد ASTM D4318 اندازه‌گیری می‌شوند.
  • «حد انقباض» (Shrinkage Limit): حدی که در آن، کاهش محتوای آب، دیگر باعث کاهش حجم خاک نمی‌شود. به عبارت دیگر، با افزایش محتوای آب در این حد، حجم و شکل‌پذیری افزایش می‌یابد. حد انقباض کاربرد کمتری نسبت به حدود مایع و خمیری دارد. مقدار حد انقباض با استفاده از آزمایش ASTM D4943 به دست می‌آید.

حدود اتربرگ

شاخص خمیری چیست؟

فاصله بین حد خمیری و حد مایه با عنوان «شاخص خمیری» (Plasticity Index) شناخته می‌شود. رابطه شاخص خمیری به صورت زیر است:

$$PI = LL-PL$$

  • PI: شاخص خمیری
  • LL: حد مایع
  • PL: حد خمیری

شاخص خمیری بر حسب درصد وزن خشک نمونه بیان می‌شود. این شاخص، محدوده‌ای از محتوای آب را نمایش می‌دهد که خاک، خاصیت خمیری خود را حفظ می‌کند. به طور کلی، شاخص خمیری به میزان رس بستگی دارد. از کاربردهای شاخص خمیری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • تشخیص لای از رس
  • طبقه‌بندی خاک‌ها
  • تشخیص میزان تراکم‌پذیری خاک‌ها (هرچه شاخص خمیری بیشتر باشد، تراکم‌پذیری نیز بیشتر خواهد بود.)
  • تعیین عکس‌العمل سطح خاک‌ها به حضور آب

بافت خاک چیست؟

«بافت» (Texture)، نسبت ذرات ماسه، لای و رس تشکیل‌دهنده خاک را نمایش می‌دهد. بافت خاک، بر روی کارایی، میزان آب و هوای قابل ذخیره، نرخ نفوذ و حرکت آب تاثیرگذار است. طبقه‌بندی بافت خاک، معمولا بر اساس سیستم‌های زیر انجام می‌شود:

  • سیستم طبقه‌بندی اداره کشاورزی ایالات متحده (USDA)
  • سیستم طبقه‌بندی آشتو (AASHTO): مناسب برای پروژه‌های راه‌سازی
  • سیستم طبقه‌بندی متحد (USCS): مناسب برای پروژه‌های ژئوتکنیکی
بافت خاک
دو خاک با بافت متفاوت

سیستم طبقه بندی USDA چیست؟

سیستم طبقه‌بندی USDA، انواع خاک را بر اساس میزان ذرات عبوری از الک شماره 10 (قطر 2 میلی‌متر) را نمایش می‌دهد. در این طبقه‌بندی، علاوه بر رس، لای و ماسه، نوع دیگری از خاک با عنوان «لوم» (Loam) نیز در نظر گرفته می‌شود. لوم، خاکی است که بخش عمده آن از لای، رس یا ماسه تشکیل نشده باشد.

طبقه بندی UDSA خاک
نمودار طبقه‌بندی خاک بر اساس سیستم USDA

سیستم طبقه بندی AASHTO چیست؟

طبقه‌بندی AASHTO، خاک را بر اساس ابعاد ذرات و حدود اتربرگ، به گرو‌ه‌ها و شاخص‌های مختلف تقسیم می‌کند. در این طبقه‌بندی، خاک به گروه‌های A-1 (بهترین خاک) تا A-7 (بدترین خاک) تقسیم‌بندی می‌شود.

  • گروه‌های A-1 تا A-3 (خاک عالی): مقدار عبوری آن‌ها از الک شماره 200 کمتر از 35 درصد است.
  • گروه‌های A-4 تا A-7 (خاک متوسط تا ضعیف): مقدار عبوری آن‌ها از الک شماره ۲۰۰ بیشتر از ۳۵ درصد است.

در طبقه‌بندی AASHTO، شاخص هر گروه خاک، بر اساس رابطه زیر تعیین می‌شود:

$$GI = (F-35)[0.2+0.005(LL-40)]+0.01(F-15)(PI-10)$$

  • F: درصد عبوری از الک شماره 200
  • LL: حد مایع
  • PI: نشانه خمیری

هر چه عدد این شاخص به صفر نزدیک‌تر باشد، کیفیت خاک بهتر خواهد بود. خاک‌هایی با شاخص بیشتر از ۲۰، به عنوان مصالح ساختاری ضعیف در نظر گرفته می‌شوند. توجه داشته باشید که طبقه‌بندی خاک بر اساس استاندارد AASHTO، بیشتر برای مقاصد راه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین،‌ منظور کیفیت بالا یا پایین خاک در گروه‌ها و شاخص‌های مختلف، عملکرد آن برای راه‌سازی است.

سیستم طبقه بندی USCS چیست؟

طبقه‌بندی USCS، یکی از سیستم‌های پرکاربرد در مهندسی ژئوتکنیک است که برای توصیف کیفیت خاک بر اساس بافت و اندازه ذرات مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این طبقه‌بندی، ابتدا مطابق با استاندارد ASTM D-2487، نوع خاک و کیفیت دانه‌بندی آن انجام می‌شود. جدول زیر، حروف مورد استفاده برای نمایش نوع خاک را نشان می‌دهد.

حرف خاک
G شن
S ماسه
M لای
C رس
O آلی

جدول زیر حروف مورد استفاده برای توصیف دانه‌بندی و روانی خاک را نمایش می‌دهد.

حرف توصیف
P بد دانه‌بندی‌شده (اکثر ذرات هم‌اندازه هستند.)
W خوب دانه‌بندی‌شده (توزیع ابعاد ذرات متنوع است.)
H خاصیت خمیری بالا
L خاصیت خمیری پایین

در ادامه، کیفیت خاک، با استفاده از نمودار خمیری و بر اساس معیارهایی نظیر درصد عبوری از الک 200، ضریب یکنواختی، ضریب انحنا، حد مایع و شاخص خمیری تعیین می‌شود.

نمودار خمیری
نمودار خمیری

جدول زیر، طبقه‌بندی خاک بر اساس USCS را نمایش می‌دهد.

علامت گروه معیار
خاک‌های شنی
GW عبوری از الک نمره 200 کوچک‌تر از 5 درصد،‌ Cu بزرگ‌تر یا مساوی 4 و Cc بین 1 و ۳
GP عبوری از الک نمره 200 کوچک‌تر از 5 درصد،‌ و برآورده نشدن هیچ کدام از دو شرط GW
GM درصد عبوری از الک نمره 200 بزرگ‌تر از 12، حدود اتربرگ زیر خط A یا نشانه خمیری کوچک‌تر از 4
GC درصد عبوری از الک نمره 200 بزرگ‌تر از 12، حدود اتربرگ بالای خط A یا نشانه خمیری بزرگ‌تر از ۷
GC-GM درصد عبوری از الک نمره 200 بزرگ‌تر از 12، حدود اتربرگ در ناحیه هاشور خورده (CL-ML)
GW-GM درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآورده شدن معیارهای GW و GM
GW-GC درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآورده شدن معیاری GW و GC
GP-GM درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآوردن شدن معیارهای GP و GM
GP-GC درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآورده شدن معیارهای GP و GC
خاک‌های ماسه‌ای
SW درصد عبوری از الک نمره 200 کوچک‌تر از ۵، Cu بزرگ‌تر یا مساوی ۶ و Cc بین ۱ و ۳
SP درصد عبوری از الک نمره 200 کوچک‌تر از ۵، برآورده نشدن هیچ یک از دو شرط دیگر SW
SM درصد عبوری از الک نمره 200 بزرگ‌تر از ۱۲، حدود اتربرگ زیر خط A یا نشانه خمیری کم‌تر از ۴
SC درصد عبوری از الک نمره 200 بزرگ‌تر از 12، حدود اتربرگ بالای خط A یا نشانه خمیری بزرگ‌تر از ۷
SC-SM درصد عبوری از الک نمره 200 بزرگ‌تر از 12، حدود اتربرگ در ناحیه هاشور خورده (CL-ML)
SW-SM درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآورده شدن معیارهای SW و SM
SW-SC درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآورده شدن معیاری SW و SC
SP-SM درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآوردن شدن معیارهای SP و SM
SP-SC درصد عبوری از الک نمره 200 بین ۵ تا ۱۲، برآورده شدن معیارهای SP و SC
خاک‌های رسی و لای
CL غیر آلی، حد مایع کوچک‌تر از ۵۰، شاخص خمیری بزرگ‌تر ۷ و بالای خط A
ML غیر آلی، حد مایع کوچک‌تر از ۵۰، شاخص خمیری کوچک‌تر از ۴ و زیر خط A
OL آلی، حد مایع خشک‌شده با آون کمتر از 0.75، حد مایع خشک‌نشده کم‌تر از ۵۰
CH غیر آلی، حد مایع بیش‌تر از ۵۰، شاخص خمیری منطبق یا بالای خط A
MH غیر آلی، حد مایع بیش‌تر از ۵۰، شاخص خمیری زیر خط A
OH آلی، حد مایع خشک‌شده با آون کمتر از 0.75، حد مایع خشک‌نشده بیشتر از ۵۰
CL-ML غیر آلی، ناحیه حد مایع و نشانه خمیری در ناحیه هاشور خورده
Pt تورب، ماک و سایر خاک‌های عالی

ساختمان خاک چیست؟

«ساختمان» (Structure)، نحوه قرارگیری هر یک از ذرات ماسه، لای و رس در کنار یکدیگر را نمایش می‌دهد. از کنار هم قرار گرفتن ذرات خاک، واحد بزرگ‌تری با عنوان سنگ‌دانه تشکیل می‌شوند. مجموعه ذرات خاک‌ها با الگوهای مختلف در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. این مسئله باعث تشکیل ساختمان‌های متفاوت خاک می‌شود. ساختمان خاک معمولا بر اساس معیارهایی نظیر درجه تجمع، ابعاد میانگین و نحوه تجمع ذرات توصیف می‌شود.

ساختمان خاک

درجه تجمع ذرات، میزان چسبندگی داخلی و خارجی خاک را نمایش می‌دهد. بر اساس این معیار، ساختمان خاک را می‌توان به گروه‌های زیر تقسیم‌بندی کرد:

  • بدون ساختمان: افق خاک مانند یک توده بزرگ سیمانی دیده می‌شود یا ذرات بدون چسبیدن در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند(مانند ماسه خالص).
  • ساختمان ضعیف: ذرات به طور نامشخصی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.
  • ساختمان متوسط: شکل‌گیری ذرات نسبت به ساختمان ضعیف بهتر است اما به طور کامل مشخص نیست.
  • ساختمان قوی: ذرات به خوبی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و یک شکل مشخص را به وجود آورده‌اند.

ساختمان خاک‌ها از نظر ابعاد میانگین ذرات، به کلاس‌های خیلی ریز یا خیلی نازک، ریز یا نازک، متوسط، بزرگ یا ضخیم و خیلی بزرگ یا خیلی ضخیم تقسیم می‌شود. آخرین معیار برای توصیف ساختمان خاک، نوع ساختمان یا شکل دانه‌های آن است. بر این اساس، انواع ساختمان خاک عبارت هستند از:

  • «صفحه‌ای» (Platy): واحدهای خاک به شکل صفحه و معمولا افقی هستند. این ساختمان بیشتر در افق سطحی A و خاک‌های کفه رسی مشاهده می‌شود.
  • «منشوری» (Prismatic): ذرات هر واحد خاک توسط صفحات صاف یا مدور در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. گسترش واحدها در راستای عمودی بیشتر و رئوس آن‌ها تیز است.
  • «ستونی» (Columnar): واحدها مشابه ساختمان‌های منشوری هستند. صفحات این ساختمان اغلب به صورت با رئوس گرد هستند.
  • «بلوکی» (Blocky): واحدهای خاک مشابه بلوک یا چندوجهی هستند. ذرات هر واحد توسط چندین صفحه صاف یا مدور در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند. ساختمان ستونی، منشوری و بلوکی بیشتر در افق زیرسطحی B (محل تجمع رس) یافت می‌شوند.
  • «دانه‌ای» (Granular): واحدهای خاک تقریبا به شکل کروی یا چندوجهی هستند. این واحدها توسط صفحات منحنی‌شکل یا بسیار نامنظم و معمولا با پرکننده به هم وصل می‌شوند.
  • «گوه‌ای» (Wedge): واحدهای خاک تقریبا بیضوی با گوشه‌های تیز هستند. ساختمان‌های دانه‌ای و گوه‌ای بیشتر در افق A یافت می‌شوند.
ساختمان خاک
انواع ساختمان خاک‌ها

نفوذپذیری خاک چیست؟

«نفوذپذیری» (Permeability)، توانایی ذاتی خاک‌ها در انتقال سیال (مایع و گاز) از درون خود است. هر چه میزان این کمیت بیشتر باشد، تراوش آب در خاک نیز بیشتر خواهد بود. نفوذپذیری، یکی از مهم‌ترین خواص خاک‌ها است که پیش از ساخت سازه مورد بررسی قرار می‌گیرد. سطح زمین از چندین لایه خاک تشکیل می‌شود. خواص خاک‌ها معمولا در این لایه‌ها تغییر می‌کند. به همین دلیل، شناسایی محل قرارگیری لایه‌های نفوذپذیر و نفوذناپذیر، تاثیر زیادی بر روی طراحی سازه خواهد داشت.

نفوذپذیری خاک

عوامل زیادی بر روی نفوذپذیری خاک‌ها تاثیرگذار هستند. وجود ترک، بافت، ساختمان، منحنی دانه‌بندی، روانی، رنگ، لایه‌بندی، حفره‌های قابل رویت، عمق لایه تا لایه‌های نفوذناپذیر (سنگ بستر یا کفه رسی) و ویسکوزیته سیال، پارامترهای موثر در اندازه‌گیری نفوذپذیری هستند. رابطه تئوری برای تعیین ضریب نفوذیری خاک به صورت زیر است:

$$
k=K \frac{\mu}{\rho g}
$$

  • κ: نفوذپذیری بر حسب متر مربع
  • K: هدایت هیدرولیکی بر حسب متر بر ثانیه
  • μ: ویسکوزیته برحسب پاسکال در ثانیه
  • ρ: چگالی سیال بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب
  • g: شتاب گرانش زمین بر حسب متر بر مجذور ثانیه

در صورت وجود چندین لایه نفوذپذیر، باید از مفهوم نفوذپذیری معادل برای تعیین جریان و میزان نشت آب استفاده کرد.

هدایت هیدرولیکی چیست؟

«هدایت هیدرولیکی» (Hydraulic Conductivity)، معیاری برای نمایش میزان جریان‌پذیری سیال در محیط متخلخل است. هدایت هیدرولیکی به نفوذپذیری خاک، درجه اشباع، چگالی سیال و ویسکوزیته بستگی دارد. این کمیت با استفاده از روش‌های تجربی و آزمایشگاهی اندازه‌گیری می‌شود. رابطه بین نفوذپذیری و هدایت هیدرولیکی برابر است با:

$$
k=\frac{\kappa \gamma_{w}}{\mu}
$$

  • κ: نفوذپذیری مطلق (به هندسه ساختاری ذرات بستگی دارد.)
  • γw: وزن مخصوص آب
  • μ: ویسکوزیته سیال

تراکم پذیری و تحکیم خاک چه هستند؟

«تراکم پذیری خاک» (Soil Compressibility) یا تحکیم پذیری خاک، توانایی خاک در کاهش حجم، هنگام اعمال بارهای فشاری است. «تحکیم خاک» (Soil Consolidation)، تراکم خاک اشباع تحت فشار ثابت است. تراکم پذیری و تحکیم، از ویژگی‌های بسیار مهم خاک در طراحی سازه‌های عمرانی هستند. در طراحی سازه‌ها، معمولا از نرخ تحکیم و میزان تحکیم کل استفاده می‌شود.

از دلایل تحکیم خاک بر اثر فشار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • تراکم ذرات و آب درون حفره‌ها
  • تراکم ذرات و خروج هوا از درون حفره‌ها
  • خروج آب از درون حفره‌ها

نرخ تحکیم به نفوذپذیری خاک‌ها بستگی دارد. تحکیم اغلب برای ارزیابی خاک‌های ریزدانه مانند رس و لای مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته خاک‌های درشت‌دانه مانند شن و ماسه نیز متراکم می‌شوند. با این وجود، به دلیل نفوذپذیری بالای این خاک‌ها، تحکیم آن‌ها با نرخ بالایی رخ می‌دهد. در طرف مقابل، به دلیل نفوذپذیری پایین رس اشباع، تحکیم آن با نرخ بسیار پایینی صورت می‌گیرد.

تراکم پذیری خاک

در اغلب موارد، فرآیند تحکیم با تراکم اشتباه گرفته می‌شود. تراکم، چگالی خاک اشباع‌نشده را با کاهش حجم هوای موجود در حفره‌ها افزایش می‌دهد. در حالی که تحکیم، با خروج مقداری از آب موجود در حفره‌ها، باعث افزایش چگالی خاک اشباع می‌شود. تحکیم دارای سه مرحله زیر است:

  • «شروع تحکیم» (Initial Consolidation): کاهش حجم ناشی از تراکم ذرات، تراکم هوا و خروج هوا در لحظه اعمال فشار است. در خاک‌های اشباع، این کاهش حجم فقط به دلیل تراکم ذرات جامد رخ می‌دهد.
  • «تحکیم اولیه» (Primary Consolidation): کاهش حجم ناشی از خروج آب است. در خاک‌های اشباع، فشار آب منفذی در برابر بارگذاری اولیه مقاومت می‌کند. سپس، به دلیل تغییر در شیب هیدرولیکی (مطابق با قانون دارسی)، آب به سمت بیرون حفره‌ها جریان می‌یابد.
  • «تحکیم ثانویه» (Secoundary Consolidation): کاهش حجم نهایی خاک، پس از به صفر رسیدن فشار هیدرواستاتیک اضافی و تکمیل تحکیم اولیه است. تحکیم ثانویه با نرخ بسیار پایینی رخ می‌دهد.

تحکیم ثانویه، پارامتر مهمی برای ارزیابی خاک‌های خاصی نظیر تورب (پوده) و رس‌های نرم زیستی است.

خواص مکانیکی خاک کدام هستند؟

رفتار خاک‌ها در برابر بارگذاری، به خواص مکانیکی آن‌ها از جمله تنش موثر، مقاومت برشی، ظرفیت باربری و غیره بستگی دارد. در این بخش، به معرفی مهم‌ترین خواص مکانیکی خاک می‌پردازیم.

تنش موثر خاک چیست؟

«تنش موثر» (Effective Stress) یا تنش بین ذره‌ای، نیرویی است که مجموعه‌ای از ذرات را به صورت صلب در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. این نیرو معمولاً در موادی نظیر شن، ماسه و به طور کلی خاک‌ها مشاهده می‌شود. مطابق با تعریف ترزاقی، تنش موثر، تنشی است که از طریق سطح اتصال ذرات، درون خاک توزیع می‌شود. رابطه تنش موثر برابر است با:

$$
\sigma^{‘}=\sigma-u
$$

  • σ: تنش کل
  • u: فشار آب منفذی

در حالت عادی، تنش کل و فشار آب منفذی با استفاده از روابط زیر قابل محاسبه خواهند بود:

$$
\begin{array}{l}
\sigma=H_{\text {soil }} \gamma_{\text {soil }} \\
u=H_{\mathrm{w}} \gamma_{\mathrm{w}}
\end{array}
$$

  • Hsoil: ارتفاع خاک
  • γsoil: چگالی خاک
  • Hw: ارتفاع سطح آب
  • γw: چگالی آب

مقاومت برشی خاک چیست؟

مقاومت برشی، توانایی تحمل ماده در برابر تنش‌های برشی است. مقاومت برشی خاک، به اصطکاک ذرات و پیوند سطح اتصال آن‌ها بستگی دارد. به دلیل جفت شدن ذرات در ساختمان خاک، کرنش‌های برشی می‌توانند باعث انبساط یا انقباض حجم در خاک شوند. در صورت افزایش حجم بر اثر تنش برشی، چگالی و مقاومت کاهش می‌یابد. با توقف انبساط یا انقباض خاک و از هم گسیختن پیوند بین ذرات، منحنی تنش-کرنش تغییر سطح می‌دهد. به سطحی که در آن با ثابت ماندن تنش برشی و چگالی، کرنش برشی افزایش می‌یابد، سطح بحرانی، سطح پایدار یا مقاومت باقی‌مانده می‌گویند.

مقاومت برشی خاک، به چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی بستگی دارد.

  • «چسبندگی» (Cohesion): نیرویی که ذرات را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. چسبندگی با اجرای آزمایش برش مستقیم تعیین می‌شود.
  • «زاویه اصطکاک» (Friction Angle): پارامتری که برای توصیف مقاومت برشی اصطکاکی و تنش موثر مورد استفاده قرار می‌گیرد. زاویه اصطکاک با استفاده از دایره مور قابل تعیین است.

مقاومت برشی، مهم‌ترین عامل موثر بر پایداری شیب‌های خاکی (سد، خاکریز و گود) است.

پایداری شیب

فشار جانبی خاک چیست؟

«فشار جانبی» (Lateral Pressure)، فشاری است که خاک در راستای افقی اعمال می‌کند. این ویژگی، بر روی تحکیم و مقاومت خاک‌ها تاثیر مستقیم دارد. فشار جانبی، در طراحی سازه‌هایی نظیر دیوار حایل، حفریات زیرزمینی، تونل، فونداسیون عمیق مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دیوار حایل
فشار جانبی از سمت خاک به دیوار حایل اعمال می‌شود.

از پارامترهای موثر بر فشار جانبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • مقاومت برشی
  • وضعیت کرنش جانبی
  • فشار آب منفذی
  • حالت تعادل حدی
  • شکل دیوار و سطح زمین
  • شرایط زهکشی
  • فعل و انفعال بین خاک و دیوار

ظرفیت باربری خاک چیست؟

«ظرفیت باربری» (Bearing Capacity)، ظرفیت زمین در نگهداری بارهای اعمال شده است. این مفهوم بیشتر برای فونداسیون‌های خاکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به این ترتیب، ظرفیت باربری خاک، حداکثر فشار میانگین بین فونداسیون و خاک است که منجر به شکست برشی نمی‌شود. ظرفیت باربری، تاثیر زیادی بر روی نشست دارد.

نشست زمین
نشست ساختمان به دلیل کافی نبودن ظرفیت باربری

ظرفیت باربری خاک، به پارامترهای برشی (زاویه اصطکاک، چسبندگی) و ابعاد فونداسیون (مخصوصا عمق) بستگی دارد.

نشست خاک چیست؟

جابجایی رو به پایین زمین بر اثر اعمال بارهای تحکیم‌کننده خاک، با عنوان «نشست» (Settlement) شناخته می‌شود. از پارامترهای موثر بر نشست می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • میزان بارهای اعمال شده
  • سفتی خاک
  • ظرفیت باربری

مدول الاستیسیته خاک چیست؟

مدول الاستیسته، معیاری برای توصیف سفتی یا صلبیت مواد جامد است. این کمیت، از روی شیب منحنی تنش-کرنش به دست می‌آید. مدول الاستیسته خاک، معمولا به منظور تعیین نشست مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به نوع خاک، مدول الاستیسته بین 0.07 (حداقل مدول رس خیلی نرم) تا 27 گیگاپاسکال (حداکثر مدول ماسه لای‌دار سخت) قرار دارد.

سازه خاکی چیست؟

خاک تقریبا در همه جای زمین قابل دسترس است. دسترسی بالا به این ماده، باعث گسترش استفاده از آن به عنوان مصالح ساختمانی شده است. خاک حتی در دوران ماقبل تاریخ نیز به عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاد قرار می‌گرفت.

«سازه خاکی» (Earth Structure)، ساختمان یا سازه‌ای است که بخش قابل توجهی از آن توسط خاک ساخته شده باشد. امروزه، خاک به عنوان مصالح اصلی بسیاری از سازه‌های بزرگ و کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع این ماده، یکی از پرکابردترین مواد مورد استفاده در سازه‌های عمرانی و ژئوتکنیکی است. خاک، به صورت مصالح (سد، خاکریز، راه، راه آهن)، فونداسیون (سد، پل، ساختمان) و محیط ساخت (تونل، کانال) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه، به معرفی کاربردهای خاک در سازه‌های عمرانی و ژئوتکنیکی می‌پردازیم.

نقش خاک در ساخت فونداسیون چیست؟

تمام سازه‌های عمرانی از قبیل ساختمان، پل، سد، آزادراه، تونل، دیوار حایل، برج و کانال، بر روی زمین یا درون آن ساخته می‌شوند. به بخشی که ساخت سازه بر روی آن صورت می‌گیرد، فونداسیون می‌گویند. فونداسیون، پایین‌ترین بخش یک سازه است که وظیفه انتقال و توزیع بارهای اعمال شده از طرف بخش‌های بالایی (روسازه) را بر عهده دارد.

فونداسیون خاکی
ساخت فونداسیون منفرد بر روی خاک

در بسیاری از موارد، فونداسیون سازه از مواد خاکی تشکیل می‌شود. خاک‌های فونداسیون باید قادر به تحمل، انتقال و توزیع مناسب بارهای روسازه باشد. از این‌رو، بررسی ویژگی‌های خاک‌ها برای اطمینان از عملکرد صحیح آن‌ها به عنوان فونداسیون و تامین ایمنی کافی برای سازه، اهمیت بالایی دارد. مسئله اصلی در فونداسیون‌های خاکی، جلوگیری از نشست و تخریب سازه است.

ویژگی‌های خاک فونداسیون می‌تواند بر روی انتخاب نوع سازه نیز تاثیرگذار باشد. در ساخت ساختمان‌های مسکونی یا تجاری، ظرفیت باربری و نوع خاک، پارامترهایی نظیر عمق حفاری و نوع فونداسیون (سطحی یا عمیق) را تعیین می‌کند. به طور کلی، خاک‌های لومی، بهترین گزینه برای اجرای فونداسیون ساختمان‌ها هستند.

نقش خاک در ساخت سازه های نگهبان چیست؟

هنگامی که فضای کافی برای حرکت خاک کناره‌های یک سازه وجود نداشته باشد، از سازه نگهبان یا دیوار حایل استفاده می‌شود. دیوار حایل، سازه‌ای است که در برابر حرکت و فشار جانبی شیب‌های خاکی کنار جاده‌ها، تکیه‌گاه‌ها (سد، پل) و حفریات سطحی مقاومت می‌کند.

دیوار حایل

نوع سازه نگهبان مورد استفاده برای جلوگیری از ریزش شیب‌های خاکی، به نوع و خواص مقاومتی شیب‌ها بستگی دارد. در برخی از موارد، از روش‌های دیگری نظیر میخ‌کوبی به منظور پایدارسازی خاک‌ها استفاده می‌شود.

به طور کلی، پارامترهایی نظیر نوع، ظرفیت باربری، چسبندگی، زاویه اصطکاک، تراکم و رطوبت خاک‌ها بر روی انتخاب نوع سازه نگهبان تاثیرگذار هستند. به عنوان مثال، در نواحی سرد، استفاده از خاک‌های مرطوب و متورم‌شونده نظیر رس به عنوان پرکننده دیوار حایل توصیه نمی‌شود؛ چراکه انبساط و انقباض این خاک‌ها در هوای سرد می‌تواند به دیوار حایل آسیب برساند.

نقش خاک در ساخت تونل و حفریات زیرزمینی چیست؟

بسیاری از تونل‌ها، حفریات زیرزمینی و کانال‌ها درون محیط‌های خاکی ساخته می‌شوند. به همین دلیل، توجه به خواص فیزیکی و مکانیکی خاک در هنگام ساخت این سازه، اهمیت بسیار زیادی دارد. اکثر خاک‌ها، برخلاف سنگ‌های سخت، دارای ماهیت خودنگهدار نیستند. این مسئله به همراه اعمال فشارهای جانبی و محصورکننده از طرف خاک، احتمال تخریب حفریات زیرزمینی را افزایش می‌دهد. در این موارد، معمولا از سازه‌های نگهبان برای تقویت سازه استفاده می‌شود.

حفاری در خاک
گیر کردن ماشین حفاری مکانیزه TBM

یکی دیگر از ویژگی‌های تاثیرگذار خاک، خاصیت نفوذپذیری و هدایت هیدرولیکی آن است. نشت آب به درون حفریات زیرزمینی، عملیات حفاری را به تعویق می‌اندازد و هزینه‌های مالی زیادی را به پروژه تحمیل می‌کند. از این‌رو، انجام برداشت‌های زمین‌شناسی، حفر گمانه‌های مطالعاتی و اجرای آزمایش‌های نفوذپذیری، یکی از فعالیت‌های مهم در پروژه‌های زیرزمینی محسوب می‌شود.

جنس و نوع خاک، عاملی است که نرخ حفاری تونل را نیز کنترل می‌کند. خاک‌هایی با خاصیت خورندگی، چسبندگی و سختی بالا، برای حفاری‌های مکانیزه مطلوب نیستند.

خاکریز چیست؟

«خاکریز» (Embankment)، به سطح بلندی گفته می‌شود برای ساخت سد، جاده، راه‌آهن یا کانال مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساخت خاکریز معمولا با استفاده از خاک‌های متراکم صورت می‌گیرد تا از نشست زمین جلوگیری شود. خاک‌های مورد استفاده در خاکریز به کاربری آن‌ها بستگی دارد. به عنوان مثال، ترکیبات خاکریز راه آهن معمولا از ترکیب ماسه با سنگ‌ریزه ساخته می‌شود تا در برابر بارهای ضربه‌ای قطار، مقاومت خوبی از خود نشان دهد.

خاکریز راه آهن

علاوه بر راه آهن، مواد خاکی برای تسطیح و تغییر ارتفاع جاده‌ها و پیاده‌روها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نقش خاک در ساخت سد چیست؟

خاک، یکی از مواد پرکاربرد در سدسازی به شمار می‌رود. این ماده هم به عنوان مصالح اصلی سازنده سد و هم به عنوان ماده تشکیل‌دهنده فونداسیون در ساخت سازه‌ها تاثیر گذار است. در هنگام ساخت سد، ویژگی‌های خاک بستر رودخانه، به عنوان یکی از عوامل تعیین‌کننده برای انتخاب بین سدهای وزنی، خاکی یا سنگ‌ریزه‌ای مد نظر قرار می‌گیرد.

سد خاکی چیست؟

«سد خاکی» (Erathen Dam)، یکی از انواع سدهای خاکریزی است که با استفاده از خاک‌های معمولی ساخته می‌شود. مقطع سدهای خاکی مانند خاکریزها، ذوزنقه‌ای شکل است. از انواع سدهای خاکریزی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • سد خاکریزی همگن: این نوع سد، فقط از یک نوع خاک ساخته می‌شود.
  • سد خاکریزی ناهمگن: این نوع سد، از یک هسته نفوذناپذیر (رس، سیلت یا مخلوط این دو) با پوشش نفوذپذیر (خاک معمولی) ساخته می‌شود.
  • سد خاکریزی دیافراگمی: این نوع سد، از یک دیافراگم مرکزی نفوذناپذیر از جنس خاک، بتن، فولاد یا چوب ساخته می‌شود.

سد ملاتی چیست؟

«سد ملاتی» (Masonry Dam)، سازه‌ای است که با استفاده از سنگ یا آجر به همراه ملات ساخته می‌شود. ماده اصلی تشکیل دهنده آجر، رس است. به همین دلیل، سدهای ملاتی (نوع آجری) را می‌توان به عنوان یکی دیگر از مثال‌های کاربرد مصالح خاکی در سازه‌های مهندسی عمران در نظر گرفت.

سد آجری
نمونه‌ای از یک سد ساخته شده با آجر

فونداسیون سد چیست؟

فونداسیون سد، پایین بخش آن است که در برابر بارهای اعمال شده از طرف بدنه، فشار هیدرواستاتیک و فشار بالابرنده (آپلیفت) مقاومت می‌کند. فونداسیون سدهای خاکریزی و برخی از سدهای وزنی از جنس مصالح رودخانه‌ای است. خاک‌های موجود در فونداسیون، تاثیر زیادی بر روی انتخاب نوع سد دارد.

فونداسیون سد
ساخت فونداسیون سد بر روی مواد خاکی

نقش خاک در ساخت پل چیست؟

پل، یکی دیگر از سازه‌هایی است که با مواد خاکی ارتباط دارد. فونداسیون این سازه و بخش تکیه‌گاه‌های آن با توجه به محل ساخت می‌توانند از مواد خاکی ساخته شده باشند. اصول ارزیابی فونداسیون پل نیز مانند سازه‌های دیگر به کاربری آن بستگی دارد. تکیه‌گاه‌های خاکی پل نیز از مبانی خاکریزها و سازه‌های نگهبان پیروی می‌کنند.

تکیه گاه پل
نمایی از تکیه گاه خاکی یک پل

معرفی فیلم آموزش مکانیک خاک

خاک چیست

خاک، یکی از مهم‌ترین مصالح و مواد مورد استفاده در سازه‌های عمرانی و ژئوتکنیکی است. تحلیل رفتار خاک در بارگذاری‌های مختلف، از شاخه‌های علوم خاک است که با عنوان مکانیک خاک شناخته می‌شود. به منظور آشنایی دانشجویان، فارغ‌التحصیلان و علاقه‌مندان به یادگیری مفاهیم مرتبط با خاک و حل مسائل مکانیک خاک، فرادرس، آموزشی را به مدت 5 ساعت و 13 دقیقه در قالب 9 درس آماده کرده است.

درس یکم تا نهم این فرادرس به ترتیب به آموزش روابط وزنی حجمی، طبقه‌بندی، تراوش، محاسبه تنش، روش‌های توزیع تنش، محاسبه مقاومت، آزمایش‌های مهم، محاسبه نشست و تحلیل شیروانی‌های خاکی می‌پردازد.

مزایا و معایب استفاده از خاک در ساخت سازه چیست؟

ویژگی‌های خاک، آن را به یکی از پرکاربردترین مصالح سازه‌ای تبدیل کرده است. البته در برخی از موارد، وجود خاک‌ها در سازه‌های مختلف اجتناب‌ناپذیر می‌شود. به هر حال، این ماده نیز مانند تمام مصالح ساختمانی دارای مزایا و معایب مختص به خود است. از مزایای مواد خاکی در سازه‌های عمرانی و ژئوتکنیکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • قابلیت دسترسی بالا
  • انعطاف‌پذیری بالا
  • هزینه پایین
  • کم بودن اثرات مخرب زیست‌محیطی
  • مناسب بودن برای ساخت سازه‌های کوچک

اصلی‌ترین معایب مواد خاکی عبارت هستند از:

  •  مناسب نبودن تمامی خاک‌ها برای سازه‌های بزرگ (ظرفیت باربری پایین برخی از خاک‌ها)
  • هزینه بهسازی در صورت کافی نبودن مقاومت و ظرفیت باربری
  • عدم قطعیت بالا به دلیل وجود لایه‌های مختلف

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 2 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *