تراکم خاک چیست؟ | ماشین آلات، روش ها و آزمایش های تراکم خاک — به زبان ساده

«تراکم خاک» (Soil Compaction) یکی از روش‌های افزایش چگالی و بهسازی خاک است که به منظور بهبود استحکام، ظرفیت باربری، مقاومت در برابر تغییر شکل، پایداری، عملکرد مناسب در شرایط جوی بد و مقاومت در برابر نفوذ سیالات مورد استفاده قرار می‌گیرد. متراکم کردن زمین از فعالیت‌های ثابت در اجرای عملیات خاکی نیز محسوب می‌شود. به دلیل اهمیت بالای این فرآیند، در این مقاله، تعاریف، روش‌ها، ماشین آلات و عوامل موثر بر تراکم خاک را مورد بررسی قرار می‌دهیم. در انتها نیز به معرفی پرکاربردترین روش‌های آزمایشگاهی و برجای تعیین ضریب تراکم خاک می‌پردازیم.

بهسازی خاک چیست ؟

«بهسازی خاک» (Soil Improvement یا Ground Improvement)، مجموعه روش‌های مورد استفاده برای بهبود خواص ژئومکانیکی خاک به منظور آماده‌سازی محل اجرای پروژه و بهبود عملکرد سازه است.

فیلم آموزش مقدماتی بهسازی خاک – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

در صورتی که مشخصات زمین محل پیشنهادی برای اجرای پروژه مطابق با الزامات طراحی نباشند، گزینه‌های زیر مد نظر قرار می‌گیرند:

• کنار گذاشتن محل پیشنهادی و یافتن محل جدید با مشخصات مناسب
• اجرای عملیات خاکی برای برداشت مصالح ضعیف و جایگزینی آن با مصالح مناسب
• طراحی مجدد یا طراحی بر اساس شرایط موجود
• بهسازی خاک

از بین راه‌حل‌های معرفی شده در هنگام مواجهه با خاک یا زمین ضعیف، بهسازی خاک گزینه مطلوبی است که علاوه بر کاهش هزینه‌های اضافی موجود در گزینه‌های دیگر، سازگاری خوبی با محیط زیست دارد. بهسازی خاک از روش‌های متعدد با نحوه اجرای متفاوت بهره می‌برد. متداول‌ترین روش‌های بهسازی خاک عبارت هستند از:

• مکانیکی: تغییر فیزیکی مصالح به منظور افزایش چگالی و استحکام
• هیدورلیکی: تغییر مشخصات مرتبط با جریان، تراوش و زهکشی برای جلوگیری از عوامل مخرب
• فیزیکی و شیمیایی: ترکیب افزودنی‌های فیزیکی یا شیمیایی به منظور پایدارسازی
• سازه‌ای: استفاده از المان‌های سازه‌ای و مصالح صنعتی تقویت‌کننده

تعریف تراکم خاک چیست؟

«تراکم خاک» (Soil Compaction)، فرآیندی است که با اعمال تنش، باعث خروج حباب‌های هوای موجود در فضای بین ذرات و افزایش چگالی خاک می‌شود. تراکم خاک را می‌توان به عنوان یکی از روش‌های مکانیکی بهسازی خاک در نظر گرفت.

فیلم آموزش مکانیک خاک، گودبرداری پی سازی و سازه های نگهبان – ویژه آزمون نظام مهندسی در فرادرس

کلیک کنید

این روش، بستر مناسب برای اجرای سازه‌هایی نظیر ساختمان (فونداسیون)، جاده (خاکریز، زیرسازی و روسازی)، پیاده‌رو (زیرسازی) و سدهای خاکی (فونداسیون و بدنه) را فراهم می‌کند.

هدف از تراکم خاک چیست؟

تراکم خاک، به عنوان یکی از مراحل ثابت در عملیات خاکی و از روش‌های متداول بهسازی خاک، با خروج هوا از محیط، کاهش فاصله بین ذرات و افزایش قفل‌شدگی بین آن‌ها، چگالی مصالح را افزایش می‌دهد. هدف از افزایش چگالی خاک، بهبود ظرفیت باربری، افزایش دوام، افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل (صلبیت)، کاهش احتمال آسیب‌های ناشی از یخ‌زدگی، افزایش پایداری و کاهش نفوذپذیری بستر سازه است.

اهمیت تراکم خاک در چیست؟

اگر پیش از شروع ساخت سازه‌های عمرانی، خروج هوای بین ذرات خاک محل اجرای پروژه به خوبی انجام نگیرد، احتمال رخ دادن جابجایی‌های ناخواسته و نفوذ آب به زیر سازه افزایش می‌یابد. این مسئله، ترک یا حتی شکست دیوارهای ساختمان، شکستگی و نشت لوله‌های زیر زمین، ایجاد گودال در جاده و مشکلات دیگر را در پی خواهد داشت. از این‌رو، تراکم خاک، عملیات بسیار مهمی است که در اغلب پروژه‌های عمرانی اجرا می‌شود. موفقیت‌آمیز بودن نتیجه این عملیات، نیازمند انتخاب روش‌های مناسب و ماشین آلات متناسب برای هر پروژه است. این کار نیز با اجرای آزمایشات مخصوص بر روی خواص خاک و تصمیم‌گیری بر اساس نتایج به دست آمده انجام می‌گیرد.

تفاوت تراکم و تحکیم خاک در چیست؟

بسیاری از افراد، مفهوم تراکم خاک را با «تحکیم خاک» (Soil Consolidation) اشتباه می‌گیرند. در هر دوی این پدیده‌ها، چگالی مصالح بر اثر کم شدن فاصله بین ذرات افزایش می‌یابد. با این وجود، در تراکم، نزدیک شدن ذرات بر اثر خروج هوا باعث افزایش چگالی توده خاک می‌شود. در تحکیم، دلیل افزایش چگالی توده خاک، نزدیک شدن ذرات بر اثر جابجایی آب یا دیگر مایعات است. البته طبق تعاریف منابع علوم خاک، تراکم بر اثر ترکیبی از دو فرآیند مذکور (تراکم مهندسی و تحکیم) رخ می‌دهد.

تراکم پذیری خاک چیست؟

«تراکم پذیری خاک» (Soil Compressibility)، یکی از خواص مکانیکی خاک است که میزان سهولت کاهش حجم در صورت اعمال بار را نمایش می‌دهد. پیش از اجرای تراکم خاک، تراکم پذیری محل پروژه بر حسب چگالی خشک و رطوبت بهینه، با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی یا آزمایش‌های برجا محاسبه می‌شود. تراکم خاک و انرژی مورد نیاز برای انجام آن، مفاهیمی هستند که ارتباط بسیار نزدیکی با مشخصات ژئومکانیکی خاک، از جمله تراکم‌پذیری آن دارند. تعیین این خواص توسط آزمایش‌های مختلف و تفسیر نتایج به دست آمده از آن‌ها معمولا در درسی با عنوان مکانیک خاک مورد مطالعه و بررسی قرار می‌گیرد. مفاهیم و اصول این درس، پایه اکثر محاسبات و طراحی‌ها در پروژه‌های ژئوتکنیکی هستند. به علاوه، مکانیک خاک از مهم‌ترین منابع کنکور کارشناسی ارشد مهندسی عمران - ژئوتکنیک به شمار می‌رود.

روش های تراکم خاک کدام هستند؟

تراکم خاک، معمولا با استفاده از روش‌های استاتیکی، کوبشی، ضربه‌ای و ارتعاشی انجام می‌شود. هر یک از این روش‌ها دارای مکانیزم و ماشین آلات مختص به خود هستند که افزایش چگالی خاک‌های مختلف تا اعماق متفاوت را ممکن می‌کنند.

فیلم آموزش مقدماتی بهسازی خاک – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

به طور کلی، روش‌های تراکم خاک را می‌توان به دو گروه تراکم سطحی و عمیق تقسیم‌بندی کرد. در ادامه به معرفی زیرمجموعه‌های هر یک از این موارد می‌پردازیم.

تراکم استاتیکی خاک چیست؟

«تراکم استاتیک» (Static Compaction)، یکی از ساده‌ترین روش‌های تراکم و افزایش چگالی خاک است. از نظر تئوری، تمام اشیا مقداری فشار استاتیک را به زمین وارد می‌کنند. هرچه وزن اشیا بیشتر باشد، فشار اعمال شده نیز بیشتر خواهد بود. از این‌رو، حرکت انسان بر روی یک زمین خاکی، باعث تراکم بسیار کم آن زمین خواهد شد. در صورتی که عبور ماشین آلات سنگین ساختمانی (نظیر غلتک‌ها) می‌تواند خاک را تا حد زیادی متراکم کند. فشار استاتیکی ناشی از نیروی ثقلی این ماشین آلات، باعث ایجاد تنش برشی درون محیط خاک می‌‌شود. به این ترتیب، ذرات توده خاک در صفحات مجاور نسبت به یکدیگر حرکت کرده و یک آرایش نزدیک‌تر و پایدارتر را ایجاد می‌کنند. البته تراکم استاتیکی در تمام اعماق یک لایه خاک به صورت یکسان اعمال نمی‌شود. این روش بیشترین تاثیر را بر روی تراکم خاک‌های سطحی و اعماق کم دارد.

تراکم کوبشی خاک چیست؟

«تراکم کوبشی» (Kneading Compaction)، روشی است که با بهره‌گیری از مفهوم کاهش سطح تماس برای افزایش فشار، توده خاک را تا اعماق بیشتر نسبت به روش تراکم استاتیکی متراکم می‌کند. غلتک‌های پاچه بزی، کفشک‌دار و پنوماتیک از متداول‌ترین ماشین آلات تراکم خاک با مکانیزم کوبشی هستند.

تراکم دینامیکی خاک یا تراکم ضربه ای چیست؟

روش‌های استاتیک و کوبشی از نیروی ثقلی برای تراکم خاک استفاده می‌کنند. «تراکم ضربه ای» (Impact Compaction)، از یک مکانیزم دینامیکی برای بهره‌مندی از نیروی ثقلی استفاده می‌کند. به همین دلیل این روش با عنوان «تراکم دینامکی» (Dynamic Compaction) نیز شناخته می‌شود. در تراکم دینامیکی، یک وزنه سنگین فولادی یا بتنی (وزنه حدود 8 تا 36 تنی) از ارتفاع مشخص (حدود 1 تا 30 متر) و مطابق با الگوی معین (معمولا شبکه‌ای) بر روی سطح مورد نظر رها می‌شود. فشار ناشی از برخورد وزنه به زمین، تراکم خاک در نقطه برخورد را در پی دارد. در هر پاس تراکم، محل تورفتگی زمین توسط مواد دانه‌ای پر می‌شوند. نهایی‌سازی فرآیند تراکم طی دو تا سه پاس (با توجه به نوع خاک و شرایط موجود) انجام می‌گیرد. به دلیل قابلیت تراکم خاک در اعماق بیشتر، روش تراکم دینامیکی با عنوان روش تراکم عمیق نیز شناخته می‌شود.

میزان تراکم خاک با روش دینامیکی به فاصله نقاط برخورد (الگوی شبکه تراکم)، وزن و ارتفاع رهاسازی وزنه بستگی دارد. همیشه اولین ضربه با بیشترین نفوذ در خاک همراه است. هرچه فاصله بین نقاط برخورد کمتر باشد، به ضربه‌های کمتری برای تکمیل تراکم لایه‌های خاک نیاز خواهد بود. تراکم دینامیکی برای تمام انواع خاک‌ها قابل استفاده است. با این وجود، این روش اغلب به منظور بهسازی مجدد پرکننده‌های قدیمی و خاک‌های شنی به کار برده می‌شود. در هنگام به کارگیری این روش، توجه به لایه‌های زیر سطح آب زیرزمینی و تاثیر فشار آب منفذی آن‌ها بر روی فرآیند تراکم ضروری است.

تراکم ضربه ای سریع چیست؟

«تراکم ضربه ای سریع» (Rapid Impact Compaction)، از روش‌های بهسازی زمین با استفاده از تراکم در خاک‌های سست و دانه‌ای تا عمق متوسط است. این روش نیز مانند اکثر روش‌های تراکم، باعث افزایش چگالی، زاویه اصطکاک، سختی کلی و افزایش ظرفیت باربری به همراه کاهش احتمال نشست می‌شود. در تراکم ضربه‌ای سریع، چکش مخصوص تعبیه شده بر روی بیل مکانیکی یا دیگر ماشین آلات ساختمانی، یک صفحه دایره‌ای شکل را به طور مداوم (فرکانس تقریبی یک ضربه در ثانیه) بر روی زمین می‌کوبد. به دلیل ثابت بودن پایه‌های ماشین بر روی زمین، انرژی ضربه‌ای به طور ایمن و یکنواخت به درون زمین انتقال می‌یابد. تراکم ضربه‌ای سریع، خاک‌های سست را تا عمق 6 متری یا بیشتر متراکم می‌کند. هزینه و زمان اجرای این روش از اجرای عملیات خاکی کمتر است.