مکانیک خاک چیست

مکانیک خاک Soil mechanics شاخه‌ای از فیزیک خاک و مکانیک کاربردی است که رفتار خاک را توصیف می­ کند. تفاوت آن با مکانیک سیالات و مکانیک جامد به این معناست که خاک از مخلوط ناهمگنی از مایعات (معمولاً هوا و آب) و ذرات (معمولاً رس، لجن، شن و ماسه) تشکیل شده است اما خاک همچنین ممکن است حاوی جامدات آلی و سایر مواد باشد. مکانیک خاک همراه با مکانیک سنگ، مبانی نظری را برای تجزیه‌وتحلیل در مهندسی ژئوتکنیک فراهم می­ کند.

کاربرد

یکی از زیرشاخه­ های گروه مهندسی عمران و مهندسی زمین‌شناسی، مکانیک خاک می­ باشد که برای تجزیه‌وتحلیل تغییر شکل و جریان مایعات و جامدات در ساختارهای طبیعی و ساخته شده توسط بشر که بر روی خاک پشتیبانی می­ شوند یا از خاک ساخته شده­ اند، یا سازه­ هایی که در خاک دفن شده­ اند از مهندسی مکانیک خاک استفاده می ­شود.

از جمله برنامه­ های کاربردی می ­توان به ساخت پایه و پل، دیوارهای حائل، سدها و سیستم‌های خط لوله مدفون اشاره کرد.

اصول مکانیک خاک

اصول مکانیک خاک همچنین در رشته‌های مرتبط مانند مهندسی ژئوفیزیک، مهندسی ساحل، مهندسی کشاورزی، هیدرولوژی و فیزیک خاک استفاده می‌شود.

علم مکانیک خاک متفاوت از مکانیک سیالات و مکانیک جامدات است به این دلیل که خاک محیطی است ناهمگون و متشکل از سیالات (معمولاً هوا و آب) و ذرات گوناگون (معمولاً رس، ماسه یا شن) یا گاهی مواد آلی، مایعات، گازها و … است.

مکانیک خاک، مانند مکانیک سنگ، پایه علمی لازم برای تحلیل و طراحی در مهندسی خاک و پی، یکی از زیرشاخه‌های مهندسی عمران، را فراهم می‌کند. مکانیک خاک برای تحلیل تغییر شکل‌ها، یا حرکت سیالات در سازه‌های طبیعی یا ساختگی (دست‌ساز بشر) که از خاک ساخته شده‌اند یا زیربنای خاکی دارند یا سازه‌هایی که در زیر خاک مدفون شده‌اند بکار می‌رود.

 

ویدئو پییشنهادی :نرم افزار های مهندسی عمران  

مانند پی ساختمان‌ها و پل‌ها، دیوارهای حائل، سدها و سامانه خطوط لوله مدفون در زمین. اصول مکانیک خاک در دیگر رشته‌های مهندسی مانند مهندسی زمین‌شناسی، خاک، سازه‌های دریایی، کشاورزی، هیدرولوژی و رشته فیزیک خاک مورداستفاده قرار می‌گیرد.

کاربرد مکانیک خاک

استفاده از اصول مکانیک خاک در طراحی روسازی‌های زیرین و انتهایی و ماسه‌ای و همچنین ارزیابی سازه‌ای روسازی‌های مورداستفاده از دانش فعلی عقب‌مانده است. روش‌های طراحی فعلی معمولاً تجربی هستند و اغلب به آزمایش آسانسور کالیفرنیا متکی هستند که کالیفرنیا حدود پنجاه سال است که از آن استفاده نمی­کند.

چالش مکانیک خاک درک واکنش خاک‌ها و مواد دانه­ای در برابر بارهای مکرر و به‌کارگیری دروس آموخته شده برای طراحی روسازی بر اساس تجزیه‌وتحلیل نظری صدا و درک مکانیسم‌های خرابی است.

جنبه خاصی از این مسئله ویژگی‌های فشار غیرخطی است که باید در طراحی و ارزیابی آنها لحاظ شود. مهندس روسازی ابزار وسیعی برای این منظور در اختیار دارد: تجزیه‌وتحلیل نظری، آزمایش‌های آزمایشگاهی، آزمایش‌ها می‌دانی و آزمایش‌ها مقیاس کامل روی روسازی‌های ابزار. تغییر شکل‌های الاستیک و دائمی رس‌ها و مواد دانه‌ای در اینجا در چارچوب معیارهای طراحی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

ما همچنین باتوجه‌به آنچه در حال حاضر در مورد مکانیک خاک شناخته شده است، روش طراحی، اساساً تجربی، مورداستفاده آژانس راه‌های انگلستان و همچنین تکامل آن را تجزیه‌وتحلیل می‌کنیم. در مقابل، این سخنرانی به طور خلاصه روش‌های مکانیکی فرمول شده را توصیف می‌کند و از کاربرد دانش فعلی در یک روش عملی برای طراحی لایه‌های پایه حمایت می‌کند. این طراحی جاده‌ها و راه‌آهن را مقایسه می‌کند و پیشرفت حاصل شده در حوزه اخیر را بررسی می‌کند.

دانه‌بندی خاک و ضریب یکنواختی خاک

ساختار خاک به چیدمان خاک جدا شده به واحدهایی گفته می‌شود که مصالح خاک نامیده می‌شود. یک سنگ‌دانه دارای جامدات و فضای منافذ است. سنگ‌دانه‌ها توسط صفحات ضعف جدا شده و ذرات رس بر آنها مسلط هستند. ذرات سیلت و ماسه ریز نیز ممکن است بخشی از سنگ‌دانه‌ها باشد. سنگ‌دانه بسته به‌اندازه آن مانند ذرات لجن یا ماسه بزرگ‌تر عمل می‌کند.

اشکال مختلف ساختار خاک

چیدمان سنگ‌دانه‌های خاک به اشکال مختلف به خاک ساختار می‌بخشد. فرایندهای طبیعی که به تشکیل سنگ‌دانه‌ها کمک می‌کند:

  1. خیس کردن و خشک‌کردن،۲٫ انجماد و ذوب،۳٫ فعالیت میکروبی که به پوسیدگی مواد آلی کمک می‌کند،۴٫ فعالیت ریشه، حیوانات و خاک ۵٫ کاتیون‌های جذب شده.

عمل خیس شدن / خشک شدن و انجماد / ذوب شدن و همچنین فعالیت ریشه یا حیوانات ذرات را به عقب و جلو سوق می‌دهد. تا سنگ‌دانه‌ها را تشکیل دهد. باقیمانده‌های گیاهی در حال پوسیدگی و محصولات جانبی میکروبی، ذرات خاک را پوشانده و ذرات را به سنگ‌دانه‌ها متصل می‌کند. کاتیون‌های جذب شده هر زمان که یک کاتیون به دو یا چند ذره پیوند می‌خورد به تشکیل دانه‌ها کمک می­کند.

سنگ‌دانه‌ها با شکل، اندازه و پایداری آنها توصیف می­شوند. هنگام بحث در مورد ساختار، از انواع جمع بیشتر استفاده می­شود (جدول ۲٫۳)

ردیف نوع شرح
۱ Granular          دانه‌ای سطوح گرد شده
۲ Crumb              خرده سطوح گرد اما بزرگ‌تر از دانه‌ای
۳ Blocky             بلوکی مکعبی مانند با سطوح صاف و گوشه‌های تیز
۴ Sub angular blocky   بلوک زیر گوش مکعبی مانند با سطوح صاف و گوشه‌های گرد
۵ Platy              پلاستیکی مستطیلی با ابعاد افقی طولانی
۶ Prismatic         منشوری مستطیلی با ابعاد عمودی بلند و بالای صفحه صاف
۷ Columnar         ستونی مستطیلی با ابعاد عمودی بلند و بالای آن گرد
۸ Single grain     تک دانه بدون تجمع ذرات البته در زمان خشک شدن

جدول ۲٫۳٫ نوع ساختار و توضیحات

ضریب انحنای خاک و مشخصات خاک

ساختار یکی از مشخصه‌های تعیین‌کننده ضریب انحنای خاک است. مشخصات خاک در هر ضریب انحنای خاک فقط یک ساختار از خود نشان می­ دهد، اما افق‌های مختلف در داخل خاک ممکن است ساختارهای مختلفی از مشخصات خاک را نشان دهند.

 

مقاله پییشنهادی : بهترین دانشگاه ایران در مهندسی عمران

 

همه عوامل تشکیل‌دهنده خاک به‌ویژه آب‌وهوا، بر نوع سازه­ ای که در هر عمق ایجاد می­ شود، تأثیر می­ گذارد. ساختار دانه­ ای و خردها معمولاً در سطح خاک در افق A قرار دارند. سطح زیرین، عمدتاً افق B ، دارای ساختار بلوکی، ستونی یا منشوری است. ساختار پلاتی را می­ توان در سطح یا زیر خاک یافت درحالی‌که غلات تک و ساختار یا بدون ساختار اغلب با افق C در ارتباط هستند. برای شناسایی ساختار افق‌های مختلف خاک Holdrege ، Nora ، Sharpsburg و Valentine.باید به سطح زیرین خاک رفت تا مشخصات خاک را مشخص کرد.

سنگ‌دانه‌ها

سنگ‌دانه‌ها در ضریب انحنای خاک و مشخصات خاک مهم هستند زیرا بر تراکم فله، تخلخل و اندازه منافذ تأثیر می­گذارند. منافذ داخل یک سنگ‌دانه در مقایسه با منافذ بین سنگ‌دانه‌ها و بین ذرات منفرد خاک کاملاً کوچک هستند. این تعادل منافذ کوچک و بزرگ باعث هوادهی خوب خاک، نفوذپذیری و ظرفیت نگهداری آب می­ شود.

تجمع با رشد ریشه و افزودن مواد آلی تقویت می­ شود. ریشه ترکیباتی را دفع می­ کند که توسط میکروارگانیسم‌ها به‌عنوان غذا استفاده می­ شود. همچنین، همان‌طور که ریشه‌ها آب را جذب می­ کنند و خاک را خشک می­ کنند و هم ضریب انحنای خاک و هم مشخصات خاک را تغییر می­ دهند، ترک‌هایی نیز در طول نقاط ضعف ایجاد می­ کنند که سرانجام، هنگامی‌که ریشه­ ها پوسیده می­ شوند، کانال­های ریشه به‌عنوان مجرای آب عمل می­ کنند که خیس شدن، خشک شدن، انجماد و ذوب شدن را تسهیل می­ کنند.

مشخصات فیزیکی خاک

افق

مشخصات فیزیکی (افق) خاک لایه‌های گسسته‌ای هستند که نیمرخ خاک را تشکیل می‌دهند. آنها به طور معمول با سطح زمین موازی هستند. در بعضی از خاک‌ها، آنها شواهدی از اقدامات فرایندهای تشکیل خاک را نشان می‌دهند.

مشخصات فیزیکی خاک یا همان افق­ ها تحت تأثیر مواد آلی هستند. بعضی از آنها برای مدت طولانی با آب اشباع شده ­اند اما اکنون به طور مصنوعی تخلیه می­ شوند. افق‌ها لایه­ های معدنی هستند که در سطح یا زیر افق O شکل‌گرفته‌اند که ازبین‌رفتن تمام یا بیشتر ساختار اصلی سنگ را نشان می­ دهد و یکی یا هر دو مورد زیر را نشان می‌دهد:

تجمع ماده آلی humified صمیمی با بخش معدنی مخلوط شده و تحت تأثیر خواص مشخصه افق E یا B

اصلاح به‌عنوان یک نتیجه از اقدامات کشت، چراگاه، یا انواع مشابه از این مزاحمت‌ها

افق­ های E

افق­ های E لایه‌های معدنی هستند که ازبین‌رفتن رس سیلیکات، آهن، آلومینیوم، هوموس یا ترکیبی از اینها را نشان می­ دهند و غلظت ذرات شن و ماسه را به جا می­ گذارند. این افق‌ها ازبین‌بردن تمام یا بیشتر ساختار اصلی سنگ را نشان می­ دهند.

افق­ های B

افق­ های B لایه­های معدنی هستند که به طور معمول در زیر افق A ، E یا O تشکیل می­ شوند و تحت سلطه نابودی کل یا بیشتر ساختار اصلی سنگ قرار دارند و یک یا چند مورد زیر را نشان می­ دهند.

ترکیبی از مشخصات فیزیکی خاک

غلظت ایلووی از خاک سیلیکات، آهن، آلومینیوم، هوموس، کربنات، گچ یا سیلیس، به‌تنهایی یا به‌صورت ترکیبی از مشخصات فیزیکی خاک محسوب می­ شوند.

شواهد حذف کربنات­ ها، غلظت باقیمانده سزکیو اکسیدها نیز از علائم بارز مشخصات فیزیکی خاک هستند

پوشش‌های سسکویوکسیدها که باعث می­ شوند افق به طور واضح کمتری از ارزش، بیشتر کروم یا قرمزتر از افق‌های پوشاننده بدون آشکارسازی آهن باشد.

دگرگونی که رس سیلیکات ایجاد می‌کند یا اکسیدها یا هر دو را آزاد می‌کند و در صورت تغییر حجم همراه با تغییر رطوبت، ساختار دانه‌ای، بلوکی یا منشوری ایجاد می‌کند. یا شکنندگی.

صفحه پییشنهادی : مهندسی عمران

 

افق‌های C

افق‌های C لایه‌های معدنی هستند که سنگ بستر نیستند و کمی تحت تأثیر فرایندهای بیماری‌زا قرار می‌گیرند و فاقد خواص افق‌های O ، A ، E یا B هستند. مواد لایه‌های C ممکن است مانند چیزی باشد که احتمالاً افق خاک پوشیده از آن شکل‌گرفته باشد. افق C ممکن است اصلاح شده باشد حتی اگر شواهدی از پدوژنز وجود نداشته باشد.

مشخصات شیمیایی خاک

برخی از عناصر غذایی و فلزی گیاهان به‌عنوان یون‌های دارای بار مثبت یا “کاتیون” در محیط خاک وجود دارند که مشخصات شیمیایی خاک را مشخص می­ کنند. از جمله کاتیون­ های متداول موجود در خاک می ­توان به هیدروژن (H +) ، آلومینیوم (Al + 3) ، کلسیم (Ca + 2) ، منیزیم (Mg + 2) و پتاسیم (K +) اشاره کرد. بیشتر فلزات سنگین نیز به‌عنوان کاتیون در محیط خاک وجود دارد. یکی دیگر از اجزا مشخصات شیمیایی خاک ذرات رس و مواد آلی عمدتاً دارای بار منفی (آنیون) هستند و توانایی نگهداری کاتیون­ها از “شسته شدن” آنها را دارند. کاتیون­های جذب شده در معرض جایگزینی با کاتیون­های دیگر در یک‌روند سریع و برگشت‌پذیر به نام “تبادل کاتیون” قرار می­ گیرند.

کاتیون­هایی که از سایت­ های تبادل خارج می­ شوند، وارد محلول خاک می‌شوند، جایی که می­ توانند توسط گیاهان جذب شوند و مشخصات شیمیایی خاک را تغییر دهند یا با سایر مواد تشکیل‌دهنده خاک واکنش دهند یا به آب زهکشی منتقل شوند.

ظرفیت تبادل کاتیونی

“ظرفیت تبادل کاتیونی” یا “CEC” یک خاک اندازه­گیری اندازه بار منفی واحد وزن خاک یا مقدار کاتیون­ هایی است که نمونه خاصی از خاک می­ تواند به شکل قابل تعویض نگه دارد. هرچه مقدار رس و مواد آلی بیشتر باشد، CEC نیز باید بیشتر باشد، اگرچه انواع مختلف مواد معدنی رس و مواد آلی می­ توانند در CEC متفاوت باشند.

تبادل کاتیونی مکانیسم مهمی در مشخصات شیمیایی خاک برای نگهداری و تأمین مواد مغذی گیاه و جذب آلاینده­ ها است. نقش مهمی در تصفیه فاضلاب خاک­ ها دارد. خاک­ های شنی با CEC پایین معمولاً برای سیستم‌های سپتیک نامناسب هستند زیرا توانایی جذب کمی دارند و پتانسیل آب‌های زیرزمینی وجود دارد.

اشباع خاک چیست

در یک نگاه کلی و به طور خلاصه اشباع خاک هنگامی اتفاق می­ افتد که مصالح دانه‌ای اشباع می‌شوند یعنی به دلیل تغییر در حوزة تنش، جابه‌جایی ذرات خاک اتفاق می‌افتد و درنهایت پدیده نشست ناگهانی بی‌وجود می‌آید که به آن اشباع خاک گفته می­ شود.

محاسبه وزن خاک

محاسبه وزن خاک عبارت از نسبت وزن مخصوص مرطوب خاک به در صد رطوبت همان خاک به‌اضافه ۱ است با تعیین وزن مخصوص خشک خاک می­ توان با انجام آزمایش تراکم در آزمایشگاه میزان قابلیت کوبیدگی خاک را دست آورد.

نسبت کوبیدگی از تقسیم وزن مخصوص خشک خاک در سایت به وزن مخصوص خشک ماکزیمم خاک در آزمایشگاه به دست می ­آید.

در راه‌سازی، فرودگاه­ ها، سدهای خاکی، کانال­ها، جاده­ های درجه ۱ و ۲ و حتی در ساخت پی بنا‌های ساختمانی، دلیل اینکه نیاز به بستری محکم می ­باشد انجام آزمایش میزان کوبیدگی الزامی می­ باشد طبق آیین‌نامه می­ بایست حداقل تراکم بسته به نوع پروژه ارضا گردد و اگر خاکی این قدرت را نداشته باشد، خاک ضعیف تلقی شده از محل خارج شده و به‌جای آن خاکی با قابلیت تراکم‌پذیری مقبول جایگزین می­ شود.

تخلخل چیست

تخلخل به‌عنوان یکی از ویژگی‌های سنگ نقش مهمی را در مطالعات زمین‌شناسی و همچنین شناسایی مخازن مواد آلی و آبی ایفا می‌کند.

برای نمونه در یک مخزن آبی، تخلخل نشان‌دهنده حداکثر میزان آبی است که سنگ آن مخزن می‌تواند در خود نگه دارد.

بعضی سنگ‌ها همچون ماسه‌سنگ، پلمه‌سنگ و سنگ خارا به علت چینش مناسب ریزدانه‌ها تخلخل پایینی دارند. به این نوع سنگ‌ها به‌اصطلاح سنگ‌های به هم فشرده گویند. سنگ‌هایی مانند سنگ آهک نیز معمولاً دارای تخلخل بالایی می‌باشد.