آشنایی با مکانیک خاک و شرایط خاک
در این مقاله قصد داریم شما را با مفهوم مکانیک خاک آشنا کنیم. همچنین در مورد کاربرد و انواع آن نیز مطالبی را بیان خواهیم کرد. اصولا به بررسی رفتار خاک تحت شرایط بارگذاری مکانیک خاک گفته می‌شود. این علم یکی از زیر شاخه‌‌های رشته مهندسی عمران است و داشتن دانش و تخصص در آن برای احداث سازه‌ها بسیار مهم است. بار ساختمان از فونداسیون به خاک منتقل می‌شود و از این رو تحلیل رفتار خاک موضوع بسیار مهمی است. اگر شما هم دوست دارید در این زمینه اطلاعاتی را به دست آورید تا انتهای این مقاله با ما بمانید.
آشنایی با مکانیک خاک
محتوا آشنایی با مکانیک خاک
کاربرد مکانیک خاک
شناخت رفتار خاک به دلیل اینکه شامل مجموعه‌ای از ذرات ناهمگن مانند شن، ماسه، رس و همچنین سیالات مختلف مانند هوا و آب و نیز جامدات آلی است موضوعی سخت و در عین حال بسیار مهم است. کاربرد مکانیک خاک در مورد تمام سازه‌ها بسیار مهم است. بررسی رفتار خاک برای سازه‌هایی مانند تونل و کانال که در زمره سازه‌های زیرزمینی قرار می‌گیرند اهمیت زیادی دارد. بررسی شرایط خاک برای استحکام این سازه‌ها نقش بسیار تعیین کننده‌ای دارد.
همچنین فونداسیون و پی درسازه‌هایی که روی سطح زمین قرار می‌گیرند مانند ساخت سازه‌های ساختمانی، فرودگاه‌ها، راه آهن و … نیز از این قاعده مستثنی نیست. در حقیقت خاک یک ماده تحکیم نیافته است که شامل سنگدانه‌های سیمانی نشده و همچنین مواد آلی پوسیده و دانههای معدنی است. با توجه به اینکه استحکام خاک با توجه به نوع دانه بندی آن متفاوت است مهندسان معمولا قبل از احداث بنا خاک منطقه مورد نظرشان را مورد بررسی قرار می‌دهند.
انواع مکانیک خاک
در این علم به بررسی موارد زیادی پرداخت می‌شود و باید انواع خاک را به خوبی بشناسید تا بتوانید با مکانیک آن هم آشنا شوید. به طور کلی خاک‌ها دارای ۴ نوع بافت مختلف هستند که شامل خاک‌های لومی، خاک‌های شنی، خاک‌های رس و خاک‌های سیلتی هستند. به طور کلی ۱۲ نوع خاک وجود دارد که در زیر به آن‌ها اشاره شده است.
- خاک آلفوسولز
- خاک اریدیسولز
- خاک انتیسول
- خاک هیستوسولز
- خاک اینسپتیسولز
- خاک مولیسولز
- خاک اکسیسولز
- خاک اسپودوسولز
- خاک آلتیسولز
- خاک ژلیسولز
- خاک اندیسولز
- خاک ورتیسولز
همچنین اگر بخواهیم بر اساس رنگ و سایر ویژگی‌ها نیز خاک‌ها را طبقه بندی کنیم به موارد زیر می‌رسیم.
-
-
- خاک قرمز و زرد
- خاک سیاه
- خاک آبرفتی
- خاک لاتریت
- خاک خشک
- خاک کوه و جنگل
- خاک کویر
- خاک‌های شور و قلیایی
- خاک‌های باتلاقی و زغال سنگی
-
دانه‌بندی خاک
با توجه به اینکه خاک‌ها مخلوطی از ذرات مختلف با اندازه‌های مختلف هستند بحث دانه بندی خاک اهمیت زیادی دارد. اندازه دانههای مختلف در بازه‌های مختلف و مشخصی قرار می‌گیرد و این کار با استفاده از الک انجام می‌شود. اندازه دانههای الک استاندارد است و با توجه به خاکی که روی الک باقی می‌ماند محدوده اندازه دانههای خاک مشخص می‌شود.
به طور کلی در بحث مکانیک خاک اندازه دانههای مختلف برای شن در محدوده ۷۵/۴ میلی‌متر، ماسه درشت بین ۲ تا ۷۵/۴ میلی‌متر، ماسه متوسط ۴۲۵/۰ تا ۲ میلی‌متر، ماسه ریز بین ۰۷۵/۰ تا ۴۲۵/۰ میلی‌متر و رس کمتر از ۰۷۵/۰ میلی‌متر است. به فرایند الک کردن و مشخص کردن اندازه دانههای مختلف در خاک دانه بندی خاک می‌گویند. آزمایشات مربوط به دانه بندی از جمله پرکاربردترین آزمایشات ژئوتکنیک است.
دانه بندی خاک به دو روش تر و خشک انجام می‌شود. البته دانه بندی به روش خشک راهی راحت‌تر و کم‌هزینه‌تر برای انجام این کار است. به طور کلی دانه بندی خاک مطابق با استاندارد ASTMD422-63 انجام می‌شود. طبق این استاندارد برای بررسی دانه بندی خاک اگر اندازه دانه‌ها از الک شماره ۲۰۰ بزرگتر بود استفاده از الک برای این کار مناسب است و در غیر این صورت از روش هیدرومتری استفاده می‌شود. همچنین برای بررسی نتایج از روش نیمه لگاریتمی استفاده می‌شود.
به طور کلی دانه بندی خاک در یک نقطه بیانگر دانه بندی کل خاک یک منطقه نیست. همچنین دانه بندی در عمق‌های مختلف خاک با یکدیگر متفاوت است. تجهیزاتی که برای اندازه گیری دانه بندی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد شامل الک‌های استاندارد، دستگاه‌های مکانیکی شیکر یا تکان دهنده، ترازو و آون است.
مشخصات خاک
وقتی در مورد مشخصات خاک صحبت می‌شود باید به مشخصات شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی آن و همچنین بررسی پارامترهای مختلف مرتبط با آن پرداخته شود. البته در بحث مکانیک خاک تمرکز بیشتر بر اصول مکانیکی استوار است که از این میان می‌توان به مقاومت برشی، ظرفیت باربری، نفوذپذیری و موارد دیگری اشاره کرد. مشخصات فیزیکی خاک شامل مواردی مانند روانی، بافت، ساختمان، دانه بندی و تخلخل است.
اگر بخواهیم به مفهوم روانی خاک اشاره مختصری بکنیم باید بگوییم به طور کلی روانی خاک شامل چهار حالت مایع، خمیری، جامد و نیمه جامد است. به طور کلی خاک دارای رطوبت است و مقاومت خاک در برابر تنش وارده روانی خاک نام دارد. بافت خاک روی موارد متعددی مانند روانی، رطوبت، هوایی که در خاک ذخیره شده، نفوذپذیری و سایر ویژگی‌ها اثرگذار است.
ذرات ریز و درشت زیادی در خاک مشاهده می‌شود و به نحوه قرارگیری این ذرات در کنار هم ساختمان خاک می‌گویند. ساختمان خاک روی عوامل مختلفی مانند مقاومت برشی، زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی خاک اثرگذار است. رنگ خاک هم می‌تواند جزو مشخصات فیزیکی خاک قرار بگیرد ولی روی خواص مکانیکی خاک اثری ندارد.
رطوبت خاک
به مقدار آب موجود در خاک در واحد جرم یا حجم رطوبت خاک می‌گویند. اگر تمام منافذ خاک از آب پر شود به آن حالت اشباع می‌گویند و اگر توانایی جذب آب به حداقل برسد خاک خشک خواهد بود که حد بالا و پایین رطوبت خاک را مشخص می‌کند. اندازه گیری رطوبت خاک به دلیل اهمیت میزان نگهداشت آب در خاک از اهمیت زیادی برخوردار است.
یکی از مواردی که در مکانیک خاک مورد توجه مهندسان است میزان رطوبت خاک است. زیرا رطوبت خاک روی مقاومت خاک تاثیرگذار است. روش‌های متعددی برای اندازه گیری میزان رطوبت خاک وجود دارد که شامل روش‌های صفحات فشاری، بلوک‌های گچی، پخش نوترون، تابش گاما و انعکاس سنجی زمانی است. با به کارگیری این روش‌ها می‌توان میزان رطوبت خاک را به طور نسبتا دقیقی اندازه‌گیری کرد. اما مشکلاتی هم وجود دارد. مثلا در استفاده از روش صفحات فشاری زمان زیادی لازم است تا میزان رطوبت اندازه‌گیری شود و تابش گاما هزینه زیادی در پی دارد. به همین به عنوان یک روش عمومی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
موارد زیادی روی رطوبت خاک و میزان هدایت هیدرولیکی آن تاثیر می‌گذارد که شامل بافت، جرم مخصوص ظاهری و مواد آلی است. البته پیدا کردن یک رابطه کاملا مشخص بین بافت خاک و رطوبت به دلیل پیچیده بودن بافت خاک کار سختی است. استفاده از روش‌های ریاضی مانند رگرسیون چند متغیره یا تحلیل منحنی‌های رطوبت-مکش-هدایت برای محاسبه رطوبت خاک به کار می‌رود.
طبقه‌بندی انواع خاک
مطابق با آئین نامه‌های طراحی ساختمان ۴ نوع تیپ برای خاک مشخص شده است. مبنای تعیین تیپ‌ها برای خاک براساس میانگین سرعت امواج زلزله است. در خاک تیپ ۱ سنگ‌های آذرین، رسوبی و سیمانی موجود است. خاک تیپ ۲ شامل خاک بسیار متراکم و متشکل از شن و ماسه و نیز رس با ضخامت بیشتر از ۳۰ متر است که منجر به ایجاد خاک با مقاومت بالا می‌شود. در علم مکانیک خاک، خاک تیپ ۳ شامل شن و ماسه با تراکم زیاد تا متوسط است و خاک تیپ ۴ شامل خاک متوسط تا نرم است. چسبندگی لایه‌های خاک در این نوع از خاک کم است.
با بررسی سیستم‌های طبقه‌بندی برای انواع خاک به یک زبان مشترک برای بیان مشخصات و ویژگی‌های خاک می‌رسیم. سیستم‌های مختلفی برای طبقه‌بندی خاک وجود دارد. یکی از این سیستم‌ها روش آشتو است که به روش PRA هم معروف است. این روش اولین بار در آمریکا برای طبقه بندی خاک در ساخت بستر بزرگراه‌ها مورد استفاده قرار گرفت. این سیستم بر مبنای اندازه ذرات و بررسی خصوصیات پلاستیکی توده خاک استوار است. در این سیستم خاک به رده‌های A1-A7 دسته بندی می‌شود و خاک‌های آلی در رده A8 قرار می‌گیرند.
یکی دیگر از سیستم‌های طبقه بندی خاک روش متحد نام دارد که اولین بار برای طبقه بندی خاک فرودگاه‌ها مورد استفاده قرار گرفت. معمولا مهندسان ژئوتکنیک از این روش استفاده می‌کنند.
روش دیگری که در علم مکانیک خاک برای طبقه بندی خاک به کار می‌رود مطابق با آئین نامه کشور انگلستان است و BS نامیده می‌شود. سیستم طبقه بندی BS شباهت زیادی به روش متحد دارد و از حروف فرعی برای تشریح خاک در این روش استفاده می‌شود.
طبقه بندی خاک به روش سازمان کشاورزی آمریکا (USDA) نیز از جمله روش‌های مورد استفاده است که به بررسی بافت خاک می‌پردازد.
کلام آخر
در این مقاله به بررسی مطالبی در زمینه مکانیک خاک و انواع سیستم‌های طبقه بندی و موارد مرتبط با آن پرداختیم. بررسی عملکرد مکانیکی خاک برای اجرای بی‌نقص سازه‌ها بسیار ضروری است. همچنین رطوبت خاک و اندازه‌گیری آن هم نقش بسیار مهمی در میزان استحکام سازه‌های ساخته شده دارد. چون پی ساختمان‌ها روی خاک قرار می‌گیرد مهندسان باید نوع خاک منطقه را به خوبی مورد بررسی قرار دهند و رفتار مکانیکی و ویژگی‌های شیمیایی خاک را قبل از اجرای سازه شناسایی کنند. به این شکل می‌توان از بروز اتفاقات ناگوار مانند ریزش ساختمان‌ها جلوگیری به عمل آورد.
آزمایشات مرتبط با رفتار مکانیکی خاک در آزمایشگاه‌های مجهزی انجام می‌شود و دانه بندی خاک نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. سیستم‌های متنوعی برای طبقه بندی خاک به کار می‌رود که بسته به شرایط مهندسان از یک سیستم برای بررسی شرایط خاک و دانه بندی آن استفاده می‌کنند.
0 نظر در مورد «آشنایی با مکانیک خاک و شرایط خاک»