آزمایش خاک

 

مکانیک خاک 

Soil mechanics

شاخه‌ای از مهندسی است که به توضیح رفتار خاک می‌پردازد. علم مکانیک خاک متفاوت از مکانیک سیالات و مکانیک اجسام صلب است به این دلیل که خاک محیطی است ناهمگون و متشکل از سیالات (معمولاً هوا و آب) و ذرات گوناگون (معمولاًرس، ماسه یا شن) یا گاهی مواد آلی، مایعات، گازها و ....

مکانیک خاک، مانند مکانیک سنگ، پایهٔ 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 و یا سازه‌هایی که در زیرخاک مدفون شده‌اند بکار می‌رود. مانند پی ساختمان‌ها و پل‌ها، دیوارهای حائل، سدها و سامانهٔ خطوط لولهٔ مدفون در زمین. اصول مکانیک خاک در دیگر رشته‌های مهندسی مانند مهندسی زمین‌شناسی، خاک، سازه‌های دریایی، کشاورزی،هیدرولوژی و رشته فیزیک خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برج کج پیزا، نمونه‌ای از تغییر شکل نامطلوب خاک.

این مقاله به توضیح ذرات تشکیل‌دهندهٔ خاک و چگونگی تشکیل آن‌ها و همچنین تفاوت بین فشار آب حفره‌ای و تنش موثر در اسکلت خاک، خاصیت مویینگی سیالات در فضاهای خالی (حفره‌های خاک)، دسته‌بندی انواع خاک، تراوش و نفوذپذیری خاک، تغییر حجم وابسته به زمان خاک (نشست خاک) در اثر ازدست دادن آب موجود در حفره‌های آن زیر فشار بار، که تحکیم نام دارد، مقاومت برشی و سختی خاک می‌پردازد.

بررسی ناپایداری شیروانی برای یک خاکریز موقت کنترل آب، شمال دکوتا سال ۲۰۰۹.

خاک‌برداری در آلمان

یخچال طبیعی فاکس، زلاندنو، خاک تولید شده و منتقل شده از هوازدگی و خوردگی شدید.

 

ذرات تشکیل‌دهندهٔ خاک و چگونگی ایجاد آن‌ها

تشکیل

اولین دلیل تشکیل خاک، هوازدگی سنگ است. تمام انواع سنگ‌ها(سنگ‌های دگرگون، آذرین و رسوبی) به قسمت‌های کوچکتر برای تشکیل خاک تقسیم می‌شوند. هوازدگی بر سه نوع است: هوازدگی فیزیکی، هوازدگی شیمیایی و هوازدگی زیستی.  فعالیت‌های بشری مانند حفاری، انفجار (مثلاً انفجار سنگ‌ها برای ساخت تونل) و ازبین بردن مواد پسماند، نیز ممکن است باعث تولید خاک شود. با گذشت بازه‌های زمین‌شناسی خاک‌های دفن‌شده در اعماق زمین ممکن است در اثر دما و فشار بسیار بالا، به سنگ‌های دگرگون یا رسوبی تغییر پیدا کنند و اگر ذوب شوند و دوباره سخت شوند، آنگاه یک چرخه کامل زمینی را طی کرده‌اند و به سنگ آذرین تبدیل شده‌اند.
هوازدگی فیزیکی شامل مراحلی مانند: تاثیرات دما بر روی سنگ، یخ‌زدگی و ذوب شدن مجدد آب در ترک‌های سنگ، اثرات باران و باد می‌شود.
هوازدگی شیمیایی شامل تجزیهٔ مادهٔ تشکیل‌دهندهٔ سنگ و تبدیل آن به کانی (مادهٔ معدنی) دیگر می‌باشد. مثلاً معادن رس می‌توانند از هوازدگی فلدسپار که متداول‌ترین کانی در سنگ‌های آذرین است تشکیل شده باشد.
متداول ترین کانی تشکیل‌دهندهٔ لای و ماسه، کوارتز است که آن را سیلیس نیز می‌نامند و نام شیمیایی آن سیلیس یا اکسید سیلیسیم است. دلیل اینکه فلدسپار بیشتر در سنگ‌ها یافت می‌شود و سیلیسیم در خاک‌ها، این است که فلدسپار حل‌شدنی‌تر از سیلیس است.لای، ماسه و شن، در اصل تکه‌های کوچک سنگ‌های خردشده‌اند.
براساس اتحادیهٔ دسته‌بندی انواع خاک، اندازهٔ ذرات لای بین ۰٫۰۰۲ تا ۰٫۰۷۵ میلی‌متر و بزرگی ذرات ماسه بین ۰٫۰۷۵ تا ۴٫۷۵ میلی‌متر می‌باشد.
دانه‌های شن که تکه‌های خردشده سنگ‌اند اندازه‌ای بین ۴٫۷۵ تا ۱۰۰ میلی‌متر دارند.
دانه‌های بزرگتر از شن را خرده‌سنگ و تخته‌سنگ می‌نامند.

انتقال

نمونه‌ای از لایه‌های مختلف تشکیل خاک، a)دانه‌های تیزگوشهٔ کوهرُفت، b)خاک‌های پسماند قدیمی، c)خاک پسماند جوان، d)سنگ‌هایی که دچار هوازدگی شده‌اند

خاک یا خرده سنگ‌هایی که در اثر عوامل مختلف در مقابل سنگ تولید شده‌اند (رسوب کرده‌اند)، تحت تاثیر فرایند انتقال قرار می‌گیرند، بخشی از آنها از مقابل سنگی که از آن تشکیل شده‌اند کنار می‌روند و توسط عوامل مختلف از محل دور می‌شوند و گروهی در همان جا که سنگ مادر قرار داشت باقی می‌مانند. آن دسته که آنحا باقی می‌مانند را خاک پس‌مانده می‌نامند، گرانیت تجزیه شده مثال خوبی از گروه خاک‌های پس‌مانده‌است. سازوکارهایی که باعث جابجایی خاک‌های تولید شده می‌شوند عبارتند از: گرانش زمین، یخ، جریان آب و باد. وزش باد می‌تواند باعث جابجایی ریگ‌های روان و بادرُفت شود. جریان آب بسته به سرعت آن می‌تواند سنگدانه‌های با اندازه‌های مختلف را جابجا کند. بنابراین خاک‌های منتقل شده بوسیله آب را بر اساس اندازهٔ دانه‌های آن‌ها دسته‌بندی می‌شوند. لای و رس ممکن است در یک دریاچه ته‌نشین شوند و در مقابل شن و ماسه که درشت ترند در بستر رودخانه جمع شوند. خاک‌هایی که در اثر فرسایش بادی ایجاد شده‌اند نیز خود به خود بر اساس اندازه دانه‌ها دانه‌بندی می‌شوند. خوردگی در بستر یخچال‌های طبیعی به اندازهٔ کافی قوی است که بتواند سنگ‌های بزرگ را به اندازهٔ خاک دچار فرسایش کند. خاک‌های جابجاشده در اثر ذوب شدن یخ، خاک‌های خوب‌دانه‌بندی شده هستند و بیشتر اندازه‌های دانه‌ها را در خود جای داده‌اند. گرانش نیز می‌تواند قطعه سنگ‌های بزرگ را به تکه‌های کوچک‌تر خرد کند، این قطعه سنگ‌ها با سقوط از بالای کوه‌ها به سمت زمین در سطح زمین خرد می‌شوند و آنجا تبدیل به خاک می‌شوند، به خاکی که از این طریق ایجاد می‌شود را کوهرُفت می‌نامند.ساز و کار انتقال سنگریزه‌ها بیشترین تاثیر را بر شکل دانه‌ها دارد. برای مثل دانه‌هایی که در بوسیله جریان رودخانه منتقل شده‌اند بیشتر گردگوشه‌اند و دانه‌هایی که در اثر عواملی مانند گرانش ایجاد شده‌اند تیزگوشه‌اند.

ترکیبات خاک

کانی‌شناسی

خاک‌های لای، شن و ماسه، براساس اندازه دانه‌هایشان دسته‌بندی می‌شوند. درنتیجه ممکن است در هردسته انواع گوناگونی از کانی‌ها وجود داشته باشد. کانی کوارتز به‌دلیل پایداری زیادی که نسبت به سایر کانی‌ها دارد متداول‌ترین کانی تشکیل دهنده ماسه و لای است. پس از آن، میکا و فلدسپار بیشتر درمیان کانی‌های لای و ماسه یافت می‌شوند. کانی‌های تشکیل‌دهنده شن، معمولاً شبیه کانی های تشکیل‌دهنده سنگ مادر (سنگی که دچار فرسایش شده) است.
رس بیشتر از کانی‌های مونتموریونیت یا اسمکتیت، ایلیت و کائولینیت یا کائولین تشکیل‌شده‌است. این کانی‌ها تمایل به تشکیل صفحات و لایه‌هایی در بین خود دارند این صفحه‌ها طولی حدود ^۷-۱۰ متر تا ^۶-۱۰ × ۴ متر و ضخامتی حدود ^۹-۱۰ متر تا ^۶-۱۰ × ۲ متر دارند و این لایه‌ها سطح مخصوص نسبتاً بزرگی دارند. سطح مخصوص (SSA) برابر است با نسبت مساحت دانه به جرم آن. کانی‌های رسی معمولاً سطح مخصوصی بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ مترمربع بر گرم دارند.  به دلیل اینکه این سطح مخصوص بزرگ دانه‌های رسی بر خواص شیمیایی، الکتروستاتیکی و واکنش‌های واندروالس آن‌ها تاثیر می‌گذارد، رفتار مکانیکی دانه‌های رسی به میزان آب موجود در حفرات خالی خاک و یون‌های موجود در آب حفره‌ای بسیار حساس است. کانی‌های خاک از اتم‌های اکسیژن، سیلیسیم، هیدروژن و آلومینیوم به شکل‌های مختلف کریستالی تشکیل شده‌اند. این عناصر به همراه کلسیم، سدیم، پتاسیم، منیزیم و کربن حدود ۹۹٪ دانه‌های جامد خاک را تشکیل می‌دهند.