تعریف خاک

خاک‌ها مخلوطی از مواد معدنی و آلی هستند که از تجزیه و تخریب سنگ‌ها در نتیجهٔ هوازدگی بوجود می‌آیند که البته نوع و ترکیب خاک‌ها در مناطق مختلف بر حسب شرایط ناحیه فرق می‌کند. مقدار آبی که خاک‌ها می‌توانند بخود جذب کنند، از نظر کشاورزی و همچنین در کارخانه‌های راه‌سازی و ساختمانی دارای اهمیت بسیاری است که البته این مقدار در درجهٔ اول بستگی به اندازه دانه‌های خاک دارد.هرچه دانه خاک ریزتر باشد، آب بیشتری را به خود جذب می‌کند که این خصوصیت برای کارهای ساختمان‌سازی مناسب نیست. بطور کلی خاک خوب و حد واسط از دانه‌های ریز و درشت تشکیل یافته‌است. تشکیل خاک‌ها به گذشت زمان، مقاومت سنگ اولیه یا سنگ مادر، آب و هوا، فعالیت موجودات زنده و بالاخره توپوگرافی ناحیه‌ای که خاک در آن تشکیل می‌شود بستگی دارد.


در علوم مهندسی؛ خاک مخلوط غیر یکپارچه‌ای از دانه‌های کانیها و مواد آلی فاسد شده می‌باشد که فضای خالی بین آنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است.

عوامل موثر در تشکیل خاک

*سنگ‌های اولیه یا سنگ مادر:

کمیت و کیفیت خاک‌های حاصل از سنگ‌های مختلف اعم از سنگهای آذرین ، رسوبی و دگرگونی به کانی‌های تشکیل دهنده سنگ ، آب و هوا و عوامل دیگر بستگی دارد. خاک حاصل از تخریب کامل سیلیکاتهای دارای آلومینیومو همچنین سنگهای فسفاتی از لحاظ صنعتی و کشاورزی ارزش زیادی دارد. در صورتیکه خاک‌هایی که از تخریب سنگ‌های دارای کانی‌های مقاوم (از قبیل کوارتزو غیره) در اثر تخریب شیمیایی پدید آمده‌اند و غالبا شنی و ماسه‌ای می‌باشند فاقد ارزش کشاورزی می‌باشند.

 

*ارگانیسم:


تمایز انواع خاک‌ها از نقطه نظر کشاورزیبه نوع و مقدار مواد آلی (ازت و کربن) موجود در آن بستگی دارد. نیتروژنموجود در اتمسفربطور مستقیم قابل استفاده برای گیاهان نمی‌باشد. بلکه ترکیبات نیتروژن‌دار لازم برای رشد گیاهانباید به شکل قابل حل در خاک وجود داشته باشد که این عمل در خاک‌ها بوسیله برخی از گیاهان و باکتری‌ها انجام می‌شود. خاک‌ها معمولا دارای یک نوع مواد آلی کربن‌دار تیره رنگی هستند که هوموس نامیده می‌شوند و از بقایای گیاهان بوجود می‌آید.

 

*زمان:

هر قدر مدت عمل تخریب کانی‌ها و سنگ‌ها بیشتر باشد عمل تخریب فیزیکی و شیمیایی کاملتر انجام می‌گیرد. زمان تخریب کامل بسته به نوع سنگ، ساخت و بافت سنگ‌ها و نیز ترکیب و خاصیت تورق کانی‌ها متفاوت می‌باشد ولی بطور کلی سنگهای رسوبی خیلی زودتر تجزیه شده و به خاک تبدیل می‌شوند، در صورتیکه سنگهای آذرین مدت زمان بیشتری لازم دارند تا تجزیه کامل در آنها صورت گرفته و به خاک تبدیل گردند.

*آب و هوا:

وفور آب‌های نفوذی و عوامل آب و هوا از قبیل حرارت ، رطوبت و غیره در کیفیت خاک‌ها اثر بسزایی دارند. جریان آبهای جاری بخصوص در زمین‌های شیب‌دار موجب شستشوی خاک‌ها می‌شوند و با تکرار این عمل مقدار مواد معدنی و آلی بتدریج تقلیل می‌یابد. اثر تخریبی اتمسفر همانطور که قبلا بیان گردید روی برخی از کانی‌ها موثر و عمیق می‌باشد و هر قدر رطوبت همراه با حرارت زیادتر باشد شدت تخریب نیز بیشتر می‌گردد.

 

*توپوگرافی محل تشکیل خاک:

اگر محلی که خاک‌ها تشکیل می‌شوند دارای شیب تند باشد در نتیجه مواد تخریب شده ممکن است بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری باعث تقلیل مواد معدنی و آلی خاک‌ها شود در نتیجه این منطقه خاک‌های خوب تشکیل نخواهند شد. ولی برعکس در محل‌های صاف و مسطح که مواد تخریب شده بسادگی نمی‌توانند به جای دیگری حمل شوند فرصت کافی وجود داشته و فعل و انفعالات بصورت کامل انجام می‌پذیرد.

مواد تشکیل دهنده خاک‌ها

*مواد سخت: مواد سخت را ترکیبات معدنی تشکیل می‌دهند ولی ممکن است دارای مقداری مواد آلی نیز باشند. البته این ترکیبات معدنی از تخریب سنگ‌های اولیه یا سنگ مادر حاصل شده‌اند که گاهی اوقات همراه با مواد تازه کلوئیدی و نمک‌ها می‌باشند.

*موجودات زنده در خاک‌ها :تغییراتی که در خاک‌ها انجام می‌پذیرد بوسیله موجودات زنده در خاک انجام می‌گیرد. قبل از همه ریشه گیاهان ، باکتری‌ها ، قارچها ، کرم‌هاو بالاخره حلزون‌هادر این تغییرات شرکت دارند.

*آب موجود در خاک‌ها: آبی که در خاک وجود دارد حمل مواد حل‌شده را به عهده دارد که البته این مواد حمل شده برای رشد و نمو گیاهان به مصرف می‌رسد. آب موجود در خاک‌ها از باران و آبهای نفوذی ، آب جذب شده و بالاخره آبهای زیرزمینی تشکیل شده که در مواقع خشکی از محل خود خارج شده و بمصرف می‌رسد.

*هوای موجود در خاک: هوا همراه با آب در خوه‌های خاک‌ها وجود دارد که البته این هوا از ضروریات رشد و نمو گیاهان و ادامه حیات حیوانات می‌باشد. مقدار اکسیژنی که در این هوا وجود دارد از دی اکسید کربن کمتر است و این بدان علت است که ریشه گیاهان برای رشد و نمو اکسیژن مصرف کرده و دی اکسید کربن پس می‌دهند.

تقسیم‌بندی خاک‌ها از لحاظ سنگ‌های تشکیل دهنده

بر حسب دانه‌های تشکیل دهنده خاک و هم‌چنین شرایط میزالوژی و پتروگرافی زمین خاک‌های مختلفی وجود دارد که عبارتند از :

*خاک رسی: ذرات رس (Clay) دارای قطری کوچکتر از 0.002 میلی‌متر می‌باشند و در حدود 50% خاک را تشکیل می‌دهند.

خاک‌های رسی چون دارای دانه‌های بسیار ریزی هستند به خاک سرد معروفند و در مقابل رشد گیاهان مقاومت نشان داده و رشد آنها را محدود می‌کنند.

 

*خاک‌های سیلتی:

50% این نوع خاک‌ها را ذرات سلیت تشکیل داده است که دارای قطری بین 0.05 تا 0.002 میلی‌متر می‌باشند و بر حسب اینکه ناخالصی مثل ماسه ، رس و غیره بهمراه دارند به نام خاک‌های سیلتی ماسه‌ای و یا سیلتی رسی معروفند.

*خاک‌های ماسه‌ای:

این خاک‌ها از 75% ماسه تشکیل شده‌اند. قطر دانه‌ها از 0.06 تا 2 میلیمتر است و بر حسب اندازه دانه‌های ماسه به خاک‌های ماسه‌ای درشت ، متوسط و ریز تقسیم می‌گردند. مقدار کمی رس خاصیت خاک‌های ماسه‌ای را تغییر می‌دهد و این نوع خاک آب را بیشتر در خود جذب می‌کند تا خاک‌های ماسه‌ای که فاقد رس هستند.

 

*خاک‌های اسکلتی:

خاکهای اسکلتی به خاکهایی اطلاق می‌گردد ک در حدود 75% آن را دانه‌هایی بزرگتر از 2 میلی‌متر از قبیل قلوه سنگ ، دیگ و شن تشکیل می‌دهند. این خاک‌ها ، آب را به مقدار زیاد از خود عبور می‌دهند و لذا همیشه خشک می‌باشند.

 

طبقه بندی خاکها براساس مقاومت ظاهری

  • خاکهای درشت دانه

» سست LooSE

» متوسط Mediom

» متراکم Dense

 

 

  • خاکهای ریز دانه

» نرم Soft

» متوسط Mediom

» سفت Stiff

» سخت Hore

 

مکانیک خاک

مبحث مکانیک خاک دانشی است که در آن خواص فیزیکی و مکانیکی خاکها ، ارتباط این خواص با عوامل بیرونی ، مقاومت خاک در برابر نیروها ، تغییر شکل خاک در اثر نیروها ، مسایل مربوط به حرکت یا سکون آب در خاک ، چگونگی و مقدار فشرده شدن خاکها و چگونگی و مقدار تنش‌ها و تغییر شکل‌های هر نقطه از محیط خاکی در اثر عملکرد یک نیروی خارجی و ... بحث می‌شود

 

خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسی خاکها

*خواص فیزیکی و شیمیایی خاک :شناخت خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسیخاکها در بسیاری از بررسی‌ها و مطالعات و تصمیم گیری‌ها در عملیات خاکی نقش مهمی دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی خاکها را باید عمدتا در عوامل زیر جستجو کرده و مربوط به آنها دانست.

*ترکیب کانی شناسی دانه‌ها :از آنجایی که خاکها از تجزیه و هوازدگی سنگهای پوسته زمین پدید آمده است‌، لذا کانی‌های تشکیل دهنده خاکها باید همان کانی‌های تشکیل دهنده سنگ مادر باشد.

*طبیعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص) :سطح خارجی دانه‌های خاک ، یعنی فصل مشترک محیط جامد با محیط مجاور آن که ممکن است، آب یا هوا باشد. محل پدید آمدن بعضی پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی است که این پدیده‌ها برخواص دیگر خاک مثل؛ مقاومت و نفوذپذیری و ... تاثیر می‌گذارد.

*پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک خاک و آب :ذرات جسم جامد از شبکه‌ای از یون‌های مختلف تشکیل شده است که از اینرو بین سطح خارجی ذره و محیط اطراف آن کنش و واکنش‌هایی پدیدار می‌گردد.

*خاصیت مویینگی:خاصیت بالا رفتن آب در لوله‌های مویین و در حفره‌های بین ذرات خاک را خاصیت مویینگی گویند.

*نیروهای دافعه و جاذبه بین ذرات :نیروهای بین ذره‌ای در خاک به دو گونه‌اند. نیروهای جاذبه مولکولی بین دانه‌ها (وان در والس) و نیروهای دافعه که از نوع نیروی الکتروکینیماتیکی است.

خواص مکانیکی خاکها

*اصطکاک:مقاومت جسم در برابر حرکت به علت وجود اصطکاک بین دو سطح تماس است.

*چسبندگی: مقاومت خاکی به علت چسبندگی دانه‌ها حاصل از مقاومت مولکولی (یعنی نیروی جاذیه الکتروشیمیایی) بین ذرات ریز است.

*گسیختگی توده خاک:گسیختگی توده خاک عبارتست از پایان شرایط مقاومت و آغاز برش در خاک است.

*تحکیم: تحکیم عبارتست از کاهش حجم حفره‌های آب‌دار درون خاک به علت افزایش فشارهای جانبی.

 

مقاومت خاک

میزان مقاومت و تحمل خاک های مختلف نسبت به بار و فشار وارده و عوامل دیگر متفاوت است. برای مثال زمین های مرطوب تا دو هزار پوند بر فوت مربع را تحمل می کنند.. زمین های رسی سخت چهار هزار پوند بر فوت مربع را تحمل می کنند. زمین های رسی با خاک فشرده و سیمان کاری شده تا ده هزار پوند بر فوت مربع را تحمل می کنند.

اما برای محاسبه ی دقیق این مقدار نیاز به محاسبات خاصی وجود دارد. از جمله ی این محاسبات می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1.محاسبه و تعیین مقاومت مجاز و مقاومت ایمن بر روی خاکهای ریز دانه و درشت دانه و لایه های سنگی

2.محاسبه و تعیین نشست شامل نشست الاستیک٬نشست تحکیم و نشست ثانویه

3.تعیین نوع خاک ٬طبقه بندی خاک و تشریح لایه های زمین

4.بررسی و ارائه راهکار در مورد پدیده فرو ریختگی در زمینهای سست و ریزشی .

5.بررسی و ارائه راهکار در مورد پدیده روانگرایی در مورد زمینهای ماسه ای و رسی حساس .

6.بررسی و تحلیل پایداری زمینهای رسی در رابطه با ایستایی شیبها .

7.تعیین ضرایب فشار خاک در حالت فعال، پاسیو و سکونتعیین ضریب عکس العمل بستر خاک و تعیین مدول الاستیسیته

 

محاسبه و تعیین مقاومت یا تحمل مجاز

ظرفیت تحمل خاک ، متوسط حداکثر فشار تماس بین پایه و خاک است که نباید شکست برشی در خاک تولید کند.

ظرفیت نهایی تحمل ، حداکثر فشار نظری است که می تواند بدون شکست پشتیبانی شود ، در حالی که ظرفیت تحمل مجاز ظرفیت های نهایی تقسیم بر ضریب ایمنی است.

یک روش برای تعیین ظرفیت تحمل برای مورد شکست برشی به طور کلی در سال 1943 ارائه شد:

 

Cʹ       * چسبندگی موثر

σʹzd    * تنش عمودی موثر بر لایه های عمیق زیرین  و یا کل واحد وزن هنگامی که  طور کامل اشباع شده

ϒʹ   * واحد موثر وزن هنگامی اشباع شده

φ * زاویه اصطکاک داخلی موثر

* py K مشخصات گرافیکی به دست آمده

اندازه گیری ویژگیهای خاک

اندازه گیری ویژگیهای خاک بر عهده علم مکانیک خاکاست که هدف از اندازه گیری ویژگیهای خاک کاربرد این ویژگیها برای مقاصد و اهداف خاص است برای این منظور ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک را به کمک آزمایشات و یا محاسبات ریاضی مختلف اندازه گیری و ارزیابی می کنند. از جمله این ویژگیها می توان، حجم، وزن، رطوبت، تخلخل، چگالی و مقاومت برشی(شکست)، مقاومت کششی و مقاومت فشاری و... را نام برد که هر یک را به اختصار بررسی می کنیم:

روشهای اندازه گیری ویژگیهای خاک:

حجم خاک:

با حرف V نمایش می دهند. برای اندازه گیری حجم خاکهای چسبنده، روشهای مختلفی وجود دارد.

روش اول: وارد کردن نمونه در داخل استوانه مدرج حاوی مقداری جیوهکه نمونه را وارد آن می کنیم و اختلاف ارتفاع جیوه، حجم نمونه را نشان می دهد.

روش دوم: موم اندود کردن نمونه و قرار دادن در استوانه مدرج حاوی آب، که اختلاف ارتفاع آب در استوانه بیانگر حجم نمونه خاک است (دلیل موم اندود کردن روش دوم این است که آب وارد درز و شکافهای نمونه نشود چون خاصیت مویینگی آب ، موجب نفوذ آن به درون این درزه ها میشود ولی در مورد جیوه چنین نیست.

 

 وزن خاک:

با (W) نمایش می دهند. که می توان جرم خاک را توسط ترازوی دقیقی اندازه گرفت که وزن را می توان طبق رابطه مقابل بدست آورد. ( شتاب گرانش زمین9.81m/s2 =g )
W =m.g

تخلخل:

که باn نمایش م دهند و عبارت است از نسبت حجم فضاهای خالی (Vr) به حجم کل خاک (V) که به درصد بیان میشود.

درصد رطوبت:

که با ωنمایش می دهند و عبارت است از نسبت وزن آب موجود در خاک (Ww) به وزن خشک خاک (Ws)


درصد رطوبت در خاکهایی که مقدار زیادی رسی وارد گاها به 300% نیز می رسد.

چگالی ویژه ذرات جامد خاک: با Gs نمایش می دهند

 

دیگر ویژگیهای فیزیکوشیمیایی خاک را با روشها و روابط پیچیده دیگری می توان اندازه گیری کرد که در حد پیشرفته و تخصصی است، از جمله این ویژگیها می توان، مقاومت برش، مقاومت فشاری، و کششی، حدالاستیک و پلاستیک، واگرایی و همگرایی خاک و... نام برد که هر یک نسبت به هدف کار مورد بررسی قرار می گیرد.

اندازه گیری ویژگیهای خاک در علوم مختلف مثل مکانیک خاک، مهندسی عمران (گرایش پی و سازه)، زمین شناسی وکشاورزی و... کاربرد وسیعی داشته و به علوم مختلف مثل، فیزیک، شیمی و زمین شناسی وابسته است. - از جمله کاربردهای مکانیک خاک در مطالعات قبل از احداث کلیه سازه های مهندسی، از قبیل سد، تونل، راههای ارتباطی، ساختمانهای مسکونی و ... است. بدین صورت که از ویژگیهای مختلفی که یک خاک نشان می دهد می توان میزان مقاومت آن را اندازه گیری کرده و در نتیجه تمهیدات لازم برای پایداری سازه بر روی خاک را اندیشید.

 

نشست خاک

در شرایطی که بارهای زیاد و خارج از تحمل بر خاک وارد می شوند، لایه های خاک متحمل مقدار مشخصی فشردگی و نشست خواهند شد. این نشست در اثر تغییر شکل ذرات خاک، تغییر جا و مکان آنها، خروج آب یا هوا از داخل منافذ و دلایل دیگر می تواند باشد.

به طور کلی نشست خاک به دو نوع زیر قابل تقسیم است:

نشست تحکیم: که ناشی از کاهش حجم خاک اشباع بر اثر خروج آب داخل منافذ می باشد. فشار آب منفذی به طور ناگهانی افزایش می یابد. فشار آب منفذی اضافی تولید شده در اثر اعمال بار، به تدریج در طی مدت طولانی بعد از نشست آن ادامه پیدا کند و متحملاً نشست ناشی از عمل تحکیم چندین برابر نشست آنی است.

 نشست آنی: که ناشی از تغییر الاستیک خاک خشک و نیز ناشی از تغییر شکل الاستیک خاکهای مرطوب و اشباع بدون هیچگونه تغییری در میزان رطوبت آنها می باشد.

تعیین نشست آنی معمولاً مبتنی بر روابط متکی بر تئوری الاستیسیته، انجام می پذیرد.

نشست تحکیم

زمانی خاکی اشباع در معرض افزایش قرار می گیرد، فشار آب منفذی به طور ناگهانی افزایش می یابد. در خاکهای ماسه ای که بسیار نفوذ پذیرمی باشند، آب به دلیل خصوصیت زهکش بودن ماسه سریعاً خارج می شود. خروج آب منفذی همراه با کاهش حجم خاک بوده و به شکل نشست رخ می نماید. به دلیل خروج سریع آب منفذی از داخل خاک ماسه ای، نشست آنی و تحکیم همزمان خواهند بود.

وقتی که یک لایه رس اشباع و نشست پذیر در معرض افزایش تنش قرار میگیرد، بلافاصله نشست الاستیک خواهیم داشت. به دلیل آنکه ضریب نفوذپذیری رس عمدتاً از ماسه کوچکتر است، فشار آب منفذی اضافی تولید شده در اثر اعمال بار، به تدریج در طی مدت طولانی بعد از نشست آن ادامه پیدا کند و متحملاً نشست ناشی از عمل تحکیم در رس نرم چندین برابر نشست آنی است.

Δσ꞊Δσʹ+Δu

افزایش تنش موثر=Δσʹ

افزایش فشار آب منفذی=Δu

 

پدیده روانگرایی خاک

پدیده ای است که بدلیل کاهش سختی و مقاومت خاک در اثر وارد آمدن نیروی زلزله یا یک بارگذاری سریع صورت می گیرد. روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد. آب موجود بین ذرات خاک فشاری را به ذرات خاک وارد می کند که این فشار سبب می شود ذرات خاک بطور محکم بهم فشرده شوند. هرچند اغلب لرزش زمین سبب افزایش فشار آب منفذی می گردد اما فعالیت های مرتبط تغییر در تنش ارتجاعی زمین از طریق بارگذاری و باربرداری نیز می تواند سبب روانگرایی در خاک گردد. با وقوع روانگرایی مقاومت خاک کاهش یافته و توانایی خاک از بین می رود.

بدلیل اینکه روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت می گیرد این پدیده معمولاً در مناطق نزدیک آب همانند رودخانه ها،دریاچه ها،خلیج ها و اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد. اثرات این پدیده عمده این در مناطق نزدیک آب شامل لغزش عمده خاک به سمت ساحل و فرونشست آن همانند دریاچه مرسید.

 

تراکم خاک

در بسیاری از عملیات ساختمانی مثل احداث سد های خاکی ، زیر سازی راه ، خاکریزها و غیره که در آنها خاک بعنوان مصالح اصلی بکار گرفته می شود . لازم است لایه های خاک به گونه ای متراکم شوند که نسبت تخلخل آنها به یک مقدار حداقل یا دانسیته خشک به یک میزان حداکثر برسد این عمل عموماً با افزودن مقداری آب به توده خاک و کوبیدن آن به میزان معینی توسط وسایل کوبیده مثل انواع غلتک ها انجام می پذیرد.

بنابراین هدف از تراکم بهبود خواص مهندسی توده خاک از طریق کسب مزایای زیر می باشد:

- کاهش نشست پذیری

- کاهش نفوذ پذیری

- افزایش مقاومت برشی خاک و بهبود پایداری شیب های خاکی

- بهبود ظرفیت باربری بسترهای خاکی

- کنترل تغییر حجم های نامطلوب نظیر تورم ناشی از انجماد، انقباض و تورم ناشی از تغییر رطوبت و غیره.

 

الف) کوبنده های دستی:

 در شرایط خاص ساختمانی به ویژه در مناطق بسیار نزدیک و مجاور سازه های بتنی یا در مواردی که عرض باند خاکریزی برای مانور انواع غلتک مناسب نباشد می توان از انواع کوبنده های دستی استفاده نمود. این کوبنده ها معمولا دارای عرض محدود (حدود 3/0 تا 6/0 متر ) بوده و مجهز به یک موتور برقی دیزل یا بنزینی بعنوان نیروی محرک می باشند. در این کبونده ها هدایت دستگاه توسط یک نفر کارگر انجام شده و عمل تراکم توسط ضربه و ارتعاشات صفحه کوبنده دستگاه صورت می گیرد.

ب) وسایل تراکم خاکهای ماسه ای :

 خاکهای ماسه ای تمیز و مرطوب به علت کیفیت خاص خود به آسانی و با استفاده از وسایل تراکم متعارف متراکم نمی گردند به ویژه اگر این خاکها در عمق قرار داشته باشند( مانند عدسی سست ماسه ای) انجام تراکم در آنها بسیار مشکل بوده و باید این امر با اتخاذ تدابیر خاص صورت گیرد. در این قسمت بعضی از روشهای تراکم خاکهای ماسه ای که به نام تراکم دینامیکی مشهورند مورد تشریح قرار می گیرد.

روش ارتعاش- استغراق: همانطور که قبلا اشاره شد در این روش برای تراکم خاکهای ماسه ای از وسیله خاصی استفاده می شود که قادر است همزمان با غرقاب ساختن خاک با ایجاد ارتعاش آن را متراکم سازد. این وسیله از یک لوله مرتعش دو جداره ساخته شده به گونه ای که آب با فشار از لوله میانی به داخل خاک تزریق گردیده و چسبندگی ظاهری ناشی از نیروی موئینگی ذرات ماسه را  از میان می برد، در عین حال با مرتعش شدن جداره خارجی توسط یک موتور عمل تراکم صورت می گیرد. شعاع عمل و عمق تاثیر این دستگاه متناسب با ابعاد آن و قدرت موتور نصب شده در روی جدار خارجی می باشد به طور متعارف عمق عملکرد این سیستم 3 تا 5 متر و شعاع تاثیر آن نیز حدود 3 تا 7 متر می باشد. وزن این دستگاه بین 2 تا 5 تن متغیر است. لازم به ذکر است که روش مذکور در خاکهای ماسه ای سست یکنواخت دارای بهترین نتیجه بوده با ریز تر شدن بافت یا افزایش مقدار ذرات ریز دانه (سیلت و رس) کارآیی آن کاهش می یابد.

روش تراکم دینامیکی: در این روش با اعمال ضربات ناشی از سقوط آزاد یک وزنه سنگین بر روی سطح خاک و ایجاد موجهای ارتعاشی توده خاک در عمق متراکم می گردد این روش نیز همانند روش ارتعاش استغراق دارای محدودیت از نظر نوع خاک و دامنه عملکرد می باشد.

روش انفجار: تنشهای برشی حاصل از انفجار مواد منفجره در سطح یا در عمق خاک می تواند موجب تراکم خاکهای ماسه ای شنها و سنگریزه های سست و غیر متراکم شود در خاکهای اشباع انفجار موجب بالا رفتن فشار آب منفذی شده و ممکن است باعث ایجاد پدیده روانگرائی شود در چنین شرایطی نصب زهکشهای قائم موجب کاهش فشار آب منفذی و افزایش تاثیر موجهای انفجاری در جهت متراکم ساختن خاک می گردد در صورت استفاده از روش انفجار لازم است که به وضعیت سازه های مجاور با محل انفجار توجه داشت و به گونه ای عمل نمود که روی سازه های مذکور تاثیر منفی ایجاد نشود.

تراکم خاکهای غیر چسبنده (شن و ماسه)

خاکهای غیر چسبنده معمولاً از ذرات درشت دانه و نسبتاً کروی شکل تشکیل می شوندو درجه تراکم آنها بستگی به طرز قرار گرفتن ذرات در کنار یکدیگر دارد از آنجا که اینگونه ذرات تقریباً غیر قابل تغییر شکل و تراکم ناپذیر هستند لذا استفاده از بار استاتیک جهت افزایش درجه تراکم اینگونه خاکها تاثیر چندان مثبتی ندارد. تجربه و آزمایش نشان داده که استفاده از ارتعاش و لرزه بهترین وسیله برای متراکم کردن اینگونه خاکها می باشد. با توجه به اینکه نیروی موئینگی در ذرات ماسه متوسط و ریز مرطوب مانع تراکم آنها می شود در چنین مواردی باید لایه ماسه را به صورت مستغرق در آورده و سپس با استفاده از ارتعاش آن را متراکم نمود در مورد تراکم ماسه خشک یا کاملاً مستغرق استفاده از نیروی ارتعاشی به تنهائی کفایت می کند.

برای نشان دادن تراکم ماسه با عمل ارتعاش می توان آزمایش ساده زیر را انجام داد:

 لیوانی شیشه ای انتخاب و مقداری ماسه نرم در آن قرار داده می شود سپس در لیوان را پوشانده و لیوان را به صورت وارونه در می آورند تا همه ماسه روی آن جمع شود پس از آن لیوان به آهستگی به حال اول بر گردانیده می شود تا ذرات ماسه به تدریج و خیلی آهسته در کف لیوان روی هم قرار گیرند. در این آزمایش باید سعی نمود که از ایجاد ارتعاش یا ضربه جلوگیری شود. پس از آنکه تمام توده ماسه به ته لیوان ریخت می توان فرض کرد که ماسه در حالت غیر متراکم قرار دارد در این موقع یک پیستون فلزی انتخاب و به وسیله آن بر روی توده ماسه اعمال فشار می شود، مشاهده خواهد شد که فشار استاتیک تقریباً هیچگونه تغییری در حجم توده ماسه ایجاد نمی کند ماسه به حالت غیر متراکم باقی خواهد ماند پس از آن چنانچه با ته لیوان چند ضربه بر روی میز کار زده شود مشاهده خواهد شد که سطح ماسه در لیوان پایین می رود یعنی حجم توده ماسه کاهش پیدا کرده و بنابراین درجه تراکم آن افزایش یافته است.

 

در عملیات صحرائی نیز برای متراکم کردن لایه های خاکهای ماسه ای غیر چسبنده ازغلتکهای ارتعاشی یا ویبراتورها استفاده می شود، در صورتیکه ماسه کمی مرطوب باشد برای متراکم شدن یا باید آن را به وسیله ای خشک نمود و یا آنکه ابتدا ماسه را به حالت غرقاب در آورده و سپس برای متراکم کردن آن از ارتعاش استفاده می شود . این عمل در صحرا به وسیله روش غرقابی- ارتعاشی یا ویبره فلوتاسیون انجام می پذیرد.

تراکم خاکهای چسبنده (سیلت و رس)

به علت ساختمان خاص ذرات ریز دانه چسبنده مثل سیلت ریز و رس تراکم آنها به وسیله ارتعاش مقدور نیست و بار یا فشار استاتیک بهترین وسیله برای تراکم اینگونه خاکها می باشد. برای نشان دادن تراکم پذیری اینگونه خاکها تحت فشار می توان مقداری آب به توده ای از خاک میکا افزود و آن را در یک لیوان قرار داد، چنانچه  با یک استوانه فلزی مقداری   فشار روی سطح خاک در لیوان وارد آید مشاهده خواهد شد که سطح آن نشست قابل ملاحظه ای نموده و تحت تاثیر فشار استاتیک متراکم شده است. همچنین اگر قبل از اعمال  فشار بر سطح خاک آن را تکان دهند یا مرتعش سازند هیچگونه تغییری در حجم خاک مشاهده نخواهد شد. همانطور که اشاره شد در این آزمایش برای متراکم ساختن خاکهای ریز دانه مثل رس باید به آن مقداری آب افزود.

 

تعریف تثبیت

تثبیت خاک به اصلاح و بهبود خواص فیزیکی و مهندسی آن برای تامین یک رشته اهداف از پیش تعیین شده اطلاق می شود. تثبیت خاکها به طرق گوناگون نظیر روش های مکانیکی، شیمیایی، فیزیکی، بیولوژیک ( رویاندن گیاه)، و روش الکتریکی امکان پذیر است.

اهداف تثبیت

برخی از خاکها به علت مشخصات فنی نامطلوب و یا دارا بودن مقادیر قابل توجهی رس یا لای برای عملیات راه سازی نا مرغوب محسوب می شود.

اهم اهداف تثبیت خاک تامین یک یا تعدادی از موارد زیر است:

•اصلاح خاکهای نرم و کم مقاومت

•افزایش دوام خاک

•افزایش مقاومت باربری خاک

•کاهش نفوذپذیری

•کاهش تورم و انقباض خاک

•کاهش رطوبت خاک

•جلوگیری از فرسایش خاک

•کاهش ضخامت لایه های روسازی

•ایجاد لایه های اساس و زیراساس با قابلیت باربری بیشتر

•بازسازی روسازی های فرسوده با استفاده از مصالح موجود

•آماده سازی محوطه ای برای اجرای آسانتر عملیات ساختمانی

•کاهش گرد و غبار

•صرفه جوئی در مصرف مصالح

•صرفه جوئی در مصرف انرژی

•تسریع در عملیات اجرائی

 

1) طرح تثبیت خاک با آهک

 

هدف اصلی از طرح تثبیت خاک با آهک تعیین درصد آهک مناسب برای خاکی با مشخصات معین است که باید در شرایط مشخصی از نظر قرارگیری لایه در زیر سازی و یا روسازی و شرایط محیطی منطقه ای که راه از آن می گذرد استفاده شود. متغیر اصلی در طرح تثبیت یک خاک معین درصد آهک است زیرا خصوصیات و ویژگیهای خاک ثابت است.

 

عملیات اجرایی تثبیت خاک با آهک

مراحل اجرایی عملیات تثبیت خاک با آهک شامل آماده کردن خاک، پخش آهک، اختلاط و آب پاشی، کوبیدن و تسطیح و عمل آوردن مخلوط و کنترل سطح تمام شده می باشد.

 

2) تثبیت خاک و مصالح شنی با سیمان پرتلند

بطور کلی هر خاکی که حاوی کمتر از 2 درصد مواد آلی بوده و مقدار سولفات قابل حل در آب آن از مقادیر مشخص شده تجاوز نکند قابلیت تثبیت شدن با سیمان پرتلند را دارد .

سیمان بر خاکهای ماسه ای که حاوی بیش از دو درصد از مواد آلی هستندیا PH آنها کمتر از 3/5 است اثر چندانی ندارد سیمان بهترین اثر را بر خاکهای شنی و ماسه ای خوب دانه بندی شده دارد.

عملیات اجرایی تثبیت خاک با سیمان

مراحل عملیات اجرایی تثبیت خاک با سیمان مشابه مراحل عملیات اجرایی تثبیت خاک با آهک است با این تفاوت که سیمان یک ماده زودگیر است و به همین دلیل باید طول راه باید به قطعات کوچک تقسیم شود تا بتوان تمام عملیات تثبیت خاک با سیمان از جمله کوبیدن و تراکم نهایی خاک را قبل از گیرش سیمان به پایان رساند. این طول بین 100تا450 متر بوده و بستگی به روش انجام عملیات تثبیت خاک با سیمان ، درجه حرارت و رطوبت هوا، ضخامت لایه، نوع و تعداد ماشین آلات و تجربه فنی افراد دارد . مدت اجرای عملیات ساختمانی هر قطعه برای هر یک از لایه های روسازی از زمانیکه سیمان به مصالح اضافه می شود تا پایان عملیات تراکم نباید از 5 ساعت تجاوز کند.

عملیات تثبیت خاک با سیمان نباید به هیچوجه در هوای سرد و تا زمانیکه خاک یخ زده است انجام شود. زمان مناسب برای تثبیت خاک با سیمان از موقعی از سال است که در آن درجه حرارت هوای محل پروژه بیشتر از 7 درجه سانتیگراد باشد و حداقل مدت یک هفته گرم باقی بماند.

مراحل و عملیات اجرایی تثبیت خاک با سیمان شامل آماده کردن خاک پخش سیمان ، اختلاط و آبپاشی، کوبیدن و تسطیح و عمل آوردن خاک تثبیت و متراکم شده با سیمان است.

 

3) تثبیت خاک و مصالح شنی با قیر

مکانیزم تثبیت خاکها با قیر بر خلاف مکانیزم تثبیت خاکها با آهک یا سیمان است. بدین معنا که افزایش مقاومت و تغییر در خواص خمیری خاکها با آهک یا سیمان در نتیجه واکنش شیمیایی انجام می شود، در صورتیکه قیر یک ماده خنثی است بعلت داشتن خواص چسبندگی فقط باعث اتصال دانه ها و ذرات خاک

 قیر اندود شده به یکدیگر و افزایش مقاومت آن می شود.

طرح تثبیت خاک با قیر

تصمیم گیری در مورد تثبیت خاک بستر راه با قیر برای عملیات زیرسازی به مقدار زیادی بستگی به تجربه مهندسی و قضاوت حرفه ای و به ویژه توجیه فنی و اقتصادی بودن تثبیت خاک با قیر مورد بررسی و مطالعه قرارگیرد.

عملیات اجرایی تثبیت خاک با قیر

عملیات اجرایی تثبیت خاک زیرسازی بستر راه با قیر شامل آماده کردن خاک، پخش قیر، اختلاط خاک با قیر، عمل آوردن مخلوط و متراکم کردن آن است

4) تثبیت خاک با استفاده از نانو پلیمرها

امروزه با توجه به لزوم سرعت بیشتر وهزینه کمتر در ساخت زیرسازها استفاده از فن آوری نانو پلیمر در ‏این مبحث ،ضروری به نظر می رسد.‏ ‏ در این مطالعه از ‏CBR‏ 4+ ‏‎ ‎به عنوان عامل تثبیت کننده استفاده شده است که با توجه به اینکه در ایران ‏یکی از مشکلات اصلی تثبیت خاکها در پروژه های بزرگ خصوصا پروژه های راه سازی وجود عامل رس است ‏که با استفاده از تکنولوژی نانو این نقیصه تبدیل به مزیت شده است، زیرا یکی از شرایط عمل کرد این ‏نانوپلیمر وجود حداقل 15 % رس در خاک است.با این شرایط علاوه بر ارزانی وسرعت عملیات اجرایی در ‏مورد جادهها نیاز چندانی به روسازی و یا لایه روکش آسفالتی به جز در مواردی که اجبار در مورد لایه ‏آسفالت وجود دارد نیست از همه مهمتر توانایی خود ترمیمی این لایه ها با استفاده از حرکت ترافیک بر روی ‏سطح رویی لایه تثبیت شده است . ‏ ‏ ‏CBR‏ 4+ محصولی ترکیبی ازمشتقات سنتزی(‏thio‏( بوده و یک لایه حفاظتی روغنی روی سطح خاک و ‏ذرات خاک رس را می پوشاند. این محصول حرکت پذیری یون و مبادله آنرا کاهش داده و همزمان با حذف ‏نمودن جذب آب این مواد را آب گریز می نماید. در نتیجه ماده خاکی کمتر به رطوبت حساس بوده، باعث ‏کارآیی بیشتر و توان فشردگی و بهم پیوستن بهتر ذرات توسط تجهیزات و ماشین آلات عبوری میگردد . بهم ‏پیوستن بهتر ذرات به معنی سایش بیشتر داخلی و بهبود ظرفیت باربری است.

5) تثبیت خاک های ماسه ای با خرده های ضایعات پلاستیکی

میتوان از تراشه های به دست آمده از آسیاب بطری های ضایعاتی پلی اتیلین ترفنالات ( پت ) که برای بسته بندی و نگهداری نوشیدنی هایی مانند نوشابه و آب استفاده می شود برای بهسازی مصالح ماسه ای و رسی به کار برد، این تراشه ها در درصدهای مختلف به هر دو نوع خاک به صورت جداگانه اضافه  میشوند.

مخلوط کردن تراشه های پلاستیک پت با مصالح خاکی:

1. تغییرات کاهشی در وزن واحد حجم مصالح ایجاد می کند که این روند کاهشی در ماسه با افزایش درصد رطوبت بهینه همراه خواهد بود.

2. تغییرات قابل ملاحظه ای در پارامترهای مقاومت برشی مانند چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی در هر دو نوع خاک را ایجاد می کند ، در خاک ماسه ای مخلوط شدن ماسه و تراش های پت باعث ایجاد چسبندگی و رفتاری شبیه خاک های چسبنده می شود .

3. روند افزایشی درصد وزنی از تراشه های پلاستیک پت باعث ایجاد تغییرات مثبت می شود و توان باربری این مصالح را بهبود می بخشد .

 

برای افزایش میزان باربرداری خاک:

طبق نمونه برداری انجام شده نوع خاک را شناسائی نموده وروش مناسب با تحکیم وتثبیت آن را مشخص می نمائیم.

پس از تثبیت وتحکیم از خاک نمونه برداری نموده ومیزان مقاومت مجاز آن را توسط آزمایشگاه مشخص می کنیم.

درصورتی که میزان تراکم انجام شده در حد قابل قبول بود مجوز حرکت جرثقیل ها وباربرداری را صادر می کنیم.

برای جرثقیل های کوچک در جهت افزایش میزان باربری مجاز از صفحه های فلزی یا چوبی(تراورس)به میزان سه برابر مساحت سطح جک استفاده می کنیم.

درصورتی که خاک میزان مورد نظر را تامین ننماید نسبت به تعویض خاک منطقه اقدام نموده و تمامی مراحل را تکرار می نمائیم.

ارسال توسط reza maleki