خاکها مخلوطی از مواد معدنی و آلی می‌باشند که از تجزیه و تخریب سنگ‌ها در نتیجه 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 درجه 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 یافته است. 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.
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 آلومینیوم و همچنین سنگهای فسفاتی از لحاظ صنعتی و کشاورزی ارزش زیادی دارد. در صورتیکه خاکهایی که از تخریب سنگهای دارای کانی‌های مقاوم (از قبیل کوارتز و غیره) در اثر تخریب شیمیایی پدید آمده‌اند و غالبا شنی و ماسه‌ای می‌باشند فاقد ارزش کشاورزی می‌باشند.
ارگانیسم :
تمایز انواع خاکها از نقطه نظر کشاورزی به نوع و مقدار مواد آلی (ازت و کربن) موجود در آن بستگی دارد. نیتروژن موجود در اتمسفر بطور مستقیم قابل استفاده برای گیاهان نمی‌باشد. بلکه ترکیبات نیتروژن‌دار لازم برای رشد گیاهان باید 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
موادی که خاکها را تشکیل می‌دهند به چهار قسمت تقسیم میشوند :
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 ، کرم‌ها و بالاخره حلزون‌ها در 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.
خاک های ماسه ای :
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 نع خاک آب را بیشتر در خود جذب می‌کند تا خاکهای ماسه‌ای که فاقد رس هستند.
خاک های 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.
نیم رخ عمومی خاک ها
نیم رخ خاکها معمولا از 3 افق A,B,C تشکیل شده است.
افق A : که به نام خاک بالایی نامیده میشود، فوقاتی‌ترین منطقه خاک است و این همان افقی است که رشد و نمو گیاهان در آن نفوذ می‌کنند. این افق از مواد خاکی نرم (رس) که غنی از مواد آلی و موجودات زنده میکروسکوپی است تشکیل یافته است که وجود این مواد آلی باعث رنگ خاکستری تا سیاه این افق می‌گردد. البته این زمین غالبا برای کشاورزی مناسب می‌باشند. اکسیدهای آهن و همچنین بعضی از مواد محلول ممکن است از این منطقه به افق B برده شوند و در آنجا رسوب کنند.
افق B : قشر بین افق A و C را یک قشر دیگر تشکیل می‌دهد که به نام افق B یا خاک میانی نامیده می‌گردد. در این افق عمل تخریب و تجزیه به مراتب بیشتر از افق C پیشرفت و اثر کرده است و از کانی‌های سنگ مادر فقط آن دسته دیده میشوند. که بسیار مقاومند (مثل کوارتز) ولی سایر کانیها به شدت تجزیه شده‌اند. این افق معمولا از مواد رسی ، ماسه و شن‌های ریز و درشت و گاه مقادیر کمی بقایای نباتی تشکیل شده است. در این افق علاوه بر مواد رسی ، در آب و هوای مرطوب ، اکسیدهای آهن و همچنین مواد محلول‌تر که بوسیله آبهای نفوذی از افق A به آنجا آورده شده‌اند دیده میشوند.
افق C : که به آن خاک زیرین نیز گفته میشود، افقی است که مواد سنگی به میزان خیلی کم تخریب و تجزیه شده‌اند و در نتیجه سنگهای اولیه زیاد تغییر نکرده بلکه بصورت قطعات خرد شده می‌باشند. زیر این منطقه سنگهای تخریب نشده یعنی سنگ اولیه قرار دارد که هیچگونه تخریب و یا تجزیه‌ای در آن صورت نگرفته است.
اندازه گیری ویژگیهای خاک
تعریف
خاک مخلوطی منفصل از کانیها و سنگ دانه ها و بقایای مواد آلی (گیاهی- جانورزی) است که فضاهای خالی آن توسط آب و هوا پر شده است و معمولا قسمت سطحی زمین را ی پوشاند. و معادل لاتین Soil می باشد.
اندازه گیری ویژگیهای خاک بر عهده علم مکانیک خاک است 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:
تاریخچه:
مکانیک خاک از سال 1925 میلادی به صورت یک شاخه مهم شناخته شد. تزراقی (پدر علم مکانیک خاک) با کتاب اصول مکانیک خاک بنیانگذار این علم است.
در ایران نیز تحت عنوان مکانیک خاک به عنوان یک رشته مستقل در مقطع کارشناسی ارشد مهندسی عمران و به عنوان یک درس اختیاری و اصلی در مقاطع مختلف کارشناسی و کارشناسی ارشد زمین شناسی ارائه می شود.
چگونگی تشکیل خاک
فرض کنیم که یک تو.ده سنگی، مثلا گرانیت روی سطح زمین قرار گرفته است. این توده سنگی در اثر عوامل فیزیکی و شیمیایی مثل تاثیر دما، آب های جوی، باد و ... هوازده شده و به قسمت های کوچک و بزرگ خرد می شود و بعد از تاثیر دیگر فرآیندها و سپری شدن زمان زیاد، به خاک تبدیل می شود. نرخ تولید خاک به صورت طبیعی خیلی کم بوده و در حدود 1 سانتیمتر در هر 100 سال است.
خاک دارای سه فاز (حالت) است 1-جامد (ذرات خاک) 2- مایع (آب) 3- گاز (هوا)
روشهای اندازه گیری ویژگی های 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 جیوه که 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 )