خاک و مکانیک خاک

دید کلی

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.

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 نع 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.

نیم‌رخ عمومی خاک‌ها

نیم‌رخ 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.

رفتار خاک در برابر زمین

بر اثر اعمال تنش برشی چرخه‌ای به خاک ، که ناشی از امواج رسیده سنگ بستر است، خاک تحریک می‌شود.

تقسیم بندی خاکها بر اساس پاسخ به حرکات سنگ بستر

حرکتهای پایدار که با تغییر شکل کشسان و خمیرسان باعث میرایی حرکت لرزه‌ای می‌شوند، با این حال هنوز تا حدی مقاومت خود را حفظ می‌کنند.

خاکهای ناپایدار که بطور ناگهانی متراکم شده یا بر اثر آبگونگی بطور کامل مقاومتشان را از دست می‌دهند.

دو ویژگی بارز خاکهایی که تحت تاثیر تنش چرخه‌ای قرار می‌گیرند، یکی «مدول برشی» و دیگری «سنت میرایی داخلی» است. مدول برشی واسطه بین تنش و تنجش برشی بر اثر لرزشهای دارای دامنه کوتاه ، مثل بارگذاریهای ناشی از زمین لرزه را بیان می‌کند.

سنت میرایی داخلی معرف استهلاک انرژی در طول بارگذاری چرخه‌ای است. مدول برشی و میرایی مهمترین ویژگیهایی هستند که معمولا در تجزیه) و تحلیلها بکار می‌روند. بخشی از تغییر شکل خاکها در برابر بار دینامیک ، صرف‌نظر از دامنه تنجش ، غیر قابل بازگشت بوده و لذا منحنیهای بارگذاری - باربرداری و تنش - تنجش بر یکدیگر منطبق نمی‌شوند.

نشست

نشست و آبگونگی

لرزشهای ناشی از زمین لرزه می‌تواند چند پدیده مهم را در خاک باعث شود که از این جمله است:

تراکم خاکهای دانه‌ای که منجر به نشست سطح زمین می‌شود و می‌تواند در محدوده وسیعی اتفاق بیافتد.

آبگونه شدن ماسه‌های ریز و ماسه‌های لایه‌دار که منجر به از بین رفتن کامل مقاومت خاک شده و باعث نشست و حتی برگشتن سازه‌ها و گسیخته شدن دامنه‌های می‌شود.

کاهش مقاومت در خاکهای چسبنده نرم که منجر به نشست سازه شد، و می تواند برای سالها ادامه داشته باشد. این پدیده بر اثر نوعی آبگونگی نیز حاصل می شود.

نشست حاصل از تراکم

تنجشهای برشی چرخه‌ای باعث تراکم خاکهای دانه‌ای می‌شود که نشست زمین را به همراه دارد. حرکات افقی ناشی از لرزشها تا زمانی که چرخه‌ها نسبتا نزدیک به هم باشند، حتی اگر تنجشهای برشی چرخه‌ای نسبتا کوچک باشد، باعث تراکم خاک می‌شوند. در مقابل ، شتاب قائم فراتر از شتاب جاذبه زمین (1g) لازم است تا ماسه‌ها را به نحو قابل ملاحظه‌ای متراکم نماید و این رقمی به مراتب فراتر از شتاب سطحی حاصل از اغلب زمین لرزه‌هاست.

قابلیت تراکم خاک در زمان لرزش زمین به دانه بندی ، چگالی نسبی ، پوکی ، فشار جانبی ، دامنه نوسان تنش برشی یا تنجش چرخه‌ای و بالاخره تعداد چرخه‌های اعمال تنش یا طول مدت آن وابسته است. نشست ناشی از تراکم و آبگونگی بسیار به هم مرتبط هستند و مهمترین عامل در وقوع هر یک از آنها قابلیت زهکشی خاک در زمان بارگذاری چرخه‌ای است. تراکم در خاکهای دارای زهکشی خوب و آبگونگی در خاکهای با زهکشی ضعیف انجام می‌شوند.

پدیده روانگرایی

روانگرایی (یا آبگونگی) چرخه‌ای ، به واکنش خاک در برابر بارهای دینامیکی یا تحریک ناشی از امواج برشی زودگذر اطلاق می‌شود که در نتیجه آن مقاومت خاک بطور کامل از بین رفته و خاک حالتی آبگونه به خود می‌گیرد. آبگونگی چرخه‌ای با روانگونگی ناشی از جریان به سمت بالای آب زیرزمینی در شرایطی اگر آب ماسه نتواند به سرعت از محیط خارج و به اصطلاح زهکشی شود، کاهش حجم باعث افزایش فشار منفذی برابر فشار مواد دوباره شود، تنش موثر بین ذرات خاک صفر می‌شود و ماسه بطور کامل مقاومت برشی خود را از دست می‌دهد و در نتیجه حالت آبگونه پیدا می‌کند.

پدیده روانگرایی ممکن است در یک نهشته سطحی یا در یک لایه عمقی اتفاق بیافتد. در صورتی که آبگونگی در عمق اتفاق بیافتد فشارهای هیدرواستاتیک اضافی ایجاد شده در منطقه آبگونه شده ، با جریان یافتن آب به سمت بالا ، از بین می‌رود. یک گرادیان هیدرولیکی قابل توجه قادر است تا شرایط آبگونگی را در لایه‌های فوقانی نیز القا نماید. نتیجه این عمل در سطح بصورت «فوران گل» و ایجاد «ماسه سریع» تظاهر می‌کند. در جاهایی که از سطح ایستایی بالایی برخوردارند، آبگونه شدن سطحی و نشست زمین منجر به خروج آب و جریان آن در سطح زمین می‌شود.

در مواردی که آبگونگی سطحی نیز صورت نگرفته است، وقوع آبگونگی در اعماق قادر است قابلیت باربری لایه‌های فوقانی را به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد. پدیده آبگونگی ممکن است بطور بخشی در خاکهای چسبند نرم نیز ایجاد شود. در اینجا امواج طولی به دلیل خاصیت فشاری و استنباطی آنها باعث افزایش فشار آب منفذی در رسهای اشباع شده می‌شوند. این فشارهای آب منفذی حاصل از لرزش باعث کاهش مقاومت برشی خاک و در نتیجه قدرت باربری آن شده و به گسیختگی کلی یا بخشی منجر می‌شود. این عمل همچنین ممکن است باعث نشست مداوم سازه‌ها شود.