مقاله تحلیلی: اصول طبقه‌ بندی خاک در مهندسی ژئوتکنیک

 مقاومت هر سازه‌ای که ساخته می‌شود به‌اندازه مقاومت خاک یا سنگی که روی آن قرار دارد، بستگی دارد. امروزه از مهندسین پی خواسته می‌شود که در نواحی که قبلاً برای ساخت سازه بسیار ضعیف شناخته می‌شدند، فونداسیون سازه را طراحی و اجرا کنند. دانش این مهندسان درباره مکانیک خاک در طراحی فونداسیون‌هایی که دارای عملکرد خوبی در این نواحی هستند، بسیار حیاتی است. هدف تعیین این است که آیا یک ناحیه نشست بسیار زیادی دارد؟ آیا سازه پیشنهادی می‌تواند آن نشست را تحمل کند؟ و آیا گود یا شیروانی/ ترانشه خاک‌ریزی دارای پایداری کافی هست یا خیر. در این مقاله اصول شناسایی و طبقه‌بندی خاک را خواهید آموخت.

خاک چیست؟

با دقت به خاک زیر پایتان نگاه کنید. شما بر روی ذرات معدنی ایستاده‌اید که از سنگ‌های تجزیه‌شده تشکیل‌شده‌اند. سنگ به دلیل فرسایش (توسط هوا، یخ، باد و آب) و فرآیندهای شیمیایی تجزیه می‌شود. خاک همچنین دارای هوا، آب یا مصالح معدنی دیگری است که براثر تجزیه گیاهان (و دیگر موجودات زنده مانند پرنده‌ها و حشرات) به وجود آمده‌اند.

انواع اصلی خاک

چهار نوع اصلی خاک وجود دارد:

ماسه

ماسه از ذرات بسیار ریز سنگ هوازده (عموماً گرانیت، سنگ‌آهک و کوارتز) تشکیل‌شده است. عدم توانایی نگهداری آب و کمبود مواد مغزی آن باعث شده است که اغلب گیاهان نتوانند در آن رشد کنند. ماسه برای سیستم‌های زهکشی بهترین گزینه است.

لای

سیلت عمدتاً نزدیک آب‌هایی مانند رودخانه‌ها و دریاچه‌ها دیده می‌شود. این موضوع بدین خاطر است که این نوع خاک به‌راحتی توسط جریان آب جابجا می‌شود. لای از ذرات معدنی تشکیل‌شده که از ماسه بزرگ‌تر و از رس کوچک‌تر هستند. ازآنجایی‌که لای درشت و صاف است بخصوص در مقایسه با ماسه، آب را به‌خوبی نگه می‌دارد. لای نسبتاً حاصلخیز بوده و غالباً برای بهبود کیفیت خاک به‌منظور رشد دانه‌های گیاهی استفاده می‌شود.

خاک رس

رس نقطه مقابل ماسه است. تقریباً هیچ هوایی داخل آن وجود ندارد که همین موضوع باعث می‌شود ذرات آن کاملاً در داخل یکدیگر قفل شوند. این نوع خاک به‌سادگی آب را در خود نگه می‌دارد و باعث چسبندگی آن خواهد شد. واضح است که برای ساخت گلدان بهترین انتخاب بوده و برای زهکشی انتخاب مناسبی نیست. در میان خاک‌ها متراکم‌ترین خاک بوده و بنابراین برای رشد ریشه گیاهان مناسب نیست.

لوم

لوم ترکیبی از سه نوع خاک فوق است. این نوع خاک دارای ویژگی‌های کیفی لای، ماسه و رس است. این خاک رطوبت را حفظ می‌کند، دارای مواد مغزی سالم است اما آن‌قدری متراکم نیست که از گسترش ریشه‌ها جلوگیری کند. این خاک برای کشاورزی مناسب بوده و به همین دلیل به آن خاک کشاورزی می‌گویند.

 خاک چگونه طبقه‌بندی می‌شود؟

سیستم طبقه‌بندی یکپارچه خاک (USCS)

سیستم طبقه‌بندی یکپارچه خاک (USCS) روشی استاندارد برای دسته‌بندی خاک توسط مهندسان ژئوتکنیک است. این طبقه‌بندی در طراحی پروژه‌های سازه‌ای مانند پل‌ها، دیوارهای حائل و ساختمان‌ها استفاده می‌شود. این طبقه‌بندی دقیق بر اساس تحلیل اندازه دانه‌بندی و آزمایش حدود آتربرگ از نمونه‌های خاک در یک سایت پیشنهادی تعیین می‌شود.

سیستم یکپارچه اصلاح‌شده (MUD)

فرآیند سیستم یکپارچه اصلاح‌شده (MUD) عبارت است از بررسی چشمی و عملی نمونه‌های خاک به لحاظ ساختار، پلاستیسیته و رنگ آن‌ها. دسته‌بندی خاک به قضاوت مهندسی فرد بستگی دارد. آزمایش‌های طبقه‌بندی به‌منظور صحت سنجی این سیستم استفاده نمی‌شوند بلکه برای ارائه اطلاعات بیشتر برای تحلیل مسائل طراحی خاک یا برای امکان استفاده از خاک به‌عنوان مصالح ساخت، استفاده می‌شوند.

این سیستم برای ارائه بهترین توضیحات از نمونه خاک به افراد درگیر در فرآیندهای برنامه‌ریزی، طراحی، ساخت و نگهداری استفاده می‌شود.

ویژگی‌های خاک

راه‌های مختلفی به‌منظور تعیین عملکرد خاک وجود دارد. در اینجا برخی از این ویژگی‌ها را معرفی می‌کنیم:

مقاومت برشی

مقاومت برشی معیاری است که نشان می‌دهد یک خاک چه نیرویی را می‌تواند قبل از اینکه دچار گسیختگی شود تحمل می‌کند.

نفوذپذیری

نفوذپذیری نشان می‌دهد که آب تا جه حد به‌راحتی می‌تواند در خاک جریان پیدا کند.

تراکم‌پذیری

تراکم‌پذیری نشان می‌دهد درزمان اعمال بارهای مکانیکی حجم خاک تا چه حد کاهش می‌یابد. نرخ تحکیم نیز به لحاظ اینکه نشست سازه در محدوده‌ای باشد که کاربری و دوام آن را افزایش دهد، اهمیت دارد.

تحکیم

حفره‌های خاک بسته‌های هوا و آب درون خاک هستند. تحکیم، تراکمی است که فشار ایستا به خاک اعمال شده و آب داخل حفره‌ها خارج می‌شود. رس‌هایی که با آب اشباع می‌شوند به علت نفوذپذیری پایین نرخ تحکیم پایینی دارند.

تحکیم با تراکم متفاوت است. تراکم زمانی اتفاق می‌افتد که چگالی خاک غیراشباع به دلیل خروج هوا از حفره‌ها افزایش می‌یابد. تحکیم خاک زمانی رخ می‌دهد که چگالی خاک به علت خارج شدن آب از حفره‌ها افزایش می‌یابد.

رنگ

رنگ خاک باید به دو رنگ محدود شود. خاک بهرنگ‌های قهوه‌ای، مشکی، خاکستری و قرمز دیده می‌شود. درصورتی‌که خاک دارای سه رنگ یا بیشتر باشد باید به‌صورت چندرنگی یا رگه‌دار توصیف شود. سپس دو رنگ غالب آن باید مشخص شود.

رطوبت

مقدار رطوبت خاک به‌صورت درجا با عبارات خشک، تر یا مرطوب توصیف می‌شود.

پلاستیسیته

خاک به‌صورت خیلی پلاستیک، پلاستیک، دارای پلاستیسیته کم یا غیر پلاستیک معرفی می‌شود. برای تعیین پلاستیسیته، نمونه خاک باید مرطوب باشد. آزمایش پلاستیسیته نسبتاً ساده است و به‌صورت زیر انجام می‌شود:

شما باید نمونه کوچکی از خاک مرطوب را انتخاب کرده و آن را به شکل یک نوار به ضخامت حدود 3 میلی‌متر بپیچید. درصورتی‌که نتوانید این کار را انجام دهید، خاک از نوع غیر پلاستیک است. اگر این کار ممکن باشد اما به‌راحتی دچار شکست شود، خاک دارای پلاستیسیته کم است. درصورتی‌که بتوانید این کار را انجام دهید اما نتوانید بعد از شکست دوباره آن را بسازید خاک از نوع پلاستیک است. درنهایت اینکه اگر نواری که شکل داده‌اید به‌راحتی دچار شکست نشود و چندین بار این نوار را شکل دهید، این خاک خاصیت پلاستیسیته زیادی دارد.

ساختار خاک

ساختار خاک به‌صورت شیاردار، بلوکی یا لایه‌بندی شده معرفی می‌شود:

شیاردار: در این صورت می‌توان خاک را به شیارهایی که با چشم دیده می‌شوند و مقاومت کمی دارند، تقسیم‌بندی کرد.

بلوکی: در این حالت می‌توانید به‌راحتی خاک را به تکه‌های زاویه‌دار تقسیم کنید.

لایه‌بندی: خاک‌های مختلف به‌صورت لایه‌ای روی بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند. این لایه‌ها می‌توانند دارای رنگ‌ها و انواع مختلف خاک باشند.

شکل ذرات

خاک‌های دارای دانه‌بندی درشت به‌صورت گوشه‌دار، گوشه‌دار کوچک، گرد گوشه کوچک و گرد گوشه معرفی می‌شود.

سایر نکات

نکات مهم دیگری که می‌توانید در شناسایی خاک‌ها مفید باشند عبارت‌اند از خاک‌های آهکی یا خاک‌های سیمانته که در زیر شرح داده شده‌اند:

خاک‌های آهکی

این نوع از خاک دارای مقدار بالایی از کربنات کلسیم و منیزیم است.

خاک‌های سیمانته

یک عامل شیمیایی مانند کربنات کلسیم ذرات خاک سیمانته را کنار هم نگه می‌دارد. شما نمی‌توانید خاک سیمانته را با انگشتان خود خرد کنید تا تبدیل به پودر شوند.

طبقه‌بندی OSHA

سازمان سلامت و ایمنی حرفه‌ای (OSHA) خاک را به نوع A، نوع B و نوع C دسته‌بندی می‌کند. چرا برای آن‌ها مهم است؟ زیرا هرساله، 40 کارگر به علت ریزش ترانشه ها جان خود را از دست می‌دهند. با دانستن نوع خاک و اقدامات احتیاطی مناسب قبل از شروع حفاری، می‌توان جان کارگرهای بسیاری را نجات داد.

خاک نوع A ایمن‌ترین خاک برای خاک‌برداری است. خاک نوع C خطرناک است.

یک روش آسان و نسبتاً مطمئن برای تعیین نوع خاک، آزمایش چسبندگی آن است. (خاک یا چسبنده است یا دانه‌ای. ذرات خاک چسبنده به یکدیگر می‌چسبند. هرچه خاک چسبنده‌تر باشد رس بیشتری داخل آن است.) برای تخمین مقاومت فشاری خاک، شست خود را به آن بچسبانید. در خاک نوع A ایجاد یک فرورفتگی به‌وسیله شست شما بسیار سخت خواهد بود. در خاک نوع B شست شما تا انتهای ناخن شست در خاک فرو خواهد رفت. درصورتی‌که شست شما به‌طور کامل و به‌راحتی در خاک فرورود خاک از نوع C خواهد بود.

خاک نوع A: خاک نوع A مقاومت فشاری حداقل برابر با 5/1 تن بر فوت مربع دارد. این نوع خاک هیچ درز و شکافی نداشته و آب نمی‌تواند از آن تراوش کند. این نوع خاک براثر کوبش شمع‌ها یا ترافیک سنگین دچار ارتعاش نخواهد شد.

نوع B: خاک نوع B به‌اندازه خاک نوع A چسبیده نیست. مقاومت فشاری آن بین 5/0 تا 5/1 تن بر فوت مربع است.

نوع C: خاک نوع C بسیار ناپایدار است زیرا ذرات آن به یکدیگر نچسبیده و مقاومت فشاری پایینی دارد که برابر یا کمتر از 5/0 تن بر فوت مربع است. هر خاکی که آب در آن تراوش می‌کند در دسته C قرار می‌گیرد.

مهندس پی مسئول تعیین شرایط خاک در کارگاه است. سرمایه‌گذاری در یک طرح حفاری یا آزمایش می‌تواند از عدم موفقیت‌های پرهزینه یا طراحی‌های بسیار محافظه‌کارانه جلوگیری کند. هزینه کردن چند هزار دلار می‌تواند باعث کاهش هزینه چند صد هزار دلاری در مراحل طراحی و ساخت شود.

سایر نکات درباره خاک

مهندس پی باید به‌طور صحیحی ویژگی‌های به‌خصوص خاک را شناسایی کند. ایمنی سازه‌هایی که بر روی آن خاک ساخته می‌شوند، به این موضوع بستگی دارد.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.