خاک
دید کلی
خاک ها مخلوطی از مواد معدنی و آلی می باشند که از تجزیه و تخریب سنگ ها در نتیجه هوازدگی بوجود می آیند که البته نوع و ترکیب خاک ها در مناطق مختلف بر حسب شرایط ناحیه فرق می کند. مقدار آبی که خاک ها می توانند بخود جذب کنند. از نظر کشاورزی و همچنین در کارخانه های راه سازی و ساختمانی دارای اهمیت بسیاری است که البته این مقدار در درجه اول بستگی به اندازه دانه های خاک دارد.
هرچه دانه خاک ریزتر باشد، آب بیشتری را به خود جذب می کند که این خصوصیت برای کارهای ساختمان سازی مناسب نیست. بطور کلی خاک خوب و حد واسط از دانه های ریز و درشت تشکیل یافته است. تشکیل خاک ها به گذشت زمان ، مقاومت سنگ اولیه یا سنگ مادر ، آب و هوا ، فعالیت موجودات زنده و بالاخره توپوگرافی ناحیه ای که خاک در آن تشکیل می شود بستگی دارد.
عوامل موثر در تشکیل خاک
سنگ های اولیه یا سنگ مادر :
کمیت و کیفیت خاک های حاصل از سنگ های مختلف اعم از سنگهای آذرین ، رسوبی و دگرگونی به کانی های 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 خاک هایی که از تخریب سنگ های دارای کانی های مقاوم (از قبیل کوارتز و غیره) در اثر تخریب شیمیایی پدید آمده اند و غالبا شنی و ماسه ای می باشند فاقد ارزش کشاورزی می باشند.
ارگانیسم :
تمایز انواع خاک ها 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 نمی باشد. بلکه ترکیبات نیتروژن دار لازم برای رشد گیاهان باید به شکل قابل حل در خاک وجود داشته باشد که این عمل در خاک ها بوسیله برخی از گیاهان و باکتری ها انجام می شود. خاک ها معمولا دارای یک نوع مواد آلی کربن دار تیره رنگی هستند که هوموس نامیده می شوند و از بقایای گیاهان بوجود می آید.
زمان :
هر قدر مدت عمل تخریب کانی ها و سنگ ها بیشتر باشد عمل تخریب فیزیکی و شیمیایی کاملتر انجام می گیرد. زمان تخریب کامل بسته به نوع سنگ ، ساخت و بافت سنگ ها و نیز ترکیب و خاصیت تورق کانی ها متفاوت می باشد ولی بطور کلی سنگهای رسوبی خیلی زودتر تجزیه شده و به خاک تبدیل می شوند، 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 آب های نفوذی و عوامل آب و هوا از قبیل حرارت ، رطوبت و غیره در کیفیت خاک ها اثر بسزایی دارند. جریان آبهای جاری بخصوص در زمین های شیب دار موجب شستشوی خاک ها می شوند و با تکرار این عمل مقدار مواد معدنی و آلی بتدریج تقلیل می یابد. اثر تخریبی اتمسفر همانطور که قبلا بیان گردید روی برخی از کانی ها موثر و عمیق می باشد و هر قدر رطوبت همراه با حرارت زیادتر باشد شدت تخریب نیز بیشتر می گردد.
توپوگرافی محل تشکیل خاک :
اگر محلی که خاک ها تشکیل می شوند 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 خاک ها شود در نتیجه این منطقه خاک های خوب تشکیل نخواهند شد. ولی برعکس در محل های صاف و مسطح که مواد تخریب شده بسادگی نمی توانند به جای دیگری حمل شوند فرصت کافی وجود داشته و فعل و انفعالات بصورت کامل انجام می پذیرد.
مواد تشکیل دهنده خاک ها
موادی که خاک ها را تشکیل می دهند به چهار قسمت تقسیم می شوند :
مواد سخت : مواد سخت را ترکیبات معدنی تشکیل می دهند ولی ممکن است دارای مقداری مواد آلی نیز باشند. البته این ترکیبات معدنی از تخریب سنگ های اولیه یا سنگ مادر حاصل شده اند که گاهی اوقات همراه با مواد تازه کلوئیدی و نمک ها می باشند.
موجودات زنده در خاک ها :
تغییراتی که در خاک ها انجام می پذیرد بوسیله موجودات زنده در خاک انجام می گیرد. قبل از همه ریشه گیاهان ، باکتری ها ، قارچها ، کرم ها و بالاخره حلزون ها در این تغییرات شرکت دارند.
آب موجود در خاک ها :
آبی که در خاک وجود دارد حمل مواد حل شده را به عهده دارد که البته این مواد حمل شده برای رشد و نمو گیاهان به مصرف می رسد. آب موجود در خاک ها 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 می رسد.
هوای موجود در خاک :
هوا همراه با آب در خوه های خاک ها وجود دارد که البته این هوا از ضروریات رشد و نمو گیاهان و ادامه حیات حیوانات می باشد. 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 می دهند.
تقسیم بندی خاک ها از لحاظ سنگ های تشکیل دهنده
بر حسب دانه های تشکیل دهنده خاک و هم چنین شرایط میزالوژی و پتروگرافی زمین خاک های مختلفی وجود دارد که عبارتند از :
خاک رسی :
ذرات رس (Clay) دارای قطری کوچکتر از 0.002 میلی متر می باشند و در حدود 50% خاک را تشکیل می دهند.
خاک های رسی چون دارای دانه های بسیار ریزی هستند به خاک سرد معروفند و در مقابل رشد گیاهان مقاومت نشان داده و رشد آنها را محدود می کنند.
خاک های سیلتی :
50% این نوع خاک ها را ذرات سلیت تشکیل داده است که دارای قطری بین 0.05 تا 0.002 میلی متر می باشند و بر حسب اینکه ناخالصی مثل ماسه ، رس و غیره بهمراه دارند به نام خاک های سیلتی ماسه ای و یا سیلتی رسی معروفند.
خاک های ماسه ای :
این خاک ها از 75% ماسه تشکیل شده اند. قطر دانه ها از 0.06 تا 2 میلیمتر است و بر حسب اندازه دانه های ماسه به خاک های ماسه ای درشت ، متوسط و ریز تقسیم می گردند. مقدار کمی رس خاصیت خاک های ماسه ای را تغییر می دهد و این نع خاک آب را بیشتر در خود جذب می کند تا خاک های ماسه ای که فاقد رس هستند.
خاک های اسکلتی :
خاکهای اسکلتی به خاکهایی اطلاق می گردد ک در حدود 75% آن را دانه هایی بزرگتر از 2 میلی متر از قبیل قلوه سنگ ، دیگ و شن تشکیل می دهند. این خاک ها ، آب را به مقدار زیاد از خود عبور می دهند و لذا همیشه خشک می باشند.
نیم رخ عمومی خاک ها
نیم رخ خاک ها معمولا از 3 افق A,B,C تشکیل شده است.
افق A : که به نام خاک بالایی نامیده می شود، فوقاتی ترین منطقه خاک است و این همان افقی است که رشد و نمو گیاهان در آن نفوذ می کنند. 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 می گردد. البته این زمین غالبا برای کشاورزی مناسب می باشند. 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 می دهد که به نام افق B یا خاک میانی نامیده می گردد. در این افق عمل تخریب و تجزیه به مراتب بیشتر از افق C پیشرفت و اثر کرده است و از کانی های سنگ مادر فقط آن دسته دیده می شوند. که بسیار مقاومند (مثل کوارتز) ولی سایر کانی ها به شدت تجزیه شده اند. این افق معمولا از مواد رسی ، ماسه و شن های 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 محلول تر که بوسیله آب های نفوذی از افق A به آنجا آورده شده اند دیده می شوند.
افق C : که به آن خاک زیرین نیز گفته می شود، افقی است که مواد سنگی به میزان خیلی کم تخریب و تجزیه شده اند و در نتیجه سنگ های اولیه زیاد تغییر نکرده بلکه بصورت قطعات خرد شده می باشند. زیر این منطقه سنگ های تخریب نشده یعنی سنگ اولیه قرار دارد که هیچگونه تخریب و یا تجزیه ای در آن صورت نگرفته است.
رفتار خاک در برابر زمین
بر اثر اعمال تنش برشی چرخه ای به خاک ، که ناشی از امواج رسیده سنگ بستر است، خاک تحریک می شود.
تقسیم بندی خاکها بر اساس پاسخ به حرکات سنگ بستر
حرکتهای پایدار که با تغییر شکل کشسان و خمیرسان باعث میرایی حرکت لرزه ای می شوند، با این حال هنوز تا حدی مقاومت خود را حفظ می کنند.
خاکهای ناپایدار که بطور ناگهانی متراکم شده یا بر اثر آبگونگی بطور کامل مقاومتشان را از دست می دهند.
دو ویژگی بارز خاکهایی که تحت تاثیر تنش چرخه ای قرار می گیرند، 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 می کند.
سنت میرایی داخلی معرف استهلاک انرژی در طول بارگذاری چرخه ای است. مدول برشی و میرایی مهمترین ویژگیهایی هستند که معمولا در تجزیه) و تحلیلها بکار می روند. بخشی از تغییر شکل خاکها در برابر بار دینامیک ، صرف نظر از دامنه تنجش ، غیر قابل بازگشت بوده و لذا منحنیهای بارگذاری – باربرداری و تنش – تنجش بر یکدیگر منطبق نمی شوند.
نشست
نشست و آبگونگی
لرزشهای ناشی از زمین لرزه می تواند چند پدیده مهم را در خاک باعث شود که از این جمله است:
تراکم خاکهای دانه ای که منجر به نشست سطح زمین می شود و می تواند در محدوده وسیعی اتفاق بیافتد.
آبگونه شدن ماسه های ریز و ماسه های لایه دار که منجر به از بین رفتن کامل مقاومت خاک شده و باعث نشست و حتی برگشتن سازه ها و گسیخته شدن دامنه های می شود.
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 چرخه ای باعث تراکم خاکهای دانه ای می شود که نشست زمین را به همراه دارد. حرکات افقی ناشی از لرزشها تا زمانی که چرخه ها نسبتا نزدیک به هم باشند، حتی اگر تنجشهای برشی چرخه ای نسبتا کوچک باشد، باعث تراکم خاک می شوند. در مقابل ، شتاب قائم فراتر از شتاب جاذبه زمین (1g) لازم است تا ماسه ها را به نحو قابل ملاحظه ای متراکم نماید و این رقمی به مراتب فراتر از شتاب سطحی حاصل از اغلب زمین لرزه هاست.
قابلیت تراکم خاک در زمان لرزش زمین به دانه بندی ، چگالی نسبی ، پوکی ، فشار جانبی ، دامنه نوسان تنش برشی یا تنجش چرخه ای و بالاخره تعداد چرخه های 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 چرخه ای است. تراکم در خاکهای دارای زهکشی خوب و آبگونگی در خاکهای با زهکشی ضعیف انجام می شوند.
پدیده روانگرایی
روانگرایی (یا آبگونگی) چرخه ای ، به واکنش خاک در برابر بارهای دینامیکی یا تحریک ناشی از امواج برشی زودگذر اطلاق می شود که در نتیجه آن مقاومت خاک بطور کامل از بین رفته و خاک حالتی آبگونه به خود می گیرد. آبگونگی چرخه ای 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 می شود و ماسه بطور کامل مقاومت برشی خود را از دست می دهد و در نتیجه حالت آبگونه پیدا می کند.
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 می رود. یک گرادیان هیدرولیکی قابل توجه قادر است تا شرایط آبگونگی را در لایه های فوقانی نیز القا نماید. نتیجه این عمل در سطح بصورت "فوران گل" و ایجاد "ماسه سریع" تظاهر می کند. در جاهایی که از سطح ایستایی بالایی برخوردارند، آبگونه شدن سطحی و نشست زمین منجر به خروج آب و جریان آن در سطح زمین می شود.
در مواردی که آبگونگی سطحی نیز صورت نگرفته است، وقوع آبگونگی در اعماق قادر است قابلیت باربری لایه های فوقانی را به مقدار قابل ملاحظه ای 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 می شوند. 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 می شود. این عمل همچنین ممکن است باعث نشست مداوم سازه ها شود.
عوامل موثر در افزایش استعداد آبگونه شدن خاک
فرایندهای رسوبگذاری
سن رسوبات
تاریخ زمین شناسی
عمق سطح استیابی
دانه بندی
عمق مدفون شدن
شیب دامنه
نزدیکی آن به یک سطح آزاد
با افزایش سن رسوبات استعداد آبگونه شدن آنها کاهش می یابد. علت این امر پیش تنیدگی خاک بر اثر وزن رسوباتی که بعدا از بین رفته اند، یا زمین لرزه های قدیمی است. بیشترین استعداد آبگونگی در نواحی ساحلی حاوی آبرفتهای ریزدانه اشباع شده ، که از تراکم رس کمی برخوردارند، دیده می شود. آبگونگی بستر دریاها عمدتا بر اثر عملکرد زمین لرزه ها یا امواج ایجاد می شود.
عوامل امکان آبگونگی
دانه بندی :
ماسه ها و ماسه های لایه دار مستعدترین رسوبات هستند، مخصوصا اگر از دانه بندی ضعیفی برخوردار باشند. نفوذپذیری این مصلح نسبتا پایین و زهکشی آن آهسته است.
شرایط آب زیرزمینی :
رسوباتی مستعد آبگونگی اند که در زیر سطح ایستایی قرار گرفته و اشباع شده باشند و نتوانند به طور آزاد زهکشی شوند.
آبگونگی معمولا در خاکهای برون چسبندگی یکنواخت که 10 درصد اندازه آن بین 0.01 تا 0.25 میلیمتر و "ضریب یکنواختی" آن بین 2 و 10 باشد، ایجاد می شود.
طبقه بندی خاک
مقدمه
در نخستین سالهایی که مطالعه خاک در ایالات متحده شروع شده بود. محققین فکر می کردند که مواد اولیه و مادر تقریبا تنها عامل تعیین نوع خاک حاصل ، می باشد. بنابراین می اندیشیدند که از هوازدگی سنگ آهک نوع دیگری از خاک تولید می شود. البته این یک واقعیت است که نوع خاک تا حدودی بازتاب موادی است که از آنها تشکیل یافته است. و در برخی موارد حتی از روی نوع خاک پوشاننده سنگها می توان نحوه توزیع و گسترش آنها را بر روی نقشه آورد. اما با دستیابی به اطلاعات بیشتر بتدریج مشخص شد که سنگ بستر تنها عامل تعیین کننده نوع خاک نیست.
دانشمندان خاکشناس رومی ، به دنبال کار عظیم دوکیوشف (1903-1846) نشان دادند که اگر شرایط اقلیمی از نقطه ای به نقطه دیگر تفاوت کند حتی بر روی یک نوع سنگ بستر نیز چندین نوع خاک تشکیل می شود. این طرز تفکر که شرایط آب و هوایی تاثیری عمده در تشکیل خاک دارد. برای اولین بار در دهه 1920 توسط ماربوت (1935-1863) در ایالات متحده مطرح گشت. از آن موقع تا کنون دانشمندان خاکشناس دریافته اند عوامل دیگری که در نحوه تشکیل خاک نقش حیاتی دارند، وجود دارد.
برای مثال برجستگی سطح زمین نقش مهمی در نوع خاک دارد. بدین ترتیب که خاک موجود در بالای یک تپه با خاک موجود در شیب، این نیز به نوبه خود با خاک موجود در زمین و پای تپه متفاوت است. مع ذالک سنگ بستر زیر هر سه نوع خاک یکسان است. گذشت زمان نیز عاملی دیگر است، بدین معنی که اگر شرایط آب و هوایی ، سنگ بستر و پستی و بلندی ، در یک محل یکسان باشد، خاکی که به تازگی در آن محل تشکیل شده باشد با خاکی که هزاران سال از تشکیل آن در همان محل گذشته است تفاوت خواهد داشت.
خاک چیست؟
مواد سطحی طبیعی را که باعث دوام حیات گیاهی می شوند، خاک می گویند. تعداد خاکهای موجود تقریبا نامحدود است، چرا که اولا دارای خواص ویژه ای است که عامل تعیین کننده ای این خواص بجز شرایط آب و هوایی ، موجودات زنده ای که در طول دوره های خاصی از زمان بر روی زمین فعالیت داشته اند و پستی و بلندیهای نقاط مختلف زمین است. ثانیا تمام این عوامل به طرق مختلف در نقاط مختلف کره زمین به یکدیگر مربوط می شوند، لذا تعداد خاکها نامحدود است.
برخی عمومیتهای با ارزش را می توان در مورد خاکها بکار برد. برای مثال ، می دانیم که ترکیبات شیمیایی یک خاک قوام با افزایش عمق تغییر می کند. رخنمونی طبیعی یا مصنوعی از خاک چندین منطقه را آشکار می سازد. هر یک از این مناطق با منطقه بالایی خود تفاوت دارد. هر یک از این مناطق را یک افق خاک یا بطور ساده تر یک افق می گویند.
انواع خاکها در سیستم طبقه بندی خاکهای ایالات متحده
آلفی سول (Alfisols) : شرایط آب و هوایی نیمه مرطوب ، مقدار بارش 125 – 15 سانتیمتر ، غالبا در زیر پوششی جنگلی ، تجمع رس در افق B لایه بالایی فروشسته به رنگ قهوه ای – خاکستری و لایه پایینی به رنگ قرمز – قهوه ای ، همراه با تجمعی از سیلیکاتهای آهن و آلومینیوم.
آریدیسول (Aridisols) : شرایط آب و هوایی خشک با تجمعات آهک یا ژیپس ، لایه های نمک ، تجمع یونهای کلسیم ، منیزیم و پتاسیم.
انتی سول (Entisols) : خاکهای عصر حاضر بدون افقهای قابل تشخیص. بسیاری از دشتهای سیلابی رودخانه های جدید ، رسوبات خاکسترهای آتشفشانی ، و ماسه های جدید.
هیستوسول (Histosols) : غنی در مواد آلی ، شامل گیاه خاک و کود تازه ، بقایای گیاهی مجتمع شده در باتلاقها و مردابها.
اینسپتی سول (Inceptisols) : افق ها به سختی قابل تشخیص بوده و نشان دهنده شروع تشکیل خاک و درجه بندی آن هستند.
مولی سول (Mollisols) : خاک علفزارها. سیاه ، در نزدیکی سطح غنی در مواد آلی. غنی در آهک.
اکسی سول (Oxisols) : خاکهای شدیدا هوازده ، اغلب با عمق بیش از 3 متر حاصلخیزی ناچیز. غنی در رسهای اکسید آهن و آلومینیوم دار.
اسپودوسول (Spodosls) : ماسه ای ، خاکهای فروشسته جنگلهای مناطق سرد سیر . اسیدی. مقادیر متنابهی مواد آلی و یا رس آهن و آلومینیوم دارد.
آلتی سول (Ultisols) : شدیدا اسیدی ، خاکها خوب هوازده ، شرایط آب و هوایی استوایی و نیمه استوایی. تجمع سیلیکاتهای بازمانده.
ورتی سول (Vertisols) : خاکهای هوازده بسیار قدیمی ، هنگام خشک بودن دارای ترکهای عمیق و پهن عمودی ، غنی در مواد رسی.
فرآیندهای تشکیل انواع خاک
دید کلی
فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی متعددی در تشکیل انواع مختلف خاک نقش دارند. در طی فرآیندهای شیمیایی ، مواد معدنی و آلی دچار تجزیه و تغییر می شوند و در ضمن فرآیندهای فیزیکی ، مواد حاصل جابجا شده و افقهای مختلف خاک را حاصل می آورند.
تشکیل خاک خاکستری یا سفید (podsolization یا Spodsolization)
این مورد فرآیندی از شکل گیری خاک است که در آن آهن و آلومینیوم از افقهای A و E شسته شده و در افق B متمرکز می شوند. این فرآیند در اقلیمهای مرطوب دیده می شود. فصل زمستان ، روند تجزیه مواد آلی در سطح خاک و ریشه گیاهان را که منطقه بقایای مواد آلی است، آهسته می کند. بعضی از اکسیدهای آهن و آلومینیوم به همراه رس و کلوئیدهای هوموس ، در افق B جمع می شود (منطقه رسوبگذاری) و به این افق بافتی رسی می دهند.
آب موجود در خاک ، هیدروکسیدهای سدیم ، کلسیم ، منیزیم و پتاسیم محلول را به وسیله آبهای زیرزمینی از منطقه نشت و شستشو می دهد. نتیجه این شستشو ، اسیدی شدن آب است. فرآیند تشکیل خاک با تغییر آب و هوا دگرگون می شود و با گرمتر شدن هوا spodosol به AlFisol و uLtisol تبدیل می شود.
البته این فرآیندها قبل از پدیده لاتریت زایی (Oxisolation) در مناطق حاره روی می دهد. جنگلهای ایالات متحده و کانادا معمولا بطور طبیعی دارای خاک اسپادوسول (خاک خاکستری یا سفید) هستند.
لاتریت زایی (Oxisolation)
این فرآیند زمانی رخ می دهد که آهن و آلومینیوم اکسید شده و لایه ای از مواد قرمز با بافت گرهی سخت کوچک (گرهک) که لاتریت نامیده می شود، در افق B بوجود می آید. این فرایند اغلب در مناطق حاره دیده می شود. در مناطق گرم و مرطوبی که گرم و خشک شدن بطور متناوب صورت می گیرد، این عمل برای اکسیداسیون فلز آهن بسیار مطلوب است.
خاک افق B ، رنگ قرمز تیره اکسیدهای آهن را به خود می گیرد. در این افق ، اکسیدهای آهن و آلومینیوم و کانیهای رسی با هم تجمع می کنند ( و ). به دلیل رطوبت ، سدیم ، کلسیم ، منیزیم و پتاسیم در آب زیرزمینی حل و برای ریشه های گیاهان غیر قابل دسترس می شوند. به دلیل آزاد بودن یون هیدروژن ، خاکهای لاتریتی بسیار اسیدی هستند. جنگلهای استوایی (حاره ای) مکزیک و هاوایی خاکهای لاتریتی دارند.
کلسیتی شدن (Caicification)
این فرآیند زمانی رخ می دهد که آب درون خاک به شدت تبخیر می شود و کسری بودجه سالانه آب بوجود می آید. در بیابانهای داغ و اقلیمی استپی ، این فرآیند دیده می شود. نزولات آسمانی در این مناطق به قدری کم است که نمی تواند هیدروکسیدهای کلسیم ، سدیم ، منیزیم و پتاسیم را بشوید و آن را به افق پایین خاک ببرد.
آب موجود در خاک به دلیل تبخیر از طریق لوله های موئینه (Capillary) به سطح خاک کشیده می شود. تکرار این محل موجب می شود که برآمدگی های کوچک کربنات کلسیم در افق B بوجود آید.
نمک زائی (Salinization)
گرمتر شدن اقلیم ، فرآیند کلسیتی شدن را در مناطق بسیار خشک به نمک زائی تبدیل می کند و تمام سطح خاک پوشیده از نمک می شود. خاکهای کلسیتی شده (Calcified) ، معمولا PH نزدیک به خنثی دارند (6،5 تا 8). به دلیل تامین مواد مغذی (هیدروکسیدها) ، این خاکها اگر آبیاری شوند، محصول زیادی را به بار می آورند. در خاکهای سالین یا نمکی فقط گیاهان نمک دوست رشد می کنند.
تشکیل خاک رس (Gleization)
تشکیل خاک رس ، فرآیند دیگری از شکل گیری خاک است که وقتی ترکیب چسبنده آبی مایل به خاکستری رس و هوموس که Cley نامیده می شود، در افق B تجمع می یابد، بوجود می آید.
نقش اقلیمهای مختلف در تشکیل خاک رس
این فرآیند در اقلیمهای آبی به دلیل اینکه برای استقرار و ثبات به آب نیاز دارد و در اقلیمهای تندرا به علت تقسیم شرایط مطلوب ، صورت می گیرد. در اقلیمهای دیگر نیز این فرآیند بوجود می آید، برای مثال اگر آب در افق B و C تندرا (Tundra) در یک دوره طولانی تجمع پیدا کند. این حالت زمانی رخ می دهد که به دلیل شرایط زمین شناختی برکه ها (آبگیرها) یا لایه رس قوی افق B ، به یک بند تبدیل می شود و آب به داخل خاک تراوش می کند.
اقلیمهای ایده آل برای تشکیل خاک رس
نواحی مرطوب ساحلی و باتلاقها ، شرایط مناسبی را برای فرآیند Gleization فراهم می سازند. اقلیمهای تندرا نیز به دلیل وجود خاک یخ زده ، برای این فرآیند ایده آل است.
نقش حوضچه و یا آبگیر در تشکیل خاک رس
در بهار ، یخ موجود در سطح خاک ذوب می شود و در بالای خاک یخ زده یک حوضچه ایجاد می کند، همچون یک آب بند عمل می کند. حوضچه و یا آبگیر عمل اکسیداسیون را به تاخیر می اندازد و خاک رنگ آبی مایل به خاکستری با زهکشی ضعیف فاقد اکسیداسیون را به خود می گیرد.
محیط بدون درخت تندرا ، رشد انواع خزه ، بوته جارو ، گلسنگ و گیاهان برگ چرمی را میسر می سازد. به دلیل وجود میکروارگانیسم ها این گیاهان به هوموس تبدیل می شوند و آب اسیدی می شود (اسید هیومیک). تجزیه مواد آلی کامل نیست و کود گیاهی به عنوان لایه ای از خاک آلی ، افق O را می پوشاند.
تشکیل خاک وارونه (Invertization)
این فرآیند ، خاک وارونه (Invenrted) را بوجود می آورد. عامل بوجود آمدن این فرآیند سطح گسترده رس قابل انبساط نزدیک خاک است. این فرآیند در اقلیمهای هیدروکلیماتیک به همراه یک دوره خشک طولانی ، رخ می دهد. نفوذ رطوبت و آب به داخل خاک ، موجب باد کردن رس می شود. بعد از یک دوره طولانی تبخیر این رسها خشک و منقبض می شوند و ترک می خورند. این فعالیتها در افقهای A و O خاک روی می دهند و مواد موجود در این افقها ، به داخل شکافهایی که درون افق B قرار دارند، وارد می شود.
ورتی سول
تکرار فرآیند مذکور در طی هزاران سال ، به خاک نیمرخی از خاک وارونه می بخشد. در این نیمرخ ، به نظر می رسد که افق A در زیر افق B قرار گرفته است و لایه آلی تیره خاک از محل خود واقع شده است. خاکی که از این فرآیند بوجود می آید، ورتی سول نامیده می شود. ورتی سولها معمولا برای کشاورزی مناسبند، ولی مشکل این است که وقتی خیس می شوند، چسبناک می گردند. تراکتورها به راحتی می توانند رس چسبناک را به لجن تبدیل کنند. همین عامل است که کشت و کار در هوای خشک را محدود می سازد.
خاکهای شور و قلیا
خاکهای شور و قلیا مخصوص مناطق نیمه مرطوب یا خشک بوده و زهکشی در آنها نامناسب است. این خاکها دارای مقدار زیادی املاح محلول هستند که فقط گیاهان نمک دوست در این خاکها قابلیت زیست دارند. خاکهای قلیا اغلب در خاکهای شور به صورت نقاط پراکنده یافت می شوند.
دید کلی
مناطق خشک به مناطقی گفته می شود که میزان باران سالیانه آنها معمولا کمتر از 50 سانتیمتر است. به علت عدم شسته شدن طبیعی مواد در این موارد ، مقدار کاتیونهای بازی این خاکها زیاد است. در بعضی از افقهای این خاکها تجمع کربنات کلسیم () به مقدار زیاد صورت گرفته و هر قدر مقدار بارندگی کمتر باشد، این لایه کربناتی نزدیکتر به سطح خاک قرار دارد. PH این خاکها بازی است. خاک بسیاری از مناطق خشک و نیمه خشک سرشار از املاح محلول است که منشا متفاوتی دارد.
در بعضی خاکها ، سنگ مادر خود محتوی املاح است و در برخی دیگر در اثر هوازدگی ، املاح محلول از سنگ مادر آزاد می شود، ولی چون مقدار رطوبت کم است، نمی تواند آبشویی یافته و از خاک خارج شود. وزش باد نیز می تواند املاحی را از سطح دریا و اقیانوس انتقال داده و در سواحل به جای گذارد. این نوع خاکها اصطلاحا هالومورفیک نامیده می شوند، به سه گروه شور ، شور و قلیایی و قلیایی تقسیم بندی می شوند.
ساختمان خاکهای شور و قلیا
سطح خاکهای مناطق شور و قلیا ، اغلب ساختمان ورقه ای دارد که رگبارهای فصلی نیز بر تراکم آن می افزاید. در زیر این قشر سطحی ساختمان اغلب تکه ای ، منشوری و یا ستونی است. وجود املاح سدیم و تا حدی منیزیم تاثیر عمده ای در ساختمان خاک دارد، زیرا املاح موجب تجمع ذرات رس شده و هرچه مقدار املاح بیشتر باشد، خاک دانه های حاصل ساختمان سخت تری پیدا می کند.
وجود سدیم سبب می شود که ذرات سطح خاک به حالت انتشار در آمده، حتی در شیبهای کمتر از یک درصد نیز فرسایش قابل توجهی صورت گیرد. آبیاری خاکهای شور و قلیا همواره با خرابی ساختمان خاک همراه است، مگر اقدامات اصلاحی انجام شود.
کانیهای رسی خاکهای شور و قلیایی
کانیهای رسی ، استعداد حاصلخیزی هر خاک را تعیین می کنند. مونتموریلونیت ، میکا ، کلریت و کوارتز مهمترین کانیهای مناطق شور و قلیا می باشد. چون شرایط اقلیمی مناطق خشک برای تغییر و تحول کانیها مساعد نیست، لذا اغلب کانیهای این خاکها مشابه کانیهای سنگ بستر یا سنگ مادر است.
ساختار خاک
خاک توده ای از مواد طبیعی با شرایط مناسب برای پرورش گیاهان که تحت تاثیر عوامل تخریبی (اثر عوامل جوی و موجودات ذره بینی) و عوامل سازنده (تشکیل مواد سمی و مشخص شدن افقهای مختلف) بوجود آمده است. خاکهای مناطق مختلف دارای خصوصیات یکسان نیستند.
اجزا اصلی خاک
4 جز اصلی خاک عبارتند از: مواد معدنی ، مواد آلی ، آب و هوا. این اجزا بطور نزدیکی در ارتباط با یکدیگر هستند. بطوری که جدا کردن آنها مشکل است. حجم نسبی این اجزا که برای رشد گیاه مناسب باشد، بدین صورت است که در آن 50 درصد بوسیله مواد جامد (45 درصد مواد معدنی و 5 درصد مواد آلی) اشغال شده و 50 درصد بقیه شامل فضای منافذ است که بوسیله آب یا هوا اشغال می شوند. البته این نسبت آب و هوا بسیار متغیر بوده و تحت تاثیر شرایط خاک و جو قرار می گیرد.
پروفیل یا نیمرخ خاک
اگر قسمتی از خاک به طرف پایین حفر شود، لایه های افقی مشخصی در عمقهای مختلف آن به چشم می خورد. این مقطع را پروفیل خاک و لایه های مشخص آن را افق گویند. تمام افقهای بالای مواد مادری بطور جمعی Solum نامیده می شوند. مشخصات پروفیل خاک برای طبقه بندی و ارزیابی و نقشه برداری خاک بکار می رود.
لایه های بالایی پروفیل ، دارای مواد آلی بیشتری بوده و به همین علت رنگ آنها تیره است. این لایه ها را خاک سطح الارضی Top Soil گویند. لایه های عمیق تر خاک یا خاک تحت الارضی SubSoil به علت کمی مواد آلی رنگ روشن تری دارند و محل تجمع موادی هستند که از لایه های سطح الارضی شسته شده اند. مهمترین قسمت خاک از نظر رشد گیاهان لایه های سطح الارضی آن است که بیشتر مواد غذایی و آب قابل جذب گیاهان در این لایه ها متمرکز می شود و ریشه های گیاهان در اینجا یافت می شود.
ساختمان خاک
نحوه قرار گرفتن و چگونگی اجتماع ذرات خاک را ساختمان آن می گویند. گرچه در یک پروفیل خاک ممکن است یک نوع ساختمان بیش از سایرین دیده شود، ولی معمولا در افقها یا لایه های مختلف ممکن است، چند نوع ساختمان یافت شود. بسیاری از خواص فیزیکی خاک مانند حرکت آب ، تهویه ، انتقال حرارت ، وزن مخصوص ظاهری و فضای منافذ به ساختمان خاک بستگی دارد. در واقع تمام عملیات از قبیل شخم و زهکشی ، دادن کود حیوانی و آهک زدن که برای بهبود وضعیت فیزیکی خاک انجام می شود، روی ساختمان خاک اثر گذاشته و تاثیری روی بافت آن ندارد. ساختمانهای موجود از یکی از دو حالت زیر بوجود می آید:
تک دانه های ذرات خاک که بطور فردی وجود داشته و اجتماع مشخصی از ذرات در آنها صورت نگرفته است.
توده های فشرده و بی شکل و نامنظمی از ذرات که هیچ خصوصیات ساختمانی مشخصی ندارند.
انواع ساختمانهای خاک
برحسب شکل ظاهری 6 نوع ساختمان را می توان در خاک تشخیص داد. این ساختمانها به اسامی بشقابی ، ستونی ، منشوری ، مکعبی ، فندقی ، دانه ای و اسفنجی شناخته می شوند.
ساختمان بشقابی :
توده های خاک به صورت لایه های نازک افقی روی هم قرار گرفته اند. بیشتر در لایه های سطحی خاک وجود دارند، ولی گاهی در لایه های عمیق هم دیده می شوند.
ساختمانهای ستونی و منشوری :
توده های خاک بطور عمودی روی هم قرار گرفته اند، ارتفاع ستونهای حاصل متغیر و قطر آنها گاهی به 15 سانتیمتر می رسد. بیشتر در لایه های عمیق خاک مناطق خشک و نیمه خشک دیده می شود. در صورتی که بالای این ساختمانها گرد باشد، آنها را ستونی و اگرا مسطح باشد، آنها را منشوری گویند.
ساختمانهای مکعبی و فندقی :
توده های خاک به صورت مکعبهایی با سطوح نامنظم ، ولی ابعاد تقریبا مساوی در آمده اند. اگر لبه های سطوح بیشتر تیز و مشخص باشد، ساختمان را مکعبی و اگرا این لبه ها صاف شده باشد، ساختمان را فندقی گویند. این نوع ساختمان در لایه های عمیق خاک دیده می شود.
ساختمانهای کروی (دانه ای یا اسفنجی) :
توده های خاک شکل گرد داشته و قطر آنها معمولا از یک سانتیمتر کمتر است. این ساختمانها کاملا متخلخل بوده و اتصال بین ذرات ضعیف است (دانه ای) و درصورتی که ساختمان کاملا باز و درجه تخلخل زیاد باشد، ساختمان را اسفنجی گویند. ساختمانهای کروی بیشتر در لایه های سطحی خاک یافت می شوند و به آسانی تحت تاثیر عملیات زراعی قرار می گیرند.
تقسیم بندی خاک از لحاظ سنگهای تشکیل دهنده
دید کلی
خاک مجموعه فعالی است که در حد فاصل اتمسفر ، آب و قشر جامد زمین تشکیل شده است که از اثر مشترک آب و هوا ، گیاهان و جانواران بر سنگ پدید آمده که پس از تکامل تدریجی به حد تعادل رسیده است. تکامل خاک از سه مرحله تشکیل شده است.
تجزیه و تخریب سنگ مادر که منجر به تشکیل کمپلکس جذب کننده می گردد.
ازدیاد تدریجی ماده آلی توسط گیاهانی که خاک را اشغال کرده اند.
جابجایی عناصر محلول یا کلوئیدی از نقطه ای به نقطه دیگر در اثر آبی که در خاک جریان دارد. اصولا اینگونه نقل و انتقال موجب تشکیل افقهای فقیر یا غنی د رخاک می گردد. خاکها بر حسب دانه های تشکیل دهنده و همچنین مینرالوژی و پتروگرافی و شرایط حاکم بر زمین منطقه (آب و هوا و توپوگرافی محل تشکیل خاک) دارای انواع مختلفی هستند.
خاک رسی
ذرات رس (Clay) دارای قطری کوچکتر از 0.002 میلیمتر می باشند و در حدود 50 درصد خاک را تشکیل می دهند. خاکهای رسی چون دارای دانه های بسیار ریزی هستند به خاک سرد معروفند و در مقابل رشد گیاهان مقاومت نشان داده و رشد آنها را محدود می کنند.
خاک سیلیتی
این نوع خاکها از 50 درصد ذرات سیلیت تشکیل شده اند که دارای قطری بین 0.06 – 0.002 میلیمتر می باشند و بر حسب اینکه ناخالصی مثل ماسه ، رس و غیره به همراه دارند به نام خاکهای سیلیتی ماسه ای و یا سیلیتی رسی معروفند.
خاک ماسه ای
این خاکها از 75 درصد ماسه تشکیل شده اند. قطر دانه ها از 2 – 0.6 میلیمتر است و بر حسب اندازه دانه های ماسه به خاکهای ماسه ای درشت ، متوسط و ریز تقسیم می گردند. مقدار کمی رس خاصیت خاکهای ماسه ای را تغییر می دهد و این نوع خاک آب را بیشتر در خود جذب می کند تا خاکهای ماسه ای که فاقد رس هستند.
خاک اسکلتی
خاکهای اسکلتی به خاکهایی اطلاق می گردد که در حدود 75 درصد آن را دانه هایی بزرگتر از 2 میلیمتر از قبیل قلوه سنگ ، ریگ و شن تشکیل می دهند. این خاکها آب را به مقدار زیاد از خود عبور می دهند و لذا همیشه خشک می باشند.
ترکیب خاک
ترکیب خاکها در اعماق مختلف فرق می کند و اثر تخریب روی نیم رخ خاکها بطور وضوح قابل مشاهده می باشد. (بجز زمینهای یخچالی و زمینهای حاصل از رسوبات سیلابی که خاک ، شن ، ریگ ، قلوه سنگ و قطعه سنگ مخلوط و درهم می باشند.).
افقهای خاک
افقC
که به آن خاک زیرین نیز گفته می شود افقی است که مواد سنگی به میزان خیلی کم تخریب و تجزیه شده اند و در نتیجه سنگهای اولیه زیاد تغییر نکرده بلکه بصورت قطعات خرد شده می باشند. زیر این منطقه سنگهای تخریب نشده یعنی سنگ اولیه (سنگ مادر) قرار دارد که هیچگونه تخریب و یا تجزیه ای در آن صورت نگرفته است.
افقB
قشر بین افق C و A را یک قشر دیگر تشکیل می دهد که بنام افق B یا خاک میانی نامیده می گردد. 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 می شوند که بسیار مقاومند (مثل کوارتز) ولی سایر کانیها به شدت تجزیه شده اند. 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 شده اند، دیده می شوند.
افقA
که به نام خاک زبرین نامیده می شود فوقانی ترین منطقه خاک است و این همان افقی است که ریشه گیاهان در آن نفوذ می کند. این افق از مواد خاکی نرم (رس) که غنی از مواد آلی و میکروارگانسمها است تشکیل یافته است که وجود این مواد آلی باعث رنگ خاکستری تا سیاه این افق می گردد. البته این زمینها غالبا برای کشاورزی مناسب می باشند. اکسیدهای آهن و همچنین بعضی از مواد محلول ممکن است از این منطقه به افق B برده شده و در آنجا رسوب کنند.
انواع مهم خاکها
لاتریت (Laterite)
این خاکها در تحت شرایط هوازدگی شدید در نواحی گرم و مرطوب (Tropical) با بارانهای زیاد بوجود می آید. این خاکها سرشار از اکسیدهای آهن و هیدروکسیدهای آلومینیم می باشند و بالعکس دارای مقدار بسیار کمی سیلیسیم و کلسیم است. رنگ لاتریتها به علت وجود اکسیدهای آهن قرمز است. بعضی اوقات وفور اکسیدهای آهن در خاک لاتریت به قدری است که به عنوان سنگ معدن آهن استخراج می شود.
از طرف دیگر آب و هوای مرطوب با بارنهای شدید در این منطقه باعث انحلال مواد قلیایی و قلیایی خاکی شده و این محلول سیلیس موجود در سیلیکاتها را خارج کرده و باعث از هم پاشیدگی سیلیکاتها ، مخصوصا کانیهای رسی می گردد. در اینصورت فقط اکسیدهای آلومینیوم آبدار بصورت ترکیب AL2O3،nH2O که همان بوکسیت (Bauxite) است باقی می ماند. بوکسیت همان سنگ معدن آلومینیوم است و قابل بهره برداری اقتصادی می باشد.
چرنوزوم (Chernozom)
به زبان روسی یعنی سیاه ، خاکی است به رنگ سیاه که در اثر تخریب در مناطق معتدل و نیمه معتدل مرطوب پدید می آید. جنس این خاک از لسس (Loess) یعنی از مخلوطی از ذرات ریز کوارتز ، فلدسپات ، سنگ آهک و خاک رس تشکیل شده است که دارای مقدار بسیار زیادی مواد آلی هوموس می باشد. این خاک سیاه از نظر کشاورزی بسیار حاصلخیز بوده و برای کشت غله بسیار مناسب می باشد. این نوع خاک در دشتهای اوکراین (روسیه) ، چین ، آرژانتین ، رومانی و آلمان شرقی و آلمان غربی دیده می شود.
پودزول (Podsol)
رنگ این خاک خاکستری است (پودزول کلمه ای است روسی و به معنی خاکستری) این خاکها در نواحی سردسیر تا نیمه قطبی و از تخریب اراضی مستور از نوع درختان کاج که روی ماسه سنگها و یا ماسه سنگها سیلیسی می رویند، بوجود می آیند. پودزول دارای تعداد کمی مواد آلی است.
راندزین (Rendzine)
خاکی است که از تجزیه فیزیکی و شیمیایی سنگهای آهکی ، دولومیتی ، مارنی و گچی حاصل می شود. باقیمانده آهک و یا دولومیت در این خاک قابل تشخیص است و در سطح این خاک مقداری هوموس دیده می شود. رنگ این خاک معمولا خاکستری است ولی اگر دارای رس باشد رنگ خاکستری مایل به قرمز دیده می شود.
رانکر (Ranker)
به خاکهای جوانی که بیشتر در نواحی کوهستانی در روی سنگهای سیلیکاته تشکیل می شود اطلاق می گردد. این خاک تقریبا دارای خواص سنگ اولیه یا سنگ مادر بوده و در حقیقت قدم اولیه تشکیل خاکهای دیگر می باشد.
مکانیک خاک
مکانیک خاک از دو کلمه Soil به معنی خاک و Mechanics به معنی مکانیک گرفته شده است.
دید کلی
در علوم مهندسی ، خاک مخلوط غیر یکپارچه ای از دانه های کانیها و مواد آلی فاسد شده می باشد که فضای خالی بین آنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. خاک به عنوان مصالح ساختمانی در طرح های مهمی در مهندسی عمران بکار گرفته می شود و همچنین شالوده اکثر سازه ها بر روی آن متکی است.
بنابراین مهندسان عمران باید بخوبی خواص خاک از قبیل مبدا پیدایش ، دانه بندی ، قابلیت زهکشی آب ، نشست ، مقاومت برشی ، ظرفیت باربری و غیره را مطالعه نمایند. مکانیک خاک شاخه ای از علوم مهندسی است که به مطالعه مشخصات فیزیکی و رفتار توده خاکی تحت بارهای وارده می پردازد. مهندسی پی ، کاربرد اصول مکانیک خاک در مسائل عملی است.
تاریخچه
تاریخچه عملیات خاکی را می توان به دوره های دور تاریخ بشری نسبت داد و آن را با قدمت پیدایش شهرنشینی یکی دانست. حفر قناتها ، کانالهای آبرسانی ، ایجاد پلها و سدهای محکم و سایر بناهایی که آثار آنها در کشورهای دنیا از ده ها قرن قبل تا کنون به یادگار مانده است، همه از مواردی است که به نحوی با عملیات خاکی ارتباط دارد.
سیر تحولی و رشد
توجه به بررسی و مطالعه خاک با یک دیدگاه مهندسی و به منظور تحلیل ریاضی خواص آن ، از قرن 18 میلادی آغاز شد و در واقع اولین بار در عین حال مهمترین رابطه ساده در زمینه مکانیک خاک ، در سال 1773 توسط کولمب یک مهندس ارتشی فرانسه ارائه گردید. این رابطه ساده ، که یک رابطه اساسی در بررسی مقاومت یا عدم مقاومت خاک است عبارت است از: (τ=c+bntan(φ
کارهای بوسینسک در مورد تئوری اجسام الاستیک که در سال 1885 انتشار یافت به ارائه راه حل های دقیق در محاسبه تنش ها و تغییر شکل های درون محیط خاکی منجر گردید و توانست در تحلیل بخش مهمی از مبحث مکانیک خاک ، پاسخگو باشد. دانش مکانیک خاک به صورت مدرن ، در ابتدای قرن حاضر گسترش روز افزونی یافت و مانند سایر علوم مهندسی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت بطوری که در سال 1925 کارل ترزاگی ، استاد دانشگاه هاروارد ، نتیجه تحقیقات خود را به صورت مقاله ای ارائه داد و در سال 1943 کتاب "اصول نظری مکانیک خاک" را تدوین و منتشر کرد.
کارل ترازگی (1963-1883) را به حق بنیانگذار دانش مکانیک خاک نامیده اند. در اینجا شایسته است از سهم محققین روسی نیز یادآور گردد، چه پژوهشگرانی چون سیتوویچ در کشور روسیه به موازات دانشمندان غربی در توسعه دادن مبحث مکانیک خاک کارهای زیادی ارائه دادند. نامبرده نیز در سال 1934 کتاب اصول علم مکانیک خاک را منتشر نمود.
امروزه اهمیت دانش مکانیک خاک مانند علوم دیگر روز به روز رو به فزونی است و این بویژه به این علت است که تجربه های گذشته در این زمینه بدون گسترش تئوری های مطمئن تر و راه حل های اقتصادی تر تکافوی حل مسائل جدید را در عمل نمی نماید. به علاوه ، بسط مسائل مبحث مکانیک خاک همراه با توسعه روش ها و دیدگاههای جدید در زمینه مکانیک محیط دانه ای ، گسترش و افزایش دقت در تحلیل های ریاضی و مدل سازی ها را در هر دو زمینه الزامی نموده و نیز به نتیجه رسانده است.
مباحث کلی مکانیک خاک
طرح تئوریهایی که نشان دهنده رفتار توده خاکی در برابر عوامل بیرونی ، مثل نیروهای مختلف ، باشد
کاربرد معلومات تئوری و تجربی در موارد و مسائل اجرایی
خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسی خاکها
خواص فیزیکی و شیمیایی خاک :
شناخت خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسی خاکها در بسیاری از بررسی ها و مطالعات و تصمیم گیری ها 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 دانه ها :
از آنجایی که خاکها از تجزیه و هوازدگی سنگهای پوسته زمین پدید آمده است ، لذا کانی های تشکیل دهنده خاکها باید همان کانی های تشکیل دهنده سنگ مادر باشد.
طبیعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص) : سطح خارجی دانه های خاک ، یعنی فصل مشترک محیط جامد با محیط مجاور آن که ممکن است، آب یا هوا باشد. محل پدید آمدن بعضی پدیده های فیزیکی یا شیمیایی است که این پدیده ها برخواص دیگر خاک مثل؛ مقاومت و نفوذپذیری و … تاثیر می گذارد.
پدیده های فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک خاک و آب :ذرات جسم جامد از شبکه ای از یون های مختلف تشکیل شده است که از اینرو بین سطح خارجی ذره و محیط اطراف آن کنش و واکنش هایی پدیدار می گردد.
خاصیت مویینگی :
خاصیت بالا رفتن آب در لوله های مویین و در حفره های بین ذرات خاک را خاصیت مویینگی گویند.
نیروهای دافعه و جاذبه بین ذرات :
نیروهای بین ذره ای در خاک به دو گونه اند. نیروهای جاذبه مولکولی بین دانه ها (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 دانه ها حاصل از مقاومت مولکولی (یعنی نیروی جاذیه الکتروشیمیایی) بین ذرات ریز است.
تحکیم:
تحکیم عبارتست از کاهش حجم حفره های آب دار درون خاک به علت افزایش فشارهای جانبی.
گسیختگی توده خاک :
گسیختگی توده خاک عبارتست از پایان شرایط مقاومت و آغاز برش در خاک است.
کاربرد مکانیک خاک
خاک از یک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسین و طراحان قرار می گیرد و از سوی دیگر به عنوان یک محیط طبیعی که در اختیار آدمی قرار گرفته است مورد توجه و استفاده است. جایی که به عنوان مصالح مورد نظر است مانند خاکریزها ، سرای خاکی ، روسازی راه و فرودگاه ، پشت دیوار حایل ، زهکش ها ، و به عنوان بخشی از بتن ، ماده اصلی تهیه آجر و سرامیک ، ماده اصلی تهیه چینی و کاشی ، و… حالت انتخابی و اختیاری دارد، و در جایی که به عنوان محیط مورد توجه است.مانند زیر پی ها ، زیر پایه پل ها و زیربنای جاده ها و محل حفر تونل ها و محل قرار دادن لوله ها و تاسیسات مکانیکی و الکتریکی (کابل های تلفن و برق و لوله کشی گاز و فاضلاب و محل احداث قناتها و محل حفر چاهها و کانال ها و … همه حالت غیر انتخابی (یعنی اجباری) دارد. به هر حال در تمام موارد ذکر شده ، شناخت خواص فیزیکی و مکانیکی خاک ضرورت غیر قابل اجتناب دارد. مثلا در یک پروژه راه سازی ، چه نوع خاکی با چه نوع دانه بندی باید انتخاب شود و لایه های آن با چه ضخامتی و با چه رطوبتی و تا چه حد باید کوبیده شود تا جایی حاصل بتواند در برابر نیروهای وارد بر آن مقاوم باشد و وجود آبهای سطحی و بارندگی بر دوام آن اثر مخرب نداشته باشد و در برابر یخ زدگی و فرسایش و تغییرات جوی نیز پایدار بماند.
در ایجاد یک سد خاکی ، شیب ها چه مقدار باشد که هم پایدار باشد و هم اقتصادی ، در صورتی که سد همگن با زهکشی است، لایه های زهکشی با چه ابعادی و با چه دانه بندی و چه مقدار نفوذپذیری باید باشد؟ سرعت حرکت آب و …. زه چه مقدار است؟ تورم یا نشست خاک چه مقدار باشد؟ میزان تراکم و درصد رطوبت و ضخامت لایه ها برای کمپاکت کردن خاک چه مقدار باید باشد؟ روش های حفاظت دامنه ها و تاج سر به چه عواملی بستگی دارد؟ و بسیاری پرسش های دیگر که مهندس طراح باید برای آنها جواب دقیق داشته باشد. به این ترتیب درمورد هرگونه پروژه ساختمانی و راه سازی و سد سازی مسائل متعددی از فیزیک و مکانیک خاک باید پاسخ داده شود. اهمیت دقت بیشتر و نیاز به تئوریهای دقیق تر هنگامی بیشتر می شود که حجم کارها و اهمیت پروژه بیشتر باشد.
رابطه مکانیک خاک با سایر علوم
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 تنش ها و تغییر شکل های هر نقطه از محیط خاکی در اثر عملکرد یک نیروی خارجی و … بحث می شود.
در این راستا گاهی نیاز به مطالعه خواص شیمیایی و کانی شناسی دانه های خاک است و گاهی نیاز به بررسی پیدایش و منشا خاکها و گاهی نیاز به استفاده از دانش هیدرولیک و دانش های دیگر است. از اینرو ارتباط این مبحث با دیگر مباحث علمی چون فیزیک ، شیمی ، زمین شناسی ، کانی شناسی ، هیدرولیک و مکانیک سیالات را نباید از نظر دور داشت.
انواع خاک مشکل آفرین
مقدمه
قسمت اعظم سطح زمین را رسوبات و مصالح ناپیوسته طبیعی ، که بطور کلی به آنها خاک می گوییم پوشانده است. خاک از یک طرف جایی است که سازه خود را به رو یا داخل آن بنا می کنیم و از طرف دیگر ماده ای است که آن را به عنوان مصالح ساختمانی در کارهای عمرانی به خدمت می گیریم. خاکهای موجود در طبیعت بسیار متنوع اند و هر یک از آنها رفتاری خاص در کاربردهای مهندسی از خود نشان می دهند. این تنوع رفتار ویژگیهای مهندسی ، متاثر از عوامل گوناگونی است.
به عنوان مثال نحوه منشا گرفتن و تشکیل شدن یک خاک تاثیر بارزی بر ویژگیهای مهندسی آن بر جای می گذارد. به این ترتیب ، بسته به اینکه خاک بطور برجا درست شده یا اینکه آبرفتی ، بادی ، واریزه ای باشد یا تغییرات ثانوی را تحمل کرده باشد از ویژگیهای مهندسی متفاوتی برخوردار است. برخی از خاکها در کارهای مهندسی مشکل آفینند. مهمترین خاکهای مسئله ساز عبارتند از : خاکهای منبسط شونده ، خاکهای فروریزنده ، رسهای سریع یا حساس و خاکهای مستعد آبگونگی .
خاکهای منبسط شونده
این خاکها جزو گروه خاکهای رسی بوده و معمولا مخلوطی از کانیهای رسی و غیر رسی اند. مشخصات ژئوتکنیکی این خاکها توسط بخش رسی آنها کنترل می شود. این گروه از خاکها دارای مقدار ، قابل توجهی کانی مونتمور یونیت اند که با آبگیری متورم شده و بر اثر از دست دادن آب منقبض می شود. تغییر حجم این خاکها بر اثر تغییرات رطوبت یکی از مهمترین مسایل و مشکلاتی است که مهندسان با آن روبرو هستند، به نحوی که شاید بتوان این پدیده را مشکل جهانی به حساب آورد.
بررسیها نشان داده است که خسارتهای ناشی از عملکرد منفی این نوع خاک بیش از هریک از بلایای زمین شناسی دیگر است. به عنوان مثال در ایالات متحده آمریکا ، خاکهای منبسط شونده سالیانه بیش از 2.3 میلیارد دلار خسارت به بار می آورند و این دو برابر مقدار خسارتی است که توسط مجموعه چند عامل مخرب دیگر مثل طوفان و سیل و زمین لرزه ایجاد می شود. برخی از مهمترین عوامل موثر در تورم پذیری رسها در زیر آمده است.
رسها اغلب اندازه کلوئیدی (0.001 میلیمتر) دارند. در نتیجه سطح مخصوص ، یعنی میزان سطح پیرامونی ذرات در واحد حجم ، بسیار زیاد است. با توجه به این نکته رسها قادرند آب زیادی را به سطح ذراتشان جذب کنند.
مقدار کربنات خاک نشانه ای از شرایط فیزیکی و شیمیایی محیط خاک است. کربناتها در خاک عمدتا به صورت کلسیت ، اند. کربناتها نقش سیمان را به عهده دارند و با به هم چسباندن ذرات ریز رس ، ذرات و دانه های درشت تری را بوجود می آورند. در نتیجه این عمل از قابلیت خمیری خاک کاسته شده و در مقابل مقاومت خاک افزایش می یابد.
آب و هوا مهمترین عامل محیطی موثر برخاکهای منبسط شونده است، زیرا این عامل است که عمق سطح ایستابی و منطقه فعال رطوبت خاک را کنترل می نماید، مشکل خاکهای منبسط شونده در اقلیمهای مرطوب ، که سطح ایستابی نزدیک زمین است، کمتر دیده می شود. در مقابل ، در نواحی خشک سطح ایستابی در اعماق زیاد قرار داشته و در نتیجه تاثیر کمی بر مقدار رطوبت خاک در نواحی سطحی دارد.
گیاهان ، مخصوصا درختان بزرگی که نزدیک پی سازه ها قرار گرفته اند، ممکن است به علت جذب آب ، مخصوصا در فصول خشک ، کاهش حجم زیادی را در خاکهای مستعد بوجود آورند. اعمال تنشهای متناوب توسط گیاهان یا تورم ناشی از قرارگیری سازه بر روی یک رس خشک شده ، فرآیندهایی وابسته به زمان اند. اغلب رسها ، نفوذپذیری کمی دارند که بر اثر تورم ، مقدار آن بیش از پیش کاهش می یابد.
توپوگرافی ، مخصوصا وجود دامنه های پرشیب ، از موادی است که در زمان طراحی سازه به روی خاکهای منبسط شونده باید مورد توجه قرار گیرد. در خاکهای منبسط شونده واقع در دامنه ها ، نوع خاصی از خزش صورت می گیرد. به این نحو که در خلال تورم خزش ایجاد شده عمود بر شیب دامنه و در خلال انقباض به موازات نیروی گرانشی است. در نتیجه مولفه برآیند این دو در جهت شیب دامنه قرار می گیرد.
خاکهای فرو ریزنده
برخی از خاکها به محض آنکه از آب اشباع می شوند حجمشان به سرعت کاهش می یابد. این مصالح در طبیعت اغلب به صورت نیمه اشباع یا خشک یافت می شوند و مانند خاکهای منبسط شونده ، تا زمانی که رطوبت خاک تغییر نکند، مشکلی برای سازه ها ایجاد نمی کنند، خاکهای فرو ریزنده اغلب مصالحی در حد ماسه ، لای و رس هستند که در محیطهای خشک در پای دامنه کوهها بر جای گذارده شده اند.
این خاک که به صورتی نیمه پایدار ته نشین شده اند، بر اثر آبگیری اشباع به صورت ناپایدار در می آیند. به نظر می رسد که مسافت خاک در حالت نیمه اشباع ، به علت کشش سطحی آب که در محل تماس بین ذرات قرار دارد، پابرجاست. بر اثر آبگیری و اشباع خاک منافذ از آب پرشده و کشش سطحی صفر می شود و خاک فرو می ریزد.
خاکهای آبگونه شونده
خاکهای مستعد آبگونگی (روانگرایی) ماسه های ریزدانه و لایهایی هستند که از تراکم کمی برخوردار بوده و معمولا به حالت اشباع می باشند. در صورتی که این خاکها تحت تاثیر بارگذاری لرزشی ، مانند زمین لرزه های طبیعی یا زمین لرزه های القایی قرار گیرند، خاک به سرعت متراکم می شود. متراکم شدن سریع باعث افزایش ناگهانی فشار آب بین ذره ای می گردد که در نتیجه آن مقاومت برشی به سرعت کاهش می یابد، تا حدی که گاه مقاومت برشی به صفر رسیده و خاک مانند مایعات جریان می یابد.
رسهای سریع
رسهای سریع یا رسهای حساس معمولا نهشته های یخچالی در حد رس هستند که در کشورهای اسکاندیناوی و در امتداد رودخانه سن لوران در شرق کانادا یافت می شوند. مکانیسم گسیختگی این خاکها هنوز مورد بحث است. تحقیقات آزمایشگاهی اخیر نشان داده است که پودر سنگ نخی از کوارتز با یک رطوبت ثابت می تواند هم به صورت مایع و هم به صورت جامد عمل کند. این ویژگی با سرعت تنجش نمونه کنترل می شود. به این ترتیب که در سرعتهای کم تنجش رفتار اجسام جامد را داشته و در سرعتهای زیاد تنجش (ضربه) مانند مایعات عمل می کند.
منبع : اینترنت ، از سایت
http://daneshnameh.roshd.ir
فهرست
عنوان صفحه
خاک 1
عوامل موثردرتشکیل خاک 1
مواد تشکیل دهنده خاک 3
تقسیم بندی خاک ها 4
نیم رخ عمومی خاکها 6
رفتاردربرابرزمین 7
نشست 7
پدیده روانگرائی 9
عوامل امکان آبگونگی 11
طبقه بندی خاکها 11
خاک چیست 12
انواع خاکها درسیستم طبقه بندی خاکهای ایالات متحده 13
فرآیند های تشکیل انواع خاک 14
نقش اقلیم های مختلف در تشکیل خاک رس 17
خاکهای شوروقلیا 18
فهرست
عنوان صفحه
ساختار خاک 20
ساختمان خاک 21
تقسیم بندی خاک از لحاظ سنگهای تشکیل دهنده 23
ترکیب خاک 25
انواع مهم خاک 26
مکانیک خاک 27
خواص مکانیکی خاک ها 32
رابطه مکانیک خاک با سایر علوم 34
انواع خاک مشکل آفرین 34
منبع 38
موضوع :
استاد گرامی :
گردآورنده :
شماره دانشجوئی