کاربرد مهندسی خاکها

کاربرد مهندسی خاکها
در کارهای عمرانی کاربرد مهندسی خاک جایگاه ویژهای دارد. این کاربرد استفاده مستقیم از از خاک ویا غیر مستقیم از آن است عمده ترین مکان استفاده از مصالح سنگی (خاک ) ،در ساختمان راه ، راه آهن ، فرودگاه، محوطه ها، خیابانها، سدهای خاکی،کانالهای آب ، تهیه سیمان، آجر، سرامیک،کاشی وغیره است .
تمام بدنه راه ( خاکریزی , زیر اساس, اساس ) از مصالح سنگی است . بخش عظیمی از جسم سد های خاکی را مصالح سنگی تشکیل می دهد . زیر سازی و رو سازی فرودگاه ها را مواد سنگی می سارد . زیر سازی و روسازی محوطه ها بصورت عمده از مواد سنگی است بالغ بر 8% بتن را سنگ دانه ها تشکیل می دهند بالغ بر 65% شفته آهکی را سنگ دانه ها شامل می شود .بیش از 95% وزن آسفالت از سنگدانه ها است.تمام مواد اولیه سیمان ، مصالح سنگی است که پس از پخت وپودر کردن آن در فرآیند مصرف در کارهای ساختمانی قرار می گیرد.آجر ،کاشی و سرامیک از محصولاتی است از خاک تهیه می گردد.با این اشاراات مختصر می توان به جایگاه خاک واهمیت آن به لحاظ حجم ،وزن وبار مالی آن درصنعت ساختمان و عمران دقت کافی و امعان نظر شود.واضح است که برای بهینه به کار گرفتن خاک باید ابتدا انتخاب اصلح صورت گیرد وزمانی که فرایند گزینش در کار باشد لازم است که این گزینش با معیارها وموازین وابزار متناسب با آن ،با حدوحدود کاربرد خاک وجایگاه استفاده آن ارتباط مستقیم دارد. به عنوان مثال سنگدانه های مورد استفاده در هسته سدهای خاکی،غیر قابل استفاده در رو سازی راه است.یا معیارهای تعیین شده گزینش خاک برای استفاده در راههای فرعی متفاوت از معیارهای راههای اصلی و بزرگراهها است.در بتن مورد مصرف پی های بزرگ از سنگدانه هایی با اندازه خاصی استفاده می شود که این اندازه ها در بتن مصرفی ستونها قابل اجرا نیست.شیوه های عمل آوردن خاک در مکان مصرف نیز متفاوت بوده و فراخور جایگاه و انتظاری که از سازه خاکی می رود انتخاب می گردد.لذا در ادامه مطلب به شرح معیارها موازین وشیوه های کاربردی پرداخته می شود:
1- اندازه سنگدانه ها(دانه بندی)
منظور از اندازه قطر سنگدانه ها است که با آزمایش دانه بندی تعیین می گردد.تعیین قطر سنگدانه ها به چند علت اهمیت دارد:
الف: وجود سنگدانه در اندازه های متفاوت و جور (دانه بندی غیر یکنواخت یا دانه بندی جور) سبب بالا بردن توان توده خاک می شود.در شرایطی که دانه های درشت ، متوسط و ریز در یک توده خاک به مقدار مناسب
وجود داشته باشد با درهم رفتن دانه ها در مجموعه خاک ، فضای خالی(Volid ) توده خاک کاهش می یابد و دانه بندی جور و غیر یکنواخت خواهد بود بود و توانمندی خاک در مقابل فشار و تنش افزایش می یابد.
ب: قطر دانه ها باید مناسب حجم مکانی باشد که این دانه ها درآن جا می گیرد.مثلاً سنگدانه های بتنی که برای ستون تولید می شود باید ریزتر از سنگدانه های بتن پی های بزرگ باشد.
ج: توان باربری مواد درشت دانه در مقابل تغییر درصد رطوبت ،کمتر از توان باربری ریز دانه ها (مخصوصاً رسها) دچار تغییر می شود.
د: در خصوص مقدار مصرف چسباننده ها(سیمان ،آهک ، گچ، قیر) در ساخته های ساختمانی ،سطح مخصوص
سنگدانه ها نقش اساسی داردکه قسمت قابل توجهی از آن تناسب با دانه بندی خاک دارد.
2-شکل سنگدانه ها
3-سطوح سنگدانه ها
خاک یا با فشار و تراکم بهم چسبیده شده و جسم نسبتاً سفت و سخت و متراکم از آن ساخته می شود و یا توسط چسب های ساختمانی( آهک ، گچ، سیمان، قیر و غیره) یکپارچه می گردد.هر چه سطوح سنگدانه ها
بیشتر و این سطوح زبرو مضرس باشد اصطکاک و بهم چسبیدگی بیشتری حاصل می شود.بنابراین سنگدانه هایی که از شکستن سنگ و یا سنگدانه بزرگتر به دست آمده باشند در تراکم خاک و ایجاد توده خاک مستحکم کارآیی بیشتری دارند.دا نه های گرد گوشه و صاف در مقایسه با این سنگدا نه ها اصطکاک و سطح کمتری دارند.تعیین میزان شکستگی با انجام آزمایش تعیین درصد شکستگیP PPersent Crashdصورت می گیرد.نکته قابل توجه اینکه این سطوح زبرو مضرس زمانی ارزشمندتر هستند تازه و نو باشند بنابراین، سطوح شکسته و قدیمی و طبیعی ارزش سطوح زبر و مضرس نو و تازه را ندارند زیرا زبری آنها به مرور زمان از بین رفته و در ناصافی های ریز سطوح ، رس وریزدانه چسبیده که به آسانی نمی توان آن را جدا نمودو این باعث ضعف در چسبندگی ساخته های ساختمانی خواهد شد.
4-جنس سنگدانه
سنگها دارای مقاومت فشاری مختلف و سختی های متفاوت می باشند.تشخیص نوع سنگ مادر ادرای اهمیت زیاد است.بررسی و شناخت مقاومت فشاری ، مواد شیمیایی تشکیل دهنده آن ، تأثیر شیمیایی مواد تشکیل دهنده بر چسباننده ها ، تعامل فیزیکی سنگدانه با چسباننده ،پایداری سنگدانه در طول زمان از موضوعات بسیار مهم کاربردآن است.آزمایشهایی که در این راستا می توانند انجام شوند عبارتند از تعیین مقاومت فشاری سنگ اصلی،شناخت میکروسکوپیک سنگ اصلی ،لوس آنجلس (تعیین سایش) ،آزمایش ایمپکت و آزمایشهای شیمیایی می باشد.
5-پلاستیسیته خاک
از مفاهیم بسیار مهم ،خاصیت پلاستیسیته خاک است.خاصیت پلاستیسیته خاک معلول وجود سنگدا نه های رسی در مجموعه خاک می باشد.میزان خاصیت بستگی تام با مقدار رس در مجموعه و همچنین نوع آن (کائولن ،بتونیت،ایلیت،مونت موریلونیت و غیره )است.اصل مطلب مربوط می شود به اینکه ،خاک پلاستیک می تواند مقداری آب را جذب نموده و حالت خمیری و شکل پذیر به خود بگیرد.دامنه حالت خمیری بستگی به ساختمان فیزکو شیمیایی خاک رس دارد.توده خاکی که خاصیت پلاستیک دارد چنانچه خشک باشد سفت وشکننده است با جذب آب و افزایش آن به حدی می رسد که حالت خمیری به خود میگیرد و تا حدی هم می تواند آب را به خود بگیرد و همچنان حالت خمیری داشته باشد.
ولی از حدی که افزایش آب گذشت ،خاک چسبنده و خمیری حالت روانی به خود می گیرد و دیگر خمیر نخواهد بود.دامنه ای از درصد رطوبت که خاک در آن ،حالت خمیری خود را دارددامنه خمیری خاک گفته می شود.حد روانی ،حد خمیری،دامنه خمیری به صورت درصد رطوبت بیان می شوند.
LL-PL=PI LLعبارت است از درصد رطوبتی که خاک در آن درصد رطوبت (با در نظر گرفتن شرایط ذکر شده در آزمایش کاساگراند)روان می شود.
PL عبارت است از درصد رطوبتی که خاک از آن کمتر (با در نظر گرفتن شرایط ذکر شده در آزمایش مربوطه )حالت خمیری ندارد.
PIدامنه درصد رطوبتی که خاک در آن دامنه درصد رطوبت ،حالت خمیری دارد.
حد انقباض خاک درصد رطوبتی است که خاک از آن درصد رطوبت کمتر ، حجم کم نمی کند.
توضیح: تعیین مقادیرفوق تابع شرایط و مقرراتی است که در استاندارد مربوط به تعیین حدود اتر برگ خاک آمده است.

نفوذ پذیری خاک



نفوذ پذیری خاک Permability) ) از جمله خصوصیاتی است که در گزینش خاک در بکارگیری آن باید مورد توجه قرار گیرد .ماهیت نفوذ پذیری عبارت از سرعت جریان آب در داخل خاک است.این سرعت به عوامل چندی از جمله :نوع خاک به لحاظ درشتی و ریزی ،طبقه خاک ،تراکم و قوام خاک ،جنس خاک به لحاظ ترکیب فیزکو شیمیایی آن ،شیب هیدرولیکی و غلظت آب و ..... بستگی دارد.نفوذ پذیری خاک یا ضریب نفوذ پذیری K) ) بیان می گردد.برابر قانون دارسی و بیان کلی و ساده ،نفوذ پذیری خاک را می توان از روابط زیر تخمین زد.
Q=K.A.i.t
=Qحجم آب جریان یافته در زمان t
K =ضریب نفوذپذیری خاک
A =سطح مقطع عبور آب
I =شیب هیدرولیکی
t =زمان جریان
مقدار جریان آب (q) در واحد زمان از سطح مقطع A) ) برابر است با : K=-q/A.i یاq=-K.A.i
علامت منفی در جلو رابطه فوق نشان دهنده این مطلب است که جریان بر خلاف جهت افزایش پتانسیل است.
7-تأثیر عوامل جوی
انقباض و انبساط می تواند اثر سوء بر سنگدانه داشته باشد.بخصوص اگر سنگدانه ها از کانیهای مختلف با گرمای ویژه و ظریب انبساط متفاوت تشکیل یافته باشد.لذا آزمایش فریزینگ( F errizing ) باید روی خاک صورت پذیرد تا میزان تأثیر پذیری سرد وگرم شدن هوا مشخص گردد.حدود مجاز آن در آئین نامه و مشخصات آمده است.
8-تأثیر عوامل شیمیایی
چون مواد سنگی اغلب در مجاورت زمین قرار می گیرد اگر در مجاورت آن به طور طبیعی مواد شیمیایی تأثیر کننده وجود داشته باشد با گذشت زمان تأثیر سوء خواهد داشت لذا تشخیص میزان تأثیر باید مورد بررسی قرار گیرد.
9- مواد زاید ومضر
منشأتهیه سنگدانه (بخش جامد S ) ، مایع (آب W )، فضا(هواA ) میباشد که مقادیر آب و هوا می تواند برحسب تراکم و قوام خاک و همچنین درجه اشباع خاک از آب ،متغیر باشد.لذا روابطی نیز که در زمینه روابط حجمی و وزنی وجود دارد متأثر از این تغییرات می تواند باشد:
الف:روابط وزنی:
برای بیان روابط حجمی مدلی از توده خاک به شکل زیر در نظر گرفته می شودو روابط مربوطه بر اساس این مدل بیان می گردد:
1- درصد رطوبت
عبارت است از نسبت وزن آب توده خاک به مقدار خاک خشک:
(Ww/Md)100 =ω
ω: درصد رطوبت ، W = وزن رطوبت در مقدارخاک و Md = وزن خاک خشک
2- وزن واحد حجم
به وزن واحد حجم ،دانسیته نیز گفته می شودو عبارت است از نسبت وزن توده خاک به حجم توده خاک:
W/V =γ
γ= وزن واحدحجم W = وزن V = حجم γd=γm(1+ω)
γd =وزن واحد حجم خاک خشک
γm =وزن واحد حجم خاک تر
ω = درصد رطوبت خاک
توضیح :وزن واحد حجم خاک( γ )در صورتی که خشک باشدبه( dγ) ودر صورتی که مرطوب باشد به(m γ)و چنانچه اشباع باشد به( satγ) ودر صورتی که مستغرق (زیر سطح آب)باشد به (subγ) نمایش داده می شود: wγ Sat- γ = Subγ
3- وزن مخصوص نسبی
عبارت است از نسبت وزن توده خاک به حجم توده خاک که به نسبت وزن واحد حجم آب سنجیده می شود:
GS = γ/γw = W / V .γw
wγ= وزن واحد حجم آب
4- وزن مخصوص بخش جامد خاک
عبارت است از وزن بخش جامد توده خاک به حجم بخش جامد توده خاک که به نسبت وزن مخصوص آب سنجیده می شود. SGs=Ws /Vs.γw
SGs =وزن مخصوص بخش جامد خاک
Ws = وزن خشک بخش جامد خاک
Vs = حجم بخش توده خاک
γw = وزن واحد حجم آب
5- دانسیته نسبی:
دانسیته نسبی به(Dr ) و یا به( Rd ) نشان داده می شود و از رابطه زیر محاسبه می شود.
nγ (γmin -max γ)/ max γ (n-γminγ)=Dr
nγ= وزن واحد حجم طبیعی خاک
γmin = وزن واحد حجم خاک در حالت شل(متراکم نشده یا فله ای)
maxγ= وزن واحد حجم خاک در حالت متراکم(در حالتی که در داخل قالب یا دستگاه ویبره مخصوصص تا حدی ویبره شود که دیگر حجم کم نکند.این عمل رانیز با میله زدن می توان انجام داد)
دانسیته نسبی را از فرمول زیر می توان بدست آورد.
Dr=(emax-en)/( emax-emin)
emax =نسبت تخلخل در حالتی که خاک شرایط شل قرار دارد.
emin =نسبت تخلخل در شرایطی که خاک متراکم شده است.
en =نسبت تخلخل در شرایطی که خاک تراکم طبیعی خود را دارد.(شرایط دست نخورده در زمین)
توضیح1: نسبت تخلخل در قسمت روابط حجمی تعریف شده است.
توضیح2: دانسیته نسبی نشان دهنده تراکم خاک در شرایط طبیعی (دست نخورده زمین)است و حالات زیر را برای آن میتوان در نظر گرفت:
1- دانسیته نسبی بین85تا 100 درصد ،خاک بسیار متراکم است.
2- دانسیته نسبی بین 67 تا85 درصد،خاک متراکم می باشد.
3- دانسیته نسبی بین 33تا 67 درصد،تراکم خاک ک متوسط است.
4- دانسیته نسبی کمتراز 33 درصد، خاک غیر متراکم و شل تلقی می گردد.
توضیح:
1- هر چه توده خاک متراکم تر و فشرده تر شود از مقدار فضای بین دانه ها کاسته می شود .
در صورتی که توده خاک اشباع باشد فشار استاتیکی و دینامیکی وارد بر آن باعث خروج آن از توده خاک می شودو حاصل این فرآیند در خاکهای غیر چسبنده تراکم ،و در خاکهای چسبنده تحکیم می باشد .البته توده خاک در این فرآیند از نظر تئوریک اشباع باقی می ماند.
ب:روابط حجمی
برای بیان روابط حجمی نیز مانندروابط وزنی مدلی از توده خاک در نظر گرفته می شود و روابط مربوطه بر اساس این مدل بیان می گردد.
1- نسبت تخلخل e عبارت است از نسبت حجم فضای بین دانه های توده خاک به حجم بخش جامد توده خاک:
e =Vv/Vs
2- در صد پوکیn
عبارت است از حجم فضای بین دانه های توده خاک به حجم کل توده خاک که به درصد بیان می شود.
n =(Vv/Vt)100
3- درجه اشباع خاک از آب :
عبارت است از نسبت حجم آب موجود در توده خاک به حجم فضای بین دانه ها که به درصد بیان می شود.
Sr = (Vw/VV)100
توضیح:
1- در حالتی توده خاک شرایط صفر درصد هوا را داردکه تمام خلل فرج آن از آب پر باشدیا به عبارت دیگر توده خاک اشباع است.لازم به ذکر است که توده خاک اشباع با وزن واحد حجم های مختلف می تواند شرایط صفردرصد هوا را داشته باشد .یا به عبارت دیگر توده خاک می تواند با ذرصد رطوبتهای مختلف اشباع باشد و شرایط صفر درصد هوا را حفظ نماید.
2- درشرایطی یتوده خاک شرایط صددر صد هوا را دارد ،که توده خاک خشک باشد.لازم به ذکر است که توده خاک خشک می تواند با وزن واحد حجمهای مختلف شرایط صددر صد هوا را داشته باشد.
3- مباحث مربوط به ظرفیت گسیختگی خاک (مقاومت خاک در مقابل گسترش تنش ) و شیوه های تعیین آن ،زمنینه های کاربردی آن ،شیوه های اصلاح و بهینه ساری خاک (مقاومت خاک در مقابل گسترش تنش) و شیوه های تعیین آن ،زمینه های کاربردی آن ،شیوه های اصلاح و بهینه سازی خاک ،سایر مواردی که به گونه ای در ارتباط با استرس stress) )و استرین خاک استstrain) ) خاک است در بخش مطاعات ؤئو تکنیک آورده خواهد شد.
4- خاکها درتعیین مصالح ساختمانی به طور غیر مستقیم نیز کاربرد دارند مانند سیمان ،آهک ،کاشی