خاک و سنگ
در علوم مهندسی، خاک مخلوط غیر یکپارچه ای از دانه های کانیها و مواد آلی فساد شده ای می باشد که فضای خالی بین آنها توسط آب و هوا(گازها) اشغال شده است. مهندسان عمران باید بخوبی خواص خاک از قبیل، مبدأ پیدایش، دانه بندی، قابلیت زهکشی آب، نشست، مقاومت برشی، ظرفیت باربری و غیره را مطالعه نمایند.
چرخه سنگ و مبدأ خاک
دانه های کانی که تشکیل دهنده ی قسمت جامد خاک هستند، از هوازدگی سنگها به وجود می آیند بسیاری از خواص فیزیکی خاک، توسط اندازه، شکل و ترکیبات شیمیایی دانه ها دیکته می شوند. بر پایه ی نحوه ی پیدایش سنگها به سه نوع اصلی آذرین – رسوبی و دگرگونی تقسیم بندی می شوند.
سنگهای آذرین
سنگهای آذرین خروجی، که از انجماد گدازه های ماگما که از اعماق گوشه ی زمین به بیرون پرتاب شده اند تشکیل می شوند. بعد از پرتاب چه به صورت فوران از شکافها وچه به صورت فوران از کوه های آتشفشانی مقداری از گدازه های ماگما در روی سطح زمین سرد می شوند. نوع سنگ آذرین تشکیل یافته از سرد شدن ماگما، بستگی به عوامل متعددی نظیر ترکیبات ماگما، و سرعت سرد شدن آن دارد.
بنابراین، بسته به نسبت کانیهای دسترسی، انواع مختلف سنگهای آذرین شکل می گیرد. گرانیت، گابروبعضی از انواع معمول سنگهای آذرین هستند که معمولاً در طبیعت یافت می شوند.
سنگهای رسوبی
رسوبات شن، ماسه، لای و رس که به وسیله ی هوازدگی تشکیل یافته اند ممکن است توسط فشار ناشی از سربار، متراکم و توسط موادی نظیر اکسیدآهن، کلسیت، دولومیت و کوارتزسمنته شوند.
مواد سمنتاسیون معمولاً به صورت محلول در آب زیرزمین حمل می شوند.این فضای بین ذرات را پر می کنندو تشکیل سنگهای رسوبی می دهند.
دگرگونی عبارت است از فرآیند تغییر ترکیب و بافت سنگ به وسیله ی گرما و فشار بدون وقوع ذوب در حین دگرگونی، کانیهای جدید تشکیل شده، و دانه های کانیها بریده می شوند تا یک بافت ورقه ای به سنگهای دگرگونی بدهند.
دانه های خاک
اندازه دانه های تشکیل دهنده ی خاک در دامنه ی وسیعی متغیر است. برحسب اندازه های دانه ها، خاکها معمولاً شن، ماسه، لای و رس نامیده می شوند، برای تشریح خاکها، سازمان های مختلف حدود جداکننده ی اندازه خاک را پیشنهاد می کنند.
حدود پیشنهادی جداکننده ی اندازه ی دانه ها، توسط چند سازمان مختلف ارائه شده است.
سیستم پیشنهادی انستیتو تکنولوژی ماساچوست فقط از نقطه نظر اهمیت تاریخی ذکر شده است، در حال حاضر، حدود پیشنهادی توسط سیستم طبقه بندی متحد خاک متداول ترین است. این سیستم مورد پذیرش اداره ی استاندارد آمریکا(ASTM) قرار گرفته است.
شن، خرده سنگ همراه با دانه هایی از جنس کوارتز، فلداسپار و سایر کانیها می باشد.
ماسه ، دانه هایی اکثراً ازجنس کوارتز و فلداسپار می باشد. دانه هایی از سایر کانیها نیز گاهی مواقع یافت می شود.
لای، ذرات ریز(میکروسکوپی) خاک می باشد که از دانه های بسیار ریزکوارتز و ذرات پولکی شکل حاصل از متلاشی شدن کانیهای میکادار تشکیل می یابد. رس، ذرات بسیار ریزپولکی شکل میکا، کانیهای رس و سایر کانیها می باشد. رسها معمولاً ذراتی با اندازه ی کوچکتر از 002/0 میلیمتر تعریف می شوند. لیکن گاهی مواقع ذراتی با اندازه ی 002/0 تا 005/0 میلیمتر نیز رس تعریف می گردند.
دانه بندی خاک
دانه بندی خاک تعیین دامنه ی اندازه ی ذرات موجود در خاک و توزیع وزنی آنهاست که برحسب درصدی از وزن کل خشک خاک بیان می شود.معمولاً دو روش برای تعیین منحنی دانه بندی مورد استفاده قرار می گیرد:
(1) آزمایش دانه بندی برای ذراتی با قطر بزرگتر از 075/0 میلیمتر و(2) آزمایش هیدرومتری برای ذراتی با قطر کوچکتر از 075/0 میلیمتر. در ادامه مبانی آزمایش دانه بندی و آزمایش هیدرومتری تشریح می شود.
آزمایش دانه بندی
آزمایش دانه بندی عبارت است از لرزاندن نمونه ی خاک بر روی یک سری الککه اندازه های آن به ترتیب از بالا به پایین کاهش می یابد.
برای آزمایش دانه بندی، ابتدا خاک در کوره خشک می شود. سپس کلوخه های خاک کاملاً خرد شده و نمونه از الکها عبور داده می شود. بعد از اتمام مرحله لرزاندن الکها و عبور دادن کامل خاک از آنها، جرم خاکهایی که در روی هر یک از الکها باقیمانده، اندازه گیری می شود. در هنگام آزمایش دانه بندی خاکهای چسبنده، شکستن کلوخه های سنگ به دانه های جدا از هم مشکل است. در این صورت خاک را می توان در آب حل کرد تا به صورت دوغاب خاک درآید. دوغاب خاک از میان الکلها عبور داده شده و مقدار باقیمانده در روی هر الک درکوره خشک و توزین می شود.
نتایج آزمایش دانه بندی معمولاً بر حسب درصد وزنی خاکهای عبوری از هر الک بیان می شود.
آزمایش هیدرومتری(دانه بندی به وسیله ی ته نشینی)
آزمایش هیدرومتری بر پایه ی اصول ته نشینی دانه های خاک در آب قرار دارد. وقتی که نمونه ی خاک در آب کاملاً هم زده می شود، دانه های معلق بر حسب شکل، اندازه و وزن با سرعتهای مختلفی ته نشین می شوند. برای سهولت، فرض می شود که تمام دانه های خاک کروی هستند و سرعت ته نشینی آنها طبق قانون استوکس بیان می شود.
سفتی ( قوام خاک)
وقتی در خاکهای ریزدانه، کانیهای رسی ظاهر شود، با مرطوب کردن، خاک حالت خمیری به خود می گیرد و آن را می توان بدون خرد شدن شکل داد. این خاصیت چسبندگی به علت آب جذب شده ای است که ذرات رس را احاطه کرده است.در اوایل دهه ی 1900، دانشمند سوئدی، اتربرگ، روشی برای توصیف سفتی خاکهای ریزدانه بر حسب میزان رطوبت ابداع نمود. در میزان رطوبت خیلی کم، خاک مثل یک جسم جامد عمل می کند. در رطوبت خیلی بالا، مخلوط آب و خاک می تواند به صورت یک مایع جاری شود.
میزان رطوبت(برحسب درصد) در نقطه ی انتقال از جامد به نیمه جامد، حد انقباض و در نقطه ی انتقال از نیمه جامد به خمیری، حد خمیری و از خمیری به مایع، حد مایع یا حد روانی نامیده می شود. حدود نامبرده، به حدود اتربرگ معروف هستند.
این مقاله برگرفته از کتاب اصول مهندسی ژئوتکنیک(جلد اول) مکانیک خاک به ترجمه و تدوین از آقای شاپور طاحونی (عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر) است.
