مکانیک خاک چیست؟

مکانیک خاک یکی از شاخه های علمی رشته مهندسی عمران میباشد.که به پژوهش رفتار مکانیکی خاک در شرایط بارگذاری میپردازد که یکی از گرایش های بسیار مهم مهندسی عمران است زیرا کلیتی را بیان میکند .که به شیوه حمایت از پروژه های زیر ساختی عمرانی مانند ساختمان ها،پل ها، مخازن ، خاکریزها، سدها و تونل ها توسط خاک حکم فرما است .

این دانش با مکانیک سیالات کلاسیک یا مکانیک جامد متفاوت است به دلایلی که نام میبرم:

• 1. مخلوطی ناهمگن از ذرات جامد مانند شن ؛سنگ،ماسه، سیلت و رس و...، مایع و گاز (سیستم سه فاز ) است.
• 2. یک ماده ذره ای است درک و پیش‌بینی رفتار خاک پیچیده است زیرا وابسته به تنش و غیرخطی است

برای استخراج خواص مکانیکی خاک، آزمایش‌های درجا و آزمایشگاهی انجام می‌شود و از راه‌حل‌های تحلیلی یا مدل‌های سازنده برای شبیه‌سازی رفتار آن استفاده می‌شود.

به طور کلی، هدف استفاده از این دانش بسته به پروژه متفاوت است، اما به طور کلی هدف آن اطمینان از پایداری خاک و محدود کردن تغییر شکل در حین  کنترل جریان آب زیرزمینی است .

این علم شامل مطالعه ترکیبخاک، استحکام، تحکیم و استفاده از اصول هیدرولیکی برای مقابله با مسائل مربوط به رسوبات و سایر رسوبات است. دانش مکانیک خاکی یکی از علوم اصلی برای حل مسائل مربوط به زمین شناسی و مهندسی ژئوفیزیک است. مطالعات این دانش برای مهندسین عمران بسیار مهم است زیرا بر اساس یافته های مطالعات دانش خاک سازه های مهندسی ساخته می شود. نوع ساخت، نوع تجهیزات مورد استفاده، نوع فونداسیون، مواد پشتیبانی و بسیاری از جنبه های دیگر کارهای ساختمانی تا حد زیادی تحت تأثیر مطالعات این دانش قرار دارند.

تشکیل خاکها در مکانیک خاک 

برای آموختن این دانش ابتدا باید بدانیم خاک از چه موادی تشکیل شده است در واقع خاک ترکیبی از مواد معدنی و عناصر آلی است که به صورت جامد، گازی و آبی هستند. خاک از لایه های ذرات تشکیل شده است که به دلیل فعل و انفعالات بین جو و هیدروسفر و دلایل دیگر از نظر خواص فیزیکی، کانی شناسی و شیمیایی با مواد اولیه متفاوت است. ذرات خاک از سنگ های شکسته ایجاد می شود که در اثر اثرات شیمیایی و محیطی از جمله آب و هوا و فرسایش تغییر یافته است. ذرات خاک به صورت سست پر می شوند و تشکیل خاکی را ایجاد می کنند که از فضاهای منفذی تشکیل شده است. مطالعه حالت های تشکیل خاک از این جهت مهم است که به تعیین خواص خاک کمک می کند. چسبندگی، چسبندگی، اسیدیته خاک و سایر عوامل مرتبط را می توان به راحتی با دانستن نوع خاکی که باید با آن مقابله کرد، تعیین کرد.

ویژگی های اساسی خاک 

خاک از فازهای مختلف جامد، مایع و گاز تشکیل شده است و ویژگی های آن به رفتار متقابل این فازها و تنش اعمال شده بستگی دارد. فاز جامد شامل خاک رس، مواد معدنی غیررس و مواد آلی است. این عناصر بر اساس اندازه خود به عنوان خاک رس، ماسه و شن طبقه بندی می شوند. فاز مایع از آبی تشکیل شده است که حاوی ترکیبات آلی موجود از نشت مواد شیمیایی، زباله ها و آب های زیرزمینی است، در حالی که فاز گاز معمولاً هوا است. اندازه، شکل، خواص شیمیایی، تراکم پذیری و قابلیت حمل بار ذرات خاک توسط کانی شناسی خاک که علمی مرتبط با شیمی، ساختار و خواص فیزیکی کانی ها است، تعیین می شود. ساختار خاک به آرایش ذرات، گروه های ذرات، فضاهای منافذ و ترکیب بستگی دارد.

تحکیم خاک ها نیز عامل مهمی است که برای ساخت سازه های مستحکم و بادوام نیاز به مطالعه دارد. تحکیم روشی است که بر اساس آن با اعمال تنشی که در اثر آن ذرات خاک در کنار هم قرار می گیرند، حجم خاک کاهش می یابد و در نتیجه حجم آن کاهش می یابد. با حذف تنش، خاک به عقب برگشته و مقداری از حجم از دست رفته در طول فرآیند تحکیم را بازیابی می کند. در حین مطالعه تلفیق، عوامل مهمی که باید مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند، میزان تلفیق و میزان تلفیق هستند. عامل مهم دیگر نفوذپذیری خاک است. همه عوامل ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند و بر روند کلی طراحی و ساخت تاثیر می گذارند.

به عنوان مثال، کاربرد این علم  درسازه ها؛ اگر سازه ای بر روی خاکی با دانه های ریز که نفوذپذیری کمی دارند ساخته شود، جریان آب در حفره های خاک کمتر خواهد بود. محتوای آب زیاد در این خاک ممکن است به دلیل وزن آن باعث فرورفتن سازه شود. فرآیند تحکیم در خاک های ریزدانه کند است. با این حال، استخراج آب منفذی در خاک های درشت دانه ساده است زیرا آزادانه در منطقه حرکت می کند. نرخ تحکیم تحت تأثیر تاریخچه خاک، ماهیت خاک و بار روی خاک خواهد بود. بنابراین همه عوامل مانند نفوذپذیری محتوای آب، تحکیم، حد مایع به طور جمعی تجزیه و تحلیل می شوند.

کاربرد مکانیک خاک در مهندسی عمران

دانش مکانیک خاک در گرایش های رشته مهندسی عمران  کاربرد زیادی دارد.که در ادامه به یک یک آنها میپردازیم.

1. پایه ها :بارهای هر سازه ای باید در نهایت از راه پی سازه به خاک منتقل شود بنابراین پی بخش مهمی از سازه است که تنها به دانستن و به کارگیری اصول این دانش میتوان درباره نوع و جزییات آن تصمیم گیری کرد.
2. سازه های زیر زمینی و نگه دارنده زمین: سازه‌های زیرزمینی مانند سازه‌های زهکشی، خطوط لوله و تونل‌ها و سازه‌های حائل زمین مانند دیوارهای حائل و  دیوارهای حائل تنها با استفاده از اصول این دانش و مفهوم «تعامل خاک و سازه» قابل طراحی و ساخت هستند.
3. طراحی روسازی: طراحی روسازی ممکن است شامل طراحی روسازی های انعطاف پذیر یا صلب باشد. روسازی های انعطاف پذیر برای انتقال بارهای ترافیکی بیشتر به خاک زیرین بستگی دارند. مشکلات خاص در طراحی روسازی ها، تأثیر بارگذاری مکرر، تورم و چروکیدگی زیر خاک و عمل یخبندان است. در نظر گرفتن این عوامل و سایر عوامل در طراحی کارآمد روسازی امری ضروری است و بدون این دانش  نمی توان این کار را انجام داد.
4. حفاری ها ، خاکریز ها و سدها: حفاری نیاز به علم تجزیه و تحلیل پایداری شیب دارد. حفاری های عمیق ممکن است به تکیه گاه های موقتی نیاز داشته باشند . چوب بندی یا مهاربندی ،که طراحی آنها نیازمند این دانش است به همین دلیل ، ساخت خاکریزها و سدهای خاکی که در آن از خود خاک به عنوان مصالح ساختمانی استفاده میشود نیاز به دانش کامل از رفتارهای مهندسی خاک  به ویژه در حضور آب دارد. آگاهی از پایداری شیب ، اثرات نشت ، تحکیم و در نتیجه نشست و همچنین ویژگی های تراکم برای دستیابی به حداکثر وزن واحد خاک در محل ، برای طراحی و ساخت کارآمد خاکریزها و سدهای خاکی کاملا ضروری است.

دانش مکانیک خاک، با فرض اینکه خاک یک ماده ایده آل الاستیک، همسانگرد و همگن باشد – همراه با تعیین تجربی خواص خاک، در پیش بینی رفتار خاک در مزرعه مفید است.

جمع بندی

خاک به عنوان یک ماده ذره ای و ناهمگن، خود را به تجزیه و تحلیل ساده نمی رساند. علاوه بر این، دشواری با این واقعیت افزایش می یابد که لایه های خاک از نظر وسعت و همچنین در عمق حتی در یک منطقه کوچک متفاوت است. دانش کامل این علم یک پیش نیاز برای یک مهندس پی موفق است. ترسیم مرز تمایز بین مکانیک خاک و مهندسی پی دشوار است. بعدی از جایی شروع می شود که اولی به پایان می رسد.

نویسنده: سیده حدیثه هاشمی، کارشناس دپارتمان مهندسی عمران گروه آموزشی پارس پژوهان